電暈放電

電暈放電(corona discharge)

電暈放電係採用尖端放電方式，利用在尖端處形成集中電場，因而引發氣體的崩潰(Breakdown)效應產生解離反應，典型的電暈放電設備，基本上由一邊針狀電極及另一平板電極所構成，在兩電極間施加電壓則會在電極間距形成放電。

所以，尖端放電一般為針狀或線狀電極對平板或管狀電極放電，由於放電通常集中於尖端、細線及金屬板邊緣而活化區域較小，如圖九所示。由於會對待處理物產生不規則的電弧放電，易使待處理物產生缺隙在應用上造成了限制。不過所需要的電壓較低、反應器設計簡單而維修容易，也是常用的常壓電漿系統。目前的應用包括了：表面改質、靜電集塵器、靜電消除器、空氣清新機、廢氣污染處理及生醫材料殺菌。



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常見之常壓電漿分類

常壓大氣電漿電漿依照放電形式與結構的不同可以分為四大類：
(1)利用金屬電極直接放電的低電流噴射式電漿(Plasma Jet)，(2)使用高電壓電源並在電極間加入絕緣板以穩定電漿的介電質放電(DBD)，(3)利用非均勻性電極結構產生的電暈放電 (Corona discharge)，(4)利用高電流電源產生的高溫電漿炬(Plasma torch)。以下將針對其設計結構、特性與相關應用做一說明。

1.噴射式電漿(plasma jet)
由一圓管狀金屬電極包圍另一金屬電極於管中央，兩電極一端接電源供應器、一端接地，利用尖端放電後，藉由高流速氣體流經圓管內將電弧噴出產生穩定電漿。其特色為電漿面積小、能量集中、處理效率高、產生的臭氧濃度較低、靜電累積較小。其應用效果是大氣電漿中最好者，但受限於處理面積狹小，通常可多支並聯成一寬幅式處理系統，如下圖二所示。目前的應用包括了：表面改質、光阻去除、電漿蝕刻、液晶面板晶片貼合、捲帶式載板製程清潔、手機組裝貼合、生醫材料殺菌及塗佈/印刷前處理。

2.介電質放電(DBD)
DBD是採用介電質障壁放電方式進行大面積均勻放電，在兩電極(平板型或圓柱型)間加入至少一層之介電材料(石英或氧化鋁)，並因為介電質的存在而只能使用交流式電源供應器。兩電極板中至少有一個電極需以絕緣物質包覆，但大多是兩電極皆包以絕緣物，且通以高頻率、高電壓的電位。如此則可在二電極間看到週期性的絲狀放電。利用此絲狀（filamentary）的微放電（microdischarge)將流過的氣體活化分解之。這種放電方式結合了能常壓下操作的優點及低壓下輝光放電可大量活化、分解氣體的特性。有許多的研究者將其應用在產生臭氧、鍍膜及處理廢棄物上。但此方法的缺點為:絲狀的微放電之電流集中於一些小點，容易損壞電極板上做表面處理的材料，電漿反應的效率也低。文獻研究指出，DBD約有92%能源損耗在熱能的產生。
一般而言DBD為絲狀放電(filamentary discharge、silent discharge)，為不均勻的絲狀電漿，可大面積放電，但因形成絲狀放電，電漿密度低，電漿清除效率不高。由於在大氣環境中氣體碰撞頻率過高，電漿的產生與維持十分困難。因此需要特殊設計之高電壓/高頻電源供應器及特殊氣體。在一般常見的應用中，操作頻率介於1~40kHz，峰對峰電壓由數千伏到3萬伏。亦有使用脈衝式電源供應器，但因高成本及穩定性較差，在工業界較為少見。DBD操作電壓很高，通常在20KV 左右的高電壓，如此一來，即可在兩電極間觀察到絲狀或輝光放電。介電質放電一直以來都受到注意，由於放電的氣體溫度接近於室溫，屬於冷電漿形式，不會浪費能量於氣體溫度的上升，且放電的均勻性高。DBD最早應用於工業用臭氧產生器/廢水處理/滅菌，但近期之研究與應用主要則以大面積基板清潔活化用途為主。
DBD最大的優勢為可大面積化，因此大面積的常壓電漿系統通常以DBD方式來製作，但其缺點為其電漿密度較噴射式電漿密度低甚多，因此需可針對不同的應用設計出不同的DBD電極結構，以提昇電漿處理效率，因此專業知識與技術創新相當重要，才能有最佳之設計。馗鼎奈米科技公司自行研發之寬幅式常壓DBD電漿(Remote型式)，有別於點狀式電漿(Arc-Jet)，電漿幅寬可針對不同尺寸(G1~G8 LCD)需求做最佳化，並使用廉價之N2/CDA作為反應氣體，設備Running cost為一般UV-Ozone clean之 1/5以下。大面積ITO玻璃經DBD電漿設備（圖四）處理完後水滴角測試結果，可發現大氣電漿處理後，基板表面之潔淨度/潤溼性均有明顯之提昇，因此對於後續貼合/鍍膜/溼式清潔/溼式蝕刻/電鍍藥液交換製程，有決定性之助益。
近年來有部份學者宣稱可
DBD的絲狀放電改良，利用放電參數的控制可得到和低壓輝光放電(glow discharge)一樣穩定的均勻常壓電漿(one atmospheric uniform glow discharge plasma)。由於這種常壓輝光放電電漿非常均勻，沒有絲狀放電因電漿不均勻而形成的電絲，因此不會破壞脆弱的材料表面。但必須要在特殊氣體環境下才能產生均勻電漿，需使用如He、Ne之類昂貴的惰性氣體，而且需高頻率、高電壓的電源，其製作困難、壽命有限且難以再現，因此一直未被工業界正式採用。


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常壓電漿的優勢

在一大氣壓下產生電漿是最經濟、最有效率的一種方式。一般電漿製程為使電漿穩定的產生，系統必須操作在低壓下。因此需要真空腔體和真空幫浦來維持低壓的環境，不但成本提高、單位時間處理量大減，而且設備維護費用也高。比如說，真空幫浦一般怕強酸、強鹼、也怕微粒，極易受損。因此若能在常壓下產生穩定的電漿就不再需要上述的真空設備，裝置簡化，操作及維修費用大大降低，此外其工件可不受真空腔體大小的限制，而且製程容易以連續式操作，可處理量也大幅提昇。
故常壓電漿相較於傳統的低壓電漿，大大拓展了電漿的應用領域，如下圖一所示。目前常壓電漿於產業界已有多項應用實例，詳見表一，其中噴射式電漿系統(Plasma Jet)介電質放電系統(DBD)因具有非熱電漿的特性且易整合於製作產線中而備受矚目。


此外，由於常壓電漿具有下述優點，可在室溫下將污染物質分解成無污染性之氣體，因此應用於氣相與液相環境污染物之分解上最具潛力。
1.去除效率高：較一般的焚化或觸媒反應法之反應性皆高，可使原先
2.易發生的反應快速進行。
3.設置成本低廉：主要設備為高頻率電源供應器，無須加熱系統，安裝容易。
4.節省能源：能源消耗少，利用效率高。電漿在低氣體溫度即可產生，而電漿化學反應在近於室溫下即可進行，無須加熱氣體即可使反應完全，因此可節省能量甚巨。電漿能量效率較傳統的化學反應效率高出甚多，是因為傳統或觸媒反應乃利用氣體加熱來提高氣體分子的動能，分子在經相互碰撞後才將一小部份的動能轉成位能來破壞分子的鍵結。如此，大部份外加的能量皆在提高氣體的溫度，而非用在鍵能的破壞。但電漿的能量是直接加在電子上，而高能電子的破壞鍵結效率非常高，電子的能量可以百分之百的轉成破壞分子的位能，而完全不需提高分子的動能。因此，電漿可以將能量直接用在分子的鍵結破壞，而不需浪費能量來提高氣體的溫度。尤其是氣體的熱傳效率相當差，電漿在氣體低溫時即可破壞鍵結的能力，可大大的節省能源。
5.操作成本低廉且可避免二次污染：不需要吸收劑或吸附劑等化學藥品，也毋需觸媒或燃料，可同時節省操作費用，和避免二次污染。
6.操作維修容易：電漿系統簡單，操作簡便，且反應器內並無設備需經常更換，因此，不需經常維修。
7.設備體積小：電漿反應器較吸收塔、吸附塔或焚化爐小，不佔空間，非常適合既有工廠空氣污染之改善。
8.可處理低濃度污染氣體：能夠處理濃度範圍為ppb至ppm之惡臭氣體，和吸附法相當，較吸收法及焚化法為佳。
9.開機時間短：不像焚化爐操作上需要一段時間使得溫度達到所需的高溫才能進行分解；電漿反應器不需要熱機，因此不會消耗能源在升溫上。




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