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常见之常压电浆(plasma)依照放电形式与结构的不同可以分为四大类
编辑:原创 浏览:2918 发布日期: 2021-07-16
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常压大气电浆电浆依照放电形式与结构的不同可以分为四大类: (1)利用金属电极直接放电的低电流喷射式电浆(Plasma Jet),(2)使用高电压电源并在电极间加入绝缘板以稳定电浆的介电质放电(Dielectric barrier discharge,以下称 DBD),(3)利用非均匀性电极结 构产生的电晕放电 (Corona discharge),(4)利用高电流电源产生的高温电浆炬(Plasm

常压大气电浆电浆依照放电形式与结构的不同可以分为四大类:

(1)利用金属电极直接放电的低电流喷射式电浆(Plasma Jet),(2)使用高电压电源并在电极间加入绝缘板以稳定电浆的介电质放电(Dielectric barrier discharge,以下称 DBD),(3)利用非均匀性电极结 构产生的电晕放电 (Corona discharge),(4)利用高电流电源产生的高温电浆炬(Plasma torch)。以下将针对其设计结构、特性与相关应用做一说明。

1. 喷射式电浆(plasma jet)

由一圆管状金属电极包围另一金属电极于管中央,两电极一端接电源供应器、一端接地,利用尖端放电后,藉由高流速气体流经圆管内将电弧喷出产生稳定电浆。其特色为电浆面积小、能量集中、处理效率高、产生的臭氧浓度较低、静电累积较小。其应用效果是大气电浆中最好者,但受限于处理面积狭小,通常可多支并联成一宽幅式处理系统,如下图所示。目前的应用包括了:表面改质、光阻去除、电浆蚀刻、液晶面板芯片贴合、卷带式载板制程清洁、手机组装贴合、生医材料杀菌及涂布/印刷前处理。

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2. 介电质放电(dielectric barrier discharge,DBD)

DBD(dielectric barrier discharge)是采用介电质障壁放电方式进行大面积均匀放电,在两电极(平板型或圆柱型)间加入至少一层之介电材料(石英或氧化铝),并因为介电质的存在而只能使用交流式电源供应器。

两电极板中至少有一个电极需以绝缘物质包覆,但大多是两电极皆包以绝缘物,且通以高频率、高电压的电位。如此则可在二电极间看到周期性的丝状放电。利用此丝状(filamentary)的微放电(microdischarge)将流过的气体活化分解之。这种放电方式结合了能常压下操作的优点及低压下辉光放电可大量活化、分解气体的特性。有许多的研究者将其应用在产生臭氧、镀膜及处理废弃物上。但此方法的缺点为:丝状的微放电之电流集中于一些小点,容易损坏电极板上做表面处理的材料,电浆反应的效率也低。DBD 约有 92%能源损耗在热能的产生。

一般而言介电质放电(DBD)为丝状放电(filamentary discharge、silent discharge),为不均匀的丝状电浆,可大面积放电,但因形成丝状放电,电浆密度低,电浆清除效率不高。。由于在大气环境中气体碰撞频率过高,电浆的产生与维持十分困难。因此需要特殊设计之高电压/高频电源供应器及特殊气体。在一般常见的应用中,操作频率介于 1~40kHz,峰对峰电压由数千伏到 3 万伏。亦有使用脉冲式电源供应器,但因高成本及稳定性较差,在工业界较为少见。

DBD 操作电压很高,通常在 20KV 左右的高电压,如此一来, 即可在两电极间观察到丝状或辉光放电。介电质放电一直以来都受到注意,由于放电的气体温度接近于室温,属于冷电浆形式,不会浪费能量于气体温度的上升,且放电的均匀性高。DBD 最早应用于工业用臭氧产生器/废水处理/灭菌,但近期之研究与应用主要则以大面积基板清洁活化用途为主。

DBD最大的优势为可大面积化,因此大面积的常压电浆系统通常以DBD方式来制作,但其缺点为其电浆密度较喷射式电浆密度低甚多,因此需可针对不同的应用设计出不同的DBD电极结构,以提升电浆处理效率,因此专业常识与技术创新相当重要,才能有最佳之设计。新葡京官方网址企业自行研发之宽幅式常压DBD电浆(Remote型式),有别于点状式电浆(Arc-Jet),电浆幅宽可针对不同尺寸(G1~G8 LCD)需求做最佳化,并使用低价之N2/CDA作为反应气体,设备Running cost为一般UV-Ozone clean之 1/5 以下。例图五为大面积ITO玻璃经DBD电浆设备(图四)处理完后水滴角测试结果,可发现大气电浆处理后,基板表面之洁净度/润溼性均有明显之提升,因此对于后续贴合/镀膜/溼式清洁/溼式蚀刻/电镀药液交换制程,有决定性之助益。

近年来有部份学者宣称可将 DBD 的丝状放电改良,利用放电参 数的控制可得到和低压辉光放电(glow discharge)一样稳定的均匀常压电浆(one atmospheric uniform glow discharge plasma)。由于这种常压辉光放电电浆非常均匀,没有丝状放电因电浆不均匀而形成的电丝,因此不会破坏脆弱的材料表面。但必须要在特殊气体环境下才能产生均匀电浆,需使用如 He、Ne 之类昂贵的惰性气体,而且需高频率、高电压的电源,其制作困难、寿命有限且难以再现,因此一直未被工业界正式采用。

3. 电晕放电(corona discharge)

电晕放电系采用尖端放电方式,利用在尖端处形成集中电场,因而引发气体的崩溃(Breakdown)效应产生解离反应,基本上由一边针状电极及另一平板电极所构成,在两电极间施加电压则会在电极间距形成放电。

4. 电浆炬(plasma torch)

常见的 Plasma torch 电极设计,通以高电流的 DC 或RF 电源(数十伏特电压,数百安培电流),并经由侧向通入气体,在电极间产生高速气流旋转,将电浆稳定下来并推向出口,产生极高温度的电浆炬,其火焰中心温度可高达数万 K,利用此法可有效分解有害气体废弃物。但因为这是提高气体温度产生解离,类似于热裂解方式,其虽然没有后续的一些问题如反应器寿命等,而且设备更为简单,但是消耗能源颇巨,不是一个符合经济效应的方式。目前的应用包括了:材料加工与熔接、废气处理、污染物减量、有机物去除及电浆喷涂....等

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