静電気学会誌，41, 1（2017）26-32

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

静電気力によるマイクロプラズマ電極表面上の微粒子除去の研究
清水 一男，伊藤 暁彦 ，マリウス ブラジャン ，＊＊＊＊＊＊＊
ヤロスラヴ クリストフ ，米田 仁紀＊, ＊＊, ＊＊＊, 1＊＊＊（2016年9月29日受付；2016年12月1日受理）

Study of Fine Particle Removal from the Surface of a Microplasma Electrode
Using the Electrostatic Force＊, ＊＊, ＊＊＊, 1＊＊＊

Kazuo SHIMIZU, Akihiko ITO , Marius BLAJAN ,＊＊＊＊＊＊＊Jaroslav KRISTOF and Hitoki YONEDA（Received September 29, 2016; Accepted December 1, 2016）
Removal of glass beads with different particle diameter using a microplasma electrode was investigated. Our microplasma
electrode, with a discharge gap set to 25 μm, enabled discharge to occur at around 1 kV. Applied AC voltage was set to 1 kVand the frequency was varied from 10 Hz to 10 kHz. Particle movement was visualized using a laser. It was observed thatglass beads were blown off many times and finally transferred to the outside part of the electrode. When the frequency was 10
Hz, 99％ of glass beads were moved to the outside part of the electrode. It was found that removal rate decreased as thefrequency increased. Removal rate and particle movement were different from the each glass beads diameter.

1．はじめに率を低下させたり等，さまざまな方面に見られる．これ

近年，微小粒子状物質（ PM 2.5）が大気汚染や人体，らの問題を解決するため，ウエハ表面のコンタミネーシ

特に呼吸器系に悪影響を及ぼすため，非常に問題視されョンの除去ている．微粒子の問題はこういった室内外の環境分野の

堆積した砂の除去

みならず，半導体産業分野においては品質低下等をもた影響を与える微粒子の除去

らしたり ，太陽電池表面上での微粒子の堆積が発電効されている．一方で，微粒子やエアロゾルによる薄膜形

1）

成キーワード：マイクロプラズマ，誘電体バリア放電，微粒子除去，静電気力＊
静岡大学大学院 総合科学技術研究科（〒432-8561 静岡県浜松市中区城北 3-5-1）
Graduate School of Integrated Science and Technology,
Shizuoka University, 3-5-1 Johoku, Naka-ku, Hamamatsu,
Shizuoka 432-8561, Japan＊＊
静岡大学 イノベーション社会連携推進機構（〒432-8561 静岡県浜松市中区城北 3-5-1）
Organization for Innovation and Social Collaboration,
Shizuoka University, 3-5-1 Johoku, Naka-ku, Hamamatsu,
Shizuoka 432-8561, Japan＊＊＊
静岡大学創造科学技術大学院 光ナノ物質機能専攻（〒432-8561 静岡県浜松市中区城北 3-5-1）
Graduate School of Science and Technology, Shizuoka
Unuversity, 3-5-1 Johoku, Naka-ku, Hamamatsu, Shizuoka
432-8561, Japan＊＊＊＊
電気通信大学 レーザー新世代研究センター（〒182-8585 東京都調布市調布ヶ丘 1-5-1）
Institute of Laser Science, The University of ElectroCommunications, 1-5-1 Chofugaoka, Chofu, Tokyo 1828585, Japan1shimizu@cjr.shizuoka.ac.jp

2-4）

や電気集じん装置，太陽電池表面上に5-7），さらには宇宙空間での調査に悪8-10）

8, 11, 12）など数多くの研究がななど微粒子を用いた研究も進められている．

13-15）

本研究ではマイクロプラズマ電極を用いて，電極表面上の微粒子の除去を目的に実験的検討を行った．微粒子除去や輸送では多層交流電圧による電界カーテンを用いたものなどが多く存在するが，本研究では単相の正弦8, 9）波電圧により微粒子除去が可能となっている．使用したマイクロプラズマ電極は 2 つの電極と誘電体層からなり，
プラズマアクチュエータと同様の構造をしている．こ

16-19）の全体の厚さが約 100 μm ほどの電極をソーラーパネル
やウエハなどの表面に埋め込むまたはデバイスをそのま
ま表面に張り付けることでコンタミネーションの除去が期待される．特に電極が非常に薄いフィルム電極である
ため，曲面などでもそのまま表面に貼り付け使用することが可能である．また，上部電極において発生するスト
リーマの進展距離がサブミリオーダーであり，一般的な誘電体バリア放電のミリスケールの進展距離と比較して小さい．このようにサブミリからマイクロスケールでのプラズマをマイクロプラズマと呼ぶ．マイクロプラ

20-22）

ズマは空間的に微小であったり，非平衡であったりする静電気力によるマイクロプラズマ電極表面上の微粒子除去の研究（清水 一男ら）などの利点をもつため，微細加工への応用
用

23, 24）27や医療応など幅広い分野に応用されている．

25, 26）

2．実験方法2.1 マイクロプラズマ電極
図 1 に本研究で使用したマイクロプラズマ電極を示す．
厚さ 25 μm の誘電体層の両面に銅電極が設置されている．
上部電極は高電圧を印加する櫛形状の電極となっている．
線電極の太さを 200 μm，長さを 30 mm，厚さを 18 μm とし，また各線電極の間隔は 1 mm とした．一方で，下部
電極は平板上の電極となっており，接地されている．本電極は誘電体層が 25 μm と非常に薄いため，低電圧（約図 2 実験装置図
Fig.2 Experimental setup for measuring waveforms and observing
the fine particle movement.

1 kV ）でプラズマを発生することが可能となり，また高強度の電界を得ることができる．また，電極の構造上，容量性負荷であり，静電容量は約 200 pF である．

図 3 ガラスビーズの顕微鏡写真：粒径（ a ）38～53 μm，（b）63～75 μm，および（ c ）90～106 μm
Fig.3 Microscopic image of glass beads with a diameter of（ a ）38～53 μm,（ b ）63～75 μm, and（ c ）90～106 μm.
図 1 マイクロプラズマ電極の構成図：（ a ）上面図，（ b ）断面図
Fig.1 Configuration of microplasma electrode:（ a ）top view,（ b ）cross-section view.

μm ）），63～75 μm（ガラスビーズ（70 μm ）），90～106
μm（ガラスビーズ（100 μm ））の 3 種類のガラスビーズ（株式会社不二製作所，ソーダ石灰ガラス）を用いた．
図 3 は そ れ ぞ れ の 微 粒 子 を 光 学 顕 微 鏡（ Leica, model

2.2 実験装置

DM IL LED ）を用いて撮影した写真である．図のように電極表面上の微粒子除去および電圧・電流測定に使用

ガラスビーズは球形であり，ガラスビーズ 100 mg をマした実験装置図を図 2 に示す．マイクロプラズマ電極へ

イクロプラズマ電極表面上に撒き，電圧を印加した際のの印加電圧は正弦波高電圧とした．正弦波高電圧はファ微粒子の振る舞いの観測を行った．印加した正弦波高電

ン ク シ ョ ン ジ ェ ネ レ ー タ（ Tektronix, model AFG3102）

圧の電圧値は 1 kV に固定し，周波数を 10 Hz～10 kHz

および交直両用高圧アンプリファイア（ Trek, model 5/80）の間で変化させ，各周波数における振る舞いを観測した．

を用いて発生させ，高電圧プローブ（ Iwatsu, model HV–

2.3 微粒子の振る舞いの可視化

P30）およびオシロスコープ（ Tektronix, model TDS 2014）

電極表面上での微粒子の振る舞いを観測するために，により観測した．放電電流は抵抗をマイクロプラズマ電レーザーを用いて微粒子の振る舞いの可視化を行った．

極と直列に接続し，抵抗の両端にかかる電圧を電圧プロ

図 4 に可視化方法の概略図を示す．図のように波長 532ーブ（ Tektronix, model P2220）およびオシロスコープを

nm の Nd: YVO4 レーザーを微粒子に照射し，散乱光を用いて計測した．

ハイスピードカメラ（ Red Lake, MotionScope M3）で撮対象微粒子として粒径 38～53 μm（ガラスビーズ（45影し，微粒子の振る舞いの可視化を行った．ハイスピー

静電気学会誌 第41巻 第 1 号（2017）28

図 4 レーザーを用いた微粒子の振る舞いの可視化方法の概略図
Fig.4 Visualizing method for observation of fine particle
movement using a Nd: YVO4 laser.

図 6 周波数 500 Hz 時のリサージュ図形
Fig.6 Lissajous figure when the frequency was 500 Hz.

ドカメラの解像度は 512 × 384 ，露光時間は 60 μs，フレームレートは 1000 fps として撮影を行った．

3．実験結果および考察
3.1 マイクロプラズマ電極の電気的特性
図 5 は正弦波電圧の周波数を 50 Hz，500 Hz，および
5 kHz に設定したときの印加電圧および放電電流の波形である．図 5 より放電電流は大きく 2 つの電流成分から成っていることが確認できる．1 つはマイクロプラズマ
電極の容量成分による容量性電流である．この電流は印加電圧に対して位相が 90°進んだ正弦波状の電流である．
もう 1 つは誘電体バリア放電特有のスパイク状の電流である．誘電体バリア放電ではストリーマ形式の絶縁破壊

図 7 各周波数におけるマイクロプラズマ電極における消費電力
Fig.7 Power consumption as a function of the frequency of theapplied voltage.

が発生することで，時間的および空間的にランダムにストリーマが形成される．このスパイク状の電流は印加電圧の正勾配部分と負勾配部分で半周期ごとに生じるのだが，すべての周波数において，負勾配時より正勾配時の方が大きなスパイク上の電流が発生している．これは正負勾配において，ストリーマ進展速度の差異が生じ，それぞれ異なる放電形態となっているためと考えられる．

27, 28）

次に，各周波数におけるマイクロプラズマ電極における消費電力の測定を行った．電力測定には一般的に V-Q
リサージュ図形を用いる．周波数 500 Hz のときのリ

29, 30）サージュ図形を図 6 に示す．電力測定時は図 2 の抵抗を
100 nF のコンデンサに置き換えた．図 6 のリサージュ図
形から 1 周期あたりに消費されるエネルギーを計算すると 0.27 mJ となり，この値に周波数を掛けることで消費電力が 0.13 W と計算された．各周波数における消費電力をグラフ化したものを図 7 に示す．消費電力は印加電圧の周波数に比例して増加することがわかる．周波数と消費
図 5 印加電圧の周波数（ a ）50 Hz，（ b ）500 Hz，（ c ）5 kHzとした場合の電圧・電流波形
Fig.5 Waveforms of applied voltage and discharge current when
the frequencies were（ a ）50 Hz,（ b ）500 Hz, and（ c ）5kHz.

電力の比例関係は多くの研究で報告されている．

17, 30, 31）

3.2 イオン濃度
印加電圧の周波数を変化させ，各周波数において発生したイオンの濃度測定を行った．測定にはイオン測定器

静電気力によるマイクロプラズマ電極表面上の微粒子除去の研究（清水 一男ら）

図 8 各周波数におけるイオン濃度
Fig.8 Ion concentration as a function of the frequency of theapplied voltage.

29

図 9 除去率の周波数依存性
Fig.9 Removal rate as a function of the frequency of the applied
voltage.

（ Alton，model KEC-900）を用いて，電極表面から距離

3.3 微粒子の除去

5 cm の位置で測定した．測定に関して，プラズマ中の微マイクロプラズマ電極に正弦波高電圧を印加すること

粒子は電子とイオンの熱速度の違いにより，定常的に負で電極表面上のガラスビーズの除去を行った．電極表面に帯電するため ，負イオンのみ測定を行った．図 8 は上に 3 種類のガラスビーズをそれぞれ撒き，電圧値を 1

イオン濃度の周波数依存性をグラフ化したものである．

kV に固定し，周波数を 10 Hz から 10 kHz まで変化させ，周波数を増加させると，発生するイオンの濃度が増加し振る舞いの様子を観察した．

32）ているのが分かる．空気中の酸素や窒素が電離によってN や O2 といったイオンとなる．これらのイオンが最終+
2－

微粒子除去を定量評価するために，微粒子の除去率 ηを次式で定義した．

的には XH（H2O）（Hn や NO3（HNO3）m2O）n などのイオン－+になるのだが ，印加電圧の周波数増加により電極への
33）

（1）

投入エネルギーが増加することで，空気中の酸素や窒素の電離が活発に起こり，イオンの生成量が増加する．

ここで，Mr は電極の外側へ移動した微粒子の質量，

図 10 電圧印加による微粒子除去の様子：（ a ）電圧印加前，（ b ）電圧印加後Fig.10 Glass beads movement on the electrode surface:（ a ）before applying the AC voltage and（ b ）after applying the AC voltage for 2
min with a frequency of 50 Hz, 500 Hz, and 5000 Hz.

30

静電気学会誌 第41巻 第 1 号（2017）

図 11 ガラスビーズ（70 μm ）の周波数 10 Hz，100 Hz，1000 Hz における微粒子除去の時間推移
Fig.11 Movement of glass beads with a diameter of 70 µm at 1 s, 5 s, 10 s, 30 s, and 2 min when the frequency of the applied voltage was set
to 10 Hz, 100 Hz, and 1000 Hz.

Mb は電圧印加前に電極表面に撒いた微粒子の質量（100場合と 100 Hz の場合を比較すると，100 Hz の場合の方mg ）である．電極の外側へ移動した微粒子の質量測定は，が短い時間でガラスビーズの除去がなされているのが分

電圧印加後電極の外側に移動したガラスビーズのみを拭

かる．これは，高周波数の方が電圧の反転が多くそれにき取り，電極表面上に残ったガラスビーズの質量を電子伴いガラスビーズの飛散回数が多くなること，およびイ

天秤（ Ohaus, PA213）により計測することで，（1）式よ

オンの発生量が多くガラスビーズの帯電量が大きくなるり算出した．図 9 に 3 種類のガラスビーズの各周波数でことの除去率を示す．ここで示した除去率は全ての条件においては，時間とともに徐々にガラスビーズが外側へ移動

いて，3 回測定を行い，その平均値をプロットしたものでしているのが分かるが，10 Hz および 100 Hz と比較するある．また，周波数を 50 Hz，500 Hz，および 5000 Hz とと，除去率の低下が認められた．

した時のそれぞれの微粒子除去の様子を図 10 に示す．図3.4 微粒子の振る舞いの可視化

9 および図 10 より全てのガラスビーズにおいて，高周波レーザーを照射し，ガラスビーズからの散乱光を撮影数になるにつれてガラスビーズの除去率が低下しているすることでガラスビーズの振る舞いの可視化を行った．

34）

が理由として考えられる．周波数 1000 Hz におのが確認できる．これは 3.4 節で詳細を記すが，ガラスビ

図 12 は正弦波電圧（1 kV，50 Hz ）印加した際の各ガラーズが高周波数により，線電極からの反発を繰り返すこ

スビーズの 50 ms 経過時点での振る舞いを可視化したもとにより線電極間で振動運動し，電極間にトラップされのである．3.3 節でも述べたように粒径が大きくなるにたためである．また，図 9 においてガラスビーズの粒径

つれて，重力の影響が大きくなるため，ガラスビーズ（45が大きくなるにつれて，除去率が低下し始める周波数のμm，70 μm，100 μm ）が飛散する際に到達する高さがお値が小さくなっていることが認められた． 微粒子の帯電

よそ 23 mm，21 mm，16 mm と徐々に低くなっているこ

量はその微粒子の表面積で決まる．つまり，微粒子の半とが確認された．また，一度飛散し，再度電極表面上に径の 2 乗に比例して大きくなる．一方で，微粒子 1 粒あ

落下したガラスビーズが再度飛散することも確認されたりの重力は微粒子の半径の 3 乗に比例して大きくなる．

た．つまり，ガラスビーズは何度も飛散を繰り返すこと

そのため，粒径が大きくなるにつれて，微粒子が帯電すで電極の外側に移動することが分かった．

ることにより発生するクーロン力よりも重力が上回るため，図 9 のような結果が生じたと考えられる．

10, 12）

また，対象微粒子をガラスビーズから線香の煙に変更
し，気体流れの観測を行った．可視化方法に関しては，

次に，ガラスビーズ（70 μm ）の各周波数における微25× 25× 25 cm のアクリルボックス内に電極を設置し，粒子除去の時間推移を図 11 に示す．周波数が 10 Hz の

容器内に線香の煙を充満させたのち，微粒子の場合と同3静電気力によるマイクロプラズマ電極表面上の微粒子除去の研究（清水 一男ら）

31

めと考えられる．一方，高周波数（5 kHz～）においては，
ガラスビーズが高電圧電極の隣り合う線電極間で振動を繰り返していることが確認された．特に，ガラスビーズの粒径が大きくなるにつれて，上方向に飛散するガラス
ビーズの数が減少することが確認された．これは，粒径が大きくなるにつれて，クーロン力の鉛直方向成分よりも重力が大きくなるためであると考えられる．これから，
ガラスビーズ微粒子は水平方向にのみ運動し，また，電圧の極性が高速に反転するため，線電極間で電極からの反発を繰り返し，振動運動をすると考えられる．その結果，
ガラスビーズの除去率が急激に低下したと考えられる．
図 12 正弦波電圧（1 kV，50 Hz ）印加後 50 ms 後のガラスビーズの振る舞いの可視化：（ a ）ガラスビーズ（45μm ），（ b ）ガラスビーズ（70 μm ），（ c ）ガラスビー
ズ（100 μm ）Fig.12 Visualized image of glass beads movement after applying
the AC voltage with 1 kV and 50 Hz for 50 ms:（ a ）glass
beads（45 μm）,（ b ）glass beads（70 μm）,（ c ）glass
beads（100 μm）.

4．まとめ
本研究ではマイクロプラズマ電極を用いて，粒径の異なる 3 種類のガラスビーズの電極表面上からの除去を目的として，振幅 1 kV の正弦波高電圧を電極に印加した．
印加電圧の周波数を変化させることで，低周波数（～50Hz ）においては全ての粒径において 99％のガラスビーズを除去することができたのに対し，高周波数（5 kHz～）になるにつれて除去率が低下していくことが確認された．また，除去率が低下し始める周波数は，粒径が大き
くなるにつれて小さくなることがわかった．これは粒径が大きくなるにつれてガラスビーズに働くクーロン力よ
りも重力の影響が大きくなったためであると考えられる．また，振る舞いを可視化した結果，粒径が大きくなるにつれてガラスビーズが飛散した際に到達する高さも図 13 各半周期におけるガラスビーズ微粒子の帯電および除去のプロセス：（ a ）低周波数（～50 Hz ），（ b ）高周波数（5 kHz～）
Fig.13 Charging and removal process of glass beads during eachhalf cycle:（ a ）at low frequencies（～50 Hz）（, b ）at highfrequencies（5 kHz～）.

低くなることが確認された．
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kHz 以下においては線香の煙の動きは観測されず，プラズマアクチュエータが誘起するような流れは観測されなかった．10 kHz では誘起流が生成されたものの，電子天秤を用いて上向き流れにより発生する推力を測定したとこ
ろ ，ガラスビーズ 1 粒あたりの重力より小さい値であっ35）

た．以上より，本研究で用いた印加電圧範囲内では，イ
オン風は微粒子除去に寄与していないものと考えられる．
ここで，図 13 に微粒子の帯電および除去プロセスを

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図 13（a）に示したように，ガラスビーズ微粒子が正の半形電気集塵装置における再飛散防止と下流壁面への粒子

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