JP2010539644A - 表面処理又は表面コーティング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、プラズマを用いた表面処理又は表面コーティング方法に関する。本発明では、空間的に分離された少なくとも一つの反応室内にキャリヤガスを供給して、発生させたプラズマビームと混合して、キャリヤガスを活性化させるか、或いは粒子ビームを発生させ、それらが、プラズマフローに依存せずに、処理又はコーティングすべき加工物の表面に入射するようにしている。

Description

本発明は、プラズマジェットを用いた表面処理又は表面コーティング方法に関する。更に、本発明は、その方法を実施するのに適した装置に関する。

従来技術において、プラズマジェットは、ジェット又はビームの形のプラズマフローと呼ばれており、そのようなプラズマフローを発生させる装置から放出されて、装置から一定の間隔を開けて置かれた物体又は加工物の表面にまで延びている。ジェットの形のプラズマを実際に発生させることは、基本的に誘電体バリヤ放電とアーク放電による二通りの方法で実施することができる。

大気圧グロー放電とも呼ばれる誘電体バリヤ放電により動作するプラズマジェット発生装置は、特許文献１により周知である。その装置では、誘電体バリヤとして機能する絶縁チューブによって、二つの電極が互いに分離されている。更に、その装置を通してキャリヤガスが移送されている。そのようにして、電極間に交流電圧を印加することによって、装置の自由端にプラズマビームを発生させている。

直接アーク放電により動作するプラズマジェット発生装置は、特許文献２により周知である。その装置では、直に対向する二つの電極間で直接電気アークが形成されており、同様に、その装置を通してキャリヤガスが移送されている。

周知の全ての装置では、表面処理又は表面コーティングのために、プラズマビームがプラズマヘッドから放出される直前又は放出後に初めて、発生させたプラズマビームに処理又はコーティング機能を果たすプロセスガスを追加して混合させて、装置の隔壁又は出射ノズル自体に蒸着することを防止する、或いは少なくとも低減することを追求している。この場合、プロセスガスとプラズマビームのフロー方向が常に平行であり、その結果活性化が難しくなることが不利である。更に、ノズルヘッドから放出されたプラズマビームによって、周囲の空気が活性化され、それによって、本来のプロセスガスの活性化を妨げるプロセスが起こっている。

前記の特許文献１に記載された誘電体バリヤ放電により動作する装置では、プラズマを形成するキャリヤガスに追加して、内部電極内に有る内部パイプを通して、プロセスガスを供給している。その場合、プラズマとプロセスガスの混合は、装置の出射ノズルを出た後に初めて、物体とプラズマヘッドの間の空間領域内で行われている。この場合、前述した通り、プラズマビームとプロセスガスは、物体上にほぼ平行に流入し、そのためプロセスガスの活性化が不十分にしか行われないので、既に述べた通り、プロセスガスの活性化が不十分となることが不利である。

特許文献３には、プラズマジェットを発生させる別の装置が記載されており、その場合、プロセスガスの供給が出射ノズルの直前で行われている。そうすることによって、電極の領域での化学反応を防止している。その装置では、プラズマジェットとプロセスガスの間の接触する体積を最小限に制限して、装置のプラズマヘッド内で既に活性化されたプロセスガスが妨害されるのを防止している。

更に、周知の装置では、プロセスガスで不完全にしか活性化されていないプラズマビームの大部分が妨げられること無く処理又はコーティングすべき表面に当たることが不利である。その場合、ＵＶ帯域でのプラズマの二次放射及びプラズマと表面の物理的な直接接触によって、望ましくない化学的及び物理的なプロセスが起こる。即ち、例えば、ポリマーの割れや望ましくない表面内への酸素の進入が起こる可能性が有る。

国際特許公開第２００５／１２５２８６号明細書 欧州特許公開第０７６４１５号明細書 国際特許公開第９９／２０８０９号明細書

本発明の課題は、表面処理又は表面コーティングのために、プラズマジェットの形のプラズマビームと少なくとも一つのプロセスガスを出来る限り完全に混合させて、プラズマからプロセスガスへの出来る限り完全なエネルギー転移を実現して、キャリヤガスとプロセスガスから成る最適に活性化された混合気を当該の表面に当てることができる方法を提示することである。そして、プラズマジェットと表面の間の直接的な接触を不可能にすることである。更に、本発明の課題は、そのような本発明による方法を実施するのに適した出来る限り簡単な装置を提供することである。

本発明の課題は、請求項１の特徴を有する方法と請求項６の特徴を有する装置によって解決される。従属請求項は、それぞれ本発明の方法及び装置に関する特に有利な改善構成を記載している。

本発明は、周囲の空気を抜いた状態の別個の空間領域内で、プラズマジェットの形で発生させたプラズマフローと少なくとも一つのプロセスガスを互いに混合させるとの発明の根本的な技術思想を出発点としている。そのために、プロセスガスは、周知のプラズマジェットの出射ノズルの後に配置された反応室内に送られて、その反応室内で、好適なビーム誘導部とそれに対応する流路の幾何学的な形状によって、一方のプラズマビームと他方のプロセスガスの出来る限り完全な混合を行っている。その後で初めて、そのようにして活性化させたプロセスガスを出射ノズルを介して加工物の表面と直に接触させて、その表面の調整又は積層を行っている。

本発明の特に有利な実施構成では、反応室に入る時の一方のプラズマビームと他方のプロセスガスのフロー方向は互いに垂直又はほぼ垂直である。そうすることによって、二つの媒体の特に徹底的な混合を行っている。

本発明の別の有利な実施構成では、プラズマビームは、処理又はコーティングすべき加工物の表面に対してほぼ平行に反応室内に誘導され、プロセスガスは、表面に対してほぼ垂直に供給される。この実施構成では、プラズマビーム自体が反応室を通過して進むことができない形で、両方の媒体が互いに最適に混合される。そうすることによって、反応室の構造のサイズを小さくすることができる。

本発明の別の有利な実施構成では、更に、反応室は、冷却／加熱システムを備えており、プラズマビームとプロセスガスの混合時に進行する化学的及び物理的なプロセスを制御することが可能となっている。例えば、反応室の隔壁内の温度調節用流路を通して、液体の温度調節媒体を流すことが可能である。同様に、電気式加熱システムを用いて、温度調節を行うこともできる。

最後に、本発明の別の有利な実施構成では、複数のプラズマビームをプロセスガスと混合することができるように、反応室に複数のプラズマジェットを導入することも可能である。

異なるプロセスガスを順番に供給し、そのため複数の反応室又は二段又は複数段に構成された統合式反応室を配備することも可能である。

本発明の全ての実施構成は、従来技術と比べて、一連の利点を有する。

先ず第一に、プラズマのエネルギーが、ほぼ完全にプロセスガスの活性化に変換される。

更に、反応室内の空気中の酸素を取り除くことによって、周囲の空気、プラズマ及びプロセスガスの間の望ましくない副反応が防止される。プラズマビーム自体ではなく、活性化されたプロセスガスだけが、処理又はコーティングすべき加工物の表面と接触する。そのようにプラズマと加工物の表面の間の直接的な接触を回避することによって、二次的なＵＶ放射の悪い影響が防止される。更に、そのような直接的な接触の回避によって、表面の応力の変化、表面内への一群の活性酸素の進入などのプラズマが加工物の表面に引き起こす別の効果も防止される。

以下において、図面にもとづき、本発明の実施例を更に詳しく説明する。

本発明による表面処理又は表面コーティング方法の模式的なフロー図 本発明による表面処理又は表面コーティングのための第一の装置の図 本発明による第二の装置の図 本発明による第三の装置の図 本発明による第四の装置の図 本発明による第五の装置の図

先ずは、図１に模式的に図示した方法を詳しく説明する。この例では、誘電体バリヤ放電によるプラズマジェットを発生させることから開始している。そのために、誘電体によって互いに分離された電極に電圧を印加する。既に冒頭で説明した特許文献１による装置では、それは、絶縁チューブであり、その絶縁チューブの中と外に電極が同心に配置された形で配備されている。それによって、グロー放電を発生させるとともに、機器を貫流する形でプロセスガスを供給することによって、機器から出て行くプラズマジェットを発生させる。次に、周囲の空気を抜いた状態において、そのようなプラズマジェットを別個に供給されるキャリヤガスと混合させる。キャリヤガスは、加工物の表面を処理する役割を果たすか、或いはそのような加工物の表面を後でコーティングする粒子を含むこととなる。そのような周囲の空気を抜いた状態での混合は、プラズマジェットを発生する機器の外に有る、周囲と対比して発生させた圧力が支配的な反応ゾーンで行われる。そのような反応ゾーンでは、一方のプラズマビームと他方のキャリヤガスを含むガス及び粒子の流れの徹底的な混合が行われる。そのため、その領域では、プラズマに含まれるエネルギーの大部分がガス及び／又は粒子の流れに転移される。そのためには、反応ゾーン内での好適な技術手段によって、周囲と比べて上昇した圧力を発生させて、そうすることによって、その領域に周囲の空気が入り込むことを防止することが有効である。全体として、前述した通り、そのような反応領域内で供給したキャリヤガスを活性化させるか、或いは粒子ビームを発生させる。

この方法の最後に示した二つの工程を繰り返すこと、即ち、それぞれ同じキャリヤガス又は相異なるキャリヤガスを供給することができる複数の活性化ゾーンを順番に配備することも可能である。そのような複数の活性化ゾーンによる方法は、キャリヤガスの特に徹底的な活性化を実現するか、或いは複数の活性化ガスから成る混合気を発生させるのに特に適している。

それに続いて、これまでに説明した方法の工程にもとづき活性化させたキャリヤガス又は粒子ビームを処理すべき加工物の表面と接触させ、そのようにして表面を処理又はコーティングする。

ここで説明する本発明による方法の特徴は、プラズマビームが別個の一つの反応領域又は別個の複数の反応領域内でプラズマエネルギーの大部分をガス及び／又は粒子の流れに転移させることであり、プラズマビーム全体ではなく、そのほんの一部しか表面と直接接触させないことが特に重要である。

更に、本発明による方法は、反応ゾーン内において周囲の空気を排除することによって、既に冒頭に述べた周囲の空気、プラズマ及びプロセスガスの間の望ましくない副反応を防止することを特徴としている。

図２は、本発明による第一の装置を図示している。このプラズマジェットを発生させる機器１は、誘電体バリヤ２、ここでは絶縁チューブを有する。それと同心に、外側の電極３が配置され、その中心に、内側の電極４が延びている。この機器１は、その自由端をプラズマヘッド５によって閉鎖されている。プロセスガス６は、矢印で表示された方向に供給され、それに続いて、プラズマヘッド５の開口部を通して外側に出て行くプラズマジェット７が発生している。プラズマジェット７用の入口開口部を備えた閉じた反応室８が、この機器１と接続されている。特に有利には、周囲の空気の進入を防止するために、この入口開口部９は、プラズマヘッド５の開口部に対して密閉されている。この反応室８は、反応室８の内部空間１２にキャリヤガス１１を吹き込むための別の入口開口部１０を有する。更に、反応室８は、出口開口部１３を有する。入口開口部９を通して、プラズマジェット７が内部空間１２の内部にまで到達する。そこで、プラズマジェット７とキャリヤガス１１の徹底的な混合が行われる。そのようにして活性化させたキャリヤガス１４は、出口開口部１３を通して反応室８から放出され、加工物１５に当たって、その表面を処理又はコーティングする。この実施形態では、反応室８は、内部混合部分を備えており、そのため、プラズマジェット７の投入は、活性化されたキャリヤガス１４のビームに対して垂直に行われ、そのことが、特に徹底的な混合と徹底的なエネルギー交換を引き起こすこととなる。

入口開口部９と出口開口部１３が反応室８の対向する側面に配置されて、その側面にキャリヤガス１１を吹き込むための入口開口部１０を配置することによって、プラズマジェット７の乱流及び／又は直線からの偏向を行うのが特に有利である。

図３は、活性化されたキャリヤガス１４が反応室から放出される方向と同じ方向から、プラズマジェット７が反応室８に入って来ることが異なっている、本発明による別の装置を図示している。

図４は、それぞれプラズマジェット７，７ａを発生させる二つの同じ機器１，１ａを側方に配備した別の装置を図示している。この場合、反応室８は、発生させた二つのプラズマジェット７，７ａの中の一方をそれぞれ内部空間１２に導入するための二つの入口開口部９，９ａを備えている。

図５は、反応室８の出口開口部１３に続く、接続部材１６を介して、それと接続された別の反応室１７が配備された別の装置を図示している。その別の反応室１７の内部空間１８内には、別のキャリヤガス１９が別の入口開口部２０を通して吹き込むことが可能である。二つのキャリヤガス１１，１９は、同じものとするか、或いは異なるものとすることができる。例えば、第一のキャリヤガス１１をプラズマイニシエーターとし、第二のキャリヤガス１９をエアロゾル、例えば、ナノ粒子及び／又は接合剤とするものと規定することができる。二つの反応室８，１７の各々において、それぞれ供給される媒体とそれぞれ供給されるキャリヤガスの混合が行われる。

図６は、直前に説明した図５と同様に、二段式の反応室を備えた別の装置を図示している。図５に図示された実施例では、二つの同じ反応室８，１７が順番に直列に接続されていた（当然のことならが、そのような直列の配置構成では、二つより多い反応室を配備することもできる）が、これから説明する実施例では、第一の内部空間２１と第二の内部空間２２を有する統合式反応室２０ａが配備されている。第一の内部空間２１では、供給されるプラズマジェット７と第一のキャリヤガス１１の混合が行われる。第二の内部空間２２では、第一の内部空間２１から出て来る活性化された媒体と別のキャリヤガス１９との別の混合が行われる。

本発明の有利な改善構成では、電気式又は液体式温度調節器を用いて、一つの反応室８又は二つの反応室８，１７を加熱又は冷却することが可能である。当該の反応室を加熱することによって、活性化された媒体が凝縮することを防止することができる。更に、そのようにして、温度調節器によって、キャリヤガスの代わりに各反応室に供給される液体の媒体を蒸発させることができる。

処理又はコーティングすべき加工物の表面の方を向いた本装置の出口開口部をノズルの形に相応に構成することによって、加工物の表面に対する活性化された媒体の直線的なビームを発生させることが可能となり、同様に、例えば、本発明の範囲内での好適なノズル構成によって、扇形状又は円錐形状のビームも実現可能となる。

更に、本装置の入口開口部及び／又は出口開口部の全て又は各々をノズルシステム、調節可能な絞り、或いはその他の周知の制御手段に置き換える、或いはそれと接続することが可能である。そのようにして、各入口開口部及び／又は出口開口部の横断面の簡単な制御によって、各反応室におけるプラズマ、ガス及び／又は粒子の流れの滞留時間を調節及び変更することが可能である。

特に有利には、本発明による装置は、二つの別個の構造グループから組み立てることができる。有利には、プラズマジェットを発生させる第一の構造グループとして、誘電体バリヤ放電によりプラズマジェットを発生する、出願人が製造、販売する機器であるｐｌａｓｍａｂｒｕｓｈ（登録商標）を使用することができる。そして、第二の構造グループは、それぞれ入口開口部及び出口開口部を備えた一つ又は複数の反応室を備えることができる。この場合、入口開口部９がｐｌａｓｍａｂｒｕｓｈ（登録商標）の機器のプラズマヘッド５と直接縦続接続可能な形で対応し、その結果そのプラズマヘッド５が入口開口部９上に密閉する形で直に設置することができるように、入口開口部を適合させるのが特に有利である。

Claims (10)

1. プロセスガスを供給している状態で、電圧を印加した二つの電極間での放電によって、プラズマジェットを発生させる、プラズマジェットを用いた表面処理又は表面コーティング方法において、
   発生させたプラズマジェットを取り囲む大気が抜かれた状態の空間的に分離された少なくとも一つの反応室内にキャリヤガスを供給して、プラズマジェットと混合させることと、
   それに続いて、キャリヤガスを活性化させるか、粒子ビームを発生させるか、或いはその両方を実施して、それらがプラズマジェットと独立して流れるようにすることと、
   次に、活性化されたキャリヤガスのビームと粒子ビームの中の一つ以上を処理又はコーティングすべき加工物の表面に入射させることと、
   を特徴とする方法。
2. 誘電体バリヤ放電によって、当該のプラズマジェットを発生させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 互いに独立して発生させた複数のプラズマジェットを同時に、或いは順番にキャリヤガスと混合させることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 当該のプラズマジェットを同じキャリヤガスと順番に複数回混合させることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 当該のプラズマジェットを異なるキャリヤガスと順番に混合させることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
6. プロセスガス（６）を供給している状態でプラズマジェット（７）を発生させる機器が配備されており、この機器のプラズマヘッド（５）から、プラズマジェット（７）がジェット又はビームフローの形で出射される、プラズマジェットを用いた表面処理又は表面コーティング装置において、
   プラズマジェット（７）用の一つの入口開口部（９）と、少なくとも一つの別の入口開口部（１０）と、一つの出口開口部（１３）とを有する、空間的に分離されて配置された少なくとも一つの閉じた反応室（８）が配備されていることと、
   プラズマヘッド（５）が、反応室（８）の入口開口部（９）と接続されていることと、
   当該の少なくとも一つの別の入口開口部（１０）を通して、少なくとも一つのキャリヤガス（１１）を供給することが可能であることと、
   出口開口部（１３）が、処理又はコーティングすべき加工物（１５）の表面の方向を向いていることと、
   を特徴とする装置。
7. 周囲の空気が反応室（８）の内部に進入しないように、プラズマヘッド（５）と入口開口部（９）の間の接続部分が密閉されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 複数の反応室（８，１７）が順番に直列に配置されており、それぞれ第一の反応室（８）の出口開口部（１３）が後続の別の反応室（１７）の入口開口部と接続されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の装置。
9. 当該の少なくとも一つの反応室（８，１７，２０ａ）が、所望の通り温度を調節することが可能である、即ち、加熱又は冷却することが可能であることを特徴とする請求項６から８までのいずれか一つに記載の装置。
10. 入口開口部及び出口開口部（９，１０，１３；１７，２０）の中の少なくとも一つが、調節可能であるか、或いは閉鎖可能であることを特徴とする請求項６から９までのいずれか一つに記載の装置。

Images