KR20240028467A - 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
효율적으로 취출구의 전체 영역으로부터 플라스마를 균질하게 분사할 수 있는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치를 제공한다. 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치는, 제1 방향으로 연장되는 판 형상을 나타내고, 제1 면과, 제1 방향에 직교하는 제2 방향에 관하여 제1 면과는 반대 측에 위치하는 제2 면을 갖는 유전체 기판과, 유전체 기판의 제1 면 측에 배치된 제1 전극과, 유전체 기판의 제2 면으로부터 제2 방향으로 이격한 위치에 배치된 제2 전극과, 유전체 기판과 제2 전극 사이의 공극에 의하여 형성되고, 제1 방향 및 제2 방향에 직교하는 제3 방향으로 가스가 통류하는 가스 유로와, 가스 유로의 제3 방향에 관련된 일방의 단부인 제1 단에 형성되어 제1 방향으로 연장되는 취출구를 구비한다.
Description
본 발명은, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치에 관한 것이다.
플라스마 발생 장치는, 플라스틱, 종이, 섬유, 반도체, 액정, 또는 필름 등의 제조 공정에서 이용되고 있다. 예를 들면, 플라스마 발생 장치로부터의 플라스마를 피처리물에 조사함으로써, 피처리물의 표면에 대한 친수성, 접착성, 혹은 인쇄 밀착성 등을 향상시키기 위한 표면 처리, 피처리물의 표면에 존재하는 유기물의 제거 및 세정, 또는 피처리물의 표면에 대한 산화막의 형성이 행해진다.
도 18은, 종래의 플라스마 발생 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 특허문헌 1에는, 도 18에 나타내는 바와 같이, 대향하는 한 쌍의 전극(201, 201)을 구비하고, 각각의 전극의 대향면(202, 202)을 역방향으로 경사지게 한 플라스마 발생 장치(200)가 개시되어 있다. 즉, 하면 개구(226)에 가까워짐에 따라, 한 쌍의 대향면(202, 202)의 간격이 좁아지도록 배치되어 있다.
플라스마 발생 장치(200)는, 상면 개구(223)로부터 플라스마원 가스(Gc)를 도입하면서 한 쌍의 전극(201, 201) 간에 전압을 인가함으로써, 한 쌍의 대향면(202, 202) 사이에 끼이는 영역(방전 영역(207))에 다수 개의 스트리머 방전(Sd)을 발생시킨다. 플라스마원 가스(Gc)는 상면 개구(223)로부터 분사판(224)의 오리피스(225)를 통하여, 방전 영역(207)에 도입된다. 이 때문에, 플라스마원 가스(Gc)는, 오리피스(225)에 의하여 가속됨으로써 고속으로 방전 영역(207)에 분사된다. 이 분사에 의하여 플라스마원 가스(Gc)의 난류가 발생하여, 스트리머 방전(Sd)이 방전 영역(207) 내에서 분산된다.
이후, 분산된 스트리머 방전(Sd)에 의하여, 방전 영역(207)의 전체에 걸쳐 거의 균일하게 플라스마(Pc)가 생성된다. 생성된 플라스마(Pc)는, 방전 영역(207)의 하면 개구(226)를 통하여 처리 공간(205)에 플라스마 제트로서 분사하고, 피처리물(240)에 내뿜어진다. 특허문헌 1에는, 상기 구성을 채용함으로써, 균일한 플라스마를 생성할 수 있다고 기재되어 있다.
전극(201, 201)의 상면과 대향면(202, 202)은, 유전체(203)에 의하여 피복되어 있다. 유전체(203)의 피막의 두께는 전체에 걸쳐 일정하고, 예를 들면, 0.5mm~5mm이다.
또, 다른 방법으로서, 마이크로스트립 선로와 어스 도체의 사이에 마이크로파를 입력함으로써 플라스마를 발생시키는 장치가 알려져 있다(특허문헌 2 참조). 이 장치에 의하면, 유전체층에 경사를 갖게 하여 두께를 조정함으로써, 임피던스 매칭이 행해지고 있다.
특허문헌 1에 개시되어 있는 플라스마 발생 장치(200)는, 난류를 발생시킴으로써 방전 영역(207)의 전체에 걸쳐 거의 균일하게 플라스마(Pc)를 생성하는 것을 목표로 하고 있다. 그러나, 예를 들면, 방전 영역(207) 내 중, 하면 개구(226)로부터 먼 위치에서 생성한 플라스마(Pc)는, 하면 개구(226)를 향하여 이동하는 동안에 소실되어 버린다. 이 때문에, 도 18에 나타내는 바와 같은 양태에서 전극(201, 201)을 배치한 경우, 하면 개구(226)로부터 취출(吹出)되는 플라스마(Pc)는, 하면 개구(226)의 전체 영역으로부터 플라스마(Pc)가 균일하게 조사되고 있다고는 할 수 없다. 이것은, 피처리물(240)의 표면에 있어서의 처리의 정도에 불균일을 발생시키는 원인이 된다.
특허문헌 2에 개시되어 있는 플라스마 발생 장치는, 마이크로파를 이용하는 기술이다.
마이크로파에 의한 플라스마는, 전계 강도가 강한 정재파의 배 부분에 있어서 높은 밀도로 발생한다. 정재파는, 마이크로파의 입력 방향뿐만 아니라, 입력 방향과 직교하는 방향으로도 발생하기 때문에, 취출구를 정면에서 보았을 때에, 플라스마의 밀도가 높은 개소와 낮은 개소가 교대로 발생하게 된다. 그 때문에, 마이크로파에 의한 플라스마에서는, 취출구의 전체 영역으로부터, 플라스마를 균일하게 분사시키는 것은 용이하지 않다.
또한, 정재파를 발생시키는 관점에서, 애초에 장치 자체를 장척화할 수 없다.
이 때문에, 예를 들면, 피처리물의 표면 처리의 용도로 이용하려고 해도, 매우 처리 능력이 낮아, 적용이 사실상 곤란하다.
본 발명은, 상기의 과제를 감안하여, 효율적으로 취출구의 전체 영역으로부터 플라스마를 균질하게 분사할 수 있는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치는,
제1 방향으로 연장되는 판 형상을 나타내고, 제1 면과, 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에 관하여 상기 제1 면과는 반대 측에 위치하는 제2 면을 갖는 유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 상기 제1 면 측에 배치된 제1 전극과,
상기 유전체 기판의 상기 제2 면으로부터 상기 제2 방향으로 이격한 위치에 배치된 제2 전극과,
상기 유전체 기판과 상기 제2 전극 사이의 공극에 의하여 형성되고, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 직교하는 제3 방향으로 가스가 통류하는 가스 유로와,
상기 가스 유로의 상기 제3 방향에 관련된 일방의 단부인 제1 단(端)에 형성되고, 상기 제1 방향으로 연장되는 취출구를 구비하고, 또한 이하의 특징을 나타낸다.
상기 유전체 기판의 상기 제1 면은, 적어도 상기 제3 방향에 관하여 상기 취출구와는 반대 측의 단부인 제2 단으로부터 제1 기준 개소까지의 사이가 상기 제3 방향에 평행한 평탄면이고, 상기 유전체 기판의 상기 제2 면은, 적어도 상기 제3 방향에 관하여 상기 제2 단으로부터 제2 기준 개소까지의 사이가 상기 제3 방향에 평행한 평탄면이고,
상기 유전체 기판의 상기 제2 면에 상기 가스 유로를 통하여 대향하는 상기 제2 전극의 주면(主面)인 제3 면은, 적어도 상기 제3 방향에 관하여 상기 제2 단으로부터 제3 기준 개소까지의 사이가 상기 제3 방향에 평행한 평탄면이다.
상기 제1 기준 개소로부터 상기 제1 단까지의 제1 특정 영역 내의 상기 제1 면, 상기 제2 기준 개소로부터 상기 제1 단까지의 제2 특정 영역 내의 상기 제2 면, 및 상기 제3 기준 개소로부터 상기 제1 단까지의 제3 특정 영역 내의 상기 제3 면 중, 적어도 어느 1개의 면은, 상기 제3 방향에 대한 경사면이다.
상기 제1 전극은, 적어도 상기 제1 기준 개소와 상기 제1 단의 사이에 배치되어 있다.
상기 제1 방향으로 보았을 때에, 상기 제1 특정 영역 내의 상기 제1 면과 상기 제3 방향이 이루는 각도를 α, 상기 제2 특정 영역 내의 상기 제2 면과 상기 제3 방향이 이루는 각도를 β, 및 상기 제3 특정 영역 내의 상기 제3 면과 상기 제3 방향이 이루는 각도 γ가, 하기 (1)식 및 (2)식의 양자를 만족한다.
단, (1)식에 있어서의 εr은 상기 유전체 기판의 비유전율이다.
또, (2)식에 있어서, Aα, Aβ 및 Aγ는, 각각 상기 제1 특정 영역, 상기 제2 특정 영역, 및 상기 제3 특정 영역의 상기 제3 방향에 관련된 길이에 대응하고, d1(0)은 상기 제1 기준 개소와 상기 제2 기준 개소 중 상기 제3 방향에 관하여 상기 제2 단에 가까운 쪽의 기준 개소에 있어서의 상기 유전체 기판의 상기 제2 방향에 관련된 두께이고, d2(0)은 상기 제2 기준 개소와 상기 제3 기준 개소 중 상기 제3 방향에 관하여 상기 제2 단에 가까운 쪽의 기준 개소에 있어서의 상기 가스 유로의 상기 제2 방향에 관련된 높이이다.
상기 구조의 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치에 의하면, 상기 (1)식 및 (2)식을 만족하도록 유전체 기판 및 전극의 형상이 설정되어 있기 때문에, 가스가 가스 유로 내를 제3 방향으로 통류하면, 취출구에 가까워짐에 따라 전계 강도가 높아진다. 이 때문에, 취출구에 매우 가까운 개소에 있어서는, 매우 높은 강도의 전계가 형성되고, 이 영역에서 집중적으로 플라스마가 발생한다. 이에 의하여, 취출구로부터 피처리물에 대하여, 효율적으로 플라스마를 포함하는 가스를 내뿜을 수 있어, 피처리물을 효율적으로 처리하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 (1)식 및 (2)식을 만족함으로써, 가스 유로 내에 있어서 취출구에 가까워짐에 따라 전계 강도가 높아지는 이유의 상세에 대해서는, 「발명을 실시하기 위한 형태」의 항에서 후술된다.
상기 유전체 기판은, 주된 재료가 산화 알루미늄(Al2O3) 또는 질화 알루미늄(AlN)인 것으로 해도 상관없다.
여기서 「주된 재료」란, 구성 재료를 성분 분석한 경우에, 80% 이상을 차지하는 성분을 가리킨다.
산화 알루미늄 및 질화 알루미늄은, 비유전율이 비교적 낮고, 또한, 물리적인 강도나 경도가 비교적 높다. 따라서, 상기 유전체 기판의 주된 재료를 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄으로 함으로써, 단위 전력당 플라스마의 생성량을 보다 많게 할 수 있음과 더불어, 유전체 기판을 보다 얇게 해도 파손의 우려를 저감시킬 수 있다.
이 중에서도, 질화 알루미늄은 열전도성이 좋아, 유전체 기판의 열을 효율적으로 방열(放熱)할 수 있다. 이에 의하여, 제1 전극 및 제2 전극 중, 고전압이 인가되는 측의 전극(고전압 측 전극)의 온도 상승을 억제할 수 있기 때문에, 질화 알루미늄과 고전압 측 전극의 열팽창에 의한 계면의 스트레스를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 장수명화(長壽命化)가 도모된다.
상기 제1 전극은, 박(箔) 형상의 금속이어도 상관없다. 금속 재료는 한정되지 않지만, 도전성이 높은 재료가 바람직하고, 전형적인 예로서는, 구리, 은, 알루미늄, 및 금으로 이루어지는 군에 속하는 1종 이상의 재료 또는 상기 재료의 화합물이다.
상기 제1 전극은, 금속을 함유한 소결체여도 상관없다. 금속을 함유한 소결체는, 금속 페이스트를 인쇄하여 전극을 형성할 수 있기 때문에, 제1 전극을 유전체 기판 상에 형성할 때에 접착제를 이용할 필요가 없다.
상기 제1 전극은, 도금, 증착, 또는, 스퍼터링, 용사에 의하여 형성되어 있어도 상관없다. 이 구성의 경우도 동일하게, 상기 제1 전극을 유전체 기판 상에 형성할 때에 접착제를 이용할 필요가 없다.
상기 유전체 기판은, 상기 제2 방향에 관련된 두께가 상기 제3 방향의 위치에 관계없이 일정하거나, 또는 상기 제1 기준 개소로부터 상기 제1 단을 향하여 상기 제2 방향에 관련된 두께가 체증하는 형상을 나타내는 것으로 해도 상관없다.
상기 제1 전극이 고전압 측 전극이며, 상기 제2 전극이 저전압 측 전극인 것으로 해도 상관없다.
이 경우에 있어서, 상기 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치는, 상기 제1 전극에 접속된 전원 장치를 구비하는 것으로 해도 상관없다. 전원 장치는, 적합하게는, 전압이 3kV~20kV, 주파수가 20kHz~150kHz인 전압 신호를 제1 전극에 공급 가능한 구성이다.
상기와 같은 전원 장치를 구비하면, 유전체 배리어 방전 방식으로 플라스마를 적합하게 발생시킬 수 있다. 상한을 150kHz로 한 이유는, 그 파장은 플라스마 조사 길이를 고려한 것, 또, EMC 규격에서의 잡음 단자 전압에서 검출되는 주파수가 150kHz보다 고주파인 것에 의한다.
상기 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치는, 추가로,
상기 제2 전극에 대하여, 상기 유전체 기판과는 반대 측의 위치로부터 주연부에 있어서 맞닿은 가스 버퍼 기판과,
상기 가스 버퍼 기판과 상기 제2 전극 사이에 끼인 공극에 대하여 상기 가스를 도입하는 가스 송출 장치와,
상기 제1 방향의 상이한 복수의 개소에 있어서, 상기 제2 방향에 관하여 상기 제2 전극을 관통하는 연락 구멍을 구비하는 것으로 해도 상관없다.
상기 구성에 의하면, 가스 송출 장치로부터 도입된 가스는, 가스 버퍼 기판과 제2 전극 사이에 끼인 공극 내에 저류된 후, 복수의 연락 구멍을 통하여 가스 유로에 유입된다. 이에 의하여, 가스 유로에 유입된 가스를, 그 흐름을 흐트러뜨리는 일 없이 취출구로부터 균질하게 유출시킬 수 있다.
특히, 연락 구멍이 제1 방향의 복수의 개소에 형성됨으로써, 제1 방향의 상이한 복수의 위치로부터 가스 유로에 대하여 가스가 도입된다. 이에 의하여, 가스 유로를 흐르는 가스를 층류화하기 쉽다.
상기에 있어서, 상기 연락 구멍은, 상기 제3 방향에 관하여, 상기 제1 전극보다 상기 제2 단 측에 위치하고 있는 것으로 해도 상관없다.
상기 제1 전극은, 상기 제3 방향에 관하여 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단 측에, 상기 d1(0) 미만의 거리만큼 후퇴한 위치에 배치되어 있는 것으로 해도 상관없다.
취출구 부근에서는, 유전체 기판을 통하지 않고, 제1 전극과 제2 전극의 사이에서 직접 방전이 발생할 우려가 있다. 이와 같은 방전이 발생하면, 제1 전극, 제2 전극, 또는 유전체 기판을 손상시키는 경우가 있고, 이때, 이들의 구성 재료가 불순물로서 플라스마에 혼입하여, 피처리물의 표면에 부착될 우려가 있다.
방전 효율의 관점에 서면, 제3 방향에 관하여, 제1 전극의 단부가 취출구의 최선단(제1 단)에 일치하도록 배치한 편이 유리하다. 그러나, 이와 같은 배치 양태의 경우, 상기의 사정에 의하여, 유전체 기판 상에서 연면 방전을 일으킬 우려가 있다. 이 연면 방전이 한번 발생하면, 유전체 배리어 방전이 아니라 직접 방전이 지배적이 되어, 과잉 방전 전류가 흘러, 전극의 파손 나아가서는 전원 장치에 대한 파손에 이른다.
이에 대하여, 상기와 같은 구성을 채용함으로써, 제1 전극과 제2 전극의 사이에서의 직접 방전이 억제되기 때문에, 전극이나 유전체 기판의 손상이 억제되어, 플라스마 가스에 대한 불순물의 혼입을 방지할 수 있다.
상기 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치는, 추가로, 상기 제2 특정 영역 내의 상기 제2 면 상에 배치된 시동 보조 부재를 구비해도 상관없다. 이 시동 보조 부재는, 적합하게는, 상기 취출구의 매우 근방, 즉 상기 제1 단의 근방에 배치되는 것이 바람직하다. 단, 제1 방향으로 보았을 때에 시동 보조 부재의 위치와 취출구의 위치가 맞춰지도록 배치되면, 시동 보조 부재와 취출구로부터의 플라스마 가스의 일부가 시동 보조 부재에 충돌함으로써, 시동 보조 부재가 손모·제거될 우려가 있다. 한편, 제3 방향에 관하여, 시동 보조 부재가 취출구로부터 너무 떨어져 있으면, 애초에 시동 보조로서의 기능을 실현하지 않는다. 이 관점에서, 시동 보조 부재는, 취출구의 근방이고, 또한 제3 방향에 관하여 제2 단 측으로 조금만 후퇴한 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 이 후퇴 거리는 10mm 미만으로 하는 것이 바람직하고, 제1 단 측에 있어서의 유전체 기판의 두께(후술하는 도 8 내의 거리 d1a에 상당)를 10mm로부터 뺀 거리(즉 10-d1a) 미만으로 하는 것이 보다 바람직하다.
유전체 배리어 방전은, 시동 시(방전 개시 시)에는 높은 전력이 필요한 한편, 한번 방전이 발생하면, 그 후에는 입력 전력을 저하시켜도 방전을 유지할 수 있다. 이러한 사정에 의하여, 적합하게는 시동 시에 높은 전력이 투입된다. 그러나, 이와 같은 방법으로는, 고전력에 대응한 대형의 전원 장치나, 방전 공간의 근방에 배치된 트리거 전극이 필요하여, 장치 전체의 규모의 확대를 초래할 우려가 있다.
플라스마 방전의 개시 시에는, 플라스마를 발생시키는 개소에 초기 전자의 존재가 필요하다. 이에, 상기 구성과 같이 시동 보조 부재를 배치하면, 시동 초기에 초기 전자가 취출구 근방의 가스 유로 내에 공급된다. 이에 의하여, 대형의 전원 장치나 트리거 전극 등이 불필요해져, 소형이고 저렴한 플라스마 발생 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치에 의하면, 효율적으로 취출구의 전체 영역으로부터 플라스마를 균질하게 분사하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 구성을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 상기 플라스마 발생 장치를 II-II선으로 절단한 모식적인 단면도이다.
도 3은, 도 1에 나타내는 상기 플라스마 발생 장치를 III-III선으로 절단한 모식적인 단면도이다.
도 4는, 제2 전극(20)을 +Z 측에서 보았을 때의 모식적인 평면도이다.
도 5a는, 도 2로부터 유전체 기판(30)을 추출한 단면 확대도이다.
도 5b는, 유전체 기판(30)의 다른 구성예를, 도 5a와 마찬가지로 도시한 단면도이다.
도 6a는, 도 2로부터 제2 전극(20)을 추출한 단면 확대도이다.
도 6b는, 제2 전극(20)의 다른 구성예를, 도 6a와 마찬가지로 도시한 단면도이다.
도 7은, 플라스마 발생 장치의 변형예를, 도 2와 마찬가지로 도시한 모식적인 단면도이다.
도 8은, 제1 면(31), 제2 면(32), 및 제3 면(23)의 형상을 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
도 9a는, 비교예 1의 플라스마 발생 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 9b는, 도 9a에 나타내는 플라스마 발생 장치를 IXB-IXB선으로 절단한 모식적인 단면도이다.
도 10은, 실시예 1의 플라스마 발생 장치(1)를 연속 운전시켰을 때의, 친수화 능률의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 스테이지 상에 소정의 간격으로 피조사물로서의 폴리프로필렌(PP) 필름을 배치한 모습을 나타내는 평면도이다.
도 12는, 물 접촉각의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 14는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 15는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 16은, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17a는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17b는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17c는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17d는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17e는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17f는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17g는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 18은, 종래의 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 상기 플라스마 발생 장치를 II-II선으로 절단한 모식적인 단면도이다.
도 3은, 도 1에 나타내는 상기 플라스마 발생 장치를 III-III선으로 절단한 모식적인 단면도이다.
도 4는, 제2 전극(20)을 +Z 측에서 보았을 때의 모식적인 평면도이다.
도 5a는, 도 2로부터 유전체 기판(30)을 추출한 단면 확대도이다.
도 5b는, 유전체 기판(30)의 다른 구성예를, 도 5a와 마찬가지로 도시한 단면도이다.
도 6a는, 도 2로부터 제2 전극(20)을 추출한 단면 확대도이다.
도 6b는, 제2 전극(20)의 다른 구성예를, 도 6a와 마찬가지로 도시한 단면도이다.
도 7은, 플라스마 발생 장치의 변형예를, 도 2와 마찬가지로 도시한 모식적인 단면도이다.
도 8은, 제1 면(31), 제2 면(32), 및 제3 면(23)의 형상을 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
도 9a는, 비교예 1의 플라스마 발생 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 9b는, 도 9a에 나타내는 플라스마 발생 장치를 IXB-IXB선으로 절단한 모식적인 단면도이다.
도 10은, 실시예 1의 플라스마 발생 장치(1)를 연속 운전시켰을 때의, 친수화 능률의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 스테이지 상에 소정의 간격으로 피조사물로서의 폴리프로필렌(PP) 필름을 배치한 모습을 나타내는 평면도이다.
도 12는, 물 접촉각의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 14는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 15는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 16은, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17a는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17b는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17c는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17d는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17e는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17f는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 17g는, 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 일 실시 형태의 다른 구성을 모식적으로 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 18은, 종래의 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
본 발명에 따른 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치의 실시 형태에 대하여, 적절히 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 도면은 모식적으로 나타내어진 것으로, 도면 상의 치수비와 실제의 치수비는 반드시 일치하지는 않는다. 또, 도면 간에 있어서도 치수비가 일치하고 있지 않은 경우가 있다.
[구조]
도 1은, 본 실시 형태의 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치(1)(이하, 「플라스마 발생 장치(1)」라고 약기한다.)는, 제1 전극(10)과, 제2 전극(20)과, 유전체 기판(30)을 구비한다. 또한, 도 1에 나타내는 플라스마 발생 장치(1)에 있어서는, 추가로 가스 버퍼 기판(40)을 구비하고 있다. 단, 플라스마 발생 장치(1)가 가스 버퍼 기판(40)을 구비하는지 여부는 임의이다.
플라스마 발생 장치(1)는, 내부에 있어서 플라스마 가스(G1)를 발생시키는 장치이며, 이 플라스마 가스(G1)를 취출하는 취출구(5)를 구비한다. 취출구(5)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, Y방향으로 연장되어 있고, X방향으로 보았을 때 거의 직사각형 형상을 나타내고 있다. 또한, X방향과 Y방향에 직교하는 방향을 Z방향으로 한다. 이하의 설명에서는, 적절히, 도 1에 붙여진 X-Y-Z 좌표계가 참조된다.
또한, 이하의 설명에서는, 방향을 표현할 때에 정부(正負)의 방향을 구별하는 경우에는, 「+X방향」, 「-X방향」과 같이, 정부의 부호를 붙여서 기재된다. 또, 정부의 방향을 구별하지 않고 방향을 표현하는 경우에는, 간단하게 「X방향」으로 기재된다. 즉, 본 명세서에 있어서, 간단하게 「X방향」으로 기재되어 있는 경우에는, 「+X방향」과 「-X방향」의 쌍방이 포함된다. Y방향 및 Z방향에 대해서도 동일하다.
본 명세서에서는, Y방향이 「제1 방향」에 대응하고, Z방향이 「제2 방향」에 대응하고, X방향이 「제3 방향」에 대응한다.
도 2는, 도 1에 있어서의 플라스마 발생 장치(1)를, II-II선으로 절단했을 때의 모식적인 단면도이다. 또, 도 3은, 도 1에 있어서의 플라스마 발생 장치(1)를, III-III선으로 절단했을 때의 모식적인 단면도이다.
(유전체 기판(30))
도 1~도 3에 나타내는 바와 같이, 유전체 기판(30)은 Y방향으로 연장되는 판 형상 부재이다. 유전체 기판(30)은, 제1 면(31)과 제2 면(32)을 갖는다(도 2 참조). 또한, 후술하는 바와 같이, 유전체 기판(30)의 제1 면(31) 측에 제1 전극(10)이 배치되어 있고, 제2 면(32) 측에, 제2 전극(20)이 유전체 기판(30)으로부터 이격하여 배치되어 있다.
또한, 도 1~도 2에 나타내는 예에서는, 유전체 기판(30)의 Z방향에 관련된 길이(이하, 「두께」라고 한다.)가, X방향에 관하여 취출구(5)에 가까워짐에 따라 얇아지는 구조가 채용되고 있지만, 이 구조는 어디까지나 일례이다. 유전체 기판(30)의 두께에 대한 상세한 설명은, 도 8을 참조하여 후술된다.
유전체 기판(30)은, 단위 전력당 플라스마의 생성량을 보다 많게 하는 관점에서, 비유전율이 낮은 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 재료의 비유전율의 값은, 10 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 재료의 비유전율은 낮을수록 바람직한데, 전형적으로는, 4~10으로 할 수 있다.
유전체 기판(30)의 재료는, 특별히 한정되지 않지만, 상술한 바와 같이 가능한 한 비유전율이 낮은 재료인 것이 적합하다. 또한, 내구성의 관점에서, 상기 재료는, 세라믹스가 바람직하다. 세라믹스로서는, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 스테아타이트 등을 들 수 있다. 이들 재료는, 비유전율이 비교적 낮고, 또한 비교적 높은 강도를 가져 내구성이 우수하다. 따라서, 유전체 기판(30)을 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 또는 스테아타이트로 구성하면, 단위 전력당 플라스마의 생성량을 보다 많게 할 수 있다. 또, 내구성이 우수하기 때문에, 유전체 기판(30)의 두께를 얇게 해도 파손의 우려가 적다.
유전체 기판(30)은, 상술한 재료를 모재로 하여, 전자 생성을 보조하는 물질을 함유한 것이어도 된다. 상기 전자 생성을 보조하는 물질로서는, 은, 백금, 구리, 탄소(카본), 또는 천이 금속 화합물 등을 들 수 있다. 상기 전자 생성을 보조하는 물질에 전계가 인가됨으로써 초기 전자가 생성되고, 방전 공간(후술하는 가스 유로(3))으로 방출된다. 이 때문에, 유전체 기판(30)을 상기의 구성으로 함으로써, 시동성을 유리하게 작용하게 할 수 있다.
상기 전자 생성을 보조하는 물질의 함유량은, 유전체 기판(30) 전체에 대하여(유전체 기판(30)을 100질량%로 했을 때에), 적합하게는 1질량% 이하이다. 이 물질의 함유량이 너무나 많으면, 방전에 수반하여 당해 물질이 증발·비산하여 플라스마 가스(G1)에 혼입되고, 플라스마 가스(G1)를 조사하는 대상인 피처리물에 내뿜어질 우려가 있다. 또한, 시동성을 향상시키는 효과를 충분히 발현시키는 관점에서는, 상기 물질의 함유량은 실험적으로 0.05질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(제1 전극(10))
도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 전극(10)은 유전체 기판(30)의 제1 면(31) 상에 배치되어 있다.
플라스마 발생 장치(1)는, 제1 전극(10)과 후술하는 제2 전극(20)의 사이에서, 유전체 기판(30) 및 가스 유로(3)를 통하여 전압이 인가됨으로써, 가스 유로(3) 내를 통류하는 가스를 플라스마화하여, 플라스마 가스(G1)를 생성한다. 이 때문에, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중, 어느 한쪽이 고전압 측의 전극이며, 다른 쪽이 저전압 측의 전극을 구성한다. 이하의 실시 형태에서는, 제1 전극(10)이 고전압 측의 전극이며, 제2 전극(20)이 저전압 측의 전극인 것으로 하여 설명하지만, 양자가 역전해도 상관없다.
도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 제1 전극(10)은, Y방향에 관련된 길이(이하, 「폭」이라고 한다.)가 유전체 기판(30)의 폭과 거의 동등하다. 플라스마 발생 장치(1)는, 제1 전극(10)이 설치되어 있는 영역의 -Z 측에 있어서 플라스마를 발생시킨다. 이 때문에, 취출구(5)로부터 큰 폭으로(Y방향에 관하여 긴 영역으로) 플라스마 가스(G1)를 분사시키는 관점에서는, 제1 전극(10)을 가능한 한 큰 폭으로 형성하는 것이 바람직하다. 단, 본 발명은, 제1 전극(10)의 폭에는 한정되지 않는다.
본 실시 형태에 있어서, 제1 전극(10)은, X방향에 관하여 취출구(5)보다 -X 측으로 조금 후퇴하고 있다. 즉, 도 2를 참조하면, 제1 전극(10)의 +X 측의 단부(10a)는, 플라스마 발생 장치(1)의 취출구(5) 측(+X 측)에 관련된 단부로부터, -X 측으로 조금 후퇴하고 있다. 또한, 편의상, 플라스마 발생 장치(1)의 취출구(5) 측(+X 측)에 관련된 단부를 「제1 단(71)」이라고 칭하고, 취출구(5)와는 반대 측(-X 측)에 관련된 단부를 「제2 단(72)」이라고 칭하는 경우가 있다.
취출구(5)의 근방에서는, 유전체 기판(30)을 통하지 않고, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 사이에서 직접 방전할 우려가 있다. 이와 같은 방전이 발생하면, 전극(10, 20) 또는 유전체 기판(30)을 손상시켜, 이들의 구성 재료가 불순물로서 플라스마 가스(G1)에 혼입된다.
방전 효율의 관점에서는, 제1 전극(10)의 +X 측의 단부(10a)를 가능한 한 취출구(5)에 접근시키는, 즉 제1 단(71)과 거의 일치시키는 것이 바람직하다. 그러나, 그와 같은 구성을 채용하면, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 사이에서 연면 방전이 발생할 리스크가 높아져, 유전체 배리어 방전이 아니라 직접 방전이 지배적이 되어 버린다. 이에, 상기와 같이, 제1 전극(10)의 +X 측의 단부(10a)를 제1 단(71)으로부터 -X 측(제2 단(72) 측)으로 조금 후퇴시킨 구성을 채용하고 있다. 이 후퇴 거리, 즉, 제1 전극(10)의 +X 측의 단부(10a)와 제1 단(71) 사이의 거리는, 전형적인 일례로서 1mm~5mm이다.
제1 전극(10)의 재료로서는, 특별히 한정되지 않지만, 도전성이 높은 것이 바람직하고, 전형적인 예로서는, 구리, 은, 알루미늄, 및 금으로 이루어지는 군에 속하는 1종 이상의 재료 또는 상기 재료의 화합물이다. 또, 제1 전극(10)은, 박 형상의 금속으로 할 수 있다. 일례로서, 편면에 점착 가공이 실시되어 있는 동박, 알루미늄박 등의 금속박을 들 수 있다.
제1 전극(10)은, 도전성의 금속을 함유한 소결체여도 상관없다. 상기 금속을 함유한 소결체는, 유전체 기판(30)의 제1 면(31)에, 금속 페이스트를 인쇄하여 형성할 수 있기 때문에, 제조 시에 접착제를 이용할 필요가 없다. 또한, 접착제를 이용하지 않는 관점에서는, 제1 전극(10)은, 도금, 증착, 또는, 스퍼터링, 또는 용사에 의하여 형성하는 것도 가능하다.
제1 전극(10)과 유전체 기판(30)(제1 면(31))은, 최대한 밀착되어 있고, 양자의 계면에는 공기의 층이 없는 것이 바람직하다. 공기의 층이 있으면, 그 공간의 내부에서 방전이 발생하고, 발생한 라디칼에 의하여 제1 전극(10)이 열화(劣化)할 가능성이 있기 때문이다. 이러한 이유에 의하여, 제1 전극(10)과 유전체 기판(30)은 양자의 이격 거리가 μm 단위의 범위 내에서 밀착되어 있는 것이 바람직하다. 도 16을 참조하여 후술하는 바와 같이, 양자의 밀착성을 높이는 관점에서, 앵커 효과를 노리고 유전체 기판(30)의 제1 면(31)의 표면을 거칠게 하여 미소한 요철을 형성해도 상관없다.
전형적으로는, 제1 전극(10)은, Z방향에 관련된 길이(이하, 「두께」라고 한다.)가, 유전체 기판(30)의 두께와 비교하여 얇다. 특히, 제1 전극(10)을 고전압 측의 전극으로 함으로써, 고전압의 인가에 수반하여 제1 전극(10)의 재료가 팽창해도, 제1 전극(10)의 두께가 얇은 점에서, 팽창의 영향이 유전체 기판(30)에 있어서 경미한 것이 된다.
제1 전극(10)이 고전압 측의 전극인 경우, 제1 전극(10)의 일부 개소에 있어서 전원 장치(63)에 접속된다. 전원 장치(63)와 제1 전극(10)의 접속 방법은, 전기적으로 접속되고, 인가되는 전압에 견딜 수 있는 방법이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 땜납에 의한 접속이나, 각종 커넥터(예를 들면, 동축 커넥터 등)를 이용한 접속을 들 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 플라스마 발생 장치(1)에서는, 플라스마 발생 시에 마이크로파를 이용하지 않기 때문에, 소정의 특성 임피던스를 갖는 동축 커넥터 또는 동축 케이블을 이용할 필요는 없다.
전원 장치(63)로부터 제1 전극(10)에 인가되는 전압 및 주파수는, 플라스마 발생 장치(1)에 있어서 유전체 배리어 방전의 발생이 가능한 범위이면 된다. 전형적으로는, 인가 전압은 3kV~20kV이며, 3kV~10kV인 것이 바람직하다. 또, 전압 신호의 주파수는, 전형적으로는 20kHz~1000kHz이며, 50kHz~150kHz인 것이 보다 바람직하다. 상한이 150kHz인 것이 바람직하다고 한 이유는, 그 파장은 플라스마 조사 길이를 고려한 것, 또, EMC 규격에서의 잡음 단자 전압에서 검출되는 주파수가 150kHz보다 고주파인 것에 의한다.
(제2 전극(20))
제2 전극(20)은, Y방향으로 연장되는 판 형상을 나타내고, 유전체 기판(30)의 제2 면(32)으로부터 Z방향으로 이격한 위치에 배치된다. 제2 전극(20)을 저전압 측의 전극으로 하는 경우, 직접, 또는 저항을 통하여 접지 전위에 접속되어 있어도 되고, 전원 장치(63)의 저전압 측의 출력에 접속되어 있어도 된다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 제2 전극(20)의 +Z 측의 면에는, 일부 개소에 오목부(27)가 형성되어 있다. 이 오목부(27)는, Y방향으로 연장되어 형성되어 있다.
도 4는, 제2 전극(20)을 +Z 측에서 보았을 때의 모식적인 평면도이다. 도 2~도 4에 의하면, 제2 전극(20)은 +Y 측, -Y 측 및 -X 측의 외연부(26)에 있어서 높이가 높고, 외연부(26)보다 내측에 있어서, 상술한 오목부(27)가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 도 2~도 3에 나타내는 바와 같이, 제2 전극(20)의 외연부(26)는 유전체 기판(30)의 제2 면(32)과 맞닿는다. 즉, 제2 전극(20)의 외연부(26)와 유전체 기판(30)이 맞닿으면, 제2 전극(20)의 +Z 측에 있어서 형성된 오목부(27)는 공극을 구성한다. 이 공극이 「가스 유로(3)」를 구성한다.
도 4에 나타내는 예에서는, 오목부(27)의 저면에 있어서, Y방향으로 이격한 복수의 위치에 연락 구멍(53)이 형성되어 있다. 연락 구멍(53)의 수는 특별히 제한되지 않지만, 본 실시 형태와 같이 2 이상인 것이 바람직하다. 연락 구멍(53)은, 후술하는 바와 같이 가스 송출 장치(61)로부터의 가스(G0)를, 가스 유로(3)로 이끌기 위하여 형성되어 있다. 연락 구멍(53)을 Y방향의 상이한 위치에 복수 형성함으로써, 가스 유로(3) 내를 흐르는 가스 흐름을 층류로 하기 쉬워진다. 또, 가스 유로(3)에 도입되는 시점에서, Y방향의 넓은 범위에 가스를 퍼지게 하는 관점에서, Y방향의 넓은 범위에 연락 구멍(53)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 도 4에서는, 독립한 복수의 연락 구멍(53)이 형성되어 있는 예가 나타내어져 있지만, Y방향으로 긴, 예를 들면 직사각형 통 형상의 연락 구멍(53)이 단일로 형성되어 있어도 상관없다.
(가스 버퍼 기판(40))
도 1~도 3에 나타내는 바와 같이, 플라스마 발생 장치(1)는, 제2 전극(20)에 대하여, 유전체 기판(30)과는 반대 측의 위치로부터, 즉 -Z 측으로부터 맞닿은 가스 버퍼 기판(40)을 구비한다. 본 실시 형태에서는, 가스 버퍼 기판(40)은 주연부에 있어서 제2 전극(20)과 맞닿아 있다. 이 때문에, 당해 주연부의 내측에 있어서, 제2 전극(20)과 가스 버퍼 기판(40)의 사이에는 공극(51)이 형성된다.
상기 공극(51)에는, 가스 송출 장치(61)(도 2 참조)가 접속된다. 가스 송출 장치(61)로부터 처리용 가스(G0)가 송출되면, 공극(51) 내에 버퍼된 후, 연락 구멍(53)을 통하여 가스 유로(3)로 이끌어진다.
(취출구(5))
플라스마 발생 장치(1)는, 가스 유로(3)의 +X 측의 단부, 즉 제1 단(71)에 취출구(5)를 구비한다. 이 취출구(5)는, 가스 유로(3) 내를 +X방향을 따라 통류 중에 생성된 플라스마를, 가스 흐름과 함께 외부에 분사한다(플라스마 가스(G1)). 플라스마 발생 장치(1)는, 일례로서, 가스 유로(3) 및 취출구(5)의 폭(Y방향에 관련된 길이)이, X좌표에 상관없이 균일하다. 이에 의하여, 가스 유로(3)에 유입된 처리용 가스(G0)의 흐름이 흐트러지는 일 없이, 취출구(5)로부터 균질하게 플라스마 가스(G1)를 분사할 수 있다. 또한, 이것은 본 발명자들에 의한 시뮬레이션에 의해서도 확인되고 있다.
단, 본 발명에 있어서는 이 예에 한정되지 않고, 취출구(5)의 폭은, 필요에 따라 조정해도 된다. 예를 들면, 가스 유로(3)의 -X 측(제2 단(72) 측)의 폭과 비교하여 취출구(5)의 폭을 좁게 함으로써, 플라스마 가스(G1)의 강도를 높일 수 있다. 반대로, 가스 유로(3)의 -X 측(제2 단(72) 측)의 폭과 비교하여 취출구(5)의 폭을 넓게 함으로써, 플라스마 가스(G1)의 분사 폭을 넓힐 수 있어, 처리물에 대하여 동시에 내뿜을 수 있는 범위가 넓어진다.
가스 송출 장치(61)로부터 송출되는 가스는, 플라스마 발생 장치(1)의 시동 시의 가스로서는, He, Ne, 및 Ar로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 또, 플라스마가 발생한 후의 가스로서는, 원하는 활성종을 생성할 수 있는 가스, 구체적으로는, 수소, 산소, 물, 질소 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
본 실시 형태에서는, 가스 유로(3)를 흐르는 가스 흐름이 층류인 것이 바람직하다. 가스 흐름이 층류이면, 플라스마를 보다 균일하게 분사시킬 수 있다. 여기서, 층류와 난류를 구별하는 파라미터로서, 레이놀즈수가 있다.
레이놀즈수 Re는, 유체의 밀도를 ρ(kg/m3), 유속을 U(m/s), 특성 길이를 L(m), 유체의 점성 계수를 μ(Pa·s)로 하여,
Re=ρ·U·L/μ
로 표시되는 무차원량이다.
층류와 난류의 경계선이 되는 레이놀즈수는, 한계 레이놀즈수로 불리고, 그 값은, 2000~4000이라고 알려져 있다.
후술되는 실시예 1에서 이용한 플라스마 발생 장치(1)에 있어서, 처리용 가스(G0)의 유량: 0.005m3/초(300L/분), 가스 유로(3)의 Z방향의 높이(단변): 0.5mm, 가스 유로(3)의 Y방향의 폭(장변): 700mm로 하면, U=14.3(m/초), L=9.99×10-4(m), 유체를 표준 대기압에 있어서의 건조 공기로 하고, ρ=1.205(kg/m3), μ=1.822×10-5(Pa·s)로 하면 레이놀즈수는 945 정도가 되고, 한계 레이놀즈수 이하의 값이며, 층류라고 판단할 수 있다.
[유전체 기판(30)과 제2 전극(20)의 형상의 관계성]
다음으로, 유전체 기판(30)과 제2 전극(20)의 형상에 대하여 설명한다.
도 5a는, 도 2에 나타내는 도면으로부터, 유전체 기판(30)만을 추출한 확대도이다. 설명의 형편상, 특히 이하의 도면에서는 과장하여 도시되어 있는 경우가 있다.
상술한 바와 같이, 유전체 기판(30)은, +Z 측의 제1 면(31)과, -Z 측의 제2 면(32)을 갖는다. 도 5a에 나타내는 예에서는, 제1 면(31)은, X방향에 관하여 제2 단(72)으로부터 소정의 개소(「제1 기준 개소(81)」라고 칭한다.)까지의 영역은 X방향에 평행한 평탄면이고, 제1 기준 개소(81)로부터 제1 단(71)까지의 영역(「제1 특정 영역(91)」이라고 칭한다.)은, X방향에 대하여 경사진 면이다. 이에 대하여, 도 5a에 나타내는 유전체 기판(30)의 제2 면(32)은, X좌표의 위치에 관계없이, X방향에 관하여 평행한 평탄면이다.
단, 본 실시 형태에 있어서, 유전체 기판(30)의 제2 면(32)이, 경사면을 갖는 것은 배제되지 않는다. 예를 들면, 도 5b에 나타내는 예에서는, 유전체 기판(30)의 제2 면(32)은, X방향에 관하여 제2 단(72)으로부터 소정의 개소(「제2 기준 개소(82)」라고 칭한다.)까지의 영역은 X방향에 평행한 평탄면이고, 제2 기준 개소(82)로부터 제1 단(71)까지의 영역(「제2 특정 영역(92)」이라고 칭한다.)은, X방향에 대하여 경사진 면이다. 또한, 도 5b에 나타내는 유전체 기판(30)의 제1 면(31)은, 도 5a와 동일하게, 제2 단(72)으로부터 제1 기준 개소(81)까지의 영역은 X방향에 평행한 평탄면이고, 제1 기준 개소(81)로부터 제1 단(71)까지의 영역(제1 특정 영역(91))은 X방향에 대하여 경사진 면이다.
즉, 본 실시 형태의 플라스마 발생 장치(1)에 있어서, 유전체 기판(30)의 제1 면(31)은, 기준이 되는 제1 기준 개소(81)보다 제2 단(72) 측의 영역은 X방향에 평행한 평탄면이다.
한편, 유전체 기판(30)의 제1 면(31)은, 이 제1 기준 개소(81)보다 제1 단(71) 측의 영역(제1 특정 영역(91))은, X방향에 대하여 경사진 면이다. 단, 제1 단(71) 측을 향하여 전계 강도를 높일 수 있으면, 제1 특정 영역(91)은 X방향에 평행한 평탄면이어도 상관없다.
마찬가지로, 본 실시 형태의 플라스마 발생 장치(1)에 있어서, 유전체 기판(30)의 제2 면(32)은, 기준이 되는 제2 기준 개소(82)보다 제2 단(72) 측의 영역은 X방향에 평행한 평탄면인 한편, 이 제2 기준 개소(82)보다 제1 단(71) 측의 영역(제2 특정 영역(92))은, X방향에 평행한 평탄면이거나, X방향에 대하여 경사진 면이다.
도 6a는, 도 2에 나타내는 도면으로부터, 제2 전극(20)만을 추출한 확대도이다. 상술한 바와 같이, 제2 전극(20)은, 오목부(27)의 저면을 구성하는 면을 갖는다. 이하에서는, 설명의 형편상, 이 면을 「제3 면(23)」이라고 칭한다.
도 6a에 나타내는 예에서는, 제3 면(23)은, X좌표의 위치에 관계없이 X방향에 관하여 평행한 평탄면이다. 그러나, 본 실시 형태에 있어서, 제3 면(23)이 X방향에 대하여 경사진 면(경사면)을 갖는 것은 배제되지 않는다. 예를 들면, 도 6b에 나타내는 예에서는, 제3 면(23)은, X방향에 관하여 제2 단(72)으로부터 소정의 개소(「제3 기준 개소(83)」라고 칭한다.)까지의 영역은 X방향에 평행한 평탄면이고, 제3 기준 개소(83)로부터 제1 단(71)까지의 영역(「제3 특정 영역(93)」이라고 칭한다.)은, X방향에 대하여 경사진 면이다.
즉, 본 실시 형태의 플라스마 발생 장치(1)에 있어서, 제3 면(23)은, 기준이 되는 제3 기준 개소(83)보다 제2 단(72) 측의 영역은 X방향에 평행한 평탄면인 한편, 이 제3 기준 개소(83)보다 제1 단(71) 측의 영역(제3 특정 영역(93))은, X방향에 평행한 평탄면이거나, X방향에 대하여 경사진 면이다.
그리고, 제1 면(31), 제2 면(32), 및 제3 면(23)은, 취출구(5)의 근방에 있어서, 가스 유로(3) 내를 +X 측으로 진행함에 따라 전계 강도가 높아지는 것과 같은 관계가 되도록, 경사 정도가 설정되어 있다. 이 관계에 대해서는, 도 8을 참조하여 후술된다.
그런데, 제1 전극(10)은, X방향에 관하여 제1 단(71)의 근방에만 배치되어 있어도 상관없다(도 7 참조). 취출구(5)의 근방의 개소에 있어서 고전압이 인가됨으로써, 당해 개소의 가스 유로(3) 내를 통류하는 가스에 대하여 높은 전계가 인가되어, 플라스마화된다.
도 8은, 제1 면(31), 제2 면(32), 및 제3 면(23)의 형상을 설명하기 위한 모식적인 도면이다. 또한, 이해의 용이화를 위하여, 일부의 구조를 과장하여 표시하고 있다.
여기에서는, 제1 면(31)은, 제1 기준 개소(81)로부터 +X 측(제1 단(71) 측)이 경사면이라고 하고, 경사 각도를 α로 한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「경사 각도」란, 대상면을 Y방향으로 보았을 때의 X방향에 평행한 선에 대한 각도로 규정되고, 반시계 방향을 정의 각도로서 정의한다. 경사 각도는, XY 평면에 대한 대상면의 각도로서 규정해도 동의이다. 이하의, 제2 면(32) 및 제3 면(23)에 대해서도 동일하다.
도 8에서는, 제1 기준 개소(81)에 있어서의 X좌표를, xα로 하고 있다. 또한, α=0°인 경우도 있을 수 있다. 이 경우, 제1 면(31)은 X좌표에 상관없이 평탄면이다.
제2 면(32)은, 제2 기준 개소(82)로부터 +X 측(제1 단(71) 측)이 경사면이라고 하고, 경사 각도를 β로 한다. 도 8에서는, 제2 기준 개소(82)에 있어서의 X좌표를, xβ로 하고 있다. 또한, β=0°인 경우도 있을 수 있다. 이 경우, 제2 면(32)은 X좌표에 상관없이 평탄면이다.
제3 면(23)은, 제3 기준 개소(83)로부터 +X 측(제1 단(71) 측)이 경사면이라고 하고, 경사 각도를 γ로 한다. 도 8에서는, 제3 기준 개소(83)에 있어서의 X좌표를, xγ로 하고 있다. 또한, γ=0°인 경우도 있을 수 있다. 이 경우, 제3 면(23)은 X좌표에 상관없이 평탄면이다.
어느 X좌표의 값 x에 있어서의 전계를 E(x), 유전체 기판(30)의 두께를 d1(x), 가스 유로(3)의 높이를 d2(x)로 한다. 유전체 기판(30)의 비유전율을 εr, 가스 유로(3) 내를 통류하는 가스의 비유전율을 ε0으로 하면, 전계 E(x)는, 하기 (3)식으로 규정된다.
여기서, +X방향으로 나아감에 수반하여 유전체 기판(30)의 두께가 변화하기 시작하는 개소는, 제1 기준 개소(81)와 제2 기준 개소(82) 중, -X 측(제2 단(72)에 가까운 쪽)의 개소이다. 도 8의 예에서는, 제1 기준 개소(81)에 대응한다. 유전체 기판(30)의 두께가 변화하기 시작하는 개소에 있어서의 유전체 기판(30)의 두께를 d1(0)이라고 규정한다.
마찬가지로, +X방향으로 나아감에 수반하여 가스 유로(3)의 높이가 변화하기 시작하는 개소는, 제2 기준 개소(82)와 제3 기준 개소(83) 중, -X 측(제2 단(72)에 가까운 쪽)의 개소이다. 도 8의 예에서는, 제3 기준 개소(83)에 대응한다. 가스 유로(3)의 높이가 변화하기 시작하는 개소에 있어서의 가스 유로(3)의 높이를 d2(0)이라고 규정한다.
상기의 규정 및 도 8에 의하면, 평면 기하학에 의하여, X좌표가 x의 위치에 있어서의, 유전체 기판(30)의 두께 d1(x), 및 가스 유로(3)의 높이 d2(x)는, 각각 하기 (4)식 및 (5)식에 의하여 표시된다.
(4)식 및 (5)식을 상기 (3)식에 대입하면, 하기 (6)식이 얻어진다.
여기서, (6)식에 있어서 분자는 상수이다. 이 때문에, (6)식에 있어서, X좌표가 x의 위치에 있어서의 전계 E(x)가, 단조적으로 증가하기 위해서는, 상기 식의 분모가 단조 감소하면 되고, 바꾸어 말하면, [분모의 미분값]<0이 성립하면 된다. 이에 의하여, 상술한 (1)식이 이끌어진다. 이하에, (1)식을 다시 기재한다.
그런데, X좌표가 x의 위치에 있어서의, 유전체 기판(30)의 두께 d1(x), 및 가스 유로(3)의 높이 d2(x)는, 제1 단(71)의 위치에 있어서도, 정의 값일 필요가 있다. 이에, 제1 기준 개소(81)로부터 제1 단(71)까지의 영역(제1 특정 영역(91))의 X방향에 관련된 길이를 Aα, 제2 기준 개소(82)로부터 제1 단(71)까지의 영역(제2 특정 영역(92))의 X방향에 관련된 길이를 Aβ, 제3 기준 개소(83)로부터 제1 단(71)까지의 영역(제3 특정 영역(93))의 X방향에 관련된 길이를 Aγ로 하면, 제1 단(71)의 위치에 있어서의 유전체 기판(30)의 두께 d1(x), 및 가스 유로(3)의 높이 d2(x)가 정이기 위해서는, 평면 기하학의 관계로부터 상술한 (2)식이 이끌어진다. 이하에, (2)식을 다시 기재한다.
즉, 상술한 (1)식 및 (2)식을 만족하도록, 유전체 기판(30)의 면(제1 면(31), 제2 면(32)), 및 제2 전극(20)의 면(제3 면(23))의 형상으로 함으로써, 가스 유로(3) 내를 취출구(5)를 향하여 통류하는 가스의 전계 강도가 단조적으로 증가한다. 이에 의하여, 취출구(5)의 근방에서는 매우 높은 전계 강도가 실현되기 때문에, 고효율로 플라스마를 발생시킬 수 있다.
플라스마 발생 장치(1)의 크기는 특별히 제한되지 않는다. 또, 유전체 기판(30) 및 제2 전극(20)은, 상기 (1)식 및 (2)식을 만족하도록 구성된다.
일례로서, 외관의 치수는, 폭(Y방향의 길이)이 750mm이고, 길이(X방향의 길이)가 40mm이고, 두께(Z방향의 길이, 가장 두꺼운 개소)가 20mm이다.
유전체 기판(30)의 외형 치수는, 폭이 750mm, 길이가 40mm, 제1 단(71)에 있어서의 두께(d1a): 0.1mm이다.
제2 전극(20)의 외형 치수는, 폭이 750mm, 길이가 20mm, 제1 단(71)에 있어서의 두께가 0.1mm이다.
가스 유로(3)의 외형 치수는, 폭이 700mm, 길이가 35mm이다.
취출구(5)의 치수는, 개구 폭이 700mm, 개구 높이가 0.2mm이다.
[실시예]
도 1~도 3에 나타내는 구조를 갖고, 유전체 기판(30)의 면(제1 면(31), 제2 면(32)), 및 제2 전극(20)의 면(제3 면(23))이 (1)식 및 (2)식을 만족하는 것과 같은 형상을 나타내고, 상기 치수가 채용된 플라스마 발생 장치(1)를 실시예 1로 했다. 또한, 유전체 기판(30)의 재질은 산화 알루미늄, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 모두 구리를 주 재료로 했다.
도 9a~도 9b에 모식적으로 나타내는 구조를 갖는 플라스마 발생 장치(100)를, 비교예 1로 했다. 또한, 도 9a~도 9b는, 가스 버퍼 기판의 도시가 생략되어 있다. 도 9b는, 도 9a의 IXB-IXB선 단면도이다.
즉, 비교예 1의 플라스마 발생 장치(100)는, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)과 유전체 기판(130)을 구비하는데, 유전체 기판(130)의 한 쌍의 주면 및 제2 전극(120)의 유전체 기판(130) 측의 면은, 모두 평탄면이다. 이 때문에, 상기 (2)식은 만족하지만, (1)식을 만족하지 않는다.
비교예 1의 플라스마 발생 장치(100)에 있어서도, 제2 전극(120)과 유전체 기판(130)의 사이에서 형성되는 가스 유로(103) 내를 통류하는 가스는, 고전계 영역(108)을 통과할 때에 플라스마화되어, 취출구(105)로부터, 플라스마 가스(G1)로서 분출된다.
실시예 1의 플라스마 발생 장치(1), 및 비교예 1의 플라스마 발생 장치(100)의 쌍방을 이하의 조건하에서 운전시켜, 취출구(5, 105)로부터 2mm 이격한 위치에, 피처리물로서의 폴리프로필렌제의 기재(基材)를 10mm/초로 통과시킨 후, 기재 표면의 물 접촉각을 접촉각계(교와 계면 화학 주식회사 제조의 DMs-401)를 이용하여 측정했다.
(운전 조건)
인가 전압: 7.6kVpp, 주파수 38kHz
가스 종: 질소
가스 유량: 300L/min
결과를 표 1에 나타낸다.
표 1에 의하면, 실시예 1이 비교예 1보다 물 접촉각이 작아, 보다 친수화되어 있는 것을 알 수 있다. 나아가서는, 실시예 1이 비교예 1보다 물 접촉각의 편차가 억제되어 있어, 기재에 대하여 균질한 처리가 행해지고 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 실시예 1의 플라스마 발생 장치(1)를 연속 운전시켰을 때의, 친수화 능률의 변화를 도 10에 나타낸다. 친수화 능률은, 처리 전의 물 접촉각과 처리 후의 물 접촉각의 차분값(Δθ(t))의 시간 변화 비율을 나타내는 지표이다. 보다 상세하게는, 운전 개시 직후(편의상 t=0으로 한다)에 있어서의 상기 차분값 Δθ(0)을 기준으로 했을 때의, 운전 시간 t에 있어서의 상기 차분값 Δθ(t)의 비율에 의하여 나타내어진 지표이다. 즉, 이 비율이 100%에 가깝다고 하는 것은, 운전 개시 시와 동등한 처리 능력이 실현되어 있다고 하는 것을 나타내고 있다.
도 10에 의하면, 실시예 1의 플라스마 발생 장치(1)의 경우, 6000시간 이상의 연속 동작을 시켜도, 유전체 기판(30)이나 전극(10, 20)에 대한 손상이 확인되지 않고, 초기 성능이 유지되고 있는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 비교예 1의 플라스마 발생 장치(100)를 연속 운전시키면, 1시간을 초과한 시점에서, 손상이 발생하기 시작했다. 이 때문에, 비교예 1의 플라스마 발생 장치(100)는, 1시간을 초과하는 연속 운전에는 적합하지 않다.
도 11은, 스테이지 상에 소정의 간격으로, 피처리물로서의 폴리프로필렌(PP) 필름을 배치한 모습을 나타내는 평면도이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 스테이지 상에 소정의 간격으로 피조사물로서 폴리프로필렌(PP) 필름을 배치하고, 실시예 1에 따른 플라스마 발생 장치(1)를 이용하여 상방으로부터 플라스마 가스(G1)를 조사했다. 보다 상세하게는, 취출구(5)로부터 2mm(조사 거리)의 위치에, PP 필름을 1축 스테이지 상에 고정하고, 100mm/초로 하여 취출구(5)를 왕복 운동시켜, 플라스마 가스(G1)의 조사를 행했다. 플라스마 가스(G1)의 조사 횟수가 2회(2회 왕복 운동한 후), 10회(10회 왕복 운동한 후), 200회(200회 왕복 운동한 후)를 계측한 타이밍에, 각 PP 필름 표면의 물 접촉각이 측정되었다.
물 접촉각의 측정은 하기의 조건으로 했다.
접촉각계: DMs-401(교와 계면 과학사 제조)
액량: 2μL
타원 피팅으로 근사.
도 12는, 물 접촉각의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 물 접촉각은, 어느 조사 조건에 있어서도, 폭 방향(Y방향)에 있어서 평균값으로부터 ±10% 이내가 되었다. 또한, Y좌표가 10mm, 30mm, 50mm의 개소에도 폴리프로필렌(PP) 필름을 배치하여 동일한 시험을 행한바, 도 12에 나타내는 평균값의 ±10% 이내가 되었다. 이상의 결과로부터, 실시예 1의 플라스마 발생 장치(1)에 의하면, 취출구(5)의 Y방향에 관련된 전체 영역으로부터 플라스마 가스(G1)가 균일하게 분사되어 있는 것을 알 수 있다.
플라스마 발생 장치(1)는, 유전체 기판(30)의 면(제1 면(31), 제2 면(32)), 및 제2 전극(20)의 면(제3 면(23))이 (1)식 및 (2)식을 만족하는 것과 같은 형상을 나타내는 한, 이들 면의 경사의 방향은 불문한다. 예를 들면, 도 13에 나타내는 바와 같이, 제1 면(31)이 X방향에 대하여 -Z 측으로 기울어지고, 제2 면(32)이 X방향에 대하여 +Z 측으로 기울어지고, 제3 면(23)이 X방향에 대하여 -Z 측으로 기울어지는 구성이어도 상관없다. 이 경우, 가스 유로(3)는, 제1 단(71)(취출구(5))에 가까워짐에 따라 높이 d2(x)가 증가하고 있다.
또, 도 14에 나타내는 바와 같이, 제1 면(31)이 X방향에 대하여 +Z 측으로 기울어지고, 제2 면(32)이 X방향에 대하여 -Z 측으로 기울어지고, 제3 면(23)이 X방향에 대하여 +Z 측으로 기울어지는 구성이어도 상관없다. 이 경우, 가스 유로(3)는, 제1 단(71)(취출구(5))에 가까워짐에 따라 높이 d2(x)가 감소하고 있다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 제1 면(31)이 곡면이어도 상관없다. 이 경우이더라도, 미소한 영역에서는 평면으로 간주할 수 있기 때문에, 제1 면(31)을 근사한 평면(31a)을 이용하여, (1)식 및 (2)식을 만족하도록 하면 된다. 제2 면(32), 제3 면(23)에 있어서도 동일하다.
도 16에 나타내는 바와 같이, 제1 면(31)의 일부에 요철이 형성되어 있어도 상관없다. 상술한 바와 같이, 제1 전극(10)과의 밀착성을 향상시키는 관점에서, 제1 면(31)에 요철을 형성하는 방법을 채용할 수 있다. 이 경우는, 제1 전극(10)의 X방향에 관련된 단부(10a, 10b)와 유전체 기판(30)의 접촉 개소끼리를 연결하는 평면(31a)을 이용하여, (1)식 및 (2)식을 만족하도록 하면 된다.
[변형예]
플라스마 발생 장치(1)는, 유전체 기판(30)의 면(제1 면(31), 제2 면(32)), 및 제2 전극(20)의 면(제3 면(23))이 (1)식 및 (2)식을 만족하는 것과 같은 형상을 나타내는 한, 도 17a~도 17g에 나타내는 바와 같은 다양한 베리에이션을 채용할 수 있다. 도 17a~도 17g는, 플라스마 발생 장치(1)의 변형예이며, 일부 요소만을 발췌하여 도시한 모식적인 단면도이다. 또한, 이하의 도 17a~도 17g에 있어서도, 설명의 형편상, 일부가 과장하여 도시되어 있는 경우가 있다.
또한, 이하의 변형예의 설명에 있어서는, 상술한 실시 형태와는 상이한 개소만이 설명된다.
<1> 도 17a에 나타내는 변형예의 플라스마 발생 장치(1)는, 유전체 기판(30)의 제1 면(31)에 있어서, X방향에 관하여 제1 전극(10)과 제1 단(71)의 사이, 즉 제1 전극(10)과 취출구(5)의 사이에 돌기(43)를 구비한다. 이 돌기(43)는, 유전체 기판(30)의 재질로서 예시한 것을 들 수 있다. 돌기(43)는, 유전체 기판(30)에 일체적으로 형성되어 있어도 되고, 별도 부재로서 장착되어 있어도 된다.
X방향에 관하여 제1 전극(10)과 취출구(5)의 사이에 돌기(43)를 구비함으로써, 취출구(5) 측에 있어서의 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 연면 거리가 확보된다. 이에 의하여, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 단락이나 연면 방전의 발생 등의, 불필요한 방전이 억제된다.
동일한 관점에서, 도 17b에 나타내는 바와 같이, 제1 전극(10)의 +X 측 단부(10a)에 맞닿도록 돌기(43)를 형성해도 상관없다.
<2> 도 17c에 나타내는 변형예의 플라스마 발생 장치(1)는, 유전체 기판(30)의 제1 면(31)에 있어서, X방향에 관하여 제1 전극(10)과 제1 단(71)의 사이, 즉 제1 전극(10)과 취출구(5)의 사이에 요철부(31c)를 구비하고 있다. 이와 같은 구성에 의해서도, 취출구(5) 측에 있어서의 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 연면 거리가 확보된다.
<3> 도 17d에 나타내는 변형예의 플라스마 발생 장치(1)는, 제1 전극(10)의 +X 측 단부(10a)에, 제1 전극(10)을 덮는 절연막(45)을 구비한다. 이 구성에 의하여, 코로나 방전의 발생 등의 불필요한 방전을 억지(抑止)할 수 있다. 절연막(45)으로서는, 유리, 유리를 포함하는 소결체, 또는 실리콘, 에폭시 등의 수지 소재를 들 수 있다.
<4> 도 17e에 나타내는 변형예의 플라스마 발생 장치(1)는, 제1 단(71)의 근방, 즉 취출구(5)의 근방에 있어서, 제2 전극(20)의 제3 면(23) 상에 배치된 보호층(46)을 구비한다.
보호층(46)은, 유전체인 것이 바람직하고, 유전체 기판(30)의 재질과 동일한 물질인 것이 보다 바람직하다. 보호층(46)의 재질의 구체예로서는, 예를 들면, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 스테아타이트 등을 들 수 있다.
제2 전극(20)의 제3 면(23)에 보호층(46)을 형성하는 방법은, 특별히 제한되지 않지만, 보호층(46)의 구성 재료를 용사하여 도포하는 방법을 일례로서 채용할 수 있다. 보호층(46)의 두께로서는, 오염 방지의 관점에서 적절히 설정할 수 있는데, 예를 들면 100μm 이하이다.
도 17e에 나타내는 변형예의 플라스마 발생 장치(1)에 의하면, 취출구(5) 근방, 바꾸어 말하면 플라스마가 발생하는 개소의 근방에 보호층(46)을 구비하기 때문에, 제2 전극(20)의 구성 재료가 증발, 확산하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의하여, 플라스마 가스(G1)가 내뿜어지는 피처리물에 대한 오염을 방지할 수 있다.
<5> 도 17f에 나타내는 변형예의 플라스마 발생 장치(1)는, 제1 단(71)의 근방, 즉 취출구(5)의 근방에 있어서, 유전체 기판(30)의 제2 면(32) 상에 배치된, 시동 보조 부재(47)를 구비한다.
시동 보조 부재(47)의 재료로서는, 탄소(카본), 또는 천이 금속 화합물 등을 들 수 있다. 또, 시동 보조 부재(47)의 재료로서 유전체 기판(30)보다 비유전율이 높은 물질을 들 수 있다. 이때, 유전 손실에 의하여, 시동 보조 부재(47)의 구성 물질이 가열되어 초기 전자가 가스 유로(3) 내에 공급된다. 시동 보조 부재(47)의 재료로서는, 카본이 특히 바람직하다. 카본은 열안정성이 높기 때문에, 온도가 상승해도 시동 보조 부재(47)의 증발이 발생하기 어려워, 플라스마 발생 장치(1)로서의 신뢰성이 높아진다.
또한, 시동 보조 부재(47)의 재료로서, 보다 적은 인가 전압으로 전자 방출 작용이 확인되도록, 일함수가 낮은 재료여도 된다.
도 17f에 나타내는 변형예의 플라스마 발생 장치(1)에 의하면, 취출구(5)의 근방에 시동 보조 부재(47)를 구비하기 때문에, 초기 전자를 가스 유로(3) 내에 공급할 수 있어, 시동성이 향상된다.
이에 의하여, 전원 용량이 큰 마이크로파 발진 장치나 스타터 회로 장치가 불필요해져, 플라스마 발생 장치(1)를 소형이고 또한 저렴하게 제조할 수 있다.
<6> 도 17g에 나타내는 변형예의 플라스마 발생 장치(1)는, 취출구(5)에 대하여 +X 측에 인접하여 차광 부재(48)를 구비한다. 차광 부재(48)는, 내부에 가스의 통류가 가능한 관체(49)를 갖고 있고, 이 관체(49)는 가스 유로(3)에 연락되어 있다. 도 17g에 나타내는 예에서는, 관체(49)에 의하여, 플라스마 가스(G1)의 취출 방향이 -Z 방향으로 변경되어 있다. 이러한 구성에 의하여, 가스 유로(3) 내의 방전 유래의 광이, 피처리물에 조사되는 것이 방지된다.
<7> 또한, 상술한 각 변형예는, 적절히 조합하는 것이 가능하다.
[동작 방법]
상술한 플라스마 발생 장치(1)를 동작시킬 때에는, 우선 시동 시에, He, Ne, 및 Ar로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 시동용 가스를 가스 유로(3)에 도입하여 가스 유로(3) 내에서 플라스마를 발생시킨다. 그 후, 가스 유로(3) 내에 처리용 가스(G0)를 도입한다. 처리용 가스(G0)로서는, 피처리물에 대하여 행하는 처리 내용에 따라 적절히 선택되고, 예를 들면, 수소, 산소, 물, 질소 등, 원하는 활성종을 생성할 수 있는 가스가 이용된다. 이러한 방법에 의하면, 처리용 가스(G0)가 비교적 플라스마 방전하기 어려운 가스이더라도, 당해 처리용 가스(G0)의 물질을 포함하는 플라스마 가스(G1)를 피처리물에 내뿜는 것이 가능해진다.
1: 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치
3: 가스 유로
5: 취출구
10: 제1 전극
10a, 10b: 제1 전극의 단부
20: 제2 전극
23: 제2 전극의 면(제3 면)
26: 외연부
27: 오목부
30: 유전체 기판
31: 유전체 기판의 면(제1 면)
32: 유전체 기판의 면(제2 면)
40: 가스 버퍼 기판
51: 공극
53: 연락 구멍
61: 가스 송출 장치
63: 전원 장치
71: 제1 단
72: 제2 단
81: 제1 기준 개소
82: 제2 기준 개소
83: 제3 기준 개소
91: 제1 특정 영역
92: 제2 특정 영역
93: 제3 특정 영역
3: 가스 유로
5: 취출구
10: 제1 전극
10a, 10b: 제1 전극의 단부
20: 제2 전극
23: 제2 전극의 면(제3 면)
26: 외연부
27: 오목부
30: 유전체 기판
31: 유전체 기판의 면(제1 면)
32: 유전체 기판의 면(제2 면)
40: 가스 버퍼 기판
51: 공극
53: 연락 구멍
61: 가스 송출 장치
63: 전원 장치
71: 제1 단
72: 제2 단
81: 제1 기준 개소
82: 제2 기준 개소
83: 제3 기준 개소
91: 제1 특정 영역
92: 제2 특정 영역
93: 제3 특정 영역
Claims (7)
- 제1 방향으로 연장되는 판 형상을 나타내고, 제1 면과, 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에 관하여 상기 제1 면과는 반대 측에 위치하는 제2 면을 갖는 유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 상기 제1 면 측에 배치된 제1 전극과,
상기 유전체 기판의 상기 제2 면으로부터 상기 제2 방향으로 이격한 위치에 배치된 제2 전극과,
상기 유전체 기판과 상기 제2 전극 사이의 공극에 의하여 형성되고, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 직교하는 제3 방향으로 가스가 통류하는 가스 유로와,
상기 가스 유로의 상기 제3 방향에 관련된 일방의 단부인 제1 단(端)에 형성되고, 상기 제1 방향으로 연장되는 취출구(吹出口)를 구비하고,
상기 유전체 기판의 상기 제1 면은, 적어도 상기 제3 방향에 관하여 상기 취출구와는 반대 측의 단부인 제2 단으로부터 제1 기준 개소까지의 사이가 상기 제3 방향에 평행한 평탄면이고, 상기 유전체 기판의 상기 제2 면은, 적어도 상기 제3 방향에 관하여 상기 제2 단으로부터 제2 기준 개소까지의 사이가 상기 제3 방향에 평행한 평탄면이고,
상기 유전체 기판의 상기 제2 면에 상기 가스 유로를 통하여 대향하는 상기 제2 전극의 주면(主面)인 제3 면은, 적어도 상기 제3 방향에 관하여 상기 제2 단으로부터 제3 기준 개소까지의 사이가 상기 제3 방향에 평행한 평탄면이고,
상기 제1 기준 개소로부터 상기 제1 단까지의 제1 특정 영역 내의 상기 제1 면, 상기 제2 기준 개소로부터 상기 제1 단까지의 제2 특정 영역 내의 상기 제2 면, 및 상기 제3 기준 개소로부터 상기 제1 단까지의 제3 특정 영역 내의 상기 제3 면 중, 적어도 어느 1개의 면은, 상기 제3 방향에 대한 경사면이고,
상기 제1 전극은, 적어도 상기 제1 기준 개소와 상기 제1 단의 사이에 배치되어 있고, 상기 제1 방향으로 보았을 때에, 상기 제1 특정 영역 내의 상기 제1 면과 상기 제3 방향이 이루는 각도를 α, 상기 제2 특정 영역 내의 상기 제2 면과 상기 제3 방향이 이루는 각도를 β, 및 상기 제3 특정 영역 내의 상기 제3 면과 상기 제3 방향이 이루는 각도 γ가, 하기 (1)식 및 (2)식의 양자를 만족하는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치.
(단, (1)식에 있어서의 εr은 상기 유전체 기판의 비유전율이며, (2)식에 있어서, Aα, Aβ 및 Aγ는, 각각 상기 제1 특정 영역, 상기 제2 특정 영역, 및 상기 제3 특정 영역의 상기 제3 방향에 관련된 길이에 대응하고, d1(0)은 상기 제1 기준 개소와 상기 제2 기준 개소 중 상기 제3 방향에 관하여 상기 제2 단에 가까운 쪽의 기준 개소에 있어서의 상기 유전체 기판의 상기 제2 방향에 관련된 두께이고, d2(0)은 상기 제2 기준 개소와 상기 제3 기준 개소 중 상기 제3 방향에 관하여 상기 제2 단에 가까운 쪽의 기준 개소에 있어서의 상기 가스 유로의 상기 제2 방향에 관련된 높이이다.) - 청구항 1에 있어서,
상기 유전체 기판은, 상기 제2 방향에 관련된 두께가 상기 제3 방향의 위치에 관계없이 일정하거나, 또는 상기 제1 기준 개소로부터 상기 제1 단을 향하여 상기 제2 방향에 관련된 두께가 체증하는 형상을 나타내는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1 전극이 고전압 측 전극이며, 상기 제2 전극이 저전압 측 전극인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제2 전극에 대하여, 상기 유전체 기판과는 반대 측의 위치로부터 주연부에 있어서 맞닿은 가스 버퍼 기판과,
상기 가스 버퍼 기판과 상기 제2 전극 사이에 끼인 공극에 대하여 상기 가스를 도입하는 가스 송출 장치와,
상기 제1 방향의 상이한 복수의 개소에 있어서, 상기 제2 방향에 관하여 상기 제2 전극을 관통하는 연락 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 연락 구멍은, 상기 제3 방향에 관하여, 상기 제1 전극보다 상기 제2 단 측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 유전체 기판은, 주된 재료가 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1 전극은, 상기 제3 방향에 관하여 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단 측에, 10mm 미만의 거리만큼 후퇴한 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전식 플라스마 발생 장치.
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