19価

2.4kV

-88-

図 5 - 1 6 粒 子 の 帯 電 価 数 ne と 捕 集 効 率 Ec o l l(粒 子 径 dp=100nm) 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0 10 20 30 40 50 60

Collection efficiency ,

E

Valence,n_e[-]

E

Z

E

V

-89-

5 - 1 1 エ レ クト ロス プ レー 法 に よっ て 生 成 し た 多 価 帯 電 粒 子 の 静 電 沈 着

帯 電 粒 子 を 効 率 よ く 堆 積 さ せ る た め に は 、 粒 子 を さ ら に 多 価 に 帯 電 さ せ る 必 要 が あ る た め 、 非 常 に 多 価 に 帯 電 し た 粒 子 を 生 成 す る こ と が 可 能 な 、 エ レ ク ト ロ スプ レー 法 を用 い て SMAC の 帯 電 量 測 定 実 験 と 同 様 の 堆 積 実 験 を 行 っ た。 実 験 経 路 を 図 5 - 1 7 に 示 す 。 あ らか じめ 一 定 濃 度 に 調 整 し た PSL 標 準 粒 子 の 懸 濁 液 を シ リ ン ジ ポン プ で 定 量 供 給 し、 シリ ン ジ 針 に 高 電 圧+3.0kV を 印 加 し て 静 電 噴 霧 を 行 った 。 得 られ る 多 価 帯 電 ナ ノ 粒 子 は 実 験 と 同 様 、DMA と CPC に 導 入 し、 帯 電 量 分 布 の 測 定 を 行 った 。

図 5 - 1 8 は 、 粒 子 径 dp=100nm と 30nm の PSL 標 準 粒 子 を 静 電 噴 霧 し たと き に 得 られ た 粒 子 の 帯 電 量 の 分 布 であ る 。 粒 子 径 dp=100nm で 約 1500 価 、 粒 子 径 dp=30nm に お い ても135価 と 非 常 に 多 価 に 帯 電 し た 粒 子 が 得 られ てい る こ と が 分 か る 。

図 5 - 1 9 は エ レ クト ロス プレ ー を 用 い た 粒 子 の 堆 積 実 験 経 路 であ る 。 経 路 内 の 沈 着 損 失 を 低 減 す る た め に 、 堆 積 装 置 を 横 置 き に し て 、 エ レ ク ト ロ ス プ レ ー 装 置 と 接 続 し た 。 試 験 粒 子 は 、SMAC で は 堆 積 が 確 認 で き な か っ た 、 粒 子 径 dp=30nmのPSLを 用 い 、 金 属 メッ シュ に は メッ シ ュ 開 口 寸 法 dm =97μm、 繊 維 径 dw=30μm を 用 い た 。 １ 時 間 堆 積 後 の 基 板 を取 り 出 し て、SEM に よ り 観 察 す る と 、 図 5 - 2 0 に 示 す よ う に 、 粒 子 径 dp=30nm の 粒 子 で 構 成 さ れ る 規 則 的 な 堆 積 パ ター ン を 確 認 が で き た。 ま た 捕 集 効 率 Ec o l l は ほぼ 100%であり 、 エア ロゾ ル の 多 価 帯 電 が 局 所 堆 積 に お い て 有 効 であ る こ と が 分 かっ た。

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図 5 - 1 7 帯 電 量 測 定 実 験 経 路 ( エ レ ク ト ロ ス プ レ ー 法 )

図 5 - 1 8 帯 電 量 分 布 ( エ レ ク ト ロ ス プ レ ー 法 )

0 500 1000 1500 2000 2500

0.1 1 10

DMA印加電圧 Voltage [kV]

粒子個数濃度[particle/cc]

1500価

135価 100 nm

30 nm

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図 5 - 1 9 帯 電 粒 子 堆 積 実 験 経 路 ( エ レ クト ロ ス プ レー 法 )

図 5 - 2 0 エ レク ト ロ ス プ レー 法 に よ る 粒 子 堆 積 S E M 画 像 ( 粒 子 径 dp=30nm)

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5 - 1 2 ま と め

以 上 、 本 章 で 得 ら れ た 知 見 をま と め る と 、 以 下 の 通 りと なる 。

1 ) 市 販 の エア ロゾ ル サ ン プラ ー (Nanometer Aerosol Samplers,NAS,TSI 社 製 model3089) に 簡 単 な 修 正 を 加 え た 装 置 を 使 用 し て 、 高 分 子 フ ィ ル ム 上 に 帯 電 し た 粒 子 の 局 所 沈 着 を得 る こ と が でき た。

2 ) 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で フ ィ ル ム 近 傍 の 静 電 場 を 計 算 す る こ と に よ り 、 静 電 集 束 効 果 の 有 効 性 を 検 討 し た。

3 ) サ ン プ ラ ー と SUS メッ シュ を 一 体 化 さ せ る こ と で、 帯 電 粒 子 を 7 μm の ス ポ ッ ト に 局 所 的 に 堆 積 さ せ た 二 次 元 パタ ー ン を 形 成 し、 エ アロ ゾル 粒 子 を 30 倍 以 上 に 濃 縮 す る こ と に 成 功 し た。

4 ) 粒 子 荷 電 装 置 SMAC を 用 い た 局 所 堆 積 で は 、 一 部 の 多 価 に 帯 電 し た 粒 子 が 選 択 的 に 局 所 沈 着 し て い る 可 能 性 が あ る こ と が 分 かっ た。

5 ) エ レ ク ト ロ ス プ レ ー を 荷 電 装 置 と し て 用 い る こ と で 、 粒 子 を 多 価 に 帯 電 す る こ と が でき 、 粒 子 径 30nm で も 、 堆 積 パ ター ン の 形 成 と 捕 集 効 率 100%を 確 認 し た。

こ の 結 果 、 市 販 の ナ ノ エ ア ロ ゾ ル サ ン プ ラ ー を 改 良 し 、 帯 電 粒 子 を 局 所 に か つ 高 効 率 に 堆 積 さ せ る こ と を 可 能 に し 、 迅 速 か つ 高 感 度 な エ ア ロ ゾ ル サ ン プ リ ン グ 及 び 化 学 分 析 の た め の 様 々 な シス テム へ の 応 用 に 期 待 で き る 。

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第 6 章 総 論

本 研 究 で 得 ら れ た イ オ ン 、 固 体 表 面 、 粒 子 の 相 互 作 用 に 関 す る 知 見 を 以 下 に ま と め る 。

ま ず 、 固 体 表 面 の 除 電 実 験 を 行 い ( 第 ３ 章 ) 、 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 素 子 を 用 い た イ オ ナ イ ザ ー は 、 フ ィ ル ム 搬 送 プ ロ セ ス に お け る 高 分 子 フ ィ ル ム 表 面 の 電 位 変 化 に つ い て 、 イ オ ン の 輸 送 と 沈 着 を モ デ ル 化 し た 推 測 と 実 験 に よ っ て 除 電 効 率 と 除 電 ム ラ の 条 件 を 示 し、 イ オ ナ イ ザー の 設 置 に 関 す る 指 針 を得 た 。

次 に エ ア ロ ゾ ル の 荷 電 ( 第 ４ 章 ) に つ い て は 、 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 素 子 を 粒 子 の 荷 電 装 置 SMAC と し て 利 用 し、SMAC へ 印 加 す る 電 圧 波 形 (sinx/x) を 最 適 化 す る こ と に よ っ て 、 高 効 率 に 粒 子 を 帯 電 さ せ 、 帯 電 粒 子 を 荷 電 装 置 内 部 に 静 電 沈 着 さ せ な い た め に バ イ ア ス 電 圧 を 制 御 し て 損 失 を 低 減 し 、 既 往 研 究 の 報 告 例 よ りも ス ルー プッ ト の 高 い 荷 電 効 率 を 達 成 す る 荷 電 装 置 を 開 発 し た。

さ らに 帯 電 粒 子 の 電 界 に よ る 収 束 効 果 と 静 電 沈 着 ( 第 ５ 章 ) に つ い て の 検 討 で は 、 市 販 の ナ ノ メ ー ト ル エ ア ロ ゾ ル サ ン プ ラ ー に 改 良 を 加 え て 、 透 明 な 高 分 子 フ ィ ルム 上 に 第 ４ 章 で 示 した 粒 子 の 荷 電 装 置 SMAC を 用 い て 粒 子 を帯 電 さ せ 、 帯 電 粒 子 を 特 定 の 局 所 に 静 電 沈 着 さ せ た 。 ス ポ ッ ト 状 の 局 所 堆 積 を 検 討 す る た め に 、 電 界 の 静 電 場 を 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で フ ィ ル ム 近 傍 の 計 算 を 行 い 、 静 電 集 束 効 果 の 有 効 性 の 検 討 と 、 計 算 結 果 を 元 に し た 試 験 条 件 の 最 適 化 を 行 って 、 帯 電 粒 子 を 7 μm の ス ポッ ト に 局 所 堆 積 さ せ た。 こ の 静 電 収 束 効 果 に よっ て エア ロ ゾ ル 粒 子 を 30 倍 以 上 の 濃 縮 が 可 能 と なっ た。 こ の こ と か ら イ オン 、 あ る い は 粒 子 の 沈 着 過 程 の 制 御 に 電 界 を 利 用 し た こ れ ら の 輸 送 制 御 が 有 効 で あ る こ と を 示 し た 。

い ず れ に お い て も 、 ま ず 、 高 効 率 イ オ ン 発 生 が 非 常 に 重 要 で あ る こ と か ら 、 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 素 子 が 有 効 で あ る と い え る 。 さ ら に 高 効 率 荷 電 、 高 収 率 の 捕 集 技 術 が 確 立 さ れ れ ば 、 生 産 プ ロ セ ス に お け る 極 微 量 成 分 、 と く に 微 粒 子 の 分 析 に

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お い て 超 高 感 度 計 測 技 術 と し て 、 革 新 的 な 進 歩 が 見 込 め る と 考 え ら れ る 。 し か し 、 特 に 粒 子 の 静 電 沈 着 に お い て は 、 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 素 子 で は 未 だ 十 分 な 帯 電 量 が 得 ら れ な い ケ ー ス も 見 ら れ た 。 し た が っ て 、 第 ５ 章 の 最 後 に 示 し た 、 エ レ ク ト ロ ス プ レ ー の よ う な 高 効 率 イ オ ン 生 成 が 気 相 浮 遊 粒 子 に も 適 用 で き る 荷 電 手 法 の 開 発 が 今 後 の 課 題 であ る 。

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＜ 謝 辞 ＞

本 論 文 は 、 2 0 1 0 年 度 金 沢 大 学 と 三 機 工 業 株 式 会 社 の 共 同 研 究 「 平 板 状 イ オナ イ ザの 除 電 性 能 評 価 」 か ら 始 ま り、 各 章 に 当 たる 共 同 研 究 と 博 士 後 期 課 程 に よる 7 年 間 の 研 究 成 果 を ま と め たも の で す 。 多 く の 方 々 に ご 協 力 と ご 指 導 を 賜 りま し たこ と を 心 よ り 感 謝 い た しま す 。

研 究 テー マ の 課 題 検 討 に お い て、 す べ ての 章 の 鍵 と なる 「 マ イ ク ロプ ラ ズマ 素 子 」 を 研 究 ・ 開 発 さ れ 、 １ つ １ つ の 現 象 を 実 験 的 、 理 論 的 な 観 点 か ら 指 導 頂 き 、 投 稿 論 文 、 学 会 発 表 、 英 文 発 表 、 本 博 士 論 文 を 終 始 御 指 導 を 賜 りま し た 金 沢 大 学 理 工 学 域 自 然 シス テム 学 系 教 授 瀬 戸 章 文 博 士 に 心 より 感 謝 の 意 を 表 し ま す 。

ま た 研 究 内 容 の 助 言 、 英 文 指 導 、 有 益 な ご 助 言 、 学 位 審 査 を 賜 りま し た 金 沢 大 学 理 工 学 域 自 然 シス テム 学 系 教 授 大 谷 吉 生 博 士 に は 大 変 お 世 話 に な りま した 、 厚 く 御 礼 申 し 上 げま す 。

本 研 究 に あ たり 、 論 文 作 成 の 過 程 で 多 く の サ ポー ト 、 ご 助 言 、 学 位 審 査 を 賜 りま し た 金 沢 大 学 理 工 学 域 自 然 シ ステ ム 学 系 准 教 授 汲 田 幹 夫 博 士 、 昼 夜 を問 わ ず 親 身 に なっ て 本 論 文 と 関 連 す る 投 稿 論 文 の 助 言 と 多 大 なサ ポ ー ト をい た だ き ま し た 金 沢 大 学 理 工 学 域 自 然 シス テム 学 系 助 教 東 秀 憲 博 士 に 感 謝 申 し 上 げま す 。

研 究 テー マ の 遂 行 に あ た っ て は 、 各 章 に お け る 実 験 や デ ー タの 取 得 等 の サ ポー ト を 頂 い た、 金 沢 大 学 大 学 院 の 卒 業 生 大 曽 根 早 帆 様 （ 現 武 田 薬 品 工 業 株 式 会 社 ） 、 藤 村 光 佑 様 、 エリ ッ ク ・ マ ニラ キ ザ 様 ( 現 東 洋 エン ジ ニアリ ン グ 株 式 会 社 ) 、 内 藤 高 明 様 ( 現 花 王 株 式 会 社 ) 、 金 沢 大 学 大 学 院 自 然 科 自 然 シ ス テ ム 学 専 攻 熱 流 体 ・ 粒 子 プ ロ セ ス 研 究 グ ル ー プ ( 研 究 室 ) の 白 鳥 直 貴 様 、 田 中 瑞 樹 様 に 厚 く 御 礼 申 し 上 げま す 。