JP2006294571A - 大気圧プラズマ処理装置及び大気圧プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境への悪影響を防止でき、製造コスト及びランニングコストを低減することができる大気圧プラズマ処理装置及び大気圧プラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】混合器３０により、純水が気化された水蒸気と不活性ガスとが混合されて処理ガスが生成される。生成された処理ガスは、導管２８により印加電極１２と接地電極１４との間に供給される。また、高周波電源２６により印加電極１２と接地電極１４との間に高周波電圧が印加される。これにより、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスが電離してプラズマが発生し、処理ガスが電離した励起状態となって活性化される。印加電極１２と接地電極１４との間に発生したプラズマが被処理物Ｓの表面に照射することにより、被処理物Ｓの表面処理（表面改質）が行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フッ素樹脂成形物などの被処理物の表面を改質（処理）させるための表面処理装置及び表面処理方法に係り、特に被処理物を大気圧又はその近傍の圧力下においてプラズマによる表面処理を行うための大気圧プラズマ処理装置及び大気圧プラズマ処理方法に関する。

一般に、フッ素樹脂は、耐薬品性、耐熱性、電気絶縁性、防汚性、耐候性、耐紫外線劣化性、撥水撥油性、低摩擦係数など、他の樹脂に見られない優れた性質を備えている。一方、この反面、フッ素樹脂の特性である難接着性のため、他の材料との複合化が困難である。フッ素樹脂が他の材料と複合化するときには、接着剤を用いる方法もあるが、フッ素樹脂と接着剤との密着性も悪く、接着も困難である。そのため、フッ素樹脂の表面を改質し、接着性を高める表面改質方法が従来から試みられている。

ここで、フッ素樹脂の表面改質方法として、火炎処理、金属ナトリウム処理に代表される化学処理、エキシマレーザ（下記特許文献１及び特許文献２を参照）や、プラズマによる放電処理（下記特許文献３及び特許文献４を参照）、スパッタエッチング（下記特許文献５を参照）が知られている。

ところが、金属ナトリウム処理では、引火の危険性や溶剤の大量使用による環境への悪影響の問題があり、また、改質された部分が紫外線、熱に弱い等の特性上の問題がある。また、プラズマによる放電処理では、液体を用いる方法や混合ガスを用いる方法などが提案されているが、処理面積が小さくなり、またランニングコストが大きくなり、さらに処理面の安定性の低下などの様々な問題がある。さらに、スパッタエッチングにおいても、表面処理装置自体が複雑かつ大きくなり、また、安定性の低下などの様々な問題がある。
特開平６−２２８３４３号公報 特開平６−２４００２６号公報 特開平５−９２５３０号公報 特開平６−１０７８１８号公報 特開昭５１−１２５４５５号公報

また、上記各問題を解決するため、いわゆる薬液処理（ウエット処理）という方法が知られているが、この方法では、アンモニア等の薬液を多量に使用しなければならず、また表面処理も大変煩雑になる。この結果、環境への悪影響が懸念されるとともに、廃液の処理についての設備やノウハウが必要となり設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという別の問題が生じている。

また、低圧プラズマ処理という方法も知られているが、低圧にするために真空排気システムが別途必要となるため、装置が複雑化し設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという問題がある。さらに、この方法では、反応性ガスを用いるため、排気系に反応ガスによる害を取り除く設備が必要となり、設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという問題がある。

そこで、本発明は、上記事情を考慮し、環境への悪影響を防止でき、製造コスト及びランニングコストを低減することができる大気圧プラズマ処理装置及び大気圧プラズマ処理方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、被処理物の表面を大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマにより処理する大気圧プラズマ処理装置であって、純水が気化された水蒸気と不活性ガスとを混合して処理ガスを生成する処理ガス生成手段と、接地された接地電極と、前記接地電極に対向して配置された印加電極と、前記印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧を印加させる高周波電圧印加手段と、前記処理ガスを前記印加電極と前記接地電極との間に供給する処理ガス供給手段と、を有することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、処理ガス生成手段により、純水が気化された水蒸気と不活性ガスとが混合されて処理ガスが生成される。生成された処理ガスは、処理ガス供給手段により、印加電極と接地電極との間に供給される。また、高周波電圧印加手段により、印加電極と接地電極との間に高周波電圧が印加される。これにより、印加電極と接地電極との間の処理ガスが電離してプラズマが発生し、処理ガスが電離した励起状態となって活性化される。そして、印加電極と接地電極との間に発生したプラズマを被処理物の表面に照射することにより、被処理物の表面処理（表面改質）が行われる。

ここで、処理ガスの生成には純水を気化させた水蒸気を用いることにより、純水には有害性がないため、環境に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、純水には有害性がないため、純水を取り扱うために、有害性を考慮した特別な設備が不要となる。また、純水には有害性がないため、純水を廃液処理するための特別な設備が不要となる。このように、本発明では、環境に悪影響を及ぼすことを防止できるとともに、設備を製造するための製造コストや設備を作動させるためのランニングコストを大幅に低減させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置において、前記被処理物の表面処理部が平面状となるように前記被処理物を支持する被処理物支持手段を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、被処理物支持手段により被処理物が支持されるため、被処理物の表面処理部が平面状になる。被処理物の表面処理部を平面状とすることにより、プラズマを斑なく被処理物の表面処理部に照射させることができ、表面処理の品質を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、被処理物の表面を大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマにより処理する大気圧プラズマ処理方法であって、処理ガス生成手段により純水が気化された水蒸気と不活性ガスとが混合されて処理ガスが生成される処理ガス生成工程と、前記処理ガスが処理ガス供給手段により印加電極と接地電極との間に供給される処理ガス供給工程と、高周波電圧印加手段により前記印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧が印加される高周波電圧印加工程と、を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、処理ガス生成工程において、処理ガス生成手段により、純水が気化された水蒸気と不活性ガスとが混合されて処理ガスが生成される。処理ガス供給工程において、生成された処理ガスが処理ガス供給手段により印加電極と接地電極との間に供給される。高周波電圧印加工程において、高周波電圧印加手段により、印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧が印加される。これにより、印加電極と接地電極との間の処理ガスが電離してプラズマが発生し、処理ガスが電離した励起状態となって活性化される。そして、印加電極と接地電極との間に発生したプラズマが被処理物の表面に照射することにより、被処理物の表面処理（表面改質）が行われる。

ここで、処理ガスの生成には純水を気化させた水蒸気を用いることにより、純水には有害性がないため、環境に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、純水には有害性がないため、純水を取り扱うために、有害性を考慮した特別な設備が不要となる。また、純水には有害性がないため、純水を廃液処理するための特別な設備が不要となる。このように、本発明では、環境に悪影響を及ぼすことを防止できるとともに、設備を製造するための製造コストや設備を作動させるためのランニングコストを大幅に低減させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の大気圧プラズマ処理方法において、被処理物支持手段により前記被処理物が支持されて前記被処理物の表面処理部が平面状になる被処理物支持工程を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、被処理物支持工程において、被処理物支持手段により被処理物が支持されるため、被処理物の表面処理部が平面状になる。被処理物の表面処理部を平面状とすることにより、プラズマを斑なく被処理物の表面処理部に照射させることができ、表面処理の品質を向上させることができる。

本発明によれば、環境への悪影響を防止でき、製造コスト及びランニングコストを低減することができる。

次に、本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置及び大気圧プラズマ処理方法について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、大気圧プラズマ処理装置１０は、印加電極１２を備えている。この印加電極１２と対向する位置には接地電極１４が配置されている。接地電極１４は地面にアース接続されている。また、接地電極１４の一方の端部側には、フッ素樹脂シート（被処理物）Ｓを印加電極１２と接地電極１４との間に送り出すロール状の送出装置１６が配置されている。また、接地電極１４の他方の端部側には、表面処理されたフッ素樹脂シートＳを巻き取るロール状の巻取装置１８が配置されている。また、接地電極１４の両端部近傍には、フッ素樹脂シートＳに皺が発生しないように下方からフッ素樹脂シートＳを支持する支持ロール２０、２２がそれぞれ配置されている。なお、送出装置１６は、図示しないモータなどの駆動源に接続されている。これにより、送出装置１６は、駆動源からの駆動力により回転駆動できるようになっている。

ここで、フッ素樹脂シートＳは、フィルム状又はシート状に形成されていることが好ましいが、これに限られるものではなく、例えば、板状、チューブ状、バルク状など、処理表面が平面となるものであれば、種々の形状のものを用いることができる。また、フッ素樹脂シートＳは、分子内にフッ素原子を含むものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などが挙げられる。

また、印加電極１２には、マッチング回路２４を介して高周波電源２６が電気的に接続されている。この高周波電源２６により印加電極１２と接地電極１４との間に高周波電圧が印加される。また、印加電極１２には、導管２８により混合器３０が接続されている。また、混合器３０には、導管３２によりガス流量計測装置３４を介して第１の処理ガス源３６が接続されている。また、混合器３０には、導管３８により気化器４０及びガス流量計測装置４２を介して第２の処理ガス源４４が接続されている。この気化器４０には、導管４６により電磁バルブ４８を介して純水供給源５０が接続されている。

ここで、第１の処理ガス源３６及び第２の処理ガス源４４の内部には、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）などの希ガスや、窒素（Ｎ_２）などの不活性ガスが充填されている。第１の処理ガス源３６及び第２の処理ガス源４４の内部には、これら単体の不活性ガスが充填されていてもよく、また数種類の不活性ガスが混合したガスが充填されていてもよいが、表面改質の効果が高いヘリウム（Ｈｅ）ガスが充填されていることが特に好ましい。また、純水供給源５０には、純水が充填されている。

次に、本実施形態の大気圧プラズマ処理装置１０を用いた大気圧プラズマ処理方法について説明する。

図１に示すように、駆動源からの駆動により送出装置１６及び巻取装置１８が回転駆動されて、フッ素樹脂シートＳが印加電極１２と接地電極１４との間に送り出される。このとき、印加電極１２と接地電極１４との間に位置するフッ素樹脂シートＳの表面処理部は、フッ素樹脂シートＳの表面処理部の近傍が各支持ロール２０、２２により下方から支持されているので、平面状となり、かつ皺がない状態となっている。

また、純水供給源５０から純水が導管４６を通って気化器４０に供給される。この気化器４０により純水が気化され水蒸気になる。また、第２の処理ガス供給源４４から不活性ガスが所定の流量だけ導管３８を通って気化器４０に供給される。気化器４０で水蒸気にされた純水は、第２の処理ガス供給源４４から供給された不活性ガスによりバブリングされ、このバブリングされたガスが混合器３０に供給される。このとき、第２の処理ガス供給源４４から気化器４０に供給される不活性ガスの流量がガス流量計測装置４２により計測され、その計測値に基づいて電磁バルブ４８が制御されることにより、純水供給源５０から気化器４０に供給される純水の流量が制御される。このように、気化器４０では、純水が気化されるとともに、第２の処理ガス源４４から供給された不活性ガスと気化された水蒸気とが混合されて混合ガスとなる。

また、第１の処理ガス源３６からは所定の流量の不活性ガスが導管３２を通って混合器３０に供給される。この第１の処理ガス源３６から供給される不活性ガスは、キャリアガスとして作用する。混合器３０では、第２の処理ガス源４４から供給された不活性ガスと純水供給源５０からの純水が気化された水蒸気とが混合された混合ガスと、第１の処理ガス源３６から供給された不活性ガスとが混合される。これにより、混合器３０では、希釈ガス（処理ガス）が生成される。混合器３０で生成された希釈ガス（処理ガス）が導管２８を通って印加電極１２と接地電極１４との間に供給される。

一方、印加電極１２と接地電極１４との間には、高周波電源２６から高周波電圧が印加される。このときの周波数は、高周波（数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ）が用いられるが、特に、工業用周波数である１３．５６ＭＨｚとすることが好ましい。また、印加電極１２と接地電極１４との間は、大気圧（１０１３ｈＰａ）あるいはその近傍の圧力（９００ｈＰａ以上１０１３ｈＰａ以下）となっている。なお、印加電極１２と接地電極１４との間に作用する圧力を９００ｈＰａよりも小さく、あるいは１０１３ｈＰａよりも大きくすると、真空ポンプや真空容器、あるいは加圧装置が別途必要となり、設備の製造コスト及び設備のランニングコストが増大するため、不具合となる。

印加電極１２と接地電極１４との間に希釈ガス（処理ガス）が供給されるとともに高周波電圧が印加されると、印加電極１２と接地電極１４との間の放電空間内の希釈ガス（処理ガス）が電離してプラズマが発生し、希釈ガス（処理ガス）が電離した励起状態となって活性化される。そして、放電空間内に発生したプラズマがフッ素樹脂シートＳの表面に衝突することにより、フッ素樹脂シートＳの表面処理（表面改質）が行われる。

ここで、希釈ガス（処理ガス）の生成には純水を気化させた水蒸気を用いることにより、純水には有害性がないため、環境に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、純水には有害性がないため、純水を取り扱うために、有害性を考慮した特別な設備が不要となる。また、純水には有害性がないため、純水を廃液処理するための特別な設備が不要となる。このように、本実施形態の大気圧プラズマ処理装置１０によれば、環境に悪影響を及ぼすことを防止できるとともに、設備を製造するための製造コストや設備を作動させるためのランニングコストを大幅に低減させることができる。

特に、各支持ロール２０、２２によりフッ素樹脂シートＳが支持されるため、フッ素樹脂シートＳの表面処理部が平面状になる。フッ素樹脂シートＳの表面処理部を平面状とすることにより、プラズマを斑なくフッ素樹脂シートＳの表面処理部に照射させることができ、表面処理の品質を大幅に向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の概略構成図である。

符号の説明

１０ 大気圧プラズマ処理装置
１２ 印加電極
１４ 接地電極
２０ 支持ロール（被処理物支持手段）
２２ 支持ロール（被処理物支持手段）
２６ 高周波電源（高周波電圧印加手段）
２８ 導管（処理ガス供給手段）
３０ 混合器（処理ガス生成手段）
Ｓ フッ素樹脂シート（被処理物）

Claims (4)

1. 被処理物の表面を大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマにより処理する大気圧プラズマ処理装置であって、
   純水が気化された水蒸気と不活性ガスとを混合して処理ガスを生成する処理ガス生成手段と、
   接地された接地電極と、
   前記接地電極に対向して配置された印加電極と、
   前記印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧を印加させる高周波電圧印加手段と、
   前記処理ガスを前記印加電極と前記接地電極との間に供給する処理ガス供給手段と、
   を有することを特徴とする大気圧プラズマ処理装置。
2. 前記被処理物の表面処理部が平面状となるように前記被処理物を支持する被処理物支持手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置。
3. 被処理物の表面を大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマにより処理する大気圧プラズマ処理方法であって、
   処理ガス生成手段により純水が気化された水蒸気と不活性ガスとが混合されて処理ガスが生成される処理ガス生成工程と、
   前記処理ガスが処理ガス供給手段により印加電極と接地電極との間に供給される処理ガス供給工程と、
   高周波電圧印加手段により前記印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧が印加される高周波電圧印加工程と、
   を有することを特徴とする大気圧プラズマ処理方法。
4. 被処理物支持手段により前記被処理物が支持されて前記被処理物の表面処理部が平面状になる被処理物支持工程を有することを特徴とする請求項３に記載の大気圧プラズマ処理方法。
   

Images