DE102010024135A1

DE102010024135A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung eines Materialstücks

Info

Publication number: DE102010024135A1
Application number: DE102010024135A
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: WO2011157425A1

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zur kontinuierlichen Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung eines insbesondere bahn- oder plattenförmigen Materialstücks (12), umfasst mindestens eine auf einer Seite (14) des Materialstücks (12) angeordnete Barrierenelektrode (13) mit einem elektrisch leitfähigen Elektrodenkern (17) und einer dielektrischen Umhüllung (18), und eine auf der anderen Seite (15) des Materialstücks (12) angeordnete Gegenelektrode (16), so dass mittels einer zwischen der Barrierenelektrode (13) und der Gegenelektrode (16) angelegten Hochspannung eine Plasmaentladung erzeugbar ist. Auf der gleichen Seite (14) des Materialstücks (12) wie die Barrierenelektrode (13) ist mindestens eine elektrisch leitfähige Sonde (21) in einem relativ geringen Abstand zu der Barrierenelektrode (13) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung eines insbesondere bahn- oder plattenförmigen Materialstücks, umfassend mindestens eine auf einer Seite des Materialstücks angeordnete Barrierenelektrode mit einem elektrisch leitfähigen Elektrodenkern und einer dielektrischen Umhüllung, und eine auf der anderen Seite des Materialstücks angeordnete Gegenelektrode, so dass mittels einer zwischen der Barrierenelektrode und der Gegenelektrode angelegten Hochspannung eine Plasmaentladung erzeugbar ist.
Derartige Vorrichtungen zur Koronabehandlung eines Materialstücks sind vielfach bekannt. Aufgrund der dielektrischen Umhüllung der Barrierenelektrode kommt es zu einer dielektrisch behinderten Entladung (Barriereentladung bzw. stille Entladung) zwischen der Barrierenelektrode und der Gegenelektrode, die ein Plasma erzeugt, dem eine zu behandelnde Oberfläche des Materialstücks ausgesetzt wird. Wenn es im Betrieb einer solchen Vorrichtung zu einem Bruch der dielektrischen Umhüllung der Barrierenelektrode kommt, kann es im Fall einer metallischen Gegenelektrode zu einem Kurzschluss kommen, wodurch jedenfalls das zu behandelnde Materialstück, im schlimmsten Fall aber auch die Gegenelektrode geschädigt werden kann. Im Falle einer mit einer dielektrischen Barriere versehenen Gegenelektrode, oder wenn das zu behandelnde Materialstück selbst als Dielektrikum wirkt, kommt es dagegen nicht zu einem Kurzschluss, so dass unter Umständen lange Zeit vergeht, bis der Bruch der dielektrischen Umhüllung entdeckt wird. Da ein Bruch der dielektrischen Umhüllung in der Regel zu einer stark inhomogenen Entladung führt, ist die Qualität des so behandelten Materialstücks meist ungenügend, was im Ergebnis zu erheblichen Ausfallzeiten führen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der die geschilderten negativen Auswirkungen infolge des Bruchs der dielektrischen Umhüllung der Barrierenelektrode verhindert werden können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Mitteln des unabhängigen Anspruchs 1. Der Abstand zwischen der Barrierenelektrode und der elektrisch leitfähigen Sonde ist relativ gering, d. h. ausreichend gering, um im Falle eines Bruchs der dielektrischen Umhüllung eine Kurschlussentladung zwischen der Barrierenelektrode und der erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Sonde herbeizuführen. Der entsprechende Kurzschlussstrom, bzw. ein entsprechender Spannungseinbruch, ist mit geeigneten Mitteln leicht detektierbar kann insbesondere zu einer sofortigen Abschaltung der Vorrichtung führen. Die erfindungsgemäße Sonde ist ein besonders einfaches Mittel, um einen Bruch der dielektrischen Umhüllung der Barrierenelektrode zu detektieren, da die ohnehin vorhandene Hochspannung zur Auslösung des Kurzschlussstroms verwendet wird und elektrische Mittel zur Detektierung eines Kurzschlusses üblicherweise ebenfalls vorhanden sind. Da die Sonde auf der gleichen Seite des Materialstücks angeordnet ist wie die Barrierenelektrode, werden das Materialstück und die Gegenelektrode von dem Kurzschlussstrom vorteilhafterweise nicht beeinträchtigt.
Vorzugsweise liegt der Abstand der Sonde zu der Barrierenelektrode im Bereich des Abstands zwischen der Barrierenelektrode und der Gegenelektrode und beträgt vorzugsweise höchstens das Doppelte, weiter vorzugsweise höchstens das 1,5-fache dieses Abstands. Vorzugsweise ist Abstand der Sonde zu der Barrierenelektrode geringer als der Abstand zwischen der Barrierenelektrode und der Gegenelektrode, weiter vorzugsweise höchstens halb so groß. Im Falle einer metallischen Gegenelektrode kann dadurch sichergestellt werden, dass keine Kurzschlussentladung zu der Gegenelektrode bzw. zu dem zu behandelnden Materialstück hin erfolgt.
Zur Erzeugung des Kurzschlussstromes im Falle der mit der Hochspannung belegten Barrierenelektrode kann die Sonde zweckmäßigerweise einfach geerdet werden.
Wenn in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Barrierenelektroden vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn diese auf demselben Potential liegen, damit nur ein Hochspannungspotential erzeugt werden muss. In diesem Fall ist vorzugsweise zu jeder Barrierenelektrode in einem ausreichend geringen Abstand eine elektrisch leitfähige Sonde angeordnet, damit ein etwaiger Bruch der dielektrischen Umhüllung jeder Barrierenelektrode mittels eines entsprechenden Kurzschlussstroms detektierbar ist.
Wenn in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Sonden vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn diese der Einfachheit halber auf demselben Potential, insbesondere Erdpotential, liegen.
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;
3, 4 zeigen schematische Längsschnitt-Ansichten von Plasmabehandlungsvorrichtungen in weiteren Ausführungsformen; und
5–10 zeigen schematische Längsschnitt-Ansichten verschiedener Elektrodenanordnungen für Plasmabehandlungsvorrichtungen in weiteren Ausführungsformen.
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 mindestens eine auf einer Seite 14 des Materialstücks 12 angeordnete, insbesondere stabförmige Barrierenelektrode 13 und eine auf der anderen Seite 15 des Materialstücks 12 angeordnete elektrisch leitfähige, insbesondere metallische Gegenelektrode 16, die insbesondere auf Erdpotential liegt.
Die Barrierenelektrode 13 weist einen elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen Elektrodenkern 17 und eine insbesondere allseitige Ummantelung 18 aus einem dielektrischen Material, beispielsweise einer Keramik, auf. Der die eigentliche Elektrode bildende Elektrodenkern 17 ist auf ein mittels einer Hochspannungserzeugungseinrichtung 19 erzeugtes Hochspannungspotential gelegt. Die Hochspannung kann insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung im Bereich von beispielsweise 10 bis 50 kHz sein. Die Hochspannung kann auch gepulst sein. Durch eine geeignete Wahl der Hochspannungsparameter wird in dem Raum 20 zwischen der Barrierenelektrode 13 und der Gegenelektrode 16 eine durch die dielektrische Ummantelung 18 behinderte Plasmaentladung erzeugt, die in 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Durch das 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.
Wie aus 2 ersichtlich ist, erstreckt sich die Barrierenelektrode 13 vorzugsweise über die gesamte Breite bzw. Querausdehnung des Materialstücks 12. 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 4 durch Pfeile angedeutet. Es kann sich dabei um eine translatorische Förderung bzw. Linearförderung handeln, wie in den 1 und 3 gezeigt. Alternativ kann das Materialstück 12 beispielsweise mittels einer als Walze ausgeführten Gegenelektrode 16 rotatorisch an der Barrierenelektrode 13 vorbei gefördert werden, wie dies in 4 gezeigt ist. Anstelle einer Förderung des Materialstücks 12 ist es auch denkbar, dass das Materialstück fest steht und stattdessen die Elektrodenanordnung in Längsrichtung über das Materialstück 12 geführt wird.
In Längsrichtung versetzt zu der Barrierenelektrode 13 ist auf der gleichen Seite 14 des Materialstücks 12 eine nicht (jedenfalls nicht vollständig) dielektrisch abgeschirmte, elektrisch leitfähige, insbesondere metallische Sonde 21 angeordnet. Die Sonde 21 weist mindestens auf der der Barriereelektrode 13 zugewandten Seite einen sich zweckmäßigerweise über deren Länge erstreckenden, beispielsweise schlitzförmigen Bereich auf, der frei von einer dielektrischen Umhüllung ist. Vorzugsweise ist die gesamte Sonde 21 vollständig frei von einer dielektrischen Umhüllung. Die Sonde 21 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite bzw. Querausdehnung der Materialbahn 12 und ist vorteilhafterweise parallel zu der Barrierenelektrode 13 angeordnet, wie aus 2 ersichtlich ist. In den Figuren ist die Sonde 21 plattenförmig, die Sonde 21 kann aber auch eine andere geeignete Form aufweisen. Wenn nun die Umhüllung 18 der Barrierenelektrode 13 beispielsweise infolge Ermüdung bricht, kann durch die Bruchstelle eine Kurzschlussentladung zu der elektrisch leitfähigen Sonde 21 erfolgen. In dem Hochspannungskreis sind geeignete Detektionsmittel 22 vorgesehen, um einen durch eine Kurzschlussentladung verursachten Kurzschlussstrom bzw. einen dadurch verursachten Spannungseinbruch zu detektieren und eine Abschaltung der Vorrichtung 10 zu veranlassen. Das elektronische Detektionsmittel 22 kann aktiv oder passiv sein, es kann sich beispielsweise um eine einfache Sicherung oder eine elektronische Überwachungseinrichtung handeln.
Vorzugsweise beträgt der Abstand der Sonde 21 zu der Barrierenelektrode 13 höchstens das Doppelte, weiter vorzugsweise höchstens das 1,5-fache des Abstands zwischen der Barrierenelektrode 13 und der Gegenelektrode 16. Wie beispielsweise aus 1 ersichtlich, ist der Abstand der Sonde 21 von der Barrierenelektrode vorzugsweise kleiner, vorzugsweise höchstens als halb so groß wie der Abstand der Gegenelektrode 16 von der Barrierenelektrode 13. Dadurch kann gegebenenfalls erreicht werden, dass vorteilhafterweise keine Kurzschlussentsladung zwischen der Barrierenelektrode 13 und der Gegenelektrode bzw. dem zu behandelnden Materialstück 12 erfolgt.
In den Ausführungsformen gemäß 3 und 4 weist die Gegenelektrode 16 auf der der Barrierenelektrode 13 zugewandten Seite eine dielektrische Barriere 23 auf. In der Ausführungsform gemäß 4 wird die dielektrische Barriere 23 beispielsweise durch eine dielektrische Beschichtung der insbesondere metallischen Walze 16 gebildet. Hier ermöglicht die elektrisch leitfähige Sonde 21 eine einfache und sichere automatische Detektion eines Bruchs der dielektrischen Ummantelung 18 der Barrierenelektrode 13, weil in einem solchen Fall aufgrund der dielektrischen Barriere 23 unter normalen Bedingungen keine Kurzschlussentladung zu der Gegenelektrode 16 stattfinden kann. Gleiches gilt beispielsweise auch im Fall einer metallischen Gegenelektrode (siehe 1), wenn das zu behandelnde Materialstück 12 als Dielektrikum wirkt und einen Kurzschlussstrom zu der Gegenelektrode 16 hin verhindert.
Die Ausführungsformen gemäß den 5 bis 10 verdeutlichen, dass die Vorrichtung 10 nicht auf eine Barrierenelektrode 13 und/oder auf eine elektrisch leitfähige Sonde 21 beschränkt ist. Insbesondere können eine Mehrzahl von Barrierenelektroden 13 vorgesehen sein, wodurch aufgrund der vergrößerten Behandlungsfläche die Prozessgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Beispielsweise zeigt 5 eine Ausführungsform mit einer zentralen Sonde 21 und zwei zu der Sonde 21 symmetrisch angeordneten Barrierenelektroden 13. 8 zeigt eine Hintereinanderschaltung von zwei Elektrodenanordnungen gemäß
5; auch mehr als zwei solcher Elektrodenanordnungen sind möglich.
In den 1 bis 4 ist die Sonde 21 in Förderrichtung hinter der Barrierenelektrode 13 angeordnet. Alternativ kann die die Sonde 21 in Förderrichtung vor der Barrierenelektrode 13 angeordnet sein. Die Ausführungsform gemäß 6 verdeutlicht, dass auch jeweils eine elektrisch leitfähige Sonde 21 vor und hinter der Barrierenelektrode 13 angeordnet sein kann; dies kann vorteilhaft sein, um einen Bruch an verschiedenen Stellen der Umhüllung 18 der Barrierenelektrode 13 detektieren zu können. Im Allgemeinen kann einer Barrierenelektrode 13 eine Mehrzahl von Sonden 21 zugeordnet sein. 6 zeigt eine Elektrodeneinheit bestehend aus einer zentralen Barrierenelektrode 13 und zwei zu der Barrierenelektrode 13 symmetrisch angeordnete Sonden 21. 10 zeigt eine Hintereinanderschaltung von zwei Elektrodenanordnungen gemäß 6; auch mehr als zwei solcher Elektrodenanordnungen, und/oder Kombinationen mit Elektrodenanordnungen gemäß 5, 8 sind möglich. Die 7 und 9 zeigen Reihenanordnungen von abwechselnden Barrierenelektroden 13 und Sonden 21.
Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist unabhängig von der Zahl der Barrierenelektroden 13 und/oder der Sonden 21 zu jeder Barrierenelektrode 13 mindestens eine elektrisch leitfähige Sonde 21 in einem relativ geringen Abstand angeordnet, um einen Bruch in der dielektrischen Umhüllung 18 einer jeden Barrierenelektrode 13 detektieren zu können.
Es ist weiterhin möglich, dass im regulären Betrieb mit intakter Barrierenelektrode 13 zusätzlich zu der Entladung zwischen der Barriereelektrode 13 und der Gegenelektrode 16 eine Plasmaentladung zwischen der Barrierenelektrode 13 und der Sonde 12 erfolgt. In einer derartigen Ausführungsform hat die Sonde 12 zusätzlich die Funktion einer weiteren Elektrode. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine insbesondere stabförmige Metallelektrode.

Claims

Vorrichtung (10) zur kontinuierlichen Plasmabehandlung und/oder Plasmabeschichtung eines insbesondere bahn- oder plattenförmigen Materialstücks (12), umfassend mindestens eine auf einer Seite (14) des Materialstücks (12) angeordnete Barrierenelektrode (13) mit einem elektrisch leitfähigen Elektrodenkern (17) und einer dielektrischen Umhüllung (18), und eine auf der anderen Seite (15) des Materialstücks (12) angeordnete Gegenelektrode (16), so dass mittels einer zwischen der Barrierenelektrode (13) und der Gegenelektrode (16) angelegten Hochspannung eine Plasmaentladung erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der gleichen Seite (14) des Materialstücks (12) wie die Barrierenelektrode (13) mindestens eine elektrisch leitfähige Sonde (21) in einem relativ geringen Abstand zu der Barrierenelektrode (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstand der Sonde (21) zu der Barrierenelektrode (13) geringer ist als der Abstand zwischen der Barrierenelektrode (13) und der Gegenelektrode (16).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sonde (21) geerdet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Barrierenelektroden (13) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sämtliche Barrierenelektroden (13) auf demselben Potential liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei zu jeder Barrierenelektrode (13) in einem relativ geringen Abstand eine elektrisch leitfähige Sonde (21) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Sonden (21) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei sämtliche Sonden (21) auf demselben Potential, insbesondere Erdpotential, liegen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Einrichtung (22) zum Detektieren eines elektrischen Kurzschlusses infolge einer Kurzschlussentladung zwischen der Sonde (21) und der Barrierenelektrode (13).
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Kurzschluss-Detektionseinrichtung (22) zum Abschalten der Vorrichtung (10) infolge des Detektierens eines Kurzschlusses eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gegenelektrode (16) auf der der Barrierenelektrode (13) zugewandten Seite eine dielektrische Barriere (23) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Barrierenelektrode (13) und der Sonde (12) eine Plasmaentladung erfolgt.