(57)【要約】【課題】  大気圧でのグロー放電を可能とし得るよう、表面近傍において十分な量の二次電子が存在しなおかつそれら二次電子がごくわずかなエネルギーでもって放出され得るような構成を提供すること。【解決手段】  プラズマを形成するための装置であって、電界を形成してこの電界内にプラズマを形成し得るよう配置された一対の電極（１，２）の間に位置した放電空間（７）を具備してなり、一方の電極（１）が、放電空間に対しての境界面（６）を有している場合に、境界面（６）が、互いに交互的に配置された導電性領域（４）と絶縁性領域（５）とから構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを形成するための装置であって、
電界を形成してこの電界内にプラズマを形成し得るよう配置された少なくとも一対の電極の間に位置した放電空間を具備してなり、前記電極の少なくとも一方が、前記放電空間に対しての境界面を有している場合に、
前記境界面が、互いに交互的に配置された１つまたは複数の導電性領域と１つまたは複数の絶縁性領域とから構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記導電性領域と前記絶縁性領域とが、前記境界面上にわたって一様に分散配置されていることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の装置において、
前記導電性領域と、前記絶縁性領域と、前記境界面とが、それぞれ表面積を有し、
前記導電性領域の表面積と、前記絶縁性領域の表面積と、のいずれかが、前記境界面の表面積の１０分の１以下とされていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置において、
前記絶縁性領域が、誘電体材料から形成されていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、
前記誘電体材料が、１０−１０Ω−１ｃｍ−１ 以下という導電率を有していることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５記載の装置において、
前記誘電体材料が、１０−１２Ω−１ｃｍ−１ 以下という導電率を有していることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の装置において、
前記絶縁性領域が、誘電体層から形成され、
この誘電体層の表面が、前記境界面を形成していることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項７記載の装置において、
前記導電性領域が、前記誘電体層の前記表面に設置されていることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項８記載の装置において、
前記導電性領域と前記絶縁性領域とが、誘電体層上に金属コーティング膜をプラズマ中でスパッタリングすることによって形成され、その後、空気に対して曝されたものとされていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項７または８記載の装置において、
前記誘電体層が、少なくとも一方の電極上に存在している電流制限用誘電体層であることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項４〜１０のいずれか１項に記載の装置において、
前記誘電体材料が、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）と、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）と、例えばポリエチレンやポリプロピレンやポリアミドやポリウレタンやポリスチレンやポリカーボネートやポリシロキサンやポリアクリレートやポリメタクリレートといったようなポリオレフィンと、例えばＳｉＯ２ やＡｌ２Ｏ３やＺｒＯやＹ２Ｏ３やＣａＣＯ３ やＭｇＯといったようなセラミクスと、これらの組合せと、からなるグループの中から選択されたものとされていることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置において、
前記１つまたは複数の導電性領域が、金属から形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の装置において、
前記導電性領域が、金属層から形成され、
この金属層の表面が、前記境界面を形成していることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の装置において、
前記電極が、実質的に前記金属層から形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置において、
前記金属が、ニッケル（Ｎｉ）と、クロム（Ｃｒ）と、銅（Ｃｕ）と、鉄（Ｆｅ）と、金（Ａｕ）と、モリブデン（Ｍｂ）と、銀（Ａｇ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、チタン（Ｔｉ）と、コバルト（Ｃｏ）と、マグネシウム（Ｍｇ）と、白金（Ｐｔ）と、スズ（Ｓｎ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、これらの組合せと、からなるグループの中から選択されたものとされていることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置において、
前記導電性領域が、導電性粉末から形成され、
前記絶縁性領域が、絶縁性粉末から形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置において、
前記導電性領域が、閉塞した形状とされた１つまたは複数の導電性パッチから形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置において、
前記絶縁性領域が、閉塞した形状とされた１つまたは複数の絶縁性エリアから形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１７または１８記載の装置において、
前記パッチまたは前記エリアが、正方形と、円形と、スポット形状と、三角形と、多角形と、他の形状と、からなるグループの中から選択されたものとされていることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の装置において、
前記導電性領域と前記絶縁性領域とのうちの一方が、周期的な構造を形成するようにして配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項２０記載の装置において、
前記周期的な構造が、グリッドと、同心円と、ワイヤと、ラインパターンと、ストリップと、同様の構造と、からなるグループの中から選択されたものとされていることを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載された装置において使用するための電極であって、
前記電極が、前記装置の放電空間に対しての境界面として使用され得る表面を具備し、
この表面が、互いに交互的に配置された１つまたは複数の導電性領域と１つまたは複数の絶縁性領域とから構成されていることを特徴とする電極。
【請求項２３】
少なくとも一対の電極を備えてなるプラズマ放電空間内においてグロー放電プラズマを形成して維持するための方法であって、
前記放電空間内に、大気圧条件下で一種類のガスまたは混合ガスを供給し；
ＡＣ電源を使用して前記電極を励起することによって、電界を形成し、これにより、この電界内にプラズマを形成する；
という方法において、
前記電極の少なくとも一方を、前記放電空間に対しての境界面を有したものとし、
前記境界面を、互いに交互的に配置された１つまたは複数の導電性領域と１つまたは複数の絶縁性領域とから構成されたものとすることを特徴とする方法。
【請求項２４】
例えば写真フィルムの基材表面といったような、ボディの表面を処理するための方法であって、
請求項１〜２１のいずれか１項に記載された装置または請求項２３に記載された方法によって形成されたプラズマに対して、前記表面を露出させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には、プラズマ形成およびプラズマ処理に関するものであり、より詳細には、電界を形成してこの電界内にプラズマを形成し得るよう配置された少なくとも一対の電極の間の放電空間内にプラズマを形成するための装置および方法であって、少なくとも一方の電極が、放電空間に対しての境界面を有しているような、プラズマを形成するための装置および方法に関するものである。
【０００２】
本発明は、また、そのような構成において使用される電極に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
プラズマを使用して材料処理を行ったり表面処理を行ったりすることは、産業界では、広く行われている。プラズマは、すべての種類の表面処理に使用することができる。特に、表面クリーニングや、表面の活性化や、例えばプラズマ援用化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）といったような成膜、を行うことができる。また、プラズマを使用することによって、例えばポリマー表面といったような表面に関しての、接着特性を改良することができる。この一例は、写真フィルム製造産業である。このような産業分野においては、プラズマを使用することによって、フィルム基材の表面が処理される。例えば、フィルム基材の接着特性が改良される。
【０００４】
プラズマは、一般に、材料処理に関しての適切な手段であると考えられる。それは、プラズマが、大量の反応性種（ラジカル、イオン）を生成するからである。反応性種は、適切な電界分布を使用することによって、処理ゾーンに向けて導くことができるとともに、所望形状とすることができる。
【０００５】
特に表面処理という用途においては、プラズマは、理想的には、一様かつ安定なものとし得ることは、理解されるであろう。一様かつ安定なプラズマを使用することにより、処理対象をなす表面も、同様に一様に処理されることとなる。例えば、接着特性を増強したい場合には、当業者は、非処理表面全体にわたって一様とされた接着特性が得られることを所望するであろう。
【０００６】
一様なプラズマを形成するためには、第１に、一様なブレークダウンを行う必要があり、第２に、一様に形成されたプラズマをできる限り維持しなければならない。これら双方のステップにおいては、ストリーマーブレークダウンとかあるいはフィラメント状化という主要な不安定性が起こりやすい。一様なグローを形成するためには、双方の不安定さを、回避しなければならない。
【０００７】
大気圧下でもってかつ低温（例えば、３００Ｋ〜４００Ｋ）でもってプラズマを形成することに関し、多くの努力がなされている。それは、これによって応用範囲が著しく拡大するからであり、なおかつ、処理コストが低減するからである。大気圧を使用することの利点は、低圧の場合よりも反応種の密度が大きいことであり、また、真空吸引技術を使用する必要がないことも利点である。低温でのプラズマ形成は、熱可塑性ポリマー表面の処理に対して応用可能である。他のガスではなくて空気を使用して安定なプラズマを形成できることの他の利点は、空気が安価であって容易に利用可能であることである。
【０００８】
上記条件下でプラズマを形成することは、容易な技術ではない。大気圧においては、粒子密度が大きく、そのため、反応種の平均自由行程が短い。励起プロセスおよびイオン化プロセスは、制限された領域に限定され、プラズマは、主に、フィラメント状の形態で生成される。
【０００９】
大気圧下でのプラズマは、非常に不安定であって、ブレークダウン後において短時間でスパークやアークへと移行する傾向がある。電流密度がランダムにかつ局所的に増加することは、グロー放電を消失させる傾向があり、プラズマが妨げられる。
【００１０】
上記不安定性の影響は、電極を誘電体によってカバーすることにより（誘電体バリアによる放電構成、dielectric barrier discharge configulation，ＤＢＤ）、電流密度を制限しなおかつプラズマ持続時間を制限することによって、低減することができる。誘電体の表面上に電荷が蓄積されることのために、プロセスに対して印加される電圧値が低減される。プラズマに対して印加される電圧強度が、臨界値（カットオフ電圧）以下へと減少したときには、もはや、プラズマを維持することができない。その結果、プラズマ持続時間が制限される。
【００１１】
しかしながら、他方、『抑圧された』大気圧プラズマの使用は、材料処理においては、非効果的である。加えて、誘電体バリア放電は、電流密度を所定の程度にまで制限することしかできない。それは、１０Ａ／ｃｍ２ という範囲の電流密度を有したストリーマーが、小さな表面積上においてなおも形成され得るからである。誘電体バリア放電は、プラズマを形成するために使用されている電極の表面にわたっての全体的電流密度を制限し得るものの、ストリーマー形成に基づく局所的大電流の発生を防止することはできない。
【００１２】
電極の表面が（誘電体によって被覆されているかどうかにかかわらず）、プラズマの形成および維持に際して重要な役割を果たすことは、公知である。表面と、プラズマを形成するための電界と、プラズマ自体と、の間にわたっての様々な相互作用が、放電空間内に存在する状況を決定し、したがって、形成されたプラズマが安定かつ一様なものであるか、あるいは、形成されたプラズマが不安定でありかつフィラメント状のものであるか、を決定する。
【００１３】
それら相互作用の１つは、電極の表面のところにおける二次電子の生成に基づいている。これら二次電子は、表面から放出されなければならず、放出されることによって放電空間内へと流入して、プラズマの形成に寄与することができる。一方においては表面近傍において十分な量の二次電子が存在しなおかつ他方においてはそれら二次電子がごくわずかなエネルギーでもって放出され得るような材料を見出すことは、困難である。しばしば誘電体バリア放電構成と組み合わせつつ、多くの材料が提案されているものの、バランス的に最適の材料を見出すことが、当該技術分野においては、なおも課題として残ったままである。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、上述した各種問題点を解決し得るような、プラズマを形成するための装置および方法を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、一様かつ安定なプラズマを形成し得るような装置および方法を提供することである。
【００１６】
本発明の第１見地においては、上記の目的および他の目的は、プラズマを形成するための装置であって、電界を形成してこの電界内にプラズマを形成し得るよう配置された少なくとも一対の電極の間に位置した放電空間を具備してなり、電極の少なくとも一方が、放電空間に対しての境界面を有している場合に、境界面が、互いに交互的に配置された１つまたは複数の導電性領域と１つまたは複数の絶縁性領域とから構成されているような装置を提供することにより、本発明によって達成される。
【００１７】
仕事関数が小さな導電性領域の使用と、電荷が蓄積される絶縁性領域の使用と、を組み合わせることによって、格別の利点がもたらされることは、特筆すべきことである。表面の仕事関数とは、表面から電子を放出するのに必要なエネルギーを表す物理量である。導電性表面は、小さな仕事関数を有しており、導体の表面近傍に存在する電子は、例えば電界の効果といった手法によって、容易に放出される。
【００１８】
他方、電界中の絶縁性表面は、表面上における電荷蓄積によって特徴づけられる。この電荷蓄積は、表面近傍における電界を局所的に増強する。
【００１９】
したがって、局所的に電界を増強する複数の領域と、電界の効果によって電子が容易に放出され得るような仕事関数の小さな複数の領域と、を備えてなる表面が、放電空間内への電子供給という点において、非常に有効なものであることは、理解されるであろう。したがって、上記装置の電極上においてそのような表面を使用することは、表面から十分な量の電子を放出させてプラズマ形成に寄与させ得るという点において、有利である。
【００２０】
本発明の一実施形態においては、導電性領域と絶縁性領域とは、境界面上にわたって一様に分散配置される。
【００２１】
導電性領域と絶縁性領域とを一様に分散配置することにより、表面全体にわたって、さらに一様に電子を放出させることができる。このことは、プラズマ形成をより一様なものとし得ることにより、プラズマの一様性の向上に寄与する。加えて、プラズマ形成後には、表面にわたっての電子の放出がより一様となることのために、放電空間にわたっての電子の分布も、また、より一様となり、プラズマの安定性に寄与する。
【００２２】
本発明の他の実施形態においては、導電性領域の表面積と、絶縁性領域の表面積と、のいずれかは、境界面の表面積よりも小さく、少なくとも１０分の１とされる。
【００２３】
小さな導電性領域と絶縁性領域とが交互配置されている場合の利点が、仕事関数の小さな多数の領域と電界が増強された他の領域とを互いに近接させた状態で表面がそれら領域を備えていることであることに、注意されたい。局所的に増強された電界と、仕事関数の小さな多数領域と、の組合せが格別であることにより、この実施形態における表面が、放電空間内への電子放出に際して特に効果的であることを理解されるであろう。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態においては、絶縁性領域が、誘電体材料から形成されていることに注意されたい。本発明における組合せにおいて使用するに際しては、電気絶縁特性を有した誘電体材料が、適切である。
【００２５】
上述した誘電体バリア放電構成（ＤＢＤ）においては、本発明の主特徴点を、誘電体層を備えてなる電極の表面に対して導電性材料領域を付加することによって、容易に実現し得ることは、理解されるであろう。このような付加が、スパッタリングや、蒸着や、エッチングや、コーティングや、他の任意の固定方法や、接着や、表面へのあるいは表面上への導電性領域の組込、によって行い得ることに注意されたい。特に、導電性領域と絶縁性領域とは、誘電体層上に金属コーティング膜をプラズマ中でスパッタリングすることによって形成することができ、その後、空気に対して曝すことができる。
【００２６】
上述した実施形態が、誘電体層によって被覆された電極に限定されないことに注意されたい。電極のうちの、放電空間に対しての境界面が、互いに交互に配置された１つまたは複数の導電性領域と１つまたは複数の絶縁性領域とを備えて構成されているとともに、絶縁性領域が誘電体材料から形成されているような、すべての構成は、上記実施形態の範囲内に属するものである。また、裸の導電性電極上に、誘電体材料を、スパッタリングやエッチングやコーティングや気相蒸着成膜等によって成膜することもできる。
【００２７】
後者の実施形態の他の利点は、本発明の主特徴点と上述した誘電体バリア構成とを組み合わせることの効果が、一様なプラズマを形成するのに適していることが観測されていることである。このような実施形態は、例えば、例えば空気を使用したような低温での大気圧下でのプラズマ形成において、使用することができる。
【００２８】
誘電体材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）と、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）と、例えばポリエチレンやポリプロピレンやポリアミドやポリウレタンやポリスチレンやポリカーボネートやポリシロキサンやポリアクリレートやポリメタクリレートといったようなポリオレフィンと、例えばＳｉＯ２ やＡｌ２Ｏ３やＺｒＯやＹ２Ｏ３やＣａＣＯ３ やＭｇＯといったようなセラミクスと、これらの組合せと、からなるグループの中から選択することができる。
【００２９】
本発明の他の実施形態においては、１つまたは複数の導電性領域は、金属から形成される。この金属は、ニッケル（Ｎｉ）と、クロム（Ｃｒ）と、銅（Ｃｕ）と、鉄（Ｆｅ）と、金（Ａｕ）と、モリブデン（Ｍｂ）と、銀（Ａｇ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、チタン（Ｔｉ）と、コバルト（Ｃｏ）と、マグネシウム（Ｍｇ）と、白金（Ｐｔ）と、スズ（Ｓｎ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、これらの組合せと、からなるグループの中から選択することができる。当然のことながら、他の任意の適切な金属を使用することもできる。上記金属を使用することによって、適切な結果と、安定かつ一様なプラズマと、が得られている。
【００３０】
本発明の特定の実施形態においては、導電性領域は、金属層から形成され、この金属層の表面が、境界面を形成する。この実施形態においては、電極は、金属層によって被覆され、この金属層の上に、例えば、複数の絶縁性領域を成膜することができる。明瞭なように、（上記実施形態の１つにおいては）電極を誘電体層によって被覆し、この誘電体層を、金属層によって被覆することができる。この場合、エッチングを行うことによって、誘電体表面を引き剥がして、複数の導電性領域と複数の絶縁性領域とを形成することができる。
【００３１】
本発明の他の実施形態においては、電極は、実質的に、上述したような金属からなる層から形成される。この場合には、誘電体層によって被覆されていない裸の電極を使用することができる。裸の電極は、放電空間に対する境界層を有しており、その上に、例えば絶縁性材料の成膜によって、例えば閉塞した形状とされた複数の絶縁性エリアといったような複数の絶縁性領域が形成される。
【００３２】
本発明のさらに他の実施形態においては、電極は、誘電体材料によって被覆され、その上に、例えば閉塞した形状とされた複数のパッチといったような形態で、複数の導電性領域が成膜される。
【００３３】
導電性領域または絶縁性領域は、例えばＤＢＤ構成の誘電体表面内に設置された閉塞形状の複数の導電性パッチとして、あるいは、例えば金属層内の閉塞形状の複数の絶縁性エリアとして、境界面内に設置することができることに、注意されたい。
【００３４】
本発明の他の実施形態においては、導電性領域または絶縁性領域は、導電性のまたは絶縁性の周期的な構造を形成するようにして配置することができる。周期的な構造は、グリッドと、同心円と、ワイヤと、ラインパターンと、ストリップと、同様の構造と、からなるグループの中から選択することができる。
【００３５】
導電性領域および絶縁性領域は、正方形と、円形と、スポット形状と、三角形と、多角形と、他の形状と、からなるグループの中から選択することができる。
【００３６】
すべての周期的構造に関し、複数のパッチおよび複数の領域は、表面上において、容易に一様に分散配置することができ（例えば、格子状パターン）、これにより、本発明において好適に使用することができる。
【００３７】
本発明の他の実施形態においては、金属とポリマーとの混合物を使用することによって、非常に仕事関数の小さな表面を形成することができる。これにより、電界放出と二次電子放出とを著しく増大させることができ、一様なプラズマの形成を支持することができる。金属の量が、支配的でなければならない。
【００３８】
第２の見地においては、本発明は、上述した各実施形態に基づく装置において使用するための電極であって、装置の放電空間に対しての境界面として使用され得る表面を具備し、この表面が、互いに交互的に配置された１つまたは複数の導電性領域と１つまたは複数の絶縁性領域とから構成されているような電極を提供する。
【００３９】
第３の見地においては、本発明は、少なくとも一対の電極を備えてなるプラズマ放電空間内においてグロー放電プラズマを形成して維持するための方法であって、放電空間内に、大気圧条件下で一種類のガスまたは混合ガスを供給し；ＡＣ電源を使用して電極を励起することによって、電界を形成し、これにより、この電界内にプラズマを形成する；という方法において、電極の少なくとも一方を、放電空間に対しての境界面を有したものとし、境界面を、互いに交互的に配置された１つまたは複数の導電性領域と１つまたは複数の絶縁性領域とから構成されたものとするという方法を提供する。
【００４０】
第４の見地においては、本発明は、例えば写真フィルムの基材表面といったような、ボディの表面を処理するための方法に関するものであって、この方法においては、上述した装置によって形成されたプラズマに対して、表面を露出させる。
【００４１】
本発明は、多様な産業において、材料処理プロセスおよび／または表面処理プロセスに適用することができる。本発明は、すべての種類の表面処理に対して使用することができ、特に、表面クリーニングや、表面の活性化や、例えばプラズマ援用化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）といったような成膜、等に対して使用することができる。本発明は、また、例えば写真フィルム製造産業において使用されるポリマー表面といったような表面に関しての接着特性の改良に際して、好適に使用することができる。
【００４２】
本発明の上記のおよび他の特徴点や利点は、添付図面を参照しつつ、本発明に関する以下の説明において例示される。以下のいくつかの実施形態は、大気圧グロープラズマ（ＡＰＧ）によるボディ表面の処理に関するものである。しかしながら、本発明は、例示の目的のための以下の実施形態に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
図１は、本発明による装置を概略的に示す図である。この装置は、第１電極（１）と、第２電極（２）と、を具備している。例えばポリマーフィルムといったような被処理表面（３）は、第２電極（２）の表面を横断して搬送される。第１電極は、導電体層（１）と、この導電体層上に取り付けた誘電体材料層（５）と、から構成されている。誘電体材料層（５）のうちの、放電空間（７）を向いた表面（６）は、放電空間（７）に対しての境界面を形成している。誘電体層（５）の表面（６）内には、複数の導電性領域（４）が設置されている。これにより、境界領域は、複数の導電性領域と複数の絶縁性領域とから構成されている。両電極（１，２）は、放電空間（７）内に電界を形成するための電源（８）に対して接続されている。放電空間内にプラズマを形成するという目的のために、ガス供給手段（９）が設けられている。このガス供給手段（９）は、放電空間（７）内へと、大気圧でもって、一種類のガスあるいは混合ガスを供給する。
【００４４】
プラズマを形成するためのガスは、ヘリウムと、アルゴンと、窒素と、空気と、酸素と、二酸化炭素と、これらガスの任意の組合せと、からなるグループの中から選択することができる。
【００４５】
図２は、本発明による装置において使用し得る電極を、拡大して示す図である。この電極は、電源（図示せず）に対して接続され得る導電体層（１０）を備えて構成することができる。電極は、誘電体層（１１）によって被覆されている。この誘電体層（１１）の一方の面は、導電体層（１０）に隣接しており、他方の面は、境界面（１３）を形成している。この境界面（１３）は、放電空間の方を向いている。誘電体層（１１）の境界面（１３）上においては、複数の導電性パッチ（１２）が設置されている。
【００４６】
導電性パッチ（１２）は、金属から、あるいは、他の任意の電気伝導性材料から、構成することができる。当業者には自明なように、複数の導電性パッチは、放電空間に対して、仕事関数の小さな表面を露出させる。このことは、導電性パッチ（１２）の表面近傍に存在する電子が、導体から放電空間内へと電子を放出させるのに必要なエネルギーが比較的小さいことのために、放電空間内へと容易に放出され得ることを意味する。複数の導電性パッチ（１２）の間に位置した複数の領域（１５）は、境界面上において複数の絶縁性領域を形成している領域であって、境界面（１３）の上方の放電空間内に存在する電界の影響によって、絶縁体からなる表面の近傍に電荷が蓄積することによって特徴づけられる。この電荷蓄積のために、電界は、表面における電荷の高密度化によって、局所的に増強される。複数のライン（１４）は、それぞれの電界電位が同じである等電位ラインを示している。電気力線（図示せず）は、これらライン（１４）に対して垂直である。ライン（１４）は、例示の目的のために、電界の増強を示している。
【００４７】
小さな仕事関数を有した複数の導電性パッチ（１２）と、（ライン（１４）によって示されているような）増強された電界と、の組合せが、様々な利点をもたらすことに注意されたい。それは、境界面（１３）が、複数の導電性パッチ（１２）から十分な量の電子を放出し得るからであり、それとともに、領域（１５）が電界を増強しこれにより導電性パッチ（１２）のところの電子を励起して放電空間内へと流入させ得るからである。実際、増強された電界のために、導電性領域（１２）と放電空間との間の電位障壁が、引き下げられる。そのため、本発明における表面は、導電性材料のみからなる表面と比較してもまた絶縁性材料のみからなる表面と比較しても、電子放出効率が格段に大きなものである。それは、導体の性質と絶縁体の性質との組合せによるものであり、これこそが、本発明によって得られる効果である。
【００４８】
好ましくは、誘電体の導電特性は、漏洩に基づく電荷損失を除去し得るようにあるいは漏洩に基づく電荷損失をプラズマに対して不安定性を追加し得る最小値にまで引き下げ得るように、選択することができる。良好な結果は、絶縁性領域を形成するための誘電体材料として、１０−１０Ω−１ｃｍ−１ 以下という導電率を有した誘電体材料を使用することによって、特に、１０−１２Ω−１ｃｍ−１ 未満という導電率を有した誘電体材料を使用することによって、得られている。
【００４９】
構造のサイズや、パッチのサイズや、境界面における領域のサイズは、好ましくは、プラズマを形成し得るだけの十分な量の電荷が存在し得るように、選択される。良好な結果は、１ｎｍ〜１ｍｍという範囲の寸法を有した構造やパッチや領域を使用することによって、得られている。この寸法範囲の領域は、製造プロセスの点から、実用上の困難さを発生させるものではないことに注意されたい。
【００５０】
しかしながら、本発明は、上述したような特性を有した誘電体材料の使用にも、また、構造やパッチや領域に関して上述した寸法にも、限定されるものではなく、上記数値例は、例示のためのものである。
【００５１】
図３は、本発明による装置を使用して行われた実験例におけるプラズマ電流−電圧特性を示している。左側の縦軸（２２）は、プラズマ電流を、単位をｍＡとして示している。右側の縦軸（２３）は、両電極間に印加された電圧を、単位をＶとして示している。横軸（２４）は、経過時間を、単位をμｓとして示している。正弦波（２０）は、両電極間に対しての印加電圧であり、曲線（２１）は、プラズマ電流である。
【００５２】
この実験例は、図１に示すのと同様の装置を使用して行われた。装置内における一方の電極は、約２００μｍという厚さのＰＥＴ製誘電体層によって、被覆された。この誘電体層は、その後、物理的蒸着法を使用することによって、約１００ｎｍという厚さのＮｉＣｒ層によってコーティングされた。この電極は、装置内において、ＮｉＣｒ層が放電空間を向くような向きで、配置された。装置内の他方の電極は、約１００μｍという厚さのＰＥＮからなる誘電体層によって被覆された。
【００５３】
上記装置により形成された誘電体バリア放電構成を使用することによって、まず最初に、ＮｉＣｒ層内に複数のクラックを形成するために必要とされる前処理プロセスを、行った。ＮｉＣｒ層内における複数のクラックは、直下に位置するＰＥＴ製誘電体層を露出させるという目的で、必要とされた。したがって、ＰＥＴ層とＮｉＣｒ層とによって被覆された電極の前処理を行った後には、この電極は、放電空間に対する境界面として、本発明の原理に基づくような、複数の導電性領域と複数の絶縁性領域とが交互に存在して構成されている境界面を、もたらした。
【００５４】
図３に示すようなプラズマ電流特性に対応したプラズマが、１．７ｍｍという電極間間隔を使用するとともに、約４．５ｋＶという大きさの電圧を印加することによって、形成された。放電空間は、大気圧かつ室温（約３００Ｋ）とされた空気によって、充填された。空気中におけるブレークダウン電圧が、開始時の半分の値にまで、顕著に減少することが観測された。
【００５５】
プラズマ電流曲線（２１）のピーク（２５，２６）は、ストリーマー（図示せず）の形成時に得られるプラズマ電流ピークと比較して、比較的滑らかである。ストリーマー形成時のプラズマ電流曲線においては、多くの場合、短い持続時間の大きなピークが多数発生する。図３からわかるように、図３に示すプラズマ電流曲線（２１）は、比較的長い持続時間（印加電圧の半分の程度の持続時間）を有したピーク（２５，２６）から構成されているとともに、メインピーク（２５，２６）に対して重畳された複数のノイズピークを有している。
【００５６】
図５は、高速カメラによるプラズマの振舞いに関する観測結果を示している。高速カメラは、プラズマ放電時に多数のサンプルライン走査を行い、これらサンプルライン走査を上から下へと鉛直方向に順に並べることにより、図５に示すような画像を形成する。したがって、鉛直方向が、測定時間に対応しており、この場合には、各走査は、１５μｓでもって行われた。光走査は、放電空間内に存在する光を、電界に対して平行に集積することにより得られる。放電空間は、空気によって充填され、プラズマは、本発明に基づき、ＮｉＣｒ層とＰＥＮ層とのハイブリッド層によって被覆されたカソードを使用して、形成された。放電空間をなす電極間間隔は、１．７ｍｍとされ、電極に対して印加されたＡＣ電圧の周波数は、１１．８ｋＨｚとされた。観測により、電極間間隔の全体にわたってグロー放電が拡散していることが、確認された。このことは、高速光電管（高速ＰＭＴ）によって発光を検出することによっても、確認された。
【００５７】
図４ａ〜図４ｄは、複数の導電性領域と複数の絶縁性領域とが交互に配置されてなるいくつかの可能な表面構成を示している。図４ａは、表面（３０）を示しており、この表面（３０）は、例えばＰＥＮやＰＥＴといったような誘電体とし得るような絶縁性表面（３２）から構成されているとともに、この絶縁性表面（３２）上に、導電性グリッド（３１）が配置されている。絶縁性表面（３２）と導電性グリッド（３１）とによって、境界面（３０）が形成されている。絶縁性表面（３２）と組み合わせて導電性グリッド（３１）を使用することにより、放電空間に対して、正方形形状とされた複数の絶縁性領域が、一様な分布状況でもって露出されることに、注意されたい。また、導電体層の表面上に絶縁性グリッドを配置することによっても、境界面（３０）を構成し得ることに注意されたい。
【００５８】
図４ｂは、他の構成とされた境界面（３５）を示している。この場合、絶縁性表面（３７）上にわたって、ディスク形状とされた複数の導電性パッチ（３６）が、一様に分散配置されている。図４ｃにおいては、境界面（４０）は、正方形形状をなす複数の導電性パッチ（４１）と正方形形状をなす複数の絶縁性エリア（４２）とからなる格子模様として、構成されている。この構成が、互いに交互的に配置されているとともに、一様に分散配置されかつ互いに等面積とされた導電性領域と絶縁性領域とをもたらすことに注意されたい。
【００５９】
図４ｄは、絶縁性表面（４７）上に、複数の大きな導電性領域および複数の小さな導電性領域（４６）が配置されることによって、境界面（４５）が形成されているような、構成を示している。境界面（４５）は、容易に構成することができる。例えば、絶縁性表面上に導電性コーティングを噴霧またはスパッタリングすることにより、容易に構成することができる。この手法は、このような境界面の効果的な形成方法をもたらす。
【００６０】
上記開示に基づいて、本発明の様々な変形や修正が可能であることは、自明であろう。したがって、本発明が、特許請求の範囲内において、上記において特定した態様以外の態様として実施することもできることは、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による装置を概略的に示す図である。
【図２】本発明による装置における、電極と放電空間との間の境界面を概略的に示す図である。
【図３】本発明による装置を使用した場合に形成されたプラズマに関して、プラズマ電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４ａ】複数の導電性領域と複数の絶縁性領域とを含有してなる様々な表面を示す図である。
【図４ｂ】複数の導電性領域と複数の絶縁性領域とを含有してなる様々な表面を示す図である。
【図４ｃ】複数の導電性領域と複数の絶縁性領域とを含有してなる様々な表面を示す図である。
【図４ｄ】複数の導電性領域と複数の絶縁性領域とを含有してなる様々な表面を示す図である。
【図５】高速カメラによるプラズマの振舞いに関する観測結果を示す写真である。
【符号の説明】
【００６２】
１  第１電極
２  第２電極
３  被処理表面
４  導電性領域
５  誘電体材料層
６  境界面
７  放電空間
８  電源
９  ガス供給手段
１０  導電体層
１１  誘電体層
１２  導電性パッチ（導電性領域）
１３  境界面
１５  領域（絶縁性領域）
３０  境界面
３１  導電性グリッド（導電性領域）
３２  絶縁性表面
３５  境界面
３６  導電性パッチ（導電性領域）
３７  絶縁性表面
４０  境界面
４１  導電性パッチ（導電性領域）
４２  絶縁性エリア（絶縁性領域）
４５  境界面
４６  導電性領域
４７  絶縁性表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５】
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