各種大気圧プラズマ装置
大気圧プラズマとは
弊社の装置に採用しているプラズマは、真空容器や反応用ガスを充満させる等の特殊な環境を必要としない、常圧大気中で発生させる大気圧プラズマを使用しています。
イラスト 春犬
プラズマとは・・・
非常に大きなエネルギーを持った状態のガス（電離した原子と等しい数の電子を含む気体）の状態の総称です
気体原子に大きなエネルギーを与えると、原子の回りを回っている電子が活性化し、激しい動きに耐えられなくなると、外周部の電子が飛び出してしまいます。飛び出した電子は大きなエネルギーを持った状態で周囲の原子と衝突し、周囲の原子も活性化されて電子が飛び出してしまいます。この現象がエネルギーが減衰するまで連鎖的に起こり広がっていきます。
電子が少なくなった原子は、不安定で非常に活発な状態となり、このような原子の状態をプラズマと呼びます。
この時、電子が飛び出した原子は＋イオン化しますが、飛び出した電子も周囲に存在するため、電気的に中性となっていることもプラズマ状態の特徴です。
プラズマ状態となった原子は安定した状態に戻ろうとして、周囲の物質と様々な化学反応を起こします。
プラズマ状態の原子は通常の物質には無い特殊な性質を持つため、個体、液体、気体に続く第４の形態と言われています。
地上でプラズマを発生させる方法として、プラズマの元となる気体原子に大きな電気エネルギーやマイクロ波を与えることでプラズマを生成することが可能です。 産業界で使用されているプラズマには大きく分類して、２種類あります。
◯ 直流電圧を与えて継続的にプラズマを発生させ、数千~数万度の高温になる " 熱プラズマ ”
◯ パルス電源により、プラズマガスの温度上昇を抑えた " 低温プラズマ ”
" 熱プラズマ ” は主にプラズマの超高温とガス圧を利用した、金属の溶断等に使用されています。
" 低温プラズマ ” はプラズマが持つ活発な化学反応を利用した様々な用途で利用されています。
従来から産業用として利用されている低温プラズマ装置は装置内を真空状態にした後、処理用ガスを必要量送り込んでプラズマを発生させる真空(減圧)プラズマ装置が主で、処理精度や効果は高いものの、大掛かりな設備とプラズマ処理ごとに装置内を減圧するための時間が必要であり、大きな設備投資が必要でした。従って、半導体製造や蒸着、ドライエッチング加工等、設備投資に見合う特殊な用途に限定されていました。
近年、減圧を行わず、大気圧中でも安定してプラズマを発生させる技術が確立され、徐々に産業用として利用されるようになってきました。 これを大気圧プラズマと呼称しています。
大気圧中でプラズマを利用できることにより減圧する時間が必要なく、真空チャンバー等の大掛かりな設備が不要となることで設備コストが大幅に下がり、生産ライン中にも容易に組み込めるようになりました。
減圧する必要が無いため、ポリマー、有機物、繊維、液体など減圧に適さない素材に対しても、プラズマ照射が可能になりました。
また、卓上や手持ち作業でも扱えるような小型装置の製作も可能で、研究用途や手加工での使用でも手軽に導入することが可能となり、応用範囲が大きく広がりました。
この大気圧プラズマを利用すると、通常では起こりえない様々な現象が起こります。
主な効果としては、素材表面に付着してしまう通常の洗浄では除去できないような微細な有機物等や不要な元素を分解、気化することによる洗浄効果及び活性化効果、素材表面の分子結合を切断し組成を変化させる表面改質効果、素材の表面に水酸基を加飾するなどの作用で液体等が弾きにくくなる親水性の向上効果などがあります。
素材としての撥水性が高く、水や洗剤、アルコール等で洗浄しても変化の少ない素材、洗浄の困難な素材に対しても、プラズマを照射することで、親水性を持たせる効果などに期待できます。（＊素材により、効果は異なります）
これまでのUV処理やオゾン処理、薬液処理等に比べて、非常に短時間（処理時間数秒以内）で同等の効果を得られる素材もあり、従来の工法に比べて、設備コスト、専有面積、生産コスト、環境負荷の低減など大きなメリットが期待できます。
素材によっては、大気圧プラズマを使うことで、接着剤を使用せずに接合できるもの、融点に満たない温度で接合できるものもあります。
真空プラズマでは不可能な水分や気体を含む素材、液体やゲル状の素材にもプラズマ照射可能です。
弊社のプラズマジェットのガス温度は60℃以下（一部機種を除く）のため、耐熱性の低い素材にも照射が可能です。
大気圧プラズマジェット装置は、世の中のほとんどの素材に対して、熱や電気的ダメージ(注＊)を与えること無くプラズマ照射が可能であることから、従来の工業用途だけでなく、各種大学や研究機関、農業、水産、医療、美容、有害物質の処理、遺伝子工学に至るまで、様々な分野で利用され始めています。
今後、大気圧プラズマによって、様々な新しい素材、加工方法、想像もできなかったような技術が開発されていくことでしょう。
弊社では、小型の大気圧プラズマテスト機の "初回1週間、無償レンタルサービス” を実施しております。
お客様のお手元で、この最先端の技術に繋がる反応をお試し頂けますと幸いです。
様々な新しい用途を実現できるように開発を進めています。
お客様からのお問い合わせも、装置開発、用途開発の貴重なきっかけとなりますので、お気軽にお問い合わせ頂けますと幸いです。
注＊ ダイレクトタイプは対象物に対して約10kVの電圧がかかります。
プラズマジェットタイプの活性ガスは約60℃、電気的には中性です
熱プラズマ 金属切断加工
未処理 ←
→ プラズマ処理
プラズマ照射による親水性向上効果、表面改質効果により、塗装、メッキ、接着、接合、吸水性素材等の品質向上が期待できます。
その他にも、ドライ洗浄、新素材や工法の開発、接着剤を使用しない接合、微細粉末の水溶化、有害ガスの分解、殺菌、水質浄化、農業や医療等への利用も研究されており、様々な用途に応用できる可能性があります。
弊社での接触角解析法はEllipse (Tangent-1)を使用しています
水滴の左右を独立した楕円として素材接触部の角度を正確に計測するため、
一般的な1/2θ法と比較すると2～4°大きな数値となっています
ABS、PET、ポリカーボネート、ポリイミド、ガラス、金属などは良好な親水化変化が見られます
（＊素材メーカー、グレード、表面状態により親水化の数値は大きく変わります。必ず現物での効果確認が必要です）
＊ 大気圧プラズマジェット照射による表面改質効果は、素材表面の極浅い部分の反応となります。したがって、同じ名称の素材であっても、素材表面にコーティングや防錆処理、酸化膜などがある素材は、それらの表面組成に対する反応となりますので、無垢の素材とは全く違う結果となることがあります。
＊ フッ素系樹脂、シリコーンゴム等は、低温大気圧プラズマ照射のみでの親水化効果は見込めません
但し、シリコーンゴムは親水化効果は少ないものの、大気圧プラズマ照射による接合や接着力強化などの表面改質効果が大きく、必ずしも、" 親水化=プラズマの効果 " では無いことが確認できます。
しかし、接着、粘着、塗装などの実用用途では、プラズマ照射により素材に起こる反応と、接着剤、塗料などとの相性が重要となり、親水化効果と一致しない事例が多くあります。
シリコーンゴムに大気圧プラズマジェットを長時間照射することで、接触角を10°以下まで低下できることが
確認できました
シリコーンゴム同士の常温での接着剤レス接合も確認できました
New
プラズマ照射前
接触角109°
プラズマ照射後
接触角２°
親水化効果と目的効果の不一致例
シリコーンゴムの 親水化 ≠ 表面活性化
プラズマ照射によるシリコーンゴムの接着剤レス接合 強度テスト
未処理 プラズマ照射後
シリコーンゴムの親水性変化
短時間のプラズマ照射では親水性の
変化はほとんどありません
＊ 長時間照射を行うと接触角は10°以下まで下がります
しかし、プラズマ照射面
同士を圧着すると
照射前はまったく張り付く気配も無かった
アクリル系粘着テープも実用強度になりました
接着剤無しで強力に接合できました
プラズマによりシリコーンゴムの
表面が改質、活性化されています
＊常温でも接合可能ですが、加熱することで短時間で強力な接合が可能になります
ポリカーボネートの 親水化 ≠ 親油化
ポリカーボネートやPETなどはプラズマ処理を行うと親水化しますが、油等は素材との組合せによって撥油性を示すことがあります
親水性に対して親油性、接着力などは必ずしも一致せず、対象素材の組み合わせによっては、全く逆の反応を示す場合があります
親水化しました
潤滑油は弾くようになりました
アクアが採用する "誘電体バリア放電式" 大気圧プラズマ
高電圧のかかった2枚の金属電極を近づけると、電気の流れやすい部分から雷状の放電が起こってしまいます
向かい合った金属板に高電圧かけると、－電極から＋電極に向かって、大きなエネルギーを持った電子が高速で移動します。
この電子が、電極間に存在する気体原子に衝突したり、気体原子の近くを高速で通過すると、気体原子中の電子の運動が激しくなり、耐えきれなくなった電子が飛び出してしまうことで、気体原子はプラズマ状態となります。
しかし、常圧空気中では高電圧をかけた電極板とアース板を近づけると、少しでも電気の通りやすい部分に電子が集中し、雷状のアーク放電が起こってしまうため、有効なプラズマを発生させることは困難です。
弊社のプラズマ電極は金属電極板の一方もしくは両方に誘電性絶縁物を設置することでアーク放電を防止し、交流の高電圧をかけることで電極全体に広く分散して電子が放出される現象を利用した、“誘電体バリア方式”を採用しています。
実験 アーク放電・ストリーマー放電・グロー放電
電極間に誘電体を配置し交流の高電圧をかけると、電子が分散して移動するようになります
電極に－の電圧がかかると誘電体表面の電子は反発し、対面に配置された＋の電圧がかかった電極に引き寄せられます
＋－を高速で入れ替えることで、電極間に連続して放電させることが可能になります
周囲の空気が静止している場合、一度放電したルートは空気の抵抗値が小さくなるため、同じルートをたどりやすくなり、針状の放電(ストリーマ放電)となります。激しい落雷の時、同じ形の雷が2度3度光るのと同じような現象ですね
電子が高速で行き交う空間に気体を送り込むと、気体を構成する原子は大きなエネルギーを受けて活性化した電子が飛び出してしまうことで、プラズマ状態となります。
原子構造は簡略化しています
原子構造は簡略化しています
放電している空間に気体を送り込むことで、抵抗値の下がった気体の道筋が乱され、放電が細かくなりました
さらに効率良く気体を流すことで電子が均等に分散され、雲状のグロー放電に移行します
プラズマ生成部の構造やガスの供給方法を工夫することで下記のような綺麗なグロー放電の状態が作れます
誘電体バリア方式で気体原子をプラズマ化するには、強力な電気エネルギーで電子を放出させますが、常圧大気中では気体の密度が高く、電極間に放出された電子が頻繁に気体原子と衝突してしまうために、すぐにエネルギーを失ってしまいます。
また、電極にかける電圧が高すぎると、局所的にアーク放電が起こり誘電性絶縁板を破損させてしまいます。
大気圧プラズマは電極間距離と電圧、周波数の微妙なバランスを保つことで実現しているため、短い距離（10KV時、理論的に３.5mm程度。実測1.5～1.7mm以下）の間でしか反応が見られません。
この短いプラズマ発生領域をどのように活用するかが、大気圧プラズマ装置を実用化するための鍵となります。
ダイレクトタイプ 窒素プラズマ 紫色の発光が確認できます
照射距離は1.5mm前後です。
プラズマが生成されている直近で処理を行えるため強い効果が得られます。
強い紫外線も発生しているため、観察には注意が必要です。
ジェットタイプ 窒素プラズマ 暗い部屋で観察すると、オレンジ色に発光するプラズマ活性ガスの噴射が確認できます
高電圧がかかるプラズマ生成部から離れたところでプラズマ処理が可能となるため、感電する危険が無く、熱の影響を受けにくい処理が可能
窒素プラズマ放出後に周囲の空気と反応し、発光色がダイレクトタイプと異なります。
弊社では、大気圧プラズマの理論を考え直し、高効率、低価格の大気圧プラズマ装置を開発いたしました。
高性能な大気圧プラズマ装置を、お求めやすい価格で提供できるように常に改良を重ね、様々な企業でより広い用途で採用して頂けるよう、研究開発を進めております。
どのような用途で大気圧プラズマが利用できるのか、まだまだ未知の分野の装置です。
さまざまな用途や対象物の形状に対応できるように改良、カスタマイズを行っています。
お客様からのご希望、ご提案、大気圧プラズマについてのご質問、"もしかしたら使えるかも” "どんなものか試してみたい” というような案件がございましたら、株式会社アクア まで、お気軽にご連絡頂けましたら幸いです。
各種テスト装置も御用意してお待ちしております。
** プラズマ装置使用時の注意事項 **
プラズマガス中では、気体原子がプラズマ化する時(通常状態に戻る時にも)に発光現象が起こります。
一部可視光領域の発光もあるため、導入するガスの種類により紫～赤橙色に光る様子が見られます。
しかし、可視光よりはるかに強い紫外線が同時に発光されているため、直視による観察には注意が必要です。(*1)
プラズマ発光が見える状態での運用時は、必ず紫外線保護用メガネを着用し、長時間の目視観察は控えるようにしてください。
紫 外線
赤外線
プラズマ生成時に強い
紫外線が発生しています
プラズマ発光観察時は
紫外線保護用眼鏡を着用
してください
イラスト 春犬
肉眼では見えない紫外線
プラズマ生成時の波長と光量
目視で見える光の範囲
可視光
** プラズマ装置使用時の注意事項 **
酸素を含むガスでプラズマを生成すると、オゾンが発生します。条件によっては、かなり高濃度のオゾンが生成されるため注意が
必要です。
また、酸素を含まないガスを使用する場合でも、放出された活性ガスが周囲の空気中の酸素と反応するため、オゾンが発生します。
十分な換気設備を考慮して使用してください。
生産装置に組み込む場合は、紫外線及びオゾン発散防止のため、保護カバーを設置してください。
ジェットタイプのプラズマ装置は大量の窒素ガスを使用します。 室内で使用すると酸欠事故等の危険がありますので、プラズマジェット照射部の排気、室内の換気には十分に注意してください。
オゾン発生量測定
プラズマジェットを水平に照射、吹き出し口直近50mmから1800mmまでの位置での酸素、オゾン、一酸化炭素、窒素酸化物の濃度を測定しました
周辺の空気と最も混ざりやすい状態でのテストのため、近距離ではかなり高い数値が出ています
（一酸化炭素や別途測定を行った窒素酸化物は測定限界以下でした）
＊オゾン濃度は部屋の換気状態で大きく変化します。特に大型機の場合は、密室状態では短時間でオゾン濃度の上昇、及び窒素ガスの充満による酸欠状態に達しますので、必ず換気設備のある場所で使用してください
通常使用するような条件（下向き照射、照射距離ワークまで1.5mm）では、100mm離れたところでのオゾン濃度は半分程度となっています
＊オゾン発生量はプラズマ照射部の装置状態や周囲の温度でも変化します。室温及びプラズマ電極の冷態時はオゾン発生量が多くなる傾向があります
JP-100（108mm幅機）
JP-100（108mm幅機）
HPJ-25SP（25mm幅機）
HPJ-DESKTOP-AT（25mm幅機）
株式会社アクア の大気圧プラズマ装置は
”ダイレクト方式” 、”ジェット方式”
２種類の方式を採用することで、様々なプロセスに対応可能です。
ダイレクト方式
DP シリーズ
向かい合った２枚の電極間に高電圧をかけ、処理用ガスを送り込むことで発生したプラズマガス中に処理対象素材を通過させる、もしくは、導電性の処理対象素材をアース材として、電極と素材間にプラズマを発生させる方式です。
原子構造は簡略化しています
処理対象物の直近でプラズマが発生し、素材に対して直に反応が起こるため、強力な効果が期待できます。
プラズマ効果の出やすい素材では、高速搬送による連続処理も可能になります。
また、電圧をかけた空間に外部から処理用ガスを送り込む方式のため、様々なガスに対応可能です。（*2）
ただし、処理対象素材にも約10,000V前後の高電圧がかかるため、高電圧に弱い処理対象物には注意が必要です。
プラズマ放電可能な距離が短く、1.5mm前後の隙間を通るフィルム素材、素材自体をアースにできる金属素材などに適しており、プラズマ処理面が平面であることに限られます。
注意 ! !
ダイレクトタイプはプラズマ電極とアース板間に高電圧が流れます。
処理中は決して手や体を近づけないよう注意して下さい。
装置のアース、電源コードのアースは確実に接続してください。
アース接続が不十分な場合、重大な感電事故につながる可能性があります。
ジェット方式
JP . HPJ シリーズ
DS-PJ1
”ジェット方式” はプラズマ発生用高圧電極とアース電極をプラズマ生成ユニット内部に設け、窒素ガスを高速で通過させることで、プラズマ化した活性ガスを放出する方式です。
原子構造は簡略化しています
電子を放出した窒素原子はプラスイオン化しますが、同等のマイナス電子も空間中に存在するため、照射される活性ガス全体としては、電気的に中性となっており、処理対象素材に電気的ダメージを与えることはありません。（*3）
高電圧を使用する電極部がガス通路内部に組み込まれ、外部に露出していないため、処理対象素材や周囲の導電物にアーク放電や高圧の漏電が起こることはありません。
また、プラズマ状態の原子の温度は数千～数万度になると言われていますが、本装置では、高速でON-OFFを繰り返す交流電源を使用しており、プラズマガスが高温状態になる時間が非常に短く、対象物に熱ダメージを与えることはありません。
放出直後の活性ガス温度は60℃以下です（一部機種を除く）（*4）
活性ガスを放出するために、放電スリット長さ１mmあたり0.8L/min以上のN2（窒素）(*5)ガスが必要です。
（＊プラズマジェット電極のスリット幅により適正流量は変わります。
処理対象物との距離を２mm以内で維持できれば、N2ガス流量を半分程度に抑えても表面改質効果は得られます。 ただし、補助冷却機能の無いハンディータイプは電極の温度上昇に注意が必要です。）
プラズマ源として
充満させるには特殊な環境が必要です
プラズマジェット スポットタイプ
ジェットタイプの応用商品です。
高電圧集中構造のプラズマ電極により高出力化
長距離からの照射の他、プラズマ発生源としても様々な用途に応用可能。
SPJ シリーズ
部品内部処理
軟質チューブを接続して、スポット処理も可能です。
照射面積は小さいですが、装置に組み込んで精密な処理範囲制御や、複雑な形状の内部処理、液体へのバブリング処理、手持ち作業でも安全で繊細な処理ができるため、さまざまな用途への可能性が広がります。
散気管形状
チューブ延長
プラズマ源として
充満させるには特殊な環境が必要です
液体処理（エアストーン使用）
２方向分岐
プラズマジェットガスは触れても安全です。
プラズマ活性ガスの温度は30~60℃ (*4)
プラズマ活性ガスによる感電等はありませんので、デリケートな素材や導電物に対しても安全なプラズマ処理が可能です。
プラズマによる表面改質は起こりますので、生体への長時間照射は不測の症状を起す可能性がありますので注意してください。
注意 ! !
写真はプラズマジェットの安全性のデモンストレーションです
プラズマ発生部は絶縁破壊による高圧リーク放電や漏電等を起こさない安全距離を考慮して製作していますが、湿度等の環境、結露や水分等の付着、ガス流路の汚れ等の蓄積や装置内部への異物の混入により、内部電極から高電圧の漏電を起す可能性もあるため、放電部周辺には手や体を近づけないように注意してください。
注意 !!
弊社のプラズマジェット装置を使用する場合は、必ずN2(窒素)(*5)を使用してください。
空気(コンプレッサーエア)等酸素を含むガスを流すとプラズマ効果は弱く、高濃度のオゾンが発生し危険です。
＊ プラズマジェットの写真は暗室にて高感度撮影を行っております。（F1.8~F3.5 ISO1600~12800 1/2~１秒露光）
明るい室内では、写真のような鮮明なプラズマジェットの発光を目視するのは困難です。
プラズマジェット動画は高感度の暗視ビデオにて撮影しています。
＜ 注意 ＞
(*1) 強い紫外線を直視すると、視力の低下、失明等の危険性があります。本装置の紫外線は紫外線カット仕様のメガネ、装置のPVCカバー等で遮光することが可能です。
(*2) 可燃性ガス、有毒ガス、腐食性のあるガスは使用できません。 酸素を含むガスを使用するとオゾンが発生します。十分な排気設備と酸化防止対策が必要となります。
(*3) 処理対象物のダメージについては、本装置にて十分なテストをお願いいたします。
(*4) 長時間使用による電極の発熱により、処理条件によってはプラズマガスの温度が60℃以上になることがあります。 ダイレクト式の電極及びアース板を固定して連続使用する際
には150℃以上の高温になることがあります。これらはプラズマによる温度上昇ではなく、高電圧による電極板の発熱によるものであり、照射距離を近くして電圧を下げる、電極
冷却エア、処理用ガスを十分に供給する等で改善は可能です。
ハイパワースポットタイプは電極の構造上プラズマガスが高温（80~130℃）になり易いため、注意が必要です。
(*5) 窒素ガスは、９９．９９％のボンベまたは液体窒素を推奨します。窒素ガス発生機によるN2ガスには水分、アルゴンなどの不純物が含まれているため能力が低下する場合があります。
大気圧プラズマ開発は、株式会社NTP 代表取締役社長 佐々木亘 氏（宮崎大学名誉教授）の技術サポートを頂いております。
"令和３年度 京都エコノミック・」ガーデニング支援強化事業”の交付を受け開発環境を充実。大気圧プラズマの更なる可能性に挑みました。
“平成２８年度補正 革新的ものづくり・商業・サービス開発支援補助金” の交付を受け、新商品の開発を進めています。
“平成２５年度補正 中小企業・小規模事業者ものづくり・商業・サービス革新事業” の交付を受け、商品としての完成度を上げて参りました。