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の充満といった特殊な環境を必要とせず、常圧大気中で発生することができる大気圧プラズマです
イラスト 春犬
プラズマとは・・・
プラズマとは、固体・液体・気体に続く「物質の第4の状態」と言われ、高いエネルギーを持った気体原子の状態です
気体に非常に大きなエネルギーを与えると、原子のまわりを回っている電子が活性化し、さらにエネルギーが増すと、電子は原子核の束縛から離れて外に飛び出します
この高エネルギー電子が周囲の原子に衝突すると、連鎖的に電子が飛び出し、この現象はエネルギーが減衰するまで広がっていきます
電子を失った原子は「プラスイオン（＋イオン）」となり、非常に活発で不安定な状態になります
この「電離した原子（イオン）と、ほぼ同数の電子を含む気体」の状態を総称して「プラズマ」と呼びます
プラズマは＋イオンと−電子が混在していますので、全体としては電気的に中性であることも特徴です
また、プラズマ状態の原子が元の安定状態に戻ろうとする際、周囲の物質と様々な化学反応を起こします
産業用プラズマの種類
プラズマは、元となる気体に電気エネルギーやマイクロ波などを与えて生成します
産業用途では、主に次の2種類が用いられます
● 熱プラズマ
直流電圧を与えて継続的に発生させるプラズマです
数千～数万度の超高温と高ガス圧を利用し、主に金属の溶断や溶射などに使用されます
● 低温プラズマ
パルス電源などを用いてガスの温度上昇を抑えたプラズマです
高い化学反応性を持ちつつ、素材を傷めにくいため、幅広い分野で活用が広がっています
従来型（真空・減圧）プラズマの課題
従来の低温プラズマは、真空状態で処理ガスを導入して発生させる「真空プラズマ装置」が主流でした
高い処理精度を持つ一方で、以下の課題がありました
• 真空チャンバー、真空ポンプなど大掛かりな設備が必要
• 処理ごとに減圧が必要なため、時間と工程がかかる（バッチ処理）
• 高額な設備投資が必要で、半導体製造など付加価値の高い用途に限定される
大気圧プラズマの登場とメリット
近年、減圧を行わずに大気中で安定してプラズマを発生させる技術が確立されました。
これが「大気圧プラズマ」です。産業利用の裾野が一気に広がり、次のような利点があります
• インライン化が容易： 減圧時間が不要で、生産ラインに直接組み込み可能
• コストダウン： 真空チャンバー不要で、設備費を大幅削減
• 対象素材の拡大： ポリマー、有機物、繊維、液体など、減圧に不向きな素材にも照射可能
• 導入の容易さ： 卓上・手持ちタイプなどの小型装置も製作可能
大気圧プラズマの主な効果と応用
1. 洗浄・活性化
素材表面の微細な有機物や不要な元素を分解・気化させ、従来洗浄では除去できない汚染物を除去します
2. 表面改質
素材表面の分子結合を切断・再結合させ、表面組成を変化させます
3. 親水性の向上
表面に水酸基（−OH基）などを付与し、液体が弾きにくくなる「親水性」を付与します
撥水性が高い素材でも、接着性・印刷性を向上させる効果が期待できます
（※効果は素材により異なります）
４.化学変化の促進
対象素材を活性化させ、様々な化学的変化を促進します
従来工法との比較優位性
UV処理、オゾン処理、薬液処理などと比較して、数秒以内の短時間で同等の効果を得られる素材もあります
これにより、設備コスト・生産コスト・環境負荷の低減など、多面的なメリットが期待できます
新たな接合技術への応用
素材によっては、接着剤を使わずに接合したり、融点以下の温度で接合することも可能です
これにより、全く新しい製造技術が実現します
広がる大気圧プラズマの可能性
大気圧プラズマは、真空プラズマでは扱えなかった水分や気体を含む素材・液体・ゲル状素材にも照射可能です
熱や電気的ダメージ（注＊）をほとんど与えずに処理できるため、応用分野は急速に拡大しています
工業以外での利用分野
設備が安価で手軽に使用できるため、様々な分野で使い始められています
• 大学・研究機関
• 農業・水産分野
• 医療・美容
• 有害物質の処理
• 遺伝子工学
今後も、大気圧プラズマ技術によって、新素材・新加工方法・新技術が次々と誕生していくことでしょう
（注＊）電圧・温度について
• ダイレクトタイプ： 対象物に約10kVの電圧がかかります。静止した状態で照射を続けると表面温度が100℃以上になります
• プラズマジェットタイプ： 活性ガス温度は約60℃で、電気的には中性です
弊社の取り組みとサービス
弊社では、この最先端技術をお客様に実際に体験いただけるよう、小型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
お客様とともに新しい用途や応用技術を創出できるよう、日々開発を進めています
装置開発・用途検討に関するご相談も歓迎しておりますので、ぜひお気軽にお問い合わせください
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
水滴にかかる重力の影響等を考慮して、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解析法のため、一般的な1/2θ法と比較すると1～5°大きな 数値となっています（技術情報ページ参照）
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）
大気圧プラズマによる表面改質効果の注意点
大気圧プラズマジェットを用いた表面改質を検討される際は、以下の2つの重要な特性にご留意ください
1. 反応は素材の「表面層」で起こります
大気圧プラズマジェット照射による表面改質効果は、素材表面の非常に浅い部分でのみ反応が起こります
したがって、同じ名称の素材であっても、その表面にコーティング、防錆処理、酸化膜などが存在する場合、プラズマは
母材（無垢の素材）ではなく、それらの表面層に対して反応します。 その結果、無垢の素材とは全く異なる表面改質結果と
なる可能性があります
2. 「親水化効果」と「接着性などの改質効果」は必ずしも一致しません
接着、粘着、塗装などの実用的な用途においては、プラズマ照射によって素材表面に起こる反応と、使用する接着剤や塗料
などとの相性が最も重要となります
この実用的な効果（接着性の向上など）は、必ずしも親水化効果（水との濡れ性の向上）と一致するとは限りません
【具体例：シリコーンゴムへのプラズマ効果】
シリコーンゴムは、低温大気圧プラズマを短時間照射しただけでは、親水化効果はほとんど見込めません
しかし、シリコーンゴムは短時間での親水化効果が低い一方で、大気圧プラズマ照射による「接着剤レス接合」や「接着力
の強化」といった表面改質効果は短時間照射でも大きく現れます
この事例は、必ずしも「親水化の度合い ＝ プラズマ処理の効果」ではないことを明確に示しています
重要なのは、最終的な目的（接着、塗装など）に対して効果があるかどうかです
また、同じ液体であっても、水以外の液体では、プラズマ照射後の反応が違った結果になることがあります
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、接着力など変化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
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
この状態のシリコーンゴムは常温での接着剤レス接合が可能なことも確認できました
New
プラズマ照射前
接触角109°
プラズマ照射後
接触角約２°
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
1. プラズマ発生の基本原理
向かい合った金属電極間に高電圧をかけると、マイナス電極からプラス電極へ
向かって、大きなエネルギーを持つ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、その近傍を通過したり
すると、気体原子内の電子がエネルギーを受け取って原子核の束縛から離れ、
外部へ飛び出します。
この現象を「電離」と呼び、電離によって生成されたイオンと電子が混在する
状態が「プラズマ状態」です。
2. 大気圧下での課題
しかし、大気圧（常圧）の空気中で高電圧をかけた電極とアース（接地）電極
を近づけると、特定の最も電気が通りやすい箇所に電子が集中してしまいます。
その結果、雷のような強力な「アーク放電」が発生し、広範囲で均一なプラズ
マを安定して発生させることが困難になります。
3. 弊社のアプローチ：誘電体バリア放電方式
そこで弊社のプラズマ電極では、このアーク放電を抑制するため
「誘電体バリア放電方式」を採用しています。
これは、金属電極の一方または両方を誘電体（電気を通しにくい絶縁物）で
覆う構造です。
この構造に交流の高電圧を印加すると、電極表面に一時的に電荷が蓄積される
ことで過度な電流集中が妨げられ、アーク放電の発生が防止されます。
これにより、電極の全面から電子が広く分散して放出され、大気圧下でも安定
した均一なプラズマを生成することが可能となります。
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（電離）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
安定したプラズマ生成の実現
プラズマ生成部の構造やガスの供給方法を最適化することで、安定した「グロー放電」の状態を作り出すことができます。
しかし、大気圧（常圧）環境下でこれを実現するには、特有の技術的課題が存在します。
大気圧プラズマ（誘電体バリア方式）の課題
1. 高密度な気体によるエネルギー損失
誘電体バリア方式では、強力な電界をかけて電子を放出させ、気体原子をプラズマ化します。しかし、大気圧下は気体密度が
非常に高いため、放出された電子はすぐに近くの気体原子と衝突し、エネルギーを失ってしまいます。
2. アーク放電による破損リスク
エネルギー損失を補うために電極にかける電圧を高くしすぎると、今度は局所的に「アーク放電」が発生し、誘電体（絶縁板）
を破損させてしまうリスクが生じます
実用化への鍵となる「制約」
このように、大気圧プラズマの生成は**「電極間の距離」「電圧」「周波数」**という3要素が、非常に繊細なバランスの
上に成り立っています。
このバランスを維持できる範囲は狭く、結果としてプラズマが反応する領域は極めて短い距離に限られます。
（例：10kV印加時、１気圧の空気中に放電できる理論値3.5mm程度に対し、誘電体設置時の実測値1.5～1.7mm以下）
この「短いプラズマ発生領域」をいかに効率的に、かつ広範囲に活用するかが、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（赤～赤紫色）
弊社では、大気圧プラズマの理論を一から見直し、
高効率かつ低コストを実現した大気圧プラズマ装置を開発いたしました
より高性能な装置をお求めやすい価格でご提供できるよう、日々改良を重ねており、さまざまな企業様において幅広い用途でご活用いただけるよう、研究開発を進めております
大気圧プラズマは、いまだ多くの可能性を秘めた未知の分野の技術です。
弊社では、用途や対象物の形状に合わせて柔軟に改良・カスタマイズを行い、最適なご提案をいたします
「もしかしたら、使えるかも」をお聞かせください
お客様からのご希望、ご提案、大気圧プラズマに関するご質問はもちろん、
「こんなことに使えるかもしれない」 「まずはどんなものか試してみたい」 といった段階のご相談も大歓迎です。
各種テスト装置もご用意のうえ、皆さまからのご連絡を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。室温が低い時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
処理対象物のごく近くでプラズマを発生させ、素材に直接反応させることで、強力な効果を発揮します
🟩 主な特長
強力な効果:
素材の直近でプラズマを生成するため高い処理効果
が期待できます
高速処理:
プラズマ効果の出やすい素材の場合、高速搬送
しながらの連続処理にも対応可能です。
ガスの汎用性:
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、多様なガスを使用できます(*2）
🟧 注意点・制約事項
高電圧への耐性: 処理対象素材にも約10,000V
前後の高電圧がかかるため、高電圧に弱い素材には
注意が必要です
処理距離と形状の制約: プラズマ放電可能な距離
が1.5mm前後と短く、処理面は平面に限られます
適した素材:
上記の制約から、耐熱性の薄いフィルム素材や、素材自体をアースにできる金属素材などに適しています。
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
プラズマジェット方式の特徴
1. 電気的安全性について
本装置は、電気的に中性な活性ガスを照射するため、処理対象の素材に電気的なダメージを与えません
窒素原子がプラズマ化する際、電子が放出されてプラスイオンとなりますが、同時に同量の電子が空間中に存在するため、
ガス全体としては電気的に中性が保たれます（*3）
また、高電圧を使用する電極部はガス通路内部に一体化されており、外部に露出しません。これにより、処理対象素材や周囲
の導電体に対して、アーク放電や高圧漏電が発生する心配もありません
2. 熱的影響について
本装置は、処理対象物に熱的なダメージを与えません
一般的にプラズマ状態の原子温度は数千〜数万度に達するといわれますが、本装置では高速でON/OFFを繰り返す交流電源
を採用しています。これにより、プラズマガスが高温状態にある時間は極めて短く、対象物への熱影響を抑えています
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）
3. 使用するガスと流量について
活性ガスを安定して放出するためには、N₂（窒素）（*5）ガスが必要です
推奨流量: 放電スリット長1mmあたり 0.8L/min以上
注意点:
プラズマジェット電極のスリット幅によって、適正な流量は異なります
処理対象物との距離を2mm以内に維持できる場合、N₂ガス流量を約半分に
抑えても表面改質効果を得ることが可能です
ただし、補助冷却機能を備えていないハンディタイプで流量を抑える際は、
電極部の温度上昇に十分ご注意ください
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
[警告] 感電の恐れがあります
プラズマ発生部は、絶縁破壊による高圧リーク（漏電）を防ぐため、十分な絶縁もしくは安全距離を考慮して設計・製作されています
しかし、下記のような要因により、内部電極から高電圧の漏電をおこす可能性があります
高湿度などの使用環境
装置内部の結露や水分の付着
ガス流路への汚れの蓄積
装置内部への異物の混入
アース配線の断線
誘電体の破損・絶縁不良
重大な事故につながる恐れがあるため放電部周辺には手や体を近づけないでください。
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。