DE102010024086A1

DE102010024086A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung eines Materialstücks

Info

Publication number: DE102010024086A1
Application number: DE102010024086A
Authority: DE
Inventors: Dr. Palm Peter
Original assignee: Wpnlb Ug (haftungsbeschrankt) & Co KG; Wpnlb Ug Haftungsbeschraenkt & Co KG
Current assignee: Wpnlb Ug (haftungsbeschrankt) & Co KG; Wpnlb Ug Haftungsbeschraenkt & Co KG
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-12-22
Also published as: WO2011157424A1

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zur kontinuierlichen Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung eines insbesondere bahn- oder plattenförmigen Materialstücks (12), umfasst eine auf einer ersten Seite (14) des Materialstücks (12) angeordnete Elektrodenanordnung (24) und eine auf der anderen Seite (15) des Materialstücks (12) angeordnete Gegenelektrode (16), wobei mittels einer zwischen der Elektrodenanordnung (24) und der Gegenelektrode (16) anliegenden Hochspannung eine Plasmaentladung erzeugbar ist. Die Elektrodenanordnung (24) umfasst mindestens zwei Teilelektroden (13, 21), von denen mindestens eine als Barrierenelektrode (13) mit einem elektrisch leitfähigen Elektrodenkern (17) und einer dielektrischen Umhüllung (18) ausgeführt ist, wobei mittels einer zwischen den Teilelektroden (13, 21) angelegten Hochspannung eine weitere Plasmaentladung erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung eines insbesondere bahn- oder plattenförmigen Materialstücks, umfassend eine auf einer ersten Seite des Materialstücks angeordnete Elektrodenanordnung und eine auf der anderen Seite des Materialstücks angeordnete Gegenelektrode, wobei mittels einer zwischen der Elektrodenanordnung und der Gegenelektrode anliegenden Hochspannung eine Plasmaentladung erzeugbar ist.
Derartige Vorrichtungen zur Koronabehandlung eines Materialstücks sind vielfach bekannt. Es ist bei derartigen Vorrichtungen generell eine möglichst schonende Behandlung des Materialstücks erwünscht, wobei eine unerwünschte Beeinträchtigung oder gar Beschädigung des zwischen der Elektrodenanordnung und der Gegenelektrode angeordneten Materialstücks vermieden werden muss.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung bereitzustellen, die einen mit einfachen Mitteln eine sehr schonende Behandlung des Materialstücks ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Entladung zwischen den Teilelektroden sorgt für eine Vorionisation, die eine erleichterte Zündung der Hauptentladung zu der Gegenelektrode hin ermöglicht. Auf diese Weise kann eine für das Materialstück schonendere Hauptendladung („sanfte Entladung”) erreicht werden.
Vorzugsweise sind die auf die zu behandelnde Oberfläche des Materialstücks gerichteten Teilelektroden im Wesentlichen ohne Zwischenraum bzw. ohne Luftspalt zueinander angeordnet. Diesem Aspekt liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Plasmaentladung für die Vorionisation ohne Entladungsspalt zwischen den Teilelektroden erzeugbar ist. Dabei handelt es sich um eine Entladung, die entlang der Feldlinien stattfindet, die von der dem Materialstück zugewandten Oberfläche einer Teilelektrode zu der dem Materialstück zugewandten Oberfläche der anderen Teilelektrode verlaufen. Diese Oberflächenentladung hat den Vorteil, dass das Plasma direkt an der zu behandelnden Oberfläche erzeugt werden kann. Ein Gebläse zum Erzeugen einer auf die zu behandelnde Oberfläche gerichteten Luftströmung ist entbehrlich. Schließlich werden Beeinträchtigungen infolge Verschmutzung bzw. Zusetzen des Entladungsspalts durch Plasmaablagerungen vermieden. „Im Wesentlichen ohne Zwischenraum” bedeutet, dass allenfalls ein kleiner Luftspalt von weniger als 0,5 mm vorgesehen ist, wobei vorzugsweise im Rahmen der Fertigungstoleranzen überhaupt kein Luftspalt vorgesehen ist.
Vorzugsweise bilden die dem Materialstück zugewandten Teilelektroden eine durchgehende Elektrodenoberfläche, wodurch eine homogene Entladung erreicht werden kann und die Bildung von Kanten und Ausnehmungen, die verschmutzen und sich mit Plasmaablagerungen zusetzen können, vermieden wird.
Vorzugsweise ist die Oberflächenentladung für die Vorionisation im Wesentlichen auf den Raum zwischen den Teilelektroden und dem Materialstück begrenzt. Es ist aber nicht ausgeschlossen, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich oder stattdessen mittels der auf der ersten Seite angeordneten Elektrodenanordnung auch eine Vorentladung auf der von der Elektrodenanordnung abgewandten Seite des Materialstücks zu erzeugen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Plasmabehandlungsvorrichtung in einem Längsschnitt;
2 zeigt eine schematische, nicht maßstabsgerechte Draufsicht auf die Plasmabehandlungsvorrichtung aus 1; und
3 zeigt eine schematische Längsschnitt-Ansicht einer Plasmabehandlungsvorrichtung in einer weiteren Ausführungsform.
Die Plasmabehandlungsvorrichtung 10 zur kontinuierlichen Plasmabehandlung, insbesondere Koronabehandlung einer Oberfläche 11 eines flächigen, insbesondere bahn- oder plattenförmigen Materialstücks 12, hier einer Materialbahn, beispielsweise einer Kunststofffolie, umfasst eine Elektrodenanordnung 24 mit mindestens zwei auf der gleichen Seite 14 des Materialstücks 12 angeordneten, insbesondere stabförmigen Teilelektroden 13, 21, von denen mindestens eine, im Ausführungsbeispiel der 1 beide Teilelektroden 13, 21 als Barrierenelektroden mit jeweils einem elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, beispielsweise stabförmigen Elektrodenkern 17, 22 und einer Ummantelung 18, 23 aus einem dielektrischen Material, beispielsweise einer Keramik, ausgebildet sind. Auf der anderen Seite 15 des Materialstücks 12 ist eine elektrisch leitfähige, insbesondere metallische Gegenelektrode 16 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist die zweite Teilelektrode 25 nicht als Barrierenelektrode ausgeführt, d. h. weist keine allseitige dielektrische Umhüllung auf. In einer besonders einfachen Ausführung weist die Teilelektrode 25 keinerlei dielektrische Umhüllung auf, sondern besteht im Wesentlichen vollständig aus einem elektrisch leitfähigen Material 28, insbesondere Metall zur Bildung einer insbesondere stabförmigen Metallelektrode.
Zwischen den Teilelektroden 13, 21 ist eine mittels einer Hochspannungserzeugungseinrichtung 19 erzeugte Hochspannung angelegt. Die Hochspannung kann insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung im Bereich von beispielsweise 10 bis 50 kHz sein. Die Hochspannung kann auch gepulst sein. Die auf der anderen Seite 15 des Materialstücks 12 angeordnete Gegenelektrode 16 ist vorzugsweise auf Erdpotential gelegt. Aufgrund der zwischen den Teilelektroden 13, 21 und der Gegenelektrode 16 angelegten Hochspannung kommt es zu einer entsprechenden Hauptentladung, die in den 1 und 3 mittels vertikaler gestrichelter Linien angedeutet ist. Durch das mittels der Hauptendladung in dem Raum 20 erzeugte Plasma wird die Oberfläche 11 des Materialstücks 12 in gewünschter Weise modifiziert und/oder beschichtet. Die Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung kann vorteilhafterweise unter Atmosphärendruck stattfinden, so dass Einrichtungen zur Erzeugung eines Vakuums entbehrlich sind.
Zusätzlich zu der Hauptendladung wird durch eine geeignete Wahl der Hochspannungsparameter der zwischen den Teilelektroden 13, 21 angelegten Hochspannung in dem Raum 20 zwischen den Teilelektroden 13, 23 und dem Materialstück 12 eine durch die dielektrische Ummantelung 18, 23 behinderte weitere Plasmaentladung erzeugt, die in 1 und 3 durch im Wesentlichen horizontale gestrichelte Linien angedeutet ist. Diese mittels der zwischen den Teilelektroden 13 und 21 angelegten Hochspannung erzeugte Oberflächenentladung bewirkt eine Vorionisation in dem Raum 20, wodurch die Hauptendladung zur Gegenelektrode 16 hin für das Materialstück 12 schonender erfolgen kann. Dieser vorteilhafte Effekt wird als „sanfte (Haupt-)Entladung” bezeichnet.
Wie in den 1 und 3 gezeigt, werden vorzugsweise beide auf der Seite 14 angeordneten Teilelektroden 13, 21 auf ein Hochspannungspotential gelegt. Dabei kann es sich beispielsweise um phasenverschobene, insbesondere gegenphasige Wechselspannungen handeln, was in den 1 und 3 durch die Symbole +/– angedeutet ist. Dies ist aber nicht zwingend der Fall; es kann auch nur eine der beiden Teilelektroden 13, 21 auf einem Hochspannungspotential liegen, während die andere Teilelektrode, im Ausführungsbeispiel gemäß 3 vorzugsweise die unabgeschirmte Teilelektrode 21, geerdet ist. Dies hat den Vorzug, dass nur ein Hochspannungspotential erzeugt werden muss.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann die Gegenelektrode 16 auf ihrer der Elektrodenanordnung 24 zugewandten Seite eine dielektrische Barrierenschicht aufweisen.
Es können auch mehr als zwei Teilelektroden auf der Seite 14 des Materialstücks 12 vorgesehen sein. Im Allgemeinen sind unterschiedlichste Aneinanderreihungen bzw. Kombinationen von Barrieren- und/oder Nicht-Barrierenelektroden denkbar.
Die Teilelektroden 13, 21 sind ohne Zwischenraum, d. h. ohne Luftspalt in direktem Kontakt zueinander angeordnet. Die spaltlose Anordnung bezieht sich generell auf die dem Materialstück 12 zugewandten Teilelektroden 13, 21, die in einer Ebene parallel bzw. tangential zu dem Materialstück 12 angeordnet sind. Allgemein sind daher die senkrecht zu dem Materialstück 12 orientierten Verbindungs- bzw. Kontaktstellen zwischen den Teilelektroden 13, 21 zwischenraumfrei ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Elektrodenanordnung 24, allgemeiner sämtliche der zu behandelnden Oberfläche 11 zugewandten Teilelektroden 13, 21 auf der Seite 14, zu einer baulichen Elektrodeneinheit, d. h. in einem einheitlichen Bauteil, zusammengefasst. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird die Elektrodenanordnung 24 beispielsweise von einem mit den Elektrodenkernen 17, 22 gefüllten dielektrischen Doppelkanalrohr gebildet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die Barrierenelektrode 13 und die nicht abgeschirmte Teilelektrode 21 in direktem Kontakt miteinander zu einer Elektrodeneinheit 24 verbunden. In sämtlichen gezeigten Ausführungsformen bilden die dem Materialstück 12 zugewandten Teilelektroden bzw. Elektrodenoberflächen 25, 26 eine durchgehende Elektrodenoberfläche 27. Im Allgemeinen ist die gesamte Elektrodenanordnung 24, von der zu behandelnden Oberfläche 11 aus betrachtet, zwischenraumfrei bzw. spaltfrei ausgebildet. Auf Einrichtungen zur Erzeugung einer auf die zu behandelnde Oberfläche 11 gerichteten Gasströmung kann daher vorteilhafterweise ganz verzichtet werden.
In den 1 und 3 findet die durch die zwischen den Teilelektroden 13 und 21 anliegende Hochspannung erzeugte weitere Entladung unmittelbar vor den dem Materialstück 12 zugewandten Oberflächen 25, 26 der Teilelektroden 13 und 21 bzw. der dadurch gebildeten, dem Materialstück 12 zugewandten durchgehenden Elektrodenoberfläche 27 statt. Die zwischen den Teilelektroden 13 und 21 anliegende Hochspannung kann auch so eingestellt sein, dass alternativ oder zusätzlich zu der Entladung auf der der Elektrodenanordnung 24 zugewandten Seite des Materialstücks 12 eine Entladung auf der der Elektrodenanordnung 24 abgewandten Seite des Materialstücks 12 erzeugt wird.
2 zeigt eine Draufsicht auf die Plasmabehandlungsvorrichtung aus 1. Wie aus 2 ersichtlich ist, erstrecken sich die Teilelektroden 13, 21 bzw. die Elektrodenanordnung 24 vorzugsweise über die gesamte Breite des Materialstücks 12 und sind vorteilhafterweise parallel zueinander angeordnet.
Die Plasmabehandlungsvorrichtung 10 weist nicht gezeigte Einrichtungen auf, um das Materialstück 12 in Längsrichtung durch die Plasmabehandlungsvorrichtung 10 bzw. an dieser vorbei zu fördern, so dass gegebenenfalls eine kontinuierliche und vollständige Plasmabehandlung der Oberfläche 11 des Materialstücks 12 erreicht werden kann. Die kontinuierliche Förderung des Materialstücks 12 ist in den 1 bis 3 durch Pfeile angedeutet. Es kann sich dabei um eine translatorische Förderung bzw. Linearförderung handeln, wie in den 1 und 3 gezeigt. In einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann das Materialstück 12 beispielsweise mittels einer Walze rotatorisch an der Elektrodenanordnung 24 vorbei gefördert werden. Anstelle einer Förderung des Materialstücks 12 ist es auch denkbar, dass das Materialstück 12 fest steht und stattdessen die Elektrodenanordnung 24 in Längsrichtung über das Materialstück 12 geführt wird.

Claims

Vorrichtung (10) zur kontinuierlichen Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung eines insbesondere bahn- oder plattenförmigen Materialstücks (12), umfassend eine auf einer ersten Seite (14) des Materialstücks (12) angeordnete Elektrodenanordnung (24) und eine auf der anderen Seite (15) des Materialstücks (12) angeordnete Gegenelektrode (16), wobei mittels einer zwischen der Elektrodenanordnung (24) und der Gegenelektrode (16) anliegenden Hochspannung eine Plasmaentladung erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (24) mindestens zwei Teilelektroden (13, 21) umfasst, von denen mindestens eine als Barrierenelektrode (13) mit einem elektrisch leitfähigen Elektrodenkern (17) und einer dielektrischen Umhüllung (18) ausgeführt ist, und wobei mittels einer zwischen den Teilelektroden (13, 21) angelegten Hochspannung eine weitere Plasmaentladung erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die zu behandelnde Oberfläche (11) des Materialstücks (12) gerichteten Teilelektroden (13, 21) im Wesentlichen ohne Zwischenraum zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dem Materialstück (12) zugewandten Teilelektroden (13, 21) eine durchgehende Elektrodenoberfläche (17) bilden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Entladung im Wesentlichen auf den Raum (20) zwischen den Teilelektroden (13, 21) und dem Materialstück (12) begrenzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf die Erzeugung einer auf die zu behandelnde Oberfläche gerichteten Gasströmung verzichtet wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gegenelektrode (16) geerdet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an die Teilelektroden (13, 21) phasenverschobene Wechselspannungen angelegt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an die Teilelektroden (13, 21) gegenphasige Wechselspannungen angelegt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Teilelektroden (21) nicht als Barriereelektrode ausgeführt ist.