TWI244879B - Apparatus for generating low temperature plasma at atmospheric pressure - Google Patents

Description

五、發明説明（1 ) 發明範疇 本發明有關-種用於在大氣壓下產生高密度的低溫 電漿之裝置，且其具有低的放電引發及維持電壓。 發明背景 一般將電漿定義為一種幾乎相等數量的正與負自由 電荷所構成呈中立電性之部份離子化的氣體。電漿係依據 進行離子化的溫度而次分為高溫及低溫電漿，電漿具有極 高的化學與物理的反應性。 利用低溫電漿來合成多種材料（諸如金屬、半導體、聚 合物、耐綸、塑膠、紙、纖維及臭氧）並修改材料的^面: 質而在諸如接合強度、染著性質、可列印性等多種物理與 化學性質上具有相伴隨的改良。為此，低溫電漿可多方應 用在半導體、金屬、陶瓷性薄膜合成及清潔領域中。 -般可在-低壓的真空容器中產生低溫電漿，為了維 持此真空’需要-種整體較昂貴的裝置。此外，若待處理 材料具有大型尺寸，將難以將電漿施加至此等材料。電漿 處理的另-問題為難以自動進行電聚程序。此外，電裝難 以處理諸如橡膠、生物材料等呈現高蒸氣壓或除氣的材料。 為了避免上述問題，已發展出以下範例的各種技術， 電暈放電、介電阻障放電及輝光放電，藉此可在大氣壓下 產生低溫電漿，現在將這些技術應用於包括譬如臭氧等化 學物的合成、殺菌、除毒等廣泛領域中，除了上述領域之 外亦應用於難以在空泡中由電漿處理的材料之合成。 電暈放電係為一種當電壓梯度超過臨界值時在一導 五、發明説明（2 ) 體附近與表面上呈現淡藍輝光之放電。一般係將一高電壓 施加過諸如金屬等導電材料製成之兩個尖點狀電極，藉以 自電漿產生流光（Streamer)電漿。當一電壓施加過其間具有 較短距離之兩個電極時，將產生—電孤而形成一極小直徑 的線)·生電水。在此時，為了防止電裝轉變為電弧放電，間 歇性施加電壓或將一電阻提供予電極。 一介電阻障放電係利用介電極化（didecth P〇l—n)造成的電荷累積藉以形成可停止放t H 反電位’亦即利用一脈衝放電來防止產生電弧放電。 在一電暈放電的情形中，產生了不均質性且具有低密 度之-流光形式的電漿。此外，因為兩個電極之間具有狹 乍的間隙，故難以將一電暈放電施加至立體形狀的目標。 並且，t暈放電的其他問題係、包括生成噪音以及短的電極 壽命。 雖…、:提供均貝性的電漿，介電阻障放電並不能確保如 同電晕放電的情形般地在一大面積上方產生均質性的擴散 電水在提供一額外構件以防止發展成一電弧放電的情形 中’介電阻障放電具有低的電漿密度，且兩電極之間距很 窄而限制了所處理目標的尺寸與形狀。 使用諸如氬、氧及氮等具有高的放電引發⑷心 initiation)及維持電位之氣體時，電暈放電及介電阻障放電 技術均需要一種高電壓的電源供應器。但是基於昂貴且高 耗電等因素，難以操作及控管此電源供應器。 發明概述 五、發明説明（3 ) 本U之目的係克服f知技藝所遭遇的上述 ”/、㈣於在大氣壓下產生低溫電漿之裝置，此 衣/、有一種新穎的電極結構以防止電漿轉變為一電孤放 電。 / 纟月之3目的係提供一種電漿產生裝置，其具有 义低的放電私壓而可A幅降低所配備的電源供應器之操作 及女裝成本及耗電。 本發明之另-目的係提供一種電漿產生裝置，其可利 用免廣頻率^>寬中的交流電及脈衝直流電之優點。 本發明之另一目的係提供一種電漿產生裝置，其可在 諸如氮、氧及S氣等高放電引發電位的氣體中放電。 本發明之另一目的係提供一種電漿產生裝置，其可在 大面積上卩低放電電壓產生一肖質性高密度低溫的電 漿。 根據本發明，可藉由提供一種用於在大氣壓下產生低 溫電漿之裝置來達成上述目的，此裝置包含··一對的電極， 其以一距離面對彼此，其中一者連接至一電源供應器，另 一者接地；一對的介電物質，其具有25微米至10公厘的厚 度且位於電極的面對表面上面對彼此，其中一者中具有至 少一個放電間隙；及一導體電極，其具有位於放電間隙内 的至少一個梢部，其中利用5〇]^2至1〇GHz頻率帶寬的一交 流電或脈衝直流電經由電源供應器將1至1〇〇仟伏特/公分 強度的一電場施加過電極，同時在電極之間饋送一反應氣 體0 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公董） 1244879

五、發明説明（4 ) •本毛月的裝置產生之電漿係適於形成高能的自由基 ㈣ ^其多方應用於包括結合、抛光、清潔、薄膜沉 積权菌、消毒、產生臭氧、列印、染著、姓刻譬如金屬、 橡♦、纖維、紙、合成樹脂及半導體等各種材料之各種領 域。並且，電漿的應用領域係包括：自來水及廢水淨化、 二氣及s如S〇x& N〇x等汽車廢氣淨化、燃料燃燒，高亮度 燈的製造等。 圖式簡單說1 由下文詳細描述及圖式可更清楚暸解本發明的上述 及其他目的、特性及其他優點，其中： 第1圖為電極的一種板結構之示意剖視圖，其根據第 一實施例適合用於一種用於在大氣壓下產生低溫電漿之裝 置中； 第2圖為電極的一種管結構之示意剖視圖，其根據本 發明第一貫施例適合用於一種用於在大氣壓下產生低溫電 漿之裝置中；及 第3圖係說明提供予導體電極之梢部。 鮫佳實施例的詳細描沭 參照圖式可最清楚地瞭解本發明較佳實施例的應 用’其中使用類似的編號分別代表類似與對應的元件。 [第一實施例] 參照第1圖’以剖視圖顯示一種電極結構，其根據本 發明第一實施例適合用於一種用於在大氣壓下產生低溫電 漿之裝置中。此實施例中，本發明採用電極的一種板結構 本紙張尺度適用中國國家標準（0^) A4規格（210X297公釐） 1244879 五、發明説明（5 ) 以在大氣壓下產生低溫電漿。 如第1圖所示，此裝置係具有根據本發明面對彼此之 -對的電極1及2,兩電極中的—者係連接至—電源供應器 6 ’而另-電極則接地。當電源供應器6提供—直流電時， 接地的電極為-陽極2,且將連接至電源供應器6之電極設 為一陰極卜兩電極較佳均由諸如不鱗鋼、紹或鋼等金屬製 成。 ^ 介電物質3及4中之一者係分別安裝在各電極以2上 且配置為面對彼此。為了利於產生電漿，各介電物質3及4 較佳具有介於25微米至10公厘的厚度。在安裝於與電源供 應器相連接的電極1上之介電物質3中，提供了盥表面垂直 且行經介電物質3之放電間隙7。另_方面，安裝在接地的 電極2表面上之介電物質4並不具有放電間隙。亦即，具有 垂直穿孔的放電間隙之一介電物質係安裝在與電源供應器 6相連接之電極丨上，且不具有放電間隙之另一介電物質^ 安裝在接地的電極2上，隨後兩介電物質的定位方式係面對 彼此。 自電極1延伸且具有一特定寬度⑷與-特定高度⑻之 導體電極5係定位於各放電間隙7内，導體電極5具有可能為 第3A、3B或3C圖所示形式之梢部8、8，或8”。當從電源供 應器6施加一電場時，導體電極5在梢部8、8，或8，，上累積電 荷以利於所累積電荷的放電。此外，梢部8、8,或8”的功能 在於控制各放電間隙7的寬度（a)及高度（b)。 如第3A、3B、3C®!所示，形成於導體電極5上之梢部 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公楚）

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1244879 五、發明説明（8 ) 合放電間隙7的一寬度⑷及一高度⑻之導體電極5,導體電 極5亦設有呈現第3圖所示形狀之梢部。 雖然管狀電極1，接地，核心電極2，係連接至一電源供 應器6。 但在此管狀結構中，可對於電極i，與2,及介電物質3, 與4的配置、形狀及型態作出各種修改。 為了產生電漿，利用50Hz至 1〇GHz頻率帶寬的一交流 電或一脈衝直流電經由電源供應器6以丨至1〇〇仟伏特/公分 的強度將一電場施加至第一及第二實施例的裝置。出現此 電場時，在放電間隙的梢部與相反電極之間進行放電以產 生電漿。 利用本發明之裝置，可穩定地產生大面積的均質性電 漿。 、 ,本务月的裝置所產生之電漿係施加至多數不同的材 料，其譬如為金屬、橡膠、纖維、紙及譬如塑膠、耐綸、 環氧樹脂等合成樹脂，以將材料的表面性質改變成適用於 結合、拋光、薄膜沉積、染著、列印等之性質。 並且，可直接施加電漿以移除毒性並淨化受污染的空 氣。此外，使用電漿製造臭氧，藉此用以殺菌及消毒自來 水、淨化廢水、淨化譬如S〇x及ΝΟχ等汽車排氣、及用於汽 車引擎中燃料的完全燃燒。甚且，可採用電漿來製造可應 用於包括半導體元件製造等各種表面處理程序之光化學性 反應之極亮燈具。 譬如’在與介電物質附接的電極之間以單獨或合併方 本紙張尺度適用中國國家標準（CNs) Α4規格（210X297公爱）

訂丨 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1244879 A7 __________£7____ •五、發明説明（9 ) 式饋送諸如空氣、水蒸氣、氧、氮、氫、氬、氦、曱烧、 氨、四氟化碳、乙炔、丙烷等反應氣體，隨後，將一高電 場施加經過電源供應器以產生電漿，此電漿可有效地用於 結合、拋光、清潔、薄膜沉積、殺菌、消毒、製備臭氧、 染著、列印、蝕刻、淨化水、淨化空氣及汽車排氣、完全 燃燒汽車引擎中的燃料、製造高亮度燈等。 實驗性範例 實驗性範例係採用與第二實施例相同的電漿產生裝 置，其具有一板結構，且在板結構中配置有面對彼此之兩 個電極板1及2，並在電極板1及2的各個面對表面上設置一 介電物質。在一個介電物質3及4中，形成各有2〇〇微米寬度 及2公厘高度之複數個放電間隙7。對於導體電極5，提供如 第3a圖所示形狀各有2公厘寬度（&)及15公厘高度（b)之梢 部8。在彼此相距7公厘的兩電極1與5之間導入氦氣，將一 50KHz的直流電雙極性脈衝電源施加過電極以在大氣壓下 放電。 結果，使用約1仟伏特來引發具有約〇·7仟伏特維持電 壓的放電’在這些條件下，穩定地產生高密度的電漿而不 產生電弧。 在大氣壓下，對於氦氣測出約3.7仟伏特/公分之一放 電引發電壓。若電極的間距為7公厘，需要以約26仟伏特 作為一放電引發電位。 如前文所述，本發明用於產生低溫電漿之裝置係享有 以下優點： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公菱） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

•、可I 參· 12 1244879 A7 ____________B7 五、發明説明（10 ) ^ --- 首先用於在大氣壓下產生電漿且適於引發中空吟 放電、毛細放電或古g ° 兒次回累積電場之裝置將可防止電漿轉變 甩弧/因而提供了高密度且穩定的低溫電襞。 然後，除了低耗電及低製造成本之外，此裝置可以極 低電壓來引發及維持放電，並利用一寬廣的頻率帶寬。 最後此衣置可在一大面積上產生高密度的均質性電 裝，此電漿適於形成具有多種下列應用領域之高能的自由 基·包括結合、拋光、清潔、薄膜沉積、殺菌、消毒、製 備臭氧、染著、列印、㈣、淨化自來水及廢水、淨化空 氣及汽車排氣、完全燃燒燃料、製造高亮度燈等。這些情 形中，此電漿可具有優良的結果並大幅縮短處理時間。 已由不fe性方式描述本發明，請暸解所使用的術語僅 供描述而不具限制性，本發明可由上文描述得知具有多種 修改及變化，因此可瞭解：在申請專利範圍之範疇内，可 以上述以外的其他方式來實行本發明。 13 本紙張尺度適用中國國家標準（™s) A4規格（210X297公釐） 1244879 A7 B7 發明説明（11 ) 元件標號對照 1…電極 6…電源供應器 Γ…管狀電極 7…放電間隙 2…電極 7’…放電間隙 2 ’…圓柱形核心電極 8…梢部 3…介電物質 8’…梢部 3’…介電物質 8”…梢部 4···介電物質 9…梢部 4’…介電物質 a…寬度 5···導體電極 b…高度 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ· 參- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 14

Claims (1)

1244879 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 i 一種用於在大氣壓下產生低溫電漿的裝置，其包含： 一對的電極，其以一距離面對彼此，其中一者連接 至一電源供應器，另一者接地； 一對的介電物質，其具有25微米至1〇公厘的厚度且 位於該等電極的面對表面上面對彼此，其中一者中具有 至少一個放電間隙；及 一導體電極，其具有位於該放電間隙内的至少一個 梢部， 其中利用50Hz至10GHz頻率帶寬的一交流電或_ 脈衝直流電經由該電源供應器將丨至1〇〇仟伏特/公分強 度的一電場施加過該等電極，同時在該等電極之間饋送 一反應氣體，以產生該電漿。 2·如申請專利範圍第1.項之裝置，其中該放電間隙係具有5 微米至2公厘的寬度以及該寬度的5至25〇倍長之一高 度。 3·如申請專利範圍第：1項之裝置，其中該等電極為金屬製 成’且該梢部具有其寬度的⑺丨至汕倍長之一高度並且 在每10公厘的該電極長度呈現1至100個之密度。 4·如申請專利範圍第丨或2項之裝置，其中該等介電物質係 由選自包括下列各物之群組之一種絕緣材料製成：玻 璃、氧化鋁、氮化硼、碳化矽、氮化矽、石英及氧化鎂。 本紙張尺度適用中國國家標準（⑽） Α4規格（210X297公釐〉 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} .、一叮| t 15