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大気圧プラズマの技術とプロセス開発    
Atmospheric Plasma its Technology and Process Development
[コードNo.2011T802]

※ 本書籍はご試読頂けません ※

■監修/ 沖野晃俊
■体裁/ B5判 268ページ
■発行/ 2011年8月 (株)シーエムシー出版
■定価/ 73,440円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-7813-0407-6

 
★実用化から40年、技術の進展とともに新たな応用が期待される大気圧プラズマ技術!
★大気圧プラズマの物理、化学、発生法、計測法などの基礎から最新技術を詳述!
★ 低コスト、連続・大量処理、利用現場の拡大、大型物体の処理など、多数の実例を交えて解説!

キーワード

非平衡プラズマ/熱プラズマ/マイクロプラズマ/熱流体連成解析/大気圧プラズマの分光計測/パルスパワー/親水化・撥水化/基板洗浄/薄膜Si太陽電池開発/超急速熱処理/半導体プロセス応用/排ガス処理/水処理/微量元素分析/低エネルギー放電を使った燃料転換/植物性バイオマス/殺菌/生体組織・細胞の活性化/農学的応用

刊行にあたって

 大気圧よりも少し低い気圧、もしくは少し高い気圧であっても、その気圧を実現するには真空容器や吸排気設備が必要となる。しかし、大気圧だけはそれらを必要としない。つまり、工場や実験室や家庭などでプラズマを空間に吹き出す形式で使用できるのは、大気圧プラズマのみである。こうした理由から、産業応用を考えた場合、大気圧プラズマは低コスト、連続・大量処理、利用現場の拡大、真空容器に入らない大型物体の処理などの多くの長所と可能性を持っている。
 大気圧プラズマは新しい技術ではなく、例えば直流のプラズマジェットは産業廃棄物の分解処理や高融点材料の切断・加工に、高周波を用いた誘導結合プラズマは微量元素分析の分野で40年以上前から実用化されている。しかし、21世紀に入った頃より、大気圧プラズマの技術が急激に注目を集めるようになってきた。これは、ガス温度が室温に近い低温プラズマ源の開発が進んだ事と、一様で安定な大気圧プラズマを大面積もしくは大容積で生成する技術が大きく進歩した事が原因である。これらのイノベーションにより、今まではプラズマとは全く無縁であった各種のプロセスや、ローテクに分類されがちな表面処理等の分野へのプラズマ応用が可能となった。低温の大気圧プラズマは直接手で触れることもできることから処理能力も低そうに思われるが、ガス温度が低いだけであって、プラズマ中には多数の高エネルギー粒子や反応性の高いラジカルが存在しており、高い反応性、処理能力、殺菌能力を持つ。このため、大気圧で低温という条件が重なると、バイオや医療分野への応用も可能となる。本書にもあるように、生体への直接照射の研究も始まっている。
 このように、大気圧プラズマが極めて高いポテンシャルと、極めて広い応用分野を持っている事に疑う余地はないが、逆にあまりにも応用分野が広い上、まだまだ発展途上な分野や未開拓な分野が多く、これから大気圧プラズマの利用を検討されている方々にとっては、しきいが高いのも事実である。そこで本書では、大気圧プラズマの物理、化学、発生法、計測法などの基礎を詳しく解説するとともに、最新の各種応用例を紹介する。本書によって大気圧プラズマ応用に興味を持って頂き、利用や導入の参考にして頂ければ幸いである。
2011年7月 沖野晃俊

著者一覧

沖野晃俊東京工業大学 大学院総合理工学研究科 創造エネルギー専攻 准教授;(株)プラズマコンセプト東京
岡ア幸子上智大学名誉教授
小駒益弘上智大学 理工学部 物質生命理工学科 教授
渡辺隆行東京工業大学 大学院総合理工学研究科 准教授
酒井道京都大学大学院 工学研究科 電気電子工学専攻 准教授
崎山幸紀University of California at Berkeley,Department of Chemical and Biomolecular Engineering,Research Associate
佐藤岳彦東北大学 流体科学研究所 教授
赤塚洋東京工業大学 原子炉工学研究所 エネルギー工学部門 准教授
宮原秀一東京工業大学 大学院総合理工学研究科 創造エネルギー専攻 特任助教;(株)プラズマコンセプト東京
鏑木結貴東京工業大学 大学院総合理工学研究科 創造エネルギー専攻
秋山秀典熊本大学 大学院自然科学研究科 教授
湯浅基和積水化学工業(株) R&Dセンター P2事業推進部 事業推進部長
垣内弘章大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 准教授
大参宏昌大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 助教
安武潔大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 教授
東清一郎広島大学 大学院先端物質科学研究科 半導体集積科学専攻 教授
一木隆範東京大学 大学院工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 准教授
葛本昌樹三菱電機(株) 先端技術総合研究所 環境・材料技術部門 部門統括 兼 マテリアル技術部長
金允護ダイハツ工業(株) 先端技術開発部 担当員(係長)
鏑木結貴東京工業大学 大学院総合理工学研究科 創造エネルギー専攻
宮原秀一東京工業大学 大学院総合理工学研究科 創造エネルギー専攻 特任教授
沖野晃俊東京工業大学 大学院総合理工学研究科 創造エネルギー専攻 准教授
安岡康一東京工業大学 大学院理工学研究科 電気電子工学専攻 教授
岩尾徹東京都市大学 工学部 電気電子工学科 准教授
天川正士(財)電力中央研究所 電力技術研究所 高エネルギー領域 領域リーダー 上席研究員
渡辺隆行東京工業大学 大学院総合理工学研究科 准教授
藤森英治環境省 環境調査研修所 教官
野崎智洋東京工業大学 大学院理工学研究科 機械制御システム専攻 特任准教授
関根泰早稲田大学 理工学術院 先進理工学部 応用化学科 准教授
滝田謙一東北大学 工学研究科 航空宇宙工学専攻 准教授
尾上薫千葉工業大学 工学部 生命環境科学科 教授
福岡大輔千葉工業大学 工学部 生命環境科学科 博士研究員
上野智永名古屋大学 大学院工学研究科 マテリアル理工学専攻 助教
稗田純子東北大学 金属材料研究所 助教
是津信行名古屋大学 大学院工学研究科 マテリアル理工学専攻 准教授
齋藤永宏名古屋大学 エコトピア科学研究所 教授
宗岡均東京大学大学院 新領域創成科学研究科 物質系専攻 修士課程
寺嶋和夫東京大学大学院 新領域創成科学研究科 物質系専攻 教授
永津雅章静岡大学 創造科学技術大学院 教授
北野勝久大阪大学 工学研究科 原子分子イオン制御理工学センター 准教授
井川聡大阪府立産業技術総合研究所 化学環境部 主任研究員
谷篤史大阪大学 理学研究科 宇宙地球科学専攻 助教
平田孝道東京都市大学 工学部 生体医工学科 准教授
長崎幸夫筑波大学 大学院数理物質科学研究科 教授
高木浩一岩手大学 工学部 電気電子・情報システム工学科 准教授

構成および内容

第I編 プラズマ生成技術と機器開発

第1章大気圧グロー放電プラズマの開発の経過(岡ア幸子)
1大気圧グロー放電のはじまり
2大気圧グロープラズマへの研究者の反応
3大気圧グロープラズマの実用上の欠点と利点
4大気圧グロープラズマの評価とその機構研究 その1:ヘリウムガスのグロー放電
5大気圧グロープラズマの評価とその機構研究 その2:金属細線網電極によるグロー放電プラズマ
6大気圧グロープラズマによる全ての分野研究との融合効果
7結語
第2章非平衡プラズマの種類と発生法(小駒益弘)
1熱平衡 とプラズマ
2放電場の粒子温度
3大気圧における非平衡プラズマとその発生法
4大気圧におけるストリーマ放電とグロー放電
5コロナ放電
6非平衡プラズマ発生装置
6.1パックトベッド(Packed bed)放電管
6.2パルスパワー(Pulse power)を用いたグロー状放電
6.3ホローカソード(Hollow cathode)を用いた放電
第3章熱プラズマの種類と発生方法(渡辺隆行)
1熱プラズマの特徴
2熱プラズマの非平衡性
2.1反応非平衡状態
2.2熱的非平衡状態
3熱プラズマの発生方法
3.1直流アーク放電
3.2多相交流アーク放電
3.3誘導結合型熱プラズマ
3.4ハイブリッドプラズマ
3.5マイクロ波加熱プラズマ
第4章マイクロプラズマの生成と特性(酒井 道)
1はじめに
2マイクロプラズマ中の非平衡性と内部パラメータの概要
2.1マイクロプラズマ中の非平衡性
2.2マイクロプラズマの内部パラメータ
3マイクロプラズマ生成法と特徴
4マイクロプラズマにおけるパッシェン曲線からの逸脱性
5おわりに
第5章大気圧プラズマの熱流体連成解析(崎山幸紀、佐藤岳彦)
1はじめに
2プラズマ流体モデル
3熱流体連成解析
4おわりに
第6章大気圧プラズマの分光計測(赤塚 洋)
1はじめに
2電子温度計測
2.1臨界電子密度の決定法
2.2低電子密度の場合
2.3高電子密度の場合
3電子密度計測
4回転温度近似によるガス温度計測
4.1窒素プラズマ中の窒素分子
4.2酸素プラズマ中のOHラジカル
第7章さまざまな大気圧プラズマ源(宮原秀一、鏑木結貴、沖野晃俊)
1はじめに
2おもな大気圧プラズマの生成法
2.1電極を用いたグロー放電プラズマ
2.2電極を用いたバリヤ放電プラズマ
2.3大気圧マイクロ波単極放電プラズマジェット
2.4電極を用いたアーク放電プラズマ
2.5電極を用いない高周波誘導プラズマ
3種々の新しい大気圧プラズマ源
3.1プラズマニードル
3.2マイクロプラズマジェット(プラズマバレット)
3.3ジェット型マルチガスダメージフリープラズマ®
3.4マルチガス誘導結合プラズマ
3.5大気圧グロープラズマ
3.6大気圧マイクロホロカソード放電プラズマ
3.7大気圧コロナプラズマ(グライディングアークプラズマ)
3.8浮遊電極型誘電体バリア放電
3.9マイクロ波アルゴンプラズマ
3.10高出力マイクロ波誘導プラズマ
3.11水プラズマ
4おわりに
第8章パルスパワーを用いた大気圧プラズマ生成(秋山秀典)
1まえがき
2パルスパワー電源
3パルスパワー生成大気圧プラズマの特徴
4あとがき

第II編 表面処理・材料プロセス

第1章親水化・撥水化処理(湯浅基和)
1FPD分野での利用
1.1基板洗浄ユニット
1.2インクジェット工法向け撥水化処理
2樹脂フィルム処理での利用
2.1フィルム親水化処理
2.2モノマープラズマ処理
第2章薄膜Si太陽電池開発に向けたプラズマCVD技術(垣内弘章、大参宏昌、安武 潔)
1はじめに
2VHF励起大気圧プラズマを用いた機能薄膜形成の概念
3大気圧プラズマ発生用電極
4Siの結晶化度制御と太陽電池特性
4.1Si薄膜の結晶化度のH2/SiH4比依存性
4.2a-Si:H太陽電池の特性
4.3μc-Si:H太陽電池の特性
5おわりに
第3章熱プラズマジェットを用いた超急速熱処理と半導体プロセス応用(東清一郎)
1まえがき
2熱プラズマジェット(TPJ)を用いた超急速熱処理実験
2.1TPJの高パワー密度化
3μ-TPJによる超急速熱処理と半導体プロセス応用
3.1極浅接合(USJ)中の不純物活性化
3.2アモルファスシリコン(a-Si)膜の高速横方向結晶化
3.3TFT作製プロセスへの応用
3.4ガラス基板への適用
4むすび
第4章プラズマ発生装置の小型化と表面プロセス応用(一木隆範)
1はじめに
2大気圧プラズマジェット発生装置の小型化
3プロセスへの応用
3.1Siエッチング
3.2SiO2エッチング
3.3ポリマー表面の親水化処理、金属酸化表面の還元処理
4おわりに

第III編 分析・環境応用

第1章オゾンの生成と環境への応用(葛本昌樹)
1はじめに
2オゾン生成の基礎反応
3無声放電によるオゾンの生成
3.1電極構造
3.2無声放電の基本特性
3.3オゾン発生特性
3.3.1放電の状態―pd積と放電特性―
3.3.2ガス温度
3.3.3最大オゾン発生効率
4環境への応用
4.1水処理
4.2ガス処理
4.3パルプ漂白
第2章自動車の排出ガス処理(金 允護)
1はじめに
2プラズマ反応器の基本構造と新規反応器の特徴
2.1電極
2.2誘電体
2.3電極間距離
3モードシミュレーションシステムの構築
4運転状況に応じた電源制御システムの構築
5JC08モードにおけるプラズマ反応器のPM除去特性
6おわりに
第3章地球温暖化ガスの分解処理(鏑木結貴、宮原秀一、沖野晃俊)
1はじめに
2大気圧マルチガス熱プラズマ
3麻酔ガスプラズマの生成と諸特性の測定
4手術用麻酔ガス分解処理
5二次生成物の発生と低減
6おわりに
第4章気泡内プラズマを用いた水処理(安岡康一)
1大気圧プラズマによる水処理
1.1水処理技術
1.2直接プラズマ方式
2気泡内プラズマによる水処理
2.1気泡内プラズマ
2.2酢酸分解
2.3有機フッ素分解
3まとめ
第5章アーク放電による廃棄物処理(岩尾 徹、渡辺隆行、天川正士)
1はじめに
2アーク放電による廃棄物処理の特長
3都市ごみ焼却灰の溶融処理
4放射性廃棄物の溶融処理
5PCB(ポリ塩化ビフェニル)の処理
6アスベストの処理
7医療廃棄物の処理
8真空アークによる表面除染
9その他の処理技術
10まとめ
第6章水蒸気プラズマによる廃棄物処理(渡辺隆行)
1水蒸気プラズマの特徴
2直流放電による水蒸気プラズマ
3高周波放電による水蒸気プラズマ
4水蒸気プラズマによるフロン類の分解
5水蒸気プラズマによるハロンの分解
6水蒸気プラズマによる有機系廃棄物の分解
7水蒸気プラズマによる排水処理
8まとめ
第7章プラズマを用いた微量元素分析(ICP-AES及びICP-MS)(藤森英治)
1はじめに
2励起・イオン源としてのICPの特徴
3ICP-AES装置の構成
3.1試料導入部
3.2分光測光部
3.2.1モノクロメーター
3.2.2ポリクロメーター
3.2.3エシェル分光器
4ICP-MS装置の構成
5ICP-AES及びICP-MSの特徴
6ICP-AES及びICP-MSにおける干渉
6.1ICP-AESにおける干渉とその対策法
6.1.1非スペクトル干渉
6.2ICP-MSにおける干渉とその対策
6.2.1非スペクトル干渉
6.2.2スペクトル干渉
7試料の前処理法
7.1分解方法
7.1.1開放系酸分解法
7.1.2圧力容器法(マイクロ波加熱酸分解法)
7.1.3アルカリ融解法
7.2分離・濃縮法
7.2.1溶媒抽出法
7.2.2固相抽出法
7.2.3共沈分離法
8定量分析法
8.1絶対検量線法
8.2内標準法
8.3標準添加法
8.4同位体希釈法
9ICP-AES及びICP-MSの応用例
9.1環境試料の多元素分析
9.2ICP-MSによる廃基板試料の多元素分析
10おわりに

第IV編 化学・有機合成プロセス

第1章大気圧プラズマによる天然ガス高度利用技術(野崎智洋)
1はじめに
2メタンの改質
2.1メタンからメタノール直接合成:夢の触媒反応
2.2従来のメタン改質:間接合成法
3マイクロプラズマを用いたメタンからメタノールの直接合成
4結果と考察
4.1反応温度とメタノール選択率
4.2液相における有機物の酸化
4.3直接ルートによる合成ガス製造
4.4メタン転換率と液体選択率
5反応メカニズム
5.1DBDと液体の相互作用
5.2メタン低温酸化のメカニズム
5.3CHEMKINによる気相反応モデル
5.4発光分光分析
6おわりに
第2章低エネルギー放電を使った燃料転換(関根 泰)
1はじめに
2どういったプロセスが考えられるか
3これまでの研究例
3.1グリッドアーク型非平衡放電の利用
3.2AC/DC放電(RFプラズマ・グロー放電・コロナ放電)の利用
3.3DBDの利用
3.4我々の結果の一例
4今後の展開
第3章プラズマ支援燃焼(滝田謙一)
1はじめに
2プラズマによる着火・燃焼促進のメカニズム
3低温プラズマによる着火・燃焼促進技術
4パルス周波数と印加時間が着火・燃焼促進効果に及ぼす影響
4.1解析手法
4.2計算結果
第4章大気圧マイクロ波プラズマ法による植物性バイオマスの転換(尾上 薫、福岡大輔)
1はじめに
2マイクロ波照射場を利用した植物性バイオマスの転換法の特徴
2.1植物性バイオマスの特徴とその転換体系
2.2大気圧マイクロ波照射反応場を用いた植物性バイオマスの固相ラジカル化
3大気圧マイクロ波照射反応場を用いたセルロース残渣中の固相ラジカルの生成特性
3.1どのように試料にマイクロ波を照射するか
3.2マイクロ波加熱からプラズマ状態への移行ポイントとは
3.3固相ラジカルはどのように生成するのか
4おわりに
第5章新しい材料合成反応場としてのソリューションプラズマ(上野智永、稗田純子、是津信行、齋藤永宏)
1ソリューションプラズマ
2ソリューションプラズマによる微粒子の合成とメカニズム
3ソリューションプラズマによる逆ミセル法を用いた金微粒子の合成
4おわりに
第6章先進材料プロセスにおけるガス温度制御型プラズマ―クライオプラズマを例として―(宗岡 均、寺嶋和夫)
1大気圧プラズマプロセスと熱
2「ガス(中性粒子)温度」制御の意義・方法
2.1熱力学的パラメータと温度制御の必要性
2.2ガス温度制御が必要となる応用例
2.3ガス温度制御の方法
3ガス温度を制御したプラズマの例―クライオプラズマ
4ガス温度制御型プラズマを用いたプロセス
4.1ナノポーラス材料への適用
4.2生体材料への適用
5今後の展望

第V編 医療・バイオ応用

第1章プラズマ滅菌(永津雅章)
1はじめに
2各種滅菌法
2.1滅菌
2.2滅菌法の比較
3大気圧プラズマ滅菌の研究動向
3.1各種大気圧プラズマ
3.2大気圧プラズマを用いた包装容器内部の低温プラズマ滅菌技術
4おわりに
第2章プラズマ医療のための大気圧低温プラズマを用いた液体の効果的殺菌技術(北野勝久、井川 聡、谷 篤史)
1はじめに
2大気圧低温プラズマを用いた液体に対するプラズマプロセス
3LFマイクロプラズマジェット
4低pH法による液体のプラズマ殺菌
5液相中・気相中における活性種の診断
6おわりに
第3章生体組織・細胞の活性化(平田孝道)
1はじめに
2滅菌・殺菌による治癒効果の向上
3電磁界に起因した細胞内・外に存在する成長因子の活性化
3.1パルス高電界による癌治療
3.2ナノ秒パルス高電界によるガンの不活化
3.3ナノ秒パルス高電界による創傷治療
4プラズマにより発生した活性物質による成長因子の活性化
第4章大気圧プラズマによる生体適合性表面の設計(長崎幸夫)
1はじめに
2LFプラズマによる反応設計
3LFプラズマ感受性表面処理剤の設計
4PCMのプラズマコーティング
5細胞接触表面の設計
5.1PP基板上にコートした反応性ポリマーのLFプラズマ処理によるPEG層の形成
5.2LFプラズマ処理した各種PP基板上におけるタンパク質吸着挙動
5.3LFプラズマ処理した各種PP基板上における細胞接着挙動
6おわりに
第5章高電圧・パルスパワーの農学的応用(高木浩一)
1はじめに
2電気刺激でのキノコ増産
3高電圧による植物の発芽の促進および抑制
4高電圧の植物成長促進への活用
5高電圧の食品保存や成分抽出への活用



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