探索大气等离子的神秘世界，隐藏在高科技背后的等离子技术（原理篇）
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2023年04月24日
作者 闳康科技
大气等离子（或称常压等离子）源于所产生之化学物质、离子和辐射，甚至是电场，对于物质表面的修饰、整体的反应与掺杂皆有显著的影响与效果，使得大气等离子在各种材料的制程、生化或微制造领域皆有诸多的应用。
（本文出自国立清华大学材料科学工程学系杜正恭教授、赖元泰博士研究员为「科技新航道| 合作专栏」撰文「阻止氮肥破坏生态的救星？大气等离子技术」，介绍大气等离子之应用技术及未来发展趋势。经科技新报修编为上下两篇，此篇为上篇。）
大气等离子无需固定或密闭式的腔体，受测物品尺寸不受限于腔体大小，且还具多项优点例如设备与操作成本低、操作速度快，可适用于连续式的制程操作，容易与其他的设备相结合而大幅提升生产效率等，目前已是产业界积极研究的题目。利用大气等离子技术的介电质放电等离子制程，可制造出大气等离子活化水，展现在农业育苗技术上的实力，例如将有机废弃物再利用为水溶性氮肥料，开启循环农业的新视野。
话说从头：等离子是什么？
对于整个宇宙来讲，几乎 99. 9% 以上的物质都是以等离子形态存在，如恒星和行星际空间等都是由等离子体所组成。等离子体可由人工方法产生，如核聚变、核裂变、辉光放电等各种放电方式。
分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成，电子与原子核之间的关系比较固定，电子以不同的能级存在于核场周围，势能或动能不大，但当物质受到外加能量（例如磁、电、热）作用后，原子中的外层电子势能急速下降，最后脱离核场的束缚而逃逸到远处，即所谓的电离。此时原子变为两个带电荷的粒子，即带负电荷的电子和带正电荷的离子。若所有组成物质的分子或原子被完全电离成离子和电子，就改变了原来的形态，成为物质的第四种形态——等离子。
等离子态主要由气体在高电、磁场下离子化所形成的集合，其中包括电子、正离子与中性分子。等离子态物质具有极高的活性及能量，连带激发一系列连锁反应，包含离子化、激发、再结合、解离与电荷转移等。利用高能量可裂解气体的特性，等离子制程产生无限的可能性，由于其高能量密度及反应特性，人们开始将等离子应用于各产业当中。
如何提高等离子在各领域的应用？
等离子处理被应用在多个领域，产生等离子的条件也十分广泛。应用领域、设备费用和气体压力需求，不难发现在半导体、磁介质、建筑玻璃中使用的特种薄膜等制程，需要在设备成本高且高真空的环境下进行，也就是真空等离子的作用领域，不过这仅是等离子表面处理技术应用中的一部分。受到制程费用的限制，在水处理工业、食品加工领域，都对等离子处理望而却步；工业清洁和食品加工方面，也受到真空制程气体压力的限制，无法应用等离子处理。由此可见，若能将等离子处理技术改为于常压环境下即可工作，便能提高应用空间。
真空等离子与常压等离子之差异
一般真空等离子处理成本高昂、设备复杂，而常压等离子则无需真空腔体及真空系统匹配，常压环境下即可进行，具有更多可能潜在应用，例如水和污水处理领域。另外，常压等离子加工成本低、处理速度快，因此也适合应用在食品加工业上。综上所述，与真空等离子相比，常压等离子处理具有更广泛的应用领域及更突出的应用潜质。
介电式大气等离子的原理和结构
在大气等离子的设计上，有介电质屏蔽放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）、电晕放电（Corona Discharges）等型式，但由于电晕放电的处理效果弱、且电极容易被破坏，而限制了此技术的拓展，故以下介绍将以DBD 为主。
介电质放电又称无声放电（Silent Discharge），即两电极之间放入一到两个介电质材料（通常为玻璃、石英或陶瓷），当施予高电压时，等离子会产生于电极与介电质材料、或两个介电质材料之间的缝隙。在两电极之间引入介电层，整个装置将由电容耦合（Capacitive Coupling）的方式进行电路匹配，由于介电层的引入，介质屏蔽放电不能使用直流电源，通常可选择脉冲式直流、射频或微波电源供应。介质屏蔽放电等离子基本，介质屏蔽放电有平板、圆柱状的形式，平板状能够针对大面积材料进行表面改质，圆柱状则能产生较高密度的激发粒子。
介质屏蔽放电：绝缘、击穿、放电
介质屏蔽放电通常由正弦波型（Sinusoidal）的交流（Alternating Current, AC）高压电源驱动，随着供给电压的升高，系统中反应气体的状态会经历三个阶段的变化，即由绝缘状态（ Insulation）逐渐至击穿（Breakdown），到最后发生放电。当供给的电压较低时，有些气体会有一些电离和游离扩散，但因含量太少、电流太小，不足以使反应区内的气体出现等离子反应，此时的电流为零。
随着供给电压逐渐提高，反应区域中的电子也随之增加，但未达到反应气体的击穿电压（Breakdown Voltage; Avalanche Voltage），此时两电极间的电场较低，无法提供电子足够的能量来让气体分子进行非弹性碰撞，此将导致电子数无法大量增加，因此反应气体仍为绝缘状态，无法产生放电，此时电流随着施加的电压提高略有增加，但几乎为零。
若继续提高供给电压，当两电极间的电场大到足够使气体分子进行非弹性碰撞时，气体将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加，当空间中的电子密度高于临界值（即Paschen击穿电压时），便会产生许多微放电丝（Microdischarge）导通在两极之间，同时系统中可明显观察到发光（Luminous）的现象，此时电流会随着施加的电压提高而迅速增加。
帕邢定律（Paschen’s Law）
Paschen’s Law 提供气体崩溃电压、放电气体压力及两电极距离的关系：
V = APd / ln（Pd）+B ………………………….（1）
其中 P 为放电气体压力，d 为电极间距离，A、B 为随气体种类而异的常数。按此式，当 P*d 值变大时，气体崩溃电压与 P*d 值成正比；P*d 值变小时，即会出现一 Vmin 值，低于此 Vmin 值的气体不会发生崩溃。
介电质屏蔽放电电浆——产生的形式与结构
介质屏蔽放电能在常压和很宽的频率范围内工作，通常工作气压为 1~10 大气压，电源频率可从 50Hz 至 1MHz。如前文提及，介质屏蔽放电的基本结构，有着各式各样的电极设计形式，可针对不同的应用，设计出不同的 DBD 电极结构，来提升等离子处理效率。主要分为三种变形：平板式阵列、圆柱式等离子束、圆柱等离子束阵列。
1.平板式阵列
一般电极直接与等离子接触，等离子中的高能粒子会对蚀刻电极表面造成电极消耗。为了因应以上问题，开发出介质屏蔽放电等离子产生装置，在两电极之间引入一介电层。由于介电层的引入，可以限制电流的大小，抑制电弧的产生。此外整个装置由电容偶合（Capacitive Coupling）的方式进行电路匹配，因此介质屏蔽放电不能使用直流电源。一般来说会选择使用脉冲式直流、射频亦或微波电源供应方式。
2.圆柱式电浆束
等离子束为应用广泛的电极设计，此设计可处理各种形式的材料，无论固体或液体都可以利用等离子束处理。等离子束优势在于可以产生高密度的激发粒子，针对表面进行强而有效的等离子处理，同时产生等离子的温度低，以热的形式散出的能量较少。
3.圆柱等离子束阵列
将等离子束排列成阵列的形式，以提高处理效率。此方法为从水面下方通入空气产生气泡，并在气泡通过电极时在气泡内部点起等离子，最终气泡漂浮至水面，并在漂浮过程中和水完成反应，以避免活性物质逸散在空气中，达到最大的处理效率。
在实际应用中，圆柱或管式的电极结构被广泛地套用于各种化学反应器，而平板式电极结构则被套用于工业中的板材、粉体的改性、高分子接枝、金属薄膜、表面张力的提高与清洗、亲水改性等方面。
常压等离子的优势和研究方向
若能在人类所处的常温常压环境下产生电浆，将会是经济又高效能的技术，可免去诸多维持高真空的系统，如腔体、帮浦等，同时也节省了维护的成本与时间。因无腔体的限制，也相对减少了尺寸的局限，且制程容易进行连续性操作，能大幅提升处理效率。不仅如此，常压等离子友善环境的特点更是得天独厚，只需利用周遭空气便能激发电浆，甚至可分解污染环境的物质，成为无污染性之气体，减少环境问题。
等离子的产生须有足够的能力来激发反应。在电子吸收电场的能量后，若能量足够，将与碰撞的气体分子产生解离，同时电子数目随之增加，而新生电子将再产生类似之反应，形成连锁反应。然而在压力为一大气压时，气体分子众多以致碰撞相当频繁，此时气体的平均自由程（气体分子有效碰撞之间距）相当小，能量难以累积，以至于等离子难以激发，而解决的方法主要有两种：一、提高外加电源的电位；二、增加通路的电流。这两种思维都是提升输入的能量，而提升能量供应的同时，建立低成本且高效率的常压等离子技术，是学界人士持续致力研究的议题。下篇我们将进一步探讨大气等离子如何发挥实际应用，解决缺「氮」问题，打造环保的永续农业。
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（首图来源：Freepik；文章图片资料来源：闳康科技）
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