CZ310609B6 - Zařízení pro generování studeného proudícího elektrického plazmatu a způsob jeho napájení - Google Patents

Abstract

Zařízení (1) zahrnuje dva elektrodové systémy (2, 3), podlouhlý prostor (4) výboje vymezený mezi elektrodovými systémy (2, 3) a zakončený lineární štěrbinovou tryskou (5), vysokonapěťový zdroj (6) střídavého elektrického napětí připojený k elektrodovým systémům (2, 3), a přívod (7) prvního pracovního plynu zaústěný do podlouhlého prostoru (4) výboje. Každý z elektrodových systémů (2, 3) je uspořádán v jednom dielektrickém tělese (8, 9), přičemž povrchy dielektrických těles (8, 9) jsou navzájem koplanární a jsou od sebe ekvidistantně vzdáleny na šířku (s) v rozmezí od 0,1 do 2 mm. Každý z elektrodových systémů (2, 3) je tvořen páskovými elektrodami (10, 11) uspořádanými interdigitálně se střídáním kladných páskových elektrod (10) a záporných páskových elektrod (11). Vzdálenost (t) mezi sousední kladnou páskovou elektrodou (10) a zápornou páskovou elektrodou (11) je menší než 2 mm. Každý elektrodový systém (2, 3) je zahlouben v dielektrickém tělese (8, 9) ve vzdálenosti (h) menší než 5 mm od povrchu dielektrického tělesa (8, 9) vymezujícího podlouhlý prostor (4) výboje.

Description

Vynález se týká oblasti generování proudícího plazmatu, konkrétně zařízení pro generování studeného proudícího elektrického plazmatu a způsobu jeho napájení.

Dosavadní stav techniky

Chemicky a fýzikálně aktivní látky se hodně používají k průmyslovým povrchovým úpravám jako je hydrofilizace a aktivace úprav polymemích materiálů, čištění a aktivace skleněných povrchů, nanášení tenkých vrstev a jiné. Typické požadavky v těchto oblastech aplikací jsou tzv. studené plazma s teplotou nižší než 200 °C, vysokou chemickou aktivitou, vysokou homogenitou plazmatu a dlouhou životností zařízení. Problémem a požadavkem pro rovnoměrné velkoplošné povrchové úpravy je potřeba pohybu substrátu pro dosažení žádoucí homogenity úpravy, ekonomická náročnost a rychlost plazmové úpravy. Studené plazma se používá i k úpravě prášků a nanoprášků a výhodně i v kombinaci s katalyzátory se využívá i k úpravám plynů ve kterých je generováno jako fixace vzdušného dusíku CO2 i výrobě ozónu.

V praxi se ukázalo, že většina plazmových úprav velkoplošných polymemích povrchů, jako jsou filmy, fólie a tkaniny, je založena na generaci plazmatu s použitím tzv. dielektrických bariérových výbojů neboli DBD, které se často využívají i k úpravám plynů. Nejjednodušší a nej častěji používanou konfigurací je objemový DBD, kdy je výboj generován v plynem vyplněné mezeře mezi paralelními deskovými nebo koncentrickými válcovými elektrodami oddělenými dielektrickou bariérou, jak je popsáno i v dokumentu US 2014/0178604. Když se na elektrody přivede vysoké střídavé napětí, elektrické pole v mezeře kolmé k povrchu elektrod ionizuje plyn a vytváří chemicky aktivní studené DBD plazma. Trvale pracující objemové DBD obvykle pracují při relativně nízké průměrné hustotě výkonu plazmatu, často v rozmezí 0,05 až 0,3 W/cm³, přibližně odpovídající průměrné hustotě IxlO⁹ iontů/cm³. DBD se široce využívají i k úpravám plynů.

Hlavní nevýhodou použití tohoto typu výboje je nedostatečná rovnoměrnost povrchové úpravy pevných materiálů i plynů. Důvodem je skutečnost, že objemové DBD plazma se skládá z viditelné soustavy tenkých plazmových vláken kolmých k plazmatem upravovanému povrchu substrátu, a proto může dojít k jeho lokální nadměrné expozici nebo dokonce k tepelnému poškození protože tenká plazmová vlákna mají za následek i nežádoucí místní prohřátí plazmatu. Je známo, že difúzní plazma bez viditelných výbojových filamentů ve vzduchu a dusíku za atmosférického tlaku generuje vyšší hustotu excitovaných a chemicky reaktivních látek a nižší teplotě plazmatu při stejné spotřebě energie plazmatu. Taktéž je známo, že pro generování difúzního DBD plazmatu lze filamentaci objemového DBD plazmatu potlačit a v důsledku toho zvýšit difúznost plazmatu použitím rychlého proudění v řádu 1 až lOm/s pracovního plynu kolmo na směr plazmových lokalizovaných výbojů neboli filamentů. To však zvyšuje technickou složitost objemových DBD zařízení a snižuje hustotu generovaných chemicky aktivních částic interagujících s upravovaným povrchem a to jejich ředěním ve velkém objemu proudícího plynu a jejich vyfukováním ze zóny povrchové úpravy.

Jak je popsáno v článku T Somekawa et al 2005 J. Phys. D: Appl. Phys. 38 1910 pod pojmem difúzní plazma se i pro účely popisu tohoto vynálezu rozumí difúzní kvazi-homogenní plazma viditelné okem, ale viditelné jako nejasný vláknitý výboj když je zobrazené pomocí vysokorychlostní kamery. Difúzní plazma není v každém záběru rovnoměrné, ale jeho časově zprůměrované rozložení se stává vizuálně rovnoměrným. Tento druh difúzního plazmatu lze s

- 1 CZ 310609 B6 výhodou použít v mnoha aplikacích, pokud proces probíhá v časovém měřítku větším, než je perioda opakování výboje.

Na rozdíl od objemových DBDs je v povrchových DBDs složka elektrického pole ve směru povrchu elektrod větší než složka kolmá na povrch elektrod. Speciální typ povrchového dielektrického bariérového výboje neboli SDBD, který je také známý jako difuzní koplanámí povrchový dielektrický bariérový výboj neboli DCSBD, byl vyvinut ke generaci vizuálně difuznímu plazmatu o vysoké hustotě za atmosférického tlaku v okolním vzduchu a jiných plynech s výhodou bez nutné stabilizace plazmatu rychlým prouděním vzduchu. V porovnání s jinými typy DBD je unikátní vlastností DCSBD nárůst difuzního charakteru DCSBD plazmatu se zvyšováním výkonu přiváděného do výboje. Jak je popsáno v článku M. Simor, J. Ráhel’, P. Vojtek, M. Cemák, A. Brablec, Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 2716 tato unikátní vlastnost umožňuje generování vrstvy studeného difúzního plazmatu o tloušťce přibližně 0,3 mm s extrémně vysokou hustotou výkonu v řádu 10W/cm³ v bezprostřední blízkosti upravovaného povrchu v přímém kontaktu s upravovaným povrchem. Přímý kontakt DCSBD výboje s upravovaným povrchem umožňuje účinnou úpravu povrchu dopadem elektricky nabitých částic, energeticky vyzbuzených i chemicky aktivních atomů a molekul, i UV fotonů generovaných v plazmatu DCSBD výboje. V důsledku toho se předpokládá, že DCSBD poskytuje podstatné výhody ve spotřebě energie a době expozice ve srovnání s objemovými DBD „koronovými“ zařízeními generujícími filamentámí plazma. Plazmové zdroje DCSBD určené pro plazmovou aktivaci textilních materiálů popsané v dokumentu EP 1387901 komercializovala společnost ROPLASS s.r.o. pro plazmovou úpravu širokého rozsahu povrchů plochých materiálů.

Plazmové trysky byly vyvinuty především za účelem opracování obrobků se složitějším reliéfem povrchu nebo trojrozměrnou geometrií. Požívají se i za účelem úprav v nich proudících plynů, prášků a nanoprášků jak je popsáno v dokumentu US 8263178.

Pojem „plazmová tryska“ se používá pro zařízení používajících mnoho různých konfigurací a typů plazmatu, které mají společné to, že elektrický výboj v pracovním plynu generující plazma pracuje v neuzavřené, resp. v otevřené oblasti výboje a plazma je z této oblasti vyfukováno do okolí tryskou. Jak je popsáno v dokumentu US 2014/0162338, základními požadavky na plynový výboj generující plazma jsou vysoká stabilita, homogenita, absence filamentámích výbojů, laditelnost teploty a účinnost při generování excitovaných a chemicky aktivních částic. Současně, požadavkem zvláště důležitým pro aplikace povrchové aktivace a čištění je schopnost generovat plazma s vysokou hustotou výkonu plazmatu. Podle dokumentu US 2014/0178604 zvýšení hustoty výkonu plazmatu obecně zvyšuje hustotu ionizace plazmatu a vyšší hustota elektronů (počet elektronů v cm³) také obecně produkuje více chemických aktivních částic /cm³, což zvyšuje rychlost zpracování. Nevýhodou je, že zvýšení hustoty výkonu plazmatu vede k nežádoucí nehomogenitě plazmatu v důsledku jeho filamentarizace a souvisejícího zvýšení teploty plazmatu.

V typických plazmových tryskách je pracovní plyn s relativně velkým průtokem plynu a vysokou rychlostí proudění plynu přiváděn do oblastí výbojového prostoru generace plazmatu a vystupuje z trysky. Toto prostorové oddělení oblastí generování plazmatu a paprsku dohasínajícího plazmatu umožňuje značnou flexibilitu v konstrukci plazmových trysek pro změnu a řízení jak dynamiky plazmatu, tak reakční chemie. Jak je popsáno v článku F. Fanelli, F. Fracassi: Surface&Coatings Technology 322(2017)17 plazmové trysky lze k úpravě povrchů použít buď v přímém nebo nepřímém režimu, rozlišené podle kontaktu plazmatu s povrchem, který má být upraven plazmatem. V přímém režimu se samotný plazmový paprsek, který obsahuje elektricky nabité a nenabité částice, dotýká upravovaného povrchu a na tento povrch dopadá významný tok elektricky nabitých částic. Při nepřímé plazmové úpravě je využíván plazmový paprsek dohasínajícího výboje, ve kterém jsou hustoty nabitých částic mnohem nižší a některé částice přítomné v plazmatu jsou již deexcitované a rekombinovaly.

-2CZ 310609 B6

Plazmové trysky pracující při atmosférickém tlaku lze generovat v mnoha různých plynech a za použití různých metod excitace elektrického výboje, jak je popsáno v článku J Winter a kol. 2015 Plasma Sources Sci. Technol. 24 064001. Patří mezi ně stejnosměrný proud, střídavý proud neboli AC pracující s kilohertzovou nebo rádiovou frekvencí a trysky excitované mikrovlnami. V závislosti na elektrické excitaci výboje a konfiguraci plazmových trysek se charakteristiky generovaného plazmatu mohou výrazně lišit. Typicky stejnosměrný proud a nízkofrekvenční obloukové a mikrovlnné trysky vytvářejí husté plazma s vysokou teplotou a jsou vhodné pro úpravu tepelně odolných materiálů. Pro modifikaci teplotně citlivých materiálů je ale třeba řádově snížit teplotu jejich pracovního plynu na teplotu blízkou okolní teplotě. Nej častějším řešením je generování plazmatu pomocí objemových bariérových výbojů neboli VDBD uvnitř dielektrické cylindrické trubky vyrobené z izolačního materiálu o průměru menším než 1 cm. Tento cylindrický tvar umožňuje generovat proudem plynu stabilizované studené objemové DBD plazma a následně jej transportovat s minimálním aerodynamickým odporem ve tvaru jednorozměrného ID plazmového paprsku kruhového průřezu do samostatné oblasti dohasínajícího vyfukovaného výboje pro aplikace povrchové úpravy materiálů. Jiný typ DBD plazmového výboje cylindrického tvaru založeného na koplanámím povrchovém DBD je popsán v dokumentu US 2014/0162338.

Jak je popsáno v dokumentu US 11219118, omezujícím faktorem takové konstrukce plazmových trysek je velikost aktivní plochy materiálů modifikovaných ID plazmovým paprskem kruhového tvaru, která je typicky menší než 1 cm² s nerovnoměrným profilem úpravy, např. kontaktní úhel vody, nerovnoměrná tloušťka nanesené vrstvy atd., které vykazují profil Gaussovy funkce rozdělení koncentrace aktivních částic plazmatu. Technickým problémem je proto zabezpečit, aby kruhový průřez plazmových trysek s přibližně Gaussovým profilem hustoty aktivních částic vyfukovaného plazmatu ve výsledku vedl ideálně ke rovnoměrné 2D plazmové úpravě s využitím vhodného uspořádání několika plazových trysek s individuálním kruhovým tvarem. Zařízení sestavené z několika cylindrických objemových DBD plazmových trysek umístěných v těsné blízkosti u sebe popsané v dokumentu US 11032898, tzv. multijety, se často používají k ošetření větších ploch. Vzhledem k tomu, že multijety mají potenciál výrazně zvýšit rozsah povrchové úpravy ve srovnání s jedním plazmovým paprskem kruhového průřezu, důležitým úkolem je zajistit současné zapálení výbojů s požadovanými identickými vlastnostmi plazmatu ve všech kanálech. Navíc, jednotlivé plazmové trysky generované uspořádanými jednotlivými plazmovými tryskami nevytvářejí zcela homogenní pole plazmatu kvůli kolektivním jevům plazmatu popsaným v článku M. Ghaseni et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 052001. V důsledku toho, jak je popsáno v článku Kim a kol.: US 9067273, Corbella, C.; Portal, S.; Keidar, M. Plasma 2023, 6, 72-88 je velmi obtížné dosáhnout rovnoměrné plazmové pole a homogenních účinků povrchové úpravy pomocí multijetů. Kromě toho se výrobní náklady a složitost takových zařízení s plazmovými tryskami zvyšují s velikostí zamýšlené ošetřované oblasti. Rovněž, z ekonomických důvodů je ideálním plazmovým pracovním plynem často okolní vzduch. Použití vzduchu však výrazně komplikuje fyzikální mechanizmus výboje a chemii plazmatické úpravy materiálů a má za následek silnou filamentarizaci a zahřívání plazmatu a výslednou nerovnoměrnou povrchovou úpravu materiálu často spojenou s lokalizovaným tepelným poškozením.

Nový typ elektrody využívající pole miniaturních DBD výbojů válcové geometrie komercializovaných společností ROPUASS s.r.o. pod názvem multidutinový povrchový dielektrický bariérový výboj neboli MSDBD, je založený na elektrodovém systému s pokročilou keramickou bariérou na bázi oxidu hlinitého. Elektroda se skládá ze 105 průchozích otvorů, uspořádaných do mřížkového pole a rovnoměrně rozmístěných se vzájemnou vzdáleností 2,1 mm. Každý otvor má průměr 600 pm, ve kterém je vytvořen povrchový DBD, generující individuální mikrojet o průměru přibližně 1 mm. V důsledku toho je významnou nevýhodou tohoto technického řešení vysoká plošná nerovnoměrnost generovaného plazmatu. Nevýhodou je i vysoký aerodynamický odpor, který klade soustava mnoha úzkých průchozích otvoru proudícímu pracovnímu plynu.

- 3 CZ 310609 B6

Velmi omezenou plochu plazmové úpravy jednotlivými objemovými DBD plazmovými tryskami a vysoký aerodynamický odpor částečně řeší zařízení dle dokumentu v EP 3430864 a M. Bellmann a kol.: Plasma Process Polym. 2024;e20230022, které popisují tzv. zařízení pro přímé ošetření plazmatem s názvem DiscJet založeno na kombinaci konceptu koplanámího povrchového DBD a individuální velké kruhové plazmové trysky, přičemž je schopno najednou plazmatem modifikovat velkou kruhovou plochu o poloměru 10 cm. Zařízení je stabilní, bezpečné a má jednoduchou obsluhu. Nevýhodou je, že poskytuje ošetření s nerovnoměrným Gaussovým rozložením aktivních částic plazmatu.

Některé nevýhody objemových DBD plazmových multijetů lze překonat převedením plazmové trysky na základě objemového DBD, která poskytuje dohasínající elektrické plazma ve formě 2D vrstvy proudícího plazmatu planámího tvaru a přibližně obdélníkového průřezu z lineárního podlouhlého prostoru výboje plazmové trysky, jak je uvedeno v dokumentech US 2009/0152097, US 642409, US 11219118, US 9363881. Takové lineární plazmové trysky na báze objemového DBD v kombinaci se správným pohybem modifikovaného substrátu mohou poskytovat vysoce rovnoměrné povrchové plazmové úpravy. Nicméně, jak je pro řadu takových zařízení typické, K. Polášková a kol.: Plasma Sources Sci. Technol. 31 (2022) 125014 pozorovali, že v takové lineární trysce generujícím argonový „plazmový štěrbinový jet“ planámího tvaru o šířce 150 mm, je plazma vně trysky často filamentámí a nehomogenní v důsledku složitých mechanizmů v plazmatu.

Komerčně úspěšná lineární plazmová tryska pro nepřímé ošetření plazmatem postavená na objemovém DBD generující vizuálně rovnoměrný tzv. plazmový nůž nebo plazmovou záclonu planámího tvaru v dusíku je popsána v dokumentu US 5458856. Plazmový zdroj tohoto zařízení je sestaven ze dvou ekvidistantních elektrod ve tvaru válcových ploch s osou kolmou na směr proudění pracovního plynu které jsou potažené dielektrikem a mezi kterými je generován objemový DBD. Obě elektrody vymezují úzký podlouhlý prostor výboje mezi oběma válcovými plochami. Vnější elektroda má vstupní otvor pro přivádění plynného dusíku, který je v prostoru výboje excitován, a výstupní trysku ve formě lineárního podlouhlého prostom výboje, kterou může excitovaný plyn opustit oblast excitace ve tvam plazmového paprsku planámího tvaru. Takové plazmové trysky jsou dostupné v různých délkách od 60 do 400 mm. Další plazmové zdroje na báze objemového DBD genemjící plazmové paprsky planámího tvam pro přímé i nepřímé ošetření plazmatem jsou popsány v dokumentech US 6424091, US 2014/0178604, a US 2010/0147464.

Úkolem vynálezu je vytvoření zařízení pro generování studeného homogenního planámího proudícího elektrického plazmového paprsku při tlacích plynu blízkých atmosférickému s použitím levných plazmových pracovních plynů včetně okolního vzduchu bez nutného použití drahých vzácných plynů.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen pomocí zařízení pro generování studeného proudícího elektrického plazmatu, zahrnující dva elektrodové systémy, podlouhlý prostor výboje vymezený mezi elektrodovými systémy a zakončený lineární štěrbinovou tryskou, vysokonapěťový zdroj střídavého elektrického napětí připojený k elektrodovým systémům, a přívod prvního pracovního plynu zaústěný do podlouhlého prostom výboje. Podstata vynálezu spočívá v tom, že každý z elektrodových systémů je uspořádán v jednom dielektrickém tělese, přičemž povrchy dielektrických těles jsou navzájem koplanámí a vymezují podlouhlý prostor výboje s lineární štěrbinovou tryskou, přičemž jsou od sebe ekvidistantně vzdáleny na šířku podlouhlého prostom výboje v rozmezí od 0,1 do 2 mm. Každý z elektrodových systémů je tvořen páskovými elektrodami uspořádanými interdigitálně se střídáním kladných páskových elektrod a záporných páskových elektrod. Každý elektrodový systém zahrnuje alespoň 6 páskových elektrod, přičemž vzdálenost mezi sousední kladnou páskovou elektrodou a zápornou páskovou elektrodou je

-4CZ 310609 B6 menší než 2 mm a šířka každé páskové elektrody je od 0,5 do 4 mm. Každý elektrodový systém je zahlouben v dielektrickém tělese ve vzdálenosti menší než 5 mm od povrchu dielektrického tělesa vymezujícího podlouhlý prostor výboje. Takové uspořádání umožňuje generování homogenní planámí studené plazmové trysky při tlacích plynu blízkých atmosférickému s použitím levných plazmových pracovních plynů včetně okolního vzduchu bez nutného použití drahých vzácných plynů. Na ionizaci proudícího pracovního plynu je využíván speciální typ koplanámího povrchového bariérového výboje neboli CSDBD. Řešení podle vynálezu tímto kombinuje výhody DCSBD zdrojů plazmatu používaných na přímou úpravu povrchů plazmatem s výhodami zařízení generujících lineární plazmové paprsky za účelem nepřímé úpravy povrchů plazmatem. Požadované homogenní pokrytí větší plochy technicky užitečným difuzním plazmatem nad povrchem páskových elektrod je dosaženo tím, že šířka páskových elektrod je větší než vzdálenost mezi nimi. Minimální vzdálenost mezi páskovými elektrodami je dána dielektrickou pevností použitého dielektrika v dielektrickém tělese. Zařízení využívá difúzního charakteru a homogenity plazmatu generovaného DCSBD se zvyšujícím se narůstajícím výkonem plazmatu kvantifikovaného ve W/cm³. Maximální výkon plazmatu proto není limitován přechodem studeného plazmatu difúzního výboje do mnohem teplejšího filamentámího plazmatu jiskrového výboje, jak je tomu u jiných typu DBD, ale výhodně především pevností použitého dielektrika.

Z vysokonapěťového zdroje se napájí elektrodové systémy vysokofrekvenčním signálem vysokého napětí v rozsahu frekvence 50 Hz až 14 MHz, přičemž páskové elektrody v elektrodových systémech se napájí tak, že polarity příslušných sousedních páskových elektrod se střídají v každé fázi napěťové periody. Polarita sousedních páskových elektrod je opačná v každé fázi napěťové periody z principu fungování dielektrických bariérových výbojů, a to z důvodu přítomnosti dielektrika mezi elektrodami, kdy je nutné pro vygenerování elektrického výboje rozdíl potenciálů na elektrodách.

Pod pojmem „lineární plazmová tryska“ se pro účely popisu tohoto vynálezu rozumí zařízení generující plazma proudící z lineárního podlouhlého prostoru výboje přes lineární štěrbinovou trysku ve formě 2D lineárního paprsku tryskajícího plazmatu tvaru tzv. plazmové záclony (plasma curtain) nebo i tzv. plasmového nože kde je délka plazmové záclony ve směru rovnoběžným s podélnou osou lineární štěrbinové trysky podstatné větší než její tloušťka.

Pod pojmem „studené plazma“ se pro účely popisu tohoto vynálezu rozumí silně neizotermické nízkoteplotní plazma, které je charakterizováno neutrální teplotou plynu plazmatu nižší než 300 °C.

Pod pojmem „páskové elektrody“ se pro účely popisu tohoto vynálezu rozumí elektrody delší než 0,5 cm s průřezem libovolného tvaru s výhodou však pravoúhlého tvaru uložených paralelně, přičemž soustava páskových elektrod na stejném elektrickém potenciálu je uložena koplanámě ve stejné vzdálenosti od povrchu DCSBD elektrodového systému, na kterém je generováno plazma.

Pod pojmem „kladná pásková elektroda“ se pro účely popisu tohoto vynálezu rozumí pásková elektroda, která má v určitém okamžiku kladný náboj, zatímco pod pojmem „záporná pásková elektroda“ se pro účely popisu tohoto vynálezu rozumí pásková elektroda, která má ve stejném okamžiku záporný náboj a je sousedící s kladnou páskovou elektrodou, přičemž polarity kladné páskové elektrody a sousední záporné páskové elektrody se v každé fázi napěťové periody střídají.

Pod pojmem „elektrodový systém“ se pro účely popisu tohoto vynálezu rozumí alespoň tři dvojice páskových elektrod interdigitálně uložených v dielektrickém materiálu, přičemž mezi těmito dvojicemi páskových elektrod je připojené střídavé elektrické napětí.

- 5 CZ 310609 B6

Pod pojmem „podlouhlý prostor výboje“ se pro účely popisu tohoto vynálezu rozumí prostor, kde je generováno elektrické výbojové plazma, a který je vymezený dvěma paralelními rovinnými DCSBD elektrodovými systémy.

Ve výhodném provedení jsou páskové elektrody uspořádány podél podlouhlého prostoru výboje alespoň v části délky v oblasti od lineární štěrbinové trysky k přívodu prvního pracovního plynu. Takové uspořádání zabezpečuje rovnoměrnou generaci studeného proudícího elektrického plazmatu.

V dalším výhodném provedení jsou páskové elektrody uspořádané kolmo na podélnou osu podlouhlého prostoru výboje.

V dalším výhodném provedení jsou páskové elektrody uspořádané rovnoběžně s podélnou osou podlouhlého prostoru výboje.

Kolmé a rovnoběžné uspořádání páskových elektrod s podélnou osou podlouhlého prostoru výboje zabezpečuje požadovanou homogenitu dohasínajícího plazmatu podél celého výbojového prostoru a celé šířky plazmového pole.

V dalším výhodném provedení zahrnuje zařízení dále přívod prekurzoru nebo druhého pracovního plynu. Příměs prekurzoru umožňuje realizovat depozici tenkých vrstev jako výsledek ukládání produktů plazmové aktivace prekurzoru plazmatem.

V dalším výhodném provedení je přívod prekurzoru nebo druhého pracovního plynu, nebo prášků a nanoprášků, zaústěný do podlouhlého prostoru výboje. Takové uspořádání je výhodné pro jednoduchou manipulaci se zařízením, kdy je možné použít zařízení s obohacením o prekurzor, prášek nebo nanoprášek, či nikoliv, kdy je možné jednoduše odmontovat a nazpět namontovat přívod prekurzoru. Volba vhodného uspořádání přívodu prekurzoru je dána teplotou, rychlostí proudění a dalšími vlastnostmi pracovního plynu.

V dalším výhodném provedení je každé dielektrické těleso dále opatřeno alespoň jedním chladičem uspořádaným na odvráceném povrchu od povrchu vymezujícího podlouhlý prostor výboje s lineární štěrbinovou tryskou. Chladiče ochlazují elektrodové systémy pro správný a bezpečný provoz zařízení za generování studeného lineárního plazmatického výboje.

Výhody zařízení pro generování studeného proudícího elektrického plazmatu podle tohoto vynálezu spočívají zejména vtom, že je použito při tlacích plynu blízkých atmosférickému s použitím levných plazmových pracovních plynů včetně okolního vzduchu bez nutného použití drahých vzácných plynů.

Výhodou zařízení pro generování studeného proudícího elektrického plazmatu spočívá ve vysoké hustotě výkonu a homogenitě plazmatu vyfukovaného v podobě lineárního difuzního paprsku generovaného zařízením dle popisu výše jak je zobrazeno také na obr. 1. Při vzdálenosti mezi dvěma rovnoběžnými DCSBD elektrodovými systémy menší než 2 mm, taková vzdálenost způsobuje synergické zvýšení celkového výkonu DCSBD plazmatu na povrchu obou paralelně blízko uložených DCSBD elektrodových systémů, čímž dochází i k synergickému zvýšení ionizace plazmatu. Takový synergický jev ionizace plazmatu připomíná tzv. synergický účinek tvaru duté katody, který je popsaný v dokumentech R. R, Arslanbekov Plasma Sources Sci. Technol. 7 (1998) 310-322, US 8,502,10, C. Uazzaroni and P. Chabert“ J. Phys. D: Appl. Phys. 44, 445202. Tento jev známý odborníkům v oblasti fýziky plazmatu vede ke zvýšení proudu výboje a ionizace v důsledku oscilačního pohybu ionizujících elektronů v prostoru mezi katodou a tzv. antikatodou. Jak je popsáno v článku Muhl, A. Pérez: Thin Solid Films 579 (2015) 174-198 efekt duté katody se může projevit i při rovinné lineární geometrii katody a antikatody. Kromě toho ionizace může být při malých vzdálenostech mezi DCSBD elektrodovými systémy významně zvýšena i zvýšením sekundární fotoemise elektronů z povrchu DCSBD elektrodových

-6CZ 310609 B6 systému v důsledku jejich vzájemného ozařováni UV fotony. Jak bylo pozorováno původci vynálezu neočekávané synergické zvýšení výkonu plazmatu i ionizace významně nezávisí na vzájemné orientaci koplanámích páskových elektrod obou systému ani na jejich orientaci vzhledem k proudění pracovního plynu.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 zobrazuje schematický řez zařízením v rovině kolmé na lineární štěrbinovou trysku, s koplanámími páskovými elektrodami orientovanými kolmo na štěrbinovou trysku a směr proudění pracovního plynu, obr. 2 zobrazuje schematický řez zařízením podle obr. 1 ve ploše rovnoběžné se směrem proudění pracovního plynu, obr. 3 zobrazuje schematický řez zařízením ve ploše kolmé na směr proudění pracovního plynu, s koplanámími páskovými elektrodami orientovanými kolmo na směr proudění pracovního plynu, obr. 4 zobrazuje schematický řez zařízením ve ploše rovnoběžné se směrem proudění pracovního plynu, s koplanámími páskovými elektrodami orientovanými rovnoběžně se směrem proudění pracovního plynu, obr. 5 zobrazuje schematický řez zařízením s přívodem střídavého proudu a koplanámími páskovými elektrodami orientovanými kolmo na směr proudění pracovního plynu, obr. 6 zobrazuje schematický řez zařízením s elektrodami pro generování plazmatu pracujících na principu povrchového koplanámího výboje, opatřenými chladiči, obr. 7 zobrazuje perspektivní pohled na zařízení při povrchové úpravě 3D povrchu, obr. 8 zobrazuje schematický řez rozloženým zařízením podle obr. 7, obr. 9 zobrazuje řez zařízením s přívodem prekurzoru vyvedeným za lineární štěrbinovou tryskou, obr. 10 zobrazuje řez zařízením s přívodem prekurzom vedeným na vstupu podlouhlého prostoru výboje.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Zařízení 1 pro generování studeného proudícího elektrického plazmatu podle tohoto vynálezu je zobrazeno na obr. 1 až 10. Zařízení 1 zahrnuje dva elektrodové systémy 2, 3, které vymezují podlouhlý prostor 4 výboje. Na podlouhlý prostor 4 výboje je z jedné strany zaveden přívod 7 prvního pracovního plynu, a z dmhé strany je zakončený lineární štěrbinovou tryskou 5. Elektrodové systémy 2, 3 jsou napojeny na vysokonapěťový zdroj 6 střídavého elektrického napětí.

Každý z elektrodových systémů 2, 3 je uspořádán v dielektrickém tělesu 8, 9 s ekvidistantní vzdáleností vymezující podlouhlý prostor 4 výboje se šířkou s 1,0 mm. V jiném nezobrazeném

-7 CZ 310609 B6 příkladu uskutečnění je šířka s v rozmezí od 0,1 do 2,0 mm. Elektrodové systémy 2, 3 jsou v dielektrickém tělesu 8, 9 zahloubené od povrchu dielektrického tělesa 8, 9, který vymezuje podlouhlý prostor 4 výboje ve vzdálenosti h rovné 3,0 mm. V jiném nezobrazeném příkladu uskutečnění jsou elektrodové systémy 2, 3 zahloubené od povrchu dielektrického tělesa 8, 9 ve vzdálenosti h menší než 5 mm. Každý z elektrodových systémů 2, 3 je tvořen 6 páskovými elektrodami 10. 11. které jsou uspořádané interdigitálně se střídáním kladných páskových elektrod 10 a záporných páskových elektrod 11. V jiném nezobrazeném příkladu uskutečnění každý z elektrodových systému 2, 3 je tvořen více než 6 páskovými elektrodami 10. 11. Elektrodové systémy 2, 3 jsou napájené z vysokonapěťového zdroje 6 uloženého na straně odvrácené od lineární štěrbinové trysky 5. Elektrodové systémy 2, 3 jsou napájené vysokofrekvenčním signálem vysokého napětí o frekvenci 20 kHz, přičemž při napájení jsou polarity příslušných sousedních páskových elektrod 10. 11 opačné v každé fázi napěťové periody. V jiném nezobrazeném příkladu uskutečnění jsou elektrodové systémy 2, 3 napájené vysokofrekvenčním signálem vysokého napětí o frekvenci v rozmezí od 50 Hz do 14 MHz.

Páskové elektrody 10. 11 jsou uspořádané od lineární štěrbinové trysky 5 směrem k přívodu 7 čímž se zaručuje homogenita generovaného studeného proudícího elektrického plazmatu. Jak je patrné z obr. 1 až 5, páskové elektrody 10. 11 nejsou uspořádané podél celé délky podlouhlého prostoru 4 výboje, přičemž v dle obr. 2, 3 a 5 jsou páskové elektrody 10. 11 uspořádané kolmo na podlouhlý prostor 4 výboje a dle obr. 4 jsou páskové elektrody 10. 11 uspořádané rovnoběžně s podlouhlým prostorem 4 výboje. Vzdálenost t mezi sousední kladnou páskovou elektrodou 10 a zápornou páskovou elektrodou 11 je 0,5 mm. V jiném nezobrazeném příkladu uskutečnění je vzdálenost t mezi sousední kladnou páskovou elektrodou 10 a zápornou páskovou elektrodou 11 menší než 2 mm. Šířka z každé páskové elektrody 10. 11 je 4 mm. V jiném nezobrazeném příkladu uskutečnění je šířka z každé páskové elektrody 10. 11 v rozmezí od 0,5 do 4 mm.

Zařízení 1 podle tohoto příkladu uskutečnění zobrazené na obr. 1 až 10 je opatřené chladiči 13. 14. Chladičem 13. 14 je tepelný výměník, přičemž každý chladič 13. 14 je na dielektrickém tělesu 8, 9 na straně odvrácené od strany vymezující podlouhlý prostor 4 výboje. Takové chladiče 13. 14 slouží k chlazení zařízení J_ pro generování studeného proudícího elektrického plazmatu.

Příklad 2

Zařízení J_ podle příkladu 1 zobrazeno na obr. 9 zahrnuje také přívod 12 prekurzoru nebo druhého pracovního plynu, kterého výstup je napojený na lineární štěrbinovou trysku 5, přičemž neprochází podlouhlým prostorem 4 výboje, ale mimo zařízení E

Příklad 3

Zařízení J_ podle příkladu 1 zobrazeno na obr. 10 zahrnuje také přívod 12 prekurzoru nebo druhého pracovního plynu, nebo prášku dispergovaného v proudu pracovního plynu napojený na vstup podlouhlého prostoru 4 výboje a procházející podlouhlým prostorem 4 výboje až k ústí do lineární štěrbinové trysky 5.

Příklad 4

Plazma generované zařízením 1 podle příkladu 1 bylo použito pro povrchovou úpravu skla na vzorku konvexně zakřivené skleněné čočky. Plazmová úprava povrchu čočky byla realizována v uzavřeném boxu naplněném čistým dusíkem, vevnitř kterého se nacházel manipulační stolík zabezpečující posun vzorku přes oblast generovaného plazmatu. Stolík se během plazmové úpravy pohyboval rychlostí 10 mm/s a byl nastavený do také vzdálenosti, aby se nejbližší bod čočky nacházel ve vzdálenosti 5 cm od ústí lineární štěrbinové trysky 5 zařízení 1 pro generování plazmatu. Uvedená rychlost posunu vzorky odpovídá času úpravy každého bodu vzorku po dobu 5 s. Zařízení 1 podle příkladu 1 pracující při příkonu 2x20 W generovalo elektrické plazma v pracovním plynu dusík přivedeného z přívodu 7 o čistotě 99.996 % a průtoku 15 1/min. Plazmová

-8CZ 310609 B6 úprava povrchu čočky vedla ke změně naměřeného kontaktního úhlu destilované vody z původní hodnoty 38° na hodnotu 14°. Během experimentu byla kontrolovaná teplota vyfukovaného ionizovaného plynu ze zařízení 1 aj teplota podložky přímo pod lineární štěrbinovou tryskou 5. Teplota plynu ve vzdálenosti 10 mm od konce trysky byla 55 °C a teplota podložky nevystoupala nad hodnotu 28 °C.

Příklad 5

Plazma generované zařízením 1 podle příkladu 1 bylo použito pro povrchovou úpravu vnitřních stěn drážek širokých 6 mm o hloubce 15 mm dílu z polymethylmethakrylátu neboli PMMA. Plazmová úprava lineární štěrbinovou tryskou 5 zařízení 1 pohybující se lineární rychlostí 6mm/s ve vzdálenosti 15 mm od hrany drážky vedla ke zlepšení hydrofilních vlastností plazmatem modifikovaného povrchu, konkrétně ke změně kontaktního úhlu destilované vody na 65° z původní hodnoty 105° měření na povrchu bez plazmové úpravy. Zařízení 1 pracující při příkonu 2x30 W a průtoku pracovního plynu 30 1/min generovalo plazma v obyčejném vzduchu přímo do volné atmosféry.

Příklad 6

Zařízení 1 podle příkladu 1 bylo připevněno ke konci programovatelného robotického ramena za účelem povrchové modifikace vzorku z polykarbonátu neboli PC plazmatem generovaným ve volné atmosféře s použitím pracovního plynu dusík technické čistoty. Nepohyblivý vzorek polykarbonátu položen na stojanu byla modifikován vyfukovaným plazmatem generovaným při příkonu 2x30 W při průtoku dusíku 30 1/min. Robotické rameno pohybovalo zařízením 1 pro generování vyfukovaného plazmatu konstantní rychlostí 10 mm/s tak aby lineární štěrbinová tryska 5 zařízení 1 byla ve vzdálenosti 5 mm během celé plazmové úpravy od povrchu vzorky. Po plazmové úpravě bol pozorovaný nárůst volné povrchové energie na povrchu vzorky na hodnotu 65 mJ/m² z původní hodnoty 43 mJ/m², přičemž 95 % změny připadalo na změnu polární složky povrchové energie. Změna povrchové energie byla ověřena aj měřením povrchové adheze peel tape testem, přičemž byl pozorován 16 % nárůst adhezní síly.

Příklad 7

Zařízení 1 podle příkladu 1 bylo použito pro depozici tenké vrstvy na bázi polyethylenglykolu neboli PEG pro zlepšení navázání léčiv na povrchu PP netkaných textilií. Zařízení 1 bylo umístěno ve uzavřené depoziční komoře vyplněné dusíkem. Zařízení 1 pracovalo při příkonu 2x20 W s pracovním plynem dusíkem s průtokem 5 1/min. Jako nosní plyn monomeru Tetraglyme byl použít dusík o průtoku 0,5 1/min. Vzorek PP netkané textilie byl uložen na pohybující se stolík pod lineární štěrbinovou trysku 5 zařízení 1 a pohyboval se lineární rychlostí odpovídající depozičnímu času 120 s.

Příklad 8

Zařízení 1 připravené podle příkladu 1, také nazývané DCSBD lineární jet bylo použito pro úpravu semínek hrachu plazmatem generovaným v dusíku. Semínka hrachu volně uložené v jedné vrstvě ve skleněné misce byly modifikovány plazmatem ze vzdálenosti 5 mm. Bylo pozorováno, že úpravou semínek plazmatem generovaným DCSBD lineárním jetem, pracujícím při příkonu 60 W a průtoku 10 až 30 1/min, se výrazně změnila smáčivost povrchu semínek. Měřením kontaktního úhlu destilované vody bylo zjištěno že původní hodnota 111° plazmatem neošetřených semínek se snížila na 41°, 38° a 33° po úpravě plazmatem v délce 15 s, 30 s a 60 s. Současně byla pozorována o 10 % větší nasákavost vody a o 20 % lepší klíčivost plazmatem modifikovaných semínek v porovnání s hrachem bez plazmové úpravy.

-9CZ 310609 B6

Příklad 9

Zařízení 1 připravené podle příkladu 1 bylo použito na fixací atomů dusíku vzniklých plazma chemickou disociací molekul dusíku. Za tímto účelem byl do zařízení 1 při příkonu 60 W a průtoku 10 až 30 1/min přiváděn vlhký vzduch s obsahem 5,5 rel.% H2O. Fixace dusíku byla měřena s pomocí plynové FTIR spektroskopie ve vzdálenosti 5 cm od výstupní lineární štěrbinové trysky 5. Jako hlavní produkt plazmochemické fixace dusíku byli určeny HNO3 v koncentraci 800 ppm, NO v koncentraci 500 ppm a NO2 v koncentraci 50 ppm.

Příklad 10

Zařízení 1 podle příkladu 9 bylo osazeno nástavcem který umožnil zachytávat produkty plazmochemické fixace dusíku do vody pro účely dalšího použití. Technické řešení nástavce umožňovalo přivádění kontinuálního proudu vodního filmu do blízkosti dohasínajícího vyfukovaného plazmatu.

Příklad 11

Plazmová tryska sestávající z 4 ks zařízení 1 připravených podle příkladu 1, přičemž šířka plazmové štěrbiny každého zařízení 1 je 5 cm byly uspořádané tak, aby byly použité pro homogenní povrchové ošetření skla o celkové šířce 20 cm. Tabule skla tloušťky 3 mm se pohybovala automaticky pásovým dopravníkem rychlostí 3 cm/s. Ošetření skla vedlo k zlepšení smáčivosti povrchu skla měřeného kontaktním úhlem kapek destilované vody. Měřením byl zjištěn pokles průměrné hodnoty kontaktního úhlu na hodnotu 12°+/-2° z počáteční hodnoty 27°+/-5°. Uniformita povrchového ošetření byla prokázána mapováním kapek po celé ploše ošetřené tabule skla.

Příklad 12

Dvě zařízení 1 připravené podle příkladu 1 byly uspořádané za sebou pro použití pro povrchové ošetření povrchu z polykarbonátu tak, že první zařízení 1 pracovalo s pracovním plynem vzduch a druhé zařízení 1 pracovalo s pracovním plynem dusík obohaceném o vodní páry. Kombinací takové úpravy ve dvou krocích vedlo k požadovanému očištění povrchu polykarbonátu a následné změně smáčivosti. Ošetření povrchu vzorku bylo realizováno pohybem plazmové trysky ponad vzorek s odpovídající dobou ošetření 3 s. Čištění povrchu polykarbonátu bylo prokázáno měřením povrchové koncentrace prvků metodou SEM EDX, konkrétně přes pokles adsorbované kontaminace uhlíku o 12 at.%. Zlepšení smáčivosti bylo měřeno analýzou kontaktního úhlu vody a byla prokázána změna z referenční hodnoty 84° na hodnotu 41° po ošetření prvním zařízením 1 a na hodnotu 32° po následném ošetřením aj druhým zařízením 1.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro generování studeného lineárního plazmového výboje podle tohoto vynálezu lze s výhodou využít zejména pro úpravu zakřivených, strukturovaných 3D povrchů včetně ošetření povrchů živých tkání a povrchů práškových materiálů, při výrobě polymemích a kompozitních komponentů pro automobilový a letecký průmysl, i průmyslových úpravách plynů včetně aplikací v medicíně.

Claims (8)

1. Zařízení (1) pro generování studeného proudícího elektrického plazmatu, zahrnující dva elektrodové systémy (2, 3), podlouhlý prostor (4) výboje vymezený mezi elektrodovými systémy (2, 3) a zakončený lineární štěrbinovou tryskou (5), vysokonapěťový zdroj (6) střídavého elektrického napětí připojený k elektrodovým systémům (2, 3), a přívod (7) prvního pracovního plynu zaústěný do podlouhlého prostoru (4) výboje, vyznačující se tím, že každý z elektrodových systémů (2, 3) je uspořádán v jednom dielektrickém tělese (8, 9), přičemž povrchy dielektrických těles (8, 9) jsou navzájem koplanámí a vymezují podlouhlý prostor (4) výboje s lineární štěrbinovou tryskou (5), přičemž jsou od sebe ekvidistantně vzdáleny na šířku (s) podlouhlého prostoru (4) výboje v rozmezí od 0,1 do 2 mm, že každý z elektrodových systémů (2, 3) je tvořen páskovými elektrodami (10, 11) uspořádanými interdigitálně se střídáním kladných páskových elektrod (10) a záporných páskových elektrod (11), přičemž každý elektrodový systém (2, 3) zahrnuje alespoň šest páskových elektrod (10, 11), přičemž vzdálenost (t) mezi sousední kladnou páskovou elektrodou (10) a zápornou páskovou elektrodou (11) je menší než 2 mm a šířka (z) každé páskové elektrody (10, 11) je v rozmezí od 0,5 do 4 mm, a že každý elektrodový systém (2, 3) je zahlouben v dielektrickém tělese (8, 9) ve vzdálenosti (h) menší než 5 mm od povrchu dielektrického tělesa (8, 9) vymezujícího podlouhlý prostor (4) výboje.

2. Zařízení (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že páskové elektrody (10, 11) jsou uspořádány podél podlouhlého prostoru (4) výboje alespoň v části jeho délky.

3. Zařízení (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že páskové elektrody (10, 11) jsou uspořádané kolmo na podélnou osu podlouhlého prostoru (4) výboje.

4. Zařízení (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že páskové elektrody (10, 11) jsou uspořádané rovnoběžně s podélnou osou podlouhlého prostoru (4) výboje.

5. Zařízení (1) podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že dále zahrnuje přívod (12) prekurzoru nebo druhého pracovního plynu, nebo prášku dispergovaného v proudu pracovního plynu.

6. Zařízení (1) podle nároku 5, vyznačující se tím, že přívod (12) prekurzoru nebo druhého pracovního plynu, nebo prášku dispergovaného v proudu pracovního plynu je zaústěný do podlouhlého prostoru (4) výboje.

7. Zařízení (1) podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že každé dielektrické těleso (8, 9) je dále opatřeno alespoň jedním chladičem (13, 14) uspořádaným na odvráceném povrchu od povrchu podlouhlého prostoru (4) výboje s lineární štěrbinovou tryskou (5).

8. Způsob napájení elektrodových systémů (2, 3) zařízení (1) podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že zvysokonapěťového zdroje (6) se napájí elektrodové systémy (2, 3) vysokofrekvenčním signálem vysokého napětí v rozsahu frekvence 50 Hz až 14 MHz, přičemž páskové elektrody (10, 11) v elektrodových systémech (2, 3) se napájí tak, že polarity příslušných sousedních páskových elektrod (10, 11) se střídají v každé fázi napěťové periody.