WO2015055711A1 - Method and device for producing particles in an atmospheric pressure plasma - Google Patents

Method and device for producing particles in an atmospheric pressure plasma Download PDF

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WO2015055711A1
WO2015055711A1 PCT/EP2014/072106 EP2014072106W WO2015055711A1 WO 2015055711 A1 WO2015055711 A1 WO 2015055711A1 EP 2014072106 W EP2014072106 W EP 2014072106W WO 2015055711 A1 WO2015055711 A1 WO 2015055711A1
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sacrificial electrode
discharge
region
particles
electrode
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PCT/EP2014/072106
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Jörg IHDE
Ralph Wilken
Jost Degenhardt
Sergey Stepanov
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/228Gas flow assisted PVD deposition
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/48Generating plasma using an arc
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C14/325Electric arc evaporation
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    • H05H1/24Generating plasma
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    • H05H1/32Plasma torches using an arc
    • H05H1/42Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid
    • HELECTRICITY
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    • H05H2240/00Testing
    • H05H2240/10Testing at atmospheric pressure

Definitions

  • a precursor material is fed into the plasma jet so as to coat surfaces.
  • the precursor material may contain solid, for example pulverulent constituents. This allows particles to be embedded in the deposited layers.
  • DE-B-102 23 865 relates to a process for the plasma coating of workpieces, in which with the aid of a plasma nozzle by electric high-frequency discharge, a beam of atmospheric plasma is generated, with which the workpiece surface to be coated is painted over.
  • the method is characterized in that at least one component of the coating material is contained as a solid in an electrode of the plasma nozzle and is sputtered off the electrode by the high-frequency discharge,
  • the sputtered material is present predominantly in the form of very reactive ions or radicals.
  • these species form homogeneous coatings, for example of metals or metal compounds.
  • DE-B-10 2009 031 857 discloses a plasma torch for cutting a material by means of a high-energy plasma jet. Since the high energy density of the plasma jet leads to a thermal load on a nozzle of the plasma torch, it is cooled in order to extend its service life. A production of particles does not occur in the plasma torch.
  • DE-A-10 2009 048 397 relates to a process for the preparation of surface-modified particles in an atmospheric pressure plasma using a sputtering electrode from which particles are sputtered by a discharge.
  • DE-A-10 2009 048 397 teaches to limit a discharge induced power input to the sputtering electrode by pulsing or driving a discharge generating voltage generator
  • Sputter electrode is rotated or oscillated.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for the production of particles using an atmospheric pressure plasma, which allow efficient production of particles, in particular of microparticles and nanoparticles, with high production rate and controlled particle size distribution.
  • the present invention provides a method of producing particles using an atmospheric pressure plasma, wherein the plasma is generated by a discharge between electrodes in a process gas, at least one of the electrodes is a sacrificial electrode or
  • sacrificial electrode and “target electrode” are used interchangeably herein.
  • Atmospheric pressure plasma can be achieved by increasing the path length in the relaxing region of the
  • An “active" plasma region is generally understood to mean a plasma region which is within the volume delimited by the electrodes between which a voltage is applied, by which the plasma is generated.In the active plasma region, free electrons and ions are present separately ,
  • the relaxing region of the plasma is outside the excitation zone, which is delimited by said electrodes.
  • the relaxant region of the plasma is sometimes referred to as an "after-gtow.” There are no more free electrons and ions in the relaxing region of the plasma, but rather excited atoms or molecules.
  • a plurality of electrodes in particular electrodes made of the same or different electrode materials, may be sacrificial electrodes. However, exactly one of the electrodes may also be a sacrificial electrode.
  • particle refers to particles of a particular material, in particular macroscopic particles, as distinct from individual atoms or molecules or clusters thereof.
  • the portion of the sacrificial electrode is actively cooled such that the average temperature of the sacrificial electrode in the region of the sacrificial electrode is outside the discharge area of the sacrificial electrode
  • the discharge area of the sacrificial electrode may be a geometrically excellent area of the sacrificial electrode.
  • a geometrically excellent region is understood to mean a region in which the discharge concentrates due to the high field strength prevailing there.
  • Typical examples of such geometrically marked regions in electrodes are points, corners and edges.
  • the cooling medium only comes into contact with the area of the sacrificial electrode outside the discharge area of the sacrificial electrode or only with part of the area of the sacrificial electrode outside the discharge area of the sacrificial electrode.
  • the area of the sacrificial electrode outside the discharge area can be efficiently cooled, whereby deterioration of the discharge in the discharge area by the cooling process is particularly reliably avoided.
  • a rapid temperature difference occurs
  • the discharge TE2 caused by the discharge can increase the average temperature of the sacrificial electrode at the entry point after the discharge is turned off within a period of not more than 4 minutes, preferably not more than 3 minutes, more preferably not more than 2 min, more preferably not more than 1 min, and most preferably not more than 40 s, fall to a value of 1 / e ⁇ TE2.
  • the sacrificial electrode may be at least partially disposed in a channel of a housing.
  • the housing may be the housing of a plasma nozzle.
  • the channel can be traversed by the process gas.
  • a portion of the sacrificial electrode may be disposed in the housing outside the channel and / or outside the housing.
  • the thermal or indirect contact is made by a secondary medium, such as a tageieitCloude wall or wall, which is arranged between the cooling medium and the part or region of the sacrificial electrode.
  • a secondary medium such as a tageieitCloude wall or wall
  • the sacrificial electrode can be guided at least in regions through a heat-conductive tube or the like.
  • An active cooling of a portion of the sacrificial electrode can be done by direct contact of this tube with the cooling medium.
  • temperatures of the sacrificial electrode at the point of entry may be the difference between the mean temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode and the average temperature of the sacrificial electrode at the entry point in the range of Ts-393K to Ts-77K, preferably Ts-373K to Ts-77K, more preferably from Ts-323K to Ts-77K, and most preferably from Ts-293K to Ts-77K.
  • the sacrificial electrode may be introduced into the plasma nozzle in a direction parallel to a flow direction of the process gas in the plasma nozzle or in a direction perpendicular to the flow direction of the process gas in the plasma nozzle.
  • the longitudinal axis of the sacrificial electrode can be parallel to the flow direction of the process gas in the plasma nozzle or perpendicular to the flow direction of the
  • the sacrificial or sacrificial electrodes are metals such as copper, aluminum, indium, zinc, titanium and magnesium, especially noble metals such as gold, silver, platinum and palladium, but also metal alloys, metal oxides (e.g., BaO, zinc oxide, tin oxide) and carbon.
  • the sacrificial electrode may be made of aluminum bronze.
  • position of the discharge area of the sacrificial electrode herein denotes the position of the
  • the sacrificial electrode may be a traceable sacrificial electrode, in particular a traceable wire sacrificial electrode.
  • traceable in connection with an electrode means that the position of the discharge region of the sacrificial electrode by Nachschieben or
  • the discharge may be a pulsed or pulsating discharge.
  • the pulsed or pulsating discharge may be provided by pulsed or pulsed operation of a voltage source, such as a voltage source.
  • a generator adapted to apply a voltage (e.g., DC voltage), in particular a high voltage, between the electrodes, and with which the discharge, which is preferably one
  • the particles are micro- and / or nanoparticles.
  • micro- and nanoparticles are understood as meaning particles whose diameter is in the range of microns or nanometers.
  • the particles can have a particle size or a particle diameter in the range from 2 nm to 20 ⁇ m, preferably from 5 nm to 10 ⁇ m, more preferably from 10 nm to 5 ⁇ m, even more preferably from 10 nm to 1 ⁇ m and most preferably from 10 nm to 200 ⁇ m nm.
  • the particle size or the particle diameter of the particles can also be in a range from 2 nm to 10 ⁇ m, 2 nm to 5 ⁇ m, 5 nm to 5 ⁇ m, 2 nm to 1 ⁇ m, 5 nm to 1 ⁇ m, 2 nm to 200 nm, 5 nm to 200 nm, 20 nm to 200 nm or 50 nm to 200 nm.
  • the average (volume-averaged) particle diameter of the particles is preferably in the range of nanometers or micrometers, more preferably in the range of 2 nm to 20 ⁇ m, very particularly preferably in the range of 2 to 100 nm.
  • the determination of the particle size of very small particles, such as nanoparticles, is for example with
  • the present invention relates to an apparatus for the production of particles using an atmospheric pressure plasma, in particular in an atmospheric pressure plasma.
  • the device comprises a housing with a channel, at least two electrodes, which are arranged at least partially in the channel, and a voltage source, which is adapted to apply a voltage (eg DC voltage), in particular a high voltage, between the at least two electrodes the at least two electrodes are adapted to generate the plasma by a discharge between the electrodes in a process gas in the channel, and at least one of the electrodes is a sacrificial electrode from which material is removed by the discharge, and the abraded material is particles and / or arise from the removed material particles.
  • a voltage eg DC voltage
  • Sacrificial electrode does not exceed the melting temperature of the material of the sacrificial electrode.
  • Embodiment of the present invention is.
  • a discharge in particular an arc discharge, from the sacrificial electrode 16 to the part of the housing not covered by the insulating tube 14, in this case the nozzle head 32, is ignited ,
  • the discharge region 17 of the sacrificial electrode 16, that is to say the region of the sacrificial electrode 16 in which the discharge predominantly takes place, is the tip thereof, as is illustrated schematically in FIG. 1,
  • a plasma is generated in the process gas 18 by a discharge between the sacrificial electrode 16 and the housing 5 / nozzle head 32.
  • material is removed from the sacrificial electrode 16, from which particles 30 are formed on the substrate surface prior to deposition.
  • the particles 30 are transported further by the vortex-shaped gas flow 28 and pass out of the plasma nozzle 10 through an outlet 36 of the nozzle head 32.
  • the precipitated particles 30 can be selectively applied to the surface of a substrate 50 via the outlet 36, as shown schematically in FIG. As indicated by the arrow 52 in FIG. 1, in this case the substrate 50 can be moved relative to the plasma nozzle 10, thereby enabling a controlled local application of the particles 30 on the surface of the substrate 50,
  • the cooling device 2 comprises a housing 23, in the interior of which a chamber 24 is formed, and two lines 13 'which are in fluid communication with the chamber 24.
  • the sacrificial electrode 16 ' is passed through the chamber 24 via two seals 19 and is held movable by the seals 19 so that it can be moved in the direction perpendicular to the wall 9 of the channel 7'.
  • Discharge area 17 " an efficient and rapid heat removal from the discharge area 17"
  • FIG. 4 shows scanning electron micrographs of glass slides as substrate surfaces on which silver particles have been deposited.
  • the deposition of the particles was carried out by means of a device as shown in Figure 2 with a sacrificial electrode 16 'made of silver, wherein the silver particles shown in Figure 4 (a) without cooling the sacrificial electrode 16 and the silver particles shown in Figure 4 (b) with active cooling Sacrificial electrode 16 'were deposited by the cooling device 2'.
  • the scanning electron micrographs shown in Figure 4 were each at a
  • the method and device according to the invention can be used for depositing layers, in particular dense nanoparticulate layers, on substrate surfaces.
  • particles can be incorporated into layers, such as plasma polymer layers.
  • the produced particles can also be collected, for example by a powder separator, and subsequently supplied to further uses,
  • the sacrificial electrode enters a cooling region at an entrance portion of the sacrificial electrode, in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being at a side of the cooling region opposite the discharge area of the sacrificial electrode, and the median temperature of the sacrificial electrode at the entrance portion 393K 373K, more preferably 323K, and most preferably 293K.
  • Sacrificial electrode does not exceed the melting temperature of the material of the sacrificial electrode.

Abstract

The invention relates to a method for producing particles (30) using an atmospheric pressure plasma, in which the plasma is generated by a discharge (15, 15') between electrodes (16, 16', 16"; 5, 32) in a process gas (18), and at least one of the electrodes is a sacrificial electrode (16, 16', 16") from which material is removed by the discharge, wherein the removed material is particles and/or particles arise from the removed material. A portion of the sacrificial electrode is actively cooled so that the mean temperature of the sacrificial electrode, in a region of the sacrificial electrode outside of the discharge region (17, 17', 17") of the sacrificial electrode, is lower than within the discharge region of the sacrificial electrode. The invention also relates to a device for producing particles (30) using an atmospheric pressure plasma, which comprises: a housing (5) having a channel (7, 7', 7"), at least two electrodes (16, 16', 16"; 5, 32) which are arranged at least partially in the channel, and a voltage source (22) which is designed to apply a voltage between the at least two electrodes. The at least two electrodes are designed to generate the plasma by a discharge (15, 15') between the electrodes in a process gas (18) in the channel, and at least one of the electrodes is a sacrificial electrode (16, 16', 16") from which material is removed by the discharge, wherein the removed material is particles and/or particles arise from the removed material. The device further comprises a cooling device (2) which is designed to actively cool a portion of the sacrificial electrode so that the mean temperature of the sacrificial electrode, in a region of the sacrificial electrode outside of the discharge region (17, 17', 17") of the sacrificial electrode, is lower than within the discharge region of the sacrificial electrode.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON PARTIKELN IN EINEM  METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING PARTICLES IN ONE
ATMOSPHÄRENDRUCKPLASMA  ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas. Mit dem Verfahren können auf effiziente Weise Partikel, insbesondere Mikro- und Nanopartikel gebildet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere Mikro- und Nanopartikeln, unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas. The present invention according to a first aspect relates to a method of producing particles using an atmospheric pressure plasma. The method can be used to efficiently form particles, in particular microparticles and nanoparticles. According to a further aspect, the invention relates to an apparatus for producing particles, in particular microparticles and nanoparticles, using an atmospheric pressure plasma.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Mikro- und Nanopartikel finden seit einigen Jahren Einsatz in verschiedensten Gebieten der Technik, um die Eigenschaften von Produkten zu modifizieren. Beispielsweise können durch den Einbau solcher Partikel optische, elektrische (z.B. Leitfähigkeit), thermische (z.B. Wärmeleitfähigkeit), elektro-magnetische und mechanische Eigenschaften (wie z.B. Stabilität oder Abriebfestigkeit) verbessert werden. Micro- and nanoparticles have been used for several years in various fields of technology to modify the properties of products. For example, incorporation of such particles can improve optical, electrical (e.g., conductivity), thermal (e.g., thermal conductivity), electro-magnetic, and mechanical properties (such as stability or abrasion resistance).
Um die Nachfrage nach solchen Partikeln zu befriedigen, wurden zahlreiche Verfahren vorgeschlagen. In order to meet the demand for such particles, numerous methods have been proposed.
Hier sind zunächst einmal die Niederdruckverfahren zu nennen. First of all, the low-pressure procedures should be mentioned here.
Die DE-A-198 24 364 betrifft beispielsweise ein Verfahren zum Aufbringen von Verschleißschutzschichten mit optischen Eigenschaften auf Oberflächen. Das Verfahren umfasst mindestens zwei unterschiedliche For example, DE-A-198 24 364 relates to a method for applying wear protection layers having optical properties to surfaces. The method comprises at least two different ones
Abscheidesch ritte. Der eine Schritt ist ein plasmagestützter CVD-Prozess zur Abscheid ung einer Verschleißschutz- Matrix und der andere Schritt ist eine Stoffabscheidung mittels einer PVD-Technik zur Einlagerung optisch funktionalen Materials in die Matrix. Die eingesetzte PVD-Technik kann beispielsweise ein Sputterverfahren sein. Abscheidesch ritte. One step is a plasma assisted CVD process for deposition of a wear protection matrix and the other step is material deposition by a PVD technique for incorporation of optically functional material into the matrix. The PVD technique used can be, for example, a sputtering method.
Die WO 2005/061754 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschicht, wobei ein Abscheidungsmaterial unter dem Einfluss eines Plasmas auf einem Substrat abgeschieden wird und gleichzeitig mindestens ein zweites Material mit Hilfe eines zweiten Abscheidungsverfahrens auf das Substrat aufgebracht wird. Als zweites WO 2005/061754 relates to a method for producing a functional layer, wherein a deposition material is deposited on a substrate under the influence of a plasma and at the same time at least one second material is applied to the substrate by means of a second deposition method. As a second
Abscheid ungs erfahren wird unter anderem PVD, wie beispielsweise Sputtern, genannt. Deposition experienced is called among other PVD, such as sputtering.
Die WO 2005/048708 beschäftigt sich mit einem antimikrobieilen und nicht-cytotoxischen Schichtmaterial, das eine Biozid-Schicht und eine diese Schicht bedeckende Transportkontrollschicht umfasst. In Ausführungsbeispiel 6 dieser Schrift wird die Biozid-Schicht durch einen Niederdruck-DC-Magnetron-Sputter-Prozess und die WO 2005/048708 deals with an antimicrobial and non-cytotoxic coating material comprising a biocide layer and a transport control layer covering this layer. In Embodiment 6 of this document, the biocide layer is formed by a low-pressure DC magnetron sputtering process and the
Transportkontrollschicht in einem zweiten Arbeitsschritt durch einen Plasmapolymerisationsprozess aufgebracht. Atle iederdruckverfahren stellen hohe apparative Anforderungen, da Vakuumkammem benötigt werden, ermöglichen üblicherweise nur geringe Abscheideraten (im Bereich von wenigen nm/s) und machen Masken erforderlich, um lokal zu beschichten. Femer gibt es aufgrund des begrenzten Fassungsvermögens von Transport control layer applied in a second step by a plasma polymerization process. Atmospheric pressure processes place high demands on the apparatus, since vacuum chambers are required, usually allow only low deposition rates (in the range of a few nm / s) and make masks necessary in order to coat locally. Furthermore, due to the limited capacity of
Vakuumkammern Grenzen im Hinblick auf die Größe von Substraten bzw. Bauteilen, die beschichtet werden können. Vacuum chambers limits on the size of substrates or components that can be coated.
Um diese Nachteile der Niederdruckverfahren zu vermeiden, wurden Atmosphärendruck-Plasmaverfahren vorgeschlagen. To avoid these disadvantages of the low pressure processes, atmospheric pressure plasma processes have been proposed.
Beispielsweise wird in der DE-A-199 58 473 eine Plasmastrahiquelle verwendet, von der gesagt wird, dass sie im Feinvakuum bis zum atmosphärennahen Druckbereich betrieben werden könne. Konkret beschrieben wird die gleichzeitige Abscheidung einer Matrixschicht und darin eingebetteter Partikel als Funktionsbeschichtung. Hierzu wird über die Gaszufuhr ein mikroskaliges oder nanoskaliges Metallpulver, wie TiN-Pulver, gemeinsam mit einem Trägergas in das Plasma eingebracht. For example, DE-A-199 58 473 uses a plasma-based high-temperature source which is said to operate in a fine vacuum up to the near-atmospheric pressure range. Specifically described is the simultaneous deposition of a matrix layer and particles embedded therein as a functional coating. For this purpose, a micro-scale or nanoscale metal powder, such as TiN powder, is introduced into the plasma together with a carrier gas via the gas supply.
Die DE-A-198 07 086 betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Substratoberflächen in einem plasma-aktivierten Prozess bei Atmosphärendruck. Dabei wird eine Gasphase, die einen pulverförmigen Feststoff enthalten kann, in den Plasmastrahl eingebracht. DE-A-198 07 086 relates to a method for coating substrate surfaces in a plasma-activated process at atmospheric pressure. In this case, a gas phase, which may contain a pulverulent solid, introduced into the plasma jet.
Auch in der WO 01/32949 wird ein Precursormaterial in den Plasmastrahl eingespeist, um so Oberflächen zu beschichten. Das Precursormaterial kann feste, beispielsweise pulverförmige Bestandteile, enthalten. Damit lassen sich Partikel in die abgeschiedenen Schichten einbetten. Also in WO 01/32949 a precursor material is fed into the plasma jet so as to coat surfaces. The precursor material may contain solid, for example pulverulent constituents. This allows particles to be embedded in the deposited layers.
Sämtlichen zuvor beschriebenen Atmosphärendruck-Plasmaverfahren zur Erzeugung von Schichten mit darin dlspergierten Partikeln ist gemeinsam, dass die Partikel, beispielsweise in Form von Pulvern, von außen in den Plasmastrahl eingespeist werden. Dieses Vorgehen bringt beträchtliche Probleme mit sich, wenn Mikropartikel und erst recht wenn Nanopartikel in Schichten eingebaut werden sollen. Der Grund liegt darin, dass Mikropartikel und ganz besonders Nanopartikel, wenn sie in Form von Pulvern vorliegen, stark zur Agglomeration neigen. All the atmospheric pressure plasma processes described above for producing layers having dispersed therein particles have in common that the particles, for example in the form of powders, are fed from outside into the plasma jet. This approach poses considerable problems when microparticles are involved and even more so when nanoparticles are to be incorporated in layers. The reason is that microparticles, and especially nanoparticles, when present in the form of powders, are highly prone to agglomeration.
Die DE-B-102 23 865 betrifft ein Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken, bei dem mit Hilfe einer Plasmadüse durch elektrische Hochfrequenzentladung ein Strahl eines atmosphärischen Plasmas erzeugt wird, mit dem die zu beschichtende Werkstückoberfläche überstrichen wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Komponente des Beschichtungsmaterials als Feststoff in einer Elektrode der Plasmadüse enthalten ist und durch die Hochfrequenzentladung von der Elektrode abgesputtert wird, Ausweislich der DE-B-102 23 865 liegt das abgesputterte Material vorwiegend in Form sehr reaktionsfreudiger Ionen oder Radikale vor. Diese Spezies bilden nach der Lehre dieses Patents homogene Beschichtungen, beispielsweise aus Metallen oder Metallverbindungen. Die Erzeugung von Partikeln, geschweige denn von Mikro- oder DE-B-102 23 865 relates to a process for the plasma coating of workpieces, in which with the aid of a plasma nozzle by electric high-frequency discharge, a beam of atmospheric plasma is generated, with which the workpiece surface to be coated is painted over. The method is characterized in that at least one component of the coating material is contained as a solid in an electrode of the plasma nozzle and is sputtered off the electrode by the high-frequency discharge, According to DE-B-102 23 865, the sputtered material is present predominantly in the form of very reactive ions or radicals. According to the teaching of this patent, these species form homogeneous coatings, for example of metals or metal compounds. The production of particles, let alone micro- or
Nanopartikeln, wird in der DE-B-102 23 865 nicht offenbart. Nanoparticles, is not disclosed in DE-B-102 23 865.
Die US 5,808,270 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Plasma-üchtbogen- Metalldrahtsprühen, durch die ein erweiterter Lichtbogen und ein Überschall-Plasmastrahl erzeugt werden. Ein als Anode dienender Metalldraht wird kontinuierlich in den Plasmastrahl eingeführt, wo der erweiterte Plasmaiichtbogen auf die Drahtspitze überspringt und den Draht schmilzt, und der Überschali-Plasmastrahl atomisiert die geschmolzenen Metallpartikel und führt diese ab, um eine Beschichtung auszubilden. Auch die US 5,808,270 lehrt keine Erzeugung von Partikeln, geschweige denn von Mikro- oder Nanopartikeln. US 5,808,270 relates to an apparatus and method for thermal plasma arcfie metal wire spraying which produces an extended arc and a supersonic plasma jet. A metal wire serving as an anode is continuously introduced into the plasma jet where the extended plasma arc jumps onto the wire tip and melts the wire, and the supersonic plasma jet atomizes and discharges the molten metal particles to form a coating. Also US 5,808,270 teaches no generation of particles, let alone micro- or nanoparticles.
Die DE-B-10 2009 031 857 offenbart einen Plasmabrenner zum Schneiden eines Werkstoffs mittels eines hochenergetischen Plasmastrahls. Da die hohe Energiedichte des Plasmastrahls zu einer thermischen Belastung einer Düse des Plasmabrenners führt, wird diese gekühlt, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Eine Hersteilung von Partikeln erfolgt in dem Plasmabrenner nicht. DE-B-10 2009 031 857 discloses a plasma torch for cutting a material by means of a high-energy plasma jet. Since the high energy density of the plasma jet leads to a thermal load on a nozzle of the plasma torch, it is cooled in order to extend its service life. A production of particles does not occur in the plasma torch.
Die DE-A-10 2009 048 397 betrifft ein Verfahren zur Herstellung oberflächenmodifizierter Partikel in einem Atmosphärendruckplasma unter Verwendung einer Sputterelektrode, von der durch eine Entladung Partikel abgesputtert werden. Um eine übermäßige Erhöhung der Temperatur an der Sputterelektrode zu verhindern, lehrt die DE-A-10 2009 048 397, einen durch die Entladung bewirkten Leistungseintrag auf die Sputterelektrode zu beschränken, indem ein die Entladung erzeugender Spannungsgenerator gepulst betrieben wird oder die DE-A-10 2009 048 397 relates to a process for the preparation of surface-modified particles in an atmospheric pressure plasma using a sputtering electrode from which particles are sputtered by a discharge. In order to prevent an excessive increase in the temperature at the sputtering electrode, DE-A-10 2009 048 397 teaches to limit a discharge induced power input to the sputtering electrode by pulsing or driving a discharge generating voltage generator
Sputterelektrode rotiert oder oszilliert wird. Sputter electrode is rotated or oscillated.
Diese Beschränkung des Leistungsetntrags auf die Sputterelektrode führt jedoch zu einer Verringerung der Sputterausbeute, also der Hersteilrate der Partikel, so dass beispielsweise lange Beschichtungszeiten notwendig sind, um die Partikel an einer Oberfläche eines Substrats abzuscheiden. Daher sind die realisierbaren However, this limitation of Leistungsetntrags on the sputter electrode leads to a reduction in the sputter yield, ie the rate of manufacture of the particles, so that, for example, long coating times are necessary to deposit the particles on a surface of a substrate. Therefore, the realizable
Beschichtungsgeschwindigkeiten klein bzw. die Zyklenzahlen groß, so dass ein prozessbedingter Wärmefluss zu Substratschädigungen führen kann oder die zu behandelnden Substrate aufgrund der zulässigen Temperaturgrenze eingeschränkt werden. Überdies ist die erzielbare Konzentration separierter Partikel auf einer zu beschichtenden Oberfläche limitiert, da die Partikel bei hohen Konzentrationen, insbesondere bei höheren Temperaturen, sich zu größeren Clustern verbinden oder agglomerieren können. Coating speeds are small or the number of cycles is large, so that a process-dependent heat flow can lead to substrate damage or the substrates to be treated are limited due to the permissible temperature limit. Moreover, the achievable concentration of separated particles on a surface to be coated is limited, since at high concentrations, in particular at higher temperatures, the particles can combine or agglomerate into larger clusters.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas bereitzustellen, die eine effiziente Herstellung von Partikeln, insbesondere von Mikro- und Nanopartikeln, mit hoher Herstellrate und kontrollierter Partikelgrößenverteilung ermöglichen. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG The invention has for its object to provide a method and apparatus for the production of particles using an atmospheric pressure plasma, which allow efficient production of particles, in particular of microparticles and nanoparticles, with high production rate and controlled particle size distribution. SUMMARY OF THE INVENTION
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und die This object is achieved by the method according to the independent claim 1 and
Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung folgen aus den abhängigen Ansprüchen. Device according to independent claim 17 solved. Advantageous embodiments of the invention follow from the dependent claims.
Gemäß dem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas bereit, bei dem das Plasma durch eine Entladung zwischen Elektroden in einem Prozessgas erzeugt wird, mindestens eine der Elektroden eine Opferelektrode oder According to the first aspect, the present invention provides a method of producing particles using an atmospheric pressure plasma, wherein the plasma is generated by a discharge between electrodes in a process gas, at least one of the electrodes is a sacrificial electrode or
Targetelektrode ist, von der durch die Entladung Material abgetragen oder abgelöst wird, es sich (i) bei dem abgetragenen Material um Partikel handelt und/oder (ii) aus dem abgetragenen Material Partikel entstehen, und ein Abschnitt der Opferelektrode aktiv so gekühlt wird, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in einem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode niedriger ist als innerhalb des A target electrode from which material is ablated or detached by the discharge, (i) the abraded material is particulate, and / or (ii) particles are formed from the abraded material, and a portion of the sacrificial electrode is actively cooled such that the average temperature of the sacrificial electrode in a region of the sacrificial electrode outside the discharge area of the sacrificial electrode is lower than inside the area of the sacrificial electrode
Entladungsbereichs der Opferelektrode. Discharge area of the sacrificial electrode.
Der Ausdruck„Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode" bezeichnet den gesamten Bereich der Opferelektrode, der außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode liegt. The term "area of the sacrificial electrode outside the discharge area of the sacrificial electrode" means the entire area of the sacrificial electrode which is outside the discharge area of the sacrificial electrode.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt. According to the method of the invention, at least a portion of the sacrificial electrode is actively cooled.
Die Begriffe„Opferelektrode" und„Targetelektrode" werden hierin synonym verwendet. The terms "sacrificial electrode" and "target electrode" are used interchangeably herein.
Partikel können durch Agglomerationsprozesse des abgetragenen Materials, insbesondere in einem relaxierenden Bereich des Atmosphärendruckplasmas, entstehen oder gebildet werden. Im Einzelnen kann es im Zeitraum zwischen dem Abtragen des Materials von der Opferelektrode und einer etwaigen Abscheidung der Partikel auf der Oberfläche eines Substrats zur Entstehung bzw. Bildung von Partikeln kommen. Wie sich zeigte, erfolgt die Entstehung bzw. Bildung von Partikeln vor allem in einem relaxierenden Bereich des Atmosphärendruckplasmas. Die Erfinder haben festgestellt, dass sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ausbeute an Partikeln, insbesondere Nanopartikeln, durch Kontrolle der Verweildauer des Materials in dem relaxierenden Bereich des Atmosphärendruckplasmas, weiter steigern lässt. Die Verweildauer in dem relaxierenden Bereich des Particles can be formed or formed by agglomeration processes of the ablated material, in particular in a relaxing region of the atmospheric pressure plasma. In particular, in the period between the removal of the material from the sacrificial electrode and any deposition of the particles on the surface of a substrate, particles may form or form. As it turned out, the formation or formation of particles takes place above all in a relaxing region of the atmospheric pressure plasma. The inventors have found that in the context of the method according to the invention the yield of particles, in particular nanoparticles, can be further increased by controlling the residence time of the material in the relaxing region of the atmospheric pressure plasma. The length of stay in the relaxing area of the
Atmosphärendruckplasmas kann durch Vergrößern der Weglänge in dem relaxierenden Bereich des Atmospheric pressure plasma can be achieved by increasing the path length in the relaxing region of the
Atmosphärendruckplasmas erhöht werden. Atmospheric pressure plasma can be increased.
Die Kontrolle der Verweildauer wird vorteilhaft unter Berücksichtigung des Befunds vorgenommen, dass durch Erhöhen der Verweildauer des Materials in dem relaxierenden Bereich des Atmosphärendruckplasmas zunächst die Ausbeute an Nanopartikein weiter gesteigert werden kann, wobei es eine Obergrenze der Verweildauer gibt, von der an es zur vermehrten Bildung größerer Partikel, insbesondere Mikropartikel, kommt. The control of the residence time is advantageously carried out taking into account the finding that, by increasing the residence time of the material in the relaxing region of the atmospheric pressure plasma, first Yield of nanoparticles can be increased further, wherein there is an upper limit of the residence time, from which it comes to the increased formation of larger particles, in particular microparticles.
Unter einem„aktiven" Plasmabereich wird allgemein ein Plasmabereich verstanden, der sich innerhalb des Volumens befindet, das von den Elektroden begrenzt wird, zwischen denen eine Spannung anliegt, durch die das Plasma erzeugt wird. In dem aktiven Plasmabereich liegen freie Elektronen und Ionen getrennt vor. An "active" plasma region is generally understood to mean a plasma region which is within the volume delimited by the electrodes between which a voltage is applied, by which the plasma is generated.In the active plasma region, free electrons and ions are present separately ,
Hingegen befindet sich der relaxierende Bereich des Plasmas außerhalb der Anregungszone, die durch die genannten Elektroden begrenzt ist. Der relaxierende Bereich des Plasmas wird gelegentlich auch als„after gtow"- Bereich bezeichnet. In dem relaxierenden Bereich des Plasmas liegen keine freien Elektronen und Ionen mehr vor, sondern vielmehr angeregte Atome oder Moleküle. By contrast, the relaxing region of the plasma is outside the excitation zone, which is delimited by said electrodes. The relaxant region of the plasma is sometimes referred to as an "after-gtow." There are no more free electrons and ions in the relaxing region of the plasma, but rather excited atoms or molecules.
Der relaxierende Bereich des Atmosphärendruckplasmas ist im Falle einer Plasmadüse der Bereich auf der Abströmseite der Anregungszone (also beginnend an der Elektrode näher am Auslass der Plasmadüse), der durch das Ende der sichtbaren Plasmaflamme begrenzt wird. Typischerweise erstreckt sich die Plasmaflamme etwa 10 mm über den Austass der Plasmadüse hinaus. In the case of a plasma nozzle, the relaxing region of the atmospheric pressure plasma is the region on the downstream side of the excitation zone (that is, starting at the electrode closer to the outlet of the plasma nozzle), which is delimited by the end of the visible plasma flame. Typically, the plasma flame extends about 10 mm beyond the exit of the plasma nozzle.
Bei einer Standard-Atmosphärendruckplasmadüse ist der Abstand zwischen der Elektrode, die näher am Auslass der Plasmadüse liegt, und dem Auslass typischerweise im Bereich von 2-5 mm. Wie die Erfinder festgestellt haben, war die Ausbeute an Nanopartikeln, verglichen mit der o.g. Standard-Atmosphärendruckplasmadüse, signifikant größer, wenn eine Atmosphärendruckplasmadüse mit einem Abstand zwischen der Elektrode, die näher am Auslass der Plasmadüse liegt, und dem Auslass der Düse von etwa 50 mm verwendet wurde. In beiden Fällen war die Länge der Plasmaflamme, die sich über den Auslass der Plasmadüse hinaus erstreckte, vergleichbar groß (etwa 10 mm). In a standard atmospheric pressure plasma nozzle, the distance between the electrode closer to the outlet of the plasma nozzle and the outlet is typically in the range of 2-5 mm. As the inventors have found, the yield of nanoparticles was compared to the above mentioned. Standard atmospheric pressure plasma nozzle, significantly larger when an atmospheric pressure plasma nozzle with a distance between the electrode closer to the outlet of the plasma nozzle and the outlet of the nozzle of about 50 mm was used. In both cases, the length of the plasma flame, which extended beyond the outlet of the plasma nozzle, was comparably large (about 10 mm).
Als Elektrode im erfindungsgemäßen Sinn wird jedes Element, z.B. jeder Bestandteil der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Vorrichtung, insbesondere einer Plasmadüse, verstanden, das zumindest zeitweise Ausgangs- oder Endpunkt des Entladungsfilaments ist. As an electrode in the sense of the invention, each element, e.g. each component of the apparatus used for the inventive method, in particular a plasma nozzle understood, which is at least temporarily starting or end point of the discharge filament.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird die Elektrode, von der in dem erfmdungsgemäßen Verfahren durch die das Plasma erzeugende Entladung Material abgetragen oder abgelöst wird, als„Opferelektrode" oder For the purposes of the present application, the electrode, from which in the inventive method by the plasma-generating discharge material is removed or detached, as a "sacrificial electrode" or
„Targetelektrode" bezeichnet. In dem erfindungsgemäßen Verfahren können mehrere Elektroden, insbesondere Elektroden aus den gleichen oder unterschiedlichen Elektrodenmaterialien, Opferelektroden sein, Jedoch kann auch genau eine der Elektroden Opferelektrode sein. In the method according to the invention, a plurality of electrodes, in particular electrodes made of the same or different electrode materials, may be sacrificial electrodes. However, exactly one of the electrodes may also be a sacrificial electrode.
Unter einem„Atmosphärendruckplasma", das auch als AD-Plasma oder Normaldruckplasma bezeichnet wird, versteht man ein Plasma, bei dem der Druck ungefähr dem Atmosphärendruck entspricht. C. Tendero et al. geben in „Atmospheric pressure plasmas: A review", Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2006, S. 2-30 einen Überblick über Atmosphärendruckplasmen. By "atmospheric pressure plasma", also referred to as AD plasma or normal pressure plasma, is meant a plasma in which the pressure is approximately equal to atmospheric pressure C. Tendero et al "Atmospheric pressure plasmas: A review", Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2006, pp. 2-30 for an overview of atmospheric pressure plasmas.
Der Begriff„Partikel" bezeichnet Teilchen eines bestimmten Materials, insbesondere makroskopische Teilchen, in Abgrenzung von einzelnen Atomen oder Molekülen oder Clustern davon. The term "particle" refers to particles of a particular material, in particular macroscopic particles, as distinct from individual atoms or molecules or clusters thereof.
Der Ausdruck„mittlere Temperatur der Opferelektrode" bezeichnet den zeitlichen und örtlichen Mittelwert der Temperatur, also den Mittelwert der Temperatur über einen bestimmten Zeitraum, nämlich den Zeitraum, in dem die Entladung erfolgt, und über einen bestimmten Fiächenbereich der Opferelektrode, wie den Entiadungsbereich der Opferelektrode bzw. den Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs. The term "average temperature of the sacrificial electrode" refers to the temporal and local mean value of the temperature, ie the mean value of the temperature over a certain period, namely the period in which the discharge occurs, and over a certain Fiächenbereich the sacrificial electrode, such as the Entiadungsbereich the sacrificial electrode or the area of the sacrificial electrode outside the discharge area.
Der Entladungsbereich der Opferelektrode ist der Bereich der Opferelektrode, in dem die Entladung überwiegend erfolgt. Der Begriff„überwiegend" definiert hierin, dass der Entladungsbereich der Opferelektrode der Bereich der Opferelektrode ist, in dem die Entladung über einen Zeitraum erfolgt, der 50% oder mehr des gesamten The discharge area of the sacrificial electrode is the area of the sacrificial electrode in which the discharge predominantly takes place. The term "predominantly" herein defines that the discharge area of the sacrificial electrode is the area of the sacrificial electrode in which the discharge occurs over a period of time that is 50% or more of the total
Entladungszeitraums beträgt, also des gesamten Zeitraums, in dem die Entladung an der Opferelektrode erfolgt. Discharge period, ie the entire period in which the discharge takes place at the sacrificial electrode.
Durch die aktive Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode fällt die durch die Entladung bewirkte Erhöhung TE1 der mittleren Temperatur der Opferelektrode in dem Abschnitt der Opferelektrode nach Abschalten der Entladung innerhalb eines Zeitraums von nicht mehr als 4 min, bevorzugt nicht mehr als 3 min, bevorzugter nicht mehr als 2 min, noch bevorzugter nicht mehr als 1 min und am bevorzugtesten nicht mehr als 40 s, auf einen Wert von 1/e χ TE1 ab, wobei e die Eulersche Zahl ist. Eine aktive Kühlung erfolgt durch eine Kühleinrichtung. By actively cooling the portion of the sacrificial electrode, the discharge TE1 of the mean temperature of the sacrificial electrode in the portion of the sacrificial electrode after the discharge is shut off falls within a period of not more than 4 minutes, more preferably not more than 3 minutes, more preferably not more as 2 min, more preferably not more than 1 min, and most preferably not more than 40 s, to a value of 1 / e χ TE1, where e is the Euler number. Active cooling takes place by means of a cooling device.
Die Opferelektrode besteht aus einem elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Metall. The sacrificial electrode is made of an electrically conductive and thermally conductive material, such as metal.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Abschnitt der Opferelektrode aktiv so gekühlt, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in dem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der According to the method of the invention, the portion of the sacrificial electrode is actively cooled such that the average temperature of the sacrificial electrode in the region of the sacrificial electrode is outside the discharge area of the sacrificial electrode
Opferelektrode niedriger ist als innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode. Folglich besteht eine Sacrificial electrode is lower than within the discharge area of the sacrificial electrode. Consequently, there is one
Temperaturdifferenz bzw. ein Temperaturgradient zwischen dem Entladungsbereich und dem Bereich der Temperature difference or a temperature gradient between the discharge area and the area of
Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs, so dass eine Erwärmung des Entladungsbereichs durch die Entladung durch Wärmetransport von dem Entladungsbereich zu dem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs kompensiert oder ausgeglichen werden kann. Sacrificial electrode outside the discharge region, so that heating of the discharge region by the discharge by heat transfer from the discharge region to the region of the sacrificial electrode outside the discharge region can be compensated or compensated.
Somit kann auch bei einem hohen Leistungseintrag durch die Entladung bezogen auf die Fläche der Opferelektrode oder Opferelektroden eine übermäßige Erwärmung der Opferelektrode oder Opferelektroden vermieden werden, so dass ein sogenanntes Abspratzen vom Material, zuverlässig verhindert wird. Auf diese Weise kann ein Thus, even with a high power input by the discharge based on the area of the sacrificial electrode or sacrificial electrodes excessive heating of the sacrificial electrode or sacrificial electrodes can be avoided, so that a so-called Abspatzen from the material is reliably prevented. This way you can
unerwünschtes großflächiges Aufschmelzen von Opferelektrodenmateriai und damit ein Transfer von spratzigem Material auf die Substratoberfläche vermieden werden. Daher kann, insbesondere durch den somit möglichen hohen Leistungseintrag auf die Opfereiektrode oder Opferelektroden, eine hohe Herstell- oder Erzeugungsrate der Partikel erzielt werden, während die Partikelgröße gering gehalten wird und die Größenverteilung der Partikel genau gesteuert oder kontrolliert werden kann. Folglich wird eine effiziente Herstellung von Partikeln mit definierter Größe ermöglicht. unwanted large-scale melting of Opferelektrodenmateriai and thus a transfer of spratzigem material can be avoided on the substrate surface. Therefore, in particular by the thus possible high power input to the sacrificial electrode or sacrificial electrodes, a high manufacturing or production rate of the particles can be achieved while the particle size is kept low and the size distribution of the particles can be precisely controlled or controlled. Consequently, efficient production of particles of defined size is made possible.
Des Weiteren können aufgrund der höheren Herstellrate und somit auch höheren Abscheideeffizienz der Partikel beim Abscheiden der Partikel auf einer Oberfläche eines Substrats auch temperatursensitive Substratmaterialien beschichtet werden, da die Prozesszeiten und damit der Wärmeeintrag pro Zeit und Fläche erheblich reduziert werden. Furthermore, due to the higher production rate and thus also higher separation efficiency of the particles when depositing the particles on a surface of a substrate, temperature-sensitive substrate materials can also be coated since the process times and thus the heat input per time and area are considerably reduced.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit einem chemischen Dampfabscheidungsprozess (CVD), insbesondere in einem Schritt, kombiniert werden, insbesondere um eine durchgehende Schicht mit darin dispergierten Partikeln auszubilden. In diesem Fall ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine ausgewogene und einheitliche Konzentration von Partikeln in der Schicht. Überdies kann die Konzentration von Partikeln in der Schicht im Vergleich zu Verfahren ohne aktive Kühlung deutlich erhöht werden. The method according to the invention can also be combined with a chemical vapor deposition (CVD) process, in particular in one step, in particular to form a continuous layer with particles dispersed therein. In this case, the method according to the invention enables a balanced and uniform concentration of particles in the layer. Moreover, the concentration of particles in the layer can be significantly increased compared to methods without active cooling.
Der Abschnitt der Opferelektrode kann aktiv so gekühlt werden, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in einem Bereich der Opferelektrode, in dem kein Material abgetragen wird, niedriger ist als in einem Bereich der Opferelektrode, in dem Material abgetragen wird. The portion of the sacrificial electrode may be actively cooled so that the average temperature of the sacrificial electrode in a region of the sacrificial electrode in which no material is removed is lower than in a region of the sacrificial electrode in which material is removed.
Der Abschnitt der Opferelektrode kann aktiv so gekühlt werden, dass die mittlere Temperatur eines Teils der Opfereiektrode, der sich im Bereich der Entladung befindet, höher ist als die mittlere Temperatur eines Teils der Opfereiektrode, der sich außerhalb der Entladung befindet. The portion of the sacrificial electrode may be actively cooled such that the average temperature of a portion of the sacrificial electrode that is in the region of the discharge is higher than the average temperature of a portion of the sacrificial electrode that is outside of the discharge.
Der Entladungsbereich der Opferelektrode kann ein geometrisch ausgezeichneter Bereich der Opferelektrode sein. Unter einem geometrisch ausgezeichneten Bereich wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Bereich verstanden, in dem sich aufgrund der dort herrschenden hohen Feldstärke die Entladung konzentriert. Typische Beispiele solcher geometrisch ausgezeichneten Bereiche in Elektroden sind Spitzen, Ecken und Kanten. The discharge area of the sacrificial electrode may be a geometrically excellent area of the sacrificial electrode. For the purposes of the present application, a geometrically excellent region is understood to mean a region in which the discharge concentrates due to the high field strength prevailing there. Typical examples of such geometrically marked regions in electrodes are points, corners and edges.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die gesamte Opferelektrode, also der Entladungsbereich der Opfereiektrode und der Bereich der O ferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs, aktiv gekühlt werden. In the method according to the invention, the entire sacrificial electrode, that is to say the discharge region of the sacrificial electrode and the region of the outer electrode, can be actively cooled outside the discharge region.
Die Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode oder Opferelektroden kann über Wärmeleitung erfolgen. Da Wärmeleitung eine schnelle und effektive Wärmeabfuhr von der Opferelektrode ermöglicht, kann die Opferelektrode so in besonders effizienter Weise gekühlt werden. Die Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode oder Opferelektroden kann durch ein Kühlmedium oder Kühlmittel erfolgen. Das Kühlmedium oder Kühlmittel kann ein festes, flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium oder Kühlmittel sein. Als Kühlmedium können insbesondere Wasser, Wasser-Glykol, Trockeneis in Ethanol, flüssiger Stickstoff, CO2- Eis usw. verwendet werden. Die Kühlung durch ein Kühlmedium ermöglicht eine besonders einfache und effektive Kühlung der Opferelektrode. Besonders bevorzugt wird ein flüssiges Kühlmedium oder Kühlmittel verwendet. The cooling of the section of the sacrificial electrode or sacrificial electrodes can be carried out via heat conduction. Since heat conduction enables rapid and effective heat removal from the sacrificial electrode, the sacrificial electrode can thus be cooled in a particularly efficient manner. The cooling of the portion of the sacrificial electrode or sacrificial electrodes can be carried out by a cooling medium or coolant. The cooling medium or coolant may be a solid, liquid or gaseous cooling medium or coolant. In particular, water, water-glycol, dry ice in ethanol, liquid nitrogen, CO2 ice, etc. can be used as the cooling medium. The cooling by a cooling medium allows a particularly simple and effective cooling of the sacrificial electrode. Particularly preferably, a liquid cooling medium or coolant is used.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kommt das Kühlmedium nur mit dem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode oder nur mit einem Teil des Bereichs der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode in Kontakt. Auf diese Weise kann der Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs effizient gekühlt werden, wobei eine Beeinträchtigung der Entladung in dem Entladungsbereich durch den Kühlvorgang besonders zuverlässig vermieden wird. Überdies wird durch die durch die Kühlung bewirkte hohe Temperaturdifferenz zwischen dem durch das Kühlmedium gekühlten Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs und dem Entladungsbereich eine schnelle According to an embodiment of the present invention, the cooling medium only comes into contact with the area of the sacrificial electrode outside the discharge area of the sacrificial electrode or only with part of the area of the sacrificial electrode outside the discharge area of the sacrificial electrode. In this way, the area of the sacrificial electrode outside the discharge area can be efficiently cooled, whereby deterioration of the discharge in the discharge area by the cooling process is particularly reliably avoided. Moreover, due to the high temperature difference caused by the cooling between the area of the sacrificial electrode which is cooled by the cooling medium outside the discharge area and the discharge area, a rapid temperature difference occurs
Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich gewährleistet. Ensures heat dissipation from the discharge area.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tritt die Opferelektrode an einer Eintrittsstelle der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich ein, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entladungsbereich der Opferelektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und liegt die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entiadungsbereichs der Opferelektrode und der mittleren Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle in dem Bereich von Ts- 393 K bis Ts - 77 K, bevorzugt von Ts - 373 K bis Ts - 77 K, bevorzugter von Ts - 323 K bis Ts - 77 K und am bevorzugtesten von Ts - 293 K bis Ts - 77 K, wobei Ts die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode in Kelvin (K) ist. According to an embodiment of the present invention, the sacrificial electrode enters a cooling region at an entry point of the sacrificial electrode, in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being on a side of the cooling region opposite to the discharge region of the sacrificial electrode, and the difference between average temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode and the mean temperature of the sacrificial electrode at the point of entry in the range of Ts-393K to Ts-77K, preferably from T s- 373K to Ts-77K, more preferably T s 323K to Ts - 77K, and most preferably from T s - 293K to T s - 77K, where T s is the melting temperature of the sacrificial electrode material in Kelvin (K).
Der Kühlungsbereich kann die Kühleinrichtung oder ein Teil der Kühleinrichtung sein. Die Opferelektrode kann in dem Kühlungsbereich mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Kühimedium in Kontakt, insbesondere in direkten bzw. unmittelbaren oder thermischen bzw. mittelbaren Kontakt, kommen. The cooling region may be the cooling device or a part of the cooling device. The sacrificial electrode may come in contact with a solid, liquid or gaseous cooling medium in the cooling region, in particular in direct or direct or indirect or indirect contact.
Auf diese Weise kann eine besonders effiziente Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich der Opferelektrode gewährleistet und ein Schmelzen der Opferelektrode im Entladungsbereich besonders zuverlässig verhindert werden, so dass auch bei einem hohen Leistungseintrag auf die Opferelektrode ein Abspratzen von Material der Opferelektrode vermieden wird. In this way, a particularly efficient heat dissipation from the discharge region of the sacrificial electrode can be ensured and melting of the sacrificial electrode in the discharge region can be prevented particularly reliably, so that a spattering of material of the sacrificial electrode is avoided even with a high power input to the sacrificial electrode.
Durch die aktive Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode kann die durch die Entladung bewirkte Erhöhung TE2 der mittleren Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle nach Abschalten der Entladung innerhalb eines Zeitraums von nicht mehr als 4 min, bevorzugt nicht mehr als 3 min, bevorzugter nicht mehr als 2 min, noch bevorzugter nicht mehr als 1 min und am bevorzugtesten nicht mehr als 40 s, auf einen Wert von 1/e χ TE2 abfallen. Die Opfereiektrode kann zumindest teilweise in einem Kanal eines Gehäuses angeordnet sein. Das Gehäuse kann das Gehäuse einer Plasmadüse sein. Der Kanal kann von dem Prozessgas durchströmt werden. Ein Teil der Opferelektrode kann in dem Gehäuse außerhalb des Kanals und/oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. By actively cooling the portion of the sacrificial electrode, the discharge TE2 caused by the discharge can increase the average temperature of the sacrificial electrode at the entry point after the discharge is turned off within a period of not more than 4 minutes, preferably not more than 3 minutes, more preferably not more than 2 min, more preferably not more than 1 min, and most preferably not more than 40 s, fall to a value of 1 / e χ TE2. The sacrificial electrode may be at least partially disposed in a channel of a housing. The housing may be the housing of a plasma nozzle. The channel can be traversed by the process gas. A portion of the sacrificial electrode may be disposed in the housing outside the channel and / or outside the housing.
Das Kühlmedium kann insbesondere mit einem Teil oder Bereich der Opferelektrode in Kontakt, insbesondere in direkten bzw. unmittelbaren, also körperlichen, oder thermischen bzw. mittelbaren Kontakt, kommen, der in dem Gehäuse außerhalb des Kanals und/oder außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Insbesondere kann das Kühlmedium nur mit diesem Bereich in Kontakt, insbesondere in direkten bzw. unmittelbaren oder thermischen bzw. mittelbaren Kontakt, kommen. The cooling medium may in particular come into contact with a part or region of the sacrificial electrode, in particular in direct or direct, ie physical, or thermal or indirect contact, which is arranged in the housing outside the channel and / or outside the housing. In particular, the cooling medium can come into contact only with this area, in particular in direct or direct or thermal or indirect contact.
Der thermische bzw. mittelbare Kontakt erfolgt durch ein Sekundärmedium, wie beispielsweise eine wärmeieitfähige Wand oder Wandung, das zwischen dem Kühlmedium und dem Teil oder Bereich der Opferelektrode angeordnet ist. Beispielsweise kann die Opferelektrode zumindest bereichsweise durch eine wärmeieitfähige Röhre oder dergleichen geführt werden. Eine aktive Kühlung eines Abschnitts der Opferelektrode kann durch direkten Kontakt dieser Röhre mit dem Kühlmedium erfolgen. The thermal or indirect contact is made by a secondary medium, such as a wärmeieitfähige wall or wall, which is arranged between the cooling medium and the part or region of the sacrificial electrode. For example, the sacrificial electrode can be guided at least in regions through a heat-conductive tube or the like. An active cooling of a portion of the sacrificial electrode can be done by direct contact of this tube with the cooling medium.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tritt die Opferelektrode an einer Eintrittsstelle der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich ein, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entladungsbereich der Opfereiektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und überschreitet die mittlere Temperatur der Opferelektrode in dem Eintrittsbereich nicht 393 K, bevorzugt nicht 373 K, bevorzugter nicht 323 K und am bevorzugtesten nicht 293 K. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich der Opferelektrode gewährleistet. Für diese mittleren According to an embodiment of the present invention, the sacrificial electrode enters a cooling region at an entrance point of the sacrificial electrode, in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being on a side of the cooling region opposite to the discharge region of the sacrificial electrode, and exceeds the mean temperature of Sacrificial electrode in the entrance region not 393 K, preferably not 373 K, more preferably not 323 K and most preferably not 293 K. In this way, a particularly efficient heat dissipation from the discharge region of the sacrificial electrode is ensured. For this middle
Temperaturen der Opferelektrode an der Eintrittsstelle kann insbesondere die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode und der mittleren Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle in dem Bereich von Ts - 393 K bis Ts - 77 K, bevorzugt von Ts - 373 K bis Ts - 77 K, bevorzugter von Ts - 323 K bis Ts - 77 K und am bevorzugtesten von Ts - 293 K bis Ts - 77 K, liegen. In particular, temperatures of the sacrificial electrode at the point of entry may be the difference between the mean temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode and the average temperature of the sacrificial electrode at the entry point in the range of Ts-393K to Ts-77K, preferably Ts-373K to Ts-77K, more preferably from Ts-323K to Ts-77K, and most preferably from Ts-293K to Ts-77K.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die mittlere Temperatur der Opferelektrode innerhalb des In the method according to the invention, the mean temperature of the sacrificial electrode within the
Entladungsbereichs der Opferelektrode so gewählt werden, dass sie die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode nicht überschreitet. Folglich wird ein Schmelzen des Entladungsbereichs der Opferelektrode und somit ein Abspratzen von Opferelektrodenmaterial besonders zuverlässig vermieden. Discharge range of the sacrificial electrode are chosen so that it does not exceed the melting temperature of the material of the sacrificial electrode. Consequently, a melting of the discharge region of the sacrificial electrode and thus a sputtering of sacrificial electrode material is particularly reliably avoided.
Die Opferelektrode kann eine längliche Form aufweisen. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Begriff„längliche Form" eine Form, deren Abmessung in einer Dimension größer, insbesondere erheblich größer, ist als in den zwei weiteren Dimensionen. Insbesondere kann die Opferelektrode ein Draht, ein Stab oder ein Hohlprofii, z.B. ein längliches Hohlprofil, sein. The sacrificial electrode may have an elongated shape. For the purposes of the present application, the term "elongated shape" designates a shape whose dimension is larger in one dimension, in particular considerably larger, than in the two other dimensions. In particular, the sacrificial electrode may be a wire, a rod or a hollow profile, for example an elongate hollow profile.
Der Entladungsbereich kann sich an einem Ende der länglichen Opferelektrode, insbesondere eines Drahts, befinden. Das Ende der länglichen Opferelektrode kann in Form einer Spitze, insbesondere einer Drahtspitze, vorliegen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die längliche Opferelektrode, insbesondere der Draht, der Stab oder das längliche Hohlprofil, einen mittleren Durchmesser von 0,1 bis 20 mm, bevorzugt von 0,1 bis 10 mm, bevorzugter von 0,1 bis 5 mm und noch bevorzugter von 0,5 bis 1 ,5 mm, auf. The discharge region may be located at one end of the elongate sacrificial electrode, in particular a wire. The end of the elongated sacrificial electrode may be in the form of a tip, in particular a wire tip. According to one embodiment of the present invention, the elongated sacrificial electrode, in particular the wire, the rod or the elongated hollow profile, has an average diameter of 0.1 to 20 mm, preferably 0.1 to 10 mm, more preferably 0.1 to 5 mm and more preferably from 0.5 to 1.5 mm.
Die Opferelektrode kann in einer Richtung parallel zu einer Strömungsrichtung des Prozessgases in der Plasmadüse oder in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Prozessgases in der Plasmadüse in die Plasmadüse eingeführt sein. Für den Fall einer länglichen Opferelektrode kann die Längsachse der Opferelektrode parallel zu der Strömungsrichtung des Prozessgases in der Plasmadüse oder senkrecht zu der Strömungsrichtung des The sacrificial electrode may be introduced into the plasma nozzle in a direction parallel to a flow direction of the process gas in the plasma nozzle or in a direction perpendicular to the flow direction of the process gas in the plasma nozzle. In the case of an elongated sacrificial electrode, the longitudinal axis of the sacrificial electrode can be parallel to the flow direction of the process gas in the plasma nozzle or perpendicular to the flow direction of the
Prozessgases in der Plasmadüse liegen. Process gas in the plasma nozzle are.
Eine Konzentration der Entladung auf einen begrenzten Bereich der Opferelektrode oder Opferelektroden kann durch die Gasströmung des Prozessgases begünstigt werden. Hier erweist sich beispielsweise eine gerichtete wirbeiförmige Strömung des Prozessgases, die durch eine Drallvorrichtung erzeugt werden kann, als vorteilhaft. A concentration of the discharge on a limited area of the sacrificial electrode or sacrificial electrodes can be promoted by the gas flow of the process gas. Here, for example, proves a directed vortex-shaped flow of the process gas, which can be generated by a twisting device, as advantageous.
Als Materia! der Opferelektrode oder Opferelektroden kommen Metalle, wie Kupfer, Aluminium, Indium, Zink, Titan und Magnesium, insbesondere Edelmetalle, wie Gold, Silber, Platin und Palladium, aber auch Metalllegierungen, Metalloxide (z.B. BaO, Zinkoxid, Zinnoxid) und Kohlenstoff in Frage. Außerdem kann die Opferetektrode aus Aluminiumbronze bestehen. As Materia! the sacrificial or sacrificial electrodes are metals such as copper, aluminum, indium, zinc, titanium and magnesium, especially noble metals such as gold, silver, platinum and palladium, but also metal alloys, metal oxides (e.g., BaO, zinc oxide, tin oxide) and carbon. In addition, the sacrificial electrode may be made of aluminum bronze.
Das Abtragen von Material von der Opferelektrode kann durch die Wahl des Elektrodenmaterials begünstigt werden. Silber ist beispielsweise ein Material, von dem sich besonders leicht Material abtragen lässt. Insbesondere lässt sich für Silberelektroden ein günstiger Materialabtrag auch für herkömmliche Elektrodengeometrien erzielen. The removal of material from the sacrificial electrode may be favored by the choice of electrode material. Silver, for example, is a material from which material can be removed very easily. In particular, a favorable removal of material for conventional electrode geometries can be achieved for silver electrodes.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode, beispielsweise durch eine Erfassungsei nrichtung, insbesondere eine optische und/oder elektronische In the method according to the invention, the position of the discharge region of the sacrificial electrode, for example by a Detektorsei device, in particular an optical and / or electronic
Erfassungseinrichtung, erfasst werden, insbesondere optisch und/oder elektronisch erfasst werden. Beispielsweise kann die optische Erfassung der Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode durch ein Endoskop erfolgen. Detecting device to be detected, in particular optically and / or electronically detected. For example, the optical detection of the position of the discharge region of the sacrificial electrode can be carried out by an endoscope.
Der Ausdruck„Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode" bezeichnet hierin die Position des The term "position of the discharge area of the sacrificial electrode" herein denotes the position of the
Entladungsbereichs der Opferelektrode relativ zu einem Gehäuse einer Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, wie beispielsweise einer Plasmadüse, an der die Opferelektrode vorgesehen ist. Somit kann eine Änderung dieser Position oder eine Abweichung dieser Position von einer vorgegebenen Position zuverlässig und genau ermittelt werden. Discharge region of the sacrificial electrode relative to a housing of a device for producing particles, such as a plasma nozzle, on which the sacrificial electrode is provided. Thus, a change of this position or a deviation of this position from a predetermined position can be determined reliably and accurately.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Opferelektrode so geführt oder bewegt, dass die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode, z.B. relativ zu dem Gehäuse, während des Verfahrens, also während der Durchführung des Verfahrens, im Wesentlichen gleich bzw. unverändert bleibt. According to an embodiment of the present invention, the sacrificial electrode is guided or moved so that the position of the discharge area of the sacrificial electrode, e.g. relative to the housing, during the process, that is, while performing the method, remains substantially unchanged.
Auf diese Weise kann besonders zuverlässig gewährleistet werden, dass sowohl die Herstellrate der Partikel als auch die Größenverteilung der Partikel im Wesentlichen unverändert bleibt. In this way it can be ensured particularly reliably that both the production rate of the particles and the size distribution of the particles remain essentially unchanged.
Überdies kann sichergestellt werden, dass weder zu viel noch zu wenig Opferelektrodenmaterial in dem Prozessgas, beispielsweise in dem Kanal des Gehäuses, vorliegt. Falls zu wenig Opferelektrodenmaterial in dem Moreover, it can be ensured that there is neither too much nor too little sacrificial electrode material in the process gas, for example in the channel of the housing. If there is too little sacrificial electrode material in the
Entladungskanal vorhanden ist, wird die Ausbildung einer ausreichenden Temperaturdifferenz zwischen dem Entladungsbereich und dem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs erschwert, so dass die Effizienz der Kühlung beeinträchtigt werden kann. Andererseits kann auch das Vorhandensein von zu viel Discharge channel is present, the formation of a sufficient temperature difference between the discharge region and the area of the sacrificial electrode outside the discharge region is difficult, so that the efficiency of the cooling can be impaired. On the other hand, the presence of too much
Opfereiektrodenmaterial in dem Entlad ungskanal die Partikelerzeugungseffizienz negativ beeinflussen. Sacrificial electrode material in the discharge channel negatively affect the particle generation efficiency.
Beispielsweise kann die Opferelektrode eine nachführbare Opferelektrode, insbesondere eine nachführbare Drahtopferelektrode, sein. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet„nachführbar" im Zusammenhang mit einer Elektrode, dass die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode durch Nachschieben oder For example, the sacrificial electrode may be a traceable sacrificial electrode, in particular a traceable wire sacrificial electrode. For the purposes of the present application "traceable" in connection with an electrode means that the position of the discharge region of the sacrificial electrode by Nachschieben or
Zurückziehen der Opferelektrode gesteuert bzw. eingestellt werden kann. Retracting the sacrificial electrode can be controlled or adjusted.
Die Opferelektrode kann auf Grundlage der erfassten Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode so geführt oder bewegt werden, dass die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode, trotz des prozessbedingten Materialabtrages, während des Verfahrens im Wesentlichen gleich bzw. unverändert bleibt. The sacrificial electrode may be guided or moved based on the detected position of the discharge area of the sacrificial electrode such that the position of the discharge area of the sacrificial electrode remains substantially unchanged during the process despite the process-related removal of material.
Dieser Ansatz ermöglicht eine besonders genaue und zuverlässige Einstellung der Position des Entladungsbereichs. Insbesondere kann der Prozess der entsprechenden Führung oder Bewegung der Opferelektrode auf Grundlage der erfassten Position, beispielsweise mittels einer Rückkopplungsschleife oder eines Rückführkreises, automatisiert werden. This approach allows a particularly accurate and reliable adjustment of the position of the discharge area. In particular, the process of correspondingly guiding or moving the sacrificial electrode may be automated based on the sensed position, for example, by means of a feedback loop or a feedback loop.
Die Entladung kann eine gepulste oder pulsierende Entladung sein. Die gepulste oder pulsierende Entladung kann insbesondere durch einen gepulsten oder pulsierenden Betrieb einer Spannungsquelle, wie z.B. eines Generators, erzeugt werden, die dafür eingerichtet ist, eine Spannung (z.B. Gleichspannung), insbesondere eine Hochspannung, zwischen den Elektroden anzulegen, und mit der die Entladung, bei der es sich vorzugsweise um eine The discharge may be a pulsed or pulsating discharge. In particular, the pulsed or pulsating discharge may be provided by pulsed or pulsed operation of a voltage source, such as a voltage source. a generator adapted to apply a voltage (e.g., DC voltage), in particular a high voltage, between the electrodes, and with which the discharge, which is preferably one
Bogenentladung handelt, bewirkt wird. Auf diese Weise kann eine gepulste oder pulsierende Spannung erzeugt werden. Vorzugsweise wird eine asymmetrische Wechselspannung erzeugt. Die Pulsfrequenz der Spannungsquelle, z.B. des Generators, ist nicht besonders beschränkt und kann 5 bis 70 kHz betragen, wobei der Bereich von 15 bis 40 kHz bevorzugt ist. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich Pulsfrequenzen von 16 bis 25, insbesondere 17 bis 23 kHz, als besonders vorteilhaft erwiesen. Arc discharge is, is effected. In this way, a pulsed or pulsating voltage can be generated. Preferably, an asymmetrical AC voltage is generated. The pulse frequency of the voltage source, eg, the generator, is not particularly limited and may be 5 to 70 kHz, with the range of 15 to 40 kHz being preferred. For carrying out the method according to the invention, pulse frequencies of 16 to 25, in particular 17 to 23 kHz, have proved to be particularly advantageous.
Verwendbare Prozessgase, die beispielsweise in Plasmadüsen verwendet werden können, sind dem Fachmann geläufig. Beispielsweise können Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Edelgase (insbesondere Argon), Ammoniak (NH3), Schwefelwasserstoff (H2S) und Mischungen davon, insbesondere Druckluft, Stickstoff- Wasserstoff-Gemische und Edelgas-Wasserstoff-Gemische zum Einsatz kommen. Applicable process gases which can be used, for example, in plasma nozzles are familiar to the person skilled in the art. For example, nitrogen, oxygen, hydrogen, noble gases (especially argon), ammonia (NH3), hydrogen sulfide (H2S) and mixtures thereof, in particular compressed air, nitrogen-hydrogen mixtures and inert gas-hydrogen mixtures can be used.
Die Durchflussmenge des Prozessgases durch das Atmosphärend ruckpiasma ist nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise im Bereich von 300 bis 10000 l/h liegen. Da sich gezeigt hat, dass geringere Durchflussmengen des Prozessgases tendenziell die Partikeiausbeute erhöhen, liegt die Durchflussmenge erfindungsgemäß vorzugsweise im Bereich von 500 bis 4000 l/h. The flow rate of the process gas through the atmospheric jerk piasma is not particularly limited and may be, for example, in the range of 300 to 10,000 l / h. Since it has been shown that lower flow rates of the process gas tend to increase the Partikeiausbeute, the flow rate according to the invention is preferably in the range of 500 to 4000 l / h.
Die Partikel werden im erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise von dem Prozessgas transportiert, insbesondere von dem Entladungsbereich der Opfereiektrode weg transportiert. In the method according to the invention, the particles are preferably transported by the process gas, in particular transported away from the discharge region of the sacrificial electrode.
Vorzugsweise sind die Partikel Mikro- und/oder Nanopartikel. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden unter Mikro- und Nanopartiketn Partikel verstanden, deren Durchmesser im Bereich von Mikro- bzw. Nanometern liegt. Die Partikel können eine Partikelgröße bzw. einen Partikeldurchmesser im Bereich von 2 nm bis 20 μιτι, bevorzugt von 5 nm bis 10 pm, bevorzugter von 10 nm bis 5 μιτι, noch bevorzugter von 10 nm bis 1 μηη und am bevorzugtesten von 10 nm bis 200 nm, aufweisen. Die Partikelgröße bzw. der Partikeldurchmesser der Partikel kann auch in einem Bereich von 2 nm bis 10 μιτι, 2 nm bis 5 μη, 5 nm bis 5 μηι, 2 nm bis 1 μηι, 5 nm bis 1 μιη, 2 nm bis 200 nm, 5 nm bis 200 nm, 20 nm bis 200 nm oder 50 nm bis 200 nm liegen. Preferably, the particles are micro- and / or nanoparticles. For the purposes of the present application, micro- and nanoparticles are understood as meaning particles whose diameter is in the range of microns or nanometers. The particles can have a particle size or a particle diameter in the range from 2 nm to 20 μm, preferably from 5 nm to 10 μm, more preferably from 10 nm to 5 μm, even more preferably from 10 nm to 1 μm and most preferably from 10 nm to 200 μm nm. The particle size or the particle diameter of the particles can also be in a range from 2 nm to 10 μm, 2 nm to 5 μm, 5 nm to 5 μm, 2 nm to 1 μm, 5 nm to 1 μm, 2 nm to 200 nm, 5 nm to 200 nm, 20 nm to 200 nm or 50 nm to 200 nm.
Solche Mikro- und/oder Nanopartikel können durch das erfindungsgemäße Verfahren mit hoher Herstellrate und kontrollierter Parti kelg rößenverteitu ng erzeugt werden, wie oben bereits ausführlich dargelegt wurde. Such micro- and / or nanoparticles can be generated by the process according to the invention with a high production rate and controlled particle size control, as has already been described in detail above.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den Partikeln um Nanopartikel, also um Partikel, deren Durchmesser im Nanometerbereich, insbesondere im Bereich von 2 bis 100 nm liegt. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the particles are nanoparticles, that is to say particles whose diameter is in the nanometer range, in particular in the range from 2 to 100 nm.
Ferner liegt auch der mittlere (volumengemittelte) Partikeldurchmesser der Partikel vorzugsweise im Bereich von Nano- oder Mikrometern, bevorzugter im Bereich von 2 nm bis 20 μιη, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 2 bis 100 nm. Die Bestimmung der Korngröße von sehr kleinen Partikeln, wie Nanopartikeln, ist beispielsweise mit Furthermore, the average (volume-averaged) particle diameter of the particles is preferably in the range of nanometers or micrometers, more preferably in the range of 2 nm to 20 μm, very particularly preferably in the range of 2 to 100 nm. The determination of the particle size of very small particles, such as nanoparticles, is for example with
Laserstreuungsverfahren oder Transmissionselektronenmikroskopie (TE ) möglich. Für größere Partikel stehen auch die Siebanalyse und Zentrifugationsverfahren zur Verfügung. Laser scattering or transmission electron microscopy (TE) possible. For larger particles, the sieve analysis and centrifugation methods are also available.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas, insbesondere in einem Atmosphärendruckplasma, bei dem das Plasma durch eine Entladung zwischen Elektroden in einem Prozessgas erzeugt wird, mindestens eine der Elektroden eine Opferelektrode ist, von der durch die Entladung Material abgetragen wird, es sich (i) bei dem abgetragenen Material um Partikel handelt und/oder (ii) aus dem abgetragenen Material Partikel entstehen, und die Opferelektrode so geführt oder bewegt wird, dass die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode während des Verfahrens, also während der Durchführung des Verfahrens, im Wesentlichen gleich bleibt. According to a further aspect, the present invention relates to a method for producing particles using an atmospheric pressure plasma, in particular in an atmospheric pressure plasma, wherein the plasma is generated by a discharge between electrodes in a process gas, at least one of the electrodes is a sacrificial electrode, from which the discharge of material is ablated, (i) the abraded material is particulate, and / or (ii) particles are formed from the abraded material, and the sacrificial electrode is guided or moved such that the position of the discharge area of the sacrificial electrode during the process That is, during the implementation of the method, remains substantially the same.
Die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode kann, insbesondere optisch und/oder elektronisch, beispielsweise durch ein Endoskop, erfasst werden. The position of the discharge region of the sacrificial electrode can be detected, in particular optically and / or electronically, for example by an endoscope.
Die Opferelektrode kann auf Grundlage der erfassten Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode so geführt oder bewegt werden, dass die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode, trotz des prozessbedingten Materialabtrages, während des Verfahrens im Wesentlichen gleich bleibt. The sacrificial electrode may be guided or moved based on the detected position of the discharge area of the sacrificial electrode such that the position of the discharge area of the sacrificial electrode remains substantially the same during the process, despite the process-related removal of material.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas, insbesondere in einem Atmosphärendruckplasma. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem Kanal, mindestens zwei Elektroden, die zumindest teilweise in dem Kanal angeordnet sind, und eine Spannungsquelle, die dafür eingerichtet ist, eine Spannung (z.B. Gleichspannung), insbesondere eine Hochspannung, zwischen den mindestens zwei Elektroden anzulegen, wobei die mindestens zwei Elektroden dafür eingerichtet sind, das Plasma durch eine Entladung zwischen den Elektroden in einem Prozessgas in dem Kanal zu erzeugen, und mindestens eine der Elektroden eine Opferelektrode ist, von der durch die Entladung Material abgetragen wird, und es sich bei dem abgetragenen Material um Partikel handelt und/oder aus dem abgetragenen Material Partikel entstehen. According to a further aspect, the present invention relates to an apparatus for the production of particles using an atmospheric pressure plasma, in particular in an atmospheric pressure plasma. The device comprises a housing with a channel, at least two electrodes, which are arranged at least partially in the channel, and a voltage source, which is adapted to apply a voltage (eg DC voltage), in particular a high voltage, between the at least two electrodes the at least two electrodes are adapted to generate the plasma by a discharge between the electrodes in a process gas in the channel, and at least one of the electrodes is a sacrificial electrode from which material is removed by the discharge, and the abraded material is particles and / or arise from the removed material particles.
Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kühleinrichtung, die dafür eingerichtet ist, einen Abschnitt der Opferelektrode aktiv so zu kühlen, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in einem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode niedriger ist als innerhalb des In addition, the device according to the invention comprises a cooling device which is designed to actively cool a section of the sacrificial electrode such that the mean temperature of the sacrificial electrode in a region of the sacrificial electrode outside the discharge region of the sacrificial electrode is lower than within
Entladungsbereichs der Opferelektrode. Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert die vorteilhaften Effekte, die oben bereits im Einzelnen für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden. Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung eine Herstellung von Partikeln mit hoher Herstellrate bei einer kontrollierten Größenverteilung der Partikel und kleinen Partikelgrößen. Discharge area of the sacrificial electrode. The device according to the invention provides the advantageous effects which have already been described in detail above for the method according to the invention. In particular, the device enables production of particles with a high production rate with a controlled size distribution of the particles and small particle sizes.
Die Kühleinrichtung kann dafür eingerichtet sein, den Abschnitt der Opferelektrode so zu kühlen, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in einem Bereich der Opferelektrode, in dem kein Material abgetragen oder abgelöst wird, niedriger ist als in einem Bereich der Opferelektrode, in dem Material abgetragen oder abgelöst wird. The cooling device may be configured to cool the portion of the sacrificial electrode so that the average temperature of the sacrificial electrode in a region of the sacrificial electrode in which no material is removed or detached is lower than in a region of the sacrificial electrode, in the material or abraded is replaced.
Die Kühleinrichtung kann dafür eingerichtet sein, den Abschnitt der Opferelektrode so zu kühlen, dass die mittlere Temperatur eines Teils der Opferelektrode, der sich im Bereich der Entladung befindet, höher ist als die mittlere Temperatur eines Teils der Opferelektrode, der sich außerhalb der Entladung befindet. The cooling device may be configured to cool the portion of the sacrificial electrode such that the average temperature of a portion of the sacrificial electrode that is in the region of the discharge is higher than the average temperature of a portion of the sacrificial electrode that is outside of the discharge.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine PSasmadüse umfassen oder als Plasmadüse ausgebildet sein. The device according to the invention may comprise a PSasma nozzle or be designed as a plasma nozzle.
Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere, wenn diese als Plasmadüse ausgebildet ist, können die hergestellten Partikel gezielt, beispielsweise aus einem Auslass des Kanals oder des Gehäuses, ausgebracht werden. Folglich kann eine lokale Beschichtung mit den hergestellten Partikeln auf der Oberfläche eines Substrats durchgeführt werden. Using the device according to the invention, in particular, if this is designed as a plasma nozzle, the particles produced can be targeted, for example, from an outlet of the channel or the housing, applied. Consequently, a local coating with the produced particles can be performed on the surface of a substrate.
Beispielsweise kann die Vorrichtung, insbesondere eine Plasmadüse, während des Ausbringens oder Abscheidens der Partikel, z.B. durch den Auslass des Kanals oder des Gehäuses, auf der Oberfläche des Substrats relativ zu dem Substrat bewegt werden. Insbesondere kann die Vorrichtung relativ zu dem Substrat in einer Richtung oder mehreren Richtungen bewegt werden, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats liegt oder liegen. Auf diese Weise wird eine genau gesteuerte lokale Aufbringung der hergestellten Partikel auf die Oberfläche des Substrats ermöglicht. For example, the device, in particular a plasma nozzle, may be suspended during the dispensing or deposition of the particles, e.g. through the outlet of the channel or housing, on the surface of the substrate relative to the substrate. In particular, the device may be moved relative to the substrate in one or more directions that are substantially parallel to the surface of the substrate. In this way, a precisely controlled local application of the produced particles to the surface of the substrate is made possible.
Die Relativgeschwindigkeit zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere der Plasmadüse, und dem zu beschichtenden Substrat kann im Bereich von mm/s bis m/s liegen und beispielsweise bis zu 200 m/min betragen. Durch die genannte Relativgeschwindigkeit kann die Partikelabscheidemenge pro Fläche eingestellt werden. The relative speed between the device according to the invention, in particular the plasma nozzle, and the substrate to be coated can be in the range of mm / s to m / s and, for example, up to 200 m / min. Due to the mentioned relative speed, the Partikelabscheidemenge per area can be adjusted.
Außerdem lässt sich die Abscheidemenge pro Fläche über die Wiederholung des Abscheideprozesses, also die Zyklenzahl, einstellen. Die Erhöhung der Relativgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Zyklenzahl kann besonders vorteilhaft bei temperatursensitiven Materialien, wie Polymeren, sein. Der Abstand zwischen Vorrichtung, insbesondere Plasmadüse, und Substrat, der ebenso die Partikelabscheidemenge pro Fläche beeinflusst, kann 1 mm bis mehrere cm, beispielsweise maximal 10 cm, betragen. In addition, the amount of deposition per area can be adjusted by repeating the deposition process, ie the number of cycles. Increasing the relative speed while increasing the number of cycles can be particularly advantageous in temperature-sensitive materials, such as polymers. The distance between the device, in particular the plasma nozzle, and the substrate, which likewise influences the particle deposition amount per area, can be 1 mm to several cm, for example a maximum of 10 cm.
Die Vorrichtung kann ferner eine Gaszuführeinrichtung umfassen, die dafür eingerichtet ist, ein Prozessgas in den Kanal des Gehäuses zuzuführen. Die Kühleinrichtung kann dafür eingerichtet sein, den Abschnitt der Opferelektrode über Wärmeleitung zu kühlen. The apparatus may further include a gas supply device configured to supply a process gas into the channel of the housing. The cooling device may be configured to cool the portion of the sacrificial electrode via heat conduction.
Die Kühleinrichtung kann dafür eingerichtet sein, den Abschnitt der Opferelektrode durch ein Kühlmedium oder Kühlmittel, beispielsweise ein festes, flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium oder Kühlmittel, zu kühlen. The cooling device may be configured to cool the portion of the sacrificial electrode by a cooling medium or coolant, for example a solid, liquid or gaseous cooling medium or coolant.
Die Kühleinrichtung kann so eingerichtet sein, dass das Kühlmedium oder Kühlmittel nur mit dem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode in Kontakt kommt. The cooling device can be set up such that the cooling medium or coolant comes into contact only with the region of the sacrificial electrode outside the discharge region of the sacrificial electrode.
Die Kühleinrichtung kann so eingerichtet sein, dass die Opferelektrode nicht in direkten Kontakt mit dem Kühlmedium kommt, sondern über thermischen Kontakt über eine feste Wandung, bevorzugt durch Wärmeleitung, gekühlt wird. The cooling device can be set up so that the sacrificial electrode does not come into direct contact with the cooling medium, but is cooled by thermal contact via a solid wall, preferably by heat conduction.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tritt die Opferelektrode an einer Eintrittsstelle der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich ein, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittssteile an einer dem Entladungsbereich der Opferelektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt,, und ist die Kühleinrichtung so eingerichtet, dass bei Betrieb der Vorrichtung, insbesondere bei stationärem Betrieb der Vorrichtung, die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode und der mittleren Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle in dem Bereich von Ts - 393 K bis Ts - 77 K, bevorzugt von Ts - 373 K bis Ts - 77 K, bevorzugter von Ts - 323 K bis Ts - 77 K und am bevorzugtesten von Ts - 293 K bis Ts - 77 K, liegt, wobei Ts die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode in Kelvin (K) ist. According to an embodiment of the present invention, the sacrificial electrode enters a cooling area at an entrance point of the sacrificial electrode in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entrance portions being on a side of the cooling area opposite the discharge area of the sacrificial electrode, and the cooling means is so in that, during operation of the device, in particular during stationary operation of the device, the difference between the mean temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode and the mean temperature of the sacrificial electrode at the entry point in the range of Ts - 393 K to Ts - 77 K , preferably from T s - 373 K to T s - 77 K, more preferably from T s - 323 K to T s - 77 K, and most preferably from T s - 293 K to Ts - 77 K, where T s is the melting temperature of the sacrificial electrode material in Kelvin (K).
Der Kühlungsbereich kann die Kühleinrichtung oder ein Teil der Kühleinrichtung sein. Die Opferelektrode kann in dem Kühiungsbereich mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium in Kontakt, insbesondere in direkten bzw. unmittelbaren oder thermischen bzw. mittelbaren Kontakt, kommen. The cooling region may be the cooling device or a part of the cooling device. The sacrificial electrode may come into contact with a solid, liquid or gaseous cooling medium in the cooling region, in particular in direct or direct or indirect or indirect contact.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tritt die Opferelektrode an einer Eintrittsstelle der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich ein, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entladungsbereich der Opferelektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und ist die Kühleinrichtung so eingerichtet, dass bei Betrieb der Vorrichtung, insbesondere bei stationärem Betrieb der Vorrichtung, die mittlere Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle 393 K, bevorzugt 373 K, bevorzugter 323 K und am bevorzugtesten 293 K, nicht überschreitet. Für diese mittleren Temperaturen der Opferelektrode in dem Eintrittsbereich kann insbesondere die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode und der mittleren Temperatur der According to an embodiment of the present invention, the sacrificial electrode enters a cooling region at an entrance point of the sacrificial electrode, in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being on a side of the cooling region opposite to the discharge region of the sacrificial electrode, and the cooling device is thus arranged in that during operation of the device, in particular during stationary operation of the device, the average temperature of the sacrificial electrode at the point of entry does not exceed 393 K, preferably 373 K, more preferably 323 K and most preferably 293 K. For these average temperatures of the sacrificial electrode in the entrance region, in particular the difference between the mean temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode and the mean temperature of the sacrificial electrode
Opferelektrode an der Eintrittsstelle in dem Bereich von Ts- 393 K bis Ts - 77 K, bevorzugt von Ts - 373 K bis Ts - 77 K, bevorzugter von Ts - 323 K bis Ts - 77 K und am bevorzugtesten von Ts - 293 K bis Ts - 77 K, liegen. Die Kühleinrichtung kann so eingerichtet sein, dass bei Betrieb der Vorrichtung, insbesondere bei stationärem Betrieb der Vorrichtung, die mittlere Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entladungsbereichs der Sacrificial electrode at the point of entry in the range of T s - 393 K to Ts - 77 K, preferably from T s - 373 K to T s - 77 K, more preferably from T s - 323 K to T s - 77 K and most preferably from Ts - 293 K to T s - 77 K. The cooling device can be set up such that during operation of the device, in particular during stationary operation of the device, the average temperature of the sacrificial electrode within the discharge region of the
Opferelektrode die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode nicht überschreitet. Sacrificial electrode does not exceed the melting temperature of the material of the sacrificial electrode.
Die Opferelektrode kann eine längliche Form aufweisen und insbesondere als Draht, Stab oder Hohlprofil ausgebildet sein. The sacrificial electrode may have an elongated shape and be designed in particular as a wire, rod or hollow profile.
Die Vorrichtung kann ferner eine Erfassungseinrichtung, insbesondere eine optische und/oder elektronische Erfassungseinrichtung, wie beispielsweise ein Endoskop, umfassen, die dafür eingerichtet ist, die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode, insbesondere optisch und/oder elektronisch, zu erfassen. The device may further comprise a detection device, in particular an optical and / or electronic detection device, such as an endoscope, which is adapted to detect the position of the discharge region of the sacrificial electrode, in particular optically and / or electronically.
Die Vorrichtung kann femer eine Steuereinrichtung umfassen, die dafür eingerichtet ist, die Opferelektrode, insbesondere auf Grundlage der durch die Erfassungseinrichtung erfassten Position des Enttadungsbereichs der Opferelektrode, so zu führen oder zu bewegen, dass die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode während des Betriebs der Vorrichtung, insbesondere während des stationären Betriebs der Vorrichtung, trotz des prozessbedingten Materialabtrag es im Wesentlichen gleich bleibt. The device may further comprise a control device which is adapted to guide or move the sacrificial electrode, in particular on the basis of the position of the discharge area of the sacrificial electrode detected by the detection device, such that the position of the discharge area of the sacrificial electrode during operation of the device, especially during stationary operation of the device, despite the process-related material removal it remains substantially the same.
Die Spannungsquelle kann so eingerichtet sein, dass die Entladung eine gepulste Entladung ist. Die The voltage source may be arranged such that the discharge is a pulsed discharge. The
Spannungsquelie kann eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle sein. Die Spannungsquelle kann eine Hochspannungsquelle sein, Spannungsquelie can be a DC voltage source or an AC source. The voltage source may be a high voltage source
Die Partikel können eine Partikelgröße im Bereich von 2 nm bis 20 μιτι, bevorzugt von 5 nm bis 10 μπη, bevorzugter von 10 nm bis 5 μιη, noch bevorzugter von 10 nm bis 1 μιτι und am bevorzugtesten von 10 nm bis 200 nm, aufweisen. Die Partikelgröße der Partikel kann auch in einem Bereich von 2 nm bis 10 μηι, 2 nm bis 5 μιη, 5 nm bis 5 Mm, 2 nm bis 1 Mm, 5 nm bis 1 pm, 2 nm bis 200 nm, 5 nm bis 200 nm, 20 nm bis 200 nm oder 50 nm bis 200 nm liegen. The particles may have a particle size in the range from 2 nm to 20 μm, preferably from 5 nm to 10 μm, more preferably from 10 nm to 5 μm, even more preferably from 10 nm to 1 μm and most preferably from 10 nm to 200 nm. The particle size of the particles can also be in a range from 2 nm to 10 μm, 2 nm to 5 μm, 5 nm to 5 μm, 2 nm to 1 μm, 5 nm to 1 μm, 2 nm to 200 nm, 5 nm to 200 μm nm, 20 nm to 200 nm or 50 nm to 200 nm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Daher können die übrigen Merkmale, die im Zusammenhang mit der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt wurden, auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung angewandt werden. The device according to the invention is a device for carrying out the method according to the invention. Therefore, the other features set forth in connection with the above description of the method according to the invention can also be applied to the device according to the invention.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, wobei The invention will be described purely by way of example with reference to the accompanying drawings, wherein
Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung gemäß einem ersten Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a device according to a first
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Vorrichtung gemäß einem Embodiment of the present invention is; Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a portion of a device according to a
zweiten Ausführungsbeispie! der vorliegenden Erfindung ist;  second Ausführungsbeispie! the present invention;
Figur 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Vorrichtung gemäß einem dritten Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a portion of a device according to a third
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und  Embodiment of the present invention is; and
Figuren 4(a) und (b) rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Substratoberflächen sind, wobei Figur 4(a) eine ohne Kühlung der Opferelektrode mit Partikeln beschichtete Oberfläche zeigt und Figur 4(b) eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Partikeln beschichtete Oberfläche zeigt. Figures 4 (a) and (b) are scanning electron micrographs of substrate surfaces, Figure 4 (a) showing a surface coated with particles without cooling the sacrificial electrode and Figure 4 (b) showing a particle coated surface by the method of the invention.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln in einem Atmosphärendruckplasma gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of an apparatus for producing particles in an atmospheric pressure plasma according to a first embodiment of the present invention.
Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung umfasst eine Piasmadüse 10, eine Gaszuführeinrichtung 20, einen Generator 22 als Spannungsquelle, eine Kühleinrichtung 2, eine Erfassungseinrichtung 4 und eine Steuereinrichtung 6. Die Plasmadüse 10 weist ein elektrisch leitfähiges Gehäuse 5, das vorzugsweise länglich, insbesondere rohrförmig, ausgebildet ist, und einen elektrisch leitfähigen Düsenkopf 32 auf. Das Gehäuse 5 und der Düsenkopf 32 bilden einen von einem Prozessgas 18 durchströmten Düsenkanal 7. The device shown in FIG. 1 comprises a plasma nozzle 10, a gas supply device 20, a generator 22 as a voltage source, a cooling device 2, a detection device 4 and a control device 6. The plasma nozzle 10 has an electrically conductive housing 5 which is preferably elongated, in particular tubular, is formed, and an electrically conductive nozzle head 32. The housing 5 and the nozzle head 32 form a nozzle channel 7 through which a process gas 18 flows.
Eine Opferelektrode 16 ist so vorgesehen, dass sie teilweise in dem Düsenkanal 7 angeordnet ist, durch eine Wand des Düsenkanals 7, also des Gehäuses 5, hindurchtritt, durch die Kühleinrichtung 2 geführt wird und mit der Steuereinrichtung 6 verbunden ist. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Opferelektrode 16 als Drahtelektrode ausgebildet. In dem Düsenkanal 7 ist ein Rohr 14 eines Isolatormaterials, beispielsweise einer Keramik, eingesetzt. A sacrificial electrode 16 is provided so that it is partially disposed in the nozzle channel 7, passes through a wall of the nozzle channel 7, that is, the housing 5, is passed through the cooling device 2 and is connected to the control device 6. In the embodiment shown in Figure 1, the sacrificial electrode 16 is formed as a wire electrode. In the nozzle channel 7, a tube 14 of an insulator material, such as a ceramic used.
Die Kühleinrichtung 2 kann auch an einer anderen Stelle an oder in der Plasmadüse 10 vorgesehen sein. The cooling device 2 can also be provided at another point on or in the plasma nozzle 10.
Insbesondere kann die Kühleinrichtung 2 näher zu dem Entladungsbereich 17, beispielsweise innerhalb des in Figur 1 schematisch gezeigten, einen oberen Teil der Opferelektrode 16 umgebenden konusförmigen Gehäuses, angeordnet sein. In particular, the cooling device 2 can be arranged closer to the discharge region 17, for example within the cone-shaped housing which is shown schematically in FIG. 1 and which surrounds an upper part of the sacrificial electrode 16.
Mittels des Generators 22, der als Pulsgenerator ausgebildet ist, wird eine Spannung zwischen der Opferelektrode 16 und dem Gehäuse 5/Düsenkopf 32 angelegt. Die Pulsfrequenzen des Generators 22 sind nicht besonders beschränkt und liegen vorzugsweise in den im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Bereichen. Zwischen den Generator 22 und die Opferelektrode 16 kann vorteilhaft ein Gleichrichter (nicht gezeigt) geschaltet werden. Das Gehäuse 5 und der Düsenkopf 32 sind in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispie! geerdet. By means of the generator 22, which is designed as a pulse generator, a voltage between the sacrificial electrode 16 and the housing 5 / nozzle head 32 is applied. The pulse frequencies of the generator 22 are not particularly limited, and are preferably in the areas mentioned in the general part of the description. Between the generator 22 and the sacrificial electrode 16 may advantageously be a rectifier (not shown) are switched. The housing 5 and the nozzle head 32 are in the Ausführungsbeispie shown in Figure 1! grounded.
Das Prozessgas 18 wird durch die Gaszufiihreinrichtung 20 in den Düsenkana! 7 eingeleitet und zwar in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel so, dass es drallförmig durch den Düsenkanal 7 hindurch strömt. Die drailförmige bzw. wirbeiförmige Strömung des Prozessgases 18 ist in Figur 1 durch die spiralartige Linie 26 veranschaulicht. Eine solche Strömung des Prozessgases 18 kann durch eine Dralieinrichtung 12 erreicht werden. Dabei kann es sich um eine Platte mit Öffnungen oder L chern handeln. The process gas 18 is through the Gaszufiihreinrichtung 20 in the Düsenkana! Introduced 7 in the embodiment shown in Figure 1 so that it flows in a spiral shape through the nozzle channel 7 therethrough. The drauförmige or vortex-shaped flow of the process gas 18 is illustrated in Figure 1 by the spiral-like line 26. Such a flow of the process gas 18 can be achieved by a Dralieinrichtung 12. This can be a plate with openings or holes.
Durch eine von dem Generator 22 zwischen der Opferelektrode 16 und dem Gehäuse 5/Düsenkopf 32 angelegte Hochspannung wird eine Entladung, insbesondere eine Bogenentladung, von der Opferelektrode 16 zu dem nicht mit dem isolierende Rohr 14 bedeckten Teil des Gehäuses, hier dem Düsenkopf 32, gezündet. Der Entladungsbereich 17 der Opferelektrode 16, also der Bereich der Opferelektrode 16, in dem die Entladung überwiegend erfolgt, ist deren Spitze, wie in Figur 1 schematisch veranschaulicht ist, By means of a high voltage applied by the generator 22 between the sacrificial electrode 16 and the housing 5 / nozzle head 32, a discharge, in particular an arc discharge, from the sacrificial electrode 16 to the part of the housing not covered by the insulating tube 14, in this case the nozzle head 32, is ignited , The discharge region 17 of the sacrificial electrode 16, that is to say the region of the sacrificial electrode 16 in which the discharge predominantly takes place, is the tip thereof, as is illustrated schematically in FIG. 1,
Durch die Entladung wird von der Spitze der Opferelektrode 16, also von dem Entladungsbereich 17, Material abgetragen. Aus dem abgetragenen Material entstehen Partikel 30, vorzugsweise Mikro- und Nanopartikel, die mit der wirbeiförmigen Gasströmung 28 weiter transportiert werden. As a result of the discharge, material is removed from the tip of the sacrificial electrode 16, that is to say from the discharge region 17. Particles 30, preferably microparticles and nanoparticles, which are transported further with the vortex-like gas flow 28, arise from the abraded material.
Die Erfassungseinrichtung 4 ist als optische Erfassungseinrichtung, beispielweise als endoskopische Kamera, ausgebildet und an einer inneren Seite des Rohrs 14 vorgesehen. Die Erfassungseinrichtung 4 ist dafür eingerichtet, die Position des Entladungsbereichs 17 der Opferelektrode 16 optisch zu erfassen. The detection device 4 is designed as an optical detection device, for example as an endoscopic camera, and provided on an inner side of the tube 14. The detection device 4 is configured to optically detect the position of the discharge region 17 of the sacrificial electrode 16.
Die Steuereinrichtung 6 umfasst beispielsweise einen Schrittmotor oder ein Piezoelement zum Führen oder Bewegen der Opferelektrode 16 sowie eine Steuerschaltung, z.B. einen Prozessor, und ist dafür eingerichtet, die Opferelektrode 16 entlang der Längsrichtung der Opferelektrode 16 vor oder zurück zu bewegen. The control device 6 comprises, for example, a stepping motor or a piezo element for guiding or moving the sacrificial electrode 16, as well as a control circuit, e.g. a processor, and is adapted to move the sacrificial electrode 16 along the longitudinal direction of the sacrificial electrode 16 back or forth.
Die Steuereinrichtung 6 ist über einen Rückführkreis 8 mit der Erfassungseinrichtung 4 verbunden. Ein The control device 6 is connected to the detection device 4 via a feedback loop 8. One
Erfassungssignat, das die Position des Entladungsbereichs 17 der Opferelektrode 16 anzeigt, wird von der Erfassungseinrichtung 4 über den Rückführkreis 8 der Steuerschaltung der Steuereinrichtung 6 zugeführt. Auf Grundlage dieses Erfassungssignats steuert die Steuerschaltung den Schrittmotor oder das Piezoelement, um die Opferelektrode 16 so zu bewegen, dass die Position des Entladungsbereichs 17 relativ zu dem Gehäuse 5 während des Betriebs der Vorrichtung, insbesondere während des stationären Betriebs der Vorrichtung, im Wesentlichen gleich bleibt, also nicht von einer vorgegebenen Position abweicht. A detection signal indicative of the position of the discharge region 17 of the sacrificial electrode 16 is supplied from the detection device 4 to the control circuit 6 via the feedback circuit 8 of the control circuit. Based on this detection signal, the control circuit controls the stepper motor or piezoelectric element to move the sacrificial electrode 16 so that the position of the discharge region 17 relative to the housing 5 remains substantially constant during operation of the device, particularly during stationary operation of the device , ie does not deviate from a given position.
Ein Abschnitt der Opferelektrode 16, der außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet ist, wird in der Kühleinrichtung 2 in unmittelbaren Kontakt mit einem Kühlmedium 11 , wie beispielsweise Wasser oder flüssigem Stickstoff, gebracht und somit gekühlt. Das Kühlmedium 11 wird durch Leitungen 13 der Kühleinrichtung 2 zugeführt und von dieser abgeführt. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung 2 über die Leitungen 13 an einen Kühlwasserkreislauf (nicht gezeigt) angeschlossen werden. A portion of the sacrificial electrode 16, which is arranged outside of the housing 5, is placed in the cooling device 2 in direct contact with a cooling medium 11, such as water or liquid nitrogen, and thus cooled. The cooling medium 11 is supplied through lines 13 of the cooling device 2 and discharged therefrom. For example, the cooling device 2 can be connected via lines 13 to a cooling water circuit (not shown).
Verschiedene mögtiche Arten der Kühlung der Opferelektrode mittels einer Kühleinrichtung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 noch ausführlich erläutert. Various possible types of cooling of the sacrificial electrode by means of a cooling device will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3.
Durch die aktive Kühlung des außerhalb des Gehäuses 5 angeordneten Abschnitts der Opferelektrode 16 in der Kühleinrichtung 2 entsteht eine hohe Temperaturdifferenz zwischen diesem Abschnitt und dem Entladungsbereich 17, so dass eine effiziente und schnelle Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich 17 erfolgt. The active cooling of the portion of the sacrificial electrode 16 arranged outside the housing 5 in the cooling device 2 results in a high temperature difference between this section and the discharge area 17, so that an efficient and rapid heat removal from the discharge area 17 takes place.
Insbesondere ist die Kühleinrichtung 2 so eingerichtet, dass bei Betrieb der Vorrichtung die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opfereiektrode 16 innerhalb des Entiadungsbereichs 17 der Opferelektrode 16 und der mittleren Temperatur der Opferelektrode 16 an einer Eintrittsstelle 21 , an der die Opferelektrode 16 in einen Kühlungsbereich, nämlich die Kühleinrichtung 2, eintritt, in dem Bereich von Ts - 373 K bis Ts - 77 K liegt, wobei Ts die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode 16 in K ist. Auf diese Weise kann eine besonders schnelle und effiziente Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich 17 erzielt werden. In particular, the cooling device 2 is set up such that, during operation of the device, the difference between the average temperature of the sacrificial electrode 16 within the discharge region 17 of the sacrificial electrode 16 and the mean temperature of the sacrificial electrode 16 at an entry point 21 at which the sacrificial electrode 16 into a cooling region, namely, the cooling device 2 enters, is in the range of Ts - 373 K to Ts - 77 K, where Ts is the melting temperature of the material of the sacrificial electrode 16 in K. In this way, a particularly fast and efficient heat removal from the discharge region 17 can be achieved.
Folglich kann die Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit hohen Leistungseinträgen auf die Opferelektrode 16 und somit einer hohen Herstellrate der Partikel 30 betrieben werden, wobei die Partikel 30 eine geringe Partikelgröfie und eine kontrollierte und definierte Partikelgrößenverteilung aufweisen. Consequently, the device according to the first embodiment of the present invention can be operated with high power inputs to the sacrificial electrode 16 and thus a high production rate of the particles 30, wherein the particles 30 have a small Teilchengröfie and a controlled and defined particle size distribution.
Wie aus den obigen Ausführungen folgt, wird bei Betrieb der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung ein Plasma in dem Prozessgas 18 durch eine Entladung zwischen der Opferelektrode 16 und dem Gehäuse 5/Düsenkopf 32 erzeugt. Durch diese Entladung wird von der Opferelektrode 16 Material abgetragen, aus dem vor dem Abscheiden auf der Substratoberfläche Partikel 30 entstehen. As follows from the above, in operation of the apparatus shown in FIG. 1, a plasma is generated in the process gas 18 by a discharge between the sacrificial electrode 16 and the housing 5 / nozzle head 32. As a result of this discharge, material is removed from the sacrificial electrode 16, from which particles 30 are formed on the substrate surface prior to deposition.
Ein Abschnitt der Opferelektrode 16 wird durch die Kühleinrichtung 2 aktiv so gekühlt, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode 16 in einem Bereich der Opferelektrode 16 außerhalb des Entladungsbereichs 17 der A portion of the sacrificial electrode 16 is actively cooled by the cooling device 2 so that the average temperature of the sacrificial electrode 16 in a region of the sacrificial electrode 16 outside of the discharge region 17 of
Opfereiektrode 16 niedriger ist als innerhalb des Entladungsbereichs 17 der Opferelektrode 16. Folglich kann das erfindungsgemäße Verfahren mit der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in besonders effizienter und einfacher Weise durchgeführt werden. Sacrificial electrode 16 is lower than within the discharge region 17 of the sacrificial electrode 16. Consequently, the inventive method can be performed with the apparatus according to the first embodiment in a particularly efficient and simple manner.
Die Partikel 30 werden von der wirbeiförmigen Gasströmung 28 weitertransportiert und treten durch einen Auslass 36 des Düsenkopfes 32 aus der Plasmadüse 10 heraus. Somit können die hergesteilten Partikel 30 über den Auslass 36 gezielt auf die Oberfläche eines Substrats 50 aufgebracht werden, wie in Figur 1 schematisch gezeigt ist. Wie durch den Pfeil 52 in Figur 1 angedeutet ist, kann hierbei das Substrat 50 relativ zu der Plasmadüse 10 bewegt werden, wodurch eine kontrollierte lokale Aufbringung der Partikel 30 auf der Oberfläche des Substrats 50 ermöglicht wird, The particles 30 are transported further by the vortex-shaped gas flow 28 and pass out of the plasma nozzle 10 through an outlet 36 of the nozzle head 32. Thus, the precipitated particles 30 can be selectively applied to the surface of a substrate 50 via the outlet 36, as shown schematically in FIG. As indicated by the arrow 52 in FIG. 1, in this case the substrate 50 can be moved relative to the plasma nozzle 10, thereby enabling a controlled local application of the particles 30 on the surface of the substrate 50,
Das Substrat 50 kann beispielsweise aus Kunststoff, wie z.B. einem Polymer, oder auch aus Holz, Glas oder Keramik bestehen. The substrate 50 may be made of plastic, e.g. a polymer, or even wood, glass or ceramic.
Figur 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln in einem Atmosphärendruckplasma gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of a portion of an apparatus for producing particles in an atmospheric pressure plasma according to a second embodiment of the present invention.
Der Aufbau der Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass die Opferelektrode 16' durch eine seitliche Wand 9 eines Gehäuses einer Plasmadüse in einen in dem Gehäuse ausgebildeten Düsenkanal T eingeführt ist. The structure of the device according to the second embodiment differs from that of the device according to the first embodiment essentially in that the sacrificial electrode 16 'is inserted through a side wall 9 of a housing of a plasma nozzle into a nozzle channel T formed in the housing.
Durch eine Entladung 15 zwischen der Opferelektrode 16' und einer Gegenelektrode (nicht gezeigt), wie beispielsweise einem leitfähigen Teil eines Gehäuses der Vorrichtung, z. B. einem leitfähigen Düsenkopf (z. B. wie dem Düsenkopf 32 in Figur 1), in einem Prozessgas in dem Düsenkanal 7' wird Material (nicht gezeigt) von dem Entladungsbereich 17', also der Spitze der als Drahtelektrode ausgebildeten Opferelektrode 16', abgetragen und durch das Prozessgas entlang des Düsenkanals 7' weitertransportiert. Das Material kann in partikulärer Form vorliegen oder es entstehen während des Transports, also vor dem Abscheiden auf der Substratoberfläche, Partikel 30 daraus. By a discharge 15 between the sacrificial electrode 16 'and a counter electrode (not shown), such as a conductive part of a housing of the device, for. In a process gas in the nozzle channel 7 ', material (not shown) from the discharge region 17', ie the tip of the sacrificial electrode 16 'designed as a wire electrode, is injected into a process nozzle, for example a conductive nozzle head (eg as the nozzle head 32 in FIG. removed and transported by the process gas along the nozzle channel 7 '. The material may be in particulate form or may be formed during transport, ie, prior to deposition on the substrate surface, of particles 30 therefrom.
Wie durch den Pfeil A in Figur 2 angedeutet ist, kann die Opferelektrode 16' durch eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise die Steuereinrichtung 6 der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, in der Richtung senkrecht zu der Wand 9 des Düsenkanals 71 vor und zurück bewegt werden. Folglich kann die Opferelektrode 16' so geführt werden, dass die Position des Entladungsbereichs 17' während des Betriebs der Vorrichtung, trotz des prozessbedingten Materialabtrages, im Wesentlichen gleich bleibt. As indicated by the arrow A in Figure 2, the sacrificial electrode 16 'by a control device, such as the control device 6 of the device according to the first embodiment, in the direction perpendicular to the wall 9 of the nozzle channel 7 1 are moved back and forth. Consequently, the sacrificial electrode 16 'can be guided so that the position of the discharge region 17' during operation of the device, despite the process-related material removal, remains substantially the same.
Die Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kühleinrichtung 2'. Die Kühleinrichtung 2' ist so eingerichtet, dass bei Betrieb der Vorrichtung die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opferelektrode 16' innerhalb des Entladungsbereichs 17' der Opferelektrode 16' und der mittleren Temperatur der Opferelektrode 16' an einer Eintrittsstelle 21', an der die Opferelektrode 16' in die 'Kühleinrichtung 2' eintritt, in dem Bereich von Ts- 373K bis Ts - 77 K liegt, wobei Ts die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode 16' in K ist. Auf diese Weise kann eine besonders schnelle und effiziente Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich 17' erzielt werden. Die Kühleinrichtung 2 umfasst ein Gehäuse 23, in dessen Inneren eine Kammer 24 ausgebildet ist, und zwei Leitungen 13', die mit der Kammer 24 in Fluid Verbindung stehen. Die Opferelektrode 16' ist über zwei Dichtungen 19 durch die Kammer 24 geführt und wird von den Dichtungen 19 so beweglich gehalten, dass sie in der Richtung senkrecht zu der Wand 9 des Kanals 7' bewegt werden kann. The device according to the second embodiment of the present invention comprises a cooling device 2 '. The cooling device 2 'is set up such that, during operation of the device, the difference between the mean temperature of the sacrificial electrode 16' within the discharge region 17 'of the sacrificial electrode 16' and the mean temperature of the sacrificial electrode 16 'at an entry point 21', at which the sacrificial electrode 16 'enters the' cooler 2 ', ranging from T s - 373K to Ts - 77 K, where T s is the melting temperature of the material of the sacrificial electrode 16' in K. In this way, a particularly fast and efficient heat removal from the discharge region 17 'can be achieved. The cooling device 2 comprises a housing 23, in the interior of which a chamber 24 is formed, and two lines 13 'which are in fluid communication with the chamber 24. The sacrificial electrode 16 'is passed through the chamber 24 via two seals 19 and is held movable by the seals 19 so that it can be moved in the direction perpendicular to the wall 9 of the channel 7'.
Über die Leitungen 13' wird ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium 1V, wie z.B. Wasser oder flüssiger Stickstoff, der Kammer 24 zugeführt und aus der Kammer 24 abgeführt. Beispielsweise können die Leitungen 13' an einen Kühlwasserkreislauf angeschlossen werden. Via conduits 13 ', a gaseous or liquid cooling medium 1V, e.g. Water or liquid nitrogen supplied to the chamber 24 and discharged from the chamber 24. For example, the lines 13 'can be connected to a cooling water circuit.
In der Kammer 24 kommt das Kühlmedium 11' mit einem Abschnitt der Opferelektrode 16', der außerhalb des Gehäuses der Vorrichtung angeordnet ist, in unmittelbaren Kontakt und kühlt dadurch die Opferelektrode 16'. Die dadurch entstehende hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Abschnitt der Opferelektrode 16' außerhalb des Gehäuses und dem Entladungsbereich 17' gewährleistet eine schnelle und effiziente Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich 17'. In the chamber 24, the cooling medium 11 'comes into direct contact with a portion of the sacrificial electrode 16', which is arranged outside the housing of the device, thereby cooling the sacrificial electrode 16 '. The resulting high temperature difference between the portion of the sacrificial electrode 16 'outside the housing and the discharge region 17' ensures a fast and efficient heat removal from the discharge region 17 '.
Der Abschnitt der Opferelektrode 16' kann innerhalb der Kühleinrichtung 2' auch in einer Röhre oder dergleichen aus einem wärmeleitfähigen Material aufgenommen sein. In diesem Fall erfolgt die Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode 16' über einen thermischen Kontakt des Abschnitts mit dem Kühlmedium 11' über die Röhre. The portion of the sacrificial electrode 16 'may be received within the cooling device 2' in a tube or the like made of a thermally conductive material. In this case, the cooling of the portion of the sacrificial electrode 16 'takes place via thermal contact of the portion with the cooling medium 11' via the tube.
Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln in einem Atmosphärendruckplasma gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Figure 3 shows a schematic cross-sectional view of a portion of an apparatus for producing particles in an atmospheric pressure plasma according to a third embodiment of the present invention.
Der Aufbau der Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen durch den Aufbau der verwendeten Kühleinrichtung, wie nachfolgend ausführlich erläutert wird. The structure of the device according to the third embodiment differs from that of the device according to the second embodiment substantially by the structure of the cooling device used, as will be explained in detail below.
Die Opferelektrode 16" ist durch eine seitliche Wand 9' eines Gehäuses einer Plasmadüse in einen in dem Gehäuse ausgebildeten Düsenkanal 7" eingeführt. Durch eine Entladung 15' zwischen der Opferelektrode 16" und dem Gehäuse in einem Prozessgas in dem Düsenkanal 7" wird Material (nicht gezeigt) von dem Entladungsbereich 17", also der Spitze der als Drahtelektrode ausgebildeten Opferelektrode 16", abgetragen und durch das Prozessgas entlang des Düsenkanals 7" weitertransportiert. Das Material kann in partikulärer Form vorliegen öderes entstehen während des Transports, also vor dem Abscheiden auf der Substratoberfläche, Partikel 30 daraus. The sacrificial electrode 16 "is inserted through a lateral wall 9 'of a housing of a plasma nozzle into a nozzle channel 7" formed in the housing. By means of a discharge 15 'between the sacrificial electrode 16 "and the housing in a process gas in the nozzle channel 7", material (not shown) is removed from the discharge region 17 ", ie the tip of the sacrificial electrode 16" designed as a wire electrode, and is passed along through the process gas The material may be present in particulate form or else formed during transport, ie before deposition on the substrate surface, of particles 30 therefrom.
Wie durch den Pfeil A' in Figur 3 angedeutet ist, kann die Opferelektrode 16" durch eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise die Steuereinrichtung 6 der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, in der Richtung senkrecht zu der Wand 9' des Kanals 7" vor und zurück bewegt werden. Folglich kann die Opferelektrode 16" so geführt werden, dass die Position des Entladungsbereichs 17" während des Betriebs der Vorrichtung, trotz des prozessdingten Materiaiabtrages, im Wesentlichen gleich bleibt. As indicated by the arrow A 'in Fig. 3, the sacrificial electrode 16 "can be moved back and forth in the direction perpendicular to the wall 9' of the channel 7" by a controller such as the controller 6 of the apparatus of the first embodiment become. Consequently, the sacrificial electrode 16 "can be so be guided, that the position of the discharge region 17 "during the operation of the device, despite the process-related Materiaiabtrages, remains substantially the same.
Die Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kühieinrichtung 2". Die Kühieinrichtung 2" ist so eingerichtet, dass bei Betrieb der Vorrichtung die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opferelektrode 16" innerhalb des Entladungsbereichs 17" der Opferelektrode 16" und der mittleren Temperatur der Opferelektrode 16" an einer Eintrittsstelle 21 ", an der die Opferelektrode 16" in die Kühieinrichtung 2" eintritt, in dem Bereich von Ts - 373K bis Ts - 77 K liegt, wobei Ts die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode 16" in K ist. Auf diese Weise kann eine besonders schnelle und effiziente Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich 1 " erzielt werden. The device according to the third embodiment of the present invention comprises a cooling device 2 ". The cooling device 2" is set up so that, during operation of the device, the difference between the mean temperature of the sacrificial electrode 16 "within the discharge region 17" of the sacrificial electrode 16 "and the middle Temperature of the sacrificial electrode 16 "at an entry point 21" at which the sacrificial electrode 16 "enters the chiller 2" is in the range of Ts-373K to Ts-77K where Ts is the melting temperature of the material of the sacrificial electrode 16 "in K is. In this way, a particularly fast and efficient heat removal from the discharge area 1 "can be achieved.
Wie in Figur 3 schematisch gezeigt ist, weist die Wand 9' des Gehäuses der Vorrichtung, das beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen kann, einen Hohlraum oder eine Kammer 25 auf, die entlang eines Bereichs des Umfangs des Gehäuses oder entlang des gesamten Umfangs des Gehäuses verlaufen kann. Die Kühieinrichtung 2" umfasst zwei Leitungen 13", über die ein gasförmiges oder flüssiges Kühimedium 11", wie z.B. Wasser oder flüssiger Stickstoff, der Kammer 25 zugeführt und aus der Kammer 25 abgeführt werden kann. Beispielsweise können die Leitungen 13" an einen Kühlwasserkreislauf angeschlossen werden. As shown schematically in Figure 3, the wall 9 'of the housing of the device, which may for example have a cylindrical shape, has a cavity or chamber 25 extending along a portion of the circumference of the housing or along the entire circumference of the housing can. The cooling device 2 "comprises two lines 13" via which a gaseous or liquid cooling medium 11 ", such as, for example, water or liquid nitrogen, can be supplied to the chamber 25 and removed from the chamber 25. For example, the lines 13" can be connected to a cooling water circuit become.
Die Opferelektrode 16" ist über zwei Dichtungen 19' durch die Kammer 25 geführt und wird durch die Dichtungen 19' so beweglich gehalten, dass sie entlang der Richtung senkrecht zu der Wand 9' des Gehäuses bewegbar ist. In der Kammer 25 kommt der Abschnitt der Opferelektrode 16", der außerhalb des Kanals 7" angeordnet ist, mit dem Kühimedium 11" in unmittelbaren Kontakt und wird dadurch gekühlt. Durch die so entstehende hohe The sacrificial electrode 16 "is guided through the chamber 25 via two seals 19 'and is movably supported by the seals 19' so as to be movable along the direction perpendicular to the wall 9 'of the housing Sacrificial electrode 16 ", which is located outside the channel 7", with the cooling medium 11 "in direct contact and is thereby cooled. By the resulting high
Temperaturdifferenz zwischen dem Abschnitt der Opferelektrode 16" außerhalb des Kanals 7" und dem Temperature difference between the portion of the sacrificial electrode 16 "outside the channel 7" and the
Entladungsbereich 17" wird eine effiziente und schnelle Wärmeabfuhr aus dem Entladungsbereich 17" Discharge area 17 ", an efficient and rapid heat removal from the discharge area 17"
gewährleistet. guaranteed.
Der Abschnitt der Opferelektrode 16" kann innerhalb der Kühieinrichtung 2" auch in einer Röhre oder dergleichen aus einem wärmeleitfähigen Materia! aufgenommen sein. In diesem Fal! erfolgt die Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode 16" über einen thermischen Kontakt des Abschnitts mit dem Kühlmedium 11" über die Röhre. The portion of the sacrificial electrode 16 "can also be inside the cooling device 2" in a tube or the like of a thermally conductive Materia! be included. In this case! the cooling of the portion of the sacrificial electrode 16 "via a thermal contact of the portion with the cooling medium 11" via the tube.
Figur 4 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Glasobjektträgern als Substratoberflächen, auf die Silberpartikel abgeschieden wurden. Die Abscheidung der Partikel erfolgte mittels einer wie in Figur 2 gezeigten Vorrichtung mit einer Opferelektrode 16' aus Silber, wobei die in Figur 4(a) gezeigten Silberpartikel ohne Kühlung der Opferelektrode 16 und die in Figur 4{b) gezeigten Silberpartikel mit aktiver Kühlung der Opferelektrode 16' durch die Kühieinrichtung 2' abgeschieden wurden. Die in Figur 4 gezeigten rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden jeweils bei einer FIG. 4 shows scanning electron micrographs of glass slides as substrate surfaces on which silver particles have been deposited. The deposition of the particles was carried out by means of a device as shown in Figure 2 with a sacrificial electrode 16 'made of silver, wherein the silver particles shown in Figure 4 (a) without cooling the sacrificial electrode 16 and the silver particles shown in Figure 4 (b) with active cooling Sacrificial electrode 16 'were deposited by the cooling device 2'. The scanning electron micrographs shown in Figure 4 were each at a
Elektronenhochspannung (EHT;„Electron High Tension") von 5,00 kV aufgenommen. Der Abstand zwischen Substrat und Rasterelektronenmikroskop betrug bei der in Figur 4(a) gezeigten Messung 2,6 mm und bei der in Figur 4(b) gezeigten Messung 4,0 mm. Electron High Tension (EHT) of 5.00 kV The distance between substrate and scanning electron microscope was 2.6 mm in the measurement shown in Fig. 4 (a) and 4 in the measurement shown in Fig. 4 (b) , 0 mm.
Wie der Figur 4 zu entnehmen ist, ermöglicht die aktive Kühlung der Opferelektrode 16' die Herstellung erheblich kleinerer bzw. feinerer Partikel. Überdies konnte die Abscheidegeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der eine vorgegebene Menge an Material auf einer Einheitsfläche abgeschieden wird, bei dem in Figur 4(b) gezeigten Substrat verglichen mit dem in Figur 4(a) gezeigten Substrat um einen Faktor von annähernd 12 erhöht werden. Diese erhebliche Erhöhung der Abscheidegeschwindigkeit wird durch die mittels Kühlung der Opferelektrode 16' erzielte Steigerung der Herstellrate der Partikel ermöglicht. As can be seen from FIG. 4, the active cooling of the sacrificial electrode 16 'makes it possible to produce considerably smaller or finer particles. Moreover, in the substrate shown in Fig. 4 (b), the deposition rate, that is, the rate at which a given amount of material is deposited on a unit area increased by a factor of approximately 12 as compared to the substrate shown in Fig. 4 (a) become. This considerable increase in the deposition rate is made possible by the increase in the manufacturing rate of the particles achieved by means of cooling the sacrificial electrode 16 '.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielbaren hohen The achievable by the inventive method and the inventive device high
Partikelherstellraten, kleinen Partikelgrößen und homogenen Partikelgrößenverteilungen ermöglichen den Einsatz der hergestellten Partikel in vielfältigen Anwendungsgebieten, wie z.B. im Medizinsektor, für Haushaltsgeräte, für Hygieneartikel und für elektronische Elemente, z.B. in der Batterietechnik. Particle production rates, small particle sizes, and homogeneous particle size distributions enable the use of the manufactured particles in a variety of applications, e.g. in the medical sector, for household appliances, for sanitary articles and for electronic elements, e.g. in battery technology.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung können zum Abscheiden von Schichten, insbesondere dichten nanopartikulären Schichten, auf Substratoberflächen verwendet werden. Überdies können Partikel in Schichten, wie beispielsweise plasmapolymeren Schichten, eingebaut werden. Als weitere Möglichkeit können die hergestellten Partikel auch aufgefangen werden, beispielsweise durch einen Pulverabscheider, und anschließend weiteren Verwendungen zugeführt werden, The method and device according to the invention can be used for depositing layers, in particular dense nanoparticulate layers, on substrate surfaces. In addition, particles can be incorporated into layers, such as plasma polymer layers. As a further possibility, the produced particles can also be collected, for example by a powder separator, and subsequently supplied to further uses,
Zum Beispiel können mittels der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung Silbernanopartikel in plasmapolymere Schichten zur Erzeugung einer nicht cytotoxischen und antimikrobiell wirksamen Beschichtung eingebaut werden. In ähnlicher Weise können Zinkpartikel in plasmapolymere Schichten eingebaut werden, um einen aktiven Korrosionsschutz für Metalle zu bilden, die oberhalb der Spannungsreihe stehen, also edler als Zink sind. Eine ähnliche Verwendung ist auch mit Magnesiumpartikeln möglich. For example, by means of the apparatus and method of the invention, silver nanoparticles can be incorporated into plasma polymer layers to produce a non-cytotoxic and antimicrobial coating. Similarly, zinc particles can be incorporated into plasma polymer layers to provide active corrosion protection for metals that are above the stress series, more noble than zinc. A similar use is possible with magnesium particles.
UV-absorbierende Partikel, wie z.B. ZnO- Partikel, können in plasmapolymere Schichten als UV-absorbierender Kratzschutz eingebaut werden. UV-absorbing particles, e.g. ZnO particles can be incorporated into plasma polymer layers as UV-absorbing scratch protection.
Im Folgenden werden die wesentlichen Aspekte der vorliegenden Erfindung nochmals zusammengefasst: In the following, the essential aspects of the present invention are summarized again:
(1 ) Verfahren zur Herstellung von Partikeln unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas, insbesondere in einem Atmosphärendruckplasma, bei dem das Plasma durch eine Entladung zwischen Elektroden in einem Prozessgas erzeugt wird, mindestens eine der Elektroden eine Opferelektrode ist, von der durch die Entladung Material abgetragen wird, es sich bei dem abgetragenen Material um Partikel handelt und/oder aus dem abgetragenen Material Partikel entstehen, und ein Abschnitt der Opferelektrode aktiv so gekühlt wird, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in einem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode niedriger ist als innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode. (1) Method of producing particles using an atmospheric pressure plasma, especially in an atmospheric pressure plasma, in which the plasma is generated by a discharge between electrodes in a process gas, at least one of the electrodes is a sacrificial electrode from which material is removed by the discharge, when the removed material is particles and / or particles are formed from the abraded material, and a portion of the sacrificial electrode is actively cooled so that the average temperature of the sacrificial electrode in a region of the sacrificial electrode outside the discharge area of the sacrificial electrode is lower than within the discharge area of the sacrificial electrode.
(2) Verfahren nach Punkt (1 ), bei dem die Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode über Wärmeleitung erfolgt. (2) The method according to item (1), wherein the cooling of the portion of the sacrificial electrode is via heat conduction.
(3) Verfahren nach Punkt (1) oder (2), bei dem die Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode durch ein Kühlmedium erfolgt. (3) The method of item (1) or (2), wherein the cooling of the portion of the sacrificial electrode is performed by a cooling medium.
(4) Verfahren nach Punkt (3), bei dem das Kühlmedium nur mit dem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode in Kontakt kommt. (4) The method according to item (3), wherein the cooling medium comes into contact only with the area of the sacrificial electrode outside the discharge area of the sacrificial electrode.
(5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem die Opferelektrode an einer Eintrittsstelle der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich eintritt, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entladungsbereich der Opferelektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode und der mittleren Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle in dem Bereich von Ts -393 K bis Ts - 77 K, bevorzugt von Ts - 373 K bis Ts - 77 K, bevorzugter von Ts - 323 K bis Ts - 77 K und am bevorzugtesten von Ts - 293 K bis Ts - 77 K, liegt, wobei Ts die Schmelztemperatur des Materials der (5) The method of any one of the preceding claims, wherein the sacrificial electrode enters a cooling region at an entry point of the sacrificial electrode in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being on a side of the cooling region opposite the discharge region of the sacrificial electrode, and the difference between the average temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode and the average temperature of the sacrificial electrode at the entry point in the range of Ts -393K to Ts-77K, preferably Ts-373K to Ts-77K, more preferably Ts - 323K to Ts - 77K, and most preferably from Ts - 293K to Ts - 77K, where Ts is the melting temperature of the material of the
Opferelektrodein K ist. Sacrificial electrode K is.
(6) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem die Opfereiektrode an einer Eintrittssteile der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich eintritt, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entladungsbereäch der Opferelektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und die mittlere Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittssteile 393 K, bevorzugt 373 K, bevorzugter 323 K und am bevorzugtesten 293 K, nicht überschreitet. (6) Method according to one of the preceding points, in which the sacrificial electrode enters a cooling region at an entrance portion of the sacrificial electrode, in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being at a side of the cooling region opposite the discharge area of the sacrificial electrode, and the median temperature of the sacrificial electrode at the entrance portion 393K 373K, more preferably 323K, and most preferably 293K.
(7) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem die mittlere Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entiadungsbereichs der Opfereiektrode die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode nicht überschreitet. (7) The method according to any preceding item, wherein the average temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode does not exceed the melting temperature of the material of the sacrificial electrode.
(8) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem die Opfereiektrode eine längliche Form aufweist. (8) The method according to any preceding item, wherein the sacrificial electrode has an elongated shape.
(9) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem die Position des Entlad ungsbereichs der Opferelektrode erfasst wird. (9) The method according to any preceding item, wherein the position of the discharge area of the sacrificial electrode is detected.
(10) Verfahren nach Punkt (9), bei dem die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode optisch und/oder elektronisch erfasst wird. (10) The method according to item (9), wherein the position of the discharge region of the sacrificial electrode is optically and / or electronically detected.
(11 ) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem die Opfereiektrode so geführt wird, dass die Position des Entiadungsbereichs der Opferelektrode während des Verfahrens im Wesentlichen gleich bleibt. (11) The method according to any one of the preceding claims, wherein the sacrificial electrode is guided so that the position of the discharge area of the sacrificial electrode remains substantially the same during the process.
(12) Verfahren nach Punkt (11) wie abhängig von Punkt (9) oder (10), bei dem die Opferelektrode auf Grundlage der erfassten Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode so geführt wird, dass die Position des (12) The method according to item (11) as dependent on (9) or (10), wherein the sacrificial electrode is guided based on the detected position of the discharge area of the sacrificial electrode such that the position of the sacrificial electrode
Entiadungsbereichs der Opferelektrode während des Verfahrens im Wesentlichen gleich bleibt. Entiadungsbereichs the sacrificial electrode during the process remains substantially the same.
(13) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem die Entladung eine gepulste Entladung ist. (13) The method according to any preceding item, wherein the discharge is a pulsed discharge.
(14) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem die Partikel eine Partikelgröße im Bereich von 2 nm bis 20 μΐη aufweisen. (14) Method according to one of the preceding points, wherein the particles have a particle size in the range of 2 nm to 20 μΐη.
( 5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, bei dem das Erzeugen des Atmosphärendruckplasmas, das Abtragen des Materials und das Entstehen der Partikel unter Verwendung einer Plasmadüse erfolgen. (5) The method according to any one of the preceding claims, wherein generating the atmospheric pressure plasma, ablating the material and causing the particles to occur using a plasma nozzle.
(16) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, insbesondere nach Punkt (15), bei dem Partikel in einem relaxierenden Bereich des Atmosphärendruckplasmas aus dem abgetragenen Material entstehen. (17) Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, insbesondere nach Punkt (15) oder (16), bei dem die Verweildauer des Materials in einem relaxierenden Bereich des Atmosphärendruckplasmas kontrolliert wird. (16) Method according to one of the preceding points, in particular according to item (15), in which particles are formed in a relaxing region of the atmospheric pressure plasma from the abraded material. (17) Method according to one of the preceding points, in particular according to item (15) or (16), in which the residence time of the material in a relaxing region of the atmospheric pressure plasma is controlled.
(18) Vorrichtung zur Hersteilung von Partikeln unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas, insbesondere in einem Atmosphärendruckplasma, die umfasst: ein Gehäuse mit einem Kanal, mindestens zwei Elektroden, die zumindest teilweise in dem Kanal angeordnet sind, eine Spannungsquelle, die dafür eingerichtet ist, eine Spannung zwischen den mindestens zwei Elektroden anzulegen, wobei die mindestens zwei Elektroden dafür eingerichtet sind, das Plasma durch eine Entladung zwischen den Elektroden in einem Prozessgas in dem Kanal zu erzeugen, mindestens eine der Elektroden eine Opferelektrode ist, von der durch die Entladung Material abgetragen wird, und es sich bei dem abgetragenen Material um Partikel handelt und/oder aus dem abgetragenen Material Partikel entstehen, und eine Kühleinrichtung, die dafür eingerichtet ist, einen Abschnitt der Opfereiektrode aktiv so zu kühlen, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in einem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode niedriger ist als innerhalb des Entladungsbereichs der Opfereiektrode. (18) A device for producing particles using an atmospheric pressure plasma, in particular in an atmospheric pressure plasma, comprising: a housing having a channel, at least two electrodes at least partially disposed in the channel, a voltage source adapted to provide a voltage between the at least two electrodes, wherein the at least two electrodes are adapted to generate the plasma by a discharge between the electrodes in a process gas in the channel, at least one of the electrodes is a sacrificial electrode from which material is removed by the discharge, and wherein the abraded material is particulate matter and / or particles are formed from the abraded material, and cooling means configured to actively cool a portion of the sacrificial electrode such that the average temperature of the sacrificial electrode in an area of the sacrificial electrode is outside of the discharge range of the sacrificial electrode is lower than within the discharge area of the sacrificial electrode.
(19) Vorrichtung nach Punkt (18), bei der die Kühleinrichtung dafür eingerichtet ist, den Abschnitt der Opferelektrode über Wärmeleitung zu kühlen. (19) The device of item (18), wherein the cooling means is adapted to cool the portion of the sacrificial electrode via heat conduction.
(20) Vorrichtung nach Punkt (18) oder (19), bei der die Kühleinrichtung dafür eingerichtet ist, den Abschnitt der Opferelektrode durch ein Kühlmedium zu kühlen. (20) The device of item (18) or (19), wherein the cooling means is arranged to cool the portion of the sacrificial electrode by a cooling medium.
(21 ) Vorrichtung nach Punkt (20), bei der die Kühleinrichtung so eingerichtet ist, dass das Kühlmedium nur mit dem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode in Kontakt, insbesondere direkt oder über eine Wandung thermisch in Kontakt, kommt. (22) Vorrichtung nach einem der Punkte (18) bis (21), bei der die Opferelektrode an einer Eintrittsstelle der Opfereiektrode in einen Kühlungsbereich eintritt, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entiadungsbereich der Opferelektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und die Kühleinrichtung so eingerichtet ist, dass bei Betrieb der Vorrichtung die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opfereiektrode innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode und der mittleren Temperatur der Opfereiektrode an der Eintrittsstelle in dem Bereich von Ts - 393 K bis Ts - 77 K, bevorzugt von Ts - 373 K bis Ts - 77 K, bevorzugter von Ts - 323 K bis Ts - 77 K und am bevorzugtesten von Ts - 293 K bis Ts - 77 K, liegt, wobei Ts die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode in K ist. (21) Device according to item (20), in which the cooling device is arranged such that the cooling medium only comes into contact with the region of the sacrificial electrode outside the discharge region of the sacrificial electrode, in particular directly or via a wall in thermal contact. (22) The device according to any one of (18) to (21), wherein the sacrificial electrode enters a cooling region at an entry point of the sacrificial electrode, in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being opposite to the discharge region of the sacrificial electrode Side of the cooling area, and the cooling device is arranged so that, during operation of the device, the difference between the average temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode and the average temperature of the sacrificial electrode at the entry point in the range of Ts - 393 K to Ts - 77 K, preferably from Ts-373K to Ts-77K, more preferably from Ts-323K to Ts-77K, and most preferably from Ts-293K to Ts-77K, where Ts is the melting temperature of the material of the sacrificial electrode in K is.
(23) Vorrichtung nach einem der Punkte (18) bis (22), bei der die Opferelektrode an einer Eintrittsstelle der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich eintritt, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entiadungsbereich der Opfereiektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und die Kühleinrichtung so eingerichtet ist, dass bei Betrieb der Vorrichtung die mittlere Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle 393 K, bevorzugt 373 K, bevorzugter 323 K und am bevorzugtesten 293 K, nicht überschreitet. (23) The device according to any one of (18) to (22), wherein the sacrificial electrode enters a cooling region at an entrance point of the sacrificial electrode, in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being opposite to the discharge region of the sacrificial electrode Side of the cooling region, and the cooling device is arranged so that when operating the device, the average temperature of the sacrificial electrode at the point of entry 393 K, preferably 373 K, more preferably 323 K and most preferably 293 K, does not exceed.
(24) Vorrichtung nach einem der Punkte (18) bis (23), bei der die Kühleinrichtung so eingerichtet ist, dass bei Betrieb der Vorrichtung die mittlere Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entladungsbereichs der (24) The device according to any one of items (18) to (23), wherein the cooling means is arranged so that, during operation of the device, the average temperature of the sacrificial electrode within the discharge region of the
Opferelektrode die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode nicht überschreitet. Sacrificial electrode does not exceed the melting temperature of the material of the sacrificial electrode.
(25) Vorrichtung nach einem der Punkte ( 8) bis (24), bei der die Opferelektrode eine längliche Form aufweist. (25) The device according to any one of (8) to (24), wherein the sacrificial electrode has an elongated shape.
(26) Vorrichtung nach einem der Punkte (18) bis (25), die ferner eine Erfassungseinrichtung umfasst, die dafür eingerichtet ist, die Position des Entladungsbereichs der O ferelektrode zu erfassen. (26) The device according to any one of (18) to (25), further comprising detection means arranged to detect the position of the discharge area of the electrode electrode.
(27) Vorrichtung nach Punkt (26), bei der die Erfassungseinrichtung dafür eingerichtet ist, die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode optisch und/oder elektronisch zu erfassen. (27) The device according to item (26), wherein the detection means is adapted to optically and / or electronically detect the position of the discharge area of the sacrificial electrode.
(28) Vorrichtung nach einem der Punkte (18) bis (27), die ferner eine Steuereinrichtung umfasst, die dafür eingerichtet ist, die Opferelektrode so zu führen, dass die Position des Entlad ungsbereichs der Opferelektrode während des Betriebs der Vorrichtung im Wesentlichen gleich bleibt. (29) Vorrichtung nach Punkt (28) wie abhängig von Punkt (26) oder (27), bei der die Steuereinrichtung dafür eingerichtet ist, die Opferelektrode auf Grundlage der durch die Erfassungseinrichtung erfassten Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode so zu führen, dass die Position des Entladungsbereichs der Opfereiektrode während des Betriebs der Vorrichtung im Wesentlichen gleich bleibt. (28) The device of any one of (18) to (27), further comprising a controller configured to guide the sacrificial electrode so that the position of the discharge area of the sacrificial electrode remains substantially the same during operation of the device , (29) The device of item (28) as dependent on item (26) or (27), wherein the controller is configured to guide the sacrificial electrode based on the position of the discharge area of the sacrificial electrode detected by the detecting means so that the position the discharge area of the sacrificial electrode remains substantially the same during operation of the device.
(30) Vorrichtung nach einem der Punkte (18) bis (29), bei der die Spannungsqueile so eingerichtet ist, dass die Entladung eine gepulste Entladung ist. (30) The device according to any one of (18) to (29), wherein the voltage source is arranged such that the discharge is a pulsed discharge.
(31) Vorrichtung nach einem der Punkte (18) bis (30), bei der die Partikel eine Partikelgröße im Bereich von 2 nm bis 20 μηι aufweisen. (31) The device according to any one of (18) to (30), wherein the particles have a particle size in the range of 2 nm to 20 μηι.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von Partikeln (30) unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas, bei dem das Plasma durch eine Entladung (15, 15') zwischen Elektroden (16, 16', 16"; 5, 32) in einem Prozessgas (18) erzeugt wird, mindestens eine der Elektroden eine Opferelektrode (16, 16', 16") ist, von der durch die Entladung Material abgetragen wird, es sich bei dem abgetragenen Materia! um Partikel handelt und/oder aus dem abgetragenen Material Partikel entstehen, und ein Abschnitt der Opferelektrode aktiv so gekühlt wird, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in einem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsberetchs (17, 17', 17") der Opferelektrode niedriger ist als innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode. A method of producing particles (30) using an atmospheric pressure plasma, wherein the plasma is generated by a discharge (15, 15 ') between electrodes (16, 16', 16 ", 5, 32) in a process gas (18) is at least one of the electrodes is a sacrificial electrode (16, 16 ', 16 "), is removed from the material through the discharge, it is the abraded Materia! are particles and / or particles are formed from the abraded material, and a portion of the sacrificial electrode is actively cooled such that the average temperature of the sacrificial electrode is lower in a region of the sacrificial electrode outside the sacrificial electrode discharge arc (17, 17 ', 17 ") as within the discharge area of the sacrificial electrode.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode über Wärmeleitung erfolgt. 2. The method of claim 1, wherein the cooling of the portion of the sacrificial electrode via heat conduction takes place.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kühlung des Abschnitts der Opferelektrode durch ein Kühlmedium (11 , 11', 11 ") erfolgt. 3. The method of claim 1 or 2, wherein the cooling of the portion of the sacrificial electrode by a cooling medium (11, 11 ', 11 ") takes place.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Kühlmedium nur mit dem Bereich der Opferelektrode außerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode in Kontakt kommt. 4. The method of claim 3, wherein the cooling medium comes into contact only with the region of the sacrificial electrode outside the discharge region of the sacrificial electrode.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein
die Opferelektrode an einer Eintrittsstelle (21 , 2Γ, 21") der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich eintritt, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entladungsbereich der Opferelektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und die Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode und der mittleren Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle in dem Bereich von Ts - 393 K bis Ts - 77 K liegt, wobei Ts die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode in K ist.  the sacrificial electrode enters a cooling region at an entry point (21, 2Γ, 21 ") of the sacrificial electrode in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being on a side of the cooling region opposite the discharge region of the sacrificial electrode, and the difference between the the average temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode and the average temperature of the sacrificial electrode at the point of entry is in the range of Ts-393K to Ts-77K, where Ts is the melting temperature of the material of the sacrificial electrode in K.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Opfereiektrode an einer Eintrittsstelle der Opferelektrode in einen Kühlungsbereich eintritt, in dem der Abschnitt der Opferelektrode aktiv gekühlt wird, wobei die Eintrittsstelle an einer dem Entladungsbereich der Opferelektrode gegenüberliegenden Seite des Kühlungsbereichs liegt, und die mittlere Temperatur der Opferelektrode an der Eintrittsstelle 393 K nicht überschreitet. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the sacrificial electrode enters a cooling region at an entry point of the sacrificial electrode in which the portion of the sacrificial electrode is actively cooled, the entry point being on a side of the cooling region opposite the discharge region of the sacrificial electrode, and the average temperature of the sacrificial electrode at the entry point does not exceed 393K ,
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mittlere Temperatur der Opferelektrode innerhalb des Entiadungsbereichs der Opfereiektrode die Schmelztemperatur des Materials der Opferelektrode nicht überschreitet. A method according to any one of the preceding claims, wherein the average temperature of the sacrificial electrode within the discharge area of the sacrificial electrode does not exceed the melting temperature of the material of the sacrificial electrode.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Opferelektrode eine längliche Form aufweist. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the sacrificial electrode has an elongated shape.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode erfasst wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the position of the discharge region of the sacrificial electrode is detected.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode optisch und/oder elektronisch erfasst wird. 10. The method of claim 9, wherein the position of the discharge region of the sacrificial electrode is detected optically and / or electronically.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Opferelektrode so geführt wird, dass die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode während des Verfahrens im Wesentlichen gleich bleibt. A method according to any one of the preceding claims, wherein the sacrificial electrode is guided so that the position of the discharge area of the sacrificial electrode remains substantially the same during the process.
12. Verfahren nach Anspruch 11 wie abhängig von Anspruch 9 oder 10, bei dem die Opfereiektrode auf Grundlage der erfassten Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode so geführt wird, dass die Position des Entladungsbereichs der Opferelektrode während des Verfahrens im Wesentlichen gleich bleibt. 12. The method of claim 11 as dependent on claim 9 or 10, wherein the sacrificial electrode is guided based on the detected position of the discharge area of the sacrificial electrode such that the position of the discharge area of the sacrificial electrode remains substantially the same during the process.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Entladung eine gepulste Entladung ist. 13. The method according to any one of the preceding claims, wherein the discharge is a pulsed discharge.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Partikel eine Partike!grofie im Bereich von 2 nm bis 20 μητι aufweisen. 14. The method according to any one of the preceding claims, wherein the particles have a particle size in the range of 2 nm to 20 μητι.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel in einem relaxierenden Bereich des Atmosphärendruckplasmas aus dem abgetragenen Material entstehen. 15. The method according to any one of the preceding claims, wherein the particles arise in a relaxing region of the atmospheric pressure plasma from the removed material.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verweildauer des Materials in einem relaxierenden Bereich des Atmosphärendruckplasmas kontrolliert wird. 16. The method according to any one of the preceding claims, wherein the residence time of the material is controlled in a relaxing region of the atmospheric pressure plasma.
17. Vorrichtung zur Hersteilung von Partikeln (30) unter Verwendung eines Atmosphärendruckplasmas, die umfasst: ein Gehäuse (5) mit einem Kanal (7, 7', 7"), mindestens zwei Elektroden (16, 16', 16"; 5, 32), die zumindest teilweise in dem Kanal angeordnet sind, eine Spannungsquelle (22), die dafür eingerichtet ist, eine Spannung zwischen den mindestens zwei Elektroden anzulegen, wobei die mindestens zwei Elektroden dafür eingerichtet sind, das Plasma durch eine Entladung (15, 15') zwischen den Elektroden in einem Prozessgas (18) in dem Kanal zu erzeugen, mindestens eine der Elektroden eine Opferelektrode (16, 16', 16") ist, von der durch die Entladung Material abgetragen wird, und es sich bei dem abgetragenen Material um Partikel handelt und/oder aus dem abgetragenen Material Partikel entstehen, und eine Kühlei nrichtung (2), die dafür eingerichtet ist, einen Abschnitt der Opferelektrode aktiv so zu kühlen, dass die mittlere Temperatur der Opferelektrode in einem Bereich der Opferelektrode außerhalb des 17. An apparatus for producing particles (30) using an atmospheric pressure plasma, comprising: a housing (5) having a channel (7, 7 ', 7' '), at least two electrodes (16, 16', 16 '; 32) disposed at least partially in the channel, a voltage source (22) adapted to apply a voltage between the at least two electrodes, the at least two electrodes being adapted to remove the plasma by a discharge (15, 15 ') between the electrodes in a process gas (18) in the channel, at least one of the electrodes is a sacrificial electrode (16, 16', 16 ") from which material is removed by the discharge, and the abraded material particles and / or particles are formed from the abraded material, and a cooling device (2) adapted to actively cool a portion of the sacrificial electrode such that the average temperature of the sacrificial electrode in a region of the oppose outside of the
Entladungsbereichs (17, 17', 17") der Opferelektrode niedriger ist als innerhalb des Entladungsbereichs der Opferelektrode. Discharge region (17, 17 ', 17 ") of the sacrificial electrode is lower than within the discharge region of the sacrificial electrode.
PCT/EP2014/072106 2013-10-15 2014-10-15 Method and device for producing particles in an atmospheric pressure plasma WO2015055711A1 (en)

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