(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧プラズマ発生装置において、
長手方向を有する柱状のプラズマ化領域を形成する絶縁体から成る筐体部と、
前記筐体部に内包される前記プラズマ化領域に、長手方向に離間して配設された１対の電極と、
前記プラズマ化領域の長手方向とは垂直な方向からプラズマ発生用ガスを前記プラズマ化領域に導入するガス導入部と、
前記プラズマ化領域に接続され、そのプラズマ化領域で生成された前記プラズマを排出し、前記プラズマ化領域の長手方向に沿って配列され、前記プラズマ発生ガスの流れる方向に長く伸びた多数の孔から成る排出部と
を有することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記ガス導入部は、前記プラズマ発生ガスを前記プラズマ化領域に対して、長手方向に一様に供給し、長手方向に対して垂直な方向に案内する格子状に配列された多数の孔と、その孔の壁面である案内部とから成る拡散部を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記排出部における前記孔の長さは、前記プラズマを照射する対象物に対して、放電が形成されない長さであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記排出部の前記孔の先端部の直径は、０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記排出部の前記孔の長さは、前記一対の電極の間の距離の１／２以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記排出部の孔は、前記長手方向の垂直方向に対して、傾斜している傾斜部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記１対の電極が、１ｃｍ以上５０ｃｍ以下の距離で離間して配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記１対の電極の少なくとも一方には、他方と対向する表面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記柱状のプラズマ化領域の長手方向の長さＬｃｍと、長手方向に垂直な断面積σｍｍ2の関係は、２≦Ｌσ≦２００且つ３≦σ≦２５であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記排出部の孔のガス流に垂直な断面は、円、楕円、配列方向に垂直な方向に長辺を有する長方形又はスリット状であることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生装置に関する。特に、いわゆる大気圧プラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、特許文献１及び２に記載された大気圧プラズマ発生装置を出願している。向かい合う電極面にマイクロサイズの凹凸形状を施すことで、ホローカソード放電を生じさせてプラズマを発生させるものである。当該プラズマ発生領域（プラズマ化領域）を通過するようにプラズマ発生用ガスを導入すれば、少なくともその一部がプラズマ化したガスを噴出させることができる。これにより、単相の商用１００Ｖ電源から昇圧機で数ｋＶ程度の高周波を発生させて、簡便に高密度な大気圧プラズマを発生させることができる。
【特許文献１】特開２００６−１９６２１０
【特許文献２】特開２００６−２７２０３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１及び２の技術では、電極間隔を広くすると放電が不安定となり、逆に間隔を１ｃｍ以上とした場合は放電維持が不可能となる。そこで特許文献１及び２においては、例えば長手方向を有する領域をプラズマ化領域とする場合、当該長手方向の長さの電極を用いていた。しかし、そのような長い電極を互いに向き合わせた場合、プラズマ化の均一化に問題があった。このために例えば液晶パネル等の表面の一部のような、比較的幅の広い領域へのプラズマ処理に十分には有効利用できない。或いは、プラズマ発生領域の体積自体を大きくすることも困難である。このため、高密度な大気圧プラズマを発生しうるものでありながら、その有効利用範囲が限定されたものとなっていた。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、プラズマ発生領域の体積を大きくしたプラズマ発生装置である。また、追加的には、そのような大気圧プラズマ発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、大気圧プラズマ発生装置において、長手方向を有する柱状のプラズマ化領域を形成する絶縁体から成る筐体部と、筐体部に内包されるプラズマ化領域に、長手方向に離間して配設された１対の電極と、プラズマ化領域の長手方向とは垂直な方向からプラズマ発生用ガスを前記プラズマ化領域に導入するガス導入部と、プラズマ化領域に接続され、そのプラズマ化領域で生成されたプラズマを排出し、プラズマ化領域の長手方向に沿って配列され、プラズマ発生ガスの流れる方向に長く伸びた多数の孔から成る排出部とを有することを特徴とするプラズマ発生装置である。
【０００６】
本発明は、大気圧において、線状にプラズマを発生させ、対象物に線状にプラズマを照射する装置である。排出部の孔は、長手方向に沿って一列であっても、多数列であっても良い。また、孔の直径は、プラズマ化領域に隣接する根元部と、先端とで異なっていても良い。先端の直径は、根元部の直径よりも小さくとも良い。また、逆に、先端の直径は、根元部の直径よりも大きくとも良い。この孔の直径はテーパ状に変化しても、段階的に変化しても良い。孔の先端を、対象物から離して使用する場合には、排出部の孔の長さを短くしても、対象物との間には、放電が形成されない。この場合には、処理効果が減少するが、ガス流量を増加させることで、孔の先端が対象物から離れていても十分な処理効果を得ることができる。
第２の発明は、第１の発明において、ガス導入部は、プラズマ発生ガスをプラズマ化領域に対して、長手方向に一様に供給し、長手方向に対して垂直な方向に案内する格子状に配列された多数の孔と、その孔の壁面である案内部とから成る拡散部を有することを特徴とする。これにより、プラズマ化領域の長手方向に沿って、一様にプラズマ発生ガスを供給することができる。この案内部は、格子状に形成されていても、多数の孔の壁面で構成されていても良い。
第３の発明は、第１又は第２の発明において、排出部における孔の長さは、プラズマを照射する対象物に対して、放電が形成されない長さであることを特徴とする。これにより、対象物に損傷を与えることがない。孔の長さは、ラジカルの死活を考えると、放電が形成されない長さのうちで、最も短い長さが最も良い。
【０００７】
第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、排出部の孔の先端部の直径を、０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下としたことを特徴とする。これにより、プラズマ粒子のうちでラジカルのみを対象物に照射することができる。すなわち、電子は、孔の壁面に吸収される。
【０００８】
第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、排出部の孔の長さは、一対の電極の間の距離の１／２以上としたことを特徴とする。この場合には、対象物に対して放電が発生することが防止される。
第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、排出部の孔は、長手方向の垂直方向に対して、傾斜している傾斜部を有することを特徴とする。この場合には、電子を孔の傾斜部壁面で効率良く吸収することができ、より純度の高いラジカルを対象物に照射することができる。また、紫外線、真空紫外線、可視光線などが対象物に照射されることが防止される。また、傾斜部の壁面で、プラズマ化領域で発光した紫外線が遮られるので、孔の先端から紫外線が対象物に照射されることが防止される。これにより、対象物が紫外線などのプラズマ化領域から発光した光から受ける損傷を防止することができる。
第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、１対の電極は、１ｃｍ以上５０ｃｍ以下の距離で離間して配置されていることを特徴とする。
第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、１対の電極の少なくとも一方には、他方と対向する表面に凹凸が形成されていることを特徴とする。
第９の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、柱状のプラズマ化領域の長手方向の長さＬｃｍと、長手方向に垂直な断面積σｍｍ2の関係は、２≦Ｌσ≦２００且つ３≦σ≦２５であることを特徴とする。この範囲の時に、効果的にプラズマを発生させることができる。より望ましくは、２≦Ｌσ≦１００且つ３≦σ≦２５である。
第１０の発明は、排出部の孔のガス流に垂直な断面は、円、楕円、配列方向に垂直な方向に長辺を有する長方形又はスリット状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
絶縁体から成る筐体に囲まれた、或いは挟まれた空間に大気圧プラズマが形成される。この絶縁体に囲まれた、或いは挟まれた柱状の空間でプラズマの長尺化が図られている。ここで絶縁体の役割は、その内面が帯電することで、長手方向を有する体積の大きなプラズマ化領域全体のプラズマ化を安定させるものであると考えられる。
【００１０】
プラズマ発生ガスは、ガス導入部から、プラズマ化領域の長手方向に垂直な方向に供給されて、排出部の有する多数の孔から排出される。これにより、長手方向に沿って一様な密度のラジカルが孔の先端から対象物に対して線状に照射される。特許文献１及び２に記載された凹凸面を有する電極を用いたホローカソード放電を利用すると、容易に大気圧プラズマを生成できる。排出部の孔の長さが、排出部の孔の長さは、一対の電極の間の距離の１／２以上の場合には、プラズマを照射する対象物に対して放電が発生することが防止される。孔の長さは、一対の電極の間の距離の１／２が、最も望ましい。これよりも長いと、プラズマ化領域からラジカルが対象物に到達するまでの距離が長くなるため、ラジカルが死活されるので、望ましくない。電極間距離が４０ｍｍの時に、この孔の長さは、２０ｍｍである時、最適であることが分かった。本発明の柱状のプラズマ化領域の長手方向の長さＬ（ｃｍ）は１以上５０以下であり、長手方向に垂直な断面積σ（ｍｍ2）は３以上２５以下である。柱状のプラズマ化領域は、断面積σが小さいほど長さＬを長くできる。また、筐体部が実質的に筒状である方が、長さＬを長くできる。Ｌとσの関係は２≦Ｌσ≦２００であればプラズマを安定して生成できることが実験で確かめられた。また、より効果的にプラズマを良好に発生させ得る範囲は、２≦Ｌσ≦１００且つ３≦σ≦２５である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
筐体は、内部で発生するプラズマに対して耐性の強い材料を用いることが必要であり、例えば焼結窒化ホウ素（ＰＢＮ）のようなセラミックスが好ましい。電極の材料としては、ステンレス、モリブデン、タンタル、ニッケル、銅、タングステン、白金、又は、これらの合金などを使用することができる。ホローカソード放電を生じせしめる凹部を形成する面は、１〜３０ｍｍ程度の厚さとするのが望ましい。厚くすることで、凹部を多段に形成することができ、ガスの流速を向上させてプラズマの生成密度を向上させることができる。ホローカソード放電を生じせしめる凹部は、例えば深さを０．５ｍｍ程度とすると良い。凹部はドット状に不連続に形成されても、溝状に連続して形成されても良いが、連続していた方が望ましい。凹部の形状は、円柱面状、半球面状、角柱面状、角錐状、その他任意に形成できる。
【００１２】
プラズマを発生させるためのガスは、大気圧で、空気、酸素、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒその他の希ガス、窒素、水素などを用いることができる。空気や酸素を用いることにより、活性な酸素ラジカルが得られ、有機汚染物質の効果的な除去が可能となる。また、空気を用いれば経済的である。たとえば、希ガスであるＡｒを用いた場合には、Ａｒプラズマが処理対象に照射される時、周囲の酸素分子がＡｒプラズマにより酸素ラジカルになる。この酸素ラジカルにより、処理対象物表面の有機汚染物質を効果的に除去することができる。また、ガスとしてＡｒガス以外に使用しないので、経済的でもある。以上の理由から、空気とＡｒとの混合ガスを用いても良い。ガスの流速、供給量、或いは真空度は任意に設定できる。また、本発明は高周波によりプラズマを発生させるものではなく、電極に接続する電源は、直流、交流、パルス、その他任意であって、周波数に制限はない。
【００１３】
また、排出部の有する多数の孔の出口から対象物にプラズマガスを噴射する場合の距離は、ガスの流速とも関係するが、例えば２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲が望ましい。さらに望ましくは、３ｍｍ〜１２ｍｍであり、最も望ましくは、４ｍｍ〜８ｍｍである。酸素ラジカルを発生させる場合、処理対象の表面において酸素ラジカルの密度が最も高く、電子密度が最も低くなるような距離に設定するのが良い。これにより、処理対象のチャージアップ損傷を防止でき、最も、効率の良い洗浄が可能となる。さらに、処理対象に対して斜め方向からプラズマを照射しても良い。斜め方向からプラズマを照射することで、例えば偏光フィルムや液晶封止剤にプラズマが照射されて製品に対する悪影響を防止することができる。また、プラズマを照射したくない部分には、プラズマを含まない空気などのガスを吹き付けて、プラズマが拡散しないようにすることができる。
【００１４】
また、電極の酸化防止には、窒素やＡｒ、又は、還元作用のある水素を含むガスを用いて酸素濃度を低くすると良い。また、複数種類のプラズマを発生させることで、有機汚染物質のみ除去し、他の領域には反応しないようにすることも可能である。また、処理対象へのプラズマの照射部分から反応後のガスを吸引しておくのが望ましい。これにより有機汚染物質と反応した分子が他の領域に付着することが防止される。さらに、プラズマの温度と密度をレーザ光の吸収分光分析などを用いて測定し、所定の温度と密度になるように、印加電圧の大きさ、パルス印加であれば、デューティ比、照射時間、ガス流速などをフィードバック制御することが望ましい。
【００１５】
これにより、品質の高い洗浄と洗浄時間の短縮を実現することができる。また、複数個の孔の出口を直線状に配置して形成したとして、孔の直径と長さを適正に設定することにより、必要な部分にのみプラズマを照射することが可能となる。また、ガスを冷却しておいて、本装置に供給してプラズマ化するのが望ましい。これにより、プラズマの温度が必要以上に上昇することが防止され、例えば液晶表示装置等に対する影響、たとえば、偏光フィルムへの損傷を防止することが可能となる。本発明は、非常に小型にすることができる。よって、これらのプラズマを吹き出す排出部の孔を複数設けて、基板において異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）の貼付部分にのみプラズマを高密度で照射することが可能となると共に、液晶表示器組付装置の空いている狭い空間であっても、有効に本洗浄装置を有効に取り付けることが可能となる。また、排出部の孔は、プラズマ化領域の長手方向に直交する線に対して、その線を中心とする３６０度回の任意方向に、傾斜させるようにしても良い。このようにすると、プラズマの吹き出し方向を変化させることができる。
以上の全ての発明において、大気圧が望ましいが、減圧でも、加圧でも良く、大気圧には、０．５〜２気圧程度も大気圧とする。排出部の孔の先端部の直径は、０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下とすると良い。この孔の直径が小さい程、ガスの流速が速くなり、ラジカルを消滅させることなく、対象物に照射できる確率が高くなるので、望ましい。この場合に、良好にラジカルを放射することができる。排出部の孔の長さは、一対の電極の間の距離の１／２以上とすることで、対象物に対する放電を有効に防止することができる。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の具体的な一実施例に係るプラズマ発生装置１００の構成を示す断面図である。図２は、図１のプラズマ発生装置１００のプラズマ化領域Ｐの長手方向に垂直な断面図（部分図）である。
【００１７】
図１のプラズマ発生装置１００は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を原料とする焼結体から成る筐体１０を有する。筐体１０の内部には、長手方向に直線状に伸びた（以下、この方向をｘ軸方向という）プラズマ化領域Ｐが設けられている。筐体１０は、直径８ｍｍの孔１５と、直径５ｍｍの２つの孔１３と、その孔１３の形成された拡散板１４と、案内部１６とを含むガス導入部１２を有している。孔１３は、ｘ軸方向に長辺を有する長方形状、スリット状であっても良い。ガスは、孔１５から導入されて拡散板１４によりｘ軸方向に２分されて、孔１３から、プラズマ化領域Ｐ領域の方に案内される。案内部１６は、プラズマ化領域Ｐのｘ軸方向に一様に、ｘ軸方向に垂直な方向（以下、この方向でガスが流れる向きをｙ軸方向という）にガスを流すための直径１．５ｍｍの多数の孔を有する。案内部１６は、多数の孔が格子状に配設されたものの壁面であり、多数の孔とこの壁面とで、拡散部１８が構成される。プラズマ化領域Ｐの下流側には、第１排出部２１と第２排出部２２とから成る排出部２０が形成されている。第１排出部２１は、ｙ軸方向に軸方向を有する孔２３が、ｘ軸方向に沿って多数配設されている。また、第２排出部２２は、ｙ軸方向に軸方向を有する孔２４がｘ軸方向に沿って多数配設されている。孔２３、２４の直径は、０．５ｍｍ、孔２３の長さは４ｍｍ、孔２４の長さは１６ｍｍである。孔２３、２４のｘ軸方向の間隔は２．５ｍｍで、それぞれ、１６個、設けられている。
【００１８】
プラズマ化領域Ｐは、ｘ軸方向に垂直な断面の短辺を２ｍｍ、長辺を５ｍｍの長方形とし、長辺をｙ軸方向とし、ｘ軸方向の長さを４ｃｍとした。電極２ａ及び２ｂは、図３に示す形状をしている。電極２ａ及び２ｂは図３に示す通り、互いに対向する面が深さ０．５ｍｍ程度の凹部（ホロー）Ｈを多数有した凹凸面となっている。電源は、６０Ｈｚ、１００Ｖの商用交流電源を用いている。電極２ａ及び２ｂの印加電圧は、この商用電源電圧を約９ｋＶに昇圧し、電極２ａ、２ｂ間の給電電流は、２０ｍＡとした。アルゴンをガス導入部１２から、ｘ軸方向に導入すると、電極２ａ及び２ｂ間を４ｃｍ迄離間しても、プラズマ化が確認された。
プラズマ発生装置１１０は、液晶表示器のガラス基板において、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）を貼付する部分を、ＡＣＦを貼付する前に洗浄することで、ＡＣＦの基板に対する接着度を向上させることができる。
また、電極２ａ及び２ｂ間を長さ４ｃｍとして、プラズマ化領域Ｐの断面を正方形として、一辺の長さを変化させたところ、５ｍｍ以下で安定して放電した。また、プラズマ化領域Ｐの断面の一辺の長さを５ｍｍとして、電極２ａ及び２ｂ間の長さを変化させたところ、距離４ｃｍ以下で安定して放電した。
【００１９】
次に、この装置を用いて、液晶表示器のガラス基板の表面を、アルゴンガスのプラズマにより親水処理を行った。処理を行う前の接触角は５０度であったが、処理後の接触角は７度であった。また、図１において、第２排出部２２を設けなかった装置の場合には、ガラス基板と孔２３の先端との間に放電が見られた。しかし、図１の本実施例の装置によると、このような放電は見られなかった。このことから、本装置においては、対象物に損傷を与えることなく、プラズマ処理を実行することができる。また、図１において、第２排出部２２を設けなかった装置と、第２排出部２２を設けた図１の装置についてについて、酸素をアルゴンガスと共にプラズマ発生ガスとして供給して、孔の先端から５ｍｍの位置での、酸素ラジカル濃度を測定した。酸素の混合比率は０％〜４％の範囲で変化させて、それぞれの場合において、真空紫外吸収分光法を用いて酸素ラジカル密度を測定した。第２排出部２２を設けても、酸素ラジカル密度は、３×１０14／cm3 〜７×１０14／cm3 が得られ、第２排出部２２を設けない装置では、３×１０14／cm3 〜２．４×１０15／cm3 であった。第２排出部２２を設けても、特に、親水処理の効果が劣化するものではない。また、プラズマ化領域Ｐでの電子密度は、酸素の混合比率が３％、ガス流量が３Ｌ／min の時、２×１０16／cm3 であった。
【実施例２】
【００２０】
次に、本実施例装置について、図４を参照して説明する。本実施例は、実施例１の第２排出部２２を、ｙ軸方向に対して傾斜した孔２６を有する傾斜排出部２７と、ｙ軸方向に沿った直線排出部２５とで構成した。他の構成は、実施例１と同一である。傾斜排出部２２は、ｙ軸に対して、１０度傾斜させた。傾斜範囲は３度〜３０度の範囲が望ましい。さらに望ましくは、５度〜２０度の範囲が良い。要は、孔２４の開口から、孔２３の開口が見通せない、一軸上にない状態とすることが良い。ｙ軸への射影の長さは、１２ｍｍ、直線排出部２５の長さは４ｍｍである。このような構成により、排出部２０において、確実に電子を孔の壁面に吸収して、ラジカルだけを孔２４の先端から放射することができる。この実施例２の装置では、プラズマを照射して親水処理を行った後の接触角は、９．５度と、実施例１の装置に比べて若干、大きくなったが、対象物に対する放電の防止を確実に行うことができた。また、傾斜排出部２７を設けることにより、孔２４の開口から、プラズマ化領域Ｐを見通すことができなくなる。このため、プラズマ化領域Ｐで発光した紫外線が、孔２６の壁面で遮られ、紫外線が、対象物に照射されなくなった。この結果、対象物が紫外線により損傷を受けることが防止された。
【００２１】
上記全実施例において、これらのプラズマ発生装置を軸方向に、又は、軸に平行に多数段もうけて、大面積の処理が可能となるようにしても良い。軸方向にｎ個設けると、上記の例では、４ｎｃｍの幅で、対象物を処理することができる。このとき、物は、軸に垂直な方向（ｘ軸、及びｙ軸に垂直な方向に）搬送することで、さらに、大面積の処理が可能となる。また、軸に平行に多数設けて、ｘ軸、及びｙ軸に垂直な方向に対象物を搬送した場合には、プラズマ照射処理を確実に行うことができる。また、孔２３、２４、２６のガス流に対して垂直な断面形状は、円形の他、長円、図１、４のｘ軸及びｙ軸に垂直な方向に長手方向を有する長方形、スリットなどであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、対象物体に対して直線状にプラズマを照射して、表面処理する装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の具体的な一実施例に係るプラズマ発生装置の構成を示す断面図。
【図２】同実施例装置の要部の断面図。
【図３】同実施例装置の電極の構造を示した断面図。
【図４】本発明の具体的な他の実施例に係るプラズマ発生装置の構成を示した断面図。
【符号の説明】
【００２４】
１００：プラズマ発生装置
１０：筐体
１２：ガス導入部
Ｐ：プラズマ化領域
１６：案内部
１８：拡散部
２３，２５，２６：孔
２０：排出部
２１：第１排出部
２２：第２排出部
２７：傾斜排出部
２５：直線排出部
【図１】
0005559292.tif 000002
【図２】
0005559292.tif 000003
【図３】
0005559292.tif 000004
【図４】
0005559292.tif 000005