大気圧プラズマ装置とは
大気圧プラズマ装置とは、プラズマ放電を利用して有機物や酸化物などを除去する装置です。
プラズマ発生用の反応ガスと電源のみで構成されており、減圧槽を必要としない点が特徴です。高分子材料の表面の有機膜や金属表面の酸化物を除去できるため、工業用途だけでなく学術研究などでも広く利用されています。また、小型の装置も開発されており、様々な分野で利用されています。
具体的には、医療器具の滅菌や食品加工工場での除菌、半導体製造工程での表面処理などに使われています。さらに、環境問題にも取り組んでおり、大気圧プラズマ装置を使って排ガスや廃水の浄化技術の開発が進んでいます。
大気圧プラズマ装置の使用用途
大気圧プラズマ装置は、樹脂やフィルム、高分子材料の表面を改質することが可能です。高速かつ表面に損傷を与えずに表面改質を行うことが可能です。
半導体、電子部品、プラスチック、ガラス製品などの製造に広く使用されています。具体的には、プラズマとの反応を利用した表面クリーニングや高分子表面の組成変化により、親水性の向上が期待できます。
また、ポリエチレンやポリプロピレンなどの素材でも、接着剤 (ウレタン系やエポキシ系) との接着強度を高めることが可能です。このため、自動車部品や医療機器など、接着剤の強度が求められる製品にも大気圧プラズマ装置が活用されています。
大気圧プラズマ装置の原理
大気圧プラズマ装置は、高周波パルス電源を用いてプラズマ放電を発生させ、そのプラズマ中に存在する電子やイオンなどの活性種により表面改質やクリーニングを行います。
プラズマは物質の第4の状態で、エネルギーの高い状態であり、プラズマ中では電子が原子から飛び出す電離現象が起こるため電子と残されたイオンが混在していますが、全体としては電荷分布は中性に保たれています。
大気圧プラズマ装置ではプラズマ中に存在する活性種が表面に対して化学反応を起こし、表面改質やクリーニングを行うことが可能です。例えば酸素プラズマを発生させた場合は、樹脂を構成する炭素原子と結合し、CO2として表面から脱離します。この化学反応を利用することで樹脂やフィルム、高分子材料の表面をクリーニングや改質することが可能です。
また、大気圧プラズマ装置は半導体や電子部品、プラスチック、ガラス製品の製造にも利用されます。プラズマとの反応を利用した表面クリーニングや高分子表面の組成変化により、親水性の向上や接着強度の増強などの効果が期待されます。大気圧プラズマ装置は、高温状態である熱プラズマと比較して比較的低温でプラズマを発生させることができる低温プラズマであり、高周波パルス電源を用いることでプラズマを発生させることが可能です。
大気圧プラズマ装置の種類
大気圧プラズマ装置には主にコロナ放電プラズマ装置、マイクロ波プラズマ装置、ドバプラズマ装置の3種類が存在します。
1. 誘電体バリア放電（DBD）プラズマ装置
誘電体バリア放電（DBD）プラズマ装置は、大気圧下で安定した低温プラズマを生成する装置です。電極の一方または両方に誘電体を設け、高電圧を印加することで微小な放電を多数発生させ、均一なプラズマ処理が可能となります。真空装置が不要で、樹脂やフィルムなど熱に弱い材料の表面改質、殺菌、洗浄などに広く利用されます。
2. マイクロ波プラズマ装置
マイクロ波プラズマ装置は、マイクロ波を利用してプラズマを発生させる装置です。反応ガスを流し込んで高周波電界をかけることで、マイクロ波が反応ガスに吸収され、プラズマが発生します。高温のプラズマを生成でき、金属やセラミックスなどの高分解能の表面改質や薄膜形成に利用されます。
3. ドバプラズマ装置
ドバプラズマ装置は、電極となる針とプレートを水平に配置した装置です。プレートには小さな穴が開いており、そこから反応ガスが流れ込みます。針とプレートの間に高電圧をかけることで、針先にコロナ放電が発生し、プラズマが生成されます。低温のプラズマを生成でき、細胞や生体組織の治療への応用が可能です。
参考文献
https://www.aqa-kyoto-plasma.com/blank
https://www.fuji.co.jp/about/plasma/
https://www.technoalpha.co.jp/products/board/diener/plasmabeam.html
