BRPI0915791B1

BRPI0915791B1 - Processo de instalação para a preparação de superfície mediante descarga de barreira dielétrica

Info

Publication number: BRPI0915791B1
Application number: BRPI0915791-3A
Authority: BR
Inventors: Eric Tixhon; Joseph Leclercq; Eric Michel
Original assignee: Agc Glass Europe
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2019-10-01
Also published as: JP5558465B2; EP2145701A1; JP2011528165A; ES2399181T3; CN102083554B; EP2321070A1; US20110174333A1; EA018888B1; WO2010007135A1; EP2321070B1; EA201100220A1; PL2321070T3; US8470095B2; BRPI0915791A2; CN102083554A; SI2321070T1

Abstract

processo e instalação para a preparação de superfície mediante descarga de barreira dielétrica um processo para a preparação de superfície de um substrato (2), o qual compreende introduzir ou deslocar um substrato (2) dentro de uma câmara de reação (6, 16). uma barreira dielétrica (14, 114) é colocada entre os eletrodos (1, 10, 110). uma voltagem elétrica de alta frequência é gerada, para gerar plasma filamentoso (12, 112). moléculas (8, 108) são introduzidas na câmara de reação (6, 106) . a partir de contato com o plasma, eles geram espécies ativas típicas de reação com a superfície do substrato. um indutor ajustável (l) colocado em paralelo com o indutor da instalação é empregado para reduzir a mudança de fase entre a voltagem e a corrente gerada e para aumentar o tempo durante o qual a corrente flui no plasma (12, 112).

Description

PROCESSO E INSTALAÇÃO PARA A PREPARAÇÃO DE SUPERFÍCIE MEDIANTE DESCARGA DE BARREIRA DIELÉTRICA

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção se refere aos processos e instalações para a preparação de superfície de substratos inorgânicos antes do tratamento dos mesmos.

PREÂMBULO

Existem várias operações para melhorar a qualidade de matérias primas, tal como vidro, aço ou plástico, etc. Entre essas operações estão o tratamento de superfície e a preparação da superfície. Aqui, tratamento de superfície se refere ao tratamento durante a deposição de película sobre um substrato, ao passo que preparação de superfície consiste, como indicado pelo seu nome, na preparação da superfície de um substrato, de modo a tornar a superfície capaz de receber um revestimento, ou na modificação de suas propriedades de superfície mediante criação de novas ligações (ativação de superfície). A invenção se refere a um processo de preparar uma superfície mediante descarga de barreira dielétrica (DBD) para limpar, desengordurar, clarear, decapar ou de outro modo ativar a superfície, de modo a modificar e/ou aperfeiçoar as propriedades de superfície do substrato. Particularmente, o objetivo da invenção é o de preparar a superfície para a finalidade particularmente de limpar o substrato, mediante remoção de camadas orgânicas ou contaminantes, clareamento da superfície, mediante remoção de camadas inorgânicas ou contaminantes, ou de outro modo ativar a superfície mediante criação de novas ligações na superfície do substrato.

2/25

A invenção também se refere a uma instalação para aplicar o processo DBD em questão, especialmente de forma contínua.

TÉCNICA ANTERIOR

O objetivo das operações principais para preparar uma superfície é o de remover, em primeiro lugar, os resíduos orgânicos (por exemplo, óleos) e toda a sujeira desse modo retida. Essa operação é chamada genericamente de limpeza ou desengorduramento. Em segundo lugar, a superfície é submetida a um tratamento para reduzir os óxidos, quando eles estiverem presentes. Essa operação geralmente referida como decapagem ou clareamento. Essas operações são operações essenciais em um processo industrial completo uma vez que, se elas forem controladas de forma inadequada, podem surgir problemas (ausência de adesão dos revestimentos produzidos após preparação da superfície; baixa resistência à corrosão; problemas de aparência) e a qualidade do produto final não pode ser garantida.

Duas técnicas de preparação de superfície podem ser principalmente distinguidas: processamento a úmido, especialmente processamento eletroquímico, com o uso de soluções básicas ou ácidas e processamento a seco, especialmente através do uso de uma descarga de plasma.

A preparação de superfície é atualmente realizada essencialmente mediante processamento a úmido. Para aumentar a eficiência do processo, a preparação da superfície frequentemente é combinada, no caso de um substrato eletricamente condutivo, com uma ação eletrolítica.

Particularmente no caso de metalurgia, a primeira

3/25 operação da preparação de superfície mediante processamento a úmido é a limpeza bruta através do uso de um solvente. Essa operação ajuda a remover a maior parte dos contaminantes orgânicas. A segunda operação é um desengorduramento químico (em um banho). Essas operações de desengorduramento têm a finalidade tanto de destruir o resíduo oleoso fino, como a de remover de 95 a 98% da camada orgânica. Após essa preparação de superfície, a contaminação residual é da ordem de 1 mg/m².

Um banho de desengorduramento é em geral composto de uma solução à base de NaOH- produtos adicionais. O hidróxido de sódio fornece à solução uma ação de saponificação.

No caso de um substrato condut ivo, uma operação de desengorduramento eletrolítico é geralmente empregada, tal como acabamento eletrolítico. A solução é usada como eletrólito e o material a ser tratado ocupa a posição do anódio e/ou a posição do catódio, alternadamente. Um compromisso está no uso de polarizações de tira alternadas do tipo catódio-anódio/anódio-catódio. A composição dos banhos eletrolíticos é similar a das soluções de desengorduramento, mas as condições de operação diferem dependendo da natureza do banho. Operações de desengorduramento, químicas e eletrolíticas, são usadas para remover a interface orgânica quimicamente ligada ao substrato, mas proporcionando ao mesmo a capacidade de umedecimento exigida para um tratamento de superfície subsequente. Após essa preparação de superfície, a contaminação residual é da ordem de 0,1 mg/m².

Outra vez no campo da metalurgia, após

4/25 desengorduramento eletrolítico, frequentemente é necessário causticar a superfície de modo a remover os óxidos possivelmente presentes. Devido ao caráter básico ou anfotérico dos óxidos, uma solução de decapagem ácida (ácido sulfúrico H₂SO₄ ou ácido clorídrico HC1) é usada. No caso de um substrato condutivo, a decapagem eletrolítica também pode ser adicionada. Como no caso do desengorduramento, polarizações alternativas são usadas para a decapagem. Em geral, elas são do tipo catódioanódio/anódio-catódio, embora outras combinações sejam possíveis.

Contudo, como os padrões ambientais de segurança estão se tornando cada vez mais restritivos e rígidos, esses processos estão se tornando muito dispendiosos uma vez que as indústrias têm que limitar as quantidades usadas e reciclar a água de refugo antes da descarga.

Uma solução possível para os problemas ambientais consiste em substituir a preparação de superfície obtida pelo processamento a úmido pelo uso de uma tecnologia de plasma a vácuo ou de plasma de alta pressão. Essa técnica tem as vantagens de ser um processo seco ambientalmente amigável. No campo da preparação de superfície (limpeza de superfície, clareamento e ativação), os plasmas frequentemente usados são os plasmas nos quais a temperatura do gás está próxima da temperatura ambiente (plasma de não equilíbrio) . Eles permitem a preparação de superfície dos materiais sem modificar suas propriedades mecânicas.

As espécies ativas (elétrons, íons, metaestabilidades, radicais, etc.) do plasma que são assim criadas tipicamente

5/25 possuem energias de poucos eV e assim podem causar dissociações ou ativação das ligações químicas de superfície.

Diversos tipos de plasma são conhecidos nas tecnologias de plasma:

« Plasma de descarga luminescente» ou plasma homogêneo permite a deposição de revestimentos de película fina, muito homogêneos e requer um nível de energia relativamente baixo. Contudo, é demorada e pode ser limitado dentro de um campo de frequência restrito para permanecer estável. Ela também permite uma variedade mais restrita de espécies de película fina.

Elevar o nível de energia do plasma pode causar a irrupção de arcos elétricos. Colocar uma chapa dielétrica entre os eletrodos permite a obtenção de um estado intermediário entre a descarga luminescente e arcos elétricos, denominado estado filamentoso. Filamentos são intrinsecamente instáveis, mas conduzem um alto nível de energia, permitindo uma redução do tempo de processamento e assim a aceleração da velocidade do substrato. Por outro lado, devido à sua produção aleatória, uma taxa de deposição paradoxalmente homogênea de materiais é obtida, um número muito elevado (tipicamente 10⁶ por centímetro quadrado por segundo) de micro descargas sendo produzido durante um ciclo em uma determinada área.

EP-1 381 257, JP 2001 035693 e US 2007/205727 propõem instalações para gerar um plasma de descarga luminescente. Contudo, essas instalações têm circuitos de controle do tipo RLC no secundário dos transformadores HT usados e sua função é essencialmente a de estabilizar o tipo de descarga

6/25 obtida. Esses documentos não oferecem a vantagem de operar em baixa pressão e em pressão atmosférica, e de permitir tratamento contínuo de áreas grandes, o que significa produzir energia elétrica ativa da ordem de um MegaWatt, 5 como realizado pela presente invenção.

A tabela abaixo resume as principais diferentes entre o processo químico convencional e o processo de plasma.

Processo químico convencional	Processo de plasma
Processo muito sensível ao tempo e à concentração química.	Fácil controle dos parâmetros (natureza do gás, pressão, tempo de tratamento, energia transferida, etc.)
A confiabilidade do processo requer a remoção ou neutralização dos resíduos, o que pode exigir múltiplas etapas.	Sem efluentes.
Processamento dispendioso de grandes quantidades de refugo líquido.	0 refugo produzido é geralmente gasoso e normalmente pode ser descarregado na atmosfera.
Muitos dos ácidos e solventes usados nesse processo são perigosos.	Os gases usados em geral não são tóxicos.
Conhecido, confiável e comprovado.	Novo.

Para sustentar o plasma de não equilíbrio (plasma frio), frequentemente é necessário trabalhar com pressão 10 reduzida. A maioria das técnicas conhecidas de plasma,

7/25 portanto, utilizam plasma de baixa pressão. Muitos estudos, portanto, foram realizados no campo de plasma de pressão reduzida. Contudo, essa técnica tem algumas desvantagens. Uma vantagem com esse tipo de processo é que não é possível tratar os materiais que tem elevadas pressões de vapor. Outra desvantagem principal dos processos de baixa pressão (por exemplo, causticação a vácuo) é, além de seu custo de investimento em equipamento e bombeamento, a eficiência relativamente baixa do processo. Isso justificou pesquisa em relação a novos processos resultando em plasmas frios sendo obtidos em alta pressão ou em pressão atmosférica.

Diversos processos de plasma são usados atualmente para a preparação das superfícies de vários substratos. Eles podem ser distinguidos particularmente pela forma na qual a energia é gerada para produzir a espécie ativa necessária para a preparação da superfície. Entre esses vários processos, o processo DBD combina as vantagens de plasmas de não equilíbrio sem as desvantagens apresentadas pelo problema de se ter um vácuo. Além disso, parece promissor para preparação de superfície de área grande. Os substratos envolvidos podem ser de diversos tipos: vidro, aço, cerâmica, etc. Como o processo DBD gera plasmas frios (não equilíbrio) , ele pode ser aplicado em vários substratos que inclusive são sensíveis ao calor; tal como polímeros orgânicos, termoplásticos, etc.

Optamos por usar um DBD uma vez que esse tem a vantagem, em comparação com os outros processos de plasma, de operar não apenas em alta pressão como também em pressão atmosférica, de gerar um plasma frio e de permitir a preparação contínua em grandes áreas.

8/25

Além disso, o processo escolhido resulta em uma superfície ativada possibilitando que melhor ligação dos materiais ou revestimentos superiores seja obtida.

Contudo, o processo DBD tem a principal desvantagem de ter uma eficiência de energia medíocre: a maior parte da energia gerada é dissipada em uma perda pura. O problema se deve amplamente à impedância capacitiva do circuito de descarga, que é superior quanto maior for a distância entre os eletrodos (e consequentemente, quanto maior for a distância entre os eletrodos e um substrato colocado entre eles) . A energia dissipada na descarga, portanto, é limitada, reduzindo assim a eficiência de descontaminação/ativação de superfície do processo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um objetivo da invenção é o de aperfeiçoar o rendimento e eficiência de um processo DBD para preparação de superfície.

Outro objetivo da invenção é o de garantir que esse aperfeiçoamento de eficiência seja mantido quaisquer que sejam as condições impostas. Essas últimas podem variar, por exemplo: pelo tipo de superfície a ser preparada (espessura do substrato, natureza do substrato, etc.), pela natureza das várias camadas orgânicas ou inorgânicas a serem removidas, etc.

Um objetivo da invenção é um processo para a preparação de superfície de um substrato inorgânico, que compreende as seguintes operações:

- um substrato é introduzido na câmara de reação, ou é passado através da câmara de reação onde ao menos dois eletrodos estão colocados; ao menos uma barreira dielétrica

9/25 sendo colocada entre esses ao menos dois eletrodos;

- uma voltagem de alta frequência, de amplitude e frequência estabilizadas é gerada, a voltagem sendo tal que ela gera um plasma filamentoso entre os ao menos dois eletrodos;

- um indutor ajustável colocado em paralelo com o indutor intrinsico da instalação gerando a voltagem é empregado de modo a reduzir o deslocamento de fase entre a voltagem e a corrente que é gerada;

- moléculas de pelo menos um tipo são introduzidas na câmara de reação, de tal modo que, mediante contato com o plasma, elas geram espécies ativas capazes de reagir com a superfície do substrato;

- a voltagem e/ou a frequência fornecida pelo circuito gerador e/ou a indutância é/são adaptadas no início do processo ou durante o processo, de modo a se obter características ótimas de reação; e

- o substrato é mantido na câmara por um período de tempo suficiente para se obter a preparação de superfície desejada.

Deve-se observar que o processo da invenção é definido em termos de operações mais propriamente do que etapas, quer dizer a sucessão de operações não é necessariamente realizada na ordem na qual elas são indicadas acima.

Uma vantagem do processo da invenção é que a introdução de um indutor no circuito aperfeiçoa o fator de potência da instalação, desse modo possibilitando um aumento considerável em sua eficiência, mas também possibilitando que o processo gere energia ativa suficiente para que se obtenha uma elevada eficiência de preparação de

10/25 superfície.

De acordo com uma modalidade preferida, a voltagem e/ou o valor da indutância é/são modulados de modo a promover a produção de harmônico prolongando o tempo durante o qual a voltagem permanece acima do valor para sustentar o arco, isso tendo a consequência de que o tempo de geração de plasma é estendido.

Uma vantagem dessa modalidade é que, para a mesma energia consumida, a eficiência do processo é muito aperfeiçoada.

De acordo com uma modalidade vantajosa, o processo inclui ainda a seguinte operação: a posição e/ou a configuração do eletrodo é/são variadas de modo a obter características ótimas de reação. Especificamente, esses critérios são usados para variar as características do circuito elétrico e, portanto, eles têm uma influência sobre a configuração da corrente.

De	acordo	com uma	modalidade	vantajosa,	o	processo
inclui	ainda a	seguinte	operação: a	atmosfera	na	câmara	é
levada	para uma	pressão predeterminada.
De	acordo	com uma	modalidade	preferida,	a	câmara	é

aberta e compreende uma zona de entrada e uma zona de saída para o substrato, possibilitando desse modo que o processo da invenção seja integrado em uma operação contínua de tratamento de superfície.

Vantajosamente, o substrato é isolante e ele próprio forma uma barreira dielétrica colocada entre pelo menos dois eletrodos.

Vantajosamente, o substrato é condutor e ele próprio constitui um eletrodo.

11/25

As moléculas são introduzidas na câmara de reação preferivelmente na forma de um líquido pulverizado, gás ou um pó.

Outro objetivo da invenção é uma instalação para a preparação de superfície, que compreende: uma câmara; meio de transporte e meio de suporte para introduzir ou passar um substrato dentro da câmara. Uma fonte de energia de alta voltagem, de alta frequência é conectada aos pelo menos dois eletrodos colocados em cada lado do substrato e pelo menos uma barreira dielétrica é colocada entre os pelo menos dois eletrodos. São providos meios de regulação/controle de fornecimento de energia, como são providos meios para introdução na câmara de moléculas adequadas para gerar, a partir do contato com o plasma, espécies ativas capazes de reagir com a superfície do substrato. Também são providos meios de extração de gás residual. Nessa instalação, um indutor ajustável é colocado em paralelo com o circuito de fornecimento de energia. As características desse indutor ajustável são tais que ele permite o deslocamento de fase entre a voltagem gerada entre os eletrodos e a corrente total fornecida pela fonte de alta voltagem a ser modulada.

Uma vantagem dessa instalação é que ela pode ser produzida mediante aplicação de uma série de modificações relativamente insignificantes nas instalações existentes.

Nessa instalação, o meio de regulação de fornecimento de energia e o meio de controle de indutância são vantajosamente acoplados de modo a permitir a geração de harmônico prolongando o tempo durante o qual a voltagem entre os eletrodos é mantida em um valor acima daquele para

12/25 sustentar a descarga elétrica.

De acordo com uma modalidade vantajosa, a câmara é aberta em suas duas extremidades, desse modo possibilitando que o processo de preparação de superfície seja incorporado em uma instalação de produção contínua. Nesse contexto, a câmara pode vantajosamente ser incorporada em uma linha de produção de aço.

De acordo com uma modalidade vantajosa, a instalação é incorporada em uma linha de produção que inclui uma instalação de deposição, a câmara sendo colocada a montante e/ou a jusante da instalação de deposição, o meio de suporte e/ou transporte de substrato compreendendo ao menos um rolo.

O plasma, vantajosamente, pode ser gerado em duas zonas separadas, uma em cada lado do substrato, de tal modo que a preparação de superfície é colocada em cada lado do substrato simultaneamente.

A potência da instalação preferivelmente é de pelo menos 100 kW, ou melhor, de pelo menos 200 kW. Preferivelmente, a potência da instalação é de pelo menos 500 kW. Na prática, a potência da instalação pode ser de mais do que 1 MW.

De acordo com uma modalidade vantajosa, a instalação compreende um indutor de mudança de fase. Esse indutor compreende uma bobina consistindo em um feixe de elementos condutores, isolados entre si, os quais são enrolados em um mandril; um núcleo de embolo magnético colocado dentro desse mandril e isolado desse mandril, dividido em várias seções por intermédio de insertos; um dispositivo de posicionamento conectado ao núcleo de êmbolo; uma conexão

13/25 de isolamento conectando o núcleo de êmbolo ao dispositivo de posicionamento; e um sistema de controle capaz de atuar

sobre o	dispositivo	de	posicionamento, de modo	a ajustar	a
posição	do	núcleo	de	êmbolo magnético em	relação	ao
mandril.
		BREVE	DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Outras	vantagens	e características da	invenção	se
tornarão	evidentes	a	partir da descrição detalhada,	a
seguir,	das	modalidades	específicas da invenção	; fazendo-	se

referência às figuras nas quais:

- A Figura 1 é uma vista lateral esquemática de uma instalação para preparação de superfície;

- A Figura 2 é um diagrama de circuito equivalente para a instalação da Figura 1 antes da formação de plasma;

- A Figura 3 é um diagrama de circuito equivalente para a instalação da Figura 1 após a geração de plasma;

- A Figura 4 é um diagrama de circuito equivalente para a instalação de acordo com a invenção;

- A Figura 5 é um oscilograma de voltagem/corrente em uma instalação convencional;

- A Figura 6 é um oscilograma de voltagem/corrente obtido graças ao processo da invenção;

- A Figura 7 é um diagrama de circuito equivalente mais detalhado do sistema de fornecimento de energia para a instalação da invenção;

- A Figura 8 é uma vista lateral esquemática de uma modalidade de uma instalação aberta em suas duas extremidades para preparação de superfície de substrato em dois lados de acordo com a invenção;

- A Figura 9 é uma vista lateral esquemática de uma

14/25 modalidade de uma instalação fechada em ambas as suas extremidades para preparação de superfície de substrato de dois lados de acordo com a invenção;

- A Figura 10 é uma vista lateral esquemática de uma modalidade de uma instalação no caso de um substrato de isolamento.

- A Figura 11 é uma vista lateral esquemática de uma bobina de indução para uma instalação de acordo com a invenção; e

- A Figura 12 é uma vista em seção transversal de um segmento do fio de enrolamento usado na bobina de indução mostrada na Figura 11.

As figuras não são necessariamente traçadas em escala.

Em geral, elementos similares são denotados por referências similares nas figuras, a numeração de alguns deles servindo para distinguir variantes do mesmo elemento.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES ESPECÍFICAS

A Figura 1 é uma vista esquemática da instalação de acordo com a invenção, a qual aqui é empregada para a produção contínua de vidro pelo processo de vidro float. Particularmente, a câmara de tratamento é colocada no forno de recozimento. A direção de movimento corresponde ao plano da folha no desenho. Durante seu movimento de deslocamento, a folha de vidro 2 entra em uma câmara 6 aberta em suas duas extremidades (entrada e saída). Moléculas 8 destinadas a produzir espécies reativas são introduzidas na câmara 6. Deve-se observar que a forma de introduzir essas moléculas (em contracorrente na Figura 1) é fornecida como exemplo, o que não exclui qualquer outra forma de introdução (perpendicular ao substrato, etc.).

15/25

Dois eletrodos 1, 10 se estendendo ao longo de um eixo perpendicular à direção de deslocamento da folha de vidro 2 são colocados na câmara 6. O formato do eletrodo ilustrado na Figura 1 é dado como exemplo. Qualquer outra geometria não é excluída.

Como uma alta voltagem de alta frequência é aplicada entre esses eletrodos 1, 10, um plasma 12 (mostrado esquematicamente por uma série de linhas paralelas) é gerado, desse modo gerando espécies ativas derivadas a partir das moléculas 8 introduzidas na câmara 6, tornando possível a preparação da superfície. A voltagem preferivelmente está entre 1 kV e 200 kV de pico a pico, mais preferivelmente entre 5 kV e 100 kV de pico a pico e ainda mais preferivelmente entre 10 kV e 4 0 kV de pico a pico. A frequência preferivelmente está entre 10 kHz e 1000 kHz, mais preferivelmente entre 20 kHz e 4 00 kHz e ainda mais preferivelmente entre 50 kHz e 200 kHz.

Para reduzir o risco de formar arcos elétricos diretamente entre os dois eletrodos, uma barreira dielétrica 14 pode ser colocada na câmara entre as posições dos dois eletrodos 1, 10. Como a câmara 6 é do tipo aberto, é necessário usar também meio de extração potente que remove os produtos de reação gerados pelo processo. Desnecessário dizer que o que foi descrito acima no forno de recozimento de uma produção contínua de vidro que aplica mutatis mutandis particularmente a uma produção contínua de aço. No caso de produção de vidro e de produção de aço, o eletrodo 1 também pode servir vantajosamente como meio de suporte/transporte de substrato. Além disso, no caso específico no qual o substrato é condutivo, como é o caso

16/25 em metalurgia, o próprio substrato pode atuar como um eletrodo.

O problema que geralmente surge nesse tipo de processo, sempre que se deseja levar o mesmo do estágio experimental para a produção industrial, é a baixa eficiência obtida com relação à energia consumida para gerar o plasma. Como consequência, essa eficiência deve ser aperfeiçoada de modo a tornar o processo não apenas energeticamente lucrativo com também permitir que o processo produza energia ativa suficiente para ser eficiente. Um estudo rigoroso de todos os fatores envolvendo energia, portanto, foi realizado, desse modo possibilitando reduzir, muito esquematicamente, a instalação em questão a dois diagramas em circuito equivalentes, conforme mostrado nas Figuras 2 e 3.

A Figura 2 é um diagrama de circuito equivalente, muito simplificado para a instalação antes da ignição, de uma alta voltagem sendo aplicada entre os eletrodos (1, 10). Instalar a descarga na câmara 206 essencialmente significa adicionar capacitâncias em paralelo e em série, isto é, C_p (capacitância parasítica em paralelo com uma resistência parasítica R_p) , C_d (capacitância do dielétrico e/ou do substrato) , C_g (capacitância do gás) .

A Figura 3 mostra o mesmo diagrama de circuito quando o plasma é gerado. Nesse momento, C_g é derivado por uma resistência R_g, que representam a resistência das duas zonas de plasma.

Na ausência de uma descarga (isto é, desde que a voltagem aplicada entre os eletrodos esteja abaixo da voltagem de ignição), o valor de R_g é extremamente elevado,

17/25 e a corrente total entregue pela fonte é na prática puramente capacitiva, a parte reativa sendo essencialmente dependente da perda dielétrica no isolador dos eletrodos e do substrato. Durante a descarga, a corrente útil I_gfluindo através do plasma sempre permanece baixa em comparação com seu componente capacitivo. O uso da fonte de voltagem, portanto, é limitado, a energia entregue sendo dissipada na produção de uma corrente reativa muito elevada, enquanto que apenas o componente ativo, entregando a energia watted (isto é, em fase) para a descarga (P_w = Rglg²) , é útil.

Para compensar a ausência de energia watted, considerou-se a colocação, em paralelo, com a instalação, de uma bobina de indução L atuando como reservatório de energia em paralelo com a instalação, possibilitando a geração de uma corrente em oposição de fase com a energia absorvida pela carga capacitiva. Isso permite recuperação quase completa da energia envolvida. Um diagrama de circuito equivalente conforme mostrado na Figura 4, portanto, é obtido.

Contudo, deve-se observar que esse tipo de compensação não é similar à compensação obtida, por exemplo, mediante colocação de uma bobina de indução em paralelo com uma linha de distribuição de corrente. Isso porque o que está envolvido aqui não é um componente capacitivo, fixo, como é o caso em uma rede de distribuição, mas uma carga eminentemente variável de acordo com a frequência (aqui, frequência de quilohertz) , a espessura do substrato e os reagentes introduzidos na câmara (os quais induzem variações nas propriedades elétricas e dielétricas do gás e

18/25 do plasma, etc.). Como uma consequência, é necessário empregar um tipo muito específico de bobina de indução, capaz não apenas de resistir às condições de carregamento geradas em uma instalação de energia elevada, em alta voltagem, evidentemente, mas também em elevada frequência, e tendo também a possibilidade de ser ajustada de forma relativamente precisa de acordo com as condições impostas durante cada tipo de preparação de superfície. Isso porque a carga resultante variará, particularmente de acordo com os diversos parâmetros de processo tais como, por exemplo, a natureza das espécies ativas geradas, a espessura do vidro, a lacuna entre o substrato e cada eletrodo. Essa lacuna está preferivelmente entre 0,5 mm e 100 mm, mais preferivelmente entre 1 mm e 20 mm e ainda mais preferivelmente entre 3 mm e 6 mm.

Diversos experimentos mostrando a possibilidade de empregar o processo da invenção de uma maneira prática, concreta, trouxeram à luz uma consequência vantajosa e inesperada desse processo.

A Figura 5 mostra que outro fenômeno é responsável em parte pela eficiência medíocre de uma instalação de deposição de película de plasma DBD: quando uma alta voltagem de HF é aplicada, para cada meio período, uma descarga pode ser sustentada apenas durante o período de tempo ti quando a voltagem aplicada esta acima de uma voltagem de ignição Vi. Esse intervalo de tempo está vinculado intimamente aos parâmetros descritos acima. Evidentemente, esse fenômeno é repetido a cada meio período. A eficiência do processo, portanto, é limitada pela relação de ti/comprimento de um meio período.

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De acordo com a lei de Fourier, se uma fonte fornece um dipolo não linear, a corrente resultante não será linear e terá uma forma complexa a qual pode ser decomposta em uma sobreposição de várias curvas, isto é, aquelas tendo uma frequência fundamental e uma soma de harmônicos.

No presente caso, descobriu-se que interpor uma bobina de indução no circuito faz surgir uma distorção da curva correspondendo ao fluxo de corrente através do plasma, conforme mostrado na Figura 6. Essa curva pode ser decomposta utilizando-se o princípio da série Fourier para um fundamental e uma série de harmônicos, as mais significantes das quais, devido às suas amplitudes, são os 3 ^o e 5 ^o harmônicos ímpares. Conforme pode ser visto na Figura 6, a curva correspondendo ao fluxo de corrente tem um tipo de platô durante um intervalo de tempo t₂ muito mais longo do que o intervalo ti observado na curva mostrada na Figura 5. A extensão desse intervalo pode ser otimizada mediante variação das características do circuito, e particularmente a frequência e a indutância do indutor L. Como uma consequência, na instalação da invenção, mediante interposição de uma bobina de indução ajustável de características adequadas, é possível obter, tudo o mais sendo igual, não apenas um aumento na energia ativa, mas também um tempo de descarga mais longo e, como consequência, uma eficiência de energia muito melhor.

A Figura 7 é um diagrama de circuito equivalente, mais completo do que aquele delineado na Figura 4, e demonstra melhor as características específicas da própria instalação, se for comparada com a técnica anterior. Com referência a esse diagrama de circuito, pode ser visto que

20/25 todos os ajustes (filtração, compensação, etc.) possibilitando ter uma curva de voltagem/corrente estabilizada e otimamente compensada (cos<p) são realizados essencialmente no primário 601 do transformador de fornecimento 602. Como uma consequência, o único meio de ajuste necessário para se obter o deslocamento de fase mostrado na Figura 6 no circuito secundário 604, desse transformador 602, é a bobina de indução variável 606, projetada especialmente para funcionar em voltagem muito elevada e colocada em paralelo com o gerador de plasma.

O fornecimento de energia, portanto, é controlado da seguinte maneira: um gerador aperiódico é usado consistindo em um inversor 608 (o qual converte a corrente de fornecimento de CD em corrente de CA) , um circuito de oscilação em paralelo e uma bobina de indução variável LV1 para ajustar a frequência de operação e prover a energia ativa correta. Colocado no circuito primário do transformador de energia muito elevada está um controlador de energia 610 e seus circuitos de segurança associados (P/S) 612.

Graças ao diagrama de circuito mostrado na Figura 7, é muito simples, posteriormente, ajustar a indutância da bobina de indução LV2 de tal modo que a carga formada por LV2, C_r e C_p permanece não linear de modo a promover os harmônicos de terceira ordem e de quinta ordem que possibilitam que o plasma estável seja sustentado por um tempo consideravelmente mais longo por meio período (vide Figuras 5 e 6).

As operações realizadas no primário 601 e η o secundário 604, respectivamente, do transformador, portanto

21/25 funcionam em contradição aparente: o objetivo é em primeiro lugar (no primário) o de aumentar costp da instalação (desse modo aumentando a sua eficiência aparente) e, além disso, no secundário, esse valor ótimo é degradado de modo a gerar harmônico, que desse modo aumenta paradoxalmente a eficiência da deposição de plasma.

Se for acrescentado que a bobina de indução de potência muito alta inserida no circuito secundário é elevada a uma voltagem muito alta, a instalação assim projetada compreende uma série de características que são paradoxais para aqueles versados na técnica.

A energia ativa é aumentada preferivelmente em pelo menos 10%, mais preferivelmente em pelo menos 25% e ainda mais preferivelmente em pelo menos 50%. O tempo de descarga é aumentado preferivelmente em pelo menos 15%, mais preferivelmente em pelo menos 3 0% e ainda mais preferivelmente em pelo menos 60%. Deve-se observar que, para determinar a indutância ótima da bobina de indução, é necessário considerar a indutância intrínseca do circuito de fornecimento de energia (o qual inclui um transformador), a indutância intrínseca não sendo necessariamente desprezível. Como o circuito de fornecimento de energia tem sua própria frequência ressonante, a indutância de L pode, sob certas condições, ser muito reduzida.

Entre as vantagens do processo conforme descrito podese fazer menção ao seguinte:

- devido ao aumento em eficiência de preparação de superfície, é possível reduzir a quantidade de moléculas usadas, desse modo gerando economias adicionais de custo;

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- um aumento na taxa de preparação de superfície, com o resultado de que o tempo de tratamento é reduzido, como uma consequência, é possível para os substratos se deslocando em velocidade superior serem tratados continuamente. Inversamente, a largura da câmara de tratamento pode ser reduzida, portanto, uma economia de espaço que não é insignificante.

melhor decomposição das moléculas ativadas é observada durante as reações ocorrendo dentro do plasma e, melhor eficiência da preparação de superfície. Como consequência, as superfícies podem ser preparadas sem ter que ter estágios de pré-tratamento.

Finalmente, também é possível, conforme mostrado na Figura 8, mediante uma escolha criteriosa das características, trabalhar simultaneamente em ambos os lados do substrato, uma vez que há a possibilidade, utilizando-se diversos recursos (separação física ou equipamento de extração adequadamente posicionado), de introduzir diferentes moléculas 8, 108 em qualquer lado do substrato nas duas zonas de plasma (12, 112). Além disso, a distância entre o substrato 1 a ser preparado e os dois eletrodos (10, 110) cobertos com dielétricos (14, 114) também pode ser ajustada de acordo com os critérios desejados de preparação. Desnecessário dizer que o diagrama de circuito equivalente para tal instalação é mais complexo e que é possível controlar as suas características apenas por intermédio da presença da característica de indutor ajustável da instalação de acordo com a invenção. Além disso, a presença de duas lacunas; atuando como capacitores em série; reduz a priori a corrente de descarga, em

23/25 consequência o benefício da presente invenção.

Desnecessário dizer que o que foi descrito acima para uma instalação de preparação de superfície contínua se aplica mutatis mutandis a uma instalação aberta relacionada aos substratos descontínuos, tais como, por exemplo, volumes pré-cortados de vidro. A Figura 9 mostra uma câmara fechada (106) projetada para preparação de superfície de substrato descontínua. Nesse caso, um ou dois dispositivos de fechamento (132) possibilitam trabalhar em pressão atmosférica ou trabalhar em pressões bem distantes da pressão atmosférica (tipicamente entre 10'¹ Pa e 110 kPa) (no caso da instalação mostrada na Figura 1, é necessário utilizar dispositivos de extração potentes para se afastar da pressão ambiente). No caso de um processo operando em pressão reduzida, é possível trabalhar com lacunas maiores ou com substratos (no caso de uma superfície isolante) de maior espessura. Tal instalação de preparação de superfície, por exemplo, pode ser incorporada em uma linha de deposição de película trabalhando em baixa pressão, do tipo pulverização catódica com magnéton, a preparação de superfície obviamente ocorrendo antes da fase de deposição.

As vantagens associadas com a geração de um plasma em ambos os lados de um substrato são numerosas. Na realidade, o número de aplicações técnicas para um substrato tratado em ambos os lados é sempre crescente.

A Figura 10 é uma variante da instalação mostrada na Figura 9. Se o substrato for isolante, sob as condições predominantes na câmara de preparação, o próprio substrato pode formar uma barreira dielétrica, proporcionando a possibilidade de não ter que usar uma barreira dielétrica

24/25 adicional. Assim é possível dispensar ao menos uma barreira dielétrica adicional (14, 114).

A Figura 11 é uma representação simplificada de uma modalidade da bobina de indução de compensação 20 para a instalação da invenção. Essa bobina de indução 20 é composta essencialmente de um enrolamento 22 enrolado em torno de um mandril 24. Como a voltagem através de seus terminais pode ser de 60 kV, a escolha do material usado para o mandril sustentando o enrolamento é muito importante. Vantajosamente, foi utilizado Acculon. Um núcleo de êmbolo 26, cuidadosamente isolado e mecanicamente conectado a um dispositivo de posicionamento 28 controlado por um sistema de controle, é colocado dentro desse mandril 24. Devido às condições específicas de operação que essa bobina de indução deve enfrentar em uso, foram adotadas várias inovações em sua construção prática. Assim, o enrolamento 22 é feito com um eixo de fios de cobre 3 0 (vide Figura 12) , que são isolados de modo a aumentar a seção transversal de fluxo para a corrente HF (considerando-se o efeito de revestimento) e também reduzir aquecimento. Assim, é possível dividir a corrente HF total por um fator de 50 mediante produção de um feixe condutor consistindo em 50 pernas mutuamente isoladas. O passe de enrolamento é fixado de modo que o risco de centelhamento entre as voltas seja o mais baixo possível. Um enrolamento feito de uma única dobra, portanto é preferível, embora tenha como consequência que o dispositivo em sua totalidade é grande. A posição do número magnético 26 e, portanto, a indutância da bobina de indução 20, é ajustada por controle remoto e de modo que essa operação pode ser realizada sem

25/25 perigo para o operador.

Deve ser óbvio para aqueles versados na técnica que a presente invenção não é limitada às modalidades exemplares ilustradas e descritas acima. A invenção compreende cada 5 uma das características novéis e suas combinações. A presença de números de referência não pode ser considerada como limitadora. 0 uso do termo compreende ou do termo inclui de forma alguma pode excluir a presença de outros elementos, diferentes daqueles mencionados. 0 uso do artigo 10 indefinido um ou uma para introduzir um elemento não exclui a presença de uma pluralidade desses elementos. A presente invenção foi descrita em relação às modalidades específicas, as quais são simplesmente ilustrativas e não devem ser consideradas como limitadoras.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para preparação de superfície de substratos inorgânicos, caracterizado por compreender as seguintes operações:

- um substrato é introduzido na ou é passado através da câmara de reação (6, 106) onde ao menos dois eletrodos (1, 10, 110) estão colocados; ao menos uma barreira dielétrica (14, 114) sendo colocada entre esses ao menos dois eletrodos (1, 10, 110);

- uma voltagem de alta frequência é gerada, a voltagem sendo tal que ela gera um plasma filamentoso (12, 112) entre os ao menos dois eletrodos (1, 10, 110);

- um indutor ajustável (L) colocado em paralelo com o indutor intrinsico da instalação gerando a voltagem elétrica é empregado de modo a reduzir o deslocamento de fase entre a voltagem e a corrente que é gerada;

moléculas (8, 108) de pelo menos um tipo são introduzidas na câmara de reação (6, 106), de tal modo que, mediante contato com o plasma, elas geram espécies ativas capazes de reagir com a superfície do substrato;

- a voltagem e/ou a frequência fornecida pelo circuito gerador e/ou a indutância do indutor ajustável (L) é/são adaptadas no início do processo ou durante o processo, de modo a se obter características ótimas de reação;

- o substrato (2) é mantido na câmara por um período de tempo suficiente para se obter a preparação de superfície desejada em ao menos um dos lados do substrato;

- a voltagem e/ou a frequência fornecida pelo circuito gerador e/ou a indutância do indutor (L) é/são adaptadas de modo a promover a produção de harmônico prolongando o tempo

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os harmônicos de terceira e quinta ordem são essencialmente promovidos.

2/5 durante o qual a voltagem permanece acima daquela para sustentar a descarga elétrica.

3/5 substratos (2) , a qual compreende: uma câmara (6, 106) ; meio de transporte e meio de suporte para o substrato na câmara; um fornecimento de energia de alta voltagem, de alta frequência, conectado a pelo menos dois eletrodos (1, 10, 110) , os eletrodos sendo colocados em cada lado do substrato (2); pelo menos uma barreira dielétrica (14, 114) colocada entre os pelo menos dois eletrodos (1, 10, 110) ; meio de regulação/controle de fornecimento de energia para introduzir na câmara (6, 106) moléculas (8, 108) adequadas para gerar, a partir de contato com um plasma filamentoso, espécies ativas capazes de reagir com a superfície do substrato; e meio para extrair substâncias residuais, caracterizada pelo fato de que um indutor ajustável (L) é colocada em paralelo com a indutância do circuito de fornecimento de energia, as características desse indutor ajustável (L) sendo tais que possibilitam a mudança de fase entre a voltagem gerada entre os eletrodos (1, 10, 110) e a corrente total fornecida pela fonte de alta voltagem.

3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de incluir ainda a seguinte operação: a posição e/ou a configuração de pelo menos um eletrodo (1, 10, 110) é/são variadas de modo a se obter características de reação ótimas.

4/5 com qualquer uma das reivindicações 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que a câmara (106) é fechada em suas duas extremidades.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de incluir ainda a seguinte operação: atmosfera na câmara (6, 106) é levada para uma pressão predeterminada.

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5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a câmara (6) é aberta e compreende uma zona de entrada e uma zona de saída para o substrato.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a câmara (106) é fechada em ambas as extremidades.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que o substrato (2) é isolante e ele próprio forma uma barreira dielétrica.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que o substrato (2) é condutor e ele próprio forma um eletrodo.

9. Instalação para preparação de superfície de

10. Instalação de preparação de superfície, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o meio para regular a fonte de energia e o meio para controlar a indutância (L) são acoplados de modo a permitir a geração de harmônico prolongando o tempo durante o qual a voltagem entre os eletrodos (1, 10, 110) é mantida em um valor acima daquele para sustentar a descarga elétrica.

11. Instalação de preparação de superfície, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que a câmara (6) é aberta em suas duas extremidades.

12. Instalação de preparação de superfície, de acordo

13. Instalação de preparação de superfície, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10 ou 11, caracterizada pelo fato de que a câmara (6) é incorporada em uma linha de produção de substrato contínua e/ou descontínua.

14, caracterizada pelo fato de que o meio de suporte e/ou transporte constitui um dos eletrodos (1).

14. Instalação de preparação de superfície, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10 ou 12, caracterizada pelo fato de que a câmara (106) é incorporada em uma linha de produção de substrato descontínua.

15, 16 ou 17, caracterizada pelo fato de que a potência da instalação é de pelo menos 100 kW.

15. Instalação de preparação de superfície, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10, 11, 12, 13 ou

16. Instalação de preparação de superfície, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10 ou 12, caracterizada pelo fato de que ela é incorporada em uma linha de deposição trabalhando em baixa pressão.

17. Instalação de preparação de superfície, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10, 11, 12, 13, 14 ou 16, caracterizada pelo fato de que o plasma é gerado em duas zonas separadas situadas em cada lado do substrato, de tal modo que a superfície é preparada em cada lado desse substrato simultaneamente.

18. Instalação de preparação de superfície, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10, 11, 12, 13, 14,

19. Instalação de preparação de superfície, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que a potência da instalação é de pelo menos 200 kW.

20. Instalação de preparação de superfície, de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que a potência da instalação é de pelo menos 500 kW.

21. Instalação de preparação de superfície, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 ou 20, caracterizada pelo fato de que o indutor compreende:

- uma bobina (22) consistindo em um feixe de elementos condutores (30), isolados entre si, os quais são enrolados em torno de um mandril (24);

- um núcleo de êmbolo magnético (26) colocado dentro desse mandril (24) e isolado desse mandril (24);

- um dispositivo de posicionamento (28) conectado ao núcleo de êmbolo (26);

- uma conexão isolante conectando o núcleo de êmbolo (26) ao dispositivo de posicionamento; e

- um sistema de controle capaz de atuar no dispositivo de posicionamento, de modo a ajustar a posição do núcleo de êmbolo magnético (26) em relação ao mandril (24) .