J. Plasma Fusion Res. Vol.84, No.1 (2008)１
９‐２
８

講座 大気圧プラズマを点けてみよう

４．大気圧プラズマを点けてみよう
北 野 勝 久，谷 口 和 成，酒 井 道，高 木 浩 一，浪 平 隆 男，服 部 邦 彦（大阪大学，京都教育大学，京都大学，岩手大学，熊本大学，日本工業大学）（原稿受付：２
０
０
７年１
０月１日）

近頃の大気圧プラズマ生成技術の進展により，比較的容易，そして安価にプラズマ生成実験が行えるようになってきている．少し前までは，大学の研究室レベルでの研究内容だったが，ハンディー型のプラズマ源が開発され高校の理科教育にまで用いられるなど，大気圧プラズマ研究の裾野は着実に広がりつつある．また，印加電
圧波形の制御法に工夫を凝らして，大気圧下で非平衡な低温プラズマを生成する技術も多方面から開発されており，低温プラズマの特徴を生かして熱プラズマでは不可能な高分子表面処理などの研究も精力的に進められている．本章では，簡易に大気圧プラズマを生成できる実施例をいくつか紹介しますが，読者のみなさまに大気圧プ
ラズマに興味を持っていただき， 大気圧プラズマを点けてみようと思っていただけると幸いです．
北野勝久（大阪大学）

Keywords:
atmospheric pressure plasma, glow discharge, corona, pulse streamer, pulse power, surface preparation, science education

４．
１ LF プラズマジェット

高圧電極を設置した配置では，ガス流に沿った方向へプラ

岡崎らによる大気圧グロープラズマの開発［１］をきっか

ズマジェットが射出されるのに対して，上流側に高圧電けとして，各種の大気圧プラズマ源ならび，その応用研究

極，下流側にグラウンド電極を設置した配置では，高圧電が盛んに行われることになった．低圧力下のプラズマプロ

極からガス流の上流側へ向かって，つまりガス流に逆らっセシングでは圧力容器内にプラズマ生成部と被照射物を入てプラズマジェットが伸張するという，アフターグロータ

れていたのに対し，そのような装置上の制約がない大気圧

イプでは考えられない現象が見られる．また，このプラズ

プラズマプロセシングでは，プラズマ生成部とプロセシン

マジェットを高速カメラにより撮影すると，球状の小さなグ部が離れているリモートプラズマ方式であるプラズマ
ジェット方式が数多く採用されている．燃料ガスに，ヘリウム，アルゴンなどの希ガスを始めとして空気を利用する場合もあり，プラズマ発生用電源には直流からマイクロ波までの幅広い帯域が用いられ，各種の電極形状を組み合わせることにより，多種多様な大気圧プラズマジェット生成が実現されている［２］．それらのほとんどは，誘電体パイプ内で生成された高温のプラズマを，ガス流により大気中へ押し流すことにより冷却されたプラズマを利用するアフ
ターグロー方式である．
一方で，それらとは異なる物理的特徴を有する大気圧マ
イクロプラズマジェットが独 Wuppertal 大の Engemannらのグループにより報告されている［３］．図１（a）に示すよ
うに，ヘリウムガスを流した内径数 mm 程度のガラス管に対し，数 10 mm 程度間隔を開けて上流と下流の外周上に設置した同軸状の２つの電極に低周波高圧電源（10 kHz，10kV 程度）を用いて放電を行うことにより，パイプ先端から細く伸びるプラズマジェットの生成に成功している．不思
議なことに，高圧電源から２つの電極へ接続する極性方向

図１に応じてプラズマジェットが射出される方向が決まり，

LF プラズマジェットの電極構造．（a）
２電極方式（b）
単電
極方式．

図１（a）
に示すように上流側にグラウンド電極，下流側にLet’s Obtain an Atmospheric Pressure Plasma 4. Practice
KITANO Katsuhisa, TANIGUCHI Kazunari, SAKAI Osamu, TAKAKI Koichi, NAMIHIRA Takao and HATTORI Kunihiko

１９!2008 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.84, No.1 January 2008

制限型の放電であるために，横からガス流を近づけると（グラウンド電極を接続しているが必須ではない），図２に示すように横方向からのガス流束にもプラズマが着火しており，高速カメラで撮影すると高電圧電極近傍で生成されたプラズマ塊がガス流束に沿って，直角方向に転進する様子が観察できる．つまり，ガス流束方向には関係なく，プラズマ塊が移動しており，ガス流束に沿った放電現象と考えるとわかりやすい．ここまで LF プラズマジェットの放電機構について説明してきたが，本質的にヘリウムガス（もしくはアルゴンガス）を流したガラス管の表面に単一の高圧電極を取り付けるのみで生成可能であり，ガス流束方向への放電（部分放電）である．ヘリウムガス流の半径方向のディメンションに関してはパッシェン則にとらわれる
ことなく自由自在に放電が可能となり，例えばガラス管内
径が 50 μm から 30 mm の場合においても放電が可能である．また，ここまではガラス管に対して円周方向に巻き付
図２

LF マイクロジェットの放電の様子．

けた電極により放電を行ってきたが，ガス流束さえ制御す
ればシート状などのプラズマを生成することが可能であ

発光部分が電源の立ち上がりに同期して高電圧電極近傍より，例えばガラス板を組み合わせて作った厚さ 3 mm，幅り射出され，その速度は 10 km/s とガス流に比べて１万倍

50 mm のガス流束に対して，そのガラス板の平面部分の表程度と非常に高速に移動している．

面の一部分に電極を貼り付けることにより，シート状のプ

このように物理的に非常に興味深い特徴を有するプラズラズマが得られている．

マジェットであるが，従来，その放電機構に関して十分な

アフターグロータイプのプラズマジェットは放電管より解明がなされていなかったが，北野らにより放電機構が明

たかだか 5 mm 程度しかジェットが伸張しないのに対しらかにされた［４，５］．図１（b）に示すように，高電圧電極のて，本質的に放電機構が異なる LF プラズマジェットではみからなる単電極形態においても同様のプラズマジェット

誘電体パイプ先端から 50 mm 程度の長さのプラズマを生が生成可能であることを実験的に発見したことにより，そ成することも簡単であり，ジェットの空間分布が少なくプの放電機構の解明が進み，それを踏まえて各種のプラズマ

ラ ズ マ 照 射 が よ り 行 い や す い．Engemann の プ ラ ズ マ

ジェットを生成できるようになった，基本的には 10 kHz

ジェットも含め，ここまで記述してきたプラズマジェット

程度の低周波電源を用いていることから，それらを LF

は，単電極構造，２電極構造の違いはあれど，高電圧側電（Low Frequency）プラズマジェットと総称する．

極が誘電体によりバリアされた構造であったが，金属パイ

図１（b）に示すような単電極構造の場合は，ガス流に対プのみを用いても同様のプラズマジェットが生成可能であして上下の両方向へプラズマジェットが伸張する．これとる．ただし誘電体バリアなしの単電極配置による放電にな

図１（a）の実験結果を比較すると，LF プラズマジェットをり，このプラズマに触れると確実に感電するため利用には生成するためには高電圧電極のみが必要条件であって，グ気をつける必要がある．そして，高電圧電源の立ち上がり

ラウンド電極は必須ではなく，グラウンド電極はプラズマ時のみにイオン化部が高速に移動している，時間的にも空ジェットが伸張するのを抑止しているだけと考えられる．

間的にも過渡的な現象であることから，中性ガス温度が室

また，大気中へ射出しているプラズマジェットに対して，温程度である非平衡プラズマが得られており，図３に示す

高電圧電極と高圧電源とを接続している高圧線を近づけた

ように火傷をせずに指で触れる程度である．ただし，人体ところ，プラズマジェットは伸張しなったことから，一般に対する長期的な影響は保証されていないので，読者が同的なアフターグロータイプの大気圧プラズマジェットのよ様 のことをするのは 勧 めない．このようなプラズマは 化 学，

うに，プラズマがガス媒質により押し流されて外部に取り生体応用への応用に適しており，液体に接触させること出されている流体的なものではなく，電場に著しく影響をで，各種の化学反応を起こすことが可能であり，還元反応

受ける電気的な放電現象の一種である．つまり， 大気中によるナノ粒子合成や，重合反応によるポリマー合成や，に作られたヘリウムガス流束の中での部分放電現象

細菌や芽胞などの滅菌などの研究が進められている［５‐７］．

であり，媒質制限型の放電であることが判明した．そして，正LF プラズマジェットは電極構造が単純であるので小型

電圧を印加した際にみられる高速なプラズマ塊の移動は，化が簡単であり，図４に示すようなハンディータイプのプ

正ストリーマーコロナ放電によるイオン化フロントの移動

ラズマ源も製作可能である．市販のドライヤーの筐体の内現象であり，負の高電圧印加時には負コロナによるグロー

部に，電極付きガラス管，高電圧昇圧回路，乾電池を内蔵状のプラズマが生成されている．特にグラウンド側の対向させた．小型の高圧ボンベのヘリウムボンベを用いること

電極を必要とせず，周囲のなんらかの物体がグラウンド電により，装置すべてを片手で持てる程度の大きさである．

極のかわりになっていると考えるとよい．このように媒質

そもそも非平衡プラズマであるためにあまり大きな電力は
２０

Lecture Note

4. Practice

K. Kitano et al.

に入れるためには，さらなる研究上の知恵と投資と考察が必要であり，今なお活発に研究が続けられているのは本解説の中でも度々触れられているとおりである．
一方，ここで説明する大気圧プラズマ生成法は，できるだけ簡単に作ろう，という前提に立っている．「簡単に」とは，物理的制約が少ないところで，技術的にもそれほど厳しくないところをねらう，という意味である．物理的制約とは，具体的にはパッシェンの法則とグロー・アーク転移条件を指し，技術的な容易性とはプラズマ生成用印加電圧が低くガス供給が不要なこと（つまり，我々の生活環境の雰囲気としてある大気圧の大気が使えるということ）である．つまり，この「簡単さ」は，残念ながらすべてに万能なプラズマではないが，応用範囲を限定すれば実用化にも
図３近くツールとしてのポテンシャルの高さを示す．

ガス流交差型プラズマジェット．

前置きが長くなったが，ここで説明する「ファブリック
型電極」［８，９］は，そのようなことを意識せずとも，実験室（しかもそれは本格的な設備の揃った研究室でなくてもよい）に行けば，その原型は数分で作製できてしまう．図５に，そのようにしてハンドメイドで作製したファブリック
型電極を示す，普通に電子回路で使用するビニール被覆線
間（被覆厚〜0.5 mm）
を筆者の両手で編んだものである．おわかりのように，織物・編物・組物といった生地構造を真似て作っているので， ファブリック と呼称している．ある程度２次元面が欲しければこのようにする必要がある
が，ただ単に大気圧プラズマを生成するだけ でよけれ
ば，２本を撚り合わせた撚線構造で十分である．そして，
図５の平織り構造の場合であれば，縦糸と横糸に相当する
被覆導線に交流電圧を印加すると，電極構造に密着するよ
うに大気圧プラズマが生成する（図５に示すのは，大気圧
図４ハンディー型 LF プラズマジェット生成装置．市販のドライ
ヤーの筐体を利用して内部に放電電極，乾電池と高電圧電源を入れてある．左側は小型の高圧ガスボンベとレギュレーターである．

ヘリウムガスを用いた場合）．また，一方の電極が絶縁被覆線で構成されていれば，他方は露出導体線でもかまわない．その他，市販の 金網 に被覆導線を織り込んで， 金
網と被覆導線間に交流電圧を印加してもよい．

必要とせず，小容量の小型高圧電源を乾電池（単４×８本）

このファブリック型電極の特徴を以下にまとめてみる．

で動作可能である．このような小型の装置でも，ポリマー

まず，形状として，電極のみで構成され，特に電極を支持

表面の親水化処理などは特に問題なく行えることを確認しする構造は必要ない．それを可能にしているのは，絶縁被ている．

覆層が２つの役割を兼ねているからである．すなわち，耐LF プラズマジェットは，ハンディータイプのプラズマ

電圧の範囲内でプラズマ生成以外の絶縁破壊を防ぎ，また源を製作できるほど単純な構造であるために，適用範囲が誘電体バリア放電を可能とする誘電体バリア層としても働格段に広がり，バイオ，有機合成などをはじめとする他分いている．上記の物理的制約を緩和するため，電極間の距野との共同研究への垣根を一気に下げることになり，今離が両被覆層の接触点に近づくにつれ非常に小さくなる

後，大気圧プラズマの応用研究の発展に貢献できることが（すなわち接触点を中心として生成されるマイクロプラズ

期待される．

マの集合体であり，圧力と電極間距離の積が小さい）こと
北野勝久（大阪大学）

も重要である．結果として，大気等の分子性ガスに対して

４．
２ ファブリックシートプラズマ
大気圧プラズマを大きく均一に作る，しかも熱プラズマにならないようガス温度と電子温度の非平衡性を保つ，というのは放電物理の上でチャレンジングなテーマであり，
かつそのようなプラズマは応用面でも非常に利用価値が高いだろう．逆に言うと，そのようなプラズマを，しかも利図５用価値がありかつある程度広いパラメータ範囲で我々が手
２１

ビニール被覆線構造（a）
による大気圧ヘリウムプラズマ（b）．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.84, No.1 January 2008

も低い放電開始電圧を実現する．逆に欠点としては，電極

最後に，本研究を共同研究者として推進している京都大近傍のみに生成されるプラズマであり十分な厚みを得るの学工学研究科の橘邦英先生，京都大学産官学連携センター

は難しいこと，電極にインダクタンス成分を内在するための白藤立先生に日頃のご討論に対し深く感謝申し上げる．

基本的にはプラズマ生成用電圧波形として低周波（100酒井道（京都大学）kHz 程度まで）しか利用できないことが挙げられる．

４．
３ パルスグロー放電

上記のごく一般的なビニール被覆線ではさすがに限界があるので，高耐圧で被覆層の厚みが 150 μm のもの（導体線

グロー放電は空間的な均一性に富み，化学的な活性種を部分は直径 260 μm）を使い，かつ絶縁被覆線用の手動織機

多く含む放電形態である．大気圧下でのグロー放電の生成（株式会社エピテック，SET‐１００）を設計して電極を作製しは，１）真空系の簡略化，２）活性種の高密度化が可能なた．すると，図６に示すように，大気圧の希ガスだけでなことから，幅広い産業応用が期待されている［１，１３‐２０］．大く，大気圧の大気（すなわち通常の室内の空気）中におい気圧でプラズマを生成する場合，各粒子の衝突間に移動すてもファブリックシートプラズマが生成された．ファブ

る平均距離（平均自由行程）が短く，単位時間あたりに衝リック型電極の利点の１つである柔軟性についても問題な突する回数（衝突周波数）が多くなる．このため絶縁破壊

く，曲面状態でも同様のプラズマ生成が見られる．印加電が起こると，プラズマは電子のエネルギーが高く中性ガス

圧をやや落とした状態でアルゴンガスを吹き付けると，吹温度が低い非熱平衡（低温）プラズマの状態から，アーク

き付け箇所だけプラズマが生成される．ただし，ただ単に放電に代表される熱平衡（熱）プラズマへと，短時間のう大気中で放電させるとオゾンが発生するので，筐体排気環

ちに移行しやすい［２１，２２］．大気圧で非熱平衡プラズマを境での実験が必要である．

安定に生成する方法として，１）電極間に誘電体バリアをちなみに，類似の構造・放電形態は我々の研究も含めて

挿 入 す る［２３‐２９］，２）高 周 波 電 源 を 利 用 す る［１０］これまでいくつかあり［１１，１２］，我々は放電物理とし

［２５，
３０，
３１］，３）パルス電圧を用いる［２２，２３，３２］，４）短ての新しさを主張するつもりはない．むしろ，このようにギャップやホローカソードを利用する
［２，
２１，
３３
‐３５］，５）高耐圧の絶縁被覆導線を利用し組み合わせることで非常に電流制限抵抗を用いる［２１，３６］などがある．パルス電圧を多様な電極形態が可能であること，それに伴って多くの応用いるグロー放電の発生は，従来，高出力ガスレーザの励用が展開できること，それらの応用の中に（つまりファブ起に盛んに利用されてきた方法で［２２，３７］，１）
高密度プラ

リック型電極は単なるツールとして扱って）新しい物理をズマの生成が容易，２）パルス幅や間隔で熱や反応の制御

みつけること，このような観点で我々は研究を行っていなどが可能などの特徴を有する．

る．例えば，我々はこの電極を用いて，水中プラズマ生成

ここでは，高電圧パルス（パルスパワー）を利用する大に成功している．電解水溶液内に被覆線（縦糸）−露出線

気圧グロー放電プラズマの生成について概説する．グロー（横糸）構造のファブリック型電極を設置し，３番目の露出放電の発生と維持に必要な印加電圧の条件として，空間に金属電極と横糸である露出線の間に数 V 程度の直流電圧を一様に放電を発生させるための早い立ち上がり（数百 ps

印加して電気分解で発生した水素の小泡を横糸上に整列さ〜数 ns）と，陰極近傍のシース（陰極降下領域）中の熱的せ，その状態で縦糸−横糸間に振幅2 kV程度の電圧を印加

不安定性により引き起こされるアーク転移を防ぐための適することで，水中にて生成位置が制御されたプラズマの生当なパルス幅があげられる［３８］．図７に，大気圧窒素中で成に成功した．現在，この内容を含め，多用途への応用研

アーク転移までに放電で消費するエネルギーを示す．エネ

究を進めている．

ルギーは，瞬時電流と電圧を積算した瞬時電力を，アーク転移まで時間積分して求めている［３２］．アーク転移までに消費するエネルギー，言い換えると，熱的不安定性が起こるエネルギーはおおよそ一定であり，そのエネルギー以下に電源を設定することで，アーク転移することなくグロー放電のみを得ることができる．さらに図７より，グロー放電を長時間持続したい場合は小電流で駆動，高密度プラズ
マが必要な場合，大電流で，短パルス駆動する必要がある
ことを示している．例えば，高密度プラズマを必要とする
短波長大出力レーザ励起用の放電生成の場合，数 kA の大電流で，100 ns 以下の短パルス駆動が必要になる［３９］．
パルスパワーでのグロー放電生成例として，ファース
ト・リカバリー・ダイオード（FRD；図８では半導体オープニングスイッチで表記）を用いた，誘導性エネルギー蓄

図６積方式パルスパワー電源の回路構成例を図８に，発生した高耐圧絶縁被覆線による平織構造ファ ブ リ ッ ク 型 電 極（a）における大気圧大気組成プラズマの平面構造（b）
と曲面
構造（c）
．アルゴンガスを吹き付けた設定（d）とプラズマ生成の様子（e）．

放電の様子を図９に示す．充電電圧，キャパシタンス，およびインダクタンスはそれぞれ，−10 kV，4.2 nF，12.6 μH，
封入ガスは窒素 760 Torr である．写真は，パルス電源の繰２２

Lecture Note

図７

4. Practice

K. Kitano et al.

アーク転移までの放電消費エネルギー［３
２］
．
図９

図８

大気圧窒素グロー放電の静止写真［３２］．

グロー放電生成用パルスパワー電源［３２］．

り返し周波数を 50 pps，シャッターの開放時間を１秒として撮影した積分写真になる．電極には，多数の突起を有す
る（剣山型）電極を用いている．これは，多くの場所で一様に放電させるためである［４０］．誘導性エネルギー蓄積方式パルスパワー電源は，回路電流を高速で遮断するとき

図１０ 大気圧グロー放電の電流‐電圧特性．

に，インダクター両端に発生するサージ電圧を利用する．

４．
４ パルスストリーマ

本装置の場合，FRD が高速で電流を遮断するオープニング
スイッチの役割を担う．写真よりアーク転移することなく

パルスストリーマ放電により形成される非熱平衡プラズ

グロー放電が発生していること，針電極全体で放電が起マは，各種化学的活性種（ラジカル）を多量に含有するたこっていることがわかる．

め，排ガス処理並びに室内空気浄化，オゾン生成など多岐

図１０に，大気圧グロー放電の電流‐電圧特性を示す．パ

にわたる環境浄化技術としての応用が進んでいる［４１‐４５］．

ルス電源のキャパシタンスおよびインダクタンスはそれぞ

図１１は内部電極径 1 mm および電極間距離 38 mm の同軸円

れ 8.0 nF，20.0 μH である．図中，比較のために，気圧 10筒電極中におけるパルスストリーマ放電過程をゲート付

Torr の場合ものせている．図の電流‐電圧特性では，正特ICCD カメラにてフレーミング撮影した像である［４６］．通性を示す正規グロー領域と，電流の増加にともない電圧が常，パルスストリーマ放電の発生には電極間へ高電界を形増加する異常グロー領域が確認できる．放電電流が 0.3 A

成する必要があるため，同軸円筒や点対平板，線対平板型

を超えると放電維持電圧は増加しており，60 A では 14 kVなど不平等電界を形成する電極形状がよく利用される．なとなる．これより，放電電流が 0.3 A までの領域は正規グ

お，図１１の放電撮影時，電極間は室内空気にて満たされてロー放電，0.3 A を超える領域は異常グロー放電であるこおり，内部電極へ電圧波高値約 70 kV（立ち上がり時間約とがわかる．また，正規グロー領域の維持電圧は，10 Torr

50 ns）かつ時間幅（半値全幅）約 100 ns の正極性パルス電の場合約 250 V であるのに対して，760 Torr の場合約 3 kV圧を印加している．また，ICCD カメラの露光時間はすべと大きくなる．また，得られた電流‐電圧特性を用いて，大ての撮影像において 5 ns で一定である．図１
１より，パルス

気圧グロー放電の空間的に平均化した電子温度と電子密度

ストリーマ放電は，内部電極近傍（高電界領域）への正のを見積もったところ，電流 0.3 A 以下の正規グロー領域で，空間電荷（ストリーマヘッド）形成に始まり，その外部電16極（接地極）への進展（一般的に「プライマリーストリー

それぞれ 0.9 eV および 0.8×10 m−3，60 A の異常グロー領

域で 1.3 eV および 1.4×1018 m−3 となる［３２］．

マ放電」と呼ばれる），再度の内部電極近傍への正の空間電高木浩一（岩手大学）

荷形成およびその外部電極への進展（一般的に「セカンダ２３Journal of Plasma and Fusion Research Vol.84, No.1 January 2008

図１
２ パルスストリーマ放電過程のストリーク撮影像．

図１
１ パルスストリーマ放電過程のフレーミング撮影像．

図１
３ ナノ秒パルスストリーマ放電過程のストリーク撮影像．

４．
５ 大気圧プラズマを用いた親水性・疎水性表面実験

リーストリーマ放電」と呼ばれる），最終的な電極間全体でのグロー様放電と推移していることが確認できる．
筆者の経験上での話ではあるが，グロー様放電が 200 ns

固体表面処理は，表面を保護したり装飾などの美観を整程度以上継続した場合，放電はアーク放電へ転移することえたりする手段として古くから用いられてきた．近年でをここに記しておく．なお，ストリーマヘッドの自己進展は，上記に加え材料表面に高機能性を持たせる手段として開始電界として 10 MV/m 以上の高電界が必要であり，そ利用されてきているが，処理する材質の多種多様化に伴いの進展速度は印加電界強度へほぼ比例することが知られてより複雑で高度な修理が必要となってきている［５６］．固体いる［４７］．図１１の条件下におけるストリーマヘッドの電極

表面処理において対象とする素材は，金属，半導体，高分間平均進展速度は約 1.8 mm/ns である［４６］．また，各種の子材料などが挙げられる．プラスチックなどの高分子表面実験およびシミュレーション結果は，パルスストリーマ放処理を例にとると，一般に高分子材料表面の大部分は疎水

電過程におけるプライマリーストリーマ放電が最も効率的性を持つものが多い．プラスチックは成形が容易であり軽に ラ ジ カ ル を 生 成 で き る こ と を報 告 し て い る［４８‐５０］．

量で安価であるため非常に需要が高く日常生活で様々に利

図１２には，参考として図１１同様の放電電極において半径方用されている．このプラスチック表面の親水化は印刷性，向へスリットを設けることで撮影されたパルスストリーマ

接着性，コーティング性などの改善において必要不可欠な放電過程のストリーク撮影像を示す［４７］．図１２より，パル技術である．繊維でも衣服や傘など染色や接着の加工過程

スストリーマ放電過程はプライマリーストリーマ放電およでは親水性が必要であるが，製品には疎水性が要求された

びセカンダリーストリーマ放電を経てグロー様放電へと推りする．車のフロントガラスは視界を確保するために親疎移していることが再確認される．また，近年，高効率な放水性の使い分けをしている［５７］．このような表面処理は従電プラズマプロセスをめざし，立ち上がりが超高速かつ時

来，化学薬剤を用いたウエットプロセスが行われていた間幅が極短であるパルス電圧による「ナノ秒パルススト

が，近年では低温プラズマ表面処理法を用いたドライプロ

リーマ放電」が提案され［５１‐５３］，本放電により得られる排セスが使われるようになってきた．低温プラズマ処理は，ガス処理エネルギー効率［５４］やオゾン生成収率［５５］が，こ気体温度が低く，かつ電子温度が高いという熱的非平衡性

れまでのパルスストリーマ放電によるものを大きく凌駕しにあるため，高分子のような熱に弱い材質の場合でもバルていることが報告されている．このナノ秒パルスストリー

クの性質を阻害することなく表面層のみを短時間で改質す

マ放電は，図１３に示されるストリーク撮影像のように前述

ることができるため，工業応用の範囲も広がっている．こしたパルスストリーマ放電過程におけるプライマリーストのドライプロセスも主に低気圧下で行われてきたが大気圧リーマ放電のみを積極的に利用することで，エネルギー効

グロー放電の生成維持が可能となり，真空装置が不要であ率に直結するラジカル生成効率の向上をもたらしている．

るため設備費が安価であることやインラインの連続処理が浪平隆男（熊本大学）

容易などの点から，大気圧下での処理を行うようになってきている．
大気圧グロー放電は，様々な手法で生成されている［１７，５８‐６０］が，その一つとして服部らは直流高電圧を簡単な電２４Lecture Note

4. Practice

K. Kitano et al.

４．
６ LF プラズマジェットの教育的活用

極形状の針対平板電極間に印加し，放電領域に高速気流を流すことでグロー放電を安定に維持する手法を用いた．特近年，青少年の理科離れへの危機感に端を発した，科学に陽極近傍に高速の気流を流すことがグロー放電の安定維

啓発活動の一環として，プラズマに関連するさまざまな活持に有効であることを初めて実験的に明らかにした［６１］．

動が行われるようになった［７１］．そこでは，異なるガスをその応用例として，この手法で生成した大気圧プラズマで用いた放電管の発光（スペクトル）の観察や電子レンジをプラスチックやガラスなどの固体試料の親水化処理実験を用いた火の玉の生成，放電を用いた人工オーロラの観察な行った．この実験に用いたガスは，空気である．材料をプ

ど基本的なものから，最近では材料加工のみならず環境やラズマに直接さらすことなく，グロー放電プラズマ下流域

医療・バイオなどさまざまな分野への応用例に至るまで積10 mm の位置に試料を固定し放置した．

極的に紹介されている．いずれの活動とも，その発光や放簡便な親水性の評価方法は，改質面に純水を滴下して水電の色，形状の派手さ，または子どもの予想を超える効果

滴の接触角を測定する方法である［６２］．この接触角が小さなどにより興味関心を集め，さらに担当者の丁寧な説明もいほど親水性がある．接触角!が１０°以下のときを超親水性加わって大盛況となっている．しかしながら，これらの活といい，１５０°以上のときを超発水性という．図１
４はプラズ

動の大半は，対象に小学生を含むことが多く安全の確保の

マ処理前後にガラス表面に滴下した純水の様子を示した．

ために，実物の展示や担当者による演示実験の観察と説明

また，図１５にソーダ石灰ガラスの表面処理の処理時間特を聞くことが中心で，子どもが自分で積極的に実験し，考性を示す．およそ数秒程度で容易にガラス表面を超親水化える体験型の活動例は少ない．一方，科学について一定のすることができた．このガラスと同じ条件でポリエチレン

知識を持ち，結果を考察することが可能な生徒，例えば高テレフタレート（PET）の表面処理を行ったが，２分程度校生を対象とする場合においては，実際に自分で実験し，で，接触角は２０°程度まで下がることが確認された．材料の既知の知識を使って結果を考察させるような探究的な活動

発水性に関してもガス中にフッ素系のガスを導入すること

や，その結果が実際にどのように応用されているか（役にによりこの手法での表面処理の可能性はあるが，まだ実験立っているか）がわかるような活動が，教育現場から求めを行っていない．

られている．したがってその際，プラズマ源に求められるのは，安全性と簡便性に加え，実用性となる．このような発水性の実験に関しては，小駒らは高周波を用いた誘電体バリア放電装置を用い He を主体とするガスに少量の CF

現状において，４．
１節において紹介された

LF プラズマ

ガスを混合した大気圧グロープラズマを生成し，PET の表

ジェット

面処理を行った［５６］．その結果を図１６に示す．フッ素化表

る．すなわち，熱的に非平衡であること，構造がシンプル

面処理を行うことで疎水性を実現している．表面処理は，

で大気圧における動作が可能であり，操作が容易であるこ

単に親水性・疎水性ばかりでなく接着強度や経時変化などと（※高電圧に対する注意と配慮は徹底する必要あるが，の要求があり実用化のための開発研究要素が多い［６３‐７０］．

高校生の場合は可能である），さまざまな分野への応用の服部邦彦（日本工業大学）

可能性が示されつつあり，多様な興味関心をもつ高校生にはこれらの要求を実現できる可能性を秘めてい対応できることなどである．そこで，今年８月に，京都府内の SSH（Super Science High school）校および英国の高校生（２０名ずつ計４０名）を対象に開催された「日英サイエン
スワークショップ」における３日間（のべ２１時間）の研修
活動「プラズマの世界−その基礎から応用まで−」の最終日において，LF プラズマジェットの物理的特性を学習し，

図１
４ 接触角測定による親水性の評価（A）
プラズマ処理前，（B）
プラズマ処理後．

それを用いた高分子材料のプラズマ処理に関する研究の一

図１５ ガラス表面の水滴接触角と放電時間．

図１
６ CF/He 処理した PET の水滴接触角と放電時間［５
７］
．

２５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.84, No.1 January 2008

端（処理とその定量的評価と考察まで）を体験させ，プラ

在，この分野において研究中の重要な技術である．この処ズマのみならずに興味を持たせることを目的とし理にあたっては，通常の LF プラズマジェットだけでなく，た５時間の授業を行った．なお，ここで用いたLFプラズマ

希望者には，北野氏によって製作されたハンディータイプ

ジェットは，現在，共同研究を行っている，大阪大学大学のもの（図４参照）も用いた．これは生徒達に大人気で，使院工学研究科の北野氏の協力を得て製作したものである．

いたがる生徒が多く，さらにはこのジェットを自分で作っ授業では，最初に LF プラズマジェットを実演して生成てみたいという生徒まで現れるほどであった．図１８
（b）に

研究

のメカニズムについて説明し，大気圧においてもプラズマ

生徒が処理を行っている様子を示す．

を生成できることを示した．ここで，生徒は２日目までにこの実験のまとめでは，PET 表面がプラズマによって親低圧下におけるグロー放電や高周波放電を用いて，プラズ

水化される理由について，生徒の考えを聞きながら議論しマの生成条件に関する探究実験や温度・密度計測実験をつつ説明するとともに（親水基，疎水基の概念は高校化学行っており，プラズマの基礎については学習済みである．

で学習するため理解は可能である），これまでの研究によ

そこでここでは，大気圧非平衡プラズマであることを利用

り現在では，超親水化（接触角が１０°以下）も可能であるこして，実演において担当者がプラズマジェットを直接，指と，その一方で処理後の親水性が時間とともに元の疎水性先で触れて見せたところ（この実演は担当者のみである），

へと戻ってしまう

生徒は非常に驚いていた．４．
１節にもあるように，この実演

問題を解決するため，現在も研究者によって研究中であるは推奨されるものではないが，教育的意義においては，日ことを紹介した．今回は時間の関係で省略したが，この現常では見られない熱平衡にない状態（熱平衡については高象も生徒に確認させることができれば

校物理で学習する）を生徒の目の前で見せ，考えさせるこをより意識させることになり効果的であると思われる．

とができるという長所がある．

疎水性回復という現象があり，その

研究

という視点

このように，LF プラズマジェットの簡便性と実用性は，続いて，応用研究の体験活動として，プラズマ照射によ

生徒達にプラズマの実用的な側面を直接体験させることをるポリエステル布の染色性の向上および PET フィルム表

可能にする．授業では実際に行われている研究の一端を，面の親水化に関する実験を設定した．ここでは，後者の展

その問題点も含めて体験させることを意識的に設定し，プ開と結果（高校生の反応）について紹介する．PET は飲料

ラズマの可能性について興味を持たせることをねらった．

水や食品の容器や包装材料など身近であるが，生徒はその授業後の生徒アンケートや感想には，「プラズマがテレビ

性質として経験的に表面が疎水性であることを知っている以外でも（工業的に）役に立っていることがわかった」「実だけである．そこで導入では，PET の基本的な性質について生徒の知識を引き出しながら，実用的な側面からその特徴を紹介した．ここでは，その疎水性が他の材料との接着性や印刷におけるインクの付着性を低下させ，用途を狭めていること，したがって表面を親水化する研究が世界中で行われており，その手段として非平衡プラズマが注目されていることなどの背景を強調した．その上で「その研究の一端を実際に体験してみよう」と動機づけ，生徒実験に移った．はじめに，LF プラズマジェットを操作する上での注意を徹底し，その後，生徒一人ひとりに PET フィルムを配布して表面処理を体験させた．図１７（a）にその様子を示
図１
７ PET フィルムの表面処理実験中の生徒の様子．（a）
親水化
処理，（b）
接触角分析（画面内は親水化表面上の液適の画像）．

す．ここで，図の左端に LF プラズマジェットがあり，下向
きにプラズマを噴射している．生徒は緊張した面持ちで真剣に処理を行っていた．処理後は「接触角計測システム（sessile drop 法）」を用いて，処理した PET フィルムを定量的に評価させた．生徒はすぐに計測の原理を理解して計器を正確に扱うようになり，３０°前後の接触角（未処理は８３°）を得て驚いていた．解析中の生徒の様子を図１
７
（b）
に示す．
PET の処理実験の最後には，ジェットの細長い形状を活かして局所的な親水化処理を利用した簡単なゲームを行った．短冊状（3 cm×12 cm 程度）に切った PET フィルムを個々に配布し，図１８（a）に示すように，蛇行する任意の経路を処理させ，その後，色を付けた水滴をその上に落とし，処理した経路に沿って水滴を導くことができるかといった

図１
８ 流路作製実験．（a）作製した流路（中央下の蛇行）と（b）ハンディタイプの LF プラズマジェットで処理している様子．

ものである．ゲーム的に設定しているが，これはマイクロ
化学・生化学等の分野で研究されている マイクロ流路 のマクロ版を作成させていることになり，この技術もまた現
２６Lecture Note

4. Practice

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ズマの産業応用はさらなる発展と広がりが予想されるが，それとともに，各々の応用における成果が高校生の科学啓発のための体験活動にも活用されることが期待される．
谷口和成（京都教育大学）

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