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Dokumentenidentifikation DE10108717C1 11.07.2002
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Entladung von dielektrischen Oberflächen
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Grosse, Stefan, Dr., 70839 Gerlingen, DE;
Henke, Sascha, Dr., 71263 Weil der Stadt, DE
DE-Anmeldedatum 23.02.2001
DE-Aktenzeichen 10108717
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.07.2002
IPC-Hauptklasse H05F 3/04
IPC-Nebenklasse H05H 1/46   C08J 3/28   B29C 71/04   
Zusammenfassung Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zumindest teilweisen elektrischen Entladung von dielektrischen Oberflächen (30), insbesondere von Oberflächen von Kunststofffolien, Papierbahnen oder Kunststofffäden, vorgeschlagen. Dabei wird zunächst mit einer Plasmaeinrichtung (1) ein Plasma durch Mikrostrukturentladungen in mindestens einem Plasmabereich (12, 40) erzeugt. Weiter wird die dielektrische Oberfläche (30) mit einer Zufuhreinrichtung (2) in den Plasmabereich (12, 40) eingeführt und dabei dem erzeugten Plasma zur elektrischen Entladung zeitweilig ausgesetzt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zumindest teilweisen elektrischen Entladung von dielektrischen Oberflächen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Nichtleitende Stoffe wie Oberflächen von Kunststofffolien, Papierbahnen oder Kunststofffäden können durch Kontakt mit anderen Stoffen oder auch durch eine schnelle Trennung voneinander oberflächlich elektrisch aufgeladen werden, wobei die entstehenden elektrischen Spannungen an solchen Oberflächen bis hin zu einigen Megavolt reichen. Eine "natürliche" Entladung ohne Hilfsmittel dauert dann, abhängig von Luftfeuchtigkeit, Material und Ausmaß der elektrischen Aufladung, einige Stunden bis Tage.

Durch die elektrische Aufladung der Oberflächen kann es weiter bei deren Herstellung bzw. Bearbeitung zu einer Störung der eingesetzten Anlagen sowie auch zu einer gesundheitlichen Beeinträchtigung der daran beschäftigten Mitarbeiter kommen. Zudem ist deren Handhabung durch die elektrische Aufladung der Oberfläche und die dadurch hervorgerufenen elektrostatischen Kräfte insbesondere bei Kunststofffolien, Papierbahnen oder Kunststofffäden, wie sie vielfach in der Verpackungsindustrie eingesetzt werden, erheblich erschwert.

Zur Minimierung der Oberflächenaufladung ist aus dem Stand der Technik der Einsatz von Entladegeräten bekannt, die die jeweilige Oberfläche mit ionisierter Luft beströmen. Durch die dadurch hervorgerufene Erhöhung der Leitfähigkeit der Luft wird eine rasche Entladung mit, je nach Randbedingungen, resultierenden Restspannungen von typischerweise wenigen kV erreicht. Die Grenze von einigen kV liegt dabei in dem jeweils eingesetzten Verfahren begründet, da für die Ionisation von Luft bzw. von alternativ eingesetzten Prozessgasen Spannungen von mehreren kV erforderlich sind.

In der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 199 43 953 A1 wurde bereits eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas und insbesondere zur Behandlung oder Aktivierung von Oberflächen vorgeschlagen, bei der über eine Einkoppelung von Mikrowellen in einen mit Durchbohrungen versehenen Hohlleiter unter Zufuhr eines Gases Mikrostrukturentladungen erzeugt werden. Dadurch liegt in einer Umgebung der Durchbohrungen in zugeordneten Plasmabereichen ein lokal begrenztes bzw. flachiges Gasplasma vor.

Aus DE 32 35 874 C2 ist ein Ladungsableiter für eine Rohrleitung bekannt, in der ein elektrisch geladenes Gut befördert wird, wobei einem Hauptrohrleitungsabschnitt eine Plasmaionenquelle zugeordnet ist, mit der über Wechselstrom- Koronaentladungen ein aktives Plasma erzeugt wird, das die elektrische Ladung des beförderten Gutes neutralisiert. Die Plasmaionenquelle ist dabei mit einem dielektrischen Körper mit zwei einander gegenüber liegenden Oberflächen versehen, so dass zwischen einer Koronaelektrode und einer Anregungselektrode ein flachenförmiges Plasma entsteht.

In AT 388 072 B ist eine Elektrode, insbesondere für elektrostatische Anwendungen wie zum Entladen elektrostatisch aufgeladener Materialien beschrieben, die flächig als Sandwichelement ausgebildet ist. Das Sandwichelement weist dabei eine Mittelschicht aus einer elektrisch leitenden Folie auf, die beidseitig mit einer elektrisch isolierenden Folie versehen ist. Daneben besitzt das Sandwichelement eine Vielzahl von Ausnehmungen.

Aus US 2,916,620 ist schließlich eine Vorrichtung zur elektrostatischen Entladung eines Gewebes bekannt, wobei einer geerdeten Transportrolle für das Gewebe eine Anordnung von eng benachbarten Rohren zugeordnet ist, die derart mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, dass sich zwischen der Transportrolle und den Rohren eine Koronaentladung einstellt, die eine elektrostatische Entladung des zwischen der Transportrolle und den Rohren im Bereich des Plasmas geführten Gewebes bewirkt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass damit eine optimierte Entladung von dielektrischen Oberflächen, insbesondere Oberflächen von Kunststofffolien, Papierbahnen oder Kunststofffäden, hinsichtlich Große der elektrischen Restspannung bzw. der oberflächlich verbleibenden elektrischen Ladungen, und damit eine deutliche verbesserte Fertigungsstabilität und eine vereinfachte Handhabung derartiger dielektrischer Materialien erreicht werden. Insofern eignen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders zum Einsatz in der Verpackungsindustrie.

In diesem Zusammenhang werden im Rahmen der Erfindung unter einer dielektrischen Oberfläche bzw. einem dielektrischen Material eine Oberfläche bzw. ein Material verstanden, die oder das elektrisch nicht oder bezüglich der Ableitung oberflächlich aufgebrachter Ladungen schlecht leitend ist.

Dadurch, dass die dielektrische Oberfläche zeitweilig einem Plasma in einer unmittelbaren Umgebung der Oberfläche der Plasmaeinrichtung oder zumindest des Wirkungsbereichs des Plasmas hinsichtlich des Auftreffens von durch das Plasma erzeugten elektrischen Ladungen ausgesetzt wird, werden die elektrischen Restspannungen auf der zumindest teilweise zu entladenden dielektrischen Oberfläche auf weniger als ein kV, insbesondere weniger als 500 Volt reduziert, was gegenüber den im Stand der Technik erreichbaren Restspannungen auf derartigen Oberflächen von wenigen Kilovolt eine erhebliche Verbesserung bedeutet.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat daneben den Vorteil, dass typische, gegenüber dem Stand der Technik deutlich verkürzte Behandlungszeiten von 0,1 s bis 10 s, insbesondere 0,5 s bis 2 s, ausreichend sind, um eine ausreichende elektrische Entladung der zu behandelnden dielektrischen Oberfläche zu gewährleisten. Insbesondere ist auch eine kontinuierliche Behandlung von durchlaufenden Folien oder Bahnen aus einem dielektrischen Material mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich.

Im Übrigen wird durch die erfindungsgemäß vorgenommene elektrische Entladung von dielektrischen Oberflächen gleichzeitig auch eine Aktivierung dieser Oberflächen, insbesondere hinsichtlich Oberflächenenergie und Sauberkeit, erreicht, was sich beispielsweise in einer verbesserten Bedruckbarkeit und einer gesteigerten Hydrophilie äußert.

Schließlich hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil eines einfachen und modularen Aufbaus, so dass sie mit geringem apparativem Aufwand in bestehende Fertigungseinrichtungen integrierbar ist. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren auch an Luft bei Atmosphärendruck einsetzbar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist es besonders vorteilhaft, wenn Mikrostrukturentladungen, d. h. durch Mikrostrukturen hervorgerufene Plasmaentladungen eingesetzt werden, die durch Einkoppeln einer elektrischen Spannung mit einer Amplitude von 100 Volt bis 2000 Volt, insbesondere 200 Volt bis 700 Volt, hervorgerufen werden. Derart niedrige Spannungen führen dazu, dass einerseits durch die Leitfähigkeit des darüber erzeugten Plasmas die elektrischen Ladungen bzw. elektrischen Spannungen auf der dielektrischen Oberfläche insbesondere über eine der Elektroden der Plasmaeinrichtung abgesaugt bzw. abgebaut werden können, und andererseits keine hohen bzw. relevanten Aufladungen durch das Plasma neu hervorgerufen werden.

Hinsichtlich einer optimierten Homogenität des erzeugten Plasmas und einer verbesserten Effizienz der erreichten elektrischen Entladung der dielektrischen Oberfläche ist es zudem vorteilhaft, wenn bei einem geringen Unterdruck von insbesondere 100 mbar bis 900 mbar gearbeitet wird. Daneben ist es vorteilhaft, wenn an Stelle von Luft Stickstoff oder, besonders vorteilhaft, Argon oder Helium als Gas zur Erzeugung eines möglichst homogenen und stabilen Plasmas eingesetzt wird.

Zur Erzeugung des Plasmas in den Plasmabereichen der Plasmaeinrichtung kommt bevorzugt eine Gleichspannung oder eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz von bevorzugt 1 kHz bis 100 MHz, insbesondere 1 MHz bis 20 MHz, beispielsweise 13,45 MHz, in Frage. Darüber hinaus kann das Plasma vorteilhaft auch durch Einkoppeln von Mikrowellen in die Plasmaeinrichtung erzeugt werden. Bei der Erzeugung des Plasmas mit einer Wechselspannung besteht zudem vorteilhaft die Möglichkeit, die Elektroden mit einer dünnen, dielektrischen Schutzschicht zu versehen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Prinzipskizze einer ersten Plasmaeinrichtung, Fig. 2 eine alternative Ausführungsform einer Plasmaeinrichtung, Fig. 3 eine Prinzipskizze einer Entladevorrichtung als erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Entladevorrichtung, Fig. 5 eine weitere, zu Fig. 1 oder 2 alternative Ausführungsform einer Plasmaeinrichtung, und Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Entladevorrichtung mit der Plasmaeinrichtung gemäß Fig. 5.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt eine Plasmaeinrichtung 1 mit einer dielektrischen Platte 22, die beispielsweise aus einem verlustarmen, durchschlagfesten Dielektrikum wie Siliziumdioxid oder einem Aluminiumoxid besteht. Die dielektrische Platte 22 ist weiter auf einer ihrer Oberflächen mit einer flächigen ersten Elektrode 11 und auf der gegenüberliegenden Oberfläche mit einer flächigen zweiten Elektrode 21 versehen. Die Elektroden 11, 21 bestehen beispielsweise aus einem Metall wie Kupfer, Edelstahl, Gold oder Silber, und sind mit einer Dicke von 10 µm bis 200 µm in Form einer Beschichtung auf die Oberfläche der typischerweise ca. 0,05 mm bis 2 mm dicken dielektrischen Platte 22 aufgebracht.

In der Einrichtung nach Fig. 1 ist weiter vorgesehen, dass die Elektroden 11, 21 und die dielektrische Platte 22 mit einer Vielzahl von gemeinsamen Durchbohrungen 26 versehen sind. Diese Durchbohrungen 26 sind bevorzugt regelmäßig angeordnet und weisen einen typischen Durchmesser von ca. 40 µm bis 1 mm auf. Insgesamt ist somit die dielektrische Platte 22 mit mikrostrukturierten, planaren Elektroden 11, 21 versehen.

Zur Erzeugung eines Plasmas ist vorgesehen, dass die Elektroden 11, 21 in Fig. 1 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden sind, die die Elektroden 11, 21 mit einer Gleichspannung oder einer hochfrequenten Wechselspannung mit einer Frequenz von 1 kHz bis 100 MHz, insbesondere 13,45 MHz, beaufschlagt. Bevorzugt wird eine Gleichspannung eingesetzt. Die eingekoppelte elektrische Spannung liegt zwischen 100 Volt und 2000 Volt, insbesondere 200 Volt bis 700 Volt.

Durch die eingekoppelte elektrische Spannung wird in dem Bereich der Durchbohrungen 26 ein Plasma gezündet und aufrechterhalten, so dass sich dort lokal begrenzte Plasmabereiche 12 ausbilden. Diese Plasmabereiche 12 erstrecken sich in den Bereich der Durchbohrungen 26 sowie auch in eine Umgebung der Durchbohrung 26. Insbesondere erheben sie sich zumindest einseitig über die Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1.

Durch eine geeignete Anordnung und einen geeigneter Abstand der Durchbohrungen 26 ist es weiter möglich und bevorzugt vorgesehen, dass sich die Plasmabereiche 12 durch Übersprechen zu einem größeren, flächigen Plasmabereich 40 vereinigen, der sich beispielsweise einseitig über die gesamte Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1 erstreckt und eine typische Dicke von 0,5 mm bis 3 mm aufweist (siehe Fig. 3).

Optional kann gemäß Fig. 1 weiter vorgesehen sein, dass die Innenwände 23 der Durchbohrungen 26 mit einer dielektrischen, insbesondere keramischen Beschichtung als Schutzschicht versehen sind, die beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid besteht.

Die Fig. 2 erläutert eine alternative Ausführungsform der Plasmaeinrichtung 1, wobei auf der dielektrischen Platte 22 aus Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid nunmehr voneinander beabstandete Streifen in Form eines ersten Streifenleiters 24 und eines zweiten Streifenleiters 27 verlaufen. Diese Streifenleiter 24, 27 bilden somit, analog zur Anordnung nach Fig. 1, mikrostrukturierte, planare Elektroden.

Die Fig. 2 zeigt weiter, dass zwischen den Streifenleitern 24, 27 eine Mehrzahl von Durchbohrungen 26 vorgesehen ist, so dass durch diese ein Gas wie beispielsweise Pressluft, Stickstoff, Argon oder Helium in den Bereich zwischen den Streifenleitern 24, 27 einführbar ist. Die Bestromung kann jedoch ebenso, wie in Fig. 4 erläutert, parallel zu der Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1 erfolgen.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung analog zur Anordnung nach Fig. 1 wird nun zwischen den Streifenleitern 24, 27 ein Plasma gezündet, so dass sich zwischen den Streifenleitern 24, 27 zumindest in einer Umgebung der Durchbohrungen 26, insbesondere zwischen den Streifenleitern 24, 27, Plasmabereiche ausbilden. Durch geeignete Anordnung der Durchbohrungen 26 und einen entsprechend angepassten Abstand der Streifenleiter 24, 27 ist es auch hier analog Fig. 1 möglich und bevorzugt vorgesehen, dass sich die Plasmabereiche zu einem flächig ausgedehnten Plasmabereich 40 vereinigen.

Die Streifenleiter 24, 27 gemäß Fig. 2 bestehen beispielsweise aus Bahnen aus Kupfer oder Gold, die optional auf einer galvanischen Verstärkung, beispielsweise aus Nickel, aufgebracht sind.

Ein weiteres, nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel einer Plasmaeinrichtung 1 sieht vor, flächige Elektroden durch bereichsweise dazwischen befindliche isolierende Schichten voneinander zu beabstanden und mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen, so dass in dem verbleibenden Zwischenraum zwischen den Elektroden, der mit Gas gefüllt ist bzw. wie erläutert mit diesem bestromt wird, ein Plasma zündet und aufrechterhalten wird, das dann für eine elektrische Entladung dielektrischer Oberflächen genutzt wird. Insbesondere ist im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels vorgesehen, eine Vielzahl gleichartiger, beispielsweise mit einer zentralen Bohrung versehener metallischer Scheiben mit einem Durchmesser von 5 mm bis 30 mm und einer Dicke von 0,1 mm bis 2 mm auf einer gemeinsamen Achse aufgereiht nebeneinander anzuordnen, und diese jeweils über gleichartige, insbesondere ebenfalls mit einer zentralen Bohrung auf der Achse aufgereihte dielektrische Scheiben, beispielsweise aus Aluminiumoxid, mit kleinerem Durchmesser und einer Dicke von beispielsweise 0,1 mm bis 3 mm voneinander zu beabstanden. In diesem Fall brennt durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die metallischen Scheiben mit jeweils abwechselnder Polarität zwischen diesen in den jeweils nicht von den dielektrischen Scheiben eingenommenen Zwischenräumen ein Plasma. Auf diese Weise bildet sich ein Entladungsstab als Plasmaeinrichtung 1 aus, der über eine zu entladende dielektrische Oberfläche geführt bzw. an dem eine solche Oberfläche vorbeigeführt werden kann. Die erwähnte Achse ist beispielsweise ein keramischer Stab mit einem der zentralen Bohrung entsprechenden Durchmesser, der abwechselnd die metallischen und dielektrischen Scheiben trägt.

Schließlich kann die Plasmaeinrichtung 1 auch in Form eines Hohlleiters für Mikrowellen ausgebildet sein, der bevorzugt in seinem Inneren mit einer dielektrischen Platte aus Siliziumdioxid gefüllt ist. In diesem Fall sind ebenfalls Durchbohrungen analog den Anordnungen nach Fig. 1 bzw. 2 vorgesehen, die in den Hohlleiter bzw. die dielektrische Platte eingebracht sind. Zu Einzelheiten zu einer derartigen Plasmaeinrichtung mit einem Hohlleiter für Mikrowellen sei auf die DE 199 43 953 A1 verwiesen.

Auf das Füllen des Hohlleiters mit der dielektrischen Platte kann auch verzichtet werden, da aufgrund von Feldinhomogenitäten bevorzugt an den Kanten der Durchbohrungen stets Entladungen entstehen.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, Mikrowellen über Streifenleiter, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt sind, einzukoppeln, und damit ein Plasma für die gewünschte elektrische Entladung zu erzeugen.

Allen erläuterten Plasmaeinrichtungen 1 ist gemein, dass durch Zuleiten eines Gases und über eine eingekoppelte elektrische Gleich- oder Wechselspannung Entladungen, insbesondere Mikrostrukturentladungen, hervorgerufen und aufrechterhalten werden, so dass sich voneinander isolierte oder zusammenhängende Plasmabereiche 12 bzw. 40 in einer Umgebung der Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1 ausbilden. Insbesondere tritt, wenn die Durchbohrungen 26 und die Anordnung der mikrostrukturierten Elektroden 11, 21, 24, 27 geeignet gewählt sind, ein Überkoppeln der in den lokalen Plasmabereichen 12 jeweils erzeugten Plasmen auf, so dass sich ein lateral homogenes Plasma in einem flächigen Plasmabereich 40 ausbildet.

Im übrigen sei betont, dass für eine elektrische Entladung von dielektrischen Oberflächen vielfach auch ein inhomogenes und/oder instabiles Plasma ausreichend ist, da über Diffusion von durch das Plasma erzeugten, elektrisch geladenen Teilchen und/oder zeitliche Mittelung ein ausreichender Kontakt mit dem Plasma und damit ein Entladungsprozess für die dielektrische Oberfläche sichergestellt ist.

Insbesondere ist zu betonen, dass die dielektrische Oberfläche bei dem gewünschten elektrischen Entladungsprozess nicht notwendigerweise mit dem erzeugten Plasma in direktem Kontakt stehen bzw. direkt in die Plasmabereiche 12, 40 eingebracht werden muss. Vielfach genügt es bereits, wenn die zu entladende Oberfläche lediglich in den Wirkungsbereich des Plasmas bzw. in den Diffusionsbereich der in dem Plasma ionisierten Gase bzw. elektrisch geladenen Teilchen eingebracht wird. In diesem Wirkungsbereich kommt es zu einer Diffusion der mit Ionen angereicherten Gase aus dem eigentlichen Plasmabereich heraus hin auf die in die Nahe der Plasmaeinrichtung 1 angeordnete dielektrische Oberfläche, wodurch ebenfalls eine, gegenüber dem direkten Plasmabereich 12, 40 allerdings weniger effektive Entladung erreicht wird. In Einzelfallen wird bei einer räumlichen Ausdehnung des eigentlichen Plasmabereiches von typischerweise wenigen mm in einer Dimension eine Ausdehnung des Wirkungsbereiches durch Gasdiffusion bzw. Teilchendiffusion von bis zu 10 cm beobachtet.

Die Fig. 3 erläutert ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zumindest teilweise elektrischen Entladung von dielektrischen Oberflächen am Beispiel der Entladung einer Kunststofffolie 30. Dabei ist vorgesehen, dass die Kunststofffolie 30 über eine nicht dargestellte Transporteinrichtung über einen Gleittisch 42 gezogen wird, wobei die dielektrische Oberfläche der Kunststofffolie 30 auf ihrer dem Gleittisch 42 abgewandten Seite mit einer Plasmaeinrichtung 1 gemäß Fig. 1 oder gemäß Fig. 2 mit einem Plasma beaufschlagt wird. Dazu beträgt der Abstand der Plasmaeinrichtung 1 von der daran vorbeigeführten Oberfläche der Kunststofffolie 30 typischerweise 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere 0,5 mm bis 2 mm.

Bei der Entladung der Oberfläche der Kunststofffolie 30 mit der Plasmaeinrichtung 1 gemäß Fig. 3 ist bevorzugt vorgesehen, die der Kunststofffolie 30 zugewandte Elektrode der Plasmaeinrichtung 1 zu erden und, im Fall einer Gleichspannungsanregung, die dieser abgewandte Elektrode mit einer positiven Spannung zu beaufschlagen, so dass in dem Plasmabereich 40 eine besonders intensive Entladung brennt. Weiterhin stellt sich dort dann ein elektrisches Potential ein, das nahe dem Erdpotential liegt. Damit wird eine besonders effektive Entladung der Oberfläche der Kunststofffolie 30 erreicht.

In Fig. 3 ist weiter vorgesehen, dass der Plasmaeinrichtung 1 von ihrer der Kunststofffolie 30 abgewandten Seite über eine Gaszuführung 31 ein Gas, beispielsweise Pressluft, Stickstoff, Argon oder Helium, zugeführt wird, das die Durchbohrungen 26 durchströmt. Auf diese Weise bildet sich besonders auf der der Kunststofffolie 30 zugewandten Seite der Plasmaeinrichtung 1 ein lateral homogenes Plasma aus, dass sich über eine Umgebung der Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1 in dem Plasmabereich 40 erstreckt. Da weiter durch die Anordnung der Plasmaeinrichtung 1 und durch den Gleittisch 42, der im erläuterten Beispiel als Zuführeinrichtung 2 dient, die dielektrische Oberfläche der Kunststofffolie 30 diesem Plasma in dem Plasmabereich 40 ausgesetzt wird, wird eine zumindest teilweise elektrische Entladung der dielektrischen Oberfläche erreicht.

Bevorzugt wird gemäß Fig. 3 die Kunststofffolie 30 kontinuierlich in Form einer Bahn über den Gleittisch 42 gezogen, so dass ihre Oberfläche zeitweilig einseitig mit dem erzeugten Plasma beaufschlagt wird.

Als typische Zeit zur zumindest teilweisen elektrischen Entladung der dielektrischen Oberfläche der Kunststofffolie hat sich eine Zeit von 0,1 bis 10 s, insbesondere 0,5 s bis 2 s herausgestellt, die in einfacher Weise über die Transportgeschwindigkeit einstellbar ist, mit der die Kunststofffolie über den Gleittisch 42 gezogen wird. Ebenso können jedoch auch mehrere Module der Plasmaeinrichtung 1 hintereinandergeschaltet werden, um bei fester Transportgeschwindigkeit eine ausreichende elektrische Entladung sicherzustellen.

Im Übrigen kann die Plasmaeinrichtung 1 gemäß Fig. 3 bzw. auch gemäß den weiteren Fig. 4 und 5 sowohl wie dargestellt planar, als auch gekrümmt oder, je nach Erfordernis der Zuführeinrichtung 2, an deren gegebenenfalls komplexe Geometrie angepasst ausgeführt sein.

Die Fig. 4 erläutert ein zu Fig. 3 alternatives Ausführungsbeispiel an Stelle des Gleittisches 42 Transportrollen 41 vorgesehen sind, die als Zuführeinrichtung 2 zur Zufuhr der Kunststofffolie 30 in den Plasmabereich 40 des von der Plasmaeinrichtung 1 hervorgerufenen Plasmas dienen. Weiter ist gemäß Fig. 4 vorgesehen, dass die Gaszuführung 31 ein Gas in den Zwischenraum zwischen Plasmaeinrichtung 1 und Kunststofffolie 30 einbläst. Auf diese Weise ist ebenfalls ein kontinuierliches Bearbeiten einer durchlaufenden Kunststofffolie 30 gewährleistet.

Die Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Plasmaeinrichtung 1, die sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 lediglich durch die Anordnung der Durchbohrungen 26 und die Struktur der planare, mikrostrukturierten Elektroden unterscheidet. Im Einzelnen ist gemäß Fig. 5 vorgesehen, dass auf der Oberfläche der dielektrischen Platte 22 ein erster Kamm 32 und ein zweiter Kamm 33 angeordnet sind, die eine ineinandergreifende Kammstruktur bilden, wobei zwischen den einzelnen langgestreckten Zähnen der Kämme 32, 33 die Durchbohrungen 26 angeordnet sind. Der Abstand der Zähne der Kämme 32 bzw. 33 gemäß Fig. 5 liegt bevorzugt zwischen 20 µm und 200 µm, beispielsweise bei 100 µm. Ansonsten sind die Kämme 32, 33 analog den Streifenleitern 24, 27 ausgebildet.

Durch die Kammstruktur gemäß Fig. 5 wird ein flächiger, besonders homogener Plasmabereich 40 auf der Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1 erzeugt, der sich bis in eine Entfernung von ca. 0,5 mm bis 3 mm von der Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1 erstreckt.

Die Fig. 6 zeigt schließlich ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Entladung einer Kunststofffolie 30 mit einer Plasmaeinrichtung 1 gemäß Fig. 5. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Kammstruktur mit den Kämmen 32, 33 auf der der Kunststofffolie 30 zugewandten Seite der Plasmaeinrichtung 1 befindet. Weiter ist dort vorgesehen, dass die Kunststofffolie 30 über Transportrollen 41 an der Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1 in einem Abstand von etwa 1 mm vorbeigeführt wird, so dass die Oberfläche der Kunststofffolie 30 kontinuierlich in den Plasmabereich 40 eingeführt und dem dort vorliegenden Plasma ausgesetzt wird. Zudem zeigt Fig. 6, dass von der der Kunststofffolie 30 abgewandten Seite der Plasmaeinrichtung 1 dieser über eine Gaszuführung 31 ein Gas, beispielsweise Helium, zugeführt wird.

Die Gaszuführung 31, beispielsweise in Form einer geeignet ausgeführten Gasdusche, bewirkt dabei eine Zufuhr dieses Gases zu den Durchbohrungen 26 gemäß Fig. 5. Schließlich ist in der Anordnung nach Fig. 6 noch vorgesehen, dass das mit der Gaszuführung 31 zugeführte Gas über eine Gasabsaugeinrichtung 34 wieder abgeführt wird. Diese Gasabsaugeinrichtung 34 ist besonders dann relevant, wenn das zugeführte Gas Luft ist, da in diesem Fall in der beschriebenen Vorrichtung Ozon entsteht.

Die Anordnung nach Fig. 6 eignet sich besonders zum endlosen Vorbeiführen von Papierbahnen oder Kunststofffolien an der Oberfläche der Plasmaeinrichtung 1. Dabei wird über das flächig erzeugte Plasma eine Absaugung von Oberflächenladungen auf der der Plasmaeinrichtung 1 zugewandten Seite der Kunststofffolie 30 erreicht.

Abschließend sei noch erwähnt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl bei Atmosphärendruck als auch bei Unterdruck betrieben werden kann, wobei ein Unterdruck von beispielsweise 100 mbar bis 900 mbar zur Verbesserung der Homogenität des erzeugten Plasmas und der Effizienz der Plasmaerzeugung führt. Andererseits bedeutet das Arbeiten unter Unterdruck einen erhöhten apparativen Aufwand, da dazu in der Regel eine geeignete Bearbeitungskammer mit einer Pumpeinrichtung erforderlich ist.

Zudem sei betont, dass die Durchbohrungen 26 gemäß den erläuterten Ausführungsbeispielen neben den dargestellten kreisförmigen Löchern auch als Schlitze, längliche Ausnehmungen, halbkreisförmige Ausnehmungen usw. ausgeführt sein können.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur zumindest teilweisen elektrischen Entladung von dielektrischen Oberflächen, insbesondere von Oberflächen von Kunststofffolien, Papierbahnen oder Kunststofffäden, mit einer Plasmaeinrichtung (1) zur Erzeugung eines Plasmas mit elektrisch geladenen Teilchen in mindestens einem Plasmabereich (12, 40) mittels Mikrostrukturen, sowie mit einer Zuführeinrichtung (2), mit der die dielektrische Oberfläche (30) in den Plasmabereich (12, 40) oder zumindest in dessen Wirkungsbereich einführbar und dort von dem Plasma erzeugten elektrisch geladenen Teilchen zeitweilig aussetzbar ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaeinrichtung (1) eine dielektrische Platte (22), eine erste, einem Gas ausgesetzte Elektrode (11, 24, 32) und eine davon beabstandete, zweite, dem Gas ausgesetzte Elektrode (21, 27, 33), sowie Mittel zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas in dem Plasmabereich (12, 40) aufweist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Platte (22) zumindest bereichsweise planare, mikrostrukturierte Elektroden (11, 21, 24, 27, 32, 33) aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierten Elektroden (11, 21, 24, 27, 32, 33) zumindest bereichsweise als voneinander beabstandete Streifen oder Streifenleiter (24, 27) und/oder als voneinander beabstandete Kämme (32, 33) einer Kammstruktur ausgebildet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Platte (22) auf zwei einander gegenüber liegenden Seiten mit planaren Elektroden (11, 21) mit mikrostrukturierten Ausnehmungen, insbesondere Löchern, Durchbohrungen (26) oder Schlitzen, versehen ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaeinrichtung (1) mindestens einen Hohlleiter oder eine Anordnung von Streifenleitern für Mikrowellen aufweist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Platte (22) mindestens eine Durchbohrung (26), insbesondere eine Vielzahl von Durchbohrungen (26), mit einem Durchmesser von 10 µm bis 300 µm, aufweist, wobei die Durchbohrung (26) auch die mikrostrukturierte Ausnehmung der Elektroden (11, 21) bildet und/oder in einer Umgebung der mikrostrukturierten Elektrode (24, 27, 32, 33) angeordnet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaszuführung (31) zur Zufuhr des Gases in den Plasmabereich (12, 40) vorgesehen ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (2) Mittel (41, 42) zum insbesondere kontinuierlichen Vorbeiführen der dielektrischen Oberfläche (30) an der Oberfläche der Plasmaeinrichtung (1) derart aufweist, dass die dielektrische Oberfläche (30) zeitweilig dem Plasma in dem Plasmabereich (40, 12) oder zumindest dem Wirkungsbereich der von dem Plasma erzeugten elektrisch geladenen Teilchen ausgesetzt ist.
  10. 10. Verfahren zur zumindest teilweisen elektrischen Entladung von dielektrischen Oberflächen, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Anspruche, wobei mit einer Plasmaeinrichtung (1) in mindestens einem Plasmabereich (12, 40) ein Plasma erzeugt wird und die dielektrische Oberfläche (30) dem Plasma in diesem Plasmabereich (12, 40) oder zumindest in dessen Wirkungsbereich zeitweilig ausgesetzt wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von lokal begrenzten Plasmen in einem jeweils zugeordneten Plasmabereich (12) in einer Umgebung der Oberfläche der Plasmaeinrichtung (1) erzeugt wird, oder dass ein flachiges Plasma in einem Plasmabereich (40) in einer Umgebung der Oberfläche der Plasmaeinrichtung (1) erzeugt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch Einkoppeln einer elektrischen Spannung mit einer Amplitude von 100 Volt bis 2000 Volt, insbesondere 200 Volt bis 700 Volt, in die Plasmaeinrichtung (1) in dem Plasmabereich (12, 40) gezündet und aufrechterhalten wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichspannung oder eine hochfrequente Wechselspannung, insbesondere mit einer Frequenz von 1 kHz bis 100 MHz, vorzugsweise 13,45 MHz, eingekoppelt wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Anspruche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise zu entladende dielektrische Oberfläche (30) dem Plasma in dem Plasmabereich (12, 40) über einen Zeitraum von 0,1 sec bis 10 sec, insbesondere 0,5 sec bis 2 sec, ausgesetzt wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Anspruche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasmabereich (12, 40) ein Gas, insbesondere Luft, Stickstoff, Argon oder Helium, zugeführt wird.
  16. 16. Verfahren nach einem der Anspruche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Oberfläche (30) in einem Abstand von 100 µm bis 5 mm, insbesondere 500 µm bis 2 mm, an einer Oberfläche der Plasmaeinrichtung (1) vorbeigeführt und dabei in dem Plasmabereich (12, 40) mit dem Plasma beaufschlagt wird.
  17. 17. Verfahren nach einem der Anspruche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Unterdruck, insbesondere 100 mbar bis 900 mbar, durchgeführt wird.






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