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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
★ 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!

商品コード: T0802

  • 監修: 沖野晃俊
  • 発行日: 2011年8月
  • 価格(税込): 73,440 円
  • 体裁: B5判,268ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0407-6

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  • 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
岡﨑幸子   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

目次

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
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
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
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
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
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
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
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(R)
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
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
1 FPD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
1 はじめに
2 VHF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
4 Siの結晶化度制御と太陽電池特性
4.1 Si薄膜の結晶化度のH2/SiH4比依存性
4.2 a-Si:H太陽電池の特性
4.3 μc-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
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
2.1 TPJの高パワー密度化
3 μ-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
3.3 TFT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
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
3.1 Siエッチング
3.2 SiO2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
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
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
5 JC08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
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
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
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
5 PCB(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
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)
1 はじめに
2 励起・イオン源としてのICPの特徴
3 ICP-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
4 ICP-MS装置の構成
5 ICP-AES及びICP-MSの特徴
6 ICP-AES及びICP-MSにおける干渉
6.1 ICP-AESにおける干渉とその対策法
6.1.1 非スペクトル干渉
6.2 ICP-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
9 ICP-AES及びICP-MSの応用例
9.1 環境試料の多元素分析
9.2 ICP-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
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
5.1 DBDと液体の相互作用
5.2 メタン低温酸化のメカニズム
5.3 CHEMKIN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
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
3.2 AC/DC放電(RFプラズマ・グロー放電・コロナ放電)の利用
3.3 DBD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
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
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
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―
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
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
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
3 LF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
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
1 はじめに
2 LFプラズマによる反応設計
3 LFプラズマ感受性表面処理剤の設計
4 PCMのプラズマコーティング
5 細胞接触表面の設計
5.1 PP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
5.2 LF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
5.3 LF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
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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