SCEJ 78th Annual Meeting (Osaka, 2013) O301 大気圧プラズマ/微細液滴複合法の開発 -微細液滴のプラズマへの供給方法の検討（リバーベル） ○（正）福岡大輔*・（千葉工大工）（正）和田善成（群馬産技センター）（正）山本亮一・宮下喜好・徳田敬二・河合貴士（太陽化学工業）牧野聡朗・岩瀬裕実・森康剛（リバーベル）鐘ヶ江正巳・漆島路高・（千葉工大工）（正）尾上薫** Ar Tubing pump Ar Carrier gas H 2O ② RF generator (40.68 MHz) RF matching control unit Plasma ① 0.4 Cooling gas inlet ③ Plasma torch RF load coil (3 turns) Optical fiber Fig. 1 Experimental apparatus 1.2 実験方法 ①から供給する微細液滴キャリアガスのアルゴンモル流速 FC，および②から供給するプラズマソースガスのアルゴンモル流速 FP は，それぞれ 0.68, 9.52 mmol/s とした． ③から供給する冷却ガスの窒素モル流速は，18.0 mmol/s とした．微細液滴の液体ソースとして水を用い，チューブポンプにより微細液滴発生部に供給した．操作因子として，水の供給モル流速 FMD を 4.63~32.4 µmol/s，RF 照射出力 Pw を 400~1000 W の範囲でそれぞれ変化させた．石英トーチに供給される微細液滴径 dMD は，受止液（シリコンオイル）に液滴を捕集し，顕微鏡で観察する液浸法により測定した．また，生成した微細液滴を含むプラズマの発光は，マルチチャンネルフォトアナライザー（Hamamatsu Photonics Inc.）を用いて測定した． 2. 実験結果および考察 2.1 プラズマに導入する水液滴の供給条件の検討 Pw を 1000 W に設定し，①出口に dMD が 50~100 µm の (H2O)MD/Ar FC= 0.68 mmol/s FMD= 14.6 µmol/s 0.3 (dMD)Ave.= 5.12 µm 0.2 0.1 0.0 N2 Minute droplet generator Plasma source gas inlet 水液滴を供給した場合，プラズマが不安定となり維持できないことが明らかとなった．これより，微細液滴供給/ 発生部に分級槽を付設し，20 µm 以下の水液滴のみを石英トーチ内に供給することで，プラズマを安定化させた． FMD を 14.6 µmol/s とした場合における①出口における液滴径分布を Fig. 2 に示す．dMD は 5.12 µm 付近にピークを有する単峰性分布が得られた．また，本条件下における FMD が dMD に及ぼす影響は些少であることが明らかとなった． NMD/ΣNMD [-] 本研究では，大気圧プラズマと液相との接触による反応場の構築に着目している．これまでに，液相を微細液滴として連続供給し，微細液滴を含む気-液二相流と大気圧プラズマジェットを接触させることでヒドロキシルラジカル（OH・）が生成されることが明らかとなっている 1)．ここで，微細液滴をプラズマへ安定供給することができれば，さまざまな成分を反応原料としてプラズマ内に供給することが可能となり，金属薄膜形成やエッチングなどへの応用が期待される．本稿では，微細液滴のプラズマへの安定供給方法について検討した．また，生成したプラズマを発光スペクトルにより評価した結果についてもあわせて報告する． 1. 実験装置および方法 1.1 実験装置 Fig. 1 に示す反応ガス供給部，微細液滴発生/供給部，大気圧誘導結合プラズマ（AICP）発生/反応部（Rvbell Inc.）からなる大気圧流通式反応装置を用いた．プラズマ発生に用いる石英トーチに①から微細液滴を含む気-液二相流体，②からプラズマソースガス，③から冷却ガスがそれぞれ供給される．また，石英トーチ外周に設置した誘導コイルに 40.68 MHz の高周波を付与することでプラズマを発生させた． 1 10 dMD [µm] 100 Fig. 2 Size distribution of H2O minute droplet 2.2 水液滴を含むプラズマの RF 照射出力依存性水液滴を供給しない場合のアルゴンプラズマ（Ar*系）は，Pw を 400 W 以上に設定することで石英トーチから射出した状態の安定なプラズマが生成した．一方，水液滴を含むアルゴンプラズマ（(H2O) MD*/Ar*系）は，Pw が 400 W におけるプラズマは，ゆらぎを生じる不安定状態であったが，500 W 以上に設定することでプラズマが安定化することが明らかとなった．また，(H2O) MD*/Ar*系のプラズマの発光を測定した結果， Pw が 500 W では 310 nm 付近の OH・に起因するピークが支配的であった．一方，Pw の増加にともない OH・の発光強度が減少し，656 nm の水素原子(Hα)，および 777 nm の酸素原子（O）の発光強度が増すことが明らかとなった．これは，Pw の増加により励起エネルギーが低い OH・から励起エネルギーの高い Hα，O などの原子発光へ遷移したことに起因すると考えられる． Acknowledgment 本研究成果の一部は，経済産業省 H23-24 年度「戦略的基板技術高度化支援事業（サポイン）」の受託により研究開発を行ったものであり謝意を表する． Literature cited 1) 野沢，福岡，栗島，尾上，化学工学会第 43 回秋季大会講演要旨集，G217 (2011) D. Fukuoka*, Y, Wada, R. Yamamoto, K. Miyashita, K. Tokuda, T. Kawai, T. Makino, H. Iwase, Y. Mori, M. Kanegae, M. Urushima and K. Onoe** *Tel: 03-5812-9925, E-mail: [email protected] **Tel: 047-478-0415, E-mail: [email protected]