【プラズマ処理とは】原理・処理機の種類・他の処理との違い

はじめに

接着や密着、塗装の前処理としてプラズマ処理やフレーム処理、コロナ処理など様々な種類があります。
このブログでは、プラズマ表面処理に焦点をあてて説明します。

プラズマ処理

プラズマ処理は、コロナ処理と同じように、電気の力で気体（主に酸素）をプラズマ化させ
ラジカルを樹脂などの表面に付与する処理方法です。

プラズマ処理は、真空下で行う低圧プラズマ処理と、大気圧下で行う大気圧プラズマ処理の２種類の方法があります。

プラズマ処理といえば今では大気圧プラズマ処理が一般的になりつつあり、一般的にプラズマ処理と言うと
大気圧プラズマ処理を指す方が多いようです。

真空プラズマ処理も大気圧プラズマ処理も、使用するガスや放電方法の違いにより
設備の形状や用途が異なります。

コロナ処理との違い

そもそも「プラズマ」とは、物質の状態を表す言葉で、「コロナ」とは放電状態を表す言葉です。
コロナを含む様々な放電によって分子をプラズマ化するため、大きな視野でみると
「コロナ＝プラズマ」とも考えられます。

実際は、「コロナ処理≒プラズマ処理」なのですが、明確な境界線はなく、少々曖昧です。
プラズマと呼ばれる処理機と、コロナと呼ばれる処理機の間の処理機も存在しています。

一般的な見分け方として「ガスを使用するか、しないか」という考えがあります。
弊社では、「ガス」を介して処理を行う設備はプラズマ処理機、ガスを介さずに処理を行うのがコロナ処理機と
考えておりますが、他メーカー様にはそれぞれの定義があると思うので、参考としてお考え下さい。

プラズマ処理の原理

なぜ濡れ性があがるのか

プラズマ処理を行うことで濡れ性（親水化）が向上しますが、下記の要因があります。

官能基の付与

ポリプロピレン・ポリエチレンなど特にオレフィン系の合成樹脂は、表面に極性基が無く
接着剤やインクなどに対して 親和性がありません。

放電により放出されたイオンや電子が樹脂表面の分子の化学結合を切断し、樹脂の種類に応じて
親水性の官能基 OH(水酸基）・CO（カルボニル基）・COOH（カルボキシル基）等が生成されます。

表面洗浄

アルコールや溶剤などのウェット洗浄でも落としきれなかった僅かな汚れ（特に有機物）と
放電により放出されたイオンや電子が結合することで分解洗浄されます。

もともとの表面が持っていたエネルギー値を引き出し、そしてその表面が官能基によって
活性化されることでも親水性が向上します。
主に金属へのプラズマ処理では表面洗浄によって濡れ性を引き出します。

プラズマ処理機の種類

プラズマ処理機（プラズマ処理装置とも呼ばれる）には様々な方式の物が存在しています。
大きく分けて真空か大気圧か、真空と大気圧でもそこから色々と分岐していきます。

プラズマ処理機とはプラズマを用いて行う様々な処理機の総称です。

スポット型大気圧プラズマ処理

大気圧プラズマ処理と呼ばれると、このタイプのプラズマ処理を想像される方も多いと思います。

主に圧縮空気（窒素なども使用可能）を用いた処理方法で、先端の放電ノズル内で
高圧高周波の放電を行います。

その放電空間を圧縮空気などのガスが通過していく過程でイオンやラジカルへと変化し
最終的にそれらが混在した状態（プラズマ状態）のガスとなり、外部へ放出されます。


（ランテック社製大気圧プラズマ処理機PlasmaJet）

派生型

基本的に10mm前後と狭いエリアしか処理ができない欠点を補うため
先端ノズルを回転させることで円の直径分の長さを処理ができるタイプがあります。

また、放電部分を連結させたようなノズル形状にし、複数ノズルを1つのノズルとして
処理幅を確保するタイプもあります。

弊社では回転タイプの派生版、または複数ノズルを1台の発信機で制御する
マルチタイプなどを取り扱っています。


（ランテック社製大気圧プラズマ処理機Plasphere）

幅広型大気圧プラズマ

幅広型大気圧プラズマ処理機は、光学フィルムや金属箔など表面ダメージを嫌う製品をロールtoロールで処理したい
またはコロナ処理よりも安定してフィルムを処理したいというニーズを満たす設備です。

主に使用するのは圧縮空気ではなく、窒素やヘリウム、アルゴンといった不活性ガスをメインに、
必要に応じて酸素や水素などの反応性ガスを添加して処理を行います。

放電のアノード・カソードを電極内に収納しガスのみを照射することで基材に電気的ダメージを与えない
無電位タイプと、コロナ処理のように処理対象物を挟み込む形状で、その空間内をガスで満たす
有電位タイプに分類されます。

この有電位タイプは、ガスで満たす以外はコロナと非常に類似しているため
ガスコロナ処理と呼ばれていた時期もありました。


（アクシス社製大気圧プラズマ処理機ULD）

無電位型

無電位タイプのプラズマ処理機は「リモート型」とも呼ばれることがあります。

高圧を誘電体バリアを通じ印加し放電空間を通過してプラズマ化したガスのみが外部へ照射されるため
ガスに電位がなく導電体へもダメージレスで処理ができるのが特徴です。

弊社が扱うフランスAcXys社の幅広プラズマは、特許取得の特殊構造を有した電極のため
一般的な無電位タイプのプラズマ処理と比べて効率の良い放電が可能となっています。

有電位型

有電位タイプは「ダイレクト型」とも呼ばれる方式です。

無電位のリモート型とは異なり、印加空間と処理エリアが同空間となるため
導電体への処理ができないというデメリットがあります。

コロナ処理のアップグレードとして、より効率的で均一な処理をロールtoロールで
処理ができるというメリットもあります。

弊社では有電位タイプの取り扱いがないため、無電位のプラズマのメリットとデメリットを紹介します。

真空プラズマ処理

真空プラズマ処理は、処理チャンバー内を真空ポンプで減圧状態にした後に
様々なガスを投入することで処理を行うため、バッチ方式となります。

半導体業界の成長期にメインの処理機として大きく普及した設備です。

現在は大気圧プラズマ処理が一般的になっていますが、真空プラズマ処理でしかできない用途も多くあります。
真空プラズマも使用する周波数によって主な用途が分かれています。

※真空プラズマと呼んでいますが、完全な真空ではなく、極低圧で処理をするプラズマ処理を
　一般的に真空プラズマと呼んでいます。一般的な処理圧力は10-50Pa程度です。


（ピンク社製真空プラズマ処理機V6G）

KHz型とMHｚ型

KHz型とは、40-100KHzの比較的低い周波数を使用するため、LFとも呼ばれています。
MHz型は、13.56MHzを使用し、RFとも呼ばれています。

LF・RF共に金属製の電極をチャンバー内に有しています。
この二つの周波数は金属電極へ向けてスパッタ効果を発生させる特徴があります。

そのためメタル電極から金属粒子が発生し、チャンバー内に拡散します。
MHzはこの特性を活かしてCVDなどに用いられています。

チャンバー内で自己バイアスが発生するため、電気的に繊細な部品などは
破壊してしまう恐れがあるため、処理をすることができません。

LF・RF共にアルゴンガスを用いる場合は、MWと比べてアルゴンイオンの動力学的エネルギーが
高いというメリットがあります。

GHｚ型

2.45GHzのマイクロ波（マグネトロンやMW）を用いる真空プラズマで
表面処理の用途として一般的に使用されています。

LFやRFよりもプラズマ密度が濃く、空間内が無電位であるため材質を問わず処理が可能です。

また、空間内が均一なプラズマ空間となるため、チャンバー内に入れることができれば
処理がかかるという点が他の周波数と違うメリットです。

しかしマグネトロンでは基本的にスパッタ効果は期待できません。

表面処理用途に用いる真空プラズマは、GHzのマイクロ波プラズマが主流であるため、
そのメリットとデメリットを紹介します。

プラズマ処理の用途

プラズマ処理といっても、各方式によって最適なアプリケーションが異なるため
主な用途となる分野をまとめてみました。

最後に

広く知られている「プラズマ処理」という言葉が用いられる設備でも、実は様々な方式があり
各設備に得意分野が存在しております。

プラズマ処理を検討したけど使えなかったという結論が出た場合でも、実は異なるプラズマなら
しっかりと対応できるケースがあります。

貴社のアプリケーションに応じて適切な設備を紹介させていただきますのでお気軽にお声がけください。
弊社所有のデモ機であればサンプル作成も常時受け付けております。

また、弊社にはプラズマ以外の処理装置も多数ございます。
合わせてご検討いただければ幸いです。

プラズマ処理をはじめ、各種表面処理装置を導入することで、脱プライマー・脱溶剤といった
作業環境や作業効率の改善、そして自然環境を配慮したモノづくりへの転換を図ることができます。

表面処理を導入し、SDGsの下記目標を達成しましょう。