Thema: Mikrowellenplasmen

Mikrowellenplasmen – Alleskönner mit riesigem Marktpotenzial

FBH-Plasmaquelle
Vielfältig einsetzbar: handliche Mikrowellenplasmaquelle aus dem FBH

Niederdruckplasmen werden als Werkzeug seit langem technisch genutzt, jedoch erst seitdem Plasmen an der Atmosphäre erzeugt werden können, stehen neue Anwendungsgebiete offen. Mit kalten Plasmen können auch temperaturempfindliche Materialien, Instrumente und Oberflächen behandelt werden. Neuerdings etablieren sich Plasmaverfahren in Medizin und Medizintechnik, etwa zur Unterstützung bei der Wundheilung und der Sterilisation medizinischer Instrumente. Der Marktwert der Produkte, die mit Plasmaverfahren hergestellt oder vergütet werden, wächst laut Deutscher Physikalischer Gesellschaft jährlich um ca. 15%.

Anders als bei Niederdruckplasmaverfahren, benötigen die FBH-Plasmaquellen weder eine Unterdruckkammer noch eine Hochspannungsversorgung. Sie funktionieren an normaler Umgebungsluft. Mit ihnen lassen sich hohe Plasmadichten und damit hohe Reaktionsraten erzielen. Um das Plasma zu erzeugen, wird einem Gas durch Anlegen eines elektrischen Feldes elektrische Leistung zugeführt. Die Eigenschaften des Plasmas lassen sich durch die Energiezufuhr, die Zusammensetzung des Gases und den Druck steuern. Mithilfe dieser drei Parameter können Wissenschaftler die Eigenschaften des Plasmas einstellen. Ein Durchbruch bei Plasmaquellen für medizinische Anwendungen konnte vor kurzem am Ferdinand-Braun-Institut erreicht werden: Dabei ist es gelungen, das für die Wundheilung so wichtige Stickstoffmonoxid, das an der normalen Umgebungsluft zerfällt, direkt in der Plasmaflamme aus den Gasen Stickstoff und Sauerstoff zu erzeugen.

Hinter diesen Prototypen steht ein umfassendes Know-how in der Mikrowellentechnik: Ein integrierter Oszillator erzeugt ein Mikrowellensignal im 10-Watt-Bereich direkt in der Quelle und nutzt dazu einen ebenfalls am FBH entwickelten Hochleistungs-Galliumnitridtransistor. Dazu gibt der Oszillator sein Hochfrequenzsignal an eine resonante Struktur weiter, in der die Teilchen beschleunigt werden und in der hohe elektrische Wechselfelder entstehen. Bei ausreichend großer Feldstärke ionisiert das Gas schlagartig und das Plasma entzündet sich. Die Mikrowellenfrequenz liegt bei 2,45 Gigahertz, dadurch brennt das Plasma homogen und stabil. Die Galliumnitrid (GaN)-Technologie der FBH-Plasmaquellen ermöglicht die charakteristischen hohen Leistungen verbunden mit hohen Wirkungsgraden und wird durch die Forschung zur GaN-Leistungselektronik am FBH weiter vorangebracht.

Bis zur maßgeschneiderten Plasmaquelle ist eine aufwändige Entwicklungsarbeit nötig, die in Zusammenarbeit mit den zukünftigen Anwendern geleistet wird. Dafür wurde erst kürzlich ein Applikationslabor als zentrale Anlaufstelle für Unternehmen und Institute geschaffen, um den Weg zum Produkt zu verkürzen und den Transfer von Forschungsergebnissen in konkrete Anwendungen zügig voranzubringen.

FBH-Mikrowellenplasmaquelle auf einen Blick

FBH-Plasmaquelle
Kompakte Plasmaquelle: im Prototyp steckt umfassendes HF-Know-how aus dem FBH
  • Handliche Quelle mit normaler Stromversorgung (24 V DC – keine Hochspannung)
  • Kompakt, da alle kritischen Hochfrequenzbauteile in einer Baugruppe integriert sind
  • Funktioniert an der normalen Umgebungsluft (keine Vakuumkammer)
  • Niedertemperatur: Temperaturen < 100° C erlauben die Behandlung empfindlicher Oberflächen (Haut, Folien, etc.)
  • Flexibel auf Anwendung anpassbar: funktioniert mit den unterschiedlichsten Inert- und Reaktivgasen (Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium, etc.)

Technische Details und Prinzip

  • Stabiles und “kühles“ Plasma: Frequenzen im Mikrowellenbereich ( 2,45 GHz) erzeugen die benötigte lokal hohe Spannung. Anschließend wird der Strom durch die nun leitende, weil ionisierte Luft stabilisiert. Es entsteht ein stabiles Plasma, eine kalte Variante des Lichtbogens.
  • Integrierte und kompakte Quelle: Oszillator mit einem GaN-Hochleistungstransistor, der mit einem Resonator einen Schwingkreis bildet. Das Plasma wird in der Spitze einer Antenne im Resonator erzeugt, durch den das Gas geleitet wird.
  • Effizient: Der elektrische Resonator mit integrierten Plasmaelektroden bestimmt die Betriebsfrequenz der Quelle und wirkt gleichzeitig als Transformator für die benötigten Spannungen.

Publikationen:

Mikrowellenplasmen für Medizin und Kosmetik

NO-/Ozon-Konzentration
Die Konzentration von Stickstoffmonoxid und Ozon kann über den Prozessgasfluss eingestellt werden (© Ruhr-Uni Bochum)

Von der Hautbehandlung bis zur Desinfektion

Hauterkrankungen wie Schuppenflechte oder Akne, aber auch Wundheilungsstörungen könnten schon bald mit den kalten Flammen eines Mikrowellenplasmas behandelt werden. Die positive medizinische Wirkung bei der Behandlung menschlicher Hautzellen mit Stickstoffmonoxid (NO) mit einer Mikrowellenplasmaquelle aus dem Ferdinand-Braun-Institut konnte anhand biochemischer Analysen der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf bereits nachgewiesen werden; wichtige Parameter für die spätere Behandlung von Patienten wurden dabei festgelegt.

Insbesondere konnte gezeigt werden, dass NO bis in die Zellen vordringt und dort mit Proteinen interagiert, was entscheidend für die physiologische Wirkung von NO ist. Neuere medizinische Erkenntnisse haben nämlich ergeben, dass der Heilungsprozess durch NO beeinflusst werden kann. NO zerfällt jedoch an der Luft. Mit der Atmosphärenplasmaquelle aus dem Ferdinand-Braun-Institut ist es dagegen möglich, NO aus den Basisgasen Stickstoff und Sauerstoff direkt in einer kleinen Plasmaflamme herzustellen – es wirkt also, bevor es zerfallen kann.

FBH-Mikroplasma zur Hautbehandlung
Eine von vielen Anwendungen: Prototyp Mikrowellenplasmaquelle bei der Hautbehandlung

Zudem funktioniert die Quelle unkompliziert an der normalen Umgebungsluft, es werden also weder aufwändige Druckkammern noch Hochspannungsversorgung benötigt. Auch die Haut verbrennt nicht, da die Flamme des Mikrowellenplasmas kalt ist. Dazu werden ein oder mehrere Gase in geringen Mengen von weniger als einem Liter pro Minute ionisiert, also elektrisch geladen. Dadurch entsteht ein Zustand, der dem eines sehr heißen Gases bzw. einer Flamme ähnelt. Allerdings werden nur die leichten Elektronen schnell und folglich „heiß“, das eigentliche Gas bleibt kühl.

Viren und Bakterien werden bei einer direkten Behandlung mit Plasma abgetötet. Das eröffnet weitere Einsatzbereiche, etwa in der Lebensmittelindustrie oder der Medizintechnik. Schwere und großformatige Druckkammern, die derzeit in der Medizintechnik bei der Sterilisation hitzeempfindlicher medizinischer Instrumente und Geräte eingesetzt werden, könnten dank der Plasmaquelle aus dem FBH künftig überflüssig werden. Die FBH-Quelle arbeitet nämlich bei Atmosphärendruck und kann direkt eingesetzt werden.

Sogar im kosmetischen Bereich gibt es Anwendungen. Plasma reinigt nicht nur Fuß- und Fingernägel, sondern lässt auch Nagellack besser haften. Schönheitszentren setzen Plasmageräte ein, um Pigmentflecken zu beseitigen, Narben und Hautfalten zu glätten sowie die Elastizität der Haut zu verbessern, indem Bindegewebsverbindungen zwischen den Hautzellen aufgelöst und Gewebe schichtweise abgetragen wird.

Publikationen:


Werkzeug für die Industrie

Mit Plasma aktivierte Oberfläche
Bessere Haftung dank Plasmabehandlung: links aktivierte, rechts unbehandelte Fläche

Innovative atmosphärische Plasmaquelle für neue Oberflächentechnologien

Struktur, Farbe und Funktion – die Oberfläche eines Produkts, von Mikrochips, bei elektronischen Geräten oder Automobilen spielt sowohl technologisch als auch optisch eine zentrale Rolle. Dank neuer Querschnittstechnologien wie Verfahren mit atmosphärischen Plasmaquellen können Prozessschritte eingespart oder neue Produkte entwickelt werden. Da so effizienter und kostengünstiger produziert werden kann, gilt den Oberflächentechnologien im Herstellungsprozess die besondere Aufmerksamkeit der Ingenieure. Eine neue, kompakte und hocheffiziente Plasmaquelle für die Oberflächenbearbeitung wurde kürzlich am FBH demonstriert. Sie hat einen Durchmesser von lediglich 30 mm, ist nur 127 mm lang und ihre Leistung liegt bei ca. 10 Watt, also in etwa im Bereich einer Energiesparlampe. Die Plasmaquelle arbeitet mit verschiedenen Prozessgasen wie Umgebungsluft und reinem Sauerstoff. Sie wurde bereits an verschiedenen Kunststoffen erfolgreich getestet. Als kompakte Quelle ist sie vor allem dann gefragt, wenn schwer zugängliche oder temperaturempfindliche Oberflächen bearbeitet werden müssen.

Sie bietet jedoch weitere Vorteile. So könnte die FBH-Quelle künftig zur Chipfertigung, etwa beim Plasmaätzen oder der Lackveraschung eingesetzt werden, wo dank Plasmatechnologie der Einsatz und die Entsorgung umweltschädlicher Säuren entfällt. Die Reinigung von Bauteilen, Oberflächen und Produktionsanlagen ist ein weiteres Anwendungsgebiet im industriellen Maßstab. Auch der Produktionsaufwand für funktionale Oberflächenbeschichtungen bei Wärmeschutzverglasungen  oder Kratzschutzbeschichtungen kann mit atmosphärischen Mikrowellenplasmen reduziert werden. Gleiches gilt für die Oberflächenaktivierung von Kunststoffen, die bislang aufwändig mit Niederdruckplasmen vorbehandelt werden, damit Klebungen, Lacke oder Druckfarben halten. Mit atmosphärischen Plasmen könnte dieser Schritt einfach in existierende Produktionsstraßen integriert werden.

Publikation:

"An Integrated Atmospheric Microwave Plasma Source"