JP-7855157-B2 - プラズマ処理装置とプラズマ処理方法

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Inventors

建石俊之

Assignees

カーボントレードネオ株式会社

Dates

Publication Date: 20260508
Application Date: 20240730

Claims (8)

一方の面側に誘電体層を有し、他方の面側に支持体層を有する平板状の電極層２枚を、間に空間層を挟んで、前記誘電体層が互いに対向するように配置した構造を有するプラズマ生成部と、前記２枚の電極層の間に交流電圧を印加する電源部と、前記空間層に気体を流すことができる気体流動部と、を有するプラズマ処理装置であって、前記電極層と前記支持体層とを厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を有し、前記プラズマ生成部で生成したプラズマによって、前記空間層を通過する気体をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理装置。
前記貫通孔内において、前記電極層の断面部が、外部に露出していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記電極層の平面上における、複数の前記貫通孔の周囲長の合計が、貫通孔のない状態の前記電極層が占める面積１ｃｍ２当たり０．５ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記空間層を通過する気体だけでなく、前記支持体層の外側の空間に気体を流して、当該外側の空間を通過する気体もプラズマ処理することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ生成部が平面状または曲面状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記気体が二酸化炭素を含有し、二酸化炭素をプラズマ処理して、一酸化炭素を生成させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置を用いて、前記空間層を通過する気体をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記気体が二酸化炭素を含有し、二酸化炭素をプラズマ処理して、一酸化炭素を生成させることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理方法。

Description

本発明は、プラズマ処理装置とプラズマ処理方法に関する。特に、気体を連続的にプラズマ処理することができるプラズマ処理装置とその方法に関する。近年、プラズマ処理技術に関しては、誘電体バリア放電（ＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢａｒｒｉｅｒＤｉｓｃｈａｒｇｅ、ＤＢＤ）という手法が開発されて、大気圧下で低温度のプラズマを発生させることが可能となった。その結果、プラズマ処理の適用分野が広がり、多様な用途で利用が進みつつある。プラズマ処理の目的としては、殺菌、消臭、表面改質、化学物質の分解などが挙げられる。空気を流動させつつ連続的にプラズマ処理するために、種々のプラズマ処理装置が開発されている。例えば、特許文献１には、平板状の第１電極と第２電極とが間隙を隔てて対向するように設けられたプラズマ生成部が２以上積層配置されたプラズマ発生装置が開示されている。また、特許文献２には、放電電極の少なくとも一部が誘電体で覆われた電極部材を厚さ方向に並べて配置した構造を有し、隣接する前記電極部材間の隙間にプラズマを発生させる構造を有するプラズマ発生器と、電圧を印加する電源と、前記隙間に空気を流すとともに発生したオゾンを空気とともに放出する送風手段とを備えた空気清浄器が開示されている。特開２０２２－１９０４７２号公報特開２０１８－１３０２０８号公報本実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ生成部の模式的斜視図である。図２は、図１のプラズマ生成部のＡ－Ａ断面の模式的断面図である。図３は、図１のプラズマ生成部のＢ－Ｂ断面の模式的断面図である。本実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ生成部の貫通孔を示す模式的平面図である。図４（ａ）は気体の流れ方向の長さが、気体の流れ方向と直角方向の長さよりも長い長楕円形が平行に多数並んだパターンのものである。図４（ｂ）は円形が縦横に規則正しく多数並んだパターンのものである。図４（ｃ）は気体の流れ方向の長さが、気体の流れ方向と直角方向の長さよりも短い長方形が平行に多数並んだパターンのものである。図４（ｄ）は正方形が縦横に規則正しく多数並んだパターンのものである。以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明の実施形態は、以下に記載された具体的な各実施形態に限られる訳ではない。各実施形態は適宜組み合わせて適用することができる。また、説明における「上下」、「左右」等の方向を示す文言は説明の便宜上用いるものであって、本発明の方向を限定するものではない。本実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ生成部は、一方の面側に誘電体層を有し、他方の面側に支持体層を有する平板状の電極層２枚が、間に空間層を挟んで、前記誘電体層が互いに対向するように配置された構造を有している。また、本実施形態のプラズマ処理装置は、前記空間層にプラズマを発生させるために、互いに対向する２枚の前記電極層の間に交流電圧を印加する電源部を有している。また、本実施形態のプラズマ処理装置は、気体をプラズマで処理するために、前記空間層に気体を流すことができる気体流動部を有している。誘電体バリア放電は、両電極の一方だけに誘電体層を設置した片バリア放電方式と、両電極の両方に誘電体層を設置した両バリア放電方式とに分類することができる。本実施形態のプラズマ処理装置は、両バリア放電方式によるプラズマ処理装置である。すなわち、本実施形態のプラズマ処理装置は、２枚の電極層のそれぞれにおいて、２枚の電極層の間に存在する空間層側の片面に誘電体層を設けた構造を有している。そして、本実施形態のプラズマ処理装置は、当該２つの誘電体層で挟まれた空間層にプラズマを発生させる。本実施形態のプラズマ処理装置は、２枚の電極層の間にそれぞれ誘電体層を有するため、電極層間に発生するプラズマの局部的な集中を抑制して、電極層間の空間層におけるプラズマの発生の均一化を図ることができる。また、電極層間の空間に局所的に発生するおそれのある温度の上昇も低減させて、低温プラズマを安定して発生させることができる。また、電極層間の空間層に存在するプラズマ中の電子、イオン、ラジカル等が中性粒子と衝突を起こすと、中性粒子は一旦励起される。そして、励起された中性粒子は基底状態に戻るときに光を放射することがある。そのため、本実施形態のプラズマ処理装置からは紫色の可視光や紫外線の発光が観察されることがある。図１は、本実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ生成部１０の模式的斜視図である。また、図２は、図１のプラズマ生成部のＡ－Ａ断面の模式的断面図である。また、図３は、図１のプラズマ生成部のＢ－Ｂ断面の模式的断面図である。図３は、図１のプラズマ生成部のＢ－Ｂ断面であり、後記する貫通孔６が存在していない箇所の模式的断面図である。一方、図２は、図１のプラズマ生成部のＡ－Ａ断面であり、後記する貫通孔６が存在している箇所の模式的断面図である。空間層５は、プラズマ生成部１０の気体の入口から気体の出口に向かってスリット状に連通した空間である。図１では、矢印で示されているように、右上の紙面の奥が気体の入り口であり、左下の紙面の手前が気体の出口である。上下に存在する２枚の電極層１１間に交流電圧を印加することによって、空間層５内にプラズマを発生させることができる（図３参照）。空間層５の一方の入口から空間層５内に気体を流すことによって、気体は空間層５内でプラズマ処理され、空間層５の他方の出口から排出される。図１～図３において、空間層５には、気体の流路に沿って、流路の両側にスペーサー４が設置されている。すなわち、空間層５は、上下を誘電体層２によって仕切られ、左右をスペーサー４によって仕切られた断面形状を有している。スペーサー４は、空間層５を所定の高さで維持できるように、空間層５の形態を保持する役割を担っている。スペーサー４の高さを変えることによって、空間層５の高さを調整することができる。空間層５の高さは、特に限定されないが、プラズマ処理の効率を高めるという観点から、０．５～２０ｍｍが好ましく、１～１０ｍｍがより好ましい。図１～図３において、電極層１１は、その周囲の端面（外縁部）が絶縁性部材１によって封止されていることが好ましい。すなわち、絶縁性部材１は、交流電圧が印加されて高温や活性物質にさらされる電極層１１を外界から遮断して、劣化することのないように保護する役割を果たしている。また、絶縁性部材１は、交流電圧が印加される２枚の電極層１１が周囲の端面や部材の表面を経由して短絡することを抑止している。図１、図２には、隣り合う電極層１１と支持体層３とを厚さ方向に貫通する複数の貫通孔６が開示されている。図１では、気体の流れ方向の長さが、気体の流れ方向と直角方向の長さよりも長い長楕円形の貫通孔６が平行に４本並んだパターンの貫通孔６が開示されている。ここで、貫通孔６は、積層された電極層１１と支持体層３とを厚さ方向に貫通しているが、誘電体層２は貫通していない（図２参照）。そのため、貫通孔６内では、誘電体層２の空間層５とは反対側の表面７が外部に露出している。また、貫通孔６内では、電極層１１の断面部８が外部に露出している。同様に、支持体層３の断面部９が外部に露出している。一方、プラズマ処理対象の気体は、貫通孔６が形成されず凹凸のない互いに対向する２枚の誘電体層２で挟まれた空間層５を流れることになる。本発明者は、図１にあるような、電極層１１と支持体層３とを厚さ方向に貫通する貫通孔６を複数個形成したプラズマ生成部１０を試作し、その性能を測定したところ、空間層５にプラズマが発生し易くなり、気体を効率よくプラズマ処理することが可能となることを見出した。電極層１１に貫通孔６が形成されていると、貫通孔６内の電極層１１の断面部８付近には鋭角のエッジ部が存在することとなり、空間層５にプラズマが発生し易くなるためと推定している。また、電極層１１と支持体層３とを貫通する複数の貫通孔６が存在すると、貫通孔６内では、誘電体層２の裏側の表面７と電極層１１の断面部８が外部に露出している。そのため、誘電体層２の裏側の表面７と電極層１１の断面部８を通じて、プラズマ生成部１０で生成したプラズマの一部が外部へ漏れ出る現象が生じることとなる。その結果、プラズマ生成部１０で生成したプラズマの一部が、プラズマ生成部１０の上側の支持体層３の上方の空間とプラズマ生成部１０の下側の支持体層３の下方の空間に拡がり、当該プラズマ生成部１０の外側の空間に存在する気体をプラズマ処理することが可能となる。そのため、気体流動部として、空間層５だけでなく、支持体層３の外側の空間にも気体を流すことができる構成のものを用いれば、空間層５を通過する気体だけでなく、当該外側の空間を通過する気体もプラズマ処理することが可能となる（不図示）。貫通孔６の数が多く、貫通孔６の面積が広いと、貫通孔６内の電極層１１の断面部８の量が増えて、プラズマの発生量が増えることとなり、好ましい。また、貫通孔６の形状やパターンは特に限定される訳ではないが、電極層１１の全面に同じパターンで均一に形成されていると、プラズマの生成量も局在化せず、電極層１１の全体で均一化されることとなり、好ましい。図４は、プラズマ生成部１０の模式的平面図であり、貫通孔６の平面形状について、いくつかの代表的な具体例が示されている。貫通孔６の平面形状は、プラズマ生成部１０上に形成された誘電体層２の外部に露出している裏側の表面７の形状を示すものであり、また貫通孔６内の電極層１１の露出している断面部の形状を示すものである。図４（ａ）は、気体の流れ方向の長さが、気体の流れ方向と直角方向の長さよりも長い長楕円形が平行に多数並んだパターンのものである。図４（ｂ）は、円形が縦横に規則正しく多数並んだパターンのものである。図４（ｃ）は、気体の流れ方向の長さが、気体の流れ方向と直角方向の長さよりも短い長方形が平行に多数並んだパターンのものである。図４（ｄ）は正方形が縦横に規則正しく多数並んだパターンのものである。貫通孔６の数が多く、貫通孔６の面積が広いと、貫通孔６内の電極層１１の断面部８の長さが増えて、プラズマの発生量が増えることとなり、好ましい。そこで、貫通孔６の数や形状を異にする種々の種類のプラズマ生成部１０を試作して、プラズマ処理の性能との関係を評価した。その結果、電極層１１の平面上における単位面積当たりの貫通孔６の周囲長さの合計（平均値）を測定したところ、貫通孔６がない状態の電極層１１が占める面積１ｃｍ２当たり貫通孔の周囲長の合計が０．５ｃｍ以上であることが好ましいことが判明した。貫通孔の周囲長の合計は、１ｃｍ以上がより好ましく、２ｃｍ以上がさらに好ましく、３ｃｍ以上が最も好ましい。さらに、電極層１１の平面上における、貫通孔６が占める面積の合計（平均値）が、貫通孔６がない状態の電極層１１が占める面積に対して、２０％以上であることが好ましいことが判明した。貫通孔６が占める面積の合計は、３０％以上がより好ましく、４０％以上がさらに好ましい。貫通孔６の数、平面形状については特に制約がある訳ではない。どれだけの数、どのような形状にするかは、プラズマ処理の目的、プラズマ処理の効果等に応じて適宜選択して実施することができる。また、プラズマ生成部１０の表側と裏側とで貫通孔６の平面形状のパターンを同一のものにすることも、異なったものにすることもできる。また、プラズマ生成部１０において、貫通孔６を形成する面を上側（表側）と下側（裏側）の両方の面にすることも、片方の面のみにすることもできる。空間層５の断面積を増大させて、単位時間あたりのプラズマ処理量を増大させたいときには、図１～図３に記載されたプラズマ生成部１０を厚さ方向に複数個積層させることができる。積層する個数に制限がある訳ではない。プラズマ生成部１０を厚さ方向に複数個積層する際に、隣り合うプラズマ生