(57)【要約】【課題】  被処理物に依存せず、かつ高気圧下においても安定な放電を形成できる反応処理方法及び装置を得る。【解決手段】  本発明の反応処理方法は、被処理物を介して二つの電極を対向配置し、両電極間に電圧を印加して放電を発生させて被処理物を処理するもので、一方の電極を予め電離気体11を形成する予備電極5と、放電を形成する主電極21とに分離して配置し、予備電極と主電極の少なくとも一方の電極の対向面上にカーボンナノチューブを配したものである。このカーボンナノチューブは、整列凝集させたカーボンナノチューブ層6にしてもよく、また、架橋剤を介して所定の間隔としたカーボンナノチューブ層６にしてもよい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を介して二つの電極を対向配置し、両電極間に電圧を印加して放電を発生させることにより前記被処理物を処理する反応処理方法であって、前記一方の電極を予め電離気体を形成する予備電極と前記放電を形成する主電極とに分離して配置し、前記予備電極と前記主電極の少なくとも一方の電極の対向面上にカーボンナノチューブを配することを特徴とする反応処理方法。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブは、整列凝集させたカーボンナノチューブ層であることを特徴とする請求項１記載の反応処理方法。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブは、架橋剤を介して所定の間隔としたカーボンナノチューブ層であることを特徴とする請求項１または２記載の反応処理方法。
【請求項４】
前記印加する電圧は、前記予備電極による予備電圧を印加の後、所定の遅れ時間を介して主電極に主電圧を印加することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の反応処理方法。
【請求項５】
前記印加する電圧は、パルス電圧を用いることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の反応処理方法。
【請求項６】
前記放電は、前記予備電極と前記主電極に電圧を印加した後、前記主電極と対向配置する電極間に電圧を印加して放電が形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項にの反応処理方法。
【請求項７】
前記放電の形成領域に前記被処理物を設置し、かつ反応処理を促進するドープガスを封入することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の反応処理方法。
【請求項８】
被処理物を介して対向配置した二つの電極と、両電極間に電圧を印加する電源と、前記印加する電圧の制御を行うコントローラとからなる反応処理装置において、
前記二つの電極の一方を予め電離気体を形成する予備電極と、前記放電を形成する主電極とにし、前記予備電極と前記主電極の少なくとも一方の電極の対向面上にカーボンナノチューブを設けたことを特徴とする反応処理装置。
【請求項９】
前記電源は、パルス電圧を発生することを特徴とする請求項８記載の反応処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有害物質の無害化、物質の機能付加処理（表面処理）など被処理物の状態を放電（プラズマ）により改善または改質する反応処理方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の反応処理方法及び装置は、少なくとも一方の前記電極の対向面にカーボンナノチューブを配して互いに対向している二つの電極間に電圧を印加して電極間の空間に放電を生じさせて反応処理を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
図６において、３は上部電極、４は下部電極、７は電源、１０は非平衡プラズマ、２０は被処理物、２３は基板、３２はカーボンナノチューブ含有膜であり、基板２３面上に配置された上部電極３とカーボンナノチューブ含有膜３２を表面に配置した下部電極４間に被処理物２０を導入し、前記電極間に電源７から電圧を印加して非平衡プラズマ１０を形成し反応処理を行う。
このように、従来の反応処理装置は、電極面上にカーボンナノチューブを配することで電子放出特性の均一性を向上し、放電電圧を低電圧化し、反応処理を大面積で行うものである。
【特許文献１】特開２００２−３３１２３６号公報（第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の反応処理方法及び装置は、放電形成が電圧印加による絶縁破壊に依存していて反応性の悪い被処理物を処理する際に比較的長い電極間隙では安定した放電を形成することが難しいという問題があった。大気圧もしくは大気圧以上といった高気圧下では被処理物を含む電極間の放電開始電圧が上昇するので、印加電圧を高くしても安定した放電を形成することが難しいという問題があった。また、カーボンナノチューブの電極面への配置が適切とは言えず、隣接するカーボンナノチューブの間隔が広い場合に被処理物がカーボンナノチューブ間をすり抜けて一様な反応処理ができないという問題も抱えていた。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、被処理物に依存せず、高気圧下においても安定な放電を形成し、反応処理を行うことができる反応処理方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、被処理物を介して二つの電極を対向配置し、両電極間に電圧を印加して放電を発生させることにより前記被処理物を処理する反応処理方法であって、前記一方の電極を予め電離気体を形成する予備電極と、前記放電を形成する主電極とに分離して配置し、前記予備電極と前記主電極の少なくとも一方の電極の対向面上にカーボンナノチューブを配したものである。
このようになっているため、予備電極によって予め被処理物または被処理物に接する気体に電子の供給と電離作用を促し、主電極の放電を発生しやすい状態にすることができる。また、カーボンナノチューブを電極上に配することで前記カーボンナノチューブ先端に形成される高電界場の作用によって高エネルギーの電子を効率よく供給することができ、電離密度を高めて放電の形成および安定化を図ることができる。
請求項２に記載の発明は、前記カーボンナノチューブを、整列凝集させたカーボンナノチューブ層としたものである。
このようになっているため、カーボンナノチューブ間に被処理物または被処理物に接する気体が入り込むことがないため、被処理物または被処理物に接する気体を確実に反応処理させることができる。また、カーボンナノチューブが隣接するため、放電を形成するための電子の供給を省面積で最大限に行うことができる。
請求項３に記載の発明は、前記カーボンナノチューブを、架橋剤を介して所定の間隔としたカーボンナノチューブ層にしたものである。
このようになっているため、カーボンナノチューブ間に被処理物または被処理物に接する気体が入り込むことがないため、被処理物または被処理物に接する気体を確実に反応処理させることができる。また、単位面積当りに隣接するカーボンナノチューブの数を容易に調整することができるため、コストダウンを図ることができる。
請求項４に記載の発明は、前記印加する電圧を、前記予備電極による予備電圧を印加の後、所定の遅れ時間を介して主電極に印加するものである。
このようになっているため、予備電極による電子の供給等によって被処理物または被処理物に接する気体を電離状態とすることができるので主電極による放電を容易に発生させることができる。
請求項５に記載の発明は、前記印加する電圧は、パルス電圧を用いるものである。
このようになっているため、電極系で発生する電離作用及び放電（プラズマ）形成に寄与する電子を効率よく生成でき、放電の安定性向上に大きく寄与することができる。また、生成した電子の利用効率を高めることができ、電極系に投入する全エネルギーの効率をも高めることができる。更に、パルス電圧の波尾長を短くすることで投入したエネルギーをジュール熱に変換することなく更なるエネルギー効率の改善を行うことができる。
請求項６に記載の発明は、前記放電は、前記予備電極と前記主電極に電圧を印加した後、前記主電極と対向配置する電極間に電圧を印加して放電が形成するものである。
このようになっているため、予備電極による電離気体を主電極表面近傍に発生させることができ、最終的な放電形成を容易に行うことができる。また、主電極表面近傍を予め電離状態とすることで、主電極及び対向配置する電極に金属を用いても大気圧のような高気圧下において安定した放電を発生することができる。
請求項７に記載の発明は、前記放電の形成領域に前記被処理物を設置し、かつ反応処理を促進するドープガスを封入するものである。
このようになっているため、被処理物は放電による組成改質とドープガスによる放電の安定性改善及び物質変換作用を付加することができるので、効率よく目的とする物質に被処理物を変換することができる。
請求項８に記載の発明は、被処理物を介して対向配置した二つの電極と、両電極間に電圧を印加する電源と、前記印加する電圧の制御を行うコントローラとからなる反応処理装置において、前記二つの電極の一方を予め電離気体を形成する予備電極と、前記放電を形成する主電極とにし、前記予備電極と前記主電極の少なくとも一方の電極の対向面上にカーボンナノチューブを設けたものである。
このようになっているため、予備電極によって予め被処理物または被処理物に接する気体に電子の供給と電離作用を促し、主電極で発生する放電を発生しやすい状態にすることができる。また、カーボンナノチューブを電極上に配することで前記カーボンナノチューブ先端に形成される高電界場の作用によって高エネルギーの電子を効率よく供給することができ、電離密度を高めて放電の形成および安定化を図ることができる。
請求項９に記載の発明は、電源がパルス電圧を発生するものである。
このようになっているため、電極系で発生する電離作用及び放電（プラズマ）形成に寄与する電子を効率よく生成でき、放電の安定性向上に大きく寄与することができる。また、生成した電子の利用効率を高めることができ、電極系に投入する全エネルギーの効率をも高めることができる。更に、パルス電圧の波尾長を短くすることで投入したエネルギーをジュール熱に変換することなく更なるエネルギー効率の改善を行うことができる。
【発明の効果】
【０００５】
以上述べたように、本発明の反応処理方法及び装置によれば、被処理物を介して二つの電極を対向配置し、一方の電極を予め電離気体を形成する予備電極と、放電を形成する主電極とに分離したので、被処理物または被処理物に接する気体に電子の供給と電離作用を促し、主電極で発生する放電を発生しやすい状態にすることができる効果がある。また、カーボンナノチューブを電極上に配することでカーボンナノチューブ先端に形成される高電界場の作用によって高エネルギーの電子を効率よく供給することができ、電離密度を高めて放電の形成および安定化を図ることができるという効果がある。
請求項２に記載の反応処理方法及び装置によれば、カーボンナノチューブを整列凝集させたカーボンナノチューブ層を電極表面に配置したので、カーボンナノチューブ間に被処理物または被処理物に接する気体が入り込むことがなく、被処理物または被処理物に接する気体を確実に反応処理させることができるという効果がある。また、カーボンナノチューブが隣接するため、放電を形成するための電子の供給を省面積で最大限に行うことができるという効果がある。
請求項３に記載の反応処理方法及び装置によれば、架橋剤を介して所定の間隔でカーボンナノチューブを整列させたカーボンナノチューブ層を電極表面に配置したので、カーボンナノチューブ間に被処理物または被処理物に接する気体が入り込むことがなく、被処理物または被処理物に接する気体を確実に反応処理させることができるという効果がある。また、単位面積当りに隣接するカーボンナノチューブの数を容易に調整することができるため、コストダウンを図ることができるという効果がある。
請求項４に記載の反応処理方法及び装置によれば、予備電極による予備電圧を印加の後、所定の遅れ時間を介して主電極に主電圧を印加するので、予備電極による電子の供給等によって被処理物または被処理物に接する気体を電離状態とすることができ、主電極による放電を容易に発生させることができるという効果がある。
請求項５に記載の反応処理方法及び装置によれば、印加する電圧にパルス電圧を用いるので、電極系で発生する電離作用及び放電（プラズマ）形成に寄与する電子を効率よく生成でき、放電の安定性向上に大きく寄与することができるという効果がある。また、生成した電子の利用効率を高めることができ、電極系に投入する全エネルギーの効率をも高めることができるという効果がある。更に、パルス電圧の波尾長を短くすることで投入したエネルギーをジュール熱に変換することなく更なるエネルギー効率の改善を行うことができるという効果がある。
請求項６に記載の反応処理方法及び装置によれば、予備電極と主電極に電圧を印加した後に前記主電極と対向配置する電極間に電圧を印加して放電が形成されるようにしたので、予備電極による電離気体を主電極表面近傍に発生させることができ、最終的な放電形成を容易に行うことができるという効果がある。また、主電極表面近傍を予め電離状態とすることで、主電極及び対向配置する電極に金属を用いても大気圧のような高気圧下において安定した放電を発生することができるという効果がある。
請求項７に記載の反応処理方法及び装置によれば、反応処理を促進するためのドープガスが封入された電極系に被処理物を配置したので、被処理物は放電による組成改質とドープガスによる放電の安定性改善及び物質変換作用を付加することができ、効率よく目的とする物質に被処理物を変換することができるという効果がある。
請求項８に記載の反応処理方法及び装置によれば、被処理物を介して対向配置した二つの電極の電極の一方を予め電離気体を形成する予備電極と、前記放電を形成する主電極とを設けたので、被処理物または被処理物に接する気体に電子の供給と電離作用を促し、主電極で発生する放電を発生しやすい状態にすることができるという効果がある。また、カーボンナノチューブを電極上に配したので、前記カーボンナノチューブ先端に形成される高電界場の作用によって高エネルギーの電子を効率よく供給することができ、電離密度を高めて放電の形成および安定化を図ることができるという効果がある。
請求項９に記載の反応処理方法及び装置によれば、パルス電圧を発生する電源を用いたので、電極系で発生する電離作用及び放電（プラズマ）形成に寄与する電子を効率よく生成でき、放電の安定性向上に大きく寄与することができるという効果がある。また、生成した電子の利用効率を高めることができ、電極系に投入する全エネルギーの効率をも高めることができるという効果がある。更に、パルス電圧の波尾長を短くすることで投入したエネルギーをジュール熱に変換することなく更なるエネルギー効率の改善を行うことができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。ただし、本発明はこれらにより何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更しうることは明白である。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の反応処理装置の断面図、図４は本装置の電圧印加フロー図である。図において、共通する部分には同一符号を用いてあり、１は上基板、２は下基板、５は予備電極、６はカーボンナノチューブ層、８はコントローラ、９は流路、１１は電離気体、２０は被処理物、２１は主電極、４０は予備電圧、４１は主電圧、４２は遅れ時間である。
予備電極５は末端基もしくは側面に親水基を修飾した親水性を有するカーボンナノチューブをＬＢ（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）法により表面に配置したものを用い、上部電極３及び主電極２１は上基板１及び下基板２にそれぞれ金属蒸着によって形成したものを用いた。なお、上基板１表面と下基板２表面間距離は３０ｍｍとした。
次に、本実施例の動作について説明する。
上基板１と下基板２を所定の距離に配置して流路９を形成し、被処理物２０を流路９内に導入する。このとき、上部電極３と予備電極５間に図４で示される予備電圧４０を印加すると予備電極５表面に配置したカーボンナノチューブ層６の先端に高電界場が形成され、電子が放出されると同時に予備電極５表面近傍を中心として流路９内部を電離気体１１にする。カーボンナノチューブ層６によってカーボンナノチューブ３０先端に形成される高電界場の作用によって高エネルギーの電子を効率よく供給することができ、電離密度を高めた電離気体１１を安定に発生することができる。その後、遅れ時間４２を介して上部電極３と主電極２１間に主電圧４１を印加すると、予め電離気体１１が形成されているため低い電圧で非平衡プラズマ１０が流路９内で発生し、被処理物２０が反応処理（放電処理）される。このように予め電離気体１１が存在することで、上部電極３と主電極２１のような金属対金属電極系においても大気圧のような高気圧下で安定した非平衡プラズマ１０を形成することができる。この動作をコントローラ８によって所定の繰り返し周波数に応じて行うことで目的とする物質に変換もしくは改質される。
予備電極５に配置しているカーボンナノチューブ層６は図２に示されるように個々のカーボンナノチューブ３０が隣接し、断面がハニカム状に近い構造であれば、被処理物２０が入り込むことがないため確実に反応処理させることができ、放電を形成するための電子の供給を省面積で最大限に行うことができる。また、図３に示されるように個々のカーボンナノチューブ３０間を架橋剤３１で埋めることで一定の間隔を保持した状態でカーボンナノチューブ３０を予備電極５上に配置することが可能となる。なお、隣接するカーボンナノチューブ３０の間隔は被処理物質２０の１分子当りの大きさよりも狭い間隔で予備電極５上に配置すればよい。
例えば、被処理物２０として市販の４サイクルエンジンの排気を一旦、除湿及び除塵し、露点が−３０℃（ＤＷ）以下の状態の排気ガスを用い、ＮＯｘアナライザ及びＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）で初期ガス組成と反応処理後のガス組成を測定したところ、低エネルギー消費でＮＯｘガスの分解率の改善を確認することができた。
【実施例２】
【０００８】
本発明の第２実施例の反応処理装置は、第１実施例と同じ構成であるため、部材構成の説明は省略する。予備電極５の構成は第１実施例と同様のものを用い、上基板１表面と下基板２表面間距離は３０ｍｍとした。
次に、本実施例の動作について説明する。
図１において上基板１と下基板２を所定の距離に配置して流路９を形成し、被処理物２０を流路９内に導入する。このとき、主電極２１と予備電極５間に図４で示される予備電圧４０を印加すると予備電極５表面に配置したカーボンナノチューブ層６の先端に高電界場が形成され、予備電極５を中心として下基板２沿面上近傍に電子が放出され、電離気体１１が形成される。カーボンナノチューブ層６によってカーボンナノチューブ３０先端に形成される高電界場の作用によって高エネルギーの電子を効率よく供給することができ、電離密度を高めた電離気体１１を安定に発生することができる。その後、遅れ時間４２を介して上部電極３と主電極２１間に主電圧４１を印加すると、予め電離気体１１が形成されており下基板２近傍には密度の高い電子が供給されているため低い電圧で非平衡プラズマ１０が流路９内で発生し、被処理物２０が反応処理（放電処理）される。このように予め電離気体１１が存在することで、上部電極３と主電極２１のような金属対金属電極系においても大気圧のような高気圧下で安定した非平衡プラズマ１０を形成することができる。この動作をコントローラ８によって所定の繰り返し周波数に応じて行うことで目的とする物質に変換もしくは改質される。予備電極５に配置しているカーボンナノチューブ層６の構成については第１実施例と同様であることからここでは説明を省略する。
例えば、被処理物２０として市販の４サイクルエンジンの排気を一旦、除湿及び除塵し、露点が−３０℃（ＤＷ）以下の状態の排気ガスを用い、ＮＯｘアナライザ及びＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）で初期ガス組成と反応処理後のガス組成を測定したところ、低エネルギー消費でＮＯｘガスの分解率の改善を確認することができた。
【実施例３】
【０００９】
図５は、第３実施例の構成を示す図である。図において、共通する部分には同一符号を用いており、２２はドープガスである。
第１実施例と同様な電極構成とし、上基板１表面と下基板２表面間距離は２０ｍｍとした。
次に、本実施例の動作について説明する。
上基板１と下基板２を所定の距離に配置し、被処理物２０を下基板２上に配置し、ドープガス２２を電極系内に導入する。このとき、主電極２１と予備電極５間に図４で示される予備電圧４０を印加すると予備電極５表面に配置したカーボンナノチューブ層６の先端に高電界場が形成され、予備電極５を中心として上基板１沿面上近傍に電子が放出され、電離気体１１が形成される。カーボンナノチューブ層６のカーボンナノチューブ３０先端に形成される高電界場の作用によって高エネルギーの電子を効率よく供給することができ、電離密度を高めた電離気体１１を安定に発生することができる。その後、遅れ時間４２を介して下部電極４と主電極２１間に主電圧４１を印加すると、予め電離気体１１が形成されており上基板１近傍には密度の高い電子が供給されているため低い電圧で非平衡プラズマ１０が発生し、被処理物２０表面が反応処理（放電処理）される。このように予め電離気体１１が存在することで、大気圧のような高気圧下で安定した非平衡プラズマ１０を形成することができる。この動作をコントローラ８によって所定の繰り返し周波数に応じて行うことで目的とする物質に変換もしくは改質される。予備電極５に配置しているカーボンナノチューブ層６の構成については第１実施例と同様であることからここでは説明を省略する。
例えば、被処理物２０としてＰＰ（ポリプロピレン）樹脂基板を用いて下基板２上に配置し、ドープガス２２を含めた電極系内の雰囲気をＯ２／Ｎ２混合ガス状態とし、反応処理前後の濡れ性を接触角測定装置で測定した所、濡れ性の向上が確認できた。
なお、本実施例では、印加する電圧としてパルス電圧を用いることで、電極系で発生する電離作用及び放電（プラズマ）形成に寄与する電子を効率よく生成でき、放電の安定性向上に大きく寄与することができる。また、生成した電子の利用効率を高めることができ、電極系に投入する全エネルギーの効率をも高めることができる。更に、パルス電圧の波尾長を短くすることで投入したエネルギーをジュール熱に変換することなく更なるエネルギー効率の改善を行うことができる。
また、本実施例では、カーボンナノチューブ層６は予備電極５のみに配置していたが、主電極２１や上部電極３、下部電極４の表面上に配置することで放電の安定性や反応処理効率を更に向上することができる。
コントローラ８によって印加される電圧は、図４に示したものである必要は無く、電圧の極性は電離気体及び電子供給、放電の形成に応じた極性で任意に変更することができ、場合によっては両極性の電圧を印加してもよい。また、反応処理させたい被処理物２０や封入するドープガス２２の組成によって適した電圧および遅れ時間４２に設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１および２実施例を示す反応処理装置の断面図
【図２】本発明の反応処理装置に用いられる電極の断面図
【図３】本発明の反応処理装置に用いられる他の電極の断面図
【図４】本発明の反応処理装置に印加する電圧のフローチャート
【図５】本発明の第３実施例を示す反応処理装置の断面図
【図６】従来の反応処理装置の断面図
【符号の説明】
【００１１】
１  上基板
２  下基板
３  上部電極
４  下部電極
５  予備電極
６  カーボンナノチューブ層
７  電源
８  コントローラ
９  流路
１０  非平衡プラズマ
１１  電離気体
２０  被処理物
２１  主電極
２２  ドープガス
２３  基板
３０  カーボンナノチューブ
３１  架橋剤
４０  予備電圧
４１  主電圧
４２  遅れ時間
【図１】
2005131525.tif 000003
【図２】
2005131525.tif 000004
【図３】
2005131525.tif 000005
【図４】
2005131525.tif 000006
【図５】
2005131525.tif 000007
【図６】
2005131525.tif 000008