JPWO2011108410A1 - 無声放電プラズマ装置および無声放電プラズマ発生方法 - Google Patents

無声放電プラズマ装置および無声放電プラズマ発生方法 Download PDF

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Abstract

高効率かつ添加ガスを要しない無声放電プラズマ装置を提供する。対向して配置される２つの電極と、電極間に少なくとも１つの誘電体を備え、電極間にガスを供給するとともに交流電圧を印加することによりガスを放電させてプラズマを発生させる無声放電プラズマ装置において、電極または誘電体の放電に接する面の少なくとも１面に、酸化物中に、この酸化物に対し重量比で0.05wt%以上10wt%以下となるように貴金属微粒子が分散された半導電性の放電境界層を設けた。

Description

本発明は、オゾン発生装置や炭酸ガスレーザ装置に代表される無声放電を利用したプラズマ装置の高性能・高効率化に関するものである。
無声放電を用いたプラズマ装置を代表してオゾン発生装置について説明する。オゾンの需要は年々高まっており、近年では上下水処理などの水環境浄化分野に留まらず、強力な酸化剤としての有用性からパルプ漂白や半導体・液晶製造分野などへも展開されている。各用途において共通の課題が高濃度オゾン発生の高効率化である。世界各国において、高効率化に対して様々な研究開発が実施されており、特に高ガス圧力下において放電空隙長を極めて小さく設定した高圧短ギャップ放電による高濃度オゾン発生技術が革新的な技術開発として脚光を浴びている（特許文献１）。高効率化に際して、酸素を原料ガスとした場合（以下、酸素原料式）および空気を原料ガスとした場合（以下、空気原料式）の各々において、オゾン発生装置の高効率化が検討されており、高圧短ギャップ放電を中心に更なる高効率化への開発が進められている。特に酸素原料式においては、オゾン発生の出発点となる酸素原子発生効率や電子衝突などによるオゾン分解効果、空気原料式においては、オゾンと同時に生成する窒素酸化物によるオゾン分解効果が高効率化への着眼点となっている。
また、近年、高純度酸素ガスを用いた酸素原料式において、極めて興味深い現象が発生することが確認されている。従来のオゾン発生装置においては、原料ガスとして高純度の酸素を使用した場合、そのオゾン発生効率は極めて低く、また動作時間とともに経時劣化することが知られている。高純度酸素ガスを用いた場合のオゾン発生効率の改善ならびにその物理現象の解明に対して、多くの研究開発が実施されており、一般的には、高純度酸素に微量の窒素を添加することによりオゾン発生効率の低下および経時劣化を回避するという経験的な方策が採用されている。しかしながら、この窒素などの添加ガスによる効率改善のメカニズムには諸説があって、いずれの説も正確に証明されておらず、未だ明確にはなっていないのが実情である。
半導体・液晶製造プロセスなど電子デバイス産業においては、オゾンは絶縁膜の成膜や基板洗浄などに応用されている。このような分野では、オゾンガスのクリーン度が求められており、オゾンガス中に含有される金属コンタミネーション（以下金属コンタミ）の量が問題視される。特に、オゾン発生装置の電極構成部材であるステンレス鋼等に起因するCrやFeといった重金属パーティクルが放電による電極表面のスパッタリングやオゾンガスによる酸化腐食によりオゾンガスに同伴し、デバイス内に取り込まれることにより、その特性を低下させる要因になっている。そのため、電極表面に金属部分を露出しないよう耐スパッタ性に富んだ絶縁物などによりその表面を覆い、電極部からの金属コンタミの発生を低減させることが一般的に実施されている。半導体成膜プロセスにおいては、シリコンウェハ上に付着する金属コンタミ量は一般的に１０９atoms/cm2レベルである必要があると要求されているが、上記電極表面部分の対策だけでは、１０１１〜１０１２atoms/cm2レベルの金属コンタミを発生してしまう。これは、金属コンタミは上記電極部からの発生だけではなく、原料ガスに添加される窒素ガスに起因してオゾンとともに生成する窒素酸化物が微量水分との反応により硝酸を生成し、この硝酸の影響により、電極部以降の金属製のガス流通部、例えばステンレス配管材料が腐食されることによって発生される金属コンタミが存在することによる。すなわち、電極部における金属コンタミ発生を低減させたとしても原料ガスに窒素が添加されている以上、オゾン発生装置の後段に接続されるプロセス装置においては、金属コンタミの発生は抑制できず、所定のウェハ上付着量を満足できないことになる。
このように、クリーン度が要求される用途における酸素原料式オゾン発生装置においては原料ガスへの窒素の添加そのものが大きな問題となっており、原料ガスに窒素を添加しないオゾン発生装置が望まれている。このような背景から、窒素ガスを添加しない、いわゆる窒素レスオゾン発生技術の開発が盛んに実施されており、例えば、電極部表面にアナターゼ型酸化チタンを設置し、放電により発生する紫外光を利用することによる酸化チタンの光触媒効果を窒素が放電・オゾン発生にもたらす効果の代替として適用することが提案されている（特許文献２）。また、光触媒材料にプラチナなどの貴金属をドープすることにより、光触媒の活性度を向上させることも提案されている（特許文献３）。両者ともに、電極材料の光触媒作用を利用することにより、窒素を添加せず、純度の高い酸素を原料ガスとした場合のオゾン発生効率を向上させることができるとされている。
特許第３５４５２５７号公報（００２２〜００２６段落、図５） 特許第４０６９９９０号公報（００１１〜００２１段落、図２） 再公表特許 ＪＰ ＷＯ２００５／０８０２６３号公報（００７６段落） 特許第４３２０６３７号公報（００１９段落） 特開平２００８−４９２８０号公報（００１０段落） 特許第２９８３１５３号公報（０１１１〜０１１４段落）
代表的な無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置においては、オゾンの利用範囲が多岐に渡るとともに、更なる高効率化が要求されている。しかしながら、現状では、特許文献１に示される高圧短ギャップ放電を超える顕著な高効率化は実現されておらず、単なる装置構造や動作条件の最適化では成し得ないレベルとなってきている。すなわち、プラズマ発生および維持に関する原点からの抜本的な改革が必要であり、現在必要とされている領域の高濃度オゾンの発生メカニズムと放電物理現象および駆動技術であるパワーエレクトロニクス技術との最適化が必要である。また、近年、顕在化してきた酸素原料式における窒素レスオゾン発生に対しては、添加ガスである窒素のオゾン発生に対する役割すら明確化されていないことから、特にオゾンガスのクリーン度が要求される分野の期待に応えるに至ってはいない。半導体・液晶製造分野においては、デバイスの微細化に伴い、オゾンガスへの要求スペックが向上するため、早期の窒素レスオゾン発生技術の確立が急務である。
窒素レスオゾン発生に対しては、例えば、特許文献２にあっては、光触媒材料であるアナターゼ型酸化チタン薄膜を電極表面に形成し、原料ガスとして純度の高い酸素（純度99.9999%以上）のみを用いたオゾン発生装置において、オゾン濃度の経時的な劣化を発生させることなく、高効率な高濃度オゾン発生が十分に実現できるとされている。これは、電極表面の酸化チタンが放電に伴う光触媒作用によりオゾン分子の励起エネルギーを吸収し、原料ガスに窒素を添加する場合と同様に、オゾン分子の原子構造を変えることなく基底状態に戻すことができ、オゾンが酸素に戻ることを抑制することができるとの考えに基づいている。しかし、文献内で開示されている評価（動作）時間はわずか３０時間程度である。
発明者らの検証試験の結果、さらに長時間の動作時間、例えば２００時間後にはオゾン発生効率の大幅な低下が確認され、開示されているような高濃度オゾンの発生は実現できなかった。これは、酸化チタンが有する光触媒能に経時劣化が発生するためと考えられる。放電場の紫外光によるエネルギーを受けて励起した酸化チタンは、その表面に電子と正孔を生成する。しかしながら、酸化チタン表面では電子と正孔の生成と同時にそれらの再結合も発生するために、光触媒能が経時的に低下することが知られている。したがって、光触媒材料単独では、窒素などの添加ガスの効果の代替とはならず、安定な高濃度オゾン発生を実現することは不可能なのである。
さらに、特許文献３にあっては、所定のバンドギャップを有した光触媒材料において、その励起能力を促進するという観点から助触媒となる例えば貴金属であるプラチナをドーピングすると、正孔の蓄積効果が高まり、オゾン発生効率の向上を実現できると示されている。しかしながら、その具体的な効果やその効果をもたらす貴金属材料のドーピングの条件などの明確な開示が全くなく、貴金属材料の効果の程が極めて不明瞭である。また、電極表面抵抗とオゾン発生効率には関連性がなく、光触媒材料のバンドギャップのみでオゾン発生効率が決定されるとされている（特許文献３ ００８２〜００８５段落）が、この部分に関しても詳細な技術的記載はなく、そのメカニズムについては一切触れられていない。実際、発明者らが記載されている仕様の光触媒材料を用いて検証試験を実施したが、記載されているような窒素レスオゾン発生を再現することはできず、さらにオゾン発生効率は経時劣化を発生した。ましてや記載された光触媒材料に貴金属を単にドーピングするだけでは、高効率な窒素レスオゾン発生は実現できない。
また、他の無声放電プラズマ装置である炭酸ガスレーザ装置においても、その高効率化、すなわちレーザ発振効率の改善またはプラズマの励起効率改善が課題となっている。また、同装置においては、レーザガスの劣化によりガスを封じ切った状態での長時間動作が不可能であり、所定の動作時間においてガスの交換が必要である点も改善の必要がある。さらに、ガスは二酸化炭素に数種のガスが添加された混合ガスとなっており、混合ガスは混合種の増加に伴いコストが上昇し、長納期化される傾向にあり、低コスト、短納期への要求が強い。
この発明に係る無声放電プラズマ装置は、対向して配置される２つの電極と、電極間に少なくとも１つの誘電体を備え、電極間にガスを供給するとともに交流電圧を印加することによりガスを放電させてプラズマを発生させる無声放電プラズマ装置において、電極または誘電体の放電に接する面の少なくとも１面に、酸化物中に、この酸化物に対し重量比で0.05wt%以上10wt%以下となるように貴金属微粒子が分散された半導電性の放電境界層を設けた。
この発明によれば、無声放電プラズマ装置の放電維持形態と放電空間境界層の最適化、かつ放電安定性を阻害しないように放電境界層に貴金属微粒子を分散させたことによるプラズマ励起に対する触媒的作用の相乗効果を利用することにより、飛躍的な無声放電プラズマ装置の効率改善が実現できる。すなわち、その飛躍的な高効率化により、添加ガスを用いることなく、または添加ガスの種類を低減することが可能となる。特にオゾン発生装置においては、添加ガスを用いる必要がなくなるため、金属コンタミの発生を抑制した極めてクリーンなオゾンガスを提供できる。また、炭酸ガスレーザ装置においても、添加ガスである一酸化炭素を用いずに高効率なレーザ装置が得られる効果がある。
本発明の実施の形態１による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による無声放電プラズマ装置である別のオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置のオゾン発生特性を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による貴金属微粒子の重量比を説明するための図である。 本発明の実施の形態２による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の別の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態５による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態５による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の別の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態６による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態６による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の別の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態７による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態７による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の別の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態７による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置のさらに別の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態７による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置のさらに別の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態８による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である 本発明の実施の形態９による無声放電プラズマ装置である炭酸ガスレーザ装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態９による無声放電プラズマ装置である炭酸ガスレーザ装置のレーザ発振特性を説明するための図である。 本発明の実施の形態９による無声放電プラズマ装置である炭酸ガスレーザ装置の一酸化炭素レスのガスによるレーザ発振特性を説明するための図である。 本発明の実施の形態１０による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の別の電極構造を示す断面図である。
発明者らは、無声放電プラズマ装置を代表するオゾン発生装置において、放電空隙長およびガス圧力などによって見かけの放電維持形態が変化することを発見している（特許文献４ ００１９段落）。比較的長ギャップの放電空間を有する従来のオゾン発生装置においては、絶縁性の高い誘電体を放電空間内に介在させ、ストリーマ状の微細放電柱が存在する無声放電特有とされている放電維持形態を示す。しかし、放電空隙長が短ギャップ化される場合、必ずしもその放電維持形態に従うとは限らない。放電空隙長が0.3mm以下では、見かけ上、無声放電特有の放電柱は存在しないようになり、あたかもグロー状の一様な放電維持形態に近づいていくことが判明した。これは、放電柱を生成および維持するために設定された絶縁性の高い、つまり生成した電荷をその表面にトラップするような表面抵抗率が高い放電境界層は必要ないということを示唆する。ただし、放電境界層の厚み方向、すなわち電界方向には高い絶縁性は必要である。高圧短ギャップ放電が採用され、オゾン発生効率の革新的な改善がなされたにもかかわらず、現状ではその放電維持形態と放電境界層の関係は最適化されていたとは言えず、そのため、窒素などの添加ガスの作用を与えないと所定のオゾン発生効率を得ることができないケースが存在していると考えられる。
この発明においては、高圧短ギャップ放電空間において、放電に接する面に貴金属微粒子および酸化物基体により構成される放電境界層を設けた。これにより、従来放電に接する面の表面抵抗率が１０１２Ω以上であったものを、半導電性の領域である１０４Ω以上１０１２Ω未満に低抵抗化することにより、放電境界層表面における電荷の蓄積を低減し、オゾン発生に寄与せずエネルギーロスとなるプラズマ中で生成されたイオンの電極間ドリフトを抑制する。すなわち、高圧短ギャップ放電におけるオゾン発生と放電物理現象の最適化を実現する。なお、本願で示す表面抵抗率はＪＩＳ Ｃ ２１４１「電気絶縁用セラミック材料試験方法」に準拠した測定方法によるものである。
また、この発明においては、酸化物基体にイットリウム、チタンおよびインジウムなどの酸化物を用い、この基体に分散させる貴金属微粒子としてパラジウム、ロジウムおよびプラチナなどを使用した。放電境界層に用いる酸化物基体中に貴金属微粒子を分散させる場合において重要なパラメータとなるのが、貴金属微粒子の分散性および酸化物基体に対する重量比である。なお、本発明における重量比(担持量とも称される)とは、放電境界層の単位体積あたりの基体である酸化物の重量に対する貴金属微粒子の重量比を言うが、放電境界層の効果を発するのは表面であるため、少なくとも放電境界層の表面において貴金属粒子が所定の重量比になっていれば良い。また、貴金属微粒子の粒子径は基体中における平均粒子径を示し、重量比と並び触媒活性の指標のひとつである比表面積は粒子径に反比例する。無声放電プラズマ装置においては、放電の安定性確保の観点から、高くかつ均一な分散性を得る必要があり、また触媒の活性効果を効果的に得るためには、貴金属微粒子の重量比を大きくする必要がある。高い分散性かつ活性を得るためには粒径が小さい（＝比表面積が大きくなる）貴金属微粒子を使用する必要があるが、基体に対する重量比が小さくなってしまう問題が発生する。さらなる活性を期待する場合は、重量比を大きく設定する必要があるが、単に重量比を大きくしようとすると、貴金属微粒子の粒子径だけが大きくなってしまい、分散性、比表面積の低下および安定な放電を阻害する可能性が大きくなる。つまり、分散性と重量比はトレードオフの関係にあり、また、放電に対して適切な分散性と活性は重量比と粒子径により規定されると考えられる。
本発明においては、貴金属微粒子の分散性に影響を与える粒子径、さらに粒子径により記述される比表面積と貴金属微粒子の個数に対応する重量比により、分散性と触媒活性を併せて記述する粒子径と重量比との比（粒子径の逆数と重量比の積）が0.0005〜20wt%/nmの範囲となるように設定されている。さらに、貴金属微粒子は、その粒子径が100nm以下、好ましくは10nm以下であり、重量比は0.05wt%以上、好ましくは0.15wt%以上、さらに好ましくは3wt%以上を満たすように基体中に均一に分散されている。以上より、貴金属微粒子は放電境界層表面近傍や層厚み方向に凝集したりせず、安定な放電状態を阻害することはなく、オゾン発生場へ高活性な触媒として効果的に作用することができる。従来のオゾン発生装置などの無声放電プラズマ装置においては、放電の安定性確保の観点から放電空間に貴金属粒子を配置することが検討されなかった。また、各産業への貴金属触媒の利用という観点からは、貴金属微粒子の重量比などについては議論されてきたが、放電機器に使用することを前提とした基体中への貴金属微粒子の分散性については明確化されていなかった。
特許文献５には粒子径が1〜10nm、重量比が0.1〜10wt％となる貴金属微粒子をプラズマ機器に使用することが開示されている。前記機器の動作条件は、比投入エネルギーが50〜500J/L（＝0.83〜8.33Wmin/L）となっている。ここで、比投入エネルギーとは、放電電力をガス流量で除した値を示す。同文献においては、上記の比投入エネルギーの範囲以下で使用する場合は放電の安定性確保が困難であり、また、上記範囲以上で使用する場合は温度上昇に伴う貴金属微粒子の凝集を招くために使用できないと開示されている（特許文献５ ００１０段落）。一方、本発明において議論されるプラズマ機器の比投入エネルギーは20Wmin/NL以上800Wmin/NL以下、好ましくは20Wmin/NL以上600Wmin/NL以下、さらに好ましくは30Wmin/NL以上300Wmin/NL以下であり、特許文献５の比投入エネルギー領域よりも１桁以上大きな領域となっている(ここでNは1気圧、0℃の状態を示す)。すなわち、本発明においては、特許文献５において適用が否定されている比投入エネルギー領域において、極めて高い分散性に基づいた貴金属微粒子の使用ならびに放電境界層の半導電性化により極めて安定な放電の維持ならびに触媒の高活性化が実現できており、さらに本プラズマ機器の構造より得られる冷却効果により、放電境界層の温度は150℃以下、好ましくは100℃以下となるため、特許文献５で懸念されるような貴金属微粒子の凝集なども発生しない。すなわち、本発明と特許文献５は全く異なる装置形態・動作形態を示しており、触媒が発揮する作用および触媒が装置性能に与える影響も大きく異なっているものと考えられる。
なお、本プラズマ機器における比投入エネルギーは以下の要因により限定されている。比投入エネルギーが小さいとは、投入電力が極めて小さいか、またはガス流量が極めて大きいかのいずれかの状態に該当する。本プラズマ機器において、比投入エネルギーが20Wmin/NL未満の場合は、すべての放電領域に放電が均一に拡がりにくく、放電が安定しない、またはガス流量が大きすぎることにより機器の圧力損失が増大し、原料ガス供給装置の能力向上が必要となる。一方、比投入エネルギーが大きいとは、投入電力が極めて大きいか、またはガス流量が極めて小さいかのいずれかの状態に該当する。本プラズマ機器において、比投入エネルギーが800Wmin/NLを超える場合は、投入電力の増大による放電空間の温度上昇が顕著になり、オゾン発生装置の場合は生成したオゾンの熱分解の影響も大きくなり、安定なオゾン供給が阻害される可能性が高くなる。また、本機器においては、ガスの流れによる冷却効果も放電空間の除熱に利用しており、ガスの流速が極めて小さくなると、その効果の有効利用もできなくなるという弊害が生じる。したがって、本発明におけるプラズマ機器は、その比投入エネルギーが20Wmin/NL以上800Wmin/NL以下において動作されるのである。
本発明に用いた貴金属微粒子による触媒の作用を効果的に利用するためには、貴金属微粒子を分散させる酸化物基体の特性が大きな影響を及ぼす。一般的に、酸化物は電子伝導性が低く、通常の貴金属微粒子を用いた触媒は絶縁物に分散されている。さらに、酸化物基体中に貴金属微粒子を本発明で示す分散性および重量比により単に分散させても、貴金属微粒子を含んだ放電境界層の導電性は絶縁性を維持し、ほとんど変化しない。しかしながら、発明者らは、本発明において、放電境界層の導電性を調整することにより、貴金属微粒子の触媒作用を活性化できることを確認した。つまり、本発明においては、上記高圧短ギャップ放電の最適化ならびに貴金属微粒子触媒の活性化の両者の観点から、放電境界層を半導電性とすることとした。放電境界層は、温度処理やプラズマ処理などにより、その表面抵抗率を容易に制御することができ、１０４Ω以上１０１２Ω未満に設定される。これにより、高圧短ギャップ放電における放電維持形態に最適な放電境界層の設置ならびに貴金属微粒子触媒の高活性化によるプラズマ励起に対する触媒作用を相乗させることにより、高圧短ギャップ放電を超える飛躍的なオゾン発生効率の改善、ならびに添加ガスを用いない窒素レスオゾン発生が実現できる。
実施の形態１．
図１および図２は本発明の実施の形態１による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図１は平行平板式電極構造、図２は円筒管式電極構造における単一の電極構造を示す。図２においては、Ａ−Ａ部断面図も併せて示している。図に示すオゾン発生装置は、対向する２つの電極、すなわち金属製の接地電極１１と高電圧電極１２により形成された放電空間１４に純度99.5%以上の酸素を原料ガスとして導入し（図２の場合は紙面の左側から右側へ流れる。なお、都合により図を９０度回転しているため、左が下、右が上となっている。以後の回転している図面にあっても同じ。）、該放電空間１４に交流高電圧（ＨＶ）を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものであり、両電極の放電空間１４に面する側には誘電体１３１、１３２が設置されている。さらに、該誘電体１３１、１３２の表面には酸化物基体に貴金属微粒子が均一に分散された放電境界層１５１、１５２が形成されている。対向して配置される放電境界層１５１と１５２の間隔、すなわち放電空隙長ｄは0.3mm以下に設定されている。実際の装置としては、上記電極部が複数個並列に接続され、圧力容器内に設置されている。放電空間のガス圧力Ｐは大気圧以上となっている。放電空間１４の冷却は接地電極１１が冷却水１８と接することにより実現されている。図２においては、電流は給電部材１７より高電圧電極１２へ供給されており、誘電体１３２のオゾン出口側は閉じられている。また高電圧電極１２のオゾン出口側端部には沿面放電によるエネルギーロスを防止するため、電界緩和層１６が設けられている。
放電境界層１５１、１５２は、基体としてイットリウム、チタン、インジウム、タングステン、ユウロビウム、エルビウム、ジルコニウム、タンタルのいずれかからなる酸化物が主成分として使用される。この酸化物基体に貴金属微粒子が均一に分散される。貴金属微粒子としては、パラジウム、ロジウム、プラチナ、ルテニウム、オスミウム、金、アンチモンのいずれかの微粒子、またはこれらの微粒子の混合物が用いられる。上記の組み合わせによる放電境界層１５１、１５２は無声放電に対して最適な放電維持状態と触媒的な作用をもたらし、オゾン発生効率の大幅な向上に寄与する。
放電境界層１５１、１５２は厚みが5μm以下、好ましくは3μm以下といった薄い層である。また、放電境界層中の貴金属微粒子は、放電境界層の単位表面積あたり基体である酸化物に対して0.05wt%以上10wt%以下となるような重量比(以下、単に重量比と称する)において、放電境界層表面に均一に分散・含有され、好ましくは0.15wt%以上、さらに好ましくは3wt%以上に設定されている。ここで、先に示した粒子径と重量比との比は0.0005〜20wt%/nmを満たしている。さらに、ここで用いられる貴金属微粒子の粒子径は100nm以下、好ましくは10nm以下となっている。放電境界層１５１、１５２はディップコート法やスピンコート法などの一般的なコーティング方法により形成される。
従来のオゾン発生装置に使用される誘電体の表面抵抗率は１０１２Ω以上の高い絶縁性を有しており、本発明においても誘電体１３１、１３２にはガラスやセラミクスといった表面抵抗率が１０１２Ω以上の絶縁性バルク材料を使用している。もちろん、バルク材料の他に溶射、スパッタリングおよびガラスライニングなどのコーティングにより誘電体を形成してもよい。また、上記で示した酸化物基体に上記仕様の貴金属微粒子を単に分散させた場合、放電境界層の表面抵抗率は、酸化物の有する絶縁性および貴金属微粒子の高分散性から１０１２Ω以上となる。すなわち、酸化物基体への単なる貴金属微粒子の分散においては、放電境界層表面としての導電性にほとんど影響を与えることはなく、絶縁性を維持することになる。しかしながら、本発明においては、放電境界層１５１、１５２は完全な絶縁物ではなく、敢えて半導電性を有するように形成している。酸化物基体に貴金属微粒子を分散させたのち、抵抗制御処理を施すことにより、放電境界層としての表面抵抗率を１０４Ω以上１０１２Ω未満に設定している。この処理により、放電の維持形態と触媒活性の両者各々を最適化できている。
図３は酸化物基体にチタン酸化物、貴金属微粒子にプラチナを用い、表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に制御された放電境界層１５１、１５２を備えたオゾン発生装置におけるオゾン発生特性を示す。図においては、プラチナの重量比に対するオゾン発生特性の変化を記載しており、横軸は単位ガス量当たりの投入エネルギー（比投入エネルギー)、縦軸はオゾン濃度を示している。原料ガスには、純度99.5%以上の液体酸素を用い、窒素などの添加ガスは使用していない。すなわち、いわゆる窒素レス状態でのオゾン発生特性を示す。ただし、液体酸素ボンベ中の不純物として極微量の窒素は含有されている。また、各特性ともに連続運転時間２００時間以上後の特性を示す。ここで、「放電境界層なし」とは放電境界層１５１、１５２が設置されておらず、上述した絶縁性の高い誘電体１３１、１３２が放電空間の境界を形成している場合を表す。図において、各特性カーブの低投入エネルギー領域における接線（例として放電境界層なしのカーブに一点鎖線で示した。）の傾きが最大オゾン発生効率と称されており、いわゆるオゾン発生装置の効率を表す。また、最大オゾン発生効率は、オゾン発生の初期過程である酸素原子の発生効率と同等であると定義されている。
図より、本発明における放電境界層が設置されていない場合、オゾン発生効率は極めて低く、高濃度オゾンの発生そのものが不可能であることがわかる。この特性においてはオゾン濃度の経時劣化が観測されており、動作時間とともに図示した結果よりさらに特性が低下していくことが確認されている。さらに、本発明の最大の特徴である酸化物基体に貴金属微粒子を分散させ、所定の表面抵抗率を有する放電境界層１５１、１５２を放電空間の境界面とした場合、重量比0.15wt%および3wt%において、急激なオゾン発生効率の上昇が確認され、オゾン濃度の経時劣化は完全に解消されることが明らかとなった。
図４に放電境界層がない場合に対する最大オゾン発生効率の変化量とプラチナの重量比の関係を示す。図より、確かに重量比が0.01wt%以上で最大オゾン発生効率は向上し始めるが、重量比0.05wt%未満においては、プラチナの分散状態など放電境界層成膜面での問題や放電境界層のオゾン発生に与える効果が不十分であることなどにより放電境界層の特性が安定しない場合があった。しかしながら、図中曲線の変曲点である重量比0.05wt%以上において、オゾン発生特性は極めて安定かつ再現性が良好になった。
また、重量比0%、つまりプラチナが分散されていないチタン酸化物単独（所定の抵抗制御はされている）を放電境界層１５１、１５２とした場合は、重量比0.01wt%のオゾン発生効率と同等であった。さらに、重量比を0.15wt%以上、および3wt%以上とした場合、重量比の増大とともに、さらにオゾン発生効率が安定的に向上することが確認された。ただし、10wt%を超えるとプラチナの活性が上昇しすぎるため、放電境界層製造時の安全性の観点から重量比を上昇しすぎることは好ましくない。したがって、以上の結果から、重量比を少なくとも0.05wt%以上、好ましくは0.15wt%以上、さらに好ましくは3wt%以上としたプラチナをチタン酸化物基体に均一に分散させ、表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満となる半導電性の放電境界層を設置することにより、窒素などの添加ガスを用いることなく、原料ガスを高純度の酸素ガスのみとした場合において、極めて高効率かつ安定な高濃度オゾン発生、いわゆる窒素レスオゾン発生が実現できることが明らかとなった。
また、純度99.5%以上の液体酸素の他、99.9999%以上の高純度酸素においても上記と同様の評価を実施した。その結果、上記と同様の結果を得ることが確認された。当然ながら、純度99.9999%以上の高純度酸素の方が含有される不純物量は圧倒的に少ない。すなわち、図４の結果は、原料ガスに含有される不純物としての窒素が起因した高効率化ではなく、本発明により窒素レスでの高効率オゾン発生を実現できることを証明する。
本発明において、酸化物基体であるチタン酸化物は光触媒性を有しており、無声放電により発生する紫外光を受け、電子と正孔を生成する。生成された電子は、放電空間へ供給（酸化作用）され、酸素分子の解離に作用するため、オゾン発生装置においては、酸素原子発生効率の上昇が実現される。しかしながら、チタン酸化物表面においては、光触媒性により生成した電子と正孔はいずれ再結合するため、光触媒能は経時劣化する。本発明においては、光触媒能の低下、すなわち電子と正孔の再結合を抑制するために、プラチナをチタン酸化物表面に設けている。プラチナなど貴金属微粒子は、電子を引き寄せる作用（還元作用）があり、また酸素分子を解離して酸素原子を生成する能力を有している。光触媒能によりチタン酸化物表面に生成した電子は、放電空間へ供給されるか、またはプラチナに引き寄せられ、安易に正孔と再結合しない。したがって、電子−正孔の再結合に起因する光触媒能の経時劣化が抑制されつつ、放電空間への電子供給が継続的に実施され、放電空間における酸素原子の発生をアシストする。さらに、プラチナの触媒活性によっても酸素原子の発生が促進されることから、オゾン発生効率の飛躍的な向上を実現していると考えられる。
放電空間の空隙長が0.3mm以下の極めて短い空隙長となった場合、無声放電特有のストリーマ状放電を示す放電柱の直径は極めて小さくなり、かつ放電柱の数密度が急増するため、見かけ上、グロー状の放電維持形態に近づくようになる。すわなち、0.3mm以下の放電空間においては、もはや放電柱の存在は無いに等しい状態に近づいている。従来では、放電柱の生成を維持・促進するためにオゾン発生器に使用する誘電体は１０１２Ω以上の高い表面抵抗率に設定されていた。しかしながら、短い空隙長において発生する放電においては、放電柱の存在そのものが見かけ上無いため、その生成を維持・促進する必要性がない。すなわち、使用する誘電体の表面抵抗率は従来の装置と異なり大きくする必要はない。むしろ誘電体表面のオゾン発生に寄与しない不要なイオンを除去（不要イオンの電極間のドリフトを抑制）するためには、誘電体の表面抵抗率は小さい方が好ましく、オゾン発生に関わるエネルギーロスを緩和することができる。つまり、短い空隙長における無声放電においては、誘電体の表面抵抗率を小さく設定することが好ましく、オゾン発生効率の向上に寄与することになる。ただし、表面抵抗率を１０４Ω未満と小さくしすぎると、放電の維持そのものが不安定になるので注意が必要である。以上は発明者らが先に見出した知見に基づくものである。
さらに、一般的に貴金属微粒子触媒は絶縁性の酸化物基体に分散または担持されており、酸化物の低導電性により、その活性度が制限されていた。本発明においては、放電境界層の導電性を調整することにより、電子伝導性を大幅に向上させ、その表面抵抗率を１０４Ω以上１０１２Ω未満とした。その結果、プラチナの触媒活性の向上を実現している。
本発明においては、オゾン発生効率の高効率化の観点から、放電空隙長に応じた放電維持、かつ貴金属微粒子触媒の活性度より放電空間境界面の表面抵抗率を規定し、その表面抵抗率を満たすべく、酸化物と貴金属微粒子から構成され、さらに所定の値に抵抗制御された放電境界層を設置した。その結果、最適な放電状態を維持しながら、酸化物基体の光触媒性と貴金属微粒子両者の触媒的な作用を効果的に利用することにより、飛躍的なオゾン発生効率の向上を実現したものである。
以上の現象は、酸化物基体がチタン酸化物、貴金属微粒子がプラチナである組み合わせのみに関わらず、上述した材料のあらゆる組み合わせにおいても、同様の高効率窒素レスオゾン発生が実現できる。特に、基体がチタン酸化物およびタングステン酸化物の場合は、基体の光触媒性と貴金属微粒子の併用効果、他の酸化物基体においては、貴金属微粒子の効果が放電状態維持の最適化に相乗して発現する。すなわち、各酸化物基体材料に少なくとも重量比0.05wt%以上の貴金属微粒子を含有させた半導電性の放電境界層を使用することにより、放電空間の空隙長を0.3mm以下とした窒素を添加しない高効率窒素レスオゾン発生が実現できると結論付けられる。上述した酸化物基体に貴金属を分散させて形成した放電境界層の表面抵抗率が１０１２Ω以上の高い絶縁性を示す場合、または１０４Ωを下回り導電性が高くなりすぎた場合は、高効率な窒素レスオゾン発生は不可能であり、単なる貴金属微粒子の含有だけでは本実施の形態に示す効果を成し得ることはできない。
なお、本実施の形態における粒子径と重量比との比は0.0005〜20wt%/nmであり、貴金属微粒子の粒子径は100nm以下に限定される。100nmを超える粒子径の場合、上記比の最適範囲は成立しないことがわかった。このような粒子径では、粒子間の影響が大きくなり過ぎることにより、酸化物基体中への分散性が極端に低く、貴金属微粒子の凝集などが容易に発生するため、均一な放電境界層が形成できない。不均一な放電境界層は放電状態およびオゾン発生特性に悪影響を及ぼし、所定のオゾン発生特性を得ることができない。貴金属微粒子の分散性向上およびその触媒効果を十分発揮させ、放電場において使用するためには、粒子径を100nm以下にする必要があり、また、貴金属微粒子径をより小さくし、酸化物基体中により高密度に分散させることが貴金属微粒子の触媒的効果をより多くオゾン発生に作用させることができる。したがって、好ましくは10nm以下の貴金属微粒子を用いるのが良い。また、放電境界層の膜厚は5μm以下としているが、当然ながら厚膜の方が放電によるダメージを受けにくく、放電境界層の消失の可能性を低減させる。しかしながら、膜厚5μmを超えるような過度な厚膜化は基材である誘電体面との密着性が損なわれ剥離が発生する場合があり、また、貴金属微粒子の使用量が増大することなど製造コストの増大を招くため、放電境界層は薄い方が好ましい。これらの観点から本実施の形態では、膜厚0.2μm以上5μm以下、好ましくは3μm以下の薄膜を用いている。
また、貴金属微粒子の分散性は、放電およびオゾン発生特性の安定性の維持および放電境界層の形成の観点から、ひとつの放電空間において均一であることが望ましいが、例えば、２つの均一な分散性を有する放電境界層を同一平面のガス流れ方向に形成しても問題ない。すなわち、図１および図２における放電空間の原料ガス入口側近辺の貴金属微粒子の分散性をそれ以降からオゾン出口側に至る貴金属微粒子の分散性よりも高くなるように設定してもよい。これにより、酸素原子の発生効率がより向上することが考えられる。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下、かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を誘電体上に設置し、さらにその放電境界層の表面抵抗率を１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理をしたため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに高純度酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層により構成されていることから、放電空間に電極金属部が曝されることがなく、金属コンタミがオゾンガス中に含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図に示すオゾン発生装置は、管状の接地電極１１と高電圧電極１２を同心同軸上に配置し、両電極により形成された放電空間１４に純度99.5%以上の酸素のみを原料ガスとして導入し、該放電空間１４に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものであり、放電空間１４の境界に該当する高電圧電極１２の放電空間１４に面する側には誘電体１３２が設置されている。誘電体１３２は、ガラスやセラミクスなどのバルク材料が用いられ、そのオゾン出口側（図５において紙面右側）の端部は閉じられている。また、接地電極１１および該誘電体１３２の表面には実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２が形成されており、放電空間１４の空隙長ｄは0.3mm以下に設定されている。また、接地電極１１側が冷却水１８に接することにより放電空間１４が冷却されている。
すなわち、本実施の形態においては、接地電極１１側は誘電体を介さずに、その表面に放電境界層１５１を直接形成している点で実施の形態１とは異なる。この電極構造においても、実施の形態１と同様のオゾン発生特性を確認でき、添加ガスを用いず、原料ガスを酸素のみとした場合においても高濃度オゾンを高効率かつ安定に発生できる。
ここで用いた放電境界層１５１、１５２の膜厚は5μm以下であり、また電極および誘電体への密着性に優れているため、長時間の装置運転においても放電境界層１５１、１５２がスパッタリングなどにより剥離や減量することはほとんどない。もし、接地電極１１表面の放電境界層１５１に剥離などが発生し、その下地である金属電極面が放電空間に露出した場合、スパッタリングおよび酸化により対向側である放電境界層１５２の表面に金属電極材料およびその酸化物が堆積・付着する。放電境界層１５２が金属電極材料およびその酸化物に覆われた場合、放電境界層１５２の表面は直接放電空間に接さなくなり、その触媒能はオゾン発生に作用しなくなる。つまり、オゾン発生特性には経時的な劣化が観測されるようになる。
また、金属電極から発生する金属電極材料およびその酸化物は、生成オゾンガス中にも同伴されることになり、金属コンタミとしてオゾンガス中に含有されながらオゾン発生装置から排出され、オゾンガスのクリーン度の低下を余儀なくする。一方、高電圧電極１２側に配される放電境界層１５２は誘電体１３２を介しているため、上記懸念は全くない。
上述したように、本実施の形態における放電境界層１５１、１５２は膜厚が十分であり、かつ電極および誘電体との密着性に優れているため、このような現象が発生することはなく、オゾン発生特性の経時変化はなく、またオゾンガスのクリーン度が低下することもない。また、図５においては、管状電極の構造についてのみ示したが、実施の形態１の図１で示した平行平板電極構造において接地電極１１側の誘電体１３１がない構造でも同様のオゾン発生特性を示すことは言うまでもない。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下、かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を接地電極表面および誘電体表面上に設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層により構成されていることから、放電境界層がオゾン発生に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、また、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、窒素などの添加ガスを用いることなく、さらに金属コンタミを含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。
実施の形態３．
図６および図７は本発明の実施の形態３による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図６は平行平板式電極構造、図７は円筒管式電極構造のオゾン発生装置の電極部の構造を示す。両者ともに接地電極１１と高電圧電極１２の間に形成された放電空間１４に純度99.5%以上の酸素のみを原料ガスとして導入し、該放電空間１４に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものである。
図６においては、実施の形態１で示した図１とほぼ同様の構成を示しているが、放電空間１４の冷却方式が異なる。本実施の形態では、接地電極１１および高電圧電極１２は各々誘電体１３１、１３２を介し、その放電空間１４に面する側の表面に実施の形態1で示した放電境界層１５１、１５２をそれぞれ備える。また、高電圧電極１２の放電空間１４に面しない側には絶縁板１９を介し、接地電極と同様の構造を有した冷却板２０が配置される。接地電極１１ならびに冷却板２０に同一の冷却水が循環することにより、放電空間１４を接地側および高電圧側の両側から冷却している。ここでは、絶縁板１９を介して冷却板２０を配置し、冷却板２０は接地されているため、冷却水の導電性に起因した電気的な短絡が発生することなく、純水やイオン交換水だけでなく、一般の水道水を冷却水として使用することができる。なお、実施の形態２と同様、誘電体１３１は設置されなくても問題はない。誘電体１３１、１３２は、ガラスやセラミクスなどのバルク材料または電極表面への溶射、スパッタリングおよびガラスライニングなどのコーティングにより形成された誘電体皮膜でもよい。
図７においても同様に放電空間１４の両側から冷却する点で図２と異なる。この実施の形態においては、イオン交換水または純水が接地電極１１および高電圧電極１２内部を循環する。接地電極１１の放電空間１４側には誘電体１３１を介して実施の形態1で示した放電境界層１５１が備えられ、高電圧電極１２の表面には直接放電境界層１５２が形成されている。なお、誘電体１３１は、ガラスやセラミクスなどのバルク材料または電極表面への溶射、スパッタリングおよびガラスライニングなどのコーティングにより形成された誘電体皮膜でもよい。また、図７においては、冷却水１８と高電圧電極１２が直接接触しているが、両者の間に絶縁層を設け、冷却水１８と高電圧電極１２が直接（電気的に）接触しないようにした場合は、冷却水１８としてイオン交換水や純水に留まらず、一般の水道水を用いることもできる。
図６、図７ともに、接地電極１１および高電圧電極１２の放電に面する面には実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２が形成されており、放電空間の空隙長は0.3mm以下に設定されている。ここで用いる放電境界層１５１、１５２の膜厚は5μm以下である。さらに、接地電極１１側および高電圧電極１２側の両者が冷却水１８に接することにより放電空間１４が冷却されている。すなわち、実施の形態1で示した構成よりも放電空間１４の冷却能力が向上しており、放電空間１４の温度上昇をより抑制することができる。したがって、単位放電面積あたりに投入できる電力を増加することができるため、装置の小型化に貢献することができる。
このような電極構造においても、実施の形態１と同様のオゾン発生特性が実現でき、添加ガスを用いず、原料ガスを酸素のみとした場合においても高濃度オゾンを高効率かつ安定に発生できる。また、放電境界層１５１、１５２は、電極および誘電体への密着性に優れているため、図７に示したように高電圧電極１２の表面に直接放電境界層を設けても長時間の装置運転において放電境界層がスパッタリングなどにより剥離や減量することはほとんどない。そのため、オゾン発生中に電極金属表面が直接放電場に曝されることはなく、オゾン発生特性やオゾンガスのクリーン度が低下することはない。図６において誘電体１３１を設置せず、放電境界層を直接接地電極１１の表面に形成しても同様である。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下、かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を電極表面または誘電体表面上に設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層により構成されていることから、放電境界層がオゾン発生に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、また、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、窒素などの添加ガスを用いることなく、さらに金属コンタミを含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。また、電極の両側から放電空間を冷却する構造であるため、放電空間の冷却効率を向上させることができ、装置の小型化にも貢献できる。
実施の形態４．
図８は本発明の実施の形態４による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図に示すオゾン発生装置は、管状の接地電極１１と高電圧電極１２を同心同軸上に配置し、両電極により形成された放電空間１４に純度99.5%以上の酸素のみを原料ガスとして導入し、該放電空間１４に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものであり、放電空間１４の境界に該当する高電圧電極１２の放電空間１４に面する側には誘電体１３２が設置されている。誘電体１３２にはセラミクスやガラスなど絶縁性に優れたバルク材料を使用しており、オゾン出口側端部は閉じられている。さらに、接地電極１１の表面には実施の形態１で示した放電境界層１５１が形成されており、放電空間の空隙長は0.3mm以下に設定されている。また、接地電極１１が冷却水１８に接することにより放電空間１４が冷却されている。
すなわち、本実施の形態においては、実施の形態１で示した放電境界層が放電空間１４の一方の境界面である接地電極１１の表面にのみ設置されている点で実施の形態１と異なる。この電極構造においても、実施の形態１とほぼ同様のオゾン発生特性を示す。ただし、放電空間１４に接する放電境界層の表面積が実施の形態１および２に比して減少しているため、実施の形態１で示したオゾン発生効率には若干到達しない。しかしながら、放電境界層を全く設置しない電極構造に比すれば、極めて高効率な窒素レスオゾン発生が実現でき、添加ガスを用いず、原料ガスを酸素のみとした場合においても高濃度オゾンを高効率かつ安定に発生できる。
ここで用いる放電境界層１５１の膜厚は5μm以下であり、また接地電極１１への密着性に優れているため、長時間の装置運転においても放電境界層１５１が放電によるスパッタリングにより剥離や減量し、接地電極１１が放電空間１４に露出することはない。また、放電境界層１５１の対向面となる誘電体１３２はバルク材料から構成されており、放電によるスパッタリングの影響により、誘電体構成材料・元素が放電境界層１５１の表面に付着・堆積することは極めて少ない。したがって、放電境界層１５１は常に放電に曝された状態を維持することができ、その触媒能が経時的に低下することはないため、安定なオゾン発生を実現できる。また、図８においては、管状電極の構造についてのみ示したが、実施の形態１で示したように平行平板電極構造においても接地電極１１側の放電境界層１５１のみを設置した構造でも同様のオゾン発生特性を実現できることは言うまでもない。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下、かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を接地電極表面に設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層ならびにバルク材料による誘電体により構成されていることから、放電境界層がオゾン発生に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、また、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、窒素などの添加ガスを用いることなく、金属コンタミを含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。さらに、放電境界層を放電空間の一方の境界面にのみに設置するため、実施の形態１および２に比して若干のオゾン発生効率の低下はあるものの、放電境界層を全く設置しない場合に比すれば大幅なオゾン発生効率の改善が実現できる。また、放電境界層の製造に関するコストも設置面積が減少するため低減することができる。
実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図に示すオゾン発生装置は、管状の接地電極１１と高電圧電極１２により形成された放電空間１４に純度99.5%以上の酸素のみを原料ガスとして導入し、放電空間１４に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものであり、放電空間の境界に該当する接地電極１１の放電空間１４に面する側には誘電体１３１が設置されている。誘電体１３１はセラミクスやガラスなど絶縁性に優れたバルク材料を用いている。さらに、誘電体１３１および高電圧電極１２の表面には実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２が形成されており、放電空間１４の空隙長ｄは0.3mm以下に設定されている。また、接地電極１１側が冷却水１８に接し、誘電体１３１を介して放電空間１４が冷却されている。
なお、本実施の形態における接地電極１１は誘電体１３１の外表面に設置された導電層であり、冷却水１８に対する保護膜を導電層表面に設置する場合もある。本実施の形態においては、原料ガスが給電部材１７側から高電圧電極１２の内部２１を通り、高電圧電極１２端部から排出され、さらに向きを変え、放電空間１４に流れる。つまり、実施の形態１〜４で示した円筒管式電極構造とは放電空間１４内のガス流れ方向が逆になっている。
また、図９には図示していないが、電極部左端部は原料ガスと生成したオゾンガスが混合しないように取出されるようになっている。この電極構造においても、実施の形態１と同様のオゾン発生特性を実現できる。放電境界層１５１、１５２の膜厚は5μm以下であり、また誘電体１３１および高電圧電極１２への密着性に優れているため、長時間の装置運転においても放電境界層１５１、１５２が放電によるスパッタリングにより剥離や減量がなく、特に放電境界層１５２においては、高電圧電極１２表面が放電空間１４に露出することはない。すなわち、オゾンガス中に金属コンタミが含有することなく、また、放電境界層１５１、１５２は、誘電体１３１および高電圧電極１２のスパッタリングなどによりその表面が覆われることがないため、放電境界層１５１、１５２の触媒能は経時劣化を発生することもない。
また図１０には、図９において誘電体１３１の表面から放電境界層を除いた場合の電極構造を示す。この構造においては、実施の形態１で示した放電境界層が放電空間１４の一方の境界面である高電圧電極１２表面（管外表面）にのみ設置されていることになる。管状に放電境界層を形成する場合、管内表面に形成するよりも外表面に形成する方が極めて容易かつ低コストである。この電極構造においても、図９の場合と同様に実施の形態１とほぼ同様のオゾン発生特性を実現できる。
ただし、実施の形態４で示したように、図１０の構造においては、放電空間１４に接する放電境界層の表面積が実施の形態１に比して減少しているため、実施の形態１で示したオゾン発生効率には若干到達しない。しかしながら、実施の形態１で示した放電境界層を全く設置しない電極構造に比すれば、極めて高効率な窒素レスオゾン発生が実現できる。また、放電境界層１５２の対向面となる誘電体１３１はバルク材料から構成されており、誘電体１３１が放電によりスパッタリングされ、誘電体１３１の構成材料が放電境界層１５２の表面に付着・堆積することは極めて少ない。したがって、放電境界層１５２は常に放電に曝された状態を維持することができ、その触媒能が経時的に低下することはないため、安定なオゾン発生を実現できる。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下、かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を高電圧電極表面および誘電体表面または高電圧電極表面のみに設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層もしくは誘電体により構成されていることから、放電境界層がオゾン発生に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、また、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、窒素などの添加ガスを用いることなく、さらに金属コンタミを含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。さらに、放電境界層を管状の高電圧電極外周面にのみ設置する場合、放電境界層を管状部材の内表面に成膜するよりも極めて容易かつ低コスト化でき、また、放電空間の一方の境界面にのみ放電境界層を設置するだけでも大幅なオゾン発生効率の改善が実現できる。
実施の形態６．
図１１は本発明の実施の形態６による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図に示すオゾン発生装置は、接地電極１１と高電圧電極１２により形成された放電空間１４に純度99.5％以上の酸素のみを原料ガスとして導入し、放電空間１４に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものであり、放電空間の境界に該当する高電圧電極１２の放電空間１４に面する側には誘電体１３２が設置されている。誘電体１３２はガラスやセラミクスなどスパッタリングされにくいバルク材料が選択されており、オゾン出口側は閉じられている。さらに、接地電極１１および誘電体１３２の放電空間に面する表面には実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２が形成されている。放電空間１４の冷却は、接地電極１１側が冷却水１８に接することにより実現される。本実施の形態における電極構造は、実施の形態２で示した構造とほぼ同様であるが、放電空間１４内に電気伝導性および熱伝導性が高いガス透過性のワイヤニット２２が充填されている点が異なる。このような電極構造においても、実施の形態１と同等以上のオゾン発生特性を実現できる。
また図１２には、図１１においてワイヤニットを誘電体１３２の内部にも充填した電極構造を示す。誘電体１３２はガラスやセラミクスなどスパッタリングされにくいバルク材料が選択されており、両端ともに開放端となっている。つまり誘電体１３２内部にも原料ガスは流通し、放電を発生する。さらに放電空間に面する表面、すなわち接地電極１１の放電空間側表面、誘電体１３２の外表面および内表面、高電圧電極１２の表面には実施の形態１で示した放電境界層が放電境界層１５１、１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃとして形成されている。放電空間１４の冷却は、接地電極１１側が冷却水１８に接することにより実現される。図１２における電極構造においては、接地電極１１と誘電体１３２の間の放電空間１４ａおよび誘電体１３２と高電圧電極１２の間の放電空間１４ｂ内に電気伝導性および熱伝導性が高いガス透過性のワイヤニット２２ａ、２２ｂが各々充填されている。このような電極構造においても、実施の形態１と同等以上のオゾン発生特性を実現できる。
ワイヤニット２２、２２ａ、２２ｂの設置により、放電空間１４、１４ａ、１４ｂ内では乱流が発生し、ガス分子は冷却されている電極表面に衝突する。そのため、ガスの熱を良好に放散することができる。また、ワイヤニット２２、２２ａ、２２ｂは接地電極１１、高電圧電極１２および誘電体１３２の中央位置合わせのための拡張材としても作用する。さらに、ワイヤニット２２、２２ａ、２２ｂが充填されていることにより、各放電空間の空隙長の短ギャップ化が容易であり、かつホロー陰極効果（同一電位の中空空間内における集中放電プラズマ）により、オゾン収率をさらに向上させることができる。なお、ワイヤニット２２、２２ａ、２２ｂの表面にも実施の形態１で示した放電境界層と同様の材料を形成しておくとなお効果的である。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下、かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層により構成されていることから、放電境界層がオゾン発生に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、また、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、窒素などの添加ガスを用いることなく、金属コンタミを含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。また、ワイヤニットによる空隙長の微調整機能、ガスの冷却強化ならびにホロー陰極効果によりオゾン発生効率をさらに向上させることができる。
実施の形態７．
図１３は本発明の実施の形態７による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図に示すオゾン発生装置は、接地電極１１と高電圧電極１２により形成された放電空間に純度99.5%以上の酸素を原料ガスとして導入し、放電空間に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものであり、高電圧電極１２の放電空間に面する側には誘電体１３２ａが設置されている。さらにオゾン出口側（図１３の紙面の右側）の誘電体１３２ａの表面には誘電体１３２ｂが設置されている。なお、誘電体１３２ａはガラスやセラミクスなどスパッタリングされにくいバルク材料が選択されており、誘電体１３２ｂは溶射、スパッタリング、ガラスライニングなどにより誘電体１３２ａ上に形成されている。
ここで、接地電極１１と誘電体１３２ａ、誘電体１３２ｂとの間に形成される放電空間は各々放電空間１４ａ、１４ｂと称する。さらに放電空間１４ａ、１４ｂに面する表面には実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２が接地電極１２、誘電体１３２ａ、１３２ｂの形状に沿うように形成されている。本実施の形態においては、接地電極１１側が冷却水１８に接しており、放電空間１４ａ、１４ｂが冷却されている。図１３における電極構造は、実施の形態２で示した構造とほぼ同様であるが、ガスの流れ方向に空隙長の寸法が異なる放電空間１４ａと放電空間１４ｂが直列に配置される点で異なっている。原料ガス入口側（図１３において紙面左側）の放電空間１４ａでは酸素原子発生効率を最適化するために、その空隙長を1.2〜0.3mmに設定してあり、オゾン出口側（図１３において紙面右側）の放電空間１４ｂでは電子衝突および熱による生成オゾンの分解を抑制するために0.3mm以下の空隙長となるように誘電体１３２ｂが設置されている。このような電極構造においては、実施の形態１と同等以上のオゾン発生特性を実現できる。
また、図１４は図１３と同様に直列に２種類の放電空隙長を有する他の電極構造を示す。管状の高電圧電極１２の表面に溶射、スパッタリング、ガラスライニングなどにより誘電体１３２をコーティングし、さらにその表面および接地電極１１表面に実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２を配置している。この電極構造においても上記同様のオゾン発生特性を実現できる。ここでは、高電圧電極１２の直径をガス流れ方向（長さ方向）で変化させ、高電圧電極１２の形状に沿うように誘電体１３２および放電境界層１５２を設置することにより放電空間１４ａ、１４ｂを形成している。
図１５は図１３、１４と同様に直列に２種類の放電空隙長を有するさらに他の電極構造を示している。一定の直径を有する高電圧電極１２の表面に誘電体１３２を溶射、スパッタリング、ガラスライニングなどにより形成し、さらにその表面および接地電極１１表面に実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２を配置している。この電極構造においても上記同様のオゾン発生特性を実現できる。ここでは、誘電体１３２の厚さをガス流れ方向で変化させ、誘電体１３２の形状に沿うように放電境界層１５２を設置することにより放電空間１４ａ、１４ｂを形成している。
さらに図１６においては、１つの接地電極１１に対して、直径が異なる複数の高電圧電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備えることにより、直列に３種類の放電空隙長を有する放電空間１４ａ、１４ｂ、１４ｃを形成する電極構造を示している。高電圧電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃの表面には誘電体１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃが溶射、スパッタリング、ガラスライニングなどにより形成され、さらにその表面に実施の形態１で示した放電境界層１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃが設置される。接地電極１１の放電空間側の表面にも放電境界層１５１が形成されている。高電圧電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃは直列に連結されており、給電部材１７から電流を供給される。図１６において、最もオゾン出口側に配置される放電空間１４ｃの空隙長は0.3mm以下、中央の放電空間１４ｂの空隙長は0.6mm以下、原料ガス入口側の放電空間１４ａの空隙長は1.2mm以下とする。その結果、この電極構造においても、極めて高効率な上記同様のオゾン発生特性を実現できる。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下、かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を接地電極表面に設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層により構成されていることから、放電境界層がオゾン発生に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、また、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、窒素などの添加ガスを用いることなく、金属コンタミを含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。また、酸素原子発生、オゾン生成といった各オゾン発生過程に適した放電空間の形成を個々に実現したため、酸素原子発生に寄与する部分は比較的長い空隙長、言い換えればラフに形成し、オゾン分解を抑制し高濃度オゾンを生成する部分のみ高精度に空隙長を形成すればよいためオゾン発生装置の低コスト化にも効果的である。
実施の形態８．
図１７は本発明の実施の形態８による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図に示すオゾン発生装置は、管状の接地電極１１と高電圧電極１２を同心同軸上に配置し、前記両電極により形成された放電空間１４に純度99.5%以上の酸素のみを原料ガスとして導入し、該放電空間１４に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものであり、放電空間１４の境界に該当する高電圧電極１２の放電空間１４に面する側には誘電体１３２が設置されている。なお、誘電体１３２は、ガラスやセラミクスなどのバルク材料が用いられ、そのオゾン出口側（図１７において紙面右側）の端部は閉じられている。また、接地電極１１および該誘電体１３２の表面には実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２が形成されており、放電空間１４の空隙長ｄは0.3mm以下に設定されている。なお、接地電極１１側が冷却水１８に接することにより放電空間１４が冷却されている。
さらに誘電体１３２の原料ガス入口部（図１７において紙面左側）にスペーサ２３がガス流れを停止しないように設置されている。この電極構造においても、実施の形態１と同様のオゾン発生特性を実現でき、添加ガスを用いず、原料ガスを酸素のみとした場合においても高濃度オゾンを高効率かつ安定に発生できる。図１７に示すようなオゾン発生装置においては、接地電極１１が冷却水により直接冷却されることで放電空間１４が冷却されるが、管板２４部分は冷却水が接地管に直接接さないため冷却効率が低下する。この部分は直接冷却されている接地電極が存在する領域に比してガス温度または誘電体１３２の温度上昇が大きくなるため、スペーサ２３を放電空間の同一断面積において部分的に設置することで放電による発熱を低減する効果がある。また、ガス入口部断面においては、スペーサ２３の設置により、また、そのサイズや位置を調整することにより、流入するガス流速・流量を変化させることができる。すなわち、多数の電極管が並列に接続されている場合、各電極管に原料ガスを均等に流す作用を有する。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下、かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を接地電極表面および誘電体表面に設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層により構成されていることから、放電境界層がオゾン発生に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、また、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、窒素などの添加ガスを用いることなく、金属コンタミを含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。また、原料ガス入口部にスペーサを配置したため、直接水冷されていない接地電極に該当する部分のガス温度または誘電体温度を低減することができる。さらに、原料ガスの均等分配作用により多数の電極管にも均等にガスを供給することができ、オゾン発生装置の高効率化および高信頼性化にも効果的である。
実施の形態９．
図１８は本発明の実施の形態９による無声放電プラズマ装置である炭酸ガスレーザ装置の電極部の構造を示す断面図である。図に示す炭酸ガスレーザ装置は、接地電極１１と高電圧電極１２により形成された放電空間１４に二酸化炭素、一酸化炭素、窒素およびヘリウムの混合ガスを原料ガスとして導入し、放電空間１４に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、二酸化炭素を励起してレーザ増幅やレーザ発振を実現するものであり、放電空間１４の境界に該当する接地電極１１および高電圧電極１２の放電空間に面する側には誘電体１３１、１３２が設置されている。したがって、電極表面のスパッタリングなどによるレーザガスの劣化が抑制されるため、２４時間程度のガス封じ切り動作が可能である。
本発明者らは、この無声放電式の炭酸ガスレーザ装置に本発明の放電境界層を適用する実験を行った。すなわち、本実施の形態９による無声放電プラズマ装置である炭酸ガスレーザ装置では、誘電体１３１、１３２の表面に実施の形態１で示した放電境界層１５１、１５２が設置されている。これまでの実施の形態における無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置と同様、放電境界層１５１、１５２は、酸化物基体にチタン酸化物、貴金属微粒子にプラチナを用い、その表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満となるように抵抗制御処理されている。なお、プラチナの重量比は0.05wt%以上、膜厚は5μm以下である。本実施の形態においては、接地電極１１側および高電圧電極１２側の両方が冷却水に接しており、放電空間１４が冷却される実施の形態３で示したオゾン発生装置と同等の構造を呈している。対向して配置される放電境界層１５１と１５２の間隔、すなわち放電空隙長ｄは30mm以上に設定されており、放電空間のガス圧力Ｐは大気圧未満となっている。また、駆動周波数は100kHz以上となっている。
この電極構造においてレーザ発振させた場合のレーザ出力特性を図１９に示す。図においては、本実施の形態における放電境界層１５１、１５２を用いた炭酸ガスレーザ装置と従来装置（放電境界層１５１、１５２が設置されない場合）のレーザ出力特性を比較し、横軸は入力電力、縦軸はレーザ出力を示す。図より、放電境界層１５１、１５２を用いた本実施の形態に示す炭酸ガスレーザ装置は従来装置よりも高効率な発振特性を有していることが理解できる。炭酸ガスレーザ装置はオゾン発生装置と放電空隙長、放電空間のガス圧、ガスの種類は異なるが、実験の結果、上記の放電境界層を用いたことにより発振効率が向上することが判明した。放電境界層が有する光触媒能および貴金属微粒子が有する触媒活性によりレーザ発振効率が改善されたと考えられる。
また、図２０にはレーザガス組成を二酸化炭素、窒素およびヘリウムの混合ガス、いわゆる一酸化炭素（ＣＯ）レスとした場合の本実施の形態における炭酸ガスレーザ装置と従来装置のレーザ出力特性を示す。図より、放電境界層を用いた本実施の形態における炭酸ガスレーザ装置は、一酸化炭素を含まずとも一酸化炭素を含んだ場合の放電境界層がない従来装置と同等の発振特性が得られていることがわかる。一方、放電境界層がない従来装置において一酸化炭素レスとした場合は、本実施の形態における発振効率よりも低下していることが分かる。これは、放電境界層が有する光触媒能および貴金属微粒子が有する触媒活性によりレーザガス中の二酸化炭素濃度が高い濃度に維持でき、レーザ発振特性が改善されていることに起因すると考えられる。すなわち、本実施の形態による炭酸ガスレーザ装置によれば、レーザガスから一酸化炭素を除去することができ、従来の４種混合ガスを少なくとも３種に低減することができ、低コスト化および納期短縮化などの効果を示す。また、本実施の形態で、一酸化炭素を添加した場合においては、同様に二酸化炭素を高い濃度に維持することができ、レーザガスの劣化が抑制されるため、従来装置では２４時間程度であったガス封じ切り動作をさらに長時間化できる。
本実施の形態においては、酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下かつ粒子径が100nm以下において、極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を接地電極表面および誘電体表面に設け、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、発振効率の優れた炭酸ガスレーザ装置を提供できることが分かった。また、レーザガスに一酸化炭素を添加せずに高効率な発振特性を得ることができる。また、放電空間の境界が放電境界層により構成されていることから、放電境界層がレーザ発振に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、さらには、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、クリーンなレーザ出力を得ることができ、さらに長時間のガス封じ切り動作を可能とすることができる。
以上のように、無声放電プラズマ装置に本発明の放電境界層を適用すれば、オゾン発生装置のみならず、炭酸ガスレーザ装置においても効率向上の効果が得られることが確認され、本発明の放電境界層は、種々の無声放電プラズマ装置において効率向上などの効果を発揮することが期待できる。
実施の形態１０．
図２１は本発明の実施の形態１０による無声放電プラズマ装置であるオゾン発生装置の電極部の構造を示す断面図である。図に示すオゾン発生装置は、同一平面に形成された一対の電極２５および２６と誘電体１３３により沿面放電を発生させ、オゾンを発生させるものである。
図において、誘電体１３４の表面に0.1mm以下の間隔ｄ１（上記各実施の形態における放電ギャップ長dに相当する。）を有して一対の電極２５および２６が並んで配置され、この一対の電極２５および２６は誘電体１３３により被覆されている。誘電体１３４はヒートシンク２７に接しており、ヒートシンク２７内を流れる水などの冷却流体により冷却される。また、誘電体１３３の上層、すなわち誘電体１３３の誘電体１３４と反対側の面には、実施の形態１で示したものと同様の放電境界層１５３が配置されている。放電境界層１５３は、パッキンなどのシール材２８を介してガイド板２９と接触し、純度99.5%以上の酸素のみの原料ガスを導入するガス空間（放電空間）１４を形成する。
このような電極構成を有するオゾン発生装置において、一対の電極２５と２６間には交流高電圧が印加され、放電境界層１５３の表面に沿面放電が発生する。この沿面放電によりオゾンが生成する。誘電体１３４としては、体積抵抗率および絶縁耐力が十分大きなガラスやアルミナなどを用い、しかもその厚みはｄ１より十分厚く設定した。また誘電体１３３にも同様に体積抵抗率および絶縁耐力が十分大きな絶縁材料を用いた。ガイド板２９としては、例えばステンレスなどの金属、または金属コンタミ発生を抑制するためにＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂を用いた。このようなオゾン発生装置においても、実施の形態１とほぼ同様のオゾン発生特性を実現できる。また、電極部２５および２６の組合せをひとつの誘電体１３４上に重なることなく複数パターン配列する、または図２１に示した電極部を複数積層することにより、オゾン発生量を容易に増大させることが可能となる。
また、図２２に示すように、図２１で示した誘電体１３３を省略し、放電境界層１５３により電極２５および２６を被覆しても同様の効果が得られる。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下かつ粒子径が100nm以下において極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、原料ガスに窒素などの添加ガスを用いずに酸素のみで高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。また、放電空間の境界が放電境界層により構成されていることから、放電境界層がオゾン発生に与える触媒的な作用は経時変化を伴うことなく、また、放電空間に電極金属部が曝されることがないため、窒素などの添加ガスを用いることなく、金属コンタミを含有することがないクリーンなオゾンガスを提供することもできる。また、電極部を極めてコンパクトに形成できるため、オゾン発生装置の小型化および低コスト化に効果的である。
実施の形態１１．
実施の形態１〜８および１０においては、酸素原料式オゾン発生装置について示したが、上記実施の形態と同様の構造において、空気原料式オゾン発生装置に本発明における放電境界層を設けることにより、そのオゾン発生効率の高効率化も実現できる。空気原料式においては、酸素原料式とは異なり、オゾンとともに生成する窒素酸化物(NOx)による生成オゾンの消費が発生し、酸素原料式に比してオゾン発生効率が大幅に低下することが知られている。空気原料式においては、単なる放電空間の短ギャップ化（電界強度の増大）はNOxの生成効率を向上させるため得策ではなく、ギャップ長dとガス圧力Pの積で表わされるPd値を適切に設定し、放電空間のガス圧力を上昇させることによるNOxの生成抑制が高効率化には効果的である（特許文献６ ０１１１〜０１１４段落）。本発明においては、ギャップ長は0.6mm以下に設定し、かつ上記高ガス圧力化のうえ、実施の形態１で示した放電境界層を設けることにより、NOx生成の抑制および酸素原子の発生効率向上を可能とし、更なるオゾン発生効率の高効率化が期待できる。
放電境界層を構成するプラチナなどの貴金属微粒子および前記微粒子を分散させる酸化物が光触媒性を有している（例えばチタン、タングステンなどの酸化物）場合、また、酸化物がアルカリ金属やアルカリ土類金属などにより構成されるNOx吸蔵合金を含有する場合、さらにNOxの生成が抑制され、オゾン発生効率が向上されると考えられる。
本実施の形態においては、放電空間の境界面として酸化物基体に貴金属微粒子を重量比0.05wt%以上10wt%以下かつ粒子径が100nm以下において極めて高く均一な分散性に基づいて形成した放電境界層を設置し、さらにその放電境界層は表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満に抵抗制御処理されているため、広範囲の比投入エネルギー領域において、極めて安定な放電が維持でき、高濃度オゾンを高効率に発生する無声放電式オゾン発生装置を提供することができる。
１１：接地電極 １２：高電圧電極
１３１、１３２：誘電体 １４：放電空間
１５１、１５２：放電境界層
この発明に係る無声放電プラズマ装置は、対向して配置される２つの電極と、電極間に少なくとも１つの誘電体を備え、電極間にガスを供給するとともに交流電圧を印加することによりガスを放電させてプラズマを発生させる無声放電プラズマ装置において、電極または誘電体の放電に接する面の少なくとも１面に、酸化物中にこの酸化物に対し重量比で0.05wt%以上10wt%以下となるように貴金属微粒子が分散された半導電性である厚さが5μm以下の放電境界層を設けた。
この発明に係る無声放電プラズマ装置は、対向して配置される２つの電極と、電極間に少なくとも１つの誘電体を備え、電極間にガスを供給するとともに交流電圧を印加することによりガスを放電させてプラズマを発生させる無声放電プラズマ装置において、電極または誘電体の放電に接する面の少なくとも１面に、酸化物中にこの酸化物に対し重量比で0.05wt%以上10wt%以下となるようにプラチナ微粒子や、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、金のいずれかの微粒子、またはパラジウム、ロジウム、プラチナ、ルテニウム、オスミウム、金のうちの２種類以上の混合物の微粒子が分散された半導電性である厚さが5μm以下の放電境界層を設け、放電への比投入エネルギーが20Wmin/NL以上800Wmin/NL以下で動作するようにした。
この発明によれば、無声放電プラズマ装置の放電維持形態と放電空間境界層の最適化、かつ放電安定性を阻害しないように放電境界層にプラチナ微粒子や、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、金のいずれかの微粒子、またはパラジウム、ロジウム、プラチナ、ルテニウム、オスミウム、金のうちの２種類以上の混合物の微粒子を分散させたことによるプラズマ励起に対する触媒的作用の相乗効果を利用することにより、飛躍的な無声放電プラズマ装置の効率改善が実現できる。すなわち、その飛躍的な高効率化により、添加ガスを用いることなく、または添加ガスの種類を低減することが可能となる。特にオゾン発生装置においては、添加ガスを用いる必要がなくなるため、金属コンタミの発生を抑制した極めてクリーンなオゾンガスを提供できる。また、炭酸ガスレーザ装置においても、添加ガスである一酸化炭素を用いずに高効率なレーザ装置が得られる効果がある。
放電境界層１５１、１５２は、基体としてイットリウム、チタン、インジウム、タングステン、ユウロピウム、エルビウム、ジルコニウム、タンタルのいずれかからなる酸化物が主成分として使用される。この酸化物基体に貴金属微粒子が均一に分散される。貴金属微粒子としては、パラジウム、ロジウム、プラチナ、ルテニウム、オスミウム、金、アンチモンのいずれかの微粒子、またはこれらの微粒子の混合物が用いられる。上記の組み合わせによる放電境界層１５１、１５２は無声放電に対して最適な放電維持状態と触媒的な作用をもたらし、オゾン発生効率の大幅な向上に寄与する。

Claims (16)

  1. 対向して配置される２つの電極と、上記電極間に少なくとも１つの誘電体を備え、上記電極間にガスを供給するとともに交流電圧を印加することにより上記ガスを放電させてプラズマを発生させる無声放電プラズマ装置において、上記電極または上記誘電体の放電に接する面の少なくとも１面に、酸化物中に、この酸化物に対し重量比で0.05wt%以上10wt%以下となるように貴金属微粒子が分散された半導電性の放電境界層を設けたことを特徴とする無声放電プラズマ装置。
  2. 放電境界層の表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満であることを特徴とする請求項１に記載の無声放電プラズマ装置。
  3. 酸化物がイットリウム、チタン、インジウム、タングステン、ユウロビウム、エルビウム、ジルコニウム、タンタルのいずれかの酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の無声放電プラズマ装置。
  4. 貴金属微粒子がパラジウム、ロジウム、プラチナ、ルテニウム、オスミウム、金、アンチモンのいずれかの微粒子、またはこれらのうち２種類以上の微粒子の混合物であることを特徴とする請求項１に記載の無声放電プラズマ装置。
  5. 放電境界層を構成する貴金属微粒子の粒径が100nm以下であることを特徴とする請求項１に記載の無声放電プラズマ装置。
  6. 放電境界層の厚さが5μm以下であることを特徴とする請求項１に記載の無声放電プラズマ装置。
  7. 放電が発生する放電空間の空隙長が0.3mm以下に設定されるとともに、ガス圧力が大気圧以上に設定され、ガスが酸素を含むガスであって放電によりオゾンを発生させるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の無声放電プラズマ装置。
  8. 放電が発生する放電空間の空隙長が0.６mm以下に設定されるとともに、ガスが空気であって放電によりオゾンを発生させるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の無声放電プラズマ装置。
  9. 放電が発生する放電空間の空隙長が30mm以上に設定されるとともに、ガス圧力が大気圧未満に設定され、ガスに二酸化炭素と窒素を含み、放電により上記二酸化炭素を励起するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の無声放電プラズマ装置。
  10. 対向して配置される２つの電極間に少なくとも１つの誘電体を備え、上記電極間にガスを供給するとともに、上記電極または上記誘電体の上記ガスに接する面の少なくとも１面に、酸化物中にこの酸化物に対し重量比で0.05wt%以上10wt%以下となるように貴金属微粒子が分散された半導電性の放電境界層を設けて、上記電極間に交流電圧を印加して上記ガスを放電させてプラズマを発生させることを特徴とする無声放電プラズマ発生方法。
  11. 放電境界層の表面抵抗率が１０４Ω以上１０１２Ω未満であることを特徴とする請求項１０に記載の無声放電プラズマ発生方法。
  12. ガスが酸素を含み、放電によりオゾンを発生させることを特徴とする請求項１０に記載の無声放電プラズマ発生方法。
  13. ガスが純度99.5%以上の酸素ガスであることを特徴とする請求項１２に記載の無声放電プラズマ発生方法。
  14. ガスが空気であることを特徴とする請求項１２に記載の無声放電プラズマ発生方法。
  15. ガスが二酸化炭素と窒素を含み、放電により上記二酸化炭素を励起することを特徴とする請求項１０に記載の無声放電プラズマ発生方法。
  16. ガスが二酸化炭素、窒素およびヘリウムから構成されたことを特徴とする請求項１５に記載の無声放電プラズマ発生方法。
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