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Korona vs. Plasma vs. Excimer

Dezember 10th 2019

Oberflächenbehandlung empfindlicher Substrate

Korona vs. Plasma vs. Excimer

Bei einem Rundgang über die LOPEC-Messe in München, auf der die Crème de la Crème der gedruckten Elektronik zu sehen war, kann man sich inmitten dieses Expertenschwarms durchaus überwältigt fühlen. Präsentationen zum Thema Oberflächenbestrahlung gibt es hier wie Sand am Meer. Scharenweise tummeln sich die Schaulustigen an den Ständen der Experten für Korona- und Plasma-Oberflächentechnik, um sich von riesigen Vorführanlagen für Rolle-zu-Rolle-Verfahren beeindrucken zu lassen. Ein stetiger Strom Neugieriger wird jedoch magisch angezogen von dem violetten Leuchten, das von einem ganz bestimmten Stand ausgeht.

„Was ist das?“, fragen die Besucher immer wieder. „Das ist eine Live-Demonstration der Excimer-Oberflächenaktivierung“, erklärt der Vertriebsmitarbeiter mit einem strahlenden Lächeln und erntet meist nur ratlose Blicke. „Nie gehört!“ antworten die Besucher immer wieder.

Die hypnotisierenden Bewegungen der Vorführanlage ziehen die Betrachter weiter in ihren Bann, während auf einem transparenten Kunststoffsubstrat kurz das Licht einer Vakuum-Ultraviolett-Lampe (VUV) aufscheint. Der Roboterarm dreht das kleine Stück Kunststofffolie in Richtung Publikum und hält es kurz unter einen Wasserstrahl. Während das überschüssige Wasser abperlt, bringt die weiterhin an der bestrahlten Oberfläche anhaftende Feuchtigkeit das Wort „USHIO“ zum Vorschein. Dem beiläufigen Betrachter ist in wenigen Sekunden alles klar geworden, und vielleicht schlängelt er sich weiter durch die Menschenmenge. Doch die Rädchen im Gehirn setzen sich allmählich in Bewegung, als ihm langsam das Anwendungspotenzial dieser sanften Technologie dämmert.

Dieser Artikel erklärt Ihnen genau, welche Möglichkeiten der Oberflächenaktivierung zur Verfügung stehen, und gibt Ihnen die Möglichkeit, das richtige Verfahren für Ihr Unternehmen auszuwählen. Wir werden die Unterschiede zwischen den drei wichtigsten Technologien in diesem Bereich analysieren:

A close up of the USHIO Excimer Demonstrator in action
Dieses Polymersubstrat wurde mit einer USHIO-Metallschablone maskiert und anschließend mit Excimer-Licht bestrahlt. Wenn Wasser auf die bestrahlte Oberfläche gesprüht wird, bleibt das Wasser mit einem Oberflächenkontaktwinkel von 0° am USHIO-Logo haften.

Ushio Europe hat einen informativen Artikel veröffentlicht, der die Excimer-Technologie und ihre wissenschaftlichen Grundlagen anschaulich erläutert. Sie können diesen Artikel sofort aufrufen, indem Sie hier klicken oder den Link „Excimer: Die Erklärung der Technik“ am Fuß dieser Seite anklicken.

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.

Korona-Oberflächenbehandlung

Der Korona-Effekt beruht eigentlich auf der Erzeugung eines Plasmas in normaler Luft, das sich unter dem Einfluss einer Hochspannungselektrode und einer hinter dem Substrat angeordneten geerdeten Gegendruckwalze entzündet. Innerhalb dieses Plasmas werden Atome und Moleküle, wie z. B. Sauerstoff, angeregt und an der Oberfläche des Substrats beschleunigt. 

Wenn diese Teilchen auf die Oberfläche treffen, kommt es zu einer heftigen Zerstäubung des Substrats. Dieser auch als „Sputtern“ bezeichnete Vorgang ist mit einem erheblichen Energieübertrag verbunden, der nicht nur zu chemischen Reaktionen führt, sondern auch die Integration angeregter Moleküle in die Molekularstruktur des Substrats zur Folge hat. Diese beschleunigten Moleküle prallen mit extremer Wucht auf die Substratoberfläche, was zu einer erheblichen Wärmebelastung führt.

Die unter normalem Atmosphärendruck ablaufende Koronabehandlung ist mit Sicherheit das preiswerteste Plasmabehandlungsverfahren auf dem Markt. Als ältestes Verfahren wurde sie inzwischen allerdings von Atmosphärendruckplasma-, Vakuumplasma- und Excimer-Lösungen in ihrer Wirksamkeit übertroffen. Entscheidend ist, dass durch die geringere Plasmadichte weniger Oberflächenmoleküle ionisiert werden als bei den anderen Verfahren, was weniger selektive Oberflächenreaktionen zur Folge hat. 

Die Koronabehandlung eignet sich aufgrund ihrer Zweidimensionalität am besten für Inline-Verfahren wie die Behandlung von Kunststofffolien. Die entscheidenden Argumente für Korona-Anwender sind jedoch nach wie vor die einfache Handhabung und der günstige Preis.

Ein wesentlicher Nachteil der Koronaentladungsbehandlung ist jedoch das Auftreten einiger unerwünschter Begleiterscheinungen. Als Hauptquelle statischer Aufladung krankt die Koronabehandlung an potenziellen Nebenwirkungen, die eine ganze Branche Millionen kosten können. Abgesehen davon, dass die Produktion zur Vermeidung elektrostatischer Aufladung mit geringerer Geschwindigkeit erfolgen muss, kann die Erzeugung von statischer Elektrizität elektronische Störungen, Stromschläge und sogar Brände und Explosionen verursachen. Aus Sicht der Produktqualität ist jedoch die Anziehung von Staub durch stark geladene Oberflächen das wichtigste Argument gegen den Einsatz koronabasierter Verfahren. 

Da viele Substrate, wie beispielsweise Kunststoffe, eine hohe statische Aufladung ihrer Oberflächen erfahren, können sie Staub aus mehr als einem Meter Entfernung anziehen. Zwar lässt sich dies durch die Installation zweier Ionisatoren an strategischen Punkten kostenintensiv beheben, bei der Verwendung von Excimer-Lösungen von USHIO tritt dieses Problem jedoch gar nicht erst auf.

Die Erzeugung von statischer Elektrizität beim Korona-Verfahren kann elektronische Störungen, Stromschläge und sogar Brände und Explosionen verursachen. Mit den Excimer-Lösungen von USHIO

Bei der Korona-Oberflächenbehandlung tritt eine starke elektrostatische Entladung auf. Dadurch ist sie für empfindliche Oberflächen oder solche mit elektronischen Bauteilen ungeeignet.

Plasma-Oberflächenbehandlung

Plasmaverfahren ermöglichen im Gegensatz zu Koronaverfahren die Oberflächenbehandlung dreidimensionaler Objekte und werden bevorzugt für die Oberflächenaktivierung von Substraten eingesetzt, die vor dem nächsten Fertigungsschritt eine längere Belichtung benötigen. Die Plasmabehandlung im eigenen Betrieb ist zwar teurer, dafür lässt sich die begehrte Effektivitätssteigerung durch die gezielte Auswahl von Gasart, -druck, -konzentration und -durchfluss ganz einfach aufrechterhalten. 

In der Düse baut sich eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Das Ergebnis ist eine Erhöhung der Gesamtplasmadichte und damit eine verstärkte Ionisierung von Molekülen auf der Zieloberfläche, die sich jedoch auf einen kleinen Bereich des Substrats konzentriert. Hier zeigt die Plasmatechnik ihre wahre Stärke.

Es gibt verschiedene Arten der Plasma-Oberflächenbehandlung, u. a. das Atmosphärendruckplasmaverfahren, das Vakuumplasmaverfahren und die Oberflächenbehandlung mit Excimer-Lampen von USHIO.

Atmosphärendruckplasmabehandlung

Die Zündung des Atmosphärendruckplasmas erfolgt in Gegenwart einer runden Elektrode, entweder in normaler Luft oder in einem Edelgas wie z. B. Argon. Die entzündeten Teilchen werden dann auf das Substrat geblasen, um die Oberflächenaktivierung zu starten. Wie bei der Koronabehandlung basiert die Wirkung auf dem Einsatz schwerer, beschleunigter Partikel, was zu einem stärker beanspruchenden Aufprall auf die Oberfläche des Substrats führt. Im Vergleich zur Koronabehandlung ergeben sich dabei zwar ein geringeres elektrisches Feld und eine wesentlich geringere Wärmebelastung, dennoch handelt es sich bei diesen Faktoren immer noch um Nebenwirkungen, die bei der Excimer-Oberflächenbehandlung gänzlich ausgeschlossen sind.

Vakuumplasmabehandlung

Die Vakuumplasmabehandlung ist der Atmosphärendruckplasmabehandlung sehr ähnlich, jedoch ist aufgrund der Bedingungen in der benötigten Vakuumkammer weitaus weniger Spannung zur Zündung des Plasmas erforderlich. Die geringe Menge an Edelgas oder N2, die bei diesem Verfahren verwendet wird, lässt sich besser kontrollieren. Es gibt keinerlei Wechselwirkungen mit anderen Gasen und dank der geringen Molekulargeschwindigkeiten nur sehr wenig Wärme. Der Nachteil der Vakuumplasmabehandlung ist die räumliche Beschränkung auf eine Kammer, so dass keine Durchlaufprozesse möglich sind.

Excimer-Oberflächenbehandlung

Der Excimer-Effekt von USHIO wird durch die Verwendung einer speziell beschichteten, edelgasgefüllten 172-nm-VUV-Lampe erzeugt, die hochenergetische Photonen emittiert. Diese 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 aufgebrochenen Moleküle werden teilweise entfernt, so dass auf dem Substrat eine chemisch verbundene Deckschicht entsteht. Diese Wirkung erstreckt sich über die gesamte Länge der Lampe, die natürlich individuell auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten werden kann.

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 IR-Emissionen sind beim Excimer praktisch vernachlässigbar. Und damit sind die Vorteile des Excimers noch längst nicht erschöpft.

Excimer: Die sanfte, antistatische Alternative zu Korona- und Plasma-Oberflächenbehandlung

Korona- und Plasmabehandlungen basieren auf elektrischer Entladung. Die Oberfläche des behandelten Objekts wird dadurch ziemlich stark 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.

Beim Excimer-Verfahren wird die Oberfläche mit VUV-Licht behandelt, daher gibt es keine Entladungsreaktion oder Beschädigung Ihrer Substrate. Die von der Excimer-Lampe emittierten Photonen besitzen im Vergleich zu den beschleunigten Partikeln anderer Behandlungsmethoden eine relativ geringe Energie. Bei diesem sanfteren Ansatz wird die Substratoberfläche nicht aufgeraut und wie bei einer Korona- oder Plasmabehandlung beschädigt.

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 und dadurch eine bessere Haftung fördert. Die geringere Wärmebelastung durch das „kalte“ Licht des Excimers und die vernachlässigbare IR-Emission machen das Verfahren schließlich zu einer idealen Lösung für temperaturempfindliche Materialien wie z.B. Folien.

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 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
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

USHIOs Forschung im Bereich der Vakuum-Ultraviolett (VUV)-Excimer-Technologie, die ultraviolette Strahlen bei idealen 172 nm emittiert, ist wegweisend für die sichere Behandlung empfindlicher Verbundfolien sowie die Härtung neuer Nanokomposit-Beschichtungen und spielt eine bedeutende Rolle bei der Herstellung von kohlenstoffnanoröhrenverstärkten Verbundwerkstoffen.

Die Excimer-Technologie hat bereits großes Interesse bei Flugzeug- und Automobilbauern geweckt, da Photobonding und der Verzicht auf Klebstoffe enorme Gewichtseinsparungen versprechen. Excimer-Entladungslampen mit dielektrischer Sperrschicht bieten die einzigartige Fähigkeit, verschiedene Materialien wie Polymere oder Glas ohne Epoxid oder andere Chemikalien miteinander zu verbinden. Durch das Zusammenpressen zweier nicht-identischer Substrate während der Behandlung entsteht bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur eine dauerhafte Verbindung.

VUV-Licht weist zudem eine eher geringe Eindringtiefe auf, so dass lediglich ein dünner polymerisierter Film auf der oberen Schicht von UV-härtbaren Beschichtungen verbleibt. Tiefer liegende Schichten bleiben damit unbeeinflusst, doch die resultierende Schrumpfung erzeugt eine homogen mattierte Oberfläche und verleiht Ihren Verbundbeschichtungen hohe Kratzfestigkeit.

Nicht zu Unrecht gilt ultraviolettes Licht allgemein als gefährlich für den Menschen. Dies ist jedoch nur bei Wellenlängen von 254 nm und mehr der Fall. Bei 254 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 Licht mit einer Wellenlänge von 172 nm auf die Substrate Ihrer Wahl zu fokussieren.

  • Unbegrenzte Lampenleistung
  • Phosphorgenerierte Wellenlängen von 170 bis 350 nm
  • Das Sortiment reicht von 9-W-Lampen mit 55 mm Länge bis hin zu 2-kW-Lampen mit einer Länge von 2600 mm
Excimer-Modul ExciJet von USHIO

Vergleichen Sie die Ergebnisse im USHIO Excimer Innovation Lab

USHIO verzeichnet einen enormen Anstieg der Anfragen zu seinen Excimer-Lösungen, der in regelmäßigen und äußerst erfolgreichen Teilnahmen an Messen wie der Composites Europe, der InPrint, der K 2019 und der LOPEC gipfelt.

Die 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.

Mit der Einrichtung seines Excimer Innovation Labs unterstreicht Ushio Europe sein Engagement in der Entwicklung einzigartiger Lösungen für die Bedürfnisse seiner Kunden. Der japanische multinationale Konzern, der seit 1985 auf dem europäischen Markt tätig ist, kann sich nun verstärkt der Entwicklung von Vakuum-Ultraviolett-Anwendungen (VUV) widmen. 

Im Werk von Ushio Deutschland im bayerischen Steinhöring bei München erhalten Interessenten die exklusive Möglichkeit, industrielle Prozesse zu erforschen, zu entwickeln, zu implementieren und zu verbessern. Mit einem Anteil von mehr als 95 Prozent am weltweiten Markt für Excimer-Lampen signalisiert USHIO ganz eindeutig seine Absicht, mit einem umfassenden Forschungs- und Entwicklungsservice für seine Kunden eine Führungsrolle zu übernehmen. Mit dem Ausbau der europäischen Testeinrichtung, die gemeinsam mit der renommierten, auf Sportstätten- und Pflanzenwachstumsbeleuchtung spezialisierten Tochter BLV betrieben wird, knüpft das Unternehmen an den Erfolg ähnlicher IR- und UV-Projekte von Ushio, Inc. in Japan und Ushio America an.

Das einfache Reinraumkonzept ist darauf ausgelegt, zukünftige Excimer-Lösungen auf Herz und Nieren zu prüfen, wobei in jeder Testreihe die Optimierung einer spezifischen Anwendung angestrebt wird. Der Kunde muss nur noch relevante Werkstoffproben für die Tests einsenden oder mit diesen im Labor vorbeikommen. Die hauseigenen Experten von Steinhöring entwickeln einzigartige Lösungen in direkter Zusammenarbeit mit dem Kunden. Dabei überlassen sie dem Kunden die Regie, damit das gewünschte Ergebnis erzielt wird, stehen ihm jedoch bei Bedarf mit Rat und Tat zur Seite.

Esmat Jawad mit USHIO Excimer Demonstrator
Esmat Jawad mit USHIO Excimer Demonstrator

Die von USHIO entwickelte Excimer-Technologie hat sich bereits in den folgenden industriellen Prozessen bewährt:

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

Dr. Söllner ist überzeugt, dass das Excimer Innovation Lab seinen Kunden neue Freiheiten bei der Suche nach der richtigen Lösung bietet: Uns war klar, dass man sich nach einer Einrichtung sehnt, die eine intensive Forschung, Konzeption und Konstruktion ermöglicht. Ob Sie sich für die Verklebung unterschiedlicher Materialien, für die Wasserentkeimung oder einfach nur für das Bedrucken von Oberflächen interessieren – wir stehen Ihnen bereits in der Untersuchungsphase mit unserem Wissen und unserer Erfahrung zur Seite.

Sobald Sie unser Labor betreten, besprechen wir mit Ihnen die Industrie- oder Laborprozesse, die Sie erforschen möchten. Ausgehend davon erarbeiten wir eine maßgeschneiderte Modul- oder All-in-One-Excimer-Lösung. Das Beste an einem Besuch bei Ushio Deutschland ist, dass man Sie dort aktiv an den Tests teilnehmen lässt. Es geht schließlich um Ihre Anwendung, nicht um unsere, also geben wir Ihnen die Möglichkeit, den Prozess zu beobachten, die Daten zu analysieren und sich mit den Ergebnissen völlig vertraut zu machen, bevor Sie Ihre endgültige Entscheidung treffen.“

Ganz gleich, um welche Branche es sich handelt – der verspätete Aufstieg der Excimer-Technologie ist ein brandaktuelles Thema. Immer mehr Unternehmen orientieren sich am Vorbild der Luftfahrt- und der Automobilindustrie und integrieren ihre maßgeschneiderten Excimer-Lösungen in die vorhandenen Produktionslinien. Wenn die Verbreitung der Excimer-Technologie in diesem Tempo weitergeht, könnte dies ein Ende der Dominanz von Korona- und Plasmabehandlung bedeuten. Zumindest betritt mit dem Excimer ein weiterer ernstzunehmender Akteur das Spielfeld, der die Konkurrenz herausfordert und die technologische Innovation vorantreibt, um bessere Lösungen in allen Bereichen hervorzubringen.

Felder und Branchen, in denen die VUV-Excimer-Oberflächenaktivierung eingesetzt wird

  • Luft- und Raumfahrt
  • Automobilindustrie
  • Umwelttechnik
  • Maschinenbau
  • Lebensmittel und Getränke
  • Forensik
  • Medizin
  • Mikroelektronik
  • Petrochemie
  • Photochemie
  • Photobiologie
  • Physik
Sie möchten mehr erfahren? Wenden Sie sich noch heute an USHIO!

Kundenempfehlungen von Excimer

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