探索大氣電漿的神秘世界,隱藏在高科技背後的電漿技術(原理篇)

作者 | 發布日期 2023 年 04 月 24 日 9:00 | 分類 尖端科技 , 材料 line share Linkedin share follow us in feedly line share
探索大氣電漿的神秘世界,隱藏在高科技背後的電漿技術(原理篇)


大氣電漿(或稱常壓電漿)源於所產生之化學物質、離子和輻射,甚至是電場,對於物質表面的修飾、整體的反應與摻雜皆有顯著的影響與效果,使得大氣電漿在各種材料的製程、生化或微製造領域皆有諸多的應用。

(本文出自國立清華大學材料科學工程學系杜正恭教授、賴元泰博士研究員為「科技新航道 | 合作專欄」撰文「阻止氮肥破壞生態的救星?大氣電漿技術」,介紹大氣電漿之應用技術及未來發展趨勢經科技新報修編為上下兩篇,此篇為上篇。

大氣電漿無需固定或密閉式的腔體,受測物品尺寸不受限於腔體大小,且還具多項優點例如設備與操作成本低、操作速度快,可適用於連續式的製程操作,容易與其他的設備相結合而大幅提升生產效率等,目前已是產業界積極研究的題目。利用大氣電漿技術的介電質放電電漿製程,可製造出大氣電漿活化水,展現在農業育苗技術上的實力,例如將有機廢棄物再利用為水溶性氮肥料,開啟循環農業的新視野。

話說從頭:電漿是什麼?

對於整個宇宙來講,幾乎 99. 9% 以上的物質都是以電漿形態存在,如恆星和行星際空間等都是由電漿體所組成。電漿體可由人工方法產生,如核聚變、核裂變、輝光放電等各種放電方式。

分子或原子的內部結構主要由電子和原子核組成,電子與原子核之間的關係比較固定,電子以不同的能級存在於核場周圍,勢能或動能不大,但當物質受到外加能量(例如磁、電、熱)作用後,原子中的外層電子勢能急速下降,最後脫離核場的束縛而逃逸到遠處,即所謂的電離。此時原子變為兩個帶電荷的粒子,即帶負電荷的電子和帶正電荷的離子。若所有組成物質的分子或原子被完全電離成離子和電子(圖 1),就改變了原來的形態,成為物質的第四種形態——電漿。

▲圖 1:由原子電離產生電漿過程之示意圖[1]。

電漿態主要由氣體在高電、磁場下離子化所形成的集合,其中包括電子、正離子與中性分子。電漿態物質具有極高的活性及能量,連帶激發一系列連鎖反應,包含離子化、激發、再結合、解離與電荷轉移等。利用高能量可裂解氣體的特性,電漿製程產生無限的可能性,由於其高能量密度及反應特性,人們開始將電漿應用於各產業當中。

如何提高電漿在各領域的應用?

電漿處理被應用在多個領域,產生電漿的條件也十分廣泛。如圖 2 所示,應用領域、設備費用和氣體壓力需求,不難發現在半導體、磁介質、建築玻璃中使用的特種薄膜等製程,需要在設備成本高且高真空的環境下進行,也就是真空電漿的作用領域,不過這僅是電漿表面處理技術應用中的一部分。受到製程費用的限制,在水處理工業、食品加工領域,都對電漿處理望而卻步;工業清潔和食品加工方面,也受到真空製程氣體壓力的限制,無法應用電漿處理。由此可見,若能將電漿處理技術改為於常壓環境下即可工作,便能提高應用空間[2]。

▲圖 2:電漿處理應用在不同工業領域對氣體壓力和成本的要求[2]。

真空電漿與常壓電漿之差異

一般真空電漿處理成本高昂、設備複雜,而常壓電漿則無需真空腔體及真空系統匹配,常壓環境下即可進行,具有更多可能潛在應用,例如水和污水處理領域。另外,常壓電漿加工成本低、處理速度快,因此也適合應用在食品加工業上。綜上所述,與真空電漿相比,常壓電漿處理具有更廣泛的應用領域及更突出的應用潛質。

介電式大氣電漿的原理和結構

在大氣電漿的設計上,有介電質屏蔽放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)、電暈放電(Corona Discharges)等型式,但由於電暈放電的處理效果弱、且電極容易被破壞,而限制了此技術的拓展,故以下介紹將以 DBD 為主。

介電質放電又稱無聲放電(Silent Discharge),即兩電極之間放入一到兩個介電質材料(通常為玻璃、石英或陶瓷),當施予高電壓時,電漿會產生於電極與介電質材料、或兩個介電質材料之間的縫隙。在兩電極之間引入介電層,整個裝置將由電容耦合(Capacitive Coupling)的方式進行電路匹配,由於介電層的引入,介質屏蔽放電不能使用直流電源,通常可選擇脈衝式直流、射頻或微波電源供應。介質屏蔽放電電漿基本結構示意圖如圖 3,介質屏蔽放電有平板、圓柱狀的形式,平板狀能夠針對大面積材料進行表面改質,圓柱狀則能產生較高密度的激發粒子。

▲圖 3:介質屏蔽放電基本結構示意圖[3]。

介質屏蔽放電:絕緣、擊穿、放電

介質屏蔽放電通常由正弦波型(Sinusoidal)的交流(Alternating Current, AC)高壓電源驅動,隨著供給電壓的升高,系統中反應氣體的狀態會經歷三個階段的變化,即由絕緣狀態(Insulation)逐漸至擊穿(Breakdown),到最後發生放電。當供給的電壓較低時,有些氣體會有一些電離和游離擴散,但因含量太少、電流太小,不足以使反應區內的氣體出現電漿反應,此時的電流為零。

隨著供給電壓逐漸提高,反應區域中的電子也隨之增加,但未達到反應氣體的擊穿電壓(Breakdown Voltage; Avalanche Voltage),此時兩電極間的電場較低,無法提供電子足夠的能量來讓氣體分子進行非彈性碰撞,此將導致電子數無法大量增加,因此反應氣體仍為絕緣狀態,無法產生放電,此時電流隨著施加的電壓提高略有增加,但幾乎為零。

若繼續提高供給電壓,當兩電極間的電場大到足夠使氣體分子進行非彈性碰撞時,氣體將因為離子化的非彈性碰撞而大量增加,當空間中的電子密度高於臨界值(即 Paschen 擊穿電壓時),便會產生許多微放電絲(Microdischarge)導通在兩極之間,同時系統中可明顯觀察到發光(Luminous)的現象,此時電流會隨著施加的電壓提高而迅速增加。

帕邢定律(Paschen’s Law)

Paschen’s Law 提供氣體崩潰電壓、放電氣體壓力及兩電極距離的關係:

V = APd / ln(Pd)+B ………………………….(1)

其中 P 為放電氣體壓力,d 為電極間距離,A、B 為隨氣體種類而異的常數。按此式,當 P*d 值變大時,氣體崩潰電壓與 P*d 值成正比;P*d 值變小時,即會出現一 Vmin 值,低於此 Vmin 值的氣體不會發生崩潰。圖4為常見氣體之 Paschen 曲線[4]。

▲圖 4:常見氣體崩潰電壓、放電氣體壓力與電極距離乘積(P*d)的關係[4]。

 

介電質屏蔽放電電漿——產生的形式與結構

介質屏蔽放電能在常壓和很寬的頻率範圍內工作,通常工作氣壓為 1~10 大氣壓,電源頻率可從 50Hz 至 1MHz。如前文提及,介質屏蔽放電的基本結構,有著各式各樣的電極設計形式,可針對不同的應用,設計出不同的 DBD 電極結構,來提昇電漿處理效率。主要分為三種變形:平板式陣列、圓柱式電漿束、圓柱電漿束陣列

1.平板式陣列

一般電極直接與電漿接觸,電漿中的高能粒子會對蝕刻電極表面造成電極消耗。為了因應以上問題,開發出介質屏蔽放電電漿產生裝置,在兩電極之間引入一介電層。由於介電層的引入,可以限制電流的大小,抑制電弧的產生。此外整個裝置由電容偶合(Capacitive Coupling)的方式進行電路匹配,因此介質屏蔽放電不能使用直流電源。一般來說會選擇使用脈衝式直流、射頻亦或微波電源供應方式,如圖 5。

▲ 圖 5:平板式介電質屏蔽放電裝置示意圖[5-7]。

2.圓柱式電漿束

電漿束為應用廣泛的電極設計,如圖 6 所示,此設計可處理各種形式的材料,無論固體或液體都可以利用電漿束處理。電漿束優勢在於可以產生高密度的激發粒子,針對表面進行強而有效的電漿處理,同時產生電漿的溫度低,以熱的形式散出的能量較少。

▲ 圖 6:電漿束電極形式[8]。

3.圓柱電漿束陣列

圖 7 將電漿束排列成陣列的形式,以提高處理效率[9-11]。此方法為從水面下方通入空氣產生氣泡,並在氣泡通過電極時在氣泡內部點起電漿,最終氣泡漂浮至水面,並在漂浮過程中和水完成反應,以避免活性物質逸散在空氣中,達到最大的處理效率。

▲  圖 7:電漿束陣列示意圖[17]。

在實際應用中,圓柱或管式的電極結構被廣泛地套用於各種化學反應器,而平板式電極結構則被套用於工業中的板材、粉體的改性、高分子接枝、金屬薄膜、表面張力的提高與清洗、親水改性等方面。

常壓電漿的優勢和研究方向

若能在人類所處的常溫常壓環境下產生電漿,將會是經濟又高效能的技術,可免去諸多維持高真空的系統,如腔體、幫浦等,同時也節省了維護的成本與時間。因無腔體的限制,也相對減少了尺寸的侷限,且製程容易進行連續性操作,能大幅提昇處理效率。不僅如此,常壓電漿友善環境的特點更是得天獨厚,只需利用周遭空氣便能激發電漿,甚至可分解污染環境的物質,成為無污染性之氣體,減少環境問題。

電漿的產生須有足夠的能力來激發反應。在電子吸收電場的能量後,若能量足夠,將與碰撞的氣體分子產生解離,同時電子數目隨之增加,而新生電子將再產生類似之反應,形成連鎖反應。然而在壓力為一大氣壓時,氣體分子眾多以致碰撞相當頻繁,此時氣體的平均自由程(氣體分子有效碰撞之間距)相當小,能量難以累積,以至於電漿難以激發,而解決的方法主要有兩種:一、提高外加電源的電位;二、增加通路的電流。這兩種思維都是提升輸入的能量,而提升能量供應的同時,建立低成本且高效率的常壓電漿技術,是學界人士持續致力研究的議題。下篇我們將進一步探討大氣電漿如何發揮實際應用,解決缺「氮」問題,打造環保的永續農業。

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(首圖來源:Freepik;文章圖片資料來源:閎康科技)

延伸閱讀:

參考資料:
[1]H. V. Boenig, “Plasma Science and Technology”, Cormell University Press, 1982
[2]G.S. Selwyn et.al, Contrib. Plasma Phys. vol.6, p610 (2001)
[3]T. Jacobs, R. Morent, N. D. Geyter, P. Dubruel, and C. Leys, Plasma Chem. Plasma Process. 32 (2013) 1039.
[4]Y. P. Raizer, Gas Discharge Physics, 1991
[5]Boxhammer V, Morfill G E, Jokipii J R, Shimizu T, Klämpfl T, Li Y F, Köritzer J, Schlegel J and Zimmermann J L 2012 New J. Phys. 14 113042
[6]Pavlovich M J, Chang H-W, Sakiyama Y, Clark D S and Graves D B 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 145202
[7]Li D, Liu D, Nie Q, Xu D and Kong M G 2014 IEEE Trans. Plasma Sci. 42 2640–1
[8]S.Ma et al. Separation and PurificationTechnology188(2017)147–154
[9]Nie Q Y, Cao Z, Ren C S, Wang D Z and Kong M G 2009 New J. Phys. 11 115015
[10]Sun P P, Park C-H and Eden J G 2012 IEEE Trans. Plasma Sci. 40 2946–50
[11]F. Judéea et al, Water Research 133 (2018) 47-5
[17]Tzu-Chia Wang, Sheng-Yu Hsu, Yuan-Tai Lai, Jenq-Gong Duh, Improving the Growth Rate of Lettuce Sativa Young Plants via Plasma-Activated Water Generated by Multitubular Dielectric Barrier Discharge Cold Plasma System, IEEE Transactions on Plasma Science, 2022, p1-6, doi: 10.1109/TPS.2022.3179734.

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