マジックランプ:マイクロキャビティプラズマデバイスとその商用アプリケーション

May 19, 2023

11/3/2022 3:51:05 PM マイケル・オボイル

1995 年、イリノイ大学の J. ゲイリー エデン教授は、電気およびコンピュータ工学科の 2 人の大学院生であるジェームス フレームとデビッド ウィーラーからアプローチを受けました。

彼らは彼にシリコンのブロックを見せて、「これに小さな穴を開けて、ガスを充填してプラズマを発生できるかどうか見てもよろしいでしょうか?」と尋ねました。

「もちろんそうではありません。どうぞ」エデンは彼らに言った。

30 年後、その最初の実験の子孫がまったく新しい技術、つまりマイクロキャビティ プラズマ デバイスを構成します。

プラズマ プロセスとポリマーの 10 月のカバー ストーリーで説明したように、EP Pure、Eden Park Illumination、Cygnus Photonics の 3 社が製造するコンパクトで手頃な価格のデバイスが多数誕生し、水の浄化、空気、地表に革命を起こすことになります。消毒、電子機器の製造など。 それはすべて、イリノイ大学の研究者たちが面白そうなプロジェクトに取り組んだからです。

マイクロキャビティプラズマ: 小さいほど良い

ネオンサインや蛍光灯などの他のプラズマ技術と同様に、マイクロキャビティデバイスは、高電圧を印加して、含まれるガスの原子または分子から電子を引き離すことによって動作します。 その結果、プラズマが生成され、光を生成したり、化学反応を引き起こしたりすることができます。

ただし、新しい技術では、プラズマを大きなチューブに収容するのではなく、それぞれのサイズが 1 ミリメートル未満の小さな空洞の配列に閉じ込めます。 これにより、デバイスにはアプリケーションにとって特に魅力的ないくつかの重要な違いが与えられます。

マイクロキャビティデバイスは大気圧で動作しますが、標準的なプラズマデバイスのガスは真空排気する必要があります。 これにより、ハウジングユニットが圧力差を考慮する必要がなくなるため、製造プロセスが大幅に簡素化されます。

さらに、キャビティサイズが小さいということは、標準デバイスよりも消費電力が大幅に少なくなり、動作寿命が大幅に延びることを意味します。

オゾンの生成と水の浄化

これまでのマイクロキャビティ プラズマ デバイスの最も顕著な用途は、飲料水の消毒のためのオゾンの生成です。 塩素処理は世界の多くの地域では実行できず、人間の健康と環境に危険をもたらすため、オゾン処理が魅力的な代替手段となっています。

コストと消費電力という従来の障壁は、エデンの研究室で開発されたマイクロキャビティプラズマを使用した小型化学反応器によって克服されました。 これらのユニットは、1 時間あたり 0.3 グラムの割合で室内空気からオゾンを生成します。これは 10 ガロンの水を消毒するのに十分な量です。 小型で消費電力が 15 ワット未満であるため、20 か国以上の無電化地域の飲料水の消毒に最適であることが証明されています。

これらの機器を使用する最大の施設は、ケニア西部のキスム地域で稼働しています。 イリノイ大学シカゴ校、ケニアの安全な水とエイズプロジェクト、イーデンパーク財団のパートナーシップによって建設、設置された2台の自給自足型「キオスク」は、それぞれ汚染された川から毎日2000リットルのきれいな飲料水を生産しています。それらは地元のケニア人によって運営、維持、管理されています。

殺菌灯

公共空間の空気や表面を消毒するためのマイクロキャビティ プラズマ光源の応用は、過去 3 年間で強い注目を集めています。

微生物を殺すために紫外線を放射するランプ、いわゆる「殺菌ランプ」は確立された技術ですが、使用する波長 254 ナノメートルは、人間に対して発がん性があることが知られています。 イリノイ大学の技術に基づいて、エデン パーク イルミネーションは、ウイルスや細菌の病原体を殺す 222 ナノメートルの光を放射するマイクロキャビティ ランプを設計しました。 ただし、この波長は人間の皮膚の外層を透過できないため、人間が暴露しても安全です。

これらのランプの売り上げは、新型コロナウイルス感染症（Covid-19）のパンデミック以前には控えめだったが、その後需要が急増した。 現在、レストラン、シアトルのスペースニードル、米軍基地など世界中の場所で使用されています。

電子機器製造用の「魔法のランプ」

マイクロキャビティプラズマランプの予想外の用途、つまり電子機器製造が商業的に成熟しつつあります。

工学教育研究室コーディネーターのデーン・シーバース氏と、ECE の研究助教授であるアンドレイ・ミロノフ氏による初期の研究により、遠紫外スペクトルの 172 ナノメートルで動作するランプが誕生しました。 彼らは、それが生成する光子がほとんどの化学結合を破壊できることに気づきました。 したがって、パターン付きテンプレートを事実上あらゆるポリマー表面上に配置すると、ランプが露出したポリマーを破壊し、パターンをエッチングします。

このため、このデバイスは集積回路の印刷に最適です。 回路パターンをエッチングする標準的な方法はコストがかかり、真空中で行われ、有毒物質を必要とします。 対照的に、マイクロキャビティベースのランプによって促進されるプロセスは安価で、室温の窒素雰囲気で動作し、最終開発段階では消毒用アルコールのみを使用します。

シーバース氏はマイクロキャビティプラズマ装置を「魔法のランプ」と呼んでいるほど、大幅な改善が見られる。 彼とミロノフ氏は、スタートアップ企業である Cygnus Photonics でこれらの技術を業界に導入することに取り組んでいます。

彼らならもっと上手くできるはずだから

マイクロキャビティ プラズマ デバイスは数多くのアプリケーションを生み出してきましたが、それらは純粋に基礎的な研究として始まりました。 エデンは生徒たちに、自分の時間の 20% を自分の選んだトピックの学習に費やすことを奨励しています。 そのため、フレームとウィーラーは、プラズマが小さな空洞の中に存在することが示された論文を読んで、「もっとうまくできるはずだ」と考えたとき、彼らはそれ自体を追求することを許可されました。