静電気学会誌，40, 4（2016）193-198

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

パルスパワーを用いたCD-Rの金属剥離
山下 智彦 ，秋山 秀典 ，佐久川 貴志 ，S. Hamid. R. Hosseini
＊, 1

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（2015年11月20日受付；2016年5月19日受理）

Separation of Metal and Plastic of CD-R Using Pulsed Power
＊, 1

＊＊

Tomohiko YAMASHITA , Hidenori AKIYAMA ,＊＊＊＊Takashi SAKUGAWA and S. Hamid. R. Hosseini（Received November 20, 2015; Accepted May 19, 2016）
Plastics coated by metal are as components of automobiles and such electronics as smart phones, tablets and personalcomputers. Recycling of these components is problematic due to difficulty and high cost. Environmental concerns and the rarityof some of the metal components make important finding effective ways to efficiently recycle these components. Here, we
describe the separation of metal-coated plastics using pulsed power. A CD-R was used as an example of metal-coated plastic. A
magnetic pulse compression generator with maximum storage energy of 40 J/pulse was used to separate silver foil from theplastic. Almost all of the metal covering the polyethylene basis was removed following application of 20 shots of pulsed power.

1．はじめに済み製品からリサイクルすることが重要である．しかし，時間的に圧縮された大電力であるパルスパワーは，高大型製品は金属の含有量が多いためリサイクルが盛んに電圧・高電界，大電流・高磁界や放電・プラズマを発行われているが，多くの小型製品には少量しか含まれて生・生成し，その物質や生体への作用などを用いることいないために，大量に使用済み製品を回収したとしてもによって，環境やバイオテクノロジー，リサイクル，材コストがかかり経済的に見合わない場合には，有価物と料，医療などの幅広い分野で研究が行われている

してではなく廃棄物として処理されてしまう ．

．

1-7）

10）

パルスパワーの一つの応用であるリサイクル分野におい

現在，金属とプラスチックを分離する方法としては，ては，自然保護のためにパルスパワー放電方式を用いて粉砕分離リサイクル方式や溶剤分離リサイクル方式が活廃コンクリートを破砕し，強度を増すために使用されて用されているが，粉砕分離方式の装置は大型であるためいる骨材を劣化させることなく分離する研究や，使用済中小規模の工場が主体のリサイクルプラントに導入する

み電気製品内の回路基板を破砕して再利用するという研ことは困難であること，また，溶剤分離方式は，プラス究も行われている

チックに付着した剥離液が成型金型を腐食してしまう可

．

8, 9）

現在，私たちの生活を豊かにする家電製品や高画質の能性があることなどの欠点が指摘されている．

11, 12）

写真・動画を撮影記録できる携帯端末，記録媒体である本研究では，パルスパワー放電を用いてプラスチックCD や DVD などが数多く使用されており，買い替えやと金属を分離する方式の基礎的研究を行い，中小規模リ故障により使用済み製品が大量に排出されている．電気サイクルプラントにおいても使用可能な新しいリサイク

電子機器に使用されている金属は，各々異なった特性をル技術に繋げることを目的とする．具体的には，プラスもつベースメタル，貴金属，レアメタル等に大別される．

チック基板に金属が蒸着されている CD-R（ compact disc-

特に，レアメタルや貴金属は埋蔵量が少ないため，使用recordable ）を取り上げ，パルスパワーを印加することによりプラスチックと金属（ Ag ）を分離する．実験にキーワード：パルスパワー，リサイクル，金属剥離，磁気パルス圧縮回路，CD-R＊
熊本大学大学院自然科学研究科（〒860-8555 熊本県熊本市中央区黒髪 2-39-1）
Graduate School of Science and Technology, Kumamoto
University, Kurokami 2-39-1, Chuo-ku, Kumamoto, Japan＊＊
熊本大学パルスパワー科学研究所（〒860-8555 熊本県熊本市中央区黒髪 2-39-1）
Institute of Pulsed Power Science, Kumamoto University,Kurokami 2-39-1, Chuo-ku, Kumamoto, Japan1t.yamashita@st.cs.kumamoto-u.ac.jp

おいては，金属剥離機構を解明するために，剥離処理が終えるまで，パルスパワーを 1 ショット印加する毎に剥離の様子や剥離に伴う放電を撮影すると共に，剥離し回収した銀の量を計測した．

2．実験装置および方法
2.1 金属剥離装置
本研究で用いた金属剥離装置の概略図を図 1 に示す．
最大出力エネルギー40 J/pulse，最大繰り返し周波数 40

静電気学会誌 第40巻 第 4 号（2016）

194（40）pps（ pulses per second ）の磁気パルス圧縮方式パルスパワー電源（ Pulsed Power Generator ） （図 2）によって発13）

電後の CD-R の状態は CD-R の真上から撮影した．
図 2 に示されている磁気パルス圧縮方式パルスパワー生させたパルスパワーを，CD-R の内円（ CD-R の中心電源の回路動作は，まず，静電容量 8.9 µF のコンデン付近の反射層である金属の端の円）に置かれた円環状高サ C0 を最大 3 kV に充電したあとターンオフサイリスタ

電圧電極と，外円（ CD-R の周囲の反射層である金属の（ GTO ）がターンオンし，静電容量 200 nF のコンデンサ端の円）に置かれたアース電極の間に印加する（図 3）．

C1 を最大 20 kV に充電する．C1 が充電された後，可飽両電極は，直径 1.6 mm の銅線を用いた．図 1 に示すよ和インダクタ SR2 が飽和状態となりパルストランス PT2

うに，剥離されて飛散した金属を収集するために，CD-Rによって昇圧された最大出力電圧 120 kV が負荷に印加さをアクリルボックス内に設置した．電圧波形は高電圧プれる．本研究では，コンデンサ C0 に充電される電圧を変ローブ（ EP-150KP, 日新パルス電子株式会社製），電流化させて，コンデンサ C1 に充電される電圧を 10.8 kV，波形はカレントモニタ（ Model-110A, Pearson electronics ）11.8 kV，14.4 kV，18.8 kV，すなわち充電エネルギーをを用いて，オシロスコープ（ DPO 5104B, Tektronix 社製）

11.7 J，13.9 J，20.7 J，35.3 J と変化させたときの金属のにより測定した．パルスパワーを印加した時の CD-R 上剥離の観察を行った．

で発生する放電を 1 眼レフデジタルカメラ（ D40, Nikon

図 3 のように CD-R の内円と外円に沿って高電圧電極社製）により F 値 36，露光時間 1 s の条件で観察し，放とアース電極として用いる銅線を設置し，両電極の導線を上方向に延ばした．銅線間で放電が起きないように，透明な塩化ビニール管（内径 10 mm，外径 12 mm ）の中に銅線を通した．またパルスパワー印加による衝撃で両電極が動いてずれないように，アクリル製の保護ケースによって外周から CD-R と電極を固定した．内円と外円に設置した両電極間の距離は約 4.0 cm である．

2.2 CD-Rの層構造
本研究において使用した CD-R の基本的な層構造を図4 に示す．CD-R は，電子情報の記録が可能な光学記録媒体の一つであり，ランダムアクセスが可能で，記録再生が非接触のため媒体の扱いが簡便であるという特徴をもつ．そのため，大量の数が一般家庭や企業において使
図 1 金属剥離装置の概略図
Fig.1 Schematic diagram of experimental setup for separation of metal.

用され廃棄されている．CD-R は記録レーザー光に対して透明な基板，記録層，反射層，保護層からなる構成となっている．基板はポリカーボネート製で膜厚が 1.2mm で，記録層はスピンコート法により 10～100 nm オーダーの薄い膜厚で形成されており，また反射層はスパッタ法によって金（ Au ）や銀（ Ag ）或いはそれらの合金により形成される ．
14）

CD-R の記録層には大きく分けてシアニン系，アゾ金属
図 2 MPC パルスパワー電源の回路
Fig.2 Circuit of the MPC-pulsed power generator.

図 3 電極構造概略図
Fig.3 Schematic diagram of electrodes.

錯体系，フタロシアニン系の 3 種類の系統の有機色素が実用化されている ．フタロシアニン系の中で最も代表的
14）なものは銅フタロシアニンであり，この銅フタロシアニン

図 4 CD-R の断面
Fig.4 Cross section of CD-R.

パルスパワーを用いたCD-Rの金属剥離（山下 智彦ら）

195（41）をアルゴン気流中において 1000℃まで段階的に加熱処理し，炭化に至るまでの過程を熱重量分析（ TGA ），示差熱分析（ DTA ）を用いて研究されている ．銅フタロシ
15）

アニンは，380℃から 620℃前後までは主として昇華によって，また，620℃前後から 700℃にかけては融解によって重量減少を示す．したがって，615℃に見られる DTA
曲線の吸熱ピーク及びだらだらとした吸熱は，昇華及び（ a ）1 shotst

融解に起因する．その後，DTA 曲線は発熱側へ戻り，715℃から再び吸熱に向かう．この時の発熱は，銅フタロシアニンの分解により放出される銅の結晶化によって起きる．
また，保護層には，コーティングなど様々な工業用途に用いられる紫外線硬化樹脂が使用されており，紫外線を照射することにより硬化する．紫外線硬化樹脂には，（ b ）2 shotnd

主に PET（ポリエチレンテレフタレート）樹脂が用いられ，絶縁破壊強度は 17～26 kV/mm，比誘電率は 3.2 程度である ．
16）

本研究で使用する CD-R は，記録層にフタロシアニン系，反射層には銀，保護層には紫外線硬化樹脂が使用されている．

（ c ）3 shotrd

3．実験結果および考察
3.1 金属剥離の様子
図 5 は，充電電圧 18.8 kV，充電エネルギー 35.3 J/pulseに設定されたパルスパワーのショット数を増やしたときの，CD-R の金属剥離の様子（左側の写真）と放電の様子（右側の写真）である．図 （5 d）を例に説明すると，8（ d ）8 shotth

ショット目を印加する前の CD-R の写真を左側に，8 シ
ョット目の放電の写真を右側に示す．パルスパワーの印
加回数が増加するに伴い，ポリカーボネート基板から徐々に反射層の銀と表面の保護層の紫外線硬化樹脂が剥離していることがわかる．
1 ショット目を示す図 （5 a）右のように，高電圧電極右下部とアース電極上部付近で緑色の発光が観測された．

（ e ）9 shotth

この緑色の発光は，3.3 放電の発光特性で示すように，反射層の銀に起因しており，保護層が貫通破壊したことを示している．図 （5 b）の左側の写真で，反射層と保護層が剥離された付近と，図 （5 a）の右側の写真で認められる緑色の発光の位置が一致している．2 ショット目の放電写真の緑色の発光位置と図 （5 c）の左の写真の剥離の位置も一致している．また 1 ショット目の放電は，緑色の発光に加えて赤紫色の筋状の発光が観測されてい（ f ）10 shotth

図 5 パルスパワー印加に伴う金属剥離と放電の様子
Fig.5 Still photographs of metal separation and discharges.

る．この放電は，空気中での放電光と同じ色をしている電光が観測されている．図 （5 d）
において，剥離されていことから，保護層上での沿面放電と考えられる．沿面放ない反射層と高電圧電極間が最も近い箇所を矢印で示し

電部分では表面の変化は認められない．ている．矢印で示した基板のポリカーボネート表面で沿8 ショット目の放電光は，高電圧電極の右下部から放面放電が起こっている．9 ショット目と 10 ショット目も196（42）

静電気学会誌 第40巻 第 4 号（2016）（ a ）1 shotst

図 6 剥離処理後のポリカーボネート基板（20 ショット印加後）
Fig.6 Polycarbonate substrate of after separation treatment（ After20 shots）.

同様であり，特に 9 ショット目の放電光では，高電圧電極の下部付近から 2 本の放電光が観測された．パルスパワーの印加を繰り返すことで反射層と保護層が徐々に剥離され，高電圧電極と高電圧電極に最も近い反射層の間（ b ）2 shotnd

隔が大きくなっている．この条件の場合，約 20 回の印加回数によってほとんどの反射層と保護層を剥離し終える．
図 6 は，剥離処理後（20 ショット印加後）のポリカーボネート基板の表面の様子である．図 6 において，右の矢印はまだらに薄茶色になっている箇所，左の矢印は透明な箇所を示している．電極と反射層の間で放電が発生することにより，反射層の放電の端部で電流が集中して，発熱により反射層が気化して剥離が生じる．その際，（ c ）8 shotth

衝撃波によりその周囲の部分の剥離も生じる．よって，剥離処理を終えた時にポリカーボネート基板の表面がまだらに薄茶色になっているのは，電流が集中して発生した熱により反射層の下の記録層に用いられている有機色
素のフタロシアニンが変質しているためであり，また，その周りでは変質を生じずに衝撃波により剥離されたため，薄茶色ではなく透明になっている．
電極間に印加した電圧波形とアース電極の電流波形を（ d ）10 shotth

図 7 に示す．図 （7 a）の波形は，1 ショット目の電圧波形と電流波形である．10 kV 程度の電圧は，保護層表面での沿面放電，及び高電圧電極（場合によってはアース電極）と反射層との間における貫通破壊の発生に対応しており，この時の電圧のピーク値から保護層の破壊電圧がわかる．最初のピークは，沿面放電及び電極と反射層との間で発生する保護層の貫通破壊に対応しており，第 2のピークは，反射層の加熱・液化・気化による抵抗変化に対応すると思われる．2 ショット目は，1 ショット目で剥離した周囲から緑色の発光が観測されており，1 シ（ e ）20 shotth

図 7 電圧波形と電流波形
Fig.7 Waveforms of voltage and current.

ョット目の貫通より低い電圧で，剥離を引き起こしてい圧電極付近の反射層と保護層はすべて剥離された． 8 シる．3 ショット目から 7 ショット目までは，2 ショット

ョット目以降は高電圧電極周りの剥離が進行していき，目と同様な電圧波形と電流波形が観測されており，高電高電圧電極と剥離されずに残っている一番距離の短い反パルスパワーを用いたCD-Rの金属剥離（山下 智彦ら）

図 8 放電開始電圧のショット数依存性
Fig.8 Dependence of discharge peak voltage on shot number.

197（43）

図 9 充電エネルギーに対する総ショット数と総充電エネルギー
Fig.9 Dependence of total shot number and total charging energy
on charging energy per one shot.

射層との間のポリカーボネート表面での沿面放電が起こる．電圧と電流の積の積分値から計算された負荷への入力エネルギーは，10 ショット目の場合，3.3 J であった．
1 ショット目から 7 ショット目までは電極下に保護層があり，保護層の静電容量は比較的大きく，これに対して円環状電極間の気中ギャップ（空気層）の静電容量は小さい．以上より，1 ショット目から 7 ショット目までは保護層の静電容量の充電電流が比較的大きいため，図 7（a）のように電圧が 10 kV に達する絶縁破壊前から電流が流れている．
ショット数と電圧波形の最初のピーク電圧（放電開始電圧）の関係をまとめたのが，図 8 である．同条件にて

図 10 発光スペクトル（1 ショット目）
st.
Fig.10 Emission spectrum（1 shot）

3 回ずつ試行を行っており，剥離の様子の写真・電圧電撃波によって剥離が生じる．この衝撃波は充電エネルギ

流波形に対応するデータを実線で示している．8 ショッ

ーが大きい場合，すなわち電流が大きいほど強くなるた

ト目以降，沿面放電長がショット数と共に増加するため，め，ショット数にばらつきが見られたと考えられる．また，印加電圧もショット数と共に増加する．20 ショット印

充電エネルギーが大きいほど，剥離の進行は速くなる．

加後，CD-R 上の反射層と保護層はほとんど剥離される．

3.3 放電の発光特性

この時の電極間電圧は，55 kV に達している．試行ごと保護層の表面（図 （5 a）右の写真）やポリカーボネーのばらつきは若干あるものの，一定の傾向を示している．

ト基板の表面（写真では明らかでないが例えば図 （5 c）

3.2 充電エネルギーと金属剥離の関係

右の写真）で起きる沿面放電は赤紫色の発光をしている

1 枚の CD-R の剥離処理を終えるまでの総ショット数のに対し，高電圧電極やアース電極近傍で発生する放電と必要な総エネルギーの充電エネルギー依存性を，図 9や反射層である銀の近傍での放電は緑色の発光をしていに示す．充電エネルギー11.7 J，13.9 J，20.7 J，35.3 J そる．図 10 は緑色の発光の放電が起きている 1 ショット

れぞれの条件において 3 回ずつ試行を行った場合，剥離目の放電のスペクトルを示す．1 ショット目は電極の下処理を終えるまでに必要な総ショット数は，平均で 19部で発光するため，発光強度が弱いが銀のスペクトルが回，23 回，27 回，39 回であった．若干のばらつきはあ観測されている．したがって，1 ショット目で貫通破壊るものの，同一の傾向を示している．この結果から，金が生じたことがわかる．

属の剥離処理を終えるのに必要な回数は 1 ショット当た

3.4 金属の回収りの充電エネルギーが大きいほど少なくなった．ただし，

表 1 に，実験前の CD-R の質量，実験後の CD-R の質量，

1 枚の CD-R の剥離処理を終えるのに必要な総エネルギ

二つの質量差（ Mass difference ），回収された破片の質ーは大きくなる．

量（ Mass really measured ），及び二つの質量差と回収さ電極と反射層間で沿面放電が発生すると，反射層の放れた質量の差の百分率（ Relative error ）を示す．質量は電の端部で電流集中が生じ，発熱により反射層が気化し電子天秤によって計測された．回収された破片の質量は，て剥離が生じる．その際，その周囲の部分においても衝

CD-R の処理前後の質量計測から予測される値とほぼ一198（44）

静電気学会誌 第40巻 第 4 号（2016）

表 1 有価金属の回収
Table 1 Gathering of separated metal.

Mass
Mass of Mass of
Mass
RelativereallyCD-R（g） CD-R（g） differenceerrormeasured（ Before ）（ After ） （ g ）（%）（g）
11.7 J 15.355
15.003
0.352
0.342
2.841
13.9 J 15.370
15.030
0.340
0.320
5.882
20.7 J 14.981
14.643
0.338
0.324
4.142
35.3 J 15.083
14.748
0.335
0.330
1.493
致した．平均で約 3.6% の差は，反射層と保護層が放電により蒸発したことが考えられる．

参考文献
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4．まとめ
本論文では，パルスパワー放電方式を用いることでプラスチックと金属を分離し効率的なリサイクル技術の開発を目的として，金属剥離の機構の解明を試みた．
まず，パルスパワーを印加することによってどのように剥離が行われているのかを調べた．1 ショット目で保護層の貫通破壊が発生し，高電圧電極とアース電極付近で，反射層と保護層が一部剥離される．ショット数を増やすと主に高電圧電極周辺のすべての反射層と保護層が剥離し，高電圧電極と反射層が分離される．その後は，ショットを増加すると共に，高電圧電極と反射層間の距離が増加し，最終的にほとんどの反射層と保護層が剥離される．電極間のピーク電圧は，高電圧電極と剥離後の反射層間の最短距離と共に増加した．
金属剥離の機構は，まず表面の保護層の貫通破壊が発生し，放電に接している反射層の加熱・蒸発・膨張・プラズマ化に伴う衝撃波によって金属剥離が起きる．その後，同様な現象により，剥離が進行する．さらには，孤立した反射層を経由した放電により反射層は完全に剥離される．充電エネルギーが大きい場合，1 回のパルスパワー印加によって金属剥離される面積が大きいため，処理にかかる回数は少なくて良いことが明らかとなった．
ただし，CD-R を 1 枚処理するのに必要なエネルギーは大きくなる．
また，実際にパルスパワー放電方式によるリサイクル技術として利用する場合，今回使った最大繰り返し周波数 40 pps の磁気パルス圧縮方式パルスパワー発生器を用いると，CD-R1 枚に必要な処理時間は約 0.5 秒から 1秒ほどである．ベルトコンベアなどにより次々と CD-Rをセットしていくことで，リサイクルプラントでの産業応用が可能である．今回の実験で得られた結果より，
CD-R1 枚を処理するための電気代も，約 0.0033 円（約16.65 円／ kWh として）と小さい．

3505） K. Imasaka, S. Gnapowski and H. Akiyama: Metal plating
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Society of Plasma Science and Nuclear Fusion Research,Journal Plasma Fusion Research Series, 8（2009）1471
8） 浪平隆男，重石光弘，中島一行，村上彰，黒木香里，喜屋武毅，友田祐一，佐久川貴志，勝木 淳，秋山秀典，大津政康：水中パルス放電方式骨材再生技術．電気学会
誌論文 A，126（2006）197
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イクルに関する研究，熊本大学学術リポジトリ（2010）13）M. Akiyama, Z. Yang, S. Gnapowski, S. H R. Hosseini, H.
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Produced by Pulsed Power Using High-Speed Camera. IEEE
Transactions on Plasma Science, 42（2014）3215
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15）相馬

勲：銅フタロシアニンおよび無金属フタロシアニ

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