ES2336329T3 - Conjunto de electrodos que genera plasma. - Google Patents

Abstract

Un conjunto (1) generador de descarga luminiscente y/o de descarga de barrera dieléctrica de plasma que comprende al menos un par de electrodos (2) separados de manera substancialmente equidistante, estando la separación entre los electrodos adaptada para formar una zona de plasma (8) cuando se introduce un gas de proceso y se permite el paso, cuando se requiere, de un precursor o precursores gaseosos, líquidos y/o sólidos, en el que al menos uno de los electrodos (2) comprende una carcasa (20) que tiene una pared interior (5) y exterior (6), en el que la pared interior (5, 6) está formada de un material dieléctrico no poroso, y cuya carcasa (20) retiene al menos un material eléctricamente conductor substancialmente no metálico caracterizado porque se proporcionan medios para variar el tamaño funcional de cada electrodo mediante la introducción y la eliminación del citado material eléctricamente conductor no metálico.

Description

Conjunto de electrodos que genera plasma.

La presente invención se refiere a un conjunto generador de plasma que comprende al menos un par de electrodos separados, al menos uno de los cuales es substancialmente no metálico.

Cuando a la materia se le suministra energía de manera continua, su temperatura aumenta y típicamente se transforma de un sólido en un líquido y, a continuación, en un estado gaseoso. Continuar suministrando energía hace que el sistema sufra otro cambio de estado en el cual los átomos o moléculas de gas neutros se rompen debido a colisiones energéticas para producir electrones cargados negativamente, iones cargados positiva o negativamente y otras especies. Esta mezcla de partículas cargadas que exhibe un comportamiento colectivo se llama "plasma". Debido a su carga eléctrica, los plasmas están altamente influenciados por campos electromagnéticos externos que los hacen fácilmente controlables. Además, su alto contenido en energía les permite conseguir procesos que son imposibles o difíciles mediante otros estados de la materia, tales como tratamiento mediante líquido o gas.

El término "plasma" cubre una enorme variedad de sistemas cuya densidad y temperatura varían en muchos órdenes de magnitud. Algunos plasmas están muy calientes y sus especies microscópicas (iones, electrones, etc.) están aproximadamente en equilibrio térmico, estando la introducción de energía al sistema ampliamente distribuida mediante colisiones a nivel atómico/molecular. Otros plasmas, no obstante, en particular los de baja presión (por ejemplo 100 Pa) en los que las colisiones son relativamente infrecuentes, tienen sus especies constitutivas a muy diferentes temperaturas y se llaman plasma en "desequilibrio térmico". En estos plasmas no térmicos, los electrones libres están muy calientes con temperaturas de muchos miles de grados Kelvin mientras que las especies neutras e iónicas permanecen frías. Debido a que los electrones libres tiene una masa casi despreciable, el contenido total de calor del sistema es bajo y el plasma opera cerca de la temperatura ambiente permitiendo así el tratamiento de materiales sensibles a la temperatura, tales como plásticos o polímeros, sin imponer una carga térmica peligrosa a la muestra. No obstante, los electrones calientes crean, mediante colisiones de alta energía, una rica fuente de radicales y especies excitadas con una elevada energía potencial química capaz de una profunda reactividad química y física. Es esta combinación de operación a baja temperatura junto con una alta reactividad la que hace a los plasmas no térmicos tecnológicamente importantes y una herramienta muy potente para la fabricación y tratamiento de materiales, capaz de alcanzar procesos que, sien-
do en absoluto alcanzables sin plasma, requerirían muy altas temperaturas o sustancias químicas peligrosas y agresivas.

Para aplicaciones industriales de la tecnología de plasma, un método conveniente es acoplar potencia electromagnética en un volumen de gas de proceso que puede ser mezclas de gases y vapores en los cuales las piezas/muestras de trabajo que se van a tratar son sumergidas o a través de las cuales se las hace pasar. Esto se logra haciendo pasar un gas de proceso (por ejemplo helio) a través de un hueco entre electrodos adyacentes a través de los cuales debe aplicarse una gran diferencia de potencial. Se forma un plasma en el hueco (llamado de aquí en adelante zona de plasma) mediante la excitación de los átomos y moléculas gaseosos provocados por los efectos de la diferencia de potencial entre los electrodos. El gas resulta ionizado en el plasma generando radicales químicos, radiación UV, partículas neutras excitadas e iones que reaccionan con la superficie de las muestras. La luminiscencia generalmente asociada con la generación de plasma se provoca porque las especies excitadas emiten luz cuando vuelven a un estado menos excitado. Mediante una correcta selección de la composición del gas de proceso, la frecuencia de la potencia de activación, el modo de acoplamiento de potencia, los parámetros de presión y otros parámetros de control, el proceso del plasma puede ser diseñado a la medida de la aplicación específica requerida por el fabricante.

Debido a la enorme variedad química y térmica de los plasmas, son adecuados para muchas aplicaciones tecnológicas, que aumentan continuamente. Los plasmas de desequilibrio térmico son particularmente efectivos para la activación superficial, la limpieza de superficies, el grabado de materiales y el recubrimiento de superficies.

La activación superficial de materiales poliméricos es una tecnología de plasma industrial ampliamente utilizada, liderada por la industria de la automoción. Así, por ejemplo, las poliolefinas, tales como el polietileno y el polipropileno, que están favorecidas por sus utilidades para el reciclaje, tienen una superficie no polar y por consiguiente una pobre disposición al recubrimiento o a la adhesión. No obstante, el tratamiento mediante plasma de oxígeno resulta en la formación de grupos polares superficiales que proporcionan una alta humectabilidad, y en consecuencia, una excelente cubrición y adhesión a metales, pinturas, adhesivos y otros recubrimientos. Así, por ejemplo, la ingeniería superficial del plasma es esencial para la fabricación de tableros de vehículos, salpicaderos, parachoques etc. y para el ensamblaje de componentes en las industrias de juguetes, etc. Están disponibles muchas otras aplicaciones en la impresión, pintura, adhesión, laminación y recubrimiento general de componentes de todas las geometrías de polímeros, plásticos, materiales cerámicos/inorgánicos, metal y otros materiales.

La creciente generalización y fuerza de la legislación ambiental en todo el mundo está creando una presión substancial en la industria para reducir o eliminar el uso de disolventes y otras substancias químicas húmedas en la fabricación, particularmente para la limpieza de componentes/superficie. En particular, las operaciones de desengrasado basadas en CFCs han sido ampliamente reemplazadas por la tecnología de limpieza de plasma que opera con oxígeno, aire y otros gases no tóxicos. Combinar una pre-limpieza basada en agua con el plasma permite que se puedan limpiar componentes muy sucios y las calidades superficiales obtenidas son típicamente superiores a las que resultan de los métodos tradicionales. Cualquier contaminación superficial orgánica es rápidamente limpiada por un plasma a temperatura ambiente y convertida en CO_{2} gaseoso y agua, que puede ser eliminado de manera segura.

Los plasmas pueden ser utilizados también para el grabado de materiales voluminosos, es decir para la eliminación de los mismos de materiales no deseados. Así, por ejemplo, un plasma basado en oxígeno grabará polímeros, un proceso utilizado en la producción de placas de circuito impreso, etc. Diferentes materiales tales como metales, materiales cerámicos e inorgánicos son grabados mediante una cuidadosa selección del gas precursor y la atención a la química del plasma. Estructuras de dimensiones críticas tan pequeñas como nanómetros se producen actualmente mediante tecnología de grabado de plasma.

Una tecnología del plasma que está emergiendo rápidamente en la industria más extendida es la de deposición de recubrimiento de plasma/película fina. Típicamente, se logra un alto nivel de polimerización mediante la aplicación de plasma a gases y vapores monoméricos. Así, puede formarse una película densa, tupidamente tejida y conectada en tres dimensiones que es térmicamente estable, muy resistente químicamente y mecánicamente robusta. Tales películas son depositadas adaptándose a la forma incluso sobre las superficies más intrincadas y a una temperatura, que asegura una baja carga térmica sobre el substrato. Los plasmas son por lo tanto ideales para el recubrimiento de materiales tanto delicados y sensibles al calor como robustos. Los recubrimientos de plasma están libres de microporos incluso con capas finas. Las propiedades ópticas, por ejemplo color, del recubrimiento pueden a menudo ser personalizadas y los recubrimientos de plasma se adhieren bien incluso a materiales no polares, por ejemplo el polietileno, así como acero (por ejemplo películas anti-corrosión sobre reflectores de metal), materiales cerámicos, semiconductores, textiles, etc.

En todos estos procesos, la ingeniería del plasma produce un efecto superficial personalizado a la aplicación o producto deseado sin afectar al volumen del material de ninguna manera. El tratamiento de plasma ofrece al fabricante una herramienta versátil y poderosa que permite la elección de un material por sus propiedades de volumen técnicas y comerciales mientras que se deja libertad para tratar su superficie para cubrir un conjunto de necesidades muy diferente. La tecnología del plasma confiere así una funcionalidad, funcionamiento, vida útil y calidad enormemente mejoradas y proporciona a la empresa fabricante un beneficio añadido significativo para su capacidad de producción.

Estas propiedades proporcionan una fuerte motivación para que la industria adopte el tratamiento basado en plasma, y este cambio ha sido liderado desde los años 1960s por la comunidad de la microelectrónica, que ha desarrollado el plasma de Descarga Luminiscente de baja presión en una herramienta de ingeniería de ultra-alta tecnología, alto coste de capital para el tratamiento de semiconductores, metales y dieléctricos. El mismo plasma de tipo de Descarga Luminiscente de baja presión ha penetrado cada vez más en otros sectores industriales desde la oferta de los años 1980s, a un coste más moderado, procesos tales como la activación superficial de polímeros para una mayor fuerza de adhesión/unión, desengrasado/limpiado de alta calidad y la deposición de recubrimientos de alto rendimiento. De este modo, ha habido una sustancial aceptación de la tecnología del plasma. Las descargas luminiscentes pueden ser logradas tanto en vacío como a presión atmosférica. En el caso de las descargas luminiscentes a presión atmosférica, gases tales como el helio o el argón son utilizados como diluyentes (gases de proceso) y se usa una fuente de alimentación de alta frecuencia (por ejemplo 1kHz) para generar una descarga luminiscente homogénea a la presión atmosférica por medio de un mecanismo de ionización de Penning, (véase por ejemplo, Kanazawa et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 1988, 21, 838, Okazaki et al, Proc. Jpn. Symp. Plasma Chem. 1989, 2, 95, Kanazawa et al, Nuclear Instruments and Methods in Physical Research 1989, B37/38, 842, y Yokoyama et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 1990, 23, 374).

No obstante, la adopción de la tecnología del plasma ha estado limitada a una restricción importante en la mayoría de los sistemas de plasma industriales, a saber, su necesidad de operar a baja presión. La operación en vacío parcial significa un sistema de reactor cerrado, de perímetro cerrado, que proporciona sólo tratamiento fuera de línea, por lotes, de piezas de trabajo discretas. La capacidad de procesamiento es baja o moderada y la necesidad de vacío añade costes de capital y de gestión.

Los plasmas a presión atmosférica, no obstante, ofrecen sistemas de puerta o perímetro abierto para la industria que proporcionan entrada y salida libre de redes y, por ello, tratamiento continuo, en línea de redes de área grandes o pequeñas o redes discretas transportadas mediante un transportadora. La capacidad de tratamiento es alta, reforzada por el elevado flujo de especies obtenido a partir de la operación a alta presión. Muchos sectores industriales, tales como textiles, empaquetamiento, papel, médico, automoción, aeroespacial, etc., descansan casi por completo sobre el tratamiento continuo, en línea, de manera que los plasmas de configuración de puerta/perímetro abierto a la presión atmosférica ofrecen una nueva capacidad de procesamiento industrial.

Los sistemas de tratamiento de corona y de llama (también un plasma) han proporcionado a la industria una forma limitada de capacidad de procesamiento de plasma a presión atmosférica durante unos 30 años. No obstante, a pesar de su facilidad de fabricación, estos sistemas han fracasado en ser usados a gran escala a nivel industrial. Esto es porque los sistemas de corona/llama tienen limitaciones significativas. Operan en aire ambiente ofreciendo un solo proceso de activación de superficie y tienen un efecto despreciable en muchos materiales y un débil efecto en la mayoría. El tratamiento es a menudo no uniforme y el proceso de corona es incompatible con redes gruesas o redes de 3D mientras que el proceso de llama es incompatible con los substratos sensibles al calor. Resulta claro que la tecnología del plasma a presión atmosférica debe entrar de manera mucho más profunda en el espectro de los plasmas a presión atmosférica para desarrollar sistemas avanzados que cubran las necesidades de la industria.

Se han llevado a cabo avances significativos en la deposición de plasma a presión atmosférica. Se ha realizado un considerable trabajo en la estabilización de las descargas luminiscentes a presión atmosférica, descritas en "Appearance of stable glow discharge in air, argon, oxygen and nitrogen at atmospheric pressure using a 50 Hz source" por Satiko Okazaki, Masuhiro Kogoma, Makoto Uehara y Yoshihisa Kimura, J. Phys. D: Appl. Phys. 26 (1993) 889-892. Además, se describe en la Especificación de Patente de US No. 5414324 (Roth et al) la generación de plasma de descarga luminiscente en estado estable a presión atmosférica entre un par de electrodos de placa metálica aislados separados hasta 5 cm y energizada mediante radio frecuencia (R.F.) con un potencial de root mean square (rms - error cuadrático medio) de 1 a 5 kV a 1 a 100 kHz. El documento US 5414324 explica el uso de electrodos de placa metálica aislados eléctricamente y los problemas observados cuando se usan placas de electrodo así como la necesidad de disminuir las averías eléctricas en las puntas de los electrodos. Describe también el uso de los electrodos en forma de placas de cobre y un sistema de refrigeración mediante agua, que se proporcionado mediante conductos para flujo de líquido conectados a los electrodos y de esta manera, el agua no se pone en contacto directo con ninguna superficie de electrodo.

En la Especificación de la Patente de US No. 5185132, se describe un método de reacción con plasma atmosférico en el cual se usan electrodos de placa metálica en una configuración vertical. NO obstante, se usan meramente en la configuración vertical para preparar el plasma y a continuación el plasma es dirigido hacia afuera entre las placas sobre una superficie horizontal debajo de los electrodos dispuestos verticalmente.

En el documento EP 0431951 se proporciona un conjunto de plasma atmosférico para el tratamiento de substratos con especies producidas por plasma tratando una mezcla de gas noble/gas reactivo. Electrodos metálicos al menos parcialmente recubiertos de dieléctricos están situados paralelamente entre sí y están alineados verticalmente de manera que son perpendiculares al substrato que pasa por debajo de una hendidura entre los electrodos.

El conjunto requiere un tratamiento superficial integral que restringe efectivamente la anchura de cualquier substrato que se va a tratar mediante la anchura de la unidad de tratamiento superficial y así hace al sistema incómodo.

Un problema importante encontrado cuando se usan electrodos de tipo placa y/o rejilla metálica recubiertos por o adheridos a materiales dieléctricos es el problema de conformidad entre la superficie del electrodo y el dieléctrico. Es casi imposible asegurar la completa adaptación a la forma incluso entre una placa metálica pequeña y un dieléctrico debido a imperfecciones superficiales en la superficie de una u otro pero particularmente la superficie metálica. Es por lo tanto excepcionalmente difícil construir electrodos de este tipo adecuados para aplicaciones industriales, lo que ha sido un problema importante en el desarrollo de procesos de plasma atmosférico a escala industrial.

El documento WO 02/35576 describe el uso de electrodos metálicos unidos a las caras traseras de placas de dieléctrico verticales, sobre las cuales se pulveriza un líquido de conductividad limitada para proporcionar las funciones duales de gestión térmica y pasivación del electrodo. El uso de un líquido parcialmente conductor tal como agua puede ayudar a mitigar las micro-descargas que pueden proceder de "puntos altos" rugosos en la superficie metálica y puede mejorar también la conformidad del electrodo metálico a la superficie dieléctrica proporcionando una ruta parcialmente conductora a través del hueco entre un electrodo que se adapta mal a la forma y el dieléctrico. El agua parcialmente conductora tiene el efecto de suavizar la superficie eléctrica y el dieléctrico y crea así un potencial superficial casi homogéneo. Esta técnica adolece de la complejidad de construir un sistema de distribución de la pulverización adecuado y de la dificultad de asegurar un suficiente y uniforme drenaje del agua de cada conjunto de electrodos.

Mientas que el uso de agua de refrigeración en contacto directo con los electrodos de metal reduce las no homogeneidades, no las elimina sino que puede aumentar significativamente la complejidad y el coste del equipo de plasma requerido. Es difícil fabricar un electrodo metálico perfecto que no tenga ni rugosidades superficiales ni rebabas en los bordes que puedan ser unidas de manera segura e íntimamente a una superficie dieléctrica grande. El uso de un líquido parcialmente conductor tal como agua puede ayudar a mitigar las micro-descargas que pueden resultar de los "resaltes" rugosos en la superficie metálica y que puede mejorar también la adaptación a la forma del electrodo metálico a la superficie del dieléctrico proporcionando una ruta parcialmente conductora a través del hueco entre un electrodo de baja adaptación a la forma y el dieléctrico. El agua parcialmente conductora tiene el efecto de suavizar la superficie eléctrica en el dieléctrico y crea así un potencial superficial casi homogéneo.

Los electrodos de agua han sido descritos previamente en la literatura como fuente para generar un plasma de arco de direct current (D.C. - Corriente Continua) entre un electrodo y una superficie o columna de agua. Por ejemplo P. Andre et al. (J. of Physics D: Applied Physics (2001) 34(24), 3456-3565 describen la generación de una descarga de D.C. ente dos columnas de agua corriente. El documento US 3899685 describe un ozonizador que comprende electrodos paralelos concéntricos. Cada par de electrodos que comprende un electrodo de metal central internamente refrigerado por un flujo a través de su núcleo hueco con agua y una capa de dieléctrico exterior concéntricamente alrededor del electrodo de metal y que está rodeado por agua o similar. El agua en contacto con el dieléctrico actúa como un segundo electrodo y se produce ozono en el hueco formado entre el electrodo de metal y el dieléctrico.

A.B. Savaliev y G. J. Pietsch (Hakone VIII Conference Proceedings - International Symposium on High Pressure, Low Temperature Plasma Chemistry, July 21-25 2002, Pühajärve, Estonia) describen también la aplicación de un electrodo de agua para generar una descarga superficial. Una descarga superficial difiere de la descarga luminiscente de placa paralela descrita anteriormente puesto que el dispositivo consiste en un electrodo plano unido a un dieléctrico con un electrodo de superficie en forma de barra en contacto directo con la cara del material dieléctrico, la descarga existe entonces como un punto de descarga a lo largo de la superficie del dieléctrico. En el ejemplo descrito por Savaliev, el electrodo de agua se usa en primer lugar para proporcionar un electrodo transparente.

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T. Cserfavi et al. (J. Phys. D: Appl. Phys. 26, 1993, 2184-2188) describen generar una descarga que describen como descarga luminiscente entre un ánodo de metal y la superficie de un recipiente de agua abierto que actúa como cátodo. No obstante, esto no es una descarga luminiscente como se ha definido anteriormente puesto que no existe ningún dieléctrico situado entre los electrodos y así lo que se vería en tal sistema es una descarga que "salta" entre el electrodo de metal y la superficie del agua. La descarga en el hueco de aire entre la superficie del agua y el ánodo es analizada mediante espectroscopía de emisión óptica para determinar la naturaleza de sales disueltas dentro del agua.

En el documento US 6232723, se han usado electrodos no metálicos porosos para producir un plasma dispersando un fluido conductor a través de los poros de los electrodos no metálicos. El hecho de que no parezca existir ningún material dieléctrico situado entre los electrodos no obstante, sugiere que pueden aparecer problemas debidos a cortocircuitos entre los electrodos.

El flujo a través de los sistemas que utilizan electrodos hechos de materiales dieléctricos a través de los cuales se hacen pasar líquidos conductores se ha descrito en los documentos US3899685, US4130490 y JP 07-220895. El documento US4130490 describe un medio para la eliminación mediante oxidación de contaminantes de atmósferas de aire u oxígeno que comprende un electrodo tubular metálico interior a través del cual fluye un refrigerante tal como agua hacia y desde un depósito remoto de refrigerante del electrodo. El electrodo exterior comprende una carcasa de un material dieléctrico que tiene una entrada y una salida a través de la cual se hace pasar un refrigerante líquido que conduce eléctricamente hacia y desde un depósito. El hueco entre los electrodos define una cámara de gas en la cual los contaminantes son oxidados.

La presente aplicación busca utilizar un medio conductor que se adapta a la superficie del dieléctrico, de manera que los electrodos metálicos requeridos previamente pueden ser eliminados, lo que origina una superficie dieléctrica cargada eléctricamente homogénea y la gestión térmica del calor generado por el plasma usando un medio conductor que demuestra una adherencia/contacto a largo plazo a las interfaces interior y exterior del mismo.

De acuerdo con la presente invención se proporciona un conjunto generador de descarga luminiscente de plasma y/o una descarga de barrera de dieléctrico que comprende al menos un par de electrodos separados de manera substancialmente equidistante, estando la separación entre los electrodos adaptada para formar una zona de plasma cuando se introduce un gas de proceso y que permite el paso, donde se requiere, de precursor o precursores gaseosos, líquidos y/o sólidos los cuales, al menos uno de ellos, caracterizado por medios para variar el tamaño funcional de cada electrodo son proporcionados mediante la introducción y eliminación del citado material eléctricamente conductor substancialmente no-metálico, en el que al menos uno de los electrodos comprende una carcasa que tiene una pared interior y exterior, en el que al menos la pared interior está formada de un material dieléctrico, y cuya carcasa retiene substancialmente un material eléctricamente conductor al menos substancialmente no-metálico.

Se comprenderá que la zona de plasma es la región entre paredes enfrentadas (llamadas aquí paredes interiores) de pares de electrodos adyacentes en los cuales puede generarse un plasma mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre los electrodos.

Preferiblemente cada electrodo comprende una carcasa que tiene una pared interior y una pared exterior, en la que al menos la pared interior está formada a partir de un material dieléctrico, y cuya carcasa contiene un material eléctricamente conductor al menos substancialmente no-metálico en contacto directo con la pared interior en lugar de la "tradicional" placa o rejilla de metal. Se prefieren los electrodos de este tipo porque los inventores han identificado que usando electrodos de acuerdo con la presente invención para generar una Descarga Luminiscente, la descarga luminiscente homogénea resultante puede ser generada con menores no homogeneidades cuando se compara con los sistemas que utilizan electrodos de placa metálica. Una placa metálica nunca está fijada directamente a la pared interior de un electrodo en la presente invención y preferiblemente, el material eléctricamente conductor no-metálico está en contacto directo con la pared interior del electrodo.

Los materiales dieléctricos usados de acuerdo con la presente invención pueden estar hechos de cualquier dieléctrico adecuado, ejemplos incluyen pero no están restringidos a policarbonato, polietileno, vidrio, laminados de vidrio, laminados de vidrio rellenos de epoxi y otros. Preferiblemente, el dieléctrico tiene suficiente fuerza con el fin de evitar cualquier abombamiento o desfiguramiento del dieléctrico mediante el material conductor del electrodo. Preferiblemente, el dieléctrico usado es mecanizable y se proporciona a un espesor de hasta 50 mm de espesor, más preferiblemente hasta 40 mm de espesor y más preferiblemente 15 a 30 mm de espesor. En los casos en los que el dieléctrico seleccionado no es suficientemente transparente, puede utilizarse una ventana de vidrio o similar para permitir una visión diagnóstica del plasma generado.

Los electrodos pueden separarse por medio de un separador o similar, que está hecho también preferentemente de un material dieléctrico que efectúa por ello un aumento en la fuerza global del dieléctrico del sistema eliminando cualquier potencial para descarga entre los bordes del líquido conductor.

Los pares de electrodos de acuerdo con el conjunto de la presente invención pueden ser de cualquier forma geométrica y tamaño adecuados. Claramente la geometría más simple son placas paralelas que pueden ser de más de 1 m^{2} de área de superficie en tamaño teniendo por ello la posibilidad de formar zonas de plasma a gran escala adecuadas para aplicaciones de tratamiento de plasma para rejillas u otros, pero pueden tener alternativamente la forma de tuberías concéntricas o ser tubulares o similar para el tratamiento de polvos y líquidos u otros.

El material eléctricamente conductor substancialmente no metálico puede ser un líquido tal como un disolvente polar por ejemplo agua, alcohol y/o glicoles o soluciones salinas acuosas y mezclas de los mismos, pero es preferiblemente una solución salina acuosa. Cuando se usa agua sola, comprende preferiblemente agua del grifo o agua mineral. Preferiblemente, el agua contiene hasta un máximo de aproximadamente 25% en peso de una sal soluble en agua tal como una sal de metal alcalino, por ejemplo cloruro de sodio o cloruro de potasio o sales de metal alcalino térreo. Aumentar la conductividad del líquido usando las sales iónicas mencionadas anteriormente disminuye significativamente el número de no-homogeneidades, haciendo por ello a los electrodos de placa metálica de la técnica anterior superfluos. Esto es porque el material líquido presente en un electrodo de la presente invención tiene una adaptación a la forma substancialmente perfecta y por ello un potencial superficial perfectamente homogéneo en la superficie del dieléctrico, una característica que puede observarse en uso porque los plasmas efectuados por los electrodos de la presente invención proporcionan una luminiscencia más uniforme sin áreas más oscuras que indican una formación de plasma débil. Esto está soportado también por el hecho de que descargas puntuales localizadas no son observadas en el plasma generado entre los electrodos descritos aquí. Variar el tipo y concentración de especies iónicas en el líquido conductor controla fácilmente la capacitancia y la impedancia de los electrodos de la presente invención. Tal control puede ser explotado para reducir las demandas sobre cualquier circuito de acoplamiento de impedancia usado en el sistema generador de RF y transformador para generar el plasma entre los electrodos.

Si el material eléctricamente conductor al menos substancialmente no metálico usado en un electrodo de la presente invención es un disolvente polar tal como agua, alcohol y/o glicoles o soluciones salinas acuosas dentro de una contención de dieléctrico, el electrodo puede ser transparente, dependiendo del dieléctrico elegido permitiendo así un fácil acceso para la diagnosis óptica, mientras que el propio material eléctricamente conductor substancialmente no metálico contribuye a la eliminación de carga térmica del aparato de plasma tal como un aparato de descarga luminiscente. Esto simplifica enormemente el problema de la eliminación de calor aun mejorando también la cubrición del electrodo y por ello la pasivación eléctrica, cuando se compara la presente invención con el proceso de pulverización descrito en el documento WO02/35576. El uso de un líquido conductor mejora también la homogeneidad del potencial eléctrico en la cara de dieléctrico asegurando una distribución de carga constante mientras que la adaptación a la forma de un electrodo metálico a la cara de dieléctrico no puede ser asegurada. La adaptación a la forma del líquido conductor
permite un constante e íntimo contacto del mismo a las superficies de las paredes interior y/o exterior del electrodo.

Alternativamente, el material eléctricamente conductor substancialmente no metálico puede ser en forma de composiciones de uno o más polímeros, que pueden ser típicamente suministrados en forma de pastas. Tales pastas se usan actualmente en la industria de la electrónica para la adhesión y gestión térmica de componentes electrónicos, tales como conjuntos de pastillas microprocesadoras. Estas pastas tienen típicamente suficiente movilidad para fluir y adaptarse a la forma de las irregularidades de la superficie.

Polímeros adecuados para las composiciones de polímeros conductores de acuerdo con la presente invención pueden incluir siliconas, elastómeros de polioxopoliolefina, una termo-impregnación basada en una cera tal como, cera de silicona, mezclas de resina/polímero, copolímeros de poliamida de silicona u otros copolímeros orgánicos de silicona o similares o polímeros basados en epoxi, poliimida, acrilato, uretano o isocianato. Los polímeros contendrán típicamente partículas conductoras, típicamente de plata pero podrían usarse partículas conductoras que incluyan oro, níquel, cromo, óxidos metálicos variados y/o carbono incluyendo nanotubos de carbono; o vidrio metalizado o esferas cerámicas. Polímeros de ejemplo específicos que podrían usarse incluyen el polímero conductor descrito en el documento EP 240648 o composiciones basadas en órgano-poli-siloxano relleno de plata tales como Dow Corning ® DA 6523, Dow Corning ® DA 6524, Dow Corning ® DA 6526 BD y Dow Corning ® DA 6533 vendidos por Dow Corning Corporation o polímeros basados en epoxi relleno de plata tal como Ablebond ® 8175 de (Ablestick Electronic Materials & Adhesives) Epotek® H20E-PFC o Epo-Tek® E30 (Epoxi Technology Enc.)

Como se ha mencionado anteriormente una ventaja importante de la presente invención es la adaptación a la forma, usando un/una líquido/pasta para asegurar un constante e íntimo contacto/adherencia del mismo a las interfaces con las paredes interior y exterior del electrodo. Mientras que el contacto/adherencia puede ser obtenido mediante el uso de un medio fluido tal como un líquido o pasta, puede obtenerse también mediante una adhesión física a ambas superficies de las paredes interior y exterior del electrodo mediante un medio conductor que pueda absorber las tensiones mecánicas y térmicas en esas superficies que podrían provocar de-laminación. De esta manera, podría usarse un elastómero adhesivo con propiedades tanto térmicas como eléctricamente conductoras como medio entre las superficies de las paredes interior y exterior del electrodo. Una pasta conductora puede ser aplicada a una superficie dieléctrica y ser químicamente unida para formar un medio elastomérico, conductor que podría conducir tanto eléctrica como térmicamente, aun proporcionando una resistencia estructural a través de la unión del dieléctrico a la placa restrictiva estructural, y que podría también absorber las tensiones que podrían provocar de-laminación de adhesivos más rígidos. Una ventaja importante del aspecto de la adaptación a la forma de la presente invención es la oportunidad proporcionada para fabricar electrodos con grandes áreas superficiales, usando un líquido/pasta para asegurar un íntimo contacto/adherencia del mismo a las interfaces con las paredes interior y exterior del electrodo. Esta es una ventaja importante con respecto a las aplicaciones de tamaño industrial en las que se requieren sistemas de electrodos con grandes áreas superficiales con el fin de tratar substratos a escala industrial a velocidades apropiadas.

Este conjunto de electrodo puede comprender por ejemplo una pared interior hecha de un material dieléctrico sobre el cual está unido un electrodo de compuesto que comprende un disipador de calor metálico, que proporciona una integridad estructural global, entre los cuales existe un elastómero térmica y eléctricamente conductor, relleno, que forma una interfaz adhesiva, flexible.

La eliminación del calor es un problema importante en los conjuntos de plasma, particularmente para aquéllos que usan electrodos de tipo de placa de metal. No obstante, este problema se reduce significativamente a electrodos como los descritos anteriormente debido al efecto de la convección del calor a través del líquido. Además, se eliminan los puntos altos eléctricos mediante la convección del líquido conductor. Se considera, cuando se usan uno o más electrodos como se ha explicado anteriormente que el calor generado por los electrodos puede ser disipado por ejemplo mediante la utilización de serpentines conductores y utilizando la pared exterior del electrodo como medio para eliminar el calor del mismo y por lo tanto la pared exterior está preferiblemente hecha de un disipador de calor adecuado. El disipador de calor es preferiblemente metálico en forma y puede comprender aletas que se proyectan hacia el exterior y puede usar fluidos de refrigeración, típicamente aire o un serpentín de refrigeración para mejorar el proceso de refrigeración.

Uno de los principales problemas encontrados actualmente con los sistemas de plasma tales como los sistema de descarga luminiscente a presión atmosférica que utilizan electrodos de placa metálica es que no hay manera de variar la longitud de la pista de un substrato a través de una zona de plasma activada sin reemplazar físicamente los electrodos. Mientras que una solución puede ser la variación del momento en el cual el substrato es residente en la zona de plasma mediante la variación de la velocidad a la cual el substrato pasa a su través, los electrodos del tipo descrito anteriormente proporcionan una solución más simple. Preferiblemente cada electrodo, utilizando un disolvente polar, por ejemplo agua, alcohol y/o glicoles o soluciones salinas acuosas y mezclas de los mismos, comprende una entrada y más preferiblemente una entrada y una salida. Tanto la entrada como la salida pueden comprender válvulas para permitir la introducción y la eliminación de un disolvente polar, por ejemplo agua, alcohol y/o glicoles o soluciones salinas acuosas y mezclas de los mismos. Las válvulas pueden comprender cualquier forma adecuada y se usan particularmente como medio de variar la longitud de la pista y, de esta manera, la zona de tratamiento de plasma a través de la cual se hace pasar un substrato. Teniendo válvulas en la entrada y la salida la longitud de la pista del sistema de electrodos puede ser fácilmente variada bien sea abriendo la válvula de la salida y la válvula de la entrada y permitiendo que el líquido salga a través de la salida evitando que el líquido entre en la entrada, o bien introduciendo más líquido abriendo la válvula de la entrada e introduciendo una cantidad de líquido previamente determinada para aumentar el tamaño efectivo del electrodo. Esto, a su vez, significa también que el usuario es capaz de controlar más fácilmente el tiempo de reacción del plasma para un substrato, siendo el plasma tratado usando uno o más electrodos de la presente invención, particularmente en casos en los que la velocidad relativa del substrato a través de la zona de plasma es difícil de variar.

La manera de evitar la necesidad de hacer circular continuamente un disolvente polar por ejemplo agua, alcohol y/o glicoles o soluciones salinas acuosas y mezclas de los mismos a través del sistema de electrodos hacia y desde un depósito o similar se explica en el documento US 4130490 y el documento JP 07-220895 significa que la complejidad del equipo requerido para los sistemas de electrodos de acuerdo con la presente invención se reducen significativamente como medio para el flujo continuo a su través ya no es necesario.

Cada electrodo de acuerdo con la presente invención puede ser segmentado mediante el uso de nervios de soporte que están diseñados para dividir substancialmente la carcasa en dos o más secciones. Esta segmentación ofrece una ventaja adicional, en forma de asistencia en la variabilidad de la longitud de la pista de la zona de plasma, por ejemplo si la continuidad eléctrica no está establecida entre los diferentes segmentos, cada segmento individual operará como un electrodo individual de manera que la longitud de la pista de la zona de plasma puede ser fácilmente alterada y optimizada para el propósito requerido. Los nervios de soporte pueden ser unidos a alguna o a ambas paredes interior y exterior y la provisión para la continuidad eléctrica es mantenida por medio de una conexión mediante cable o, donde se utiliza un líquido conductor, mediante la presencia de vías de líquido conductor continuas entre las secciones. Fijando las paredes interior y exterior a los nervios de soporte el área sobre la cual existe una presión máxima provocada por las presiones internas del material eléctricamente conductor substancialmente no metálico se reduce, reduciendo por ello las fuerzas que potencialmente podrían provocar distorsión de las paredes interior y/o exterior. La longitud de la pista de la zona de plasma provocada por la introducción de los nervios de soporte puede ser fácilmente alterada y optimizada.

Un ejemplo del tipo de conjunto que podría utilizarse a escala industrial con los electrodos de acuerdo con la presente invención es aquél en el que se proporciona un conjunto de plasma a presión atmosférica comprendiendo un primer y un segundo par de electrodos separados paralelamente de acuerdo con la presente invención, formando la separación entre las placas interiores de cada par de electrodos una primera y una segunda zonas de plasma en la cual el conjunto comprende también un medio para transportar un substrato sucesivamente a través de las citadas primera y segunda zonas de plasma y un atomizador adaptado para introducir un material que forma recubrimiento sólido o líquido atomizado en una de las citadas zonas de plasma primera y segunda. El concepto básico para tal equipo se describe en la solicitud co-dependiente del solicitante WO 03/086031 que fue publicada antes de la fecha de prioridad de la presente invención y que es incorporada aquí como referencia.

En una realización preferida, los electrodos están dispuestos en forma de matriz vertical.

Como se ha descrito aquí previamente una ventaja importante del uso de líquidos para materiales conductores es que cada par de electrodos tiene diferente cantidad de líquido presente en cada electrodo, lo que provoca una zona de plasma de diferente tamaño y por lo tanto, de diferente longitud de la pista y por ello potencialmente un tiempo de reacción diferente para un substrato cuando pasa entre los diferentes pares de electrodos. Esto podría significar que el periodo del tiempo de reacción para un proceso de limpieza en la primera zona de plasma puede ser de diferente longitud de pista y/o de tiempo de reacción que en la segunda zona de plasma cuando se está aplicando un recubrimiento sobre el substrato y la única acción implicada en variar éstos es la introducción de diferentes cantidades de líquido conductor en los diferentes pares de electrodos. Preferiblemente, se usa la misma cantidad de líquido en cada electrodo de un par de electrodos en el que ambos electrodos son como se han descrito aquí anteriormente.

Los electrodos de la presente invención pueden utilizarse en cualquier sistema de plasma apropiado tal como por ejemplo sistemas de plasma por pulsos pero son particularmente considerados para su uso en descarga luminiscente de plasma y/o en conjuntos de descarga de barrera dieléctrica, que pueden ser operados a cualquier presión adecuada. En particular pueden integrarse en conjuntos de descarga luminiscente a baja presión o a presión atmosférica, particularmente los de tipo de desequilibrio térmico, y es más preferiblemente para uso con sistemas a presión atmosférica.

El gas de proceso para uso en procesos de tratamiento de plasma que usan los electrodos de la presente invención puede ser cualquier gas adecuado, pero es preferiblemente un gas inerte o una mezcla basada en gases inertes tal como, por ejemplo helio, una mezcla de helio y argón, una mezcla basada en argón que contiene cetonas y/o compuestos de las mismas. Estos gases de proceso pueden ser utilizados solos o en combinación con gases potencialmente reactivos por ejemplo, gases oxidantes y reductores tales como nitrógeno, amoniaco, ozono, O_{2}, H_{2}O, NO_{2}, aire o hidrogeno. No obstante, el gas de proceso puede comprender substancialmente uno o más de los citados gases potencialmente reactivos. Más preferiblemente, el gas de proceso será Helio, solo o en combinación con un gas oxidante o reductor. La selección del gas depende de los procesos de plasma que se van a llevar a cabo. Cuando se requiere un gas potencialmente reactivo tal como un gas oxidante o reductor en combinación bien sea con helio o con cualquier otro gas inerte o mezcla basada en gases inertes se utilizará preferiblemente en una mezcla que comprende 90 - 99% de gas inerte o mezcla de gases inertes y 1 a 10% de gas oxidante o reductor.

En condiciones oxidantes, el presente método puede usarse para formar un revestimiento que contiene oxígeno sobre el substrato. Por ejemplo, pueden formarse revestimientos basados en sílice en la superficie del substrato a partir de materiales que forman revestimiento que contienen sílice, atomizados. En condiciones reductoras, el conjunto de acuerdo con la presente invención puede usarse para proporcionar un substrato con revestimientos libres de oxígeno, por ejemplo, pueden formarse revestimientos de carburo de silicio a partir de materiales que forman revestimiento que contienen sílice, atomizados.

En una atmósfera que contiene nitrógeno, el nitrógeno puede adherirse a la superficie del substrato, y en una atmósfera que contiene tanto nitrógeno como oxígeno, los nitratos pueden adherirse a y/o adaptarse a la forma de la superficie del substrato. Tales gases pueden usarse también para pre-tratar la superficie del substrato antes de su exposición a la substancia que forma el revestimiento. Por ejemplo, el tratamiento de plasma que contiene oxígeno del substrato puede proporcionar una mejor adhesión con un revestimiento aplicado a continuación, siendo el plasma que contiene oxígeno generado introduciendo materiales que contienen oxígeno, tales como gas oxígeno o agua, en el plasma.

Una amplia variedad de tratamientos de plasma están actualmente disponibles, los de particular importancia para los electrodos de la presente invención incluyen aplicaciones de activación de superficies, limpieza de superficies, grabado de materiales y revestimiento. Un substrato puede ser activado y/o tratado con cualquier combinación apropiada de los anteriores haciéndolo pasar a través de una serie de zonas de plasma, haciendo que actúen sobre él una serie de sistemas de plasma, conteniendo al menos uno de los cuales uno o más pares de electrodos de acuerdo con la invención, proporcionando los ingredientes adicionales requeridos etc. están disponibles en las respectivas zonas de plasma. Por ejemplo, en el caso de un substrato que se hace pasar a través de una serie de zonas de plasma, el substrato puede ser limpiado y/o activado en una primera zona de plasma, su superficie activada en una segunda zona de plasma y revestido o grabado en una tercera zona de plasma.

Alternativamente, la primera zona de plasma puede ser utilizada para limpiar y/o activar la superficie del substrato mediante tratamiento de plasma usando un plasma de gas helio, y la segunda zona de plasma es utilizada para aplicar un revestimiento de un material precursor, por ejemplo, mediante la aplicación de un precursor gaseoso o un precursor líquido o pulverizado sólido mediante un atomizador o nebulizador, como se describe en la solicitud de patente co-dependiente de los solicitantes WO 02/028548. Como otra alternativa más, la primera zona de plasma podría ser utilizada como medio de oxidación (por ejemplo, en un gas de proceso oxígeno/helio) o bien la aplicación de revestimiento y una segunda zona de plasma son utilizadas para aplicar un segundo revestimiento usando un precursor diferente. Como ejemplo que tiene una etapa de pre-tratamiento y una etapa de post-tratamiento, el siguiente proceso está adaptado para la preparación de una barrera de SiOx con una superficie exterior de tierra/combustible que puede ser utilizada para células solares en aplicaciones del automóvil en las cuales el substrato es primeramente pre-tratado mediante limpieza/activación con helio del substrato, seguido de una deposición de SiOx de un precursor de poli-dimetil-siloxano en la primera zona de plasma. Otro tratamiento de plasma de helio para proporcionar una reticulación extra de la capa de SiOx y aplicando finalmente un revestimiento utilizando un precursor perfluorurado. Cualesquiera pre-tratamientos apropiados pueden ser llevados a cabo, por ejemplo el substrato puede ser lavado, secado, limpiado o purgado de gas usando el gas de proceso, por ejemplo helio.

En otra realización más en la que un substrato va a ser revestido en lugar de tener una múltiple serie de conjuntos de plasma, puede utilizarse un único conjunto de plasma con un medio para variar los materiales que pasan a través de la zona de plasma formada entre los electrodos. Por ejemplo, inicialmente la única substancia que pasa a través de la zona de plasma podría ser el gas de proceso tal como helio que es excitado mediante la aplicación de una tensión entre los electrodos para formar una zona de plasma. El plasma de helio resultante puede ser utilizado para limpiar y/o activar el substrato que se hace pasar a través o cerca de la zona de plasma. A continuación pueden introducirse uno o más material o materiales precursor o precursores que forman revestimiento y son excitados haciendo pasar a través de la zona de plasma y tratando el substrato. El substrato puede ser movido a través o con respecto a la zona de plasma en una pluralidad de ocasiones para efectuar una múltiple deposición de capas y, donde sea apropiado, la composición del o los material o materiales precursor o precursores que forman el revestimiento puede variarse reemplazando, añadiendo o deteniendo la introducción de uno o más material o materiales precursor o precursores que forman revestimiento, tal como gas o líquidos y/o sólidos reactivos.

En el caso en el que el sistema se usa para revestir un substrato con un material precursor, el material precursor que forma el revestimiento puede ser atomizado usando cualquier medio convencional, por ejemplo un inyector ultrasónico. El atomizador produce preferiblemente un tamaño de gota de material que forma revestimiento de 10 a 100 micras, más preferiblemente de 10 a 50 micras. Atomizadores adecuados para su uso en la presente invención son inyectores ultrasónicos de Sono-Tek Corporation, Milton, New York, USA o Lechler GmbH de Metzingen, Germany. El aparato de la presente invención puede incluir una pluralidad de atomizadores, que pueden ser de una particular utilidad, por ejemplo, donde el aparato va a ser usado para formar un revestimiento de copolímero sobre un substrato de dos materiales que forman revestimiento diferentes, donde los monómeros son inmiscibles o están en diferentes fases, por ejemplo el primero es un sólido y el segundo es gaseoso o líquido.

Se comprenderá que el substrato y las zonas de plasma pueden moverse uno con respecto a otras, es decir un substrato puede pasar físicamente entre pares de electrodos adyacentes, puede pasar adyacente a pares de electrodos, haciendo que el citado substrato pase a través de la zona de plasma afectada por el par de electrodos en combinación con el gas de proceso que se utiliza. En el último caso, se comprenderá también que la zona de plasma y el substrato se mueven uno con respecto a otro, es decir el conjunto de electrodos se mueve a través de un substrato fijo o el substrato puede moverse con respecto a un sistema de electrodos fijo. En otra realización, el sistema de electrodos puede ser remoto del substrato de manera que el substrato es revestido por especies excitadas que han pasado a través de una zona de plasma pero no es necesario que esté afectado por el plasma.

En el caso en el que los electrodos de la presente invención estén incorporados en un conjunto adecuado para revestir substratos el tipo de revestimiento que se forma en el substrato está determinado por el material o materiales precursor o precursores que forman revestimiento usado o usados. El material precursor que forma revestimiento puede ser orgánico o inorgánico, sólido, líquido o gaseoso, o mezclas de los mismos. Materiales precursores que forman revestimiento adecuados incluyen carboxilatos, metacrilatos, acrilatos, estirenos, metacrilo-nitrilos, alquenos y dienos, por ejemplo metil-metacrilato, etil-metacrilato, propil-metacrilato, butil-metacrilato y otros alquil-metacrilatos y los correspondientes acrilatos, incluyendo metacrilatos y acrilatos organofuncionales, incluyendo glicidil metacrilato, trimetoxil-silil-propil-metacrilato, alil-metacrilato, hidroxi-etil metacrilato, hidroxi-propil- metacrilato, dialquil-amino-metacrilatos y fluoro-alquil-(met)acrilatos, ácido metacrílico, ácido acrílico, ácido y ésteres fumáricos, ácido itacónico (y ésteres), anhídrido maléico, estireno, \alpha-metil-estireno, alquenos halogenados, por ejemplo, haluros de vinilo, tales como cloruros de vinilo y fluoruros de vinilo, y alquenos fluorurados, por ejemplo per-fluoro-alquenos, acrilonitrilo, metacrilo-nitrilo, etileno, propileno, alil amina, haluros de vinilideno, butadienos, acrilamida, tal como N-isopropil-acrilamida, metacril-amida, compuestos de epoxi, por ejemplo glicid-oxi-propil-trimet-oxilano, glicidol, óxido de estireno, monóxido de butadieno, etilenglicol diglicidil-éter, glicidil-metacrilato, bisfenol A diglicidil-éter (y sus oligómeros), óxido de vinil-ciclo-hexeno y polímeros basados en óxido de polietileno. Polímeros conductores tales como pirrol y tiofeno y sus derivados, y compuestos que contienen fósforo, por ejemplo dimetil-alil-fosfonato podrían usarse también. Materiales inorgánicos que forman revestimiento adecuados incluyen metales y óxidos de metal, incluyendo metales coloidales. Compuestos organometálicos pueden ser también adecuados para materiales que forman revestimiento, incluyendo alcóxidos de metal tales como titanatos, alcóxidos de estaño, circonatos y alcóxidos de germanio y erbio.

Los substratos pueden estar provistos alternativamente de revestimientos basados en sílice o siloxano usando composiciones que forman revestimiento que comprenden materiales que contienen sílice. Materiales que contienen sílice adecuados incluyen pero no están restringidos a silanos (por ejemplo, silano, alquil-silanos, alquil-halo-silanos, alcoxi-silanos, epoxi-silanos y/o silanos aminofuncionales) y lineales (por ejemplo, poli-dimetil-siloxano) y siloxanos cíclicos (por ejemplo, octa-metil-ciclo-tetra-siloxano), incluyendo siloxanos organofuncionales lineales y cíclicos (por ejemplo siloxanos que contienen Si-H, halo-funcionales, epoxi-funcionales, amino-funcionales y halo-funcionales lineales y cíclicos, por ejemplo tetra-metil-ciclo-tetra-siloxano y tri(nono-fluoro-butil)trimetil-ciclo-tri-siloxano). Puede usarse una mezcla de diferentes materiales que contienen sílice, por ejemplo para adaptar las propiedades físicas del revestimiento del substrato para una necesidad específica (por ejemplo propiedades térmicas, propiedades ópticas, tales como índice de refracción y propiedades viscoelásticas).

El substrato que se va a revestir puede comprender cualquier material, suficientemente flexible para ser transportado a través del conjunto como se ha descrito aquí anteriormente, por ejemplo plásticos por ejemplo termoplásticos tales como poliolefinas, por ejemplo polietileno y polipropileno, policarbonatos, poliuretanos, cloruro de polivinilo, poliésteres (por ejemplo tereftalatos de polialquenos, particularmente tereftalato de polietileno), polimetacrilatos (por ejemplo polimetilmetacrilato y polímeros de hidroxietilmetacrilato), poliepoxuros, polisulfonas, polifenilenos, poliétercetonas, poliimidas, poliamidas, poliestirenos, polidimetilsiloxanos, resinas fenólicas, epoxídicas y de formaldehido de melanina, y mezclas y copolímeros de los mismos. Materiales poliméricos orgánicos preferidos son las poliolefinas, en particular polietileno y polipropileno. Alternativamente el substrato que se va a revestir puede ser una lámina de metal fina hecha de, por ejemplo aluminio, cobre, hierro o acero o una película metalizada. Aunque el substrato que se va a revestir es preferiblemente del tipo descrito anteriormente, el sistema de la presente invención puede utilizarse adicionalmente para tratar substratos rígidos tales como vidrio, placas de metal y cerámicas y otras.

Los substratos que pueden tratarse mediante un conjunto de acuerdo con la presente invención pueden ser en forma de fibras sintéticas y/o naturales, fibras tejidas o no tejidas, polvo, siloxano, telas, fibras tejidas o no tejidas, fibras naturales, material de celulosa de fibras sintéticas y polvo o una mezcla de un material polimérico orgánico y un aditivo que contiene organosílice que es miscible o substancialmente no miscible con el material polimérico orgánico como el que se ha descrito en la solicitud de patente co-dependiente de los solicitantes WO 01/40359. Las dimensiones del substrato están limitadas por las dimensiones del volumen dentro del cual se genera la descarga de plasma a presión atmosférica, es decir la distancia entre las paredes interiores de los electrodos de acuerdo con la presente invención. Para un aparato de generar plasma típico, el plasma se genera dentro de un hueco de 3 a 50 mm, por ejemplo 5 a 25 mm. Así, la presente invención tiene una particular utilidad para películas, fibras y polvos para revestimiento.

La generación de plasma de descarga luminiscente permanente a presión atmosférica se obtiene preferiblemente entre electrodos adyacentes que pueden estar separados hasta 5 cm, dependiendo del gas de proceso usado. Siendo los electrodos energizados mediante radio frecuencia con una tensión root mean square (rms) de 1 a 100 kV, preferiblemente entre 4 y 30 kV a 1 a 100 kHz, preferiblemente a 15 a 40 kHz. La tensión usada para formar el plasma estará típicamente entre 2,5 a 30 kVoltios, más preferiblemente entre 2,5 y 10 kV, no obstante el valor real dependerá de la elección de química/gas y del tamaño de la zona de plasma entre los electrodos.

Aunque el conjunto de descarga luminiscente a presión atmosférica puede operar a cualquier temperatura adecuada, operará preferiblemente entre una temperatura ambiente (20ºC) y 70ºC y se utiliza típicamente a una temperatura en la región de 30 a 40ºC.

Los electrodos preparados de acuerdo con la presente invención son más simples y baratos que los diseños que incorporan electrodos metálicos y sistemas de refrigeración, tal como se describe en la solicitud de PCT co-dependiente de los solicitantes WO 02/35576. Por ejemplo eliminando el requisito de que el líquido fluya sobre la cara del electrodo como se describe en el documento WO 02/35576, se puede reducir la distancia entre la pared interior y la pared exterior en los electrodos de la presente invención, reduciendo por ello el volumen de material conductor requerido y reduciendo así el peso del conjunto.

Los electrodos de acuerdo con la presente invención reducen también las complejidades de asegurar una equidistancia y un paralelismo perfectos entre electrodos adyacentes, lo cual es un problema particular con los electrodos de metal en forma de placa y además pueden usar un dieléctrico que puede ser opcionalmente transparente, permitiendo una fácil observación y diagnosis del plasma.

Además, tal conjunto reduce las complejidades de asegurar una adaptación a la forma del electrodo y de los materiales dieléctricos en sus interfaces, otro problema significativo observado cuando se usan electrodos de placa de metal para aplicaciones similares.

La invención, que está definida por las reivindicaciones adjuntas, se comprenderá más claramente a partir de la siguiente descripción de varias realizaciones de la invención que se proporcionan a continuación sólo a modo de ejemplo con referencia a los dibujos que se acompañan:

La Figura 1 es una vista de un sistema de plasma a presión atmosférica que contiene dos electrodos no metálicos;

las Figuras 2, 3, 4, 5a, 5b y 5c son vistas de sección de realizaciones alternativas de un conjunto como se muestra en la Figura 1;

la Fig. 6 es una vista en sección de un sistema de plasma a presión atmosférica en el que los electrodos son en forma de tubo concéntrico;

la Figura 7 es una vista de sección de un conjunto de plasma a presión atmosférica de la Figura 6 adaptado para el tratamiento de polvos o líquidos mediante plasma;

la Figura 8 es una vista de sección de otro conjunto de plasma a presión atmosférica alternativo;

la Figura 9a es una vista de sección de otro conjunto de plasma a presión atmosférica alternativo;

la Figura 9b es una vista en planta de un par de electrodos de tubo dieléctrico para su uso en un conjunto de plasma a presión atmosférica del tipo descrito en la Fig. 9a;

la Fig. 10 es una vista de tubos flexibles unidos en pares paralelos de tensión de signo contrario que están conformados en láminas planas y doblados para adaptarse a superficies contorneadas;

la Fig. 11 es una vista de un conjunto de la presente invención para tratar un substrato que se hace pasar entre pares de electrodos; y

la Fig. 12 es un gráfico que muestra que el plasma producido es de un tipo de descarga luminiscente.

En referencia a la Figura 1 se proporciona un conjunto 1 de plasma a presión atmosférica que tiene un par de electrodos no metálicos indicados generalmente por el número de referencia 2. Cada electrodo 2 es en forma de una carcasa 20 y tiene una cámara 11, con una entrada 3 en un extremo de la misma y una salida 4 en el otro extremo de la misma a través de las cuales, cuando está presente, puede ser introducida o eliminada una solución salina conductora. En el caso de la Figura 1, el electrodo conductor es completamente inundado con la solución salina. Tanto la entrada 3 como la salida 4 comprenden una válvula y son utilizadas para controlar la introducción y la eliminación de una solución salina conductora. Cada electrodo 2 tiene una pared interior 5 hecha de un material dieléctrico y una pared exterior 6 que está hecha bien de un material dieléctrico o de metal. Unos separadores 7 mantienen los extremos adyacentes de los electrodos 2 separados a una distancia predefinida. Cuando están en uso, el hueco 8 entre las paredes interiores 5 de electrodos 2 adyacentes forma una zona de plasma 8. Una fuente de alimentación 9 está conectada a cada entrada 3 por medio de cables 10. Los mismos números se usarán para las Figuras 2 a 5b.

En uso, las válvulas 3a y 4a se abren y un líquido conductor es introducido en la cámara 11 a través de la entrada 3 de la carcasa 20 y extraído a través de la salida 4. Las válvulas 3a y 4a son a continuación cerradas para evitar que cualquier otra solución sea introducida o eliminada mientras el sistema de electrodos está en uso. El líquido actúa tanto como la parte conductora del electrodo 2, adaptándose en forma con la interfaz tanto con la pared interior como con la pared exterior 5, 6, como como medio de gestionar térmicamente la temperatura de cada electrodo 2. El líquido conductor es refrigerado antes de su introducción en la cámara 11 mediante la entrada 3 porque con las tensiones utilizadas en el sistema el líquido puede aumentar de temperatura significativamente mientras se encuentra en ella. Extrayendo el electrodo por medio de la salida 4 el líquido conductor es dirigido hacia un medio de refrigeración externo (no mostrado) y puede ser reusado a continuación para un futuro sistema de electrodos mediante su reintroducción a través de la entrada 3 si se presentase la necesidad.

Para iniciar un plasma en la zona de plasma 8 se aplica una tensión de electrodo a través de los electrodos 2. Una vez que se ha aplicado una tensión de electrodo apropiada a través de los electrodos 2, un gas de proceso, típicamente helio se hace pasar a través de la zona de plasma 8 y es excitado para formar un plasma. Cada electrodo 2 como se ve en la Figura 1 produce una tensión eléctrica perfectamente homogénea y su interfaz con la pared interior 5 hecha de un material dieléctrico debido a la adaptación da la forma del líquido y a la conductividad transversal en la interfaz entre el fluido líquido y la pared interior 5.

Las Figs. 2 a 5 muestran un número de alternativas de diseño a la realización que se ve en la Fig. 1. Éstas están particularmente dirigidas a minimizar y preferiblemente eliminar la distorsión de la pared interior 5 hecha de material dieléctrico, tal como curvado etc. debido al impacto de las presiones internas y proporcionar medios alternativos/adicionales de refrigeración de los conjuntos de electrodos. Estas alternativas de diseño son de uso particular para electrodos que tienen paredes interiores 5 con grandes áreas de superficie, es decir para sistemas que tienen grandes zonas de plasma 8 tales como, por ejemplo, zonas de plasma que tienen un área de sección recta de 1 m^{2} o más.

En la Fig. 2 cada electrodo 2 es segmentado mediante el uso de nervios 15 de soporte que dividen substancialmente la carcasa 20 en dos secciones 22, 23. Los nervios 15 de soporte están unidos a las paredes interior y exterior 5, 6 y la continuidad eléctrica se mantiene por la presencia de vías 18 de líquido conductor continuas entre las secciones. Fijando las paredes interior y exterior 5, 6 a los nervios 15 de soporte, el área sobre la cual se ejerce una presión máxima es reducida, reduciendo por ello las fuerzas, que potencialmente podrían causar la distorsión. El electrodo "segmentado" de la Figura 2 ofrece la ventaja adicional de una longitud de vía variable, si cada segmento opera como un electrodo individual, la longitud de la vía de la zona de plasma puede ser alterada y optimizada fácilmente. En esta distancia la altura del líquido conductor en el electrodo es controlada mediante operación de las válvulas 3a y 4a. Cuando la cámara 11, 22, 23 está llena de fluido conductor como se muestra en la Fig. 2 el líquido conductor es introducido a través de la entrada 3a y eliminado a través de la salida 4a como se describe en la Fig. 1. No obstante, cuando la longitud de vía debe alterarse, es decir cuando la cámara 11, 22, 23 no está llena de líquido conductor, se introduce líquido y la eliminación a través de la entrada 3a y la salida 4a es utilizada para evitar la formación de un vacío en la bolsa de aire en la región de la cámara 11, 22, 23 que no contiene líquido conductor.

En otra realización como la que se ve en la Figura 3 la salida 4 (o entrada 3) (no mostrada) se usa tanto como entrada como salida y a menos que el electrodo esté completamente inundado la válvula 4a se mantiene en posición abierta para permitir que el líquido se libere de la cámara 11 debido a variaciones de temperatura y/o de presión u otros cuando está en uso. En la líquido 3 una placa 6a de refrigeración plana se usa como frontera de contención trasera de la cámara 11 que contiene el líquido conductor de manera que el líquido conductor queda atrapado entre la pared interior 5 de la superficie de dieléctrico y la placa 6a de refrigeración. El calor fluye a través de esta placa 6a desde el líquido 3 interno hasta la superficie externa que está refrigerada por una fuente secundaria que en el caso de la Fig. 3 para la sección 22 de la cámara 11 es un fluido enfriado tal como agua o aire que pasa a través del serpentín 25 de refrigeración.

Si el medio de refrigeración secundario es un líquido es decir un líquido que pasa a través del serpentín 25 de refrigeración como se muestra en la Fig. 3, entonces la placa 6a se diseña de manera que la presión del líquido en el serpentín 25 de refrigeración no distorsione la placa 6a y transfiera la presión sobre el líquido conductor de la cámara 11 para provocar una distorsión no deseada en la pared interior 5 y particularmente la interfaz entre el líquido conductor y la interfaz de la pared interior 5. Un pequeño grado de distorsión de la placa 6a puede ser absorbido en el líquido conductor dejando una pequeña porción 60 del hueco entre la pared interior 5 y la placa 6a libre de líquido. Tal hueco 60 puede, por ejemplo, ser estanco y ser evacuado u opcionalmente llenado con un gas inerte o aire no presurizado, o simplemente se deja abierto la atmosfera. Las distorsiones en la placa 6a pueden ser entonces absorbidas como cambios en la altura del líquido conductor en la cámara 11.

Otro proceso alternativo de eliminación del calor se ve en la Fig. 4, en la cual la placa 6a de refrigeración plana tiene una superficie 30 externa con aletas, que es refrigerada usando bien sea convección natural o forzada, por ejemplo en el último caso un fluido de refrigeración, típicamente aire, es dirigido (soplado) sobre las aletas y la placa 6a para refrigerar los electrodos.

En uso, como el líquido conductor es retenido o substancialmente retenido dentro de cada electrodo, las conexiones eléctricas deben estar dentro de ese electrodo 2 y no en tuberías cercanas como puede ser el caso para sistemas de flujo pasante. Esto se logra de manera muy efectiva aplicando la tensión del electrodo a través de la placa 6a (Fig. 3) que proporciona un excelente medio para suministrar carga al líquido conductor de la cámara 11. En la Fig. 3 podría decirse por lo tanto que el electrodo 2 es un electrodo compuesto con una placa 6a metálica y un líquido 11 conductor que forman un electrodo compuesto. Además, la placa 6a forma una superficie restrictiva para el líquido conductor en la cámara 11 y está diseñada para proporcionar integridad estructural al conjunto de electrodos 2.

Para diseños en los cuales el calor es extraído del líquido conductor a través de la placa 6a, y no a través de un serpentín de refrigeración interno, el espesor (distancia d) del líquido conductor puede ser reducido para reducir además el peso dentro del conjunto 2. La distancia d (Fig. 1) entre la placa 6 y la pared interior 5, es decir el espesor de la capa de líquido conductor está, para los electrodos que se muestran en las Figs. 1 y 2, típicamente en el intervalo de 5 a 45 mm y preferiblemente entre 5 y 30 mm. No obstante, tales espesores sólo están restringidos por la capacidad del líquido para difundir anomalías eléctricas locales en la superficie de la pared exterior 6 a través de la cara de la placa 6 de manera que se proporciona una carga homogénea a la pared interior 5. En la práctica, por lo tanto la distancia d puede incluso estar por debajo de 1 mm para líquidos conductores hechos de soluciones salinas concatenadas, evitando sistemas de refrigeración en la cámara 11. En los electrodos que tienen menores valores de d (< 10 mm), tal como potencialmente los mostrados en las Figs. 3 y 4, los líquidos conductores utilizados experimentan fuerzas capilares que tienen el efecto de arrastrar al líquido al hueco 60 que provoca una notable caída en la cabeza hidrostática dentro del líquido conductor. Esta caída en la cabeza hidrostática reduce la fuerza aplicada a la pared interior 5 y reduce también la distorsión del material dieléctrico utilizado como pared interior 5 debido al peso del líquido conductor. El líquido conductor resulta efectivamente autoportante, lo que es beneficioso en la construcción de paredes interiores hechas de materiales dieléctricos 5 que tienen áreas de superficie mayor de 1 m^{2}.

A valores de d más pequeños (< 10 mm) la porción convectiva de la transferencia de calor desde el material dieléctrico de la pared interior 5 hacia la placa 6 ó 6a resulta despreciable y domina la conducción térmica. Sería por lo tanto beneficioso optimizar la conductividad térmica del líquido eléctricamente conductor y, debido a la movilidad del líquido en un compuesto no fluyente el hueco entre electrodos ya no es crítico, la viscosidad del líquido conductor ya no necesita ser una restricción. La movilidad del líquido conductor sólo es necesaria para asegurar la adaptación a la forma del líquido tanto con la superficie dieléctrica como metálica del electrodo.

Todas las realizaciones descritas en las Figs. 1 a 4 evitan el incremento de la presión que resulta de la necesidad de bombear un líquido a través de los electrodos como se describe en la técnica anterior. La eliminación de la presión de bombeo del sistema deja sólo la cabeza hidrostática desde la altura del líquido contenido dentro del conjunto y de esta manera reduce la probabilidad de abombar las paredes del electrodo, lo que reducirá la eficiencia del sistema de electrodos y su capacidad de producir un plasma consistente a través de la zona de plasma.

La Fig. 5a muestra un conjunto de electrodos en los que el líquido eléctricamente conductor usado previamente es reemplazado por una pasta 40 térmica y eléctricamente conductora en la cámara 11, lo que afecta tanto a un campo eléctrico homogéneo como al transporte de calor eficiente desde la pared interior 5 hasta la placa 6 refrigerada que tiene aletas 9 ó similares 30. La Fig. 5b muestra un conjunto de electrodos que usa una pieza dieléctrica 67, que tiene una cámara 11b, que ha sido fabricada a partir del cuerpo del dieléctrico 67. En esta realización, el dieléctrico está adaptado para recibir la placa 6a que tiene aletas 30 de refrigeración y alberga el líquido eléctricamente conductor. Típicamente el material dieléctrico es vaciado, con o sin nervios 15 de soporte que cuando están presentes están conformados dejando secciones sin vaciar. El material dieléctrico utilizado es típicamente una lámina de plástico de fabricación (polietileno, polipropileno, policarbonato o materiales propietarios tales como PEEK) o cerámicas de fabricación. Cada electrodo 2 pueden entonces ser ensamblado con líquido conductor en la cámara 11b y sellado con una placa 6a metálica con aletas 30 que puede ser refrigerada mediante aire o líquido enfriado. En la realización descrita en la Fig. 5b, el material eléctricamente conductor es normalmente un líquido conductor tal como una solución salina.

En la Fig. 5c la necesidad de la cámara 11b vaciada puede ser evitada reemplazando el líquido conductor con una capa curada o no curada adecuada de pasta 62 eléctricamente conductora que se sitúa entre la pared interior 5 y la placa 6a. La pasta puede permanecer sin curar, pero preferiblemente es curada para mejorar la adhesión tanto a la placa 6a como al dieléctrico 61. De nuevo la placa 6a es refrigerada mediante aire o líquido enfriado. En las realizaciones descritas en las Figs. 5a, 5b y 5c el potencial eléctrico es aplicado a la placa 6a metálica y dispersado uniformemente a la cara trasera de la pared interior 5 a través del líquido conductor y de la pasta respectivamente en la cámara 11.

En otra realización más de la invención el líquido conductor es alojado dentro de las regiones interna y externa de una disposición de tuberías concéntricas dobles como se ve en las Figs. 6 y 7, en las que el hueco entre el tubo exterior 32 y el tubo interior 34 forma una zona 36 de plasma que en uso es generada entre los tubos. Esta realización puede ser utilizada para tratar materiales tales como gases, aerosoles líquidos, polvos, fibras, copos, espumas etc. que pueden ser transportados a través de tales disposiciones de tubos concéntricos para el tratamiento de plasma. En el caso de materiales sólidos, tales como polvos, el tubo puede por ejemplo ser utilizado en una posición substancialmente vertical como se ve en la Fig. 7. En esta realización como se ve en las Figs. 6 y 7, un líquido de refrigeración puede hacerse pasar en, a través de y fuera del tubo interior 34 por medio de la entrada 3a y de la salida 4a y un serpentín 25a de refrigeración exterior puede ser utilizado para rodear al menos substancialmente el tubo exterior 32 con el fin de eliminar el calor generado por el tratamiento del plasma.

En otra realización de la presente invención, como se muestra en la Fig. 8, cuando se requiere para tratar mediante plasma la superficie interior 40 de un recipiente 38, el citado recipiente 38 es parcialmente sumergido en un baño de líquido 42 conductor cargado. La forma líquida del electrodo asegura la completa adaptación a la forma del electrodo exterior con topologías superficiales complejas del recipiente 38. Alternativamente, podría construirse un molde adaptado a la forma usando una membrana 44 dieléctrica flexible o similar, mantenida en su sitio por medio de la introducción de un gas de inflado 50. El potencial contrario podría ser suministrado mediante un electrodo opuesto dentro del recipiente que podría afectar a la zona de plasma en la superficie interior, teniendo el electrodo interior un revestimiento dieléctrico para evitar descargas localizadas. Mientras que el electrodo interior puede ser una probeta sólida, puede también adaptarse a la forma en naturaleza, asegurando así que se mantiene el paralelismo local entre las superficies de potencial promoviendo por ello las condiciones para los plasmas de descarga luminiscente. Alternativamente, puede haber un electrodo líquido 51 que tenga una entrada 3c y una salida 4c para introducir y eliminar líquido conductor, dentro y fuera del electrodo 51 por medio de válvulas (no mostradas). En tal caso, la zona de plasma 8 tiene su hueco mantenido mediante el uso de separadores 7a. Artículos para tratamiento pueden ser topológicamente abiertos o parcialmente cerrados (tales como botellas o recipientes). En el caso de objetos parcialmente cerrados, la superficie adaptada a la forma interior podría generarse mediante un balón expandido presurizado mediante el líquido conductor o mediante un gas introducido alrededor en el cual se mantiene cautivo un líquido conductor. Tal concepto podría usarse en el tratamiento de plasma de botellas o recipientes similares, en los que la botella es parcialmente sumergida en un baño de solución salina conductora o, introducida en un molde dieléctrico flexible al que se presuriza y se hace que se adapte a la forma de contornos exteriores de la superficie de la botella, simultáneo con la expansión de un balón dieléctrico interno para adaptarse a la forma de la superficie interior, siendo los electrodo líquidos interiores y exteriores de polaridad opuesta.

En otra realización más de la presente invención representada en la Fig. 9a se proporciona un conjunto 100 de plasma atmosférico que comprende una unidad de generación de plasma 107 atmosférico que tiene un cuerpo 117 substancialmente cilíndrico que tiene a su vez una sección recta substancialmente circular, la cual contiene una entrada de gas de proceso (no mostrada) para introducir un gas de proceso que se utiliza para afectar al plasma, un inyector ultrasónico (no mostrado) para introducir un material que forma revestimiento de líquido atomizado y/o sólido y un par de electrodos 104 que contienen líquido, conteniendo los dos un líquido conductor en una carcasa hecha de material dieléctrico 103. Los electrodos se mantienen separados una distancia predeterminada por medio de un par de separadores 105 de electrodos. Los electrodos 103, 104 sobresalen hacia afuera de la unidad de generación de plasma 107. El hueco entre los electrodos forma una zona 106 de plasma. La unidad de generación de plasma 107 puede ser diseñada de tal manera que la única salida para el gas de proceso y el agente reactivo introducido en la unidad 107 es capaz de pasar a través de la zona 106 de plasma entre electrodos 103, 104 revestidos con dieléctrico. La unidad de generación de plasma 107 atmosférico está fijada en su sitio y un substrato 101 pasa por debajo del conjunto en cualquier forma de medio de transporte (no mostrado) que puede variar para adecuarse al substrato que se está tratando teniendo en cuenta el hecho de que el transportador no forma parte del conjunto.

La unidad extractora 108, como la unidad de generación de presión atmosférica 107 es generalmente cilíndrica con una sección recta substancialmente circular y está hecho de un material dieléctrico tal como polipropileno o PVC. Las unidades 107 y 108 son concéntricas con la unidad extractora 108 que tiene un diámetro mayor. La unidad extractora 108 comprende un labio 115 que rodea a los electrodos 103, 104 y forma un canal 109 entre ellos mediante el cual el gas de proceso residual, reactivo y subproducto es extraído. El extremo del labio 116 está diseñado para ser equidistante del substrato 1 puesto que es la base de los electrodos 103, 104 pero puede estar más cerca. El extractor 108 comprende también una salida a una bomba (no mostrada) que se usa para extraer el gas de proceso residual, el agente reactivo y los productos intermedios del conjunto. Las barras acondicionadoras 102 se proporcionan externas a los labios 116 para minimizar el ingreso de aire de la atmósfera en la unidad de extracción 109, son cierres de labio que tocan el substrato 101 ó dependientes del substrato que son tratados también pueden ser barras anti-estáticas como usadas en la industria de la película de plástico que elimina la estática de la superficie del substrato usando un potencial estático elevado y opcionalmente usan chorros de aire para eliminar las partículas de polvo y los cepillos de carbono antiestáticos.

Los electrodos de la presente invención pueden ser utilizados para formar una zona de plasma estrecha entre el los canales de líquido conductor adyacentes en los electrodos 103, 104 creados para reducir las caras dieléctricas de un conjunto de placas paralelas hasta una pequeña altura (Fig. 9a), o más simplemente, formando pares de electrodos opuestos de dos tubos dieléctricos no conductores situados uno al lado de otro y separados equidistantemente hasta sus longitudes (Fig. 9b). Los gases de plasma dentro de esta región intertubo son eliminados por medio de la unidad extractora 108. Este diseño de electrodo libre de metal proporciona un campo eléctrico más homogéneo entre los electrodos eliminando cualquier rugosidad superficial que podría provocar micro-descargas a través del estrecho hueco.

Otra realización más (Fig. 10) de la presente invención es retener un líquido conductor a través de tubos flexibles que podrían estar unidos entre sí en pares 130, 132 paralelos de tensión opuesta y de este modo estar formados como láminas planas que podrían ser dobladas para adaptarse a las superficies contorneadas como se muestra en la Fig. 10. El campo eléctrico entre tubos de tensión alterna se extiende tanto sobre como por debajo de láminas de manera que podría formarse una zona de plasma en estas áreas en presencia de composiciones de gas de proceso adecuadas como es conocido en la industria. Las láminas formadas de esta manera podrían ser envueltas alrededor de la superficie de objetos contorneados. Esto sería particularmente útil para el tratamiento de superficies parciales u objetos grandes, voluminosos que no pueden hacerse pasar fácilmente a través de sistemas de tratamiento de plasma atmosférico convencionales. Una disposición alternativa sería arrollar tubos de tensión opuesta entre sí como un par arrollado en espiral que podría estar formado en un tubo de diámetro ancho. Una zona de plasma podría ser generada tanto en la superficie exterior, pero de manera más útil, la superficie interior de este tubo arrollado para alimentar el tratamiento de tubos o botellas de pared delgada.

Ejemplo

Un ejemplo del uso de los electrodos de la presente invención en un sistema de descarga luminiscente a presión atmosférica se describe a continuación con referencia a Figs. 11 y 12 y a la Tabla 1.

La Fig. 11 representa cómo se trata un substrato flexible mediante plasma usando un conjunto del tipo descrito en la solicitud de patente co-dependiente del solicitante WO 03/086031 que incorpora los electrodos de la presente invención. Cada par de electrodos es del tipo descrito en la Fig. 5b anterior y tiene 1,2 m de ancho y 1 m de largo y contiene una solución de salmuera (2% en peso de cloruro de sodio) teniendo un espesor aproximado (d) de 24 mm entre la pared interior 67 y la pared trasera 6a (Fig. 5b). Un medio de transportar un substrato a través del conjunto se proporciona en forma de rodillos de guía 170, 171 y 172. Se proporciona una entrada de gas de proceso 175, una tapa 176 de conjunto y un inyector 174 ultrasónico para introducir un líquido atomizado en la zona de plasma 160. La entrada del gas de proceso 175 puede estar alternativamente situada en la tapa 176 del conjunto en lugar del lado, como se muestra en la Fig. 11).

En uso, un substrato flexible es transportado hacia y sobre un rodillo de guía 170 y es por ello guiado a través de la zona de plasma 125 entre los electrodos de salmuera 120a y 126a. El plasma en la zona de plasma 125 es un plasma de helio para limpieza, es decir ningún agente reactivo es dirigido a la zona de plasma 125. El helio es introducido en el sistema por medio de la entrada 175 y es dirigido hacia la zona de plasma 160, entre los electrodos 126b y 120b y sobre el rodillo 172 y a continuación pueden pasar a otras unidades del mismo tipo para otro tratamiento. No obstante, la zona de plasma 160 genera un revestimiento para el substrato por medio de la introducción de un precursor reactivo. El precursor reactivo puede comprender un material para formar un revestimiento gaseoso, líquido y/o sólido, pero son preferiblemente materiales para formar revestimiento líquidos y sólidos introducidos en una forma líquida o sólida mediante un nebulizador 174. Un aspecto importante del hecho de que el agente reactivo que es revestido sea un líquido o sólido es que el citado líquido atomizado o sólido por gravedad a través de la zona de plasma 160 y se mantiene separado de la zona de plasma 125 y de esta manera no tiene lugar ningún revestimiento en la zona de plasma 125. El substrato que se va a revestir se hace pasar a continuación a través de la zona de plasma 160 y a continuación es revestido y transportado sobre el rodillo 172 y es recogido a continuación o tratado además con, por ejemplo, tratamientos de plasma adicionales.

Un precursor líquido atomizado es introducido en la zona de plasma 160 desde el nebulizador 174 que en el caso de un líquido, genera una niebla de gotitas de precursor. Las gotitas de precursor interaccionan con el plasma y el substrato para generar un revestimiento, cuya estructura química está directa y estrechamente relacionada con el precursor. El nebulizador 174 es activado ultrasónicamente y es flujo de líquido es controlado usando mass flow controllers (MFCs - Controladores de Flujo Másico). El plasma es generado aplicando una tensión eléctrica elevada a través del hueco entre pares de electrodos adyacentes. Una tensión elevada fue suministrada a los electrodos desde un generador de frecuencia variable con un transformador de alta tensión en la salida. La potencia máxima de este generador es 10 kW con una tensión máxima de 4 kV RMS (root mean square - error cuadrático medio) y una frecuencia en el intervalo de 10-100 kHz. Mediciones eléctricas registradas durante el procesamiento se obtuvieron del propio generador y de las probetas de tensión y corriente montadas en los electrodos. Cada electrodo fue de 1,2 m de anchura y 1 m de longitud. Se emplean cuchillos de aire de alta presión para refrigerar las paredes traseras del electrodo junto con las aletas de refrigeración para asegurar que las temperaturas del electrodo se mantienen por debajo de 80ºC.

Comportamiento de la Descarga Luminiscente

Las descargas de barrera dieléctrica tienen lugar bien como descargas luminiscentes o de filamento. Las descargas de filamento tienen lugar cuando no-uniformidades locales bien en el potencial de campo eléctrico o en las densidades de carga provocan que la ionización del gas resulte localizada y provocan una descarga de corriente altamente concentrada durante un intervalo de tiempo muy corto (en la región de aproximadamente 2-5 nanosegundos de duración). Estos tipos de descargas pueden producir revestimientos no uniformes o dañar los substratos debido a la naturaleza localmente intensa de las descargas de filamento. La elección de los electrodos de acuerdo con la presente invención en combinación con geometrías de electrodo adecuadas, composiciones de gas y condiciones de potencia/frecuencia aseguran que las descargas de barrera dieléctrica a presión atmosférica pueden tener lugar en modos de descarga luminiscente en los que el plasma se forma uniformemente a través de la anchura de los electrodos. Esto provoca una descarga de corriente que es mucho más larga que la descarga de filamento con una duración de 2-10 microsegundos que resulta en la formación de revestimientos significativamente más uniformes.

En el presente ejemplo, a continuación de la descarga de corriente en el conjunto a presión atmosférica se realizó un seguimiento y medición de la luz emitida desde el plasma usando fotodiodos de alta velocidad. La Fig. 12 muestra la salida del fotodiodo resultante del plasma en las siguientes condiciones; 1000 W, 10 litros por minuto de helio. La salida muestra picos de corriente de duración entre 1 y 3 micras, lo que es claramente indicativo de un modo de operación de descarga luminiscente.

Revestimientos hidrofóbicos

El aparato como el descrito anteriormente fue utilizado en combinación con tetra-metil-ciclo-tetra-siloxano que fue depositado sobre la superficie de un substrato no tejido de tereftalato de polietileno (PET) cuando se hace pasar a través de la zona de plasma 160. El PET era extremadamente hidrófilo antes del tratamiento.

La respuesta hidrofóbica fue medida después del tratamiento usando soluciones de probetas con diferentes concentraciones de isopropyl alcohol (IPA - Alcohol Isopropílico) en agua. Usando velocidades de flujo precursor de aproximadamente 400 - 1000 \mul/min, se pudieron conseguir potencias entre 5 y 9 kW y velocidades de substrato de entre 2 y 10 m/min y respuestas hidrofóbicas de hasta el nivel 5 en la escala, sin ningún efecto adverso en ningunas otras propiedades físicas del substrato.

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TABLA 1 Escala usada para medir la respuesta hidrofóbica de substratos PET

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Claims (18)

1. Un conjunto (1) generador de descarga luminiscente y/o de descarga de barrera dieléctrica de plasma que comprende al menos un par de electrodos (2) separados de manera substancialmente equidistante, estando la separación entre los electrodos adaptada para formar una zona de plasma (8) cuando se introduce un gas de proceso y se permite el paso, cuando se requiere, de un precursor o precursores gaseosos, líquidos y/o sólidos, en el que al menos uno de los electrodos (2) comprende una carcasa (20) que tiene una pared interior (5) y exterior (6), en el que la pared interior (5, 6) está formada de un material dieléctrico no poroso, y cuya carcasa (20) retiene al menos un material eléctricamente conductor substancialmente no metálico caracterizado porque se proporcionan medios para variar el tamaño funcional de cada electrodo mediante la introducción y la eliminación del citado material eléctricamente conductor no metálico.

2. Un conjunto de acuerdo con la reivindicación 1 en el que se proporciona una pluralidad de electrodos (2).

3. Un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material eléctricamente conductor substancialmente no metálico es un disolvente polar.

4. Un conjunto de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el disolvente polar es agua, un alcohol y/o glicol.

5. Un conjunto de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4, en el que el material eléctricamente conductor no metálico es una solución salina.

6. Un conjunto de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el material eléctricamente conductor substancialmente no metálico es seleccionado de una pasta polímero metálica y un adhesivo conductor.

7. Un conjunto de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la pasta de polímero conductor y el adhesivo conductor son curables.

8. Un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que cada carcasa (20) tiene una entrada (3) o una entrada (3) o una salida (4) de manera que ningún material eléctricamente conductor no metálico puede ser introducido y eliminado del electrodo (2) por medio de la citada pared interior (3) y/o una salida (4).

9. Un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, en el que en el que la pared trasera (6) del electrodo es un disipador de calor.

10. Un conjunto de acuerdo con la reivindicación 8, en el que uno o más serpentines (25) de refrigeración o aletas (30) de refrigeración está/están fijados a la pared trasera (6, 6a) para refrigerar el líquido conductor y el conjunto (1).

11. Un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los electrodos (2) son en forma de cilindros (32, 34) concéntricos.

12. Un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada electrodo (2) es cuboidal, comprendiendo una carcasa que tiene una cámara (11b) adaptada para recibir el material eléctricamente conductor al menos substancialmente no metálico, cuyo electrodo (2) está hecho de una sola sección de material dieléctrico (67) separada de una placa trasera (6a) metálica que está adaptada para funcionar como un disipador de calor.

13. Un conjunto de plasma a presión atmosférica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende un primer y un segundo par de electrodos planos separados paralelamente (120a, 126a y 126b, 120b), formando la separación entre cada uno de los pares de electrodos primero y segundo unas zonas de plasma primera y segunda (25, 60) caracterizado porque el conjunto comprende también un medio de transportar un substrato (70, 71, 72) sucesivamente a través de las zonas de plasma primera y segunda (25, 60) y un atomizador (74) adaptado para introducir un líquido gaseoso o atomizado y/o materiales para formar recubrimiento en una de las citadas zonas de plasma primera y segunda.

14. Un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la variación del tipo y concentración de especies iónicas en el líquido conductor controla la capacitancia y la impedancia de los electrodos.

15. Uso de un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes para el tratamiento de películas, fibras sintéticas y/o naturales de tejido no tejido y tejido, tejidos, fibras tejidas o no tejidas, material de celulosa y/o láminas de metal.

16. Uso de un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 para el tratamiento de polvos y materiales en forma de partículas.

17. Un par de electrodos separados de manera substancialmente equidistante en los que al menos uno de los electrodos (2) comprende una carcasa (20) que tiene una pared interior (5) y exterior (6), en el que la pared interior (5) está formada de un material dieléctrico no poroso, y cuya carcasa (20) retiene substancialmente un material eléctricamente conductor al menos substancialmente no metálico caracterizado porque se proporciona medios para variar el tamaño funcional de cada electrodo mediante la introducción y la eliminación del citado material eléctricamente conductor no metálico.

18. Un método de tratamiento de un substrato mediante plasma con un conjunto generador de descarga luminiscente de plasma y/o de descarga de barrera dieléctrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 comprendiendo el citado método hacer un substrato a través de una zona de plasma (8) formada afectando un plasma entre los electrodos (2).