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各種大気圧プラズマ装置

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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・・・

 

 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。飛び出した電子は高速で周囲の原子と衝突し、原子を回っていた電子も活性化し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、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、卓上で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等、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微細な有機物等を分解、気化することによる洗浄効果、素材表面の分子結合を切断し表面の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)

 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、各種大学や研究施設、農業、水産、医療、美容、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

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​    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。

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​ 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、素材の極表面の反応となります。従って、同じ名称の素材であっても、素材表面にコーティング、防錆処理などが行われている素材は、それらのコーティング材など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。

 * 全ての素材において、接着、粘着、塗装などの用途では、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、必ずしも親水化効果と一致しない事例が多くあります。

親水化効果と素材活性化の不一致例

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​未処理    プラズマ照射後

シリコーンゴムの親水性変化

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​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

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原子構造は簡略化しています

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原子構造は簡略化しています

 

 誘電体バリア方式で気体原子をプラズマ化するには、大き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。

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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。

​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。

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 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

​ 窒素プラズマ放出後に周囲の空気と反応するため、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いただけるよう、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際(通常状態に戻る際にも)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。

 

 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し、多少の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等の危険がありますので、プラズマガス照射部の排気、室内の換気には十分に注意してください。

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紫外線

赤外線

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 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

​目視で観察できる光

可視光

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

 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電極の片側として利用し、電極と素材間にプラズマを発生させる方式です。

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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の高電圧がかかるため、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。

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ジェット方式

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原子構造は簡略化しています

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 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、処理対象素材にリーク放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、同程度の表面改質効果が得られます。 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。

 ”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。

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    スポット ジェットタイプ

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。

様々な形状の照射ノズルが接続可能です。  

散気管形状

チューブ延長

​2方向分岐

4分岐拡散

部品内部処理

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液体処理

   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。

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で下さい。

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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 1/2~2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。

< 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。

誘電体バリア放電式大気圧プラズマ

 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、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

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

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​電極間に誘電体を配置することで、均等に電子が移動するようになります

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