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2013 年度 実施状況報告書

酸素ラジカル密度計測のための電流加熱白金触媒プローブによるプラズマ表面処理の研究

研究課題

研究課題/領域番号 25390111
研究種目

基盤研究(C)

研究機関東京都市大学

研究代表者

小野 茂  東京都市大学, 工学部, 教授 (80097170)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード酸素原子ラジカル / 触媒プローブ / 表面処理 / 白金
研究概要

プラズマ処理においては、最も期待されるラジカルによる化学的作用の他に、イオン衝突による物理的な作用、紫外線照射による光学的作用、熱的な作用などが同時に作用し、低気圧から大気圧までの各種プラズマ源における処理機構の解明や処理条件の最適化に困難をきたしている。この研究では複数のプラズマ源を用いて、重要な役割を果たす酸素ラジカル密度の絶対値を触媒プローブで空間分布計測を行い、電子温度や密度などのプラズマパラメータの空間分布と合わせて、様々なプラズマ源に対して処理機構の解明と最も効果的なプラズマ表面処理を行うための指針を提供する。
複数種類のプラズマ装置を用いて研究を進めるが、プラズマパラメータの測定方法が確立している低気圧プラズマ装置をはじめに取り上げた。表面処理としては親水化処理を先行して行なった。取り扱ったプラズマ装置は次の2種類である。
表面波プラズマ装置を用いた研究について述べる。これまでの研究においてラジカルの空間分布と親水化処理の間には極めて良い相関が得られていることから、処理表面に到達するラジカル数が処理効果を決定すると考えられるので、酸素ラジカル密度の絶対値を計測し、ラジカルフラックス×処理時間が処理表面に到達するラジカル数となるので、様々なラジカル密度の位置でラジカルフラックス×処理時開か一定値となる条件で処理を行い、ポリイミドについて照射ラジカル数と水接触角の関係を示せた。
次に石英円筒型プラズマ装置を用いた研究について述べる。今回はプラズマ生成部と下流の処理領域の間にマイクロ波電力の漏れを軽減するためのワンターンコイルの設置により、下流部ではプラズマの漏れの無い酸素ラジカルが処理の主体となる環境を実現し、親水化処理における流れに沿っての酸素ラジカル密度の変化の効果を直接的に観測することが出来た。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

表面波プラズマ装置を用いたポリイミドの親水化処理の研究においてはプラズマパラメータの変化、酸素ラジカルの空間分布などについてほぼ順調に研究が進んでいるが、酸素ラジカル照射量と水接触角の計測において、予想以上に酸素ラジカルの拡散距離が長く、プラズマからかなり離れた位置においても数秒間の短時間の内に処理が進行し、照射された酸素ラジカル数と水接触角の間の関係に曖昧さが含まれてしまった。より低密度の酸素ラジカルの測定においては、ガス温度の変化の詳細を考慮しなければ信頼性の高い結果が得にくいという状況に至った。また、酸素ガス流入量の制御により酸素ラジカル数密度の制御を試みたが、真空装置に若干のリークがあり低酸素流入時の制御が十分ではなかった。
石英円筒型プラズマ装置においてはプラズマパラメータの変化、広範囲に亘る変化する酸素ラジカル環境下での処理結果の観測が行えている。現段階では装置の作動気圧領域が数トールの域での実験が中心となっているため、気圧領域を変化させることで新たな知見が得られるものと思われる。さらに、追加の調査が必要となる。

今後の研究の推進方策

低気圧プラズマ源に関係する内容としては、これまで取り組んできた表面波プラズマ源および石英円筒型プラズマ装置を用いて、十分でなかった点を補うことを行う一方、触媒プローブでは測定が困難な低密度酸素ラジカル密度計測法について取り組んでいく。
一方、当初からの計画であった大気圧プラズマ源を用いた処理についても二つのプラズマ源を用いた研究を行う。
第1の装置としては、マイクロ波励起大気圧プラズマ源である。装置の基礎的な動作の確認についてはすでに済んでいるが、酸素ラジカル計測関係では高温のガス流中での触媒プローブ計測となるので、高温ガス流によってもたらされたエネルギーと白金表面での酸素ラジカルの再結合によるエネルギー供給の区別をする工夫が必要である。ここでは、触媒プローブと同一形状で触媒作用の無い金属によるプローブを参照プローブとして、高温ガス流の効果を計測し、触媒プローブの計測結果を補正することで酸素ラジカル密度の計測を試みる。
第2の装置としては誘電体バリア放電プラズマ装置である。酸素ラジカル生成のために酸素ガスを導入した場合、オゾンが高密度で生成され、オゾンの効果と酸素ラジカルの効果を分離して観測することが必要である。プローブとなる白金細線に通電による電流加熱を行い、様々な温度領域におけるプローブ特性から必要な情報を取得することを試みる。
以上の実験を通して表面処理における酸素ラジカルの効果を把握し、その後は実験結果の検討を理論計算と対比しながら次年度で行い、研究のまとめとする予定である。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (9件) (うち招待講演 1件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Ar-O2 混合ガス表面波プラズマによるポリイミドの 親水化処理における酸素ラジカルの効果2014

    • 著者名/発表者名
      蛭川能成、小野 茂
    • 雑誌名

      電気学会論文誌A

      巻: 134 ページ: 91-97

    • DOI

      10.1541/ieejfms.134.91

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 大気圧マイクロ波プラズマの上流部を用いたポリイミドの親水化処理2013

    • 著者名/発表者名
      小野 茂、千葉 隼人,小松昌太郎
    • 雑誌名

      電気学会プラズマ研究会資料

      巻: PST-13-096 ページ: 57-61

  • [雑誌論文] Surface-enhanced ozone dissociation in gas flow downstream of a dielectric barrier discharge ozonizer studied by using catalytic probes2013

    • 著者名/発表者名
      S. Ono, S. Teii
    • 雑誌名

      Vacuum

      巻: 101 ページ: 345-349

    • DOI

      10.1016/j.vacuum.2013.10.008

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 電流加熱白金触媒プローブによるプラズマ中酸素原子密度の計測2013

    • 著者名/発表者名
      小野 茂
    • 雑誌名

      電気学会計測研究会資料

      巻: IM-13-059 ページ: 1-5

  • [学会発表] The modification of plastic surface by plasma treatment for painting using a low pressure RF discharge plasma2013

    • 著者名/発表者名
      S. Ono, Ta-Lun Sung, Ruey-Chang Hsiao, Chung-Ming Liu, Shinriki Teii, Sam Than, Kungen Teii
    • 学会等名
      8th Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology
    • 発表場所
      Hsinchu, Taiwan
    • 年月日
      20131220-20131222
  • [学会発表] Study of hydrophilic treatment of polymide by microwave flowing plasma2013

    • 著者名/発表者名
      S. Ono, Syuichi Suzuki, Tomohiko Arai
    • 学会等名
      8th Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology
    • 発表場所
      Hsinchu, Taiwan
    • 年月日
      20131220-20131222
  • [学会発表] Hydrophilic treatment of polyimide by atmospheric pressure H2O-Ar mixture gas microwave olasma2013

    • 著者名/発表者名
      S. Ono, Shotaro Komatsu, Kentaro Fujii, Shingo Honma
    • 学会等名
      8th Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology
    • 発表場所
      Hsinchu, Taiwan
    • 年月日
      20131220-20131222
  • [学会発表] Numerical studies of ozone dissociation effect on the surface temperature decrease of the inner electrode of a coaxial cylindrical barrier discharge ozonizer2013

    • 著者名/発表者名
      S. Ono, Ta-Lun Sung, Ruey-Chang Hsiao, Chung-Ming Liu, Shinriki Teii, Kenji Ebihara, Kungen Teii
    • 学会等名
      8th Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology
    • 発表場所
      Hsinchu, Taiwan
    • 年月日
      20131220-20131222
  • [学会発表] A simple ozone detector using the effect of ozone dissociation on the metal surface2013

    • 著者名/発表者名
      S. Ono, Ta-Lun Sung, Ruey-Chang Hsiao, Chung-Ming Liu, Shinriki Teii, Kenji Ebihara, Kungen Teii
    • 学会等名
      8th Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology
    • 発表場所
      Hsinchu, Taiwan
    • 年月日
      20131220-20131222
  • [学会発表] Direct measurement of the variation of metal surface temperature due to the ozone disassociation using a small thermocouple2013

    • 著者名/発表者名
      S. Ono, Ta-Lun Sung, Ruey-Chang Hsiao, Chung-Ming Liu, Shinriki Teii, Huei-Ping Jhou, Kenji Ebihara, Kungen Teii
    • 学会等名
      8th Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology
    • 発表場所
      Hsinchu, Taiwan
    • 年月日
      20131220-20131222
  • [学会発表] Study ofWater Treatment by Pulsed Discharge inWater2013

    • 著者名/発表者名
      Shigeru Ono, Ryouichi Sato
    • 学会等名
      The 19th International Conference on Advanced Oxidation Technologies for Treatment of Water, Air and Soil
    • 発表場所
      San Diego, CA, USA
    • 年月日
      20131117-20131121
    • 招待講演
  • [学会発表] The Effect of the Oxygen Atom Radical in the Exposure Plasma in the High-Speed Hydrophilization Treatment of the Polymer Film by Atmospheric Pressure Microwave Plasma2013

    • 著者名/発表者名
      Shigeru Ono, Hayato Chiba
    • 学会等名
      The 19th International Conference on Advanced Oxidation Technologies for Treatment of Water, Air and Soil
    • 発表場所
      San Diego, CA, USA
    • 年月日
      20131117-20131121
  • [学会発表] Spatial distribution measurement of oxygen radical density in surface wave plasma and its application for hydrophilization treatment of polymers2013

    • 著者名/発表者名
      Shigeru Ono, Yoshinari Hirukawa
    • 学会等名
      Ninth Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering
    • 発表場所
      Jeju, Korea
    • 年月日
      20130825-20130830
  • [図書] コンバーティングのすべて2014

    • 著者名/発表者名
      小野 茂、荒木正義、小駒益弘、浦田千尋、菊池清、若林章博
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      株式会社 加工技術研究会
  • [図書] IR分析 テクニック事例集2013

    • 著者名/発表者名
      小野 茂、宮下喜好、櫻井伸一、本田幸司、黒木智之、大久保雅章
    • 総ページ数
      4
    • 出版者
      株式会社 技術情報協会

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公開日: 2015-05-28  

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