大気圧プラズマによる 表面処理機構とその応用 · 長岡技術科学大学...

大気圧プラズマによる大気圧プラズマによる表面処理機構とその応用表面処理機構とその応用

大島商船高等専門学校

電子機械工学科 助教

中村 翼

Surface Treatment Mechanism of Atmospheric Pressure Plasma and the Application.

大大

プラズマとは？プラズマとは？

固体 液体 気体 プラズマ

エネルギーの加減

励起・・・原子や分子が外からエネルギーを与えられ、もとのエネルギーの低い安定した状態からエネルギーの高い状態へと移ること

プラズマとは？プラズマとは？気体に直流高電圧、あるいは高周波電界を加えて、励起すると気体はガス分子

の状態から正電気を帯びた粒子と負電気を帯びた電子とがばらばらになった状態荷電粒子を含む状態で電気的にはほぼ中性を保った粒子集団

エネルギーの加減 エネルギーの加減

物質の3状態物質の第4状態とも言われる

大気圧プラズマの分類大気圧プラズマの分類

大気圧放電プラズマ

熱平衡プラズマ

熱非平衡プラズマ

コロナ放電

誘電体バリア放電

アーク放電や

核融合

プラズマの密度分布の空間的な均一性科学的に活性な粒子を多く有する→ 反応性の高いラジカル（OやO2

－、OHなど）→ 強い酸化力を有する、オゾン

安定した大気圧非平衡プラズマが容易に実現

高いエネルギーの電子を有し、また強い空間的な不均一性を有する

温度は10,000～15,000Kにも達するため､主に高温の熱源に利用

粒子と電子の温度がほぼ等しく、熱的に平衡

低温プラズマとも呼ばれ、グロー放電やECR放電等で、半導体製造プロセス等に幅広い用途

・・・

構成•電極、誘電体•誘電体の役割

アーク放電へ移行するのを防ぐ

Conceptual Layout of Atmospheric Dielectric Barrier Discharge Plasma Treatment.

（Direct Reactor）

特徴•シンプルな構成•連続的な処理が可能•真空装置を必要としない

Power Supply

GND

Dielectric

Substrate

Gas

Electrode

Organic substance

大気圧非平衡プラズマの構成と特徴大気圧非平衡プラズマの構成と特徴

樹脂材料の接着方法樹脂材料の接着方法

新技術紹介（特許公開２００８－８８３１９）

発明の名称：樹脂材料の接着方法出 願 番 号：特願２００６－２７１５２３出 願 人：国立大学法人長岡技術科学大学発 明 者：原田 信弘、中村 翼 外１名

本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権

背景背景

液晶パネル等では

ＩＴＯ透明電極

→ 導電性接着剤（ＡＣＦ）

ポリイミドフィルム回路基板

接着強度への懸念

液晶パネル等では

ＩＴＯ透明電極

→ 導電性接着剤（ＡＣＦ）

ポリイミドフィルム回路基板

接着強度への懸念しかししかし

有福征宏・中澤孝・藤縄貢・小林宏治：[COF出力用異方導電フィルム アニソルム AC-4000]，日立化成テクニカルレポート No.41（2003-7）

Polyimide Film Substrate Electrode

ACF (Anisotropic Conductive Film)Glass Substrates ITO (Indium Tin Oxide) Electrode

ElectrodeIC

Connection Sectional View of the Liquid Crystal Panel.

Conductive particle

電気的に接続電気的に接続

Polyimidフィルムの接着強さを向上させるのに、プラズマ処理は有効か否かの検討を行う

Polyimidフィルムの接着強さを向上させるのに、プラズマ処理は有効か否かの検討を行う

1. 接着性の改善（向上）を実現

2. 様々な樹脂材料において、接着性が課題となる場合がある

→電子機器の小型化、実装技術の高度化が理由

3. 有機汚染物や自然酸化膜など、接着接合を阻害する物質が表面に付着

→表面調整を加えることなく接合部の信頼性を確保することは困難

4. 表面の濡れ性が得られなければ接着剤は被着体表面と接触できない

→接着力を十分に発揮できない。

目的目的

安定した接着品質と強度を確保するため表面処理は不可欠安定した接着品質と強度を確保するため表面処理は不可欠

評価方法１評価方法１ ((接触角測定接触角測定))

接触角の計算式

Water Droplet

lθA

r

rl

BA2tan22 1−⋅=⋅≈ θθ

Conceptual Scheme

θB

接触角が小さい 洗浄効果が高い

実験条件

実験パラメータ印加電圧: 8 [kV], ギャップ長: 2 [mm],

動作ガス:Air, Air + Ar (1 [l/min]), 照射時間: 1, 5, 10, 30, 60 [sec]

サンプルパラメータサイズ: 10 × 10 [mm]

サンプル数: 各照射時間、動作ガスに対して１枚

Treatment

Un-Treated0 .0

10 .0

20 .0

30 .0

40 .0

50 .0

60 .0

1 5 10 30 60

Water

Contact

Angle

[deg]

Treatment T ime [s]

TreatmentUn-Treated0 .0

10 .0

20 .0

30 .0

40 .0

50 .0

60 .0

70 .0

1 5 10 30 60

Water

Contact

Angle

[deg]

Treatment Time [s]

結果１結果１ ((接触角測定接触角測定))

(a) Air + Ar (b) Air

未処理の平均は約 50 [deg] 処理の平均は約 8 ～ 38 [deg]

プラズマ照射時間が長くなるにつれ、接触角が減少

未処理の平均は約 50 [deg]50 [deg] 処理の平均は約 8 8 ～～ 38 [deg]38 [deg]

プラズマ照射時間が長くなるにつれ、接触角が減少

45.2 [deg] ⇒ 9.5 [deg] 55.2 [deg] ⇒ 7.6 [deg]

評価方法２評価方法２ ((接着強度測定接着強度測定))

試験片パラメータ試験片パラメータ

その後その後

Tension Direction

Tension Direction

200 [mm]

Adhesion150 [mm]

25 [mm]

Un-Adhesion50 [mm]

実験パラメータ印加電圧: 8 [kV], ギャップ長: 2 [mm], 動作ガス:Air + Ar (1 [l/min]), 照射時間: 60 [sec]

T-type 引き剥がし試験: JIS-K 6854 引き剥がし速度: 10, 40, 100 [mm/min]サンプル数:未処理５, 処理５ (各引き剥がし速度において)

Conceptual Schematic

実験条件

Un-Treated

Plasma Treatment0 .00

2 .00

4 .00

6 .00

8 .00

10 .00

12 .00

1040

100

Peeling Strength

[N/25mm]

Peeling Speed [mm/min]

• 各引き剥がし速度において、5サンプルの平均値を算出• 未処理のものと比較して、引き剥がし強度は約 3.4 倍向上• 引き剥がし速度の影響は見られない

• 各引き剥がし速度において、5サンプルの平均値を算出• 未処理のものと比較して、引き剥がし強度は約 3.4 倍向上• 引き剥がし速度の影響は見られない

界面破壊すべてのケース

凝集破壊すべてのケース

結果２結果２ ((接着強度測定接着強度測定))

考察考察 （洗浄メカニズム）（洗浄メカニズム）

1. 物理的作用によるもの

無機系汚染物に有効

→ 活性種イオンを高速で汚れに衝突させる、物理的作用

2. 科学的作用によるもの

有機系汚染物に有効

→ ラジカル等の他の分子と非常に反応しやすいものと反応させる、化学変化

Organic Contaminant

Radical Radical Adsorption

Electron or Ion Physically Exfoliates

Inorganic Contaminant

Reactive Ion Etching

Direct Plasma

塗膜の形成方法塗膜の形成方法

新技術紹介（特許公開２００８－１０４９３３）

発明の名称：塗膜の形成方法出 願 番 号：特願２００６－２８９２０８出 願 人：国立大学法人長岡技術科学大学 外１名発 明 者：原田 信弘、中村 翼 外１名

本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権

背景背景

船舶は常に海水にさらされている

◦ 表面の腐食や海洋生物の付着◦ 運行速度の低下、燃費・コストの上昇◦ 鋼板の減肉による強度低下

防止策

◦ 鉛入りのペイントを使用→操業のロス・人体や環境への悪影響

なんらかの新たな対策が必要

目的目的

船舶表面処理船舶表面処理に利用

•大気圧放電プラズマを用いた基板洗浄の有効性の検証•誘電体バリア放電のプラズマエッチングへの応用 etc

長岡技術科学大学 電気系原田研究室でこれまで

行われてきた大気圧放電プラズマによる処理の手法を応用

1. 剥離強度の計測・評価法の確立超音波洗浄器の特徴を利用とその妥当性

2. 実際の処理を施工し、向上の可能性対象物に対する損傷、プラズマ処理の有効性

大気中放電プラズマを応用した船舶の表面処理

塗膜の付着性計測塗膜の付着性計測（超音波洗浄器を用いた評価の妥当性）（超音波洗浄器を用いた評価の妥当性）

塗膜の剥離率計測の結果

• 下地•フライス片方は錆を発生

• 塗装過程• 防錆塗料

• 結果•洗浄時間とともに剥離率も増加

•表面にサビ等が無い方が塗装強度が良い

超音波洗浄器による塗装強度評価が可能

実験条件等142 ｍｉｎ65 ｍｉｎ

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150

Peeling rate [％]

Ultrasonic cleaning time [min]

サビなし

サビ発生（7.6％）

実験結果実験結果（一例：（一例：22ヶ月間海中暴露）ヶ月間海中暴露）

2ヶ月間、海中に暴露した結果

• 下地• フライス（表面あらさ考慮せず）

• 塗装過程• プラズマ処理＋防錆塗料• 防錆塗料

• 結果•プラズマ処理を行った方が塗料の試験片に対する接着性が良い

実験条件等

0

20

40

60

80

100

0 50 100

Peeling rate [％]

Ultrasonic cleaning time [min]

プラズマ照射あり

プラズマ照射なし

本発明の従来技術との最も重要な新規性・進歩本発明の従来技術との最も重要な新規性・進歩性・産業上の有用性のポイント性・産業上の有用性のポイント

ACF接着において、ITO電極周辺のガラス基板とACF及びポリイミドフィルム基板周辺のフィルム表面とACFの接着強度が低いとの懸念を改善懸念を改善

インラインかつ高速処理が可能高速処理が可能接着を阻害する有機汚染物や金属酸化物を除去でき、接着性

の向上に効果があると十分予想できる

薬品処理に変わる効果が期待効果が期待

使用していた薬品の廃棄処理が無くなり、環境的・コスト的にも

有用有用である

樹脂材料の接着方法

本発明の従来技術との最も重要な新規性・進歩本発明の従来技術との最も重要な新規性・進歩性・産業上の有用性のポイント性・産業上の有用性のポイント

船舶は、車と同様に定期的に点検が行われる。海洋生物や錆の除去が行われる。その際には船体鋼板の減肉が生じる。

塗膜の剥離によるサビの発生を現状より抑えることが出来るならば？

使用する塗料が減り、コスト削減コスト削減塗料中に含まれる毒性の強い物質の使用が禁止になりつつあるが、現状として、それらを使用しているため、扱う人体や環境等の保全人体や環境等の保全

塗膜の形成方法

本研究室では、長岡技術科学大学と共同で、分野を問わず大気圧プラズマの応用に関する研究を行っている

現在プラズマの応用分野には

•産業技術

半導体微細加工

スパッタリング、エッチング、イオン注入など・・・

ディスプレイ

•排ガス浄化

•医療

•光源 etc

本技術本技術（大気圧プラズマ）（大気圧プラズマ）の応用の応用想定される用途や業界

実用化に向けた課題実用化に向けた課題

大気圧プラズマの発生電源が非常に高価なため、その電源を改良する必要性がある。

発表させて頂いた技術の成果の中で、まだ検討が必要な項目がある。

実用化をする場合、その場合に応じて検討（装置規模・コスト等）が必要である。

企業への期待企業への期待

現状の研究成果として、表面洗浄に限らず、多岐にわたり研究を進めております。

実際にある企業からの問い合わせにより、その技術が特許出願に結びついた例もございます。

まずは、ご相談頂けると幸いです。

産学連携の経歴産学連携の経歴

2005年度長岡技術科学大学 平成17年学長裁量経費「分類（C）高専との共同研究の推進」

契約件名：放電プラズマによる船体表面の防蝕

2007年度長岡技術科学大学 平成19年学長裁量経費「分類（C）高専との共同研究の推進」

契約件名：大気圧放電プラズマによる船体塗装付着性の向上

2008年度長岡技術科学大学 平成20年学長戦略的経費「分類（C）高専との共同研究の推進」

契約件名：大気圧プラズマによる金属細線アニーリング装置の改良

お問い合わせ先お問い合わせ先

長岡技術科学大学電気系 教授 原田 信弘

ＴＥＬ；０２５８－４７－９５１１ＦＡＸ；０２５８－４７－９５００e-mail；ｎｏｂ＠ｎａｇａｏｋａｕｔ.ａｃ.ｊｐ

大島商船高等専門学校 企画係または 電子機械工学科 助教 中村 翼

ＴＥＬ；０８２０－７４－５４５７ＦＡＸ；０８２０－７４－５５５２e-mail；ｋｉｋａｋｕ＠ｏｓｈｉｍａ－ｋ.ａｃ.ｊｐe-mail；ｔｓｕｂａｓａ＠ｏｓｈｉｍａ－ｋ.ａｃ.ｊｐ