大気圧プラズマ

大気圧プラズマ（またはAP プラズマ、常圧プラズマ）は、圧力が周囲の大気の圧力（いわゆる常圧）とほぼ一致するプラズマです。

大気圧プラズマ生成の基礎

電極を介してガス媒体に供給される直流電圧がガスの破壊電圧よりも高い場合、放電が点火され、プラズマが維持されます。この破壊電圧と pd 積 (p はガス圧力、d は電極間の距離) の関係は、パッシェンの法則と呼ばれます。^[1]^[2]さまざまなガス分子の場合、パッシェンの法則によって推定される破壊電圧は、約 pd = 1-10 Torr cm の最小値を持ちます。これは、ガス放電が点火するための実用的な破壊電圧を得るためには、ガス圧力が増加するにつれて、より小さな電極ギャップ距離が望ましいことを示しています。大気圧でのパッシェン最小条件は、ギャップ間隔が 1 ミリメートルよりかなり小さいときに達成でき、その時点で、ガスの破壊に必要な直流電圧は数百ボルトになるはずです。ただし、大気圧でのアルゴンガスの破壊直流電圧は、ギャップ間隔が 5 mm で数 kV まで上昇すると予測されます。^[3]

ブレークダウン電圧を下げると、取り扱いの柔軟性が向上し、ソースの操作が容易になるため、プラズマソースの設計の観点から有利です。高周波 HF 電圧ソースの使用は、ブレークダウン電圧を下げる 1 つの方法です。

圧力が上昇するにつれて、衝突による電子からガス分子やイオンへのエネルギー伝達がより効率的になり、電子、ガス分子、イオン間の熱平衡が確立されます。しかし、電子とガス分子やイオン間のエネルギー伝達を阻害することは可能です。誘電体バリア放電（DBD）は、大気圧下で非平衡状態で低温プラズマを生成する主な方法の1つです。^[4]^[5]

さらに、大気圧グロー放電は、低周波（10～100kHz）電源で駆動する場合、安定して一貫した動作を確保するために電極の片側に誘電体バリアが必要であるという報告があります。しかし、動作周波数がRFに上昇し、13.56MHzに達すると、プラズマの安定性が大幅に向上し、安定した動作に誘電体バリアは不要になります。^[6]

技術的意義

大気圧プラズマが重要なのは、低圧プラズマや高圧プラズマとは異なり、圧力を維持するための反応容器が必要ないためです。生成原理に応じて、これらのプラズマは生産ラインで直接使用できます。これにより、低圧プラズマ技術で使用される部分真空を生成するためのコストのかかるチャンバーが不要になります。^[7]

世代

低圧プラズマの欠点は大気圧でのプラズマ形成によって回避できるが、大気圧プラズマを維持するにはガス破壊に高電圧が必要となり、電子とガス分子の衝突が大きくなり、アーク放電やガス加熱につながる可能性がある。^[8]

励起にはさまざまな形式があります。

DC（直流）および低周波励起
RF（無線周波数）励起
マイクロ波励起

注目すべき産業的意義を獲得した大気圧プラズマは、DC 励起 (電気アーク)、AC 励起 (コロナ放電、誘電体バリア放電、圧電直接放電、プラズマジェット、および 2.45 GHz マイクロ波マイクロプラズマ) によって生成されるものです。

DCプラズマジェット

高電圧放電 (5～15 kV、10～100 kHz) により、パルス電気アークが生成されます。この放電セクションを通過するプロセスガス (通常はオイルフリーの圧縮空気) は励起され、プラズマ状態に変換されます。このプラズマは、ジェットヘッドを通過して処理対象の材料の表面に到達します。ジェットヘッドはビームの形状を決定し、プラズマストリームの電位を運ぶ部分を抑えるためにアース電位になっています。

マイクロ波プラズマジェット

マイクロ波システムは、最大200ワットの電力を出力する増幅器を使用して、プラズマを生成するアークを生成します。ほとんどのソリューションは2.45GHzで動作します。新しい技術は、同じ電子および結合ネットワークで点火と高効率動作を提供します。^[9]この種類の大気圧プラズマは異なります。プラズマは電極の上部のみです。これがカニューラジェットの構築が可能になった理由です。

アプリケーション

製造業者は、接着や塗装の準備として、プラスチックや金属の表面を活性化および洗浄するためにプラズマジェットを使用しています。現在では、複数のジェットを一列に並べることで、最大数メートル幅のシート材を処理できます。プラズマジェットによる表面改質は、低圧プラズマで得られる効果に匹敵します。^[10]

ジェットの出力に応じて、プラズマビームは最大40 mmの長さになり、処理幅は15 mmになります。特殊な回転システムにより、ジェットツールあたりの処理幅は最大13 cmになります。^[11] 必要な処理性能に応じて、プラズマ源は処理対象材料の表面に対して10～40 mmの間隔で、5～400 m/分の速度で移動します。

このシステムの主な利点は、既存の生産システムにインラインで統合できることです。さらに、達成可能な活性化は、電位ベースの前処理方法（コロナ放電）よりも明らかに高くなります。

この技術により、さまざまな表面をコーティングすることが可能です。多くの金属に溶剤を使用せずに防錆層や接着促進層を塗布できるため、より環境に優しいソリューションが実現します。

参照

参考文献

^ Lieberman, Michael A.; Lichtenberg, Allan J. (2005-04-08). プラズマ放電と材料処理の原理 (第 1 版). Wiley. doi :10.1002/0471724254. ISBN 978-0-471-72001-0。
^ フリードリヒ、パッシェン (1889 年 1 月)。「Ueber die zum Funkenübergang in Luft, Wasserstoff und Kohlensäure bei verschiedenen Drucken erforderliche Potentialdifferenz」。アンナレン・デア・フィジーク。273 (5): 69–96。土井：10.1002/andp.18892730505。ISSN 0003-3804。
^ Schutze, A.; Jeong, JY; Babayan, SE; Jaeyoung Park; Selwyn, GS; Hicks, RF (1998 年 12 月)。「大気圧プラズマジェット: レビューおよび他のプラズマ源との比較」IEEE Transactions on Plasma Science 26 (6): 1685–1694. doi :10.1109/27.747887 。
^ Kogelschatz, U. (2002 年 8 月). 「フィラメント状、パターン化、拡散バリア放電」. IEEE Transactions on Plasma Science . 30 (4): 1400–1408. doi :10.1109/TPS.2002.804201. ISSN 0093-3813.
^ 金沢誠; 小駒正之; 森脇剛; 岡崎誠 (1988-05-14). 「大気圧下での安定したグロープラズマ」. Journal of Physics D: Applied Physics . 21 (5): 838–840. doi :10.1088/0022-3727/21/5/028. ISSN 0022-3727.
^ 野崎智弘、岡崎健 (2008-06-13). 「大気圧グロー放電によるカーボンナノチューブ合成：レビュー」.プラズマプロセスとポリマー. 5 (4): 300–321. doi :10.1002/ppap.200700141. ISSN 1612-8850.
^ Wolf, Rory A.、表面改質のための大気圧プラズマ、Wiley、2012年
^ Schutze, A.; Jeong, JY; Babayan, SE; Jaeyoung Park; Selwyn, GS; Hicks, RF (1998 年 12 月)。「大気圧プラズマジェット: レビューおよび他のプラズマ源との比較」IEEE Transactions on Plasma Science 26 (6): 1685–1694. doi :10.1109/27.747887 。
^ Heuermann, Holger; et al. (2012年6月). 10-200W 2.45GHzマイクロプラズマのさまざまな用途と背景. 第60回国際マイクロ波シンポジウム. Bibcode :2012imsd.conf59386H. doi :10.1109/MWSYM.2012.6259386.
^ Noeske M.、Degenhardt J.、Strudhoff S.、Lommattzsch U.：大気圧下での5種類のポリマーのプラズマジェット処理：表面改質と接着への関連性、国際接着・接着剤ジャーナル、24（2）2004、pp.171-177
^ Buske C.、Förnsel P.: Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen (表面のプラズマ処理のための装置); EP 0986939

引用

文献

Tendero C.、Tixier C.、Tristant P.、Desmaison J.、Leprince P.: 大気圧プラズマ: レビュー; Spectrochimica Acta Part B: 原子分光法; 第 61 巻、第 1 号、2006 年 1 月、pp 2 ～ 30。
Förnsel P.: Vorrichtung zur Oberflächen-Vorbehandlung von Werkstücken (ワークピースの表面前処理のための装置)。 DE 195 32 412
EU-IP4Plasma eラーニングポータル:物質の第4の状態とその技術的利用に関する基本的事実
フラウンホーファー研究所 (IFAM): Plasmatechnik und Oberflächen (プラズマ技術と表面) – PLATO
ライプニッツプラズマ科学技術研究所 (INP グライフスヴァルト eV) 2014-02-01 にWayback Machineでアーカイブ
大気プラズマの生成と表面への影響 - Flashアニメーション
パルス大気アーク技術
英国のメーカー Henniker Plasma が大気圧プラズマ処理をわかりやすく解説
Plasmatreat US LP: 大気圧プラズマ処理
マイクロ波駆動大気圧プラズマの基礎

[1] Lieberman, Michael A.; Lichtenberg, Allan J. (2005-04-08). プラズマ放電と材料処理の原理 (第 1 版). Wiley. doi :10.1002/0471724254. ISBN 978-0-471-72001-0。

[2] フリードリヒ、パッシェン (1889 年 1 月)。「Ueber die zum Funkenübergang in Luft, Wasserstoff und Kohlensäure bei verschiedenen Drucken erforderliche Potentialdifferenz」。アンナレン・デア・フィジーク。273 (5): 69–96。土井：10.1002/andp.18892730505。ISSN 0003-3804。

[3] Schutze, A.; Jeong, JY; Babayan, SE; Jaeyoung Park; Selwyn, GS; Hicks, RF (1998 年 12 月)。「大気圧プラズマジェット: レビューおよび他のプラズマ源との比較」IEEE Transactions on Plasma Science 26 (6): 1685–1694. doi :10.1109/27.747887 。

[4] Kogelschatz, U. (2002 年 8 月). 「フィラメント状、パターン化、拡散バリア放電」. IEEE Transactions on Plasma Science . 30 (4): 1400–1408. doi :10.1109/TPS.2002.804201. ISSN 0093-3813.

[5] 金沢誠; 小駒正之; 森脇剛; 岡崎誠 (1988-05-14). 「大気圧下での安定したグロープラズマ」. Journal of Physics D: Applied Physics . 21 (5): 838–840. doi :10.1088/0022-3727/21/5/028. ISSN 0022-3727.

[6] 野崎智弘、岡崎健 (2008-06-13). 「大気圧グロー放電によるカーボンナノチューブ合成：レビュー」.プラズマプロセスとポリマー. 5 (4): 300–321. doi :10.1002/ppap.200700141. ISSN 1612-8850.

[7] Wolf, Rory A.、表面改質のための大気圧プラズマ、Wiley、2012年

[8] Schutze, A.; Jeong, JY; Babayan, SE; Jaeyoung Park; Selwyn, GS; Hicks, RF (1998 年 12 月)。「大気圧プラズマジェット: レビューおよび他のプラズマ源との比較」IEEE Transactions on Plasma Science 26 (6): 1685–1694. doi :10.1109/27.747887 。

[9] Heuermann, Holger; et al. (2012年6月). 10-200W 2.45GHzマイクロプラズマのさまざまな用途と背景. 第60回国際マイクロ波シンポジウム. Bibcode :2012imsd.conf59386H. doi :10.1109/MWSYM.2012.6259386.

[10] Noeske M.、Degenhardt J.、Strudhoff S.、Lommattzsch U.：大気圧下での5種類のポリマーのプラズマジェット処理：表面改質と接着への関連性、国際接着・接着剤ジャーナル、24（2）2004、pp.171-177

[11] Buske C.、Förnsel P.: Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen (表面のプラズマ処理のための装置); EP 0986939