Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Zünden und Erzeugen eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas sowie Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen mittels dieses Plasmas Stand der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden und Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Das Verfahren ist zum Erzeugen von Mikrowellenplasmen zum Zweck der Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen insbesondere von dreidimensionalen Gegenständen als auch von Partikeln unter Atmosphärendruck geeignet.

[0002] Mikrowellenplasmen eignen sich hervorragend für die Durchführung verschiedenartiger Plasmabehandlungen, wie z.B. der Aktivierung, Reinigung, Beschichtung, Sterilisation, Modifizierung und Funktionalisierung von Oberflächen. Hierzu ist die Nutzung eines diffusen, weitestgehend homogenen, ausgedehnten Plasmas erwünscht.

[0003] In bekannten Verfahren (DE 4235914 Al, EP0209469, DE19726663) erfolgt die Zündung und Erzeugung derartiger Plasmen vorzugsweise im Niederdruckbereich bzw. atmosphärennahen Bereich. Ein Hochfahren und eine Anwendung in den Normaldruckbereich ist zwar möglich, macht jedoch den Plasmabehandlungsprozess sehr anfällig und instabil. Bei geringen Veränderungen (z.B. durch Gasströmung, Beimischung von Prozessgasen sowie von Aerosolen und Partikeln) erlischt das Plasma und muss wieder sehr aufwändig neu gezündet werden.

[0004] Andere bekannte Verfahren zur Plasmabehandlung unter Atmosphärendruck, wie die Barriereentladung sind für die Behandlung von dreidimensionalen Gegenständen und stark strukturierten Flächen nicht geeignet.

[0005] Plasmajets der verschiedensten Ausführungen (DE19605518, EP0968524,

US5798146) benötigen zum Heraustreiben des Plasmas grundsätzlich eine hohe Gasströmung, meist ein spezielles Arbeitsgas und sind im Zündverhalten problematisch. Darüber hinaus generieren sie nur ein geringes Plasmavolumen mit einem kleinen Durchmesser. Hierdurch sind sie für Massenanwendungen nicht geeignet und in Herstellung und Betrieb zu teuer.

[0006] Vorteilhaft wäre somit ein Verfahren zur Zündung und Erzeugung eines räumlich ausgedehnten Plasmas im Normaldruck oder Hochdruck mit hoher Zündsicherheit und stabilem Betrieb sowie einem möglichst geringen Gasdurchsatz.

[0007] Durch den Wegfall aufwändiger Vakuumtechnik und dem geringen Verbrauch von Arbeits- und Prozessgasen sowie einer einfachen und sicheren Handhabung wird eine breitere und kostengünstigere Anwendung der Plasmabehandlung in vielen Bereichen erst ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zünden und Erzeugen eines diffusen, räumlich ausgedehnten Mikrowellenplasmas anzugeben, welches insbesondere im Normal- und Hochdruck einfach und betriebssicher sowie prinzipiell ohne Gasströmung zu realisieren ist.

[0009] Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen mittels einem sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasma unter Atmosphärendruck anzugeben, welches durch seine große Stabilität hinsichtlich Plasmagenerierung und Unterhaltung, geringem Gasverbrauch und großem Plasmavolumen eine effektive Plasmabehandlung möglich macht.

[0010] Die erfindungsgemäßen Lösungen werden in den Patentansprüchen dargestellt.

[0011] Hierbei ist das Verfahren zum Zünden und Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas dadurch gekennzeichnet, dass a) innerhalb einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur mindestens eine resonante Zündstruktur angeordnet wird, b) eine Plasmazündung durch Mikrowelleneinkopplung dadurch veranlasst wird, indem die resonante Zündstruktur so dimensioniert und angeordnet ist, dass eine Leistungseinkopplung in die resonante Zündstruktur erfolgt und lokal eine hohe Resonanzfeldstärke für die Plasmazündung erzielt wird, ein gleichzeitiges Treiben des Plasmas durch die resonante Zündstruktur hingegen nicht möglich ist und damit ein inhärenter Schutz der Zündvorrichtung gegeben ist (ein sich selbst steuernder übergang zwischen Zünd- und Unterhaltungsphase des Plasmas), c) das durch die resonante Zündstruktur gezündete Plasma über ein umliegendes Mikrowellenfeld so mit Energie gespeist wird, dass ein sich ausbreitendes, diffuses Plasma entsteht, d) die Einspeisung in die resonante Zündstruktur und in das Plasma über das gleiche Mikrowellenfeld erfolgt.

[0012] Dieses Verfahren kann sowohl im Niederdruck als auch im Atmosphärendruck und darüber angewendet werden. [0013] Durch Anlegen einer Gasströmung ist ein Treiben des Plasmas möglich, welches entsprechend der eingekoppelten Leistung eine Vergrößerung des Plasmavolumens hervorrufen kann.

[0014] Das Verfahren kann mit beliebigen Gasen und deren Mischungen mit und ohne Gasströmung realisiert werden.

[0015] Der resonanten Zündstruktur kann je nach Ausführung Mikrowellenenergie über eine direkte Einkopplung oder aus einem umliegenden freien Mikrowellenfeld zugeführt werden.

[0016] Eine besonders interessante Ausgestaltung des Verfahrens stellt die Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Plasmas innerhalb einer koaxialen Hohlstruktur dar. Hierbei ist der Innenleiter am Ende als resonante Zündstruktur so ausgeführt, dass eine Mikrowelleneinkopplung zur Zündung des Plasmas führt, das Plasma sich aber über die koaxiale Leitung mit Energie selbst versorgt. Der Durchmesser des koaxialen Außenleiters ist so zu wählen, dass entsprechend der verwendeten Frequenz bei Weiterführung des Außenleiters über das Ende des Innenleiters hinaus eine Wellenausbreitung über das offene Ende des Außenleiters nicht möglich ist, ein Heraustreten des Plasmas aus der öffnung jedoch gegeben ist.

[0017] Wird die resonante Zündstruktur in der Nähe eines Feldmaximums eines Mikrowellenfeldes so angeordnet, dass das sich bildende Plasma in das Feldmaximum hineinwächst, ist ein Ablösen des Plasmas von der Zündstruktur zu erreichen.

[0018] Bei einer Anordnung der resonanten Zündstruktur an einem Ende eines Hohlleiters und einer Einspeisung der Mikrowellen vom anderen Ende wird die resonante Zündstruktur nach Bildung des Plasmas weitgehend von der Mikrowellenversorgung abgekoppelt. Hierdurch ist eine Schonung der Zündstruktur von den Einflüssen des Plasmas gegeben.

[0019] Für die Erzeugung des Plasmas sind Mikrowellenfrequenzen von 400 bis 10.000 MHz geeignet.

[0020] Das Plasma kann in seinen Eigenschaften (z.B. Temperatur, Ausdehnung) durch Pulsung und Modulierung der Energieeinspeisung beeinflusst werden.

[0021] Durch eine gezielte Anordnung der resonanten Zündstruktur innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur und einer entsprechenden öffnung ist ein Heraustreten des Plasmas aus der wellenbegrenzenden Hohlstruktur zu erreichen.

[0022] Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführung der resonanten Zündstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass sie im Mittelleiter oder im Außenleiter der koaxialen Leitung angeordnet ist und dass sie als Koaxialstruktur mit einer resonanten Länge von λ/2 (Lambda/2) (halbe Wellenlänge) oder einem ungeraden Vielfachen von λ/2 (Lambda/2) entsprechend der verwendeten Frequenz ausgeführt ist.

[0023] Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung mittels eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer koaxialen Hohlstruktur ein sich ausbreitendes und aus der Struktur heraustretendes diffuses Mikrowellenplasma gezündet wird, dem Plasma für eine Plasmabehandlung

geeignete Stoffe zugeführt werden und zu behandelnde Oberflächen und Stoffe in den Wirkbereich des Plasmas geführt werden.

[0024] Die für die Plasmabehandlung vorgesehenen Stoffe können in fester (pulverförmig er), flüssiger und gasförmiger Form dem Plasma zugeführt werden.

[0025] Zur Erzielung einer spezifischen Plasmawirkung, wie z.B. der Erzeugung einer bestimmten UV-Strahlung, ist eine Modulation und Pulsung der Energiezufuhr geeignet.

[0026] Durch gezielte Zuführung der Stoffe innerhalb oder außerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur erfolgt eine selektive und steuerbare Modifikation dieser Stoffe. Eine etwaige unerwünschte Rückwirkung des zugegebenen Stoffes auf das Zündverhalten und die Zündstruktur wird durch die Zugabe außerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur verhindert.

[0027] Eine Plasmabehandlung kann auch nur mit atmosphärischer Luft unter

Normaldruck durchgeführt werden. Durch Zuführung von Stoffgemischen wie z.B. Aerosolen kann eine spezifische Wirkung erzielt werden.

[0028] Werden dem Plasma Farbpartikel (z.B. niedrigschmelzende Polymere) zugesetzt und mit einer Gasströmung auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert, so werden die Partikel im Plasma geschmolzen und zerfließen beim Auftreffen auf der Oberfläche zu einem gleichmäßigen Film. Gleichzeitig werden die Partikel einer Plasmabehandlung unterzogen, die dazu führt, dass die auf der Oberfläche gebildete Schicht in kürzester Zeit ausschließlich durch die Plasmamodifizierung der Partikel zur Aushärtung kommt. Somit ist eine weitere zusätzliche (z.B. UV-aushärtende) Behandlung nicht erforderlich.

[0029] Werden die Farbpartikel in verschiedenen Farbtönen (z.B. den Grundfarben) dem

Plasma zugeführt, so ist durch Einstellung des Mischungsverhältnisses prinzipiell jeder Farbton erreichbar.

[0030] Durch eine definierte Zuführung verschiedener Gase, z.B. des Prozessgases in den Plasmakernbereich und eines Inertgases als Hüll- und Schutzgas um das Plasma, ist eine gewisse Abschirmung des Plasmas von atmosphärischen Einflüssen zu erreichen.

[0031] Das Verfahren kann in seiner Anwendungsbreite und Leistungsfähigkeit dahingehend beeinflusst werden, dass mehrere Plasmaquellen in Reihe, ringförmig zueinander und übereinander oder als Array angeordnet werden.

[0032] Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält folgende Elemente:

• einen Mikrowellengenerator zum Erzeugen von Mikrowellen

• eine Mikrowellenleitung

• eine Mikrowelleneinspeisung

• eine wellenbegrenzenden Hohlstruktur

• eine resonante Zündstruktur

• eine Zuführvorrichung für Stoffe

[0033] Eine Vorrichtung mit diesen Merkmalen kann dadurch, dass die Mikrowellenleitung flexibel ausgeführt ist und Stoffe über mehrere Zuführeinrichtungen dem Plasma zugeführt werden zweckmäßig ausgestaltet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0034] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

[0035] Es zeigen:

[0036] Fig.l eine schematische Darstellung einer Grundvorrichtung zur Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas, [0037] Fig.2 eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform zur

Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas aus einer koaxialen wellenbegrenzenden Hohlstruktur heraus, [0038] Fig. 3 eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform der resonanten Zündstruktur als Koaxialstruktur,

[0039] Fig. 4 Grundaufbau einer Plasmabehandlungsvorrichtung, [0040] Fig. 5 Plasmabehandlungsvorrichtung mit einer flexiblen Stoffzuführung.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

[0041] In Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer Grundvorrichtung zur Umsetzung des

Verfahrens zur Zündung und Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas innerhalb einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur dargestellt.

[0042] Die Vorrichtung besteht aus einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1), einer resonanten Zündstruktur (3), einem Mikrowellengenerator (4) und einer Mikrowellene- inspeisung (5).

[0043] Die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) ist aus elektrisch leitendem Material so hergestellt, dass ein Hohlraum entsteht, der so dimensioniert ist, dass eine Wellenausbreitung innerhalb des Hohlraumes möglich ist, nach außen jedoch verhindert wird. Innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) wird eine resonante Zündstruktur (3) so angeordnet, dass sie aus einem elektromagnetischen Feld die für die Plasmazündung erforderliche Energie entnehmen kann und das gezündete, sich ausbreiten de Plasma (2) aus dem umliegenden elektromagnetischen Feld mit Energie versorgt wird. Die resonante Zündstruktur (3) wird aus zwei miteinander gekoppelten elektrisch leitenden Resonanzkreisen (6) so gebildet, dass die offenen Stellen der Resonanzkreise (6) sich gegenüberstehen. Die resonante Länge des Resonanzkreises (6) bildet sich aus mindestens einer halben Wellenlänge der verwendeten Frequenz.

[0044] Die für den Aufbau eines elektromagnetischen Feldes notwendigen Mikrowellen (2,45 GHz) werden in einem Mikrowellengenerator (4) erzeugt und über eine Mikro-

welleneinspeisung (5) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) eingespeist. Das Plasma (2) wird unter atmosphärischen Bedingungen in Luft gezündet (7) und verbleibt innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1). Die Versorgung des Plasmas (2) erfolgt über das umliegende Mikrowellenfeld.

[0045] In Fig. 2 ist der schematische Aufbau einer speziellen Ausführungsform zur Erzeugung eines sich ausbreitenden diffusen Mikrowellenplasmas (2) aus einer koaxialen wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) heraus dargestellt.

[0046] Für viele Plasmaanwendungen, insbesondere für dreidimensionale Anwendungen, ist ein freies heraustretendes Plasma unter atmosphärischen Bedingungen von besonderer Bedeutung. Insofern befriedigt die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens ein großes Marktbedürfnis.

[0047] Die Vorrichtung besteht aus einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1), einer resonanten Zündstruktur (3), einem Mikrowellengenerator (4), einer flexiblen Mikrowellenleitung (8) und einer Mikrowelleneinspeisung (5) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1).

[0048] Die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) ist in diesem Fall als Rohr mit einem offenen Ende (9) ausgeführt. Der Durchmesser des Rohres ist entsprechend der verwendeten Frequenz (2,45 GHz) so gewählt, dass eine Wellenausbreitung nicht möglich ist (< λ/2 - kleiner Lambda/2).

[0049] Die Mikrowelleneinspeisung (5) erfolgt über eine flexible Mikrowellenleitung (8) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1). Die resonante Zündstruktur (3) wird in Verlängerung des Mittelleiters der koaxialen Leitung so ausgeführt, dass einerseits eine direkte Energieeinspeisung in die resonante Zündstruktur (3) zur Plasmazündung (7) erfolgt und andererseits mit der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) als Außenleiter eine koaxiale Leitung gebildet wird, über die Energie bis ans Ende dieser koaxialen Leitung geführt wird und somit außerhalb der resonanten Zündstruktur (3) ein elektromagnetisches Feld aufbaut. Da die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) über das Ende des Mittelleiters hinaus verlängert wird, ist eine Wellenausbreitung über die öffnung (9) ins Freie nicht möglich. Die vom Mikrowellengenerator (4) erzeugte Mikrowellenenergie wird über die flexible Mikrowellenleitung (8) zum Teil in die resonante Zündstruktur (3) eingekoppelt, so dass eine Plasmazündung (7) an der Spitze der resonanten Zündstruktur (3) erfolgt, sowie über die von der resonanten Zündstruktur (3) und der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) gebildeten koaxialen Leitung bis ans Ende dieser koaxialen Leitung geführt, so dass das von der resonanten Zündstruktur (3) gezündete Plasma (2) über diese koaxiale Leitung so mit Energie versorgt wird, dass eine Propagation des Plasmas (2) derart erfolgt, dass eine Ausbreitung ins Freie erreicht wird.

[0050] Das Plasma (2) wird unter atmosphärischen Bedingungen in Luft gezündet und tritt

aus der öffnung (9) selbsttätig heraus.

[0051] Entsprechend der verwendeten Frequenz von 2,45 MHz und der eingespeisten Leistung ist ein Plasmadurchmesser und eine Austrittslänge von mehreren cm erreichbar.

[0052] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer besonders vorteilhaften

Ausführung der resonanten Zündstruktur. Diese ist dadurch gegeben, dass sie als Koaxialstruktur mit einer resonanten Länge von λ/2 (Lambda/2) (halbe Wellenlänge) oder einem ungeraden Vielfachen von λ/2 (Lambda/2) entsprechend der verwendeten Frequenz ausgeführt ist. Die Tiefe der resonanten Struktur (3) beträgt in diesem Beispiel ca. Lambda/4.

[0053] Diese resonante Struktur (3) kann sowohl im Mittelleiter als auch im Außenleiter der koaxialen Leitung angeordnet sein.

[0054] In Fig. 4 ist der schematische Grundaufbau einer Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens zwecks einer Plasmabehandlung von Oberflächen dargestellt.

[0055] Die von einer Mikrowellen Versorgung (4) erzeugte Mikrowellenenergie wird über eine vorzugsweise flexible Mikrowellenleitung (8) koaxial (5) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) eingespeist. Die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) ist vorzugsweise als Rohr entsprechend der hier verwendeten Frequenz von 2,45 GHz so dimensioniert, dass eine Wellenausbreitung nur im Bereich der koaxialen Struktur möglich ist. Eine Wellenausbreitung darüber hinaus aus dem offenen Ende der wellenbegrenzenden Struktur (1) jedoch durch eine ausreichende Verlängerung der wellenbegrenzenden Struktur (1) nicht möglich ist.

[0056] Die resonante Zündstruktur (3) ist als Verlängerung der koaxialen Einspeisung (5) so an die Energieversorgung angekoppelt, dass bei einer Energieeinkopplung eine hohe Zündfeldstärke an der Spitze der resonanten Zündstruktur (3) entsteht, die zur Plasmazündung (7) ausreicht, eine Speisung des gezündeten Plasmas (2) jedoch über die aus resonanter Zündstruktur (3) als Mittelleiter und der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) als Außenleiter gebildete koaxiale Leitung erfolgt.

[0057] Somit entsteht in Abhängigkeit der eingespeisten Energiemenge ein expandierendes, sich aus der öffnung der wellenbegrenzenden Struktur (1) ausbreitendes Plasma (2).

[0058] Eine zu behandelnde Oberfläche (13) wird nun so im Wirkbereich des Plasmas (2) angeordnet, dass ein gewünschter Behandlungseffekt, z.B. eine Aktivierung der Oberfläche (13) erzielt wird.

[0059] Die Plasmabehandlung kann ohne jegliche aktive Gasströmung mit Luft bei Atmosphärendruck durchgeführt werden. Zur aktiven Gestaltung der Plasmabehandlung können über eine spezielle Zuführvorrichtung (12) für das Erreichen eines definierten Behandlungseffektes geeignete Stoffe dem Plasma (2) sowohl innerhalb und außerhalb

der wellenbegrenzenden Struktur (1) zugeführt werden. Durch Zuführen eines Gases wird ein weiteres Ausbreiten des Plasmas (2) erreicht. Die Stoffe befinden sich in einem Behälter (10) und werden dem Plasma (2) über die Zuführvorrichtung (12) zugeführt. Durch Austauschen des Behälters (10) können je nach gewünschter Anwendung verschiedene Stoffe verwendet werden. Durch eine Anordnung der Behälter (10) direkt an der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) ist eine hohe Flexibilität und Mobilität der Vorrichtung gegeben.

[0060] Fig. 5 zeigt eine gegenüber Fig. 4 erweiterte Vorrichtung, mit der für eine Plasmabehandlung vorgesehene Stoffe über eine flexible Leitung (11) von den Stoffbehältern (10) über die Zuführvorrichtung für Stoffe (12) dem Plasma (2)

[0061] zugeführt werden. Durch diese Ausführung können verschiedene Stoffe in separaten Behältern (10) auch in größeren Mengen bevorratet werden und je nach Bedarf dem Plasma (2) zugeführt werden. Diese Ausführung ist insbesondere in stationären Anlagen mit hohen Verarbeitungsleistungen und Stoffdurchsätzen von Vorteil.

[0062] Bezugszeichenliste

1 wellenbegrenzende Hohlstruktur

2 Plasma

3 resonante Zündstruktur

4 Mikrowellengenerator

5 Mikrowelleneinspeisung

6 Resonanzkreis

7 Plasmazündung

8 flexible Mikrowellenleitung

9 öffnung in der wellenbegrenzenden Hohlstruktur

10 Behälter für Stoffe

11 flexible Zuführung der Stoffe

12 Zuführvorrichtung für Stoffe

13 zu behandelnde Oberfläche