JP6482014B2

JP6482014B2 - プラズマ表面処理装置およびプラズマ表面処理システム

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Publication number: JP6482014B2
Application number: JP2014155267A
Authority: JP
Inventors: 賢二高島
Original assignee: E2LAB CO., LTD.
Current assignee: E2LAB CO., LTD.
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: JP2016031916A

Description

この発明はプラズマ表面処理方法、プラズマ表面処理装置およびプラズマ表面処理システムに関し、より詳細には、大気圧近傍の圧力下で発生させた放電プラズマを用いて行う長尺の被処理体に対する表面処理技術に関する。

従来、プラズマ表面処理装置を用いて長尺の被処理体（たとえば、カーボンファイバなど繊維状の被処理体）の表面処理を行う場合、図５（ａ）に示すように、プラズマ化された処理ガスを噴き出すスリット状の噴出口ｂを備えたプラズマヘッドａを、被処理体Ｗの搬送方向Ｘと直交する向きに配置し、被処理体Ｗを搬送しつつ、噴出口ｂからプラズマ化された処理ガスを噴射することにより、被処理体Ｗの表面処理を行っている。

しかしながら、プラズマヘッドａの噴出口ｂのスリット幅は、通常１ｍｍ程度と狭いことから（たとえば、特許文献１参照）、被処理体Ｗの搬送速度を速めると、被処理体Ｗと処理ガスの接触が不十分となってしまい、被処理体Ｗの表面処理が十分になされないおそれがあった。そのため、従来のプラズマ表面処理方法では、被処理体Ｗの搬送速度を速めることができず、表面処理の処理効率が低いという問題があった。

なお、この点については、たとえば、被処理体Ｗの搬送方向Ｘに、複数台のプラズマヘッドａ，ａ，…を併設することによって、被処理体Ｗの搬送速度を速めることが考えられるが、その場合、高額なプラズマヘッドａが複数台必要になり、被処理体Ｗの表面処理にかかるコストが上昇するという新たな問題が生じる。

また、従来の方法では、図５（ｂ）に示すように、噴出口ｂから噴き出される処理ガスは、被処理体Ｗの一方の面（プラズマヘッドａと対面する側の面）にのみ噴き付けられることになるので、他方の面の表面処理が不十分となるおそれがあった。つまり、被処理体Ｗに対する表面処理に処理ムラが生じるおそれがあった。

特開２０１１−９６６１６号公報

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、長尺の被処理体の表面処理において、低コストで、被処理体の処理効率が高く、かつ、処理ムラの少ないプラズマ表面処理技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るプラズマ表面処理装置は、大気圧近傍下で繊維または繊維束で構成された長尺の被処理体の表面処理を行うプラズマ表面処理方法であって、上記長尺の被処理体を長手方向に搬送する搬送経路に、上記被処理体の外周を囲うようにチャンバを形成し、このチャンバにおいて上記被処理体を挟んで対向する位置に、電気的に接地された金属板が配置されるとともに、この金属板に上記被処理体の搬送方向に沿ってスリット状の噴出口を一対形成し、この一対の噴出口からプラズマ化された処理ガスを上記チャンバ内に噴射することにより、上記チャンバ内を搬送される被処理体に対して上記噴出口のスリット長に応じた広範囲の区間でプラズマ化された処理ガスを噴き付けるプラズマ表面処理方法を実施するプラズマ表面処理装置であって、プラズマ化された処理ガスを下向きに噴射するスリット状の噴出口を備えた上部プラズマヘッドと、プラズマ化された処理ガスを上向きに噴射するスリット状の噴出口を備えた下部プラズマヘッドと、これら上部および下部のプラズマヘッド間にチャンバを形成させる一対のチャンバ形成部材とを備えてなり、上部および下部のプラズマヘッドは、いずれも処理ガスの噴出口が形成された面が電気的に接地されるとともに、互いに処理ガスの噴出口が平行に向かい合うように対向配置され、上記一対のチャンバ形成部材は、上部および下部のプラズマヘッドの噴出口を挟んで対面配置されて、上部および下部のプラズマヘッドの間に、上記噴出口の長手方向に貫通するチャンバが形成されていることを特徴とする。

そして、このプラズマ表面処理装置は、好適な実施態様として、以下の構成が採用される。
（１）上記上部および下部のプラズマヘッドの噴出口は、上記被処理体を挟んで正対する位置から相互に偏心させて対向配置されている。

（２）上記一対のチャンバ形成部材は、互いが対面する面に、いずれも上記噴出口の長手方向に沿った凹状溝が形成されている。

本発明に係るプラズマ表面処理システムは、本発明に係るプラズマ表面処理装置を複数連結し、隣接するプラズマ表面処理装置のチャンバ同士が連通するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、長尺の被処理体を長手方向に搬送する搬送経路に、被処理体の外周を囲うようにチャンバが形成され、このチャンバにおいて被処理体を挟んで対向する位置に、被処理体の搬送方向に沿ったスリット状の噴出口が一対形成され、この一対の噴出口からプラズマ化された処理ガスがチャンバ内に噴射されるので、被処理体はチャンバ内を通る際にスリット長に応じた広範囲の区間でプラズマ化された処理ガスに晒される。そのため、被処理体の搬送速度を速めても、被処理体はチャンバ内で処理ガスと十分に接触することになるので、表面処理効果を低下させることなく、表面処理の処理効率の向上を図ることができる。

また、チャンバ内に処理ガスを噴射する噴出口が、被処理体を挟んで対向する位置に一対配置されるので、チャンバ内を通る被処理体には両面から処理ガスが噴き付けられる。そのため、処理ガスの噴き付けが被処理体の片面に集中することがなく、処理ムラが発生せず、表面処理をムラなく均一に行うことができる。

また、一対の噴出口を被処理体を挟んで正対する位置から相互に偏心させて配置することにより、チャンバ内で処理ガスが渦状に対流するので、被処理体に対してムラなく均一に処理ガスを噴き付けることができ、表面処理をムラなく均一に行うことができる。

本発明に係るプラズマ表面処理装置の外観構成の一例を示す斜視図である。同プラズマ表面処理装置の概略構成を示す分解斜視図である。同プラズマ表面処理装置におけるチャンバ側面の形状の一例を示す断面図であり、図３（ａ）はチャンバ側面を断面円弧状に形成した場合を、図３（ｂ）はチャンバ側面を断面略コ字状に形成した場合を、図３（ｃ）はチャンバ側面を断面Ｖ字状に形成した場合を、それぞれ示している。同プラズマ表面処理装置を用いたプラズマ表面処理システムの概略構成の一例を示す平面図である。長尺の被処理体に対する従来のプラズマ表面処理方法の概要を示しており、図５（ａ）はプラズマ表面処理装置を下方から見た図であり、図５（ｂ）は同プラズマ表面処理装置の側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施形態１
図１は、本発明に係るプラズマ表面処理装置１の外観構成の一例を示している。この図１に示すプラズマ表面処理装置１は、大気圧近傍の圧力下において、長尺の被処理体Ｗに対して、プラズマ化させた処理ガスを噴き付けることにより、被処理体Ｗの表面処理を行う装置であって、プラズマ化させた処理ガスを噴射する一対のプラズマヘッド２ａ，２ｂと、プラズマヘッド２ａ，２ｂの間にチャンバ４を形成させる一対のチャンバ形成部材３ａ，３ｂとを主要部として備えている。

被処理体Ｗは、プラズマ表面処理装置１に連続供給可能な長尺の物体で構成される。本実施形態では、この被処理体Ｗは、糸状または紐状の繊維あるいは繊維の束（繊維状の物体）で構成されており、図示しない搬送手段によって、プラズマ表面処理装置１に連続供給されるようになっている（図１参照）。なお、この被処理体Ｗを構成する物体としては、たとえば、天然繊維、化学繊維、炭素繊維、ガラス繊維などが例示される。

被処理体Ｗに対して行う表面処理としては、プラズマ化された処理ガスを用いて行う被処理体表面の親水化、撥水化、表面還元、有機物除去、コーティングなどが例示される。

プラズマヘッド２ａ，２ｂは、いずれも、その筐体６内に、誘電体バリア放電によって処理ガスをプラズマ化させるプラズマ発生装置（図示せず）を収容しており、筐体６の底面には、プラズマ化された処理ガスを噴き出す噴出口５（図２参照）が備えられている。

ここで、筐体６に収容されるプラズマ発生装置は、電圧印加電極と接地電極とが一定の間隔を空けて対向配置されるとともに、これら電極の一方または双方の電極対向面をセラミックスなどの誘電体で覆った構造を備えている。そして、電圧印加電極に高周波電圧を印加することによって両電極間に放電（誘電体バリア放電）を発生させ、放電中の電極間に処理ガスを供給することによって処理ガスをプラズマ化（プラズマ活性化）させて、プラズマ化した処理ガスを噴出口５から筐体外部に噴射するように構成されている。

なお、電圧印加電極と接地電極は、特に図示しないが、筐体６内の長手方向（被処理体Ｗの搬送方向Ｘ）のほぼ全長にわたって対向配置されており、噴出口５の全領域から（噴出口５の全長にわたって）プラズマ化された処理ガスが噴射されるようになっている。また、これに伴って、プラズマ化された処理ガスが、噴出口５からムラなく均一に噴射されるように、放電空間（電圧印加電極と接地電極の間）への処理ガスの供給路には、処理ガスの供給を均一化させる機構が備えられている。

筐体６は、図２に示すように、底部が開口された金属製の箱体で構成されており、その底部に金属製の底板７が装着されることによって、筐体６の底面が形成されている。この底板７は、電気的に接地されており、プラズマ発生装置と被処理体Ｗとを電気的に隔離する電磁シールドの役割を果たすように構成されている。そのため、被処理体Ｗとして導電性物質を用いた場合でも、被処理体Ｗはプラズマ生成装置からの電気的な影響を受けないようになっている。なお、本実施形態では、筐体６も金属で構成されることから、底板７が電気的に接地されることに伴って筐体６も電気的に接地される。そのため、筐体６は、プラズマ発生装置で発生する高周波電界が筐体外部に漏れるのを防ぐシールドケースとしての役割を果たしている。

噴出口５は、筐体６の底板７を貫通して形成された細長いスリット状の貫通孔で構成されており、図２に示すように、底板７の長手方向のほぼ全長にわたって直線状に形成されている。具体的には、この噴出口５は、そのスリット幅は１ｍｍ程度とされ、スリット長（長手方向の長さ）は、筐体６に収容されるプラズマ発生装置の電極（放電空間）の長さに応じて設定されている。

そして、このように構成されたプラズマヘッド２ａ，２ｂは、図２に示すように、その底板７が互いに向かい合うように対向配置される。具体的には、プラズマヘッド２ａ，２ｂは、互いに処理ガスの噴出口５が平行に向かい合うように対向配置される。なお、この対向配置にあたり、上方に位置するプラズマヘッド２ａが本発明の上部プラズマヘッドを構成し、下方に位置するプラズマヘッド２ｂが本発明の下部プラズマヘッドを構成する。すなわち、上部プラズマヘッド２ａは、プラズマ化された処理ガスを下向きに噴射するように配置され、下部プラズマヘッド２ｂは、プラズマ化された処理ガスを上向きに噴射するように配置される。

チャンバ形成部材３ａ，３ｂは、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂの間に被処理体Ｗに対して表面処理を施す作業空間であるチャンバ４を形成させる板状の部材で構成され、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂの間に介在して、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂの各噴出口５を挟んで対面配置されることにより、互いに対面する面の間に、チャンバ４を形成させるようになっている。

また、チャンバ形成部材３ａ，３ｂの長手方向の寸法は、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂの長手方向寸法と同寸とされており、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂの間に介装されることによって、チャンバ４が長手方向（被処理体Ｗの搬送方向Ｘ）に貫通するように構成されている。なお、このチャンバ４の形成にあたっては、プラズマヘッド２ａ，２ｂとチャンバ形成部材３ａ，３ｂとの間に、図示しないＯリングなどのシール部材が介装され、チャンバ４内に噴射された処理ガスが、プラズマヘッド２ａ，２ｂとチャンバ形成部材３ａ，３ｂとの接合部から外部に漏れ出さないように構成される。つまり、プラズマヘッド２ａ，２ｂから噴射された処理ガスは、チャンバ４内に封じ込められるようになっている。

そして、本実施形態では、これらチャンバ形成部材３ａ，３ｂは、セラミックス、ガラス、ジルコニアなどの耐熱性を有する絶縁材料で構成される。すなわち、被処理体Ｗの表面処理を行う場合、チャンバ４内には高温の処理ガスが供給されるので、チャンバ形成部材３ａ，３ｂは耐熱性のある材料で構成される。また、処理ガスがチャンバ４の内面と反応するのを防ぎ、効率よく被処理体Ｗと反応させるために、チャンバ形成部材３ａ，３ｂは絶縁体で構成される。

また、チャンバ形成部材３ａ，３ｂは、互いに対面する面に、いずれも噴出口５の長手方向に沿った凹状溝８が形成されている。この凹状溝８は、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂからチャンバ４内に噴射されるプラズマ化された処理ガス（上下方向からチャンバ４内に供給される処理ガス）が、チャンバ４内で対流し易くなるように設けられたものであって、本実施形態では、この凹状溝８は、図３（ａ）に示すように、断面が略円弧状となるように構成されている。

なお、この凹状溝８は、処理ガスの対流を補助する形状であれば適宜設計変更可能であり、たとえば、図３（ｂ）に示すように断面略コ字状としたり、図３（ｃ）に示すように断面略Ｖ字状に構成したりすることが可能である。このように、チャンバ４の側面に凹状溝８を設けたことで、本実施形態に示すプラズマ表面処理装置１では、チャンバ４内に供給されるプラズマ化された処理ガスが、チャンバ４内で対流・攪拌されやすくなり、被処理体Ｗに処理ガスをムラなく均一に噴き付けることができるようになる

そして、この凹状溝８と併せて、本実施形態に示すプラズマ表面処理装置１では、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂにおける各噴出口５の位置が、被処理体Ｗを挟んで正対する位置（図３（ａ）に鎖線の矢符で示す位置）から、相互にわずかに偏心させて対向するように配置されている（図３（ａ）に実線の矢符で示す位置参照）。具体的には、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂの各噴出口５は、チャンバ４の中央から数ｍｍ〜十数ｍｍ程度に位置をずらして配設される。図３（ａ）に示す例では、上部の噴出口５を中央から左側に、下部の噴出口５を中央から右側にそれぞれ位置をずらしている。これにより、上部および下部の各噴出口５から噴射される処理ガスは、チャンバ４の中心で衝突することなく、チャンバ４内に渦状の対流を生じさせる。そのため、チャンバ４の側面の凹状溝８と相まって、チャンバ４内での処理ガスの対流・攪拌が促進され、被処理体Ｗに処理ガスをムラなく均一に噴き付けることができるようになる。

次に、このように構成されたプラズマ表面処理装置１を用いた被処理体Ｗの表面処理方法について説明する。

本発明に係るプラズマ表面処理装置１を用いた被処理体Ｗの表面処理にあたっては、はじめに、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂのプラズマ発生装置で誘電体バリア放電を行わせ、この状態で、電圧印加電極と接地電極の間に処理ガスを供給して、チャンバ４内にプラズマ化された処理ガスを噴射・供給し、チャンバ４内にプラズマ化された処理ガスを充満させる。

なお、このときにプラズマ発生装置に供給する処理ガスは、実施する表面処理の内容・種類に応じて適宜決定されるが、たとえば、窒素（Ｎ₂）ガスと空気（ＣＤＡ：Clean Dry Air）の混合ガスなどが用いられる。

チャンバ４内にプラズマ化された処理ガスが充満すると、次に、チャンバ４内への被処理体Ｗの搬送を開始させる。この搬送は、図示しない搬送手段によって行われ、図１に示すように、被処理体Ｗががチャンバ４内を通過するように、被処理体Ｗを長手方向（搬送方向Ｘ）に搬送する。すなわち、被処理体Ｗの搬送経路上にチャンバ４が配置されており、搬送手段によって、チャンバ４内には被処理体Ｗが連続供給される。

これにより、被処理体Ｗは、被処理体Ｗの外周を囲うように形成されたチャンバ４内を通過する際に、噴出口５のスリット長に応じた広範囲の区間でプラズマ化された処理ガスに晒されることになり、この間に、被処理体Ｗに対して表面処理が施される。つまり、本実施形態に示すプラズマ表面処理装置１では、スリット状に開口された噴出口５の長手方向の全長にわたって被処理体Ｗに対する表面処理区間が形成されているので、被処理体Ｗの搬送速度を速めても、被処理体Ｗに対して十分な表面処理が施される。

また、チャンバ４内では、処理ガスが上下両方向から、渦上の対流を伴って被処理体Ｗに噴き付けられるため、被処理体Ｗに対してムラなく均一に表面処理を施すことができる。

さらに、長尺の被処理体Ｗの表面処理を１台のプラズマ表面処理装置１で行うことができるので、長尺の被処理体Ｗの表面処理を低コストで実施することができる。

実施形態２
次に、本発明に係るプラズマ表面処理システムを図４に基づいて説明する。
本発明に係るプラズマ表面処理システムは、上述したプラズマ表面処理装置１を複数台連結することにより構成されている。

具体的には、図４に示すように、複数台（図示例では３台）のプラズマ表面処理装置１，１，…のチャンバ４同士が連通するように、プラズマ表面処理装置１を直列に連結している。この連結にあたっては、連結部分から処理ガスが漏れ出さないように、プラズマ表面処理装置１，１，…同士の間にはＯリングなどのシール部材（図示せず）が介装される。

このように、複数台のプラズマ表面処理装置１を連結すると、搬送中の被処理体Ｗに対してプラズマ化された処理ガスが作用する区間が増加する（図示のように３台連結した場合には、処理ガスが作用する区間が３倍になる）ので、プラズマ表面処理装置１を１台のみで使用する場合に比べて、被処理体Ｗの搬送速度を速めることができる。すなわち、プラズマ表面処理装置１を連結して使用することにより、表面処理の処理効率をより一層高めることができるようになる。

なお、このようにプラズマ表面処理装置１を連結して、被処理体Ｗの搬送速度を速めると、チャンバ４の入口側では被処理体Ｗの搬入に伴って空気（外気）が流入し、チャンバ４の出口側では被処理体Ｗの搬出に伴って処理ガスが流出するようになるので、図４に示すプラズマ表面処理システムでは、チャンバ４の入口側と出口側の双方に空気の流入と処理ガスの流出を防ぐ排気装置１０を設けている。

このように、プラズマ表面処理装置１，１，…を複数台連結することにより、プラズマ表面処理装置１を単独で使用する場合に比して、被処理体Ｗの搬送速度をより一層速めることができ、被処理体Ｗの表面処理の処理効率を更に向上させることができる。

なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、チャンバ形成部材３ａ，３ｂに凹状溝８を形成させた場合を示したが、この凹状溝８は省略することも可能である。すなわち、チャンバ形成部材３ａ，３ｂの互いに対面する面をフラットに構成することも可能である。

また、上述した実施形態では、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂの噴出口５の位置を互いに左右にずらした場合を示したが、いずれか一方の噴出口５のみを中央から左側または右側にずらして構成してもよい。さらに、上部および下部のプラズマヘッド２ａ，２ｂの噴出口５は、被処理体Ｗを挟んで正対する位置に配置することも可能である。

また、上述した実施形態では、チャンバ形成部材３ａ，３ｂをセラミックス、ガラス、ジルコニアなどの絶縁材料で構成した場合を示したが、耐熱性を有する材料であれば、カーボンや金属材料などの導電性材料で構成することも可能である。なお、チャンバ形成部材３ａ，３ｂを導電性材料で構成した場合、触媒効果によって表面処理性能が低下するおそれがある。そのため、チャンバ形成部材３ａ，３ｂを導電性材料で構成する場合、チャンバ４の内面を形成する部位に絶縁材料を配置しておくのが好ましい。

また、上述した実施形態１では、プラズマ表面処理装置１を単独で使用する構成を示したが、実施形態２に示す構成と同様に、プラズマ表面処理装置１の両端に排気装置１０を備えるように構成することも可能である。

また、上述した実施形態では、プラズマヘッド２ａ，２ｂを上下に配置した場合を示したが、プラズマヘッド２ａ，２ｂの配置を９０°傾けて、プラズマヘッド２ａ，２ｂが左右に配置されるように構成することも可能である。

なお、上述した実施形態では、被処理体Ｗが繊維状の物体である場合を示したが、被処理体Ｗは長尺であれば繊維状のものに限られず、たとえば、線状または板状の物体を被処理体として表面処理を行うことも可能である。

１プラズマ表面処理装置
２ａ，２ｂプラズマヘッド
３ａ，３ｂチャンバ形成部材
４チャンバ
５噴出口
６プラズマヘッドの筐体
７プラズマヘッドの底板
８凹状溝
Ｗ被処理体
Ｘ被処理体の搬送方向

Claims

大気圧近傍下で繊維または繊維束で構成された長尺の被処理体の表面処理を行うプラズマ表面処理方法であって、前記長尺の被処理体を長手方向に搬送する搬送経路に、前記被処理体の外周を囲うようにチャンバを形成し、このチャンバにおいて前記被処理体を挟んで対向する位置に、電気的に接地された金属板が配置されるとともに、この金属板に前記被処理体の搬送方向に沿ってスリット状の噴出口を一対形成し、この一対の噴出口からプラズマ化された処理ガスを前記チャンバ内に噴射することにより、前記チャンバ内を搬送される被処理体に対して前記噴出口のスリット長に応じた広範囲の区間でプラズマ化された処理ガスを噴き付けるプラズマ表面処理方法を実施するプラズマ表面処理装置であって、
プラズマ化された処理ガスを下向きに噴射するスリット状の噴出口を備えた上部プラズマヘッドと、
プラズマ化された処理ガスを上向きに噴射するスリット状の噴出口を備えた下部プラズマヘッドと、
これら上部および下部のプラズマヘッド間にチャンバを形成させる一対のチャンバ形成部材とを備えてなり、
上部および下部のプラズマヘッドは、いずれも処理ガスの噴出口が形成された面が電気的に接地されるとともに、互いに処理ガスの噴出口が平行に向かい合うように対向配置され、
前記一対のチャンバ形成部材は、上部および下部のプラズマヘッドの噴出口を挟んで対面配置されて、上部および下部のプラズマヘッドの間に、前記噴出口の長手方向に貫通するチャンバが形成されている
ことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
前記上部および下部のプラズマヘッドの噴出口は、前記被処理体を挟んで正対する位置から相互に偏心させて対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ表面処理装置。
前記一対のチャンバ形成部材は、互いが対面する面に、いずれも前記噴出口の長手方向に沿った凹状溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ表面処理装置。
請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置を複数連結し、隣接するプラズマ表面処理装置のチャンバ同士が連通するように構成されていることを特徴とするプラズマ表面処理システム。