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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?

Der seit den 1960er-Jahren verwendete Begriff Excimer setzt sich zusammen aus „excited“ (angeregt) und „dimer“. Ein Dimer ist ein Molekül(verbund) mit zwei Untereinheiten.

Excimer-Strahlung wird durch eine mit Edelgas gefüllte VUV-Lampe (Vakuum-Ultraviolett) erzeugt. Wenn hochenergetische Elektronen von außen in die abgedichtete Lampe eintreten, entsteht eine starke 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 dadurch kommt es zur Bildung von Excimeren (angeregten Dimeren).

Excimere treten auf, wenn hochenergetische Orbitalatome angeregte molekulare Paare bilden. In einer Xenon-Excimer-Lampe bilden hochenergetische Xenon-Atome (Xe-Atome) angeregte Xe2-Moleküle.

Als Endphase der Reaktion folgt die VUV-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 des excimerspezifischen Lichtspektrums auslösen.

Die entstandenen VUV-Lichtpartikel bewegen sich durch die Luft und werden teilweise von Sauerstoff absorbiert, so dass sich auf dem Substrat Ozon bildet und die Molekularbindungen der Oberfläche aufbrechen.

Die gespaltenen Moleküle werden teilweise entfernt, so dass auf dem Substrat eine chemisch behandelte Deckschicht entsteht. Dieser Effekt verteilt sich über die gesamte Länge der Lampe, die Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 172 und 310 Nanometern (nm) emittieren kann. Während der Herstellung bei USHIO sind Anpassungen an die spezifischen Anforderungen möglich.

Am häufigsten wird eine Wellenlänge von 172 nm genutzt. Die Energie beläuft sich dann auf 7,23 Elektronenvolt – ausreichend Leistung, um alle wesentlichen Bindungen organischer Moleküle direkt aufzubrechen. Ausgenommen sind lediglich Doppelbindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff (C=O) sowie Bindungen bei einigen anorganischen Oxiden.

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

Per Definition bezieht sich der Begriff Excimer auf homodimere Bindungen zwischen Molekülen derselben Art. Bei angeregten Komplexen, die aus heterodimeren bzw. zwei verschiedenen Molekülen bestehen, lautet der offizielle Begriff für den entstandenden Molekülverbund Exciplex. Der Begriff Excimer wird jedoch im Allgemeinen auch zur Beschreibung dieser Bindungen verwendet.

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

  • Auf der Substratoberfläche befinden sich organische Verunreinigungen wie Fette oder Oxide, die die Oberfläche deaktivieren.
  • Die von einer speziell kalibrierten Excimer-Lampe emittierte 172-nm-Strahlung bricht die Molekülbindungen direkt an der Substratoberfläche auf.
  • Die von einer speziell kalibrierten Excimer-Lampe emittierte 172-nm-Strahlung bricht die Molekülbindungen direkt an der Substratoberfläche auf.

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
  • Oberflächenenergie der Flüssigkeit > Oberflächenenergie des Substrats: Geringe Benetzungsfähigkeit und Haftung
  • Oberflächenenergie der Flüssigkeit = Oberflächenenergie des Substrats: Kontaktwinkel 90°, durchschnittliche Benetzungsfähigkeit
  • Oberflächenenergie der Flüssigkeit < Oberflächenenergie des Substrats: Gute Benetzungsfähigkeit und Haftung

Erforderliche Oberflächenenergie (indikativ):

  • Lösemitteltinten: ≥ 34 mN/m
  • UV-Tinten: 36 - 42 mN/m
  • Wasserbasierte Farbsysteme: 38 - 50 mN/m
  • Beschichtungen: 36 - 42 mN/m
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

  • Unterstützung von Linienspektren und breiten Streuungen
  • Verzögerungsfreies Ein- und Ausschalten ohne Heiz- und Kühlzyklen
  • Bessere Manövrierbarkeit dank der kompakten Bauform der ExciJet-Module
  • Einfaches Steuerungssystem und integriertes Netzteil
  • Skalierbarkeit für potenziell unbegrenzten Einsatz von Lampen und Modulen
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.
  • Kompakte, anpassbare Plug-and-Play-Module für Laboruntersuchungen
  • Robuste, dimmbare und mobile Lösungen für industrielle Anwendungen
  • Hohe Homogenität, optimal für die Halbleiterfertigung
  • Reinigung mit 300 m/min bei der LED-Panel-Herstellung dank VUV-Leistung von über 170 mW/cm2
  • Unterstützung durch kompetenten Kundendienst für noch mehr

Die Excimer-Technologie sorgt mit klar definierten UV-Wellenlängen für Sicherheit

Nicht zu Unrecht gilt ultraviolettes Licht allgemein als gefährlich für den Menschen. Dies ist jedoch nur bei Wellenlängen von 354 nm und mehr der Fall. Bei 354 nm gewinnt das UV-Licht so stark an Intensität, dass es in die Epidermis eindringen und molekulare Veränderungen in den darunter liegenden Schichten auslösen kann.

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.

In diesem Intensitätsbereich kann die UV-Strahlung nicht in die oberste Hautschicht eindringen und deaktiviert einfach alle Bakterien, die sich eventuell auf der Oberfläche befinden. Unsere Oberflächenaktivierungstechnologie wurde entwickelt, um kurzwelliges Licht (172 nm Wellenlänge) auf die von Ihnen gewählten Substrate zu konzentrieren.

Andererseits beweist unser PureRelease-Modul zur Wasseraufbereitung, dass kurzwelliges Licht (242 nm Wellenlänge) bei der Desinfektion von Wasser direkt am Auslass am effektivsten ist. Darüber hinaus arbeitet USHIO an der Entwicklung eines Bestrahlungsgeräts mit einer Wellenlänge von 222 nm, das in Zukunft bei bahnbrechenden medizinischen Verfahren zur Förderung einer schnelleren Wundheilung eingesetzt werden kann.

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:

  • Oberflächenaktivierung
  • Oberflächenaktivierung
  • Oberflächenbearbeitung
  • UV-Härtung
  • Mattierung
  • Desinfektion
  • Vorbehandlung von Verbundwerkstoffen für die Beschichtung
  • Klebstofffreies Fügen (Photobonding)
  • Entfernung von Verunreinigungen aus Produktionsprozessen
  • Photochemische oder biologische Modifizierung von Gasen, Flüssigkeiten usw.

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.

  • Vielfältige Längen- und Leistungsoptionen (mit Dimmbarkeit): Von Lampen mit 9 W und 55 mm bis hin zu Lampen mit 2 kW und 2600 mm
  • Unbegrenzte Lampenleistung und individuelle Kalibrierung für die Untersuchung verschiedener Spektren
  • Phosphorgenerierte Wellenlängen von 170 bis 350 nm
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.“

Wünschen Sie weitere Informationen?
Setzen Sie sich mit USHIO in Verbindung!

3. – 5. März 2020 / JEC World / Verbundwerkstoff / Paris-Nord Villepinte, Paris, Frankreich – Fahrkarten

25. – 26. März 2020 / LOPEC / gedruckte Elektronik / Messe München, Deutschland – Fahrkarten

16. – 26. Juni 2020 / Drupa / Drucktechnologien / Messe Düsseldorf, Deutschland – Fahrkarten
 
13. – 17. Oktober 2020 / Fakuma / Kunststoffverarbeitung / Messe Friedrichshafen, Deutschland – Fahrkarten
 

10. – 13. November 2020 / Formnext / additive Fertigungstechnologie / Messe Frankfurt (am Main), Deutschland – Fahrkarten

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