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Excimer: Die Erklärung der Technik

August 6th 2019

Excimer: Die Erklärung der Technik

Was genau verbirgt sich hinter der Excimer-Technologie?

Was bedeutet eigentlich Excimer?

Der Ausdruck Excimer bezeichnet einen vorübergehenden atomaren Zustand, in dem hochenergetische Atome bei elektronischer Anregung kurzlebige Molekülpaare oder Dimere bilden. Diese Paare werden als angeregte Dimere (engl. excited dimer) bezeichnet. Wenn die angeregten Dimere in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, wird die Restenergie als ultraviolettes-C (UV-C) Photon freigesetzt.

In den 1960er Jahren etablierte sich in der Wissenschaftsgemeinde ein neues Portmanteau, Excimer, das sich schließlich als die allgemein anerkannte Bezeichnung für angeregte Dimere durchsetzte. 

Per Definition bezieht sich der Ausdruck Excimer nur auf homodimere Bindungen zwischen gleichartigen Molekülen. In einer Xenon-Excimer-Lampe beispielsweise bilden hochenergetische Xe-Atome angeregte Xe2-Dimere. Diese Dimere führen zur Freisetzung von UV-Photonen der Wellenlänge 172 nm, die in der Industrie häufig zur Oberflächenaktivierung verwendet wird.

Im Falle von angeregten Komplexen, die aus heterodimeren (zwei unterschiedlichen) Atomen oder Molekülen bestehen, lautet die offizielle Bezeichnung für das resultierende Molekül Exciplex. Krypton-Chlorid (KrCl)-Exciplexe sind besonders attraktiv, da sie UV-Photonen mit 222 nm Wellenlänge emittieren. Diese Wellenlänge ist bekannt für ihre hervorragenden antimikrobiellen Desinfektionseigenschaften.

Es besteht allgemein Einigkeit darüber, dass sich unter dem Begriff Excimer sowohl die Entstehung von Excimer- als auch von Exciplex-Strahlung fassen lässt, weshalb sich im Zusammenhang mit entladungsbasierten Excimer-Strahlern die Bezeichnung Excimer-Lampe eingebürgert hat.

Excimer /ˈɛksɪmə/ ist ein kurzlebiges Molekül und leitet sich ab vom Begriff – also angeregter Dimer. Es entsteht durch eine Bindung kleinerer elektronisch angeregter Atome oder Moleküle

Wie funktionieren Excimer-Lampen?

Excimer-Lampen sind speziell beschichtete, edelgasgefüllte Strahler, die die gewünschte Vakuum-Ultraviolett-Wellenlänge (VUV) abstrahlen, je nachdem, welche Edelgase in der abgedichteten Quarzglaskammer enthalten sind.

Wenn hochenergetische Elektronen von außen in die Lampenkammer eintreten, kommt es zu einer intensiven Plasmaentladung (auch als stille elektrische Entladung oder dielektrische Barriereentladung bezeichnet). Das generierte Plasma enthält nun hochenergetische Elektronen und kann unmittelbar erlöschen. Das Plasma induziert die atomare Anregung des Edelgases in der Lampe und löst so die Bildung von angeregten Dimeren aus.

Als Endphase der Reaktion folgt die Emission. Diese Phase ist abgeschlossen, wenn die Excimer-Moleküle dissoziieren und innerhalb von Nanosekunden wieder in ihren ursprünglichen Zustand (Grundzustand) zurückkehren, wodurch sie die Emission der excimerspezifischen UV-Strahlung auslösen.

Die emittierten Photonen bewegen sich durch die Luft, wobei sie teilweise von Sauerstoff absorbiert werden und so auf dem Substrat Ozon entstehen lassen. Das Ozon bricht die molekularen Bindungen der Oberfläche auf.

Die aufgebrochenen Substratmoleküle werden teilweise entfernt, so dass letztlich eine chemisch behandelte Deckschicht zurückbleibt. Dieser Effekt tritt über die gesamte Länge der Excimer-Lampen von Ushio auf, die Licht mit einer Wellenlänge Ihrer Wahl von 172 bis 310 nm emittieren können. Je nach gewünschter Wellenlänge kann die Excimer-Lampenkammer mit verschiedenen Edelgaskombinationen befüllt werden. Alle Lampen können von Ushio bei der Fertigung individuell an Ihre Bedürfnisse angepasst werden.

Fern-UVC-Excimer mit 222 nm Wellenlänge erfährt auch aufgrund seiner Fähigkeit, Oberflächen gründlich zu desinfizieren, große Aufmerksamkeit. Die Besonderheit von 222 nm besteht darin, dass diese Wellenlänge im Gegensatz zu herkömmlichen UV-Desinfektionslampen mit 254 nm keine Schädigung des organischen Gewebes auf molekularer Ebene verursacht. Dies bedeutet, dass 222-nm-Strahlung auch in Gegenwart von Personen eingesetzt werden kann. Diese Wellenlänge ist das Hauptmerkmal der Care222 UV-Desinfektionslösungen von Ushio.

Die am häufigsten verwendete Excimer-Wellenlänge in industriellen Anwendungen ist 172 nm. Mit ihrer Energie von 7,23 eV ist sie stark genug, um alle wichtigen Bindungen organischer Moleküle direkt aufzubrechen, mit Ausnahme der Bindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff (C=O) und bestimmter anorganischer Oxide. Dies macht es zur optimalen Wahl für Oberflächenmodifizierung, Reinigung und Mattierung. Insbesondere die Kunden der ExciJet-Module von Ushio sind an dieser Wellenlänge für ihre Anwendungen interessiert.

Mit Excimer-Strahlung lässt sich in nur einem einzigen Verfahren die Oberfläche sowohl reinigen als auch :

Excimer-Strahlung für höhere Oberflächenenergie und Benetzungsfähigkeit

Excimer-Strahlung bewirkt durch Erhöhen der Oberflächenenergie – gemessen in Millinewton pro Meter (mN/m) – eine Aktivierung der Oberfläche. Die Oberflächenenergie bestimmt den Kontaktwinkel zwischen einer Flüssigkeit und einer festen Oberfläche. Um beispielsweise beim Drucken und Kleben eine gute Haftung und gleichmäßige Verteilung zu erreichen, ist ein kleinerer Kontaktwinkel notwendig.

Excimer-Kontaktwinkel und Benetzungsfähigkeit

Erforderliche Oberflächenenergie (indikativ):

Excimer-Behandlungseffizienz bei PVC

Die Oberflächenbestrahlung von Polymeren und anderen Verbundwerkstoffen mag zwar die gängigste Anwendung der Excimer-Technologie sein, jedoch lassen sich nahezu alle Oberflächen damit behandeln. Wenn die Excimer-Technologie auf Siliziumwafer, Metalle und Glas angewendet wird, lassen sich deutliche Verbesserungen bei Reinigung, Beschichtung und Verklebung erzielen. In einigen Fällen kann sogar der Zustand der Superhydrophilie erreicht werden. Dann geht der Kontaktwinkel der Flüssigkeit gegenüber der Oberfläche gegen Null und aus dem Flüssigkeitstropfen entsteht ein Flüssigkeitsfilm.

Excimer-Benetzungsfähigkeit von Metallen

Excimer-Technologie als sanfte Alternative zu Korona- und Plasmaentladungsbehandlungen

Die Excimer-Technologie eignet sich als Alternative zu korona- und plasmabasierten Oberflächenbehandlungsverfahren.

Im Vergleich zu anwendungsähnlichen Infrarotverfahren entsteht durch das bei der Excimer-Technologie verwendete Kaltlicht erheblich weniger Überschusswärme. Die Excimer-Technologie erzeugt so gut wie keine IR-Emissionen, und somit kommt es auch nicht zu einer thermischen Belastung des Substrats. Aufgrund dieser geringeren thermischen Belastung wird die Oberflächenstruktur nicht beschädigt, was wiederum zu besseren Haftergebnissen führt.

Korona- und Plasmabehandlungen basieren auf elektrischer Entladung. Die Oberfläche des behandelten Objekts wird dadurch stärker beansprucht. Elektrische Entladung tritt auf, wenn Fluide in der Luft um einen Leiter herum ionisiert werden. Dies geschieht im Falle von Korona- und Plasmabehandlungen durch das Anlegen einer Hochspannung zwischen zwei Elektroden.

Im Gegensatz dazu nutzen die Excimer-Lampen von Ushio zur Oberflächenbehandlung VUV-Licht. Dadurch kommt es weder zu Entladungsreaktionen noch zu Beschädigungen Ihrer Substrate. Die andernfalls erhebliche Wärmebelastung der Oberfläche entfällt ebenfalls. Aufgrund dieser geringeren Wärmebelastung ist die Excimer-Technologie letztlich die ideale Lösung für temperaturempfindliche Substrate, wie z. B. Folien.

 

„Excimer: Ein Kunstwort aus „excited“ (angeregt) und „dimer“. Damit wird die Verhaltensweise beschrieben, die Moleküle bei Bestrahlung mit VUV-Licht (Vakuum-Ultraviolettstrahlung) auf einer Substratoberfläche zeigen.“

Die von einer Excimer-Lampe emittierten Photonen besitzen im Vergleich zu den beschleunigten Partikeln anderer Behandlungsmethoden eine relativ geringe Energie. Für die Oberfläche ist damit ein spürbarer Unterschied verbunden: Bei diesem sanfteren Ansatz wird die Substratoberfläche nicht aufgeraut wie bei einer Korona- oder Plasmabehandlung.

Betrachtet man eine entladungsbehandelte Oberfläche unter dem Elektronenmikroskop, zeigt sich als Folge des molekularen Bombardements eine mondartige Struktur mit großen, verstreut liegenden Löchern. Bei Betrachtung des gleichen Materials nach einer Excimer-Behandlung zeigt sich eine nach wie vor glatte Oberfläche, die eine höhere Homogenität aufweist.

Da kein elektrisches Feld entsteht, führt die Excimer-Behandlung anders als die erwähnten Alternativen nicht zu Staubkontamination. Somit kann das Verfahren im gesamten Elektronikbereich eingesetzt werden, wo es sonst durch die Entladung zu elektrostatischen Problemen kommen kann.

Die aufgeführten positiven Effekte werden noch ergänzt durch einige willkommene technische Merkmale:

Die ExciJet-Serie von Ushio

Große Excimer-Oberflächenaktivierungseinheit – ExciJet

Die Excimer-Technologie ist – für manche vielleicht überraschend – keineswegs neu. Ushio entdeckt und optimiert schon seit einem Vierteljahrhundert weitere Anwendungen, und das unglaubliche Potenzial der Excimer-Technologie wird nicht weniger. Ein vorläufiger Höhepunkt wurde mit der sehr erfolgreichen Einführung der ExciJet-Serie erreicht, mit der die Technologie praktischerweise auch in tragbaren Lösungen nutzbar wird:

Mit dem Excimer-Modul von Ushio wird das Substrat während des Inline-Prozesses behandelt.

Sichere Fern-UVC-Excimer-Technologie für den Einsatz in Gegenwart von Menschen

Nicht zu Unrecht gilt ultraviolettes Licht allgemein als gefährlich für den Menschen, allerdings haben die Wellenlängen dieses Spektralbereichs durchaus auch ihre Vorteile. Quecksilberdampf-UV-Lampen werden häufig in direkten antimikrobiellen Anwendungen eingesetzt, da sie bei einer Wellenlänge von 254 nm emittieren. Bei 254 nm gewinnt das UV-Licht so stark an Intensität, dass es in die Epidermis eindringen und molekulare Veränderungen in den darunter liegenden Hautschichten hervorrufen kann. Diese Wellenlängen sind besonders schädlich für Haut und Augen und führen in vielen Fällen zu schweren Mutationen und Krankheiten wie etwa Krebs.

Die Wellenlängen der Excimer-Strahlung von Ushio können jedoch entsprechend der jeweils zu erzielenden Wirkung ganz individuell in einem Bereich von 170 bis 310 nm festgelegt werden. Es hat sich gezeigt, dass bestimmte Wellenlängen innerhalb des Fern-UVC-Bereichs von 207 bis 222 nm in der Lage sind, Oberflächen zu desinfizieren, ohne die mit anderen Wellenlängen einhergehenden irreparablen organischen Schäden zu verursachen.

222 nm hat sich als die sicherste Wellenlänge bei längerer Exposition des Menschen erwiesen. In diesem Intensitätsbereich kann die 222-nm-UV-Strahlung nicht in die oberste Hautschicht oder in die Augenlinse eindringen und deaktiviert einfach alle Bakterien, die sich auf der Oberfläche befinden.

Unsere Oberflächenaktivierungstechnologie wurde entwickelt, um Licht mit einer Wellenlänge von 172 nm auf die Substrate Ihrer Wahl zu fokussieren. Unser PureRelease-Modul zur Wasseraufbereitung beweist wiederum, dass UV-Licht mit einer Wellenlänge von 242 nm bei der direkten Desinfektion von Wasser am Auslass am effektivsten ist.

Erleben Sie VUV-Bestrahlung selbst im Excimer Innovation Lab von Ushio

Ushio verzeichnet eine enorme Zunahme der Anfragen rund um Excimer-Lösungen und ist im Zusammenhang damit regelmäßig mit großem Erfolg bei der Composites EuropeInPrintK 2019 und LOPEC vertreten.

Unsere hauseigenen Excimer-Experten Esmat Jawad und Dr. Jörg Söllner waren dieses Jahr mit einem speziellen Vorführ-Kit dabei.

Verschiedene Substrate wurden zunächst mit einer modularen 172-nm-Lampe aus der ExciJet-Reihe behandelt, beim Benetzen der Oberflächen mit Wasser kam dann das aufgestrahlte Ushio-Logo zum Vorschein.

Besucher konnten sich so am Messestand von der Qualität der Excimer-Oberflächenaktivierung überzeugen. Diese Live-Demonstration ist typisch für die bei Ushio im Excimer Innovation Lab getesteten Anwendungen.

Sie veranschaulicht beispielhaft die einfachen Verfahren, mit denen Ushio optimale Standards für individuelle Implementierungen gewährleistet.

Die Excimer-Lichttechnologie von Ushio ermöglicht es, Präzisionsteile etwa aus den Bereichen Optik und Medizintechnik ohne Einsatz von Klebstoffen oder Chemikalien zu verbinden. Bei der Behandlung werden zwei Substrate zusammengepresst, so dass bei niedrigem Druck und geringer Temperatur bereits nach kurzem Tempern eine starke, dauerhafte Verbindung entsteht.

Die von Ushio entwickelte Excimer-Technologie hat sich bei folgenden industriellen Prozessen erfolgreich bewährt:

Individuell konfigurierte Excimer-Lampen und zugehörige Gehäuse sind auf Anfrage erhältlich – damit erschließen sich enorme Anwendungsmöglichkeiten bei verschiedenen Materialien und Oberflächen. Dank des integrierten Netzteils und der völlig flexiblen Spezifikationen lassen sich unsere Excimer-Lampen und -Module ohne weiteres an Ihre spezifischen Anforderungen anpassen. Ushio kann Ihnen nicht nur dabei helfen, das richtige Produkt für Ihre Anforderungen zu finden, sondern gibt Ihnen ausgehend von jahrelanger Forschung auch Empfehlungen rund um Verfahren und Ausführung.

Excimer-Modul ExciJet von Ushio

Excimer-Lampen und -Module von Ushio sind das Ergebnis von 30 Jahren Forschung und Entwicklung – auch heute noch werden ständig neue Anwendungsfortschritte erzielt. Ein jüngstes Ziel des Forschungsteams war es, das Drucken von 3D-Elektronik direkt auf eine vorbehandelte Oberfläche zu ermöglichen.

Dieser Fortschritt dürfte vor allem für solche Produkte von großer Bedeutung sein, bei denen eine erhebliche Gewichtseinsparung im Vordergrund steht, beispielsweise in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Für diese wichtigen Branchen dürfte ebenfalls von Interesse sein, dass sich bestimmte Materialien per Excimer-Technologie auch klebstofffrei zusammenfügen lassen.

Es ist sogar möglich, bestimmte Polymere mit Quarzglas zu verbinden! Im folgenden Diagramm sind Beispiele für Glas-, Mineral- und Polymerarten aufgeführt, die unter Einsatz der Excimer-Technologie miteinander verbunden werden können.

Diagramm zu klebbaren Substraten von Ushio Excimer

Ushio-Lösungen für die Excimer-Bestrahlung

Alles in allem sind die Erfordernisse der jeweiligen Prozesse ausschlaggebend. Das Ushio-Team berät Kunden äußerst kompetent – genau deshalb kommen sie immer wieder.

Die Vorteile der Excimer-Technologie liegen klar auf der Hand, und die Oberflächenaktivierung ist nützlich für alle möglichen Anwendungen. Wird jedoch das falsche Verfahren gewählt, kann es später zu teuren Komplikationen kommen.

Die Excimer-Technologie ermöglicht auf einzigartige Weise eine Bestrahlung ohne elektrische Entladung direkt auf der Substratoberfläche. Dadurch haften Tinten, Klebstoffe und andere Materialien länger auf den aktivierten Oberflächen.

Strichcode-Vergleich: Farbhaftung mit und ohne Excimer-Technologie

Die hoch qualifizierten Entwicklungs- und Produktionsteams von Ushio stehen Ihnen gern für eingehende Problemstudien, gründliche Forschungsanalysen und umfangreiche Tests zur Verfügung. Kundenorientierung bedeutet für Ushio, dass Ihre Vorgaben penibel umgesetzt werden.

Wenn es um Qualität geht, spielt das Ushio-Team seine Stärke aus. Das gilt auch für den Kundenservice: Akribische Mitarbeiter sorgen für hundertprozentige Zufriedenheit – Konzept und Lösung werden genau auf Ihre Anforderungen abgestimmt.

Noch nicht überzeugt? Einige Ushio-Kunden und -Geschäftspartner empfehlen die Excimer-Technologie überzeugt weiter. Klicken Sie auf die Symbole unter den einzelnen Kundenreferenzen, um mehr über Erfolgsbeispiele rund um die Excimer-Technologie von Ushio zu erfahren.

„Die Sterilisation von medizinischen Instrumenten ist äußerst wichtig – jede Verbesserung in diesem Bereich kann Leben retten. Um gleichbleibende Qualität zu sichern und uns ständig zu verbessern, arbeiten wir mit zuverlässigen Partnern zusammen. Einer davon ist Ushio. Bei unserer medizinischen Sterilisation verlassen wir uns auf die Präzision der Excimer-Technologie. Das Ushio-Team hat uns mehrere Entwurfsvorschläge unterbreitet. So konnten wir eine fundierte Entscheidung treffen und die besten Lampen für einen kontinuierlichen Fortschritt auswählen.“

„Ohne die Excimer-Technologie von Ushio hätten wir dieses Ergebnis niemals erreicht. Sie war die Lösung für unsere letzte große Problemstellung im Projekt. Das Team von Ushio hat sich von Anfang bis Ende intensiv in das Projekt eingebracht. Das Know-how und die Serviceorientierung von Ushio brachten das ohnehin hervorragende Ergebnis der Excimer-Technologie auf den Punkt. Mit dem Excimer konnten wir die Oberflächenhaftung so bearbeiten, dass wir schließlich die besondere Flexibilität und Transparenz erzielten, die das Photonflex-Projekt verlangte. Ushio hat dies optimal, schnellstmöglich und auf die beste Art und Weise umgesetzt.“

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