プラズマ

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プラズマ

わずか20年の間に、プラズマプロセスは数多くの産業や技術分野において、表面処理、 -洗浄、コーティング、さらにはプラスチックの活性化や半導体構造のエッチングなど、多岐にわたる課題に対応しています。

定義によれば、プラズマとは部分的にイオン化した気体であり、しばしば物質の「第4の状態」とも呼ばれます。例えば、稲妻やオーロラ（aurora borealis）といった現象は、自然界に存在するプラズマの一例です。技術的には、電界を印加することで生成することができます。

プラズマは、その物理的・化学的特性から特に注目されています。プラズマ内では、高励起状態の粒子やラジカルが生成され、通常条件下では不可能な化学反応を引き起こすことができます。同時に、処理対象となるワークピースの温度を非常に低く保つことが可能です。

プラズマ中の高速に加速されたイオンは、スパッタリングなどの応用を可能にします。

プラズマが科学や産業技術において極めて重要な役割を果たしているのは、これらすべての物理的・化学的特性によるものである。

プラズマ活性化

プラスチック表面の活性化は、プラズマ技術の特殊な応用例の一つです。ここでいう活性化とは、表面エネルギーを高めることを意味し、これにより密着性が向上し、ひいては濡れ性が向上します。プラスチック上の液滴の接触角は、密着性を測定する一般的な指標です。

多くの場合、ポリマーは表面エネルギーが低いか、あるいは疎水性であるため、例えば水性塗料の使用時に問題を引き起こすことがあります。そのため、塗装や印刷を行う前に、その表面を改質する必要があります。この目的において、プラズマは非常に効率的な手段であることが実証されています。このように、プラズマ活性化は、従来の接着促進剤に代わる手段となります。

さらに、プロセス中の温度上昇が著しくないため、被加工物の形状やポリマーの種類に関してほぼ制限がありません。また、プラスチックの表面形状はほとんど変化せず、最上層の単分子層のみが改質されます。

活性化プロセスにおいて、プラズマは通常酸素で構成されますが、場合によっては窒素やアンモニアが使用されることもあります。酸素を使用する場合、ポリマーを改質して、表面にヒドロキシル基、カルボキシル基、または過酸化物基を生成させることが可能です。一方、窒素やアンモニアを使用すると、アミン基やイミン基が生成され、これらは特定の用途において同様に有用である可能性があります。これらの極性を持つ親水性基は、表面の濡れ性を向上させます。活性化プロセスの所要時間は、通常わずか数秒です。活性化後、ワークピースは直ちに後工程へ進む準備が整い、場合によっては同じプラズマシステム内での処理も可能となります。

この確立されたプロセスの代表的な用途としては、自動車産業におけるプラスチック部品（例えば、塗装済みのバンパーなど）の前処理が挙げられます。

主な利点の概要

プロセス

非常に優れた密着性
均一性の向上
高いプロセス安定性
簡単なプロセス制御
温度に敏感な材料への適用が可能

経済性

廃棄コストなし
乾燥工程が不要
プラズマガスの消費量が少ない
プライマーの塗布が不要

環境配慮

溶剤不使用
有害廃棄物が発生しない
環境への配慮が組み込まれている

プラズマ洗浄

表面の洗浄は、プラズマ技術が提供する用途の一つです。これには、プラズマを生成するための様々な方法が用いられます。最も一般的なのは、高周波交流電圧（40 kHz または 13.56 MHz）を印加する方法と、マイクロ波による励起です。代表的なガス混合物には、酸素、アルゴン、場合によっては水素や四フッ化炭素（_CF4）が含まれます。混合物の組成は、汚染物質の種類や処理対象の材料によって決まる洗浄プロセスの具体的な要件によって異なります。

洗浄対象となる材料に関しては、ほとんど制限がありません。そのため、温度に敏感なプラスチックも、金属、ガラス、セラミックと同様に処理することができます。ただし、プラズマシステムは必ずそれぞれの用途に合わせて調整する必要があります。

ガス混合物の組成に応じて、プラズマは酸化作用または還元作用を発揮します。酸化性プラズマは有機汚染物質（油、油脂）の除去に有効である一方、還元性プラズマはむしろ無機堆積物（例えば金属酸化物など）に適しています。

ほぼすべての表面は、さまざまな工程の過程で汚染されます。塗装、硬化、シーリングなどのさらなる処理工程を行うためには、ワークピースを洗浄する必要があります。
プラズマ洗浄は、完全に清浄で油分のない表面を得るための最良の方法です。

従来の洗浄方法は、多くの場合、湿式化学洗浄であり、炭化水素（HC）、塩素化炭化水素（CHC）、あるいは水に溶解した強力な洗浄剤が含まれています。これらの薬剤はすべて、使用中だけでなく廃棄時にも環境問題を引き起こします。廃棄物の削減は、いわゆる「エンド・オブ・パイプ」方式によって行われますが、これには追加コストが発生します。

湿式化学洗浄とは対照的に、プラズマ洗浄は統合的な環境保護の条件を満たしています。

プラズマ洗浄の仕組みを理解するには、微視的な領域に注目する必要があります。表面上および表面付近で、具体的にどのようなことが起きているのでしょうか？

有機汚染の場合、プラズマガスには酸素とアルゴンが含まれます。洗浄プロセスは、物理的プロセスと化学的プロセスの2つの作用の総和です。

物理的プロセス：
ワークピースを陰極の上に置くか、あるいは陰極として接続すると、印加された電場により、プラズマ中の正イオンがワークピースの方向へと加速されます。衝突の際、イオンは直接的な衝撃伝達によって、表面から原子や分子を剥離させます。この過程は「原子によるビリヤード」と表現することもできます。

化学的プロセス：
励起された酸素と酸素イオンは、炭化水素と反応して二酸化炭素と水を生成します。正確な反応式は以下の通りです：

つまり、炭化水素は比較的無害な化合物へと変換されます。不完全燃焼による生成物がある場合でも、活性炭フィルターを用いて排ガスから容易に除去することができます。

プラズマ洗浄は、プロセス、経済性、環境、労働安全の面でいくつかの顕著な利点をもたらします：

プロセス

高い脱脂率
高い分解性
コーティングなどの後続のプラズマプロセスへの良好な下処理
高い安定性
プロセス制御が容易
温度に敏感な材料への適用が可能

経済性

廃棄処理コストが不要
乾燥工程が不要
プラズマガスの消費量が少ない

環境配慮

溶剤不使用
有害廃棄物の発生なし
廃棄物処理の手間が少ない
環境保護の統合

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