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プラズマの産業界における有用性

名古屋大学
高井 治 Osamu TAKAI

宇宙の物質の99%以上がプラズマからできている。太陽もプラズマから成り、内部で核融合を起しエネルギーを生んでいる。太陽は太陽風と言うプラズマを周りに吹き出し、これは地球にも届き、オーロラを起こす。このオーロラや雷、蛍光灯やプラズマテレビの中、ろうそくやガスの燃焼炎も皆プラズマである。
プラズマに関連した材料科学(『プラズマ材料科学』と言う)は、日本の戦後復興期から現在に至るまで、日本の基幹産業を一貫して支えてきた。例えば、鉄鋼産業、造船産業、自動車産業においてプラズマを使う溶接技術は必要不可欠であり、プラズマを用いた薄膜作製技術やエッチング技術は、現在の半導体・電子産業を支えている。また、プリント基板の分野では、プラズマは基板クリーニング処理、デスミア処理、デスカム処理などに使われる。これらの技術はすべて、プラズマ材料科学の学問体系の範疇にある。プラズマ材料科学が実用化してきたこれらの技術をプラズマ生成状態から分類すると、低圧下および大気圧下のプラズマであり、いずれも気相中で生成する状態を利用してきた。
さて、このように有用なプラズマとは何であろうか。「正負の荷電粒子を含み、全体として電気的にほぼ中性を保つ粒子の集団」をプラズマと呼んでいる。簡単なプラズマのモデルを図1に示す。

 

図1 プラズマのモデル

 

気相で生成するプラズマの場合、中性のガス粒子(原子あるいは分子)が電離し、電子と正イオンが生成する。これらの量は中性ガス粒子にくらべ少ない。また少量ではあるが、中性ガス粒子への電子の付着により負イオンも生成する。これ以外に、中性で活性な励起種、不対電子を有し活性なラジカル、また放射される光子を生成している。これらの粒子の作用により、プラズマを用いると、反応を(1)ドライ、(2)低温、(3)高速の条件下で行わせることが可能になる。
ここで、気相、液相、固相の三相とプラズマとの関係を図2に示す。

 

図2 物質の三相とプラズマの関係

 

気相で生成するプラズマは、現在、産業界の多くの分野で使用されている。 これに対し、 固相である金属中では、格子点にある金属正イオンの間を電子は自由に動き回っている。この電子は自由電子と呼ばれ、集団的に振動している。このような自由電子と金属正イオンの状態は、プラズマとみなすことができ、固相中のプラズマと呼べる。自由電子の集団的振動(プラズマ振動と言う)は電荷密度波として伝播する。この振動を粒子として量子化し、プラズモンと呼んでいる。金属表面に微細な構造が形成された場合や金属ナノ微粒子の表面では、光が照射された場合、プラズモンが共鳴励起され、表面(局在)プラズモンが生成する。この表面プラズモンと光との相互作用により、金属ナノ粒子は独特の色調を呈する。こういった現象は、表面(局在)プラズモン共鳴と呼ばれ、局在的に著しく増強された電場が生成する。

この共鳴現象を、表面分析、表面加工、医療などに応用することができる。プラズモンを用いる学問分野は、電子を用いるエレクトロニクス、光を用いるフォトニクスに対し、プラズモニクスと呼ばれ、産業の基礎として成長をはじめている。

これらに対し、液相中で生成するプラズマには注目が集まっていなかった。古くから、放電加工、水中溶接、放電浸炭、液体絶縁などの技術において、液中の放電現象を扱ってきた。ところが、その物理・化学的な基礎については、ほとんど研究がなされていなかった。近年、プラズマ材料科学分野において、液中で生成するプラズマ(『ソリューションプラズマ』と呼ぶ)を、21世紀のコア技術とし研究を進めていく動向が、世界的に起きようとしている。ここで、ソリューションプラズマと名付けたのは、溶質と溶媒の組み合わせにより、さまざまなプラズマを生じさせることができ、 溶液(ソリューション)を強調するためである。めっき関係者には親しみやすいプラズマであろう。ソリューションプラズマの写真を図3に、そのモデルを図4に示す。

 

図3 ソリューションプラズマの一例

図4 ソリューションプラズマのモデル

 

ソリューションプラズマに注目する理由としては、液相中のプラズマが気相中のプラズマとは異なった物理および化学を有していることが挙げられる。ソリューションプラズマは、超臨界状態を含む溶媒に取り囲まれた空間にて発生し、「高エネルギー状態」を溶媒に閉じ込めるという「閉鎖系の物理」が実現している。ソリューションプラズマの物理および化学は、当該分野における未踏領域として存在している。

図5に示すように、今世紀を支える新しいプラズマ材料技術としてソリューションプラズマを利用していくためには、その基礎科学を解明し、高度に制御できるよう展開していく必要がある。  一方、ソリューションプラズマを利用した応用研究については、 さまざまな領域で期待できる。例えば、「水処理」、「滅菌」、「廃棄物処理」、「ナノ粒子をはじめとする新物質創製」、「表面改質」、「めっき」、「超高速加工」、「希少金属回収」、「機能性溶液」、「養殖等を含む生物培養」などが挙げられる。ソリューションプラズマは、このような多くの分野への応用が期待されるため、将来の新しい産業をおこす大きな可能性を有している。

 

図5 低圧プラズマとソリューションプラズマの年次的発展

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JCUテクニカルレポート 84号 2008年7月