Piezoelectric Direct Discharge

Geräte und Anwendungsbereiche

Autoren: Dariusz Korzec, Florian Hoppenthaler und Stefan Nettesheim

Datum: Dezember 2020

Zusammenfassung

Die piezoelectric direct discharge (PDD) Technologie ist eine vergleichsweise neue Art der Atmosphärendruck-Gasentladung zur Erzeugung von kaltem Plasma. Die Erzeugung einer solchen Entladung ist mit dem piezoelektrischen Kaltplasma-Generator (PCPG) möglich. Hierbei wird der resonante piezoelektrische Transformator (RPT) mit einer niedrigen Eingangsspannung, typischerweise unter 25 V, angeregt. Mit einem Übersetzungsverhältnis von mehr als 1000, erzeugt das kompakte Bauteil sodann eine Ausgangsspannung von mehr als 10 kV und damit eine Plasmaentladung. Als Ionisationsgas für die PDD werden entweder Luft oder verschiedene Gasgemische verwendet. Trotz einiger Ähnlichkeiten mit der Corona-Entladung und der dielektrischen Barriereentladung macht die Zündung von Mikroentladungen direkt an der Keramikoberfläche die PDD in ihrer Physik und ihrem Anwendungspotenzial einzigartig. Die PDD wird in offenen Entladungsstrukturen direkt eingesetzt, vor allem zur Behandlung von elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen. Sie wird auch als Plasmabrücke zur Vorspannung verschiedener Anregungselektroden eingesetzt und ist für eine breite Palette von Grundmaterialien geeignet. In dieser Übersicht werden die wichtigsten Strukturen der PDD-basierten Entladungen vorgestellt. Diskutiert werden das Funktionsprinzip, die wichtigsten Betriebsmerkmale und Anwendungsbeispiele, die die spezifischen Eigenschaften der Entladungskonfigurationen ausnutzen. Aufgrund der moderaten Leistung, von typischerweise weniger als 10 W, die mit PCPG erreicht werden kann, liegt der Schwerpunkt dieser Übersicht auf Anwendungen mit thermisch empfindlichen Materialien, einschließlich Lebensmitteln, organischen Geweben und Flüssigkeiten.

Einleitung

Niedertemperatur- oder kalte Atmosphärendruckplasmen (APP) sind vielseitige Werkzeuge für eine große Anzahl an Anwendungen die unseren Alltag beeinflussen. Ihre Anwendungen reichen von der Verbesserung industrieller Produktionsprozesse bis hin zu zahlreichen Anwendungen in Biologie, Genetik und Medizin. Die steigende Nachfrage nach kompakten, erschwinglichen und flexiblen Plasmasystemen motivierte die Entwicklung einer neuen Familie von piezoelektrischen Kaltplasma-Generatoren (PCPG), die auf dem Prinzip des resonanten piezoelektrischen Transformators (RPT) basieren. Die Verwendung von PCPG zur Erzeugung der piezoelektrischen Direktentladung (PDD) steht im Mittelpunkt dieser Übersicht. Der Betriebsleistungsbereich von 3 bis 10 W macht PCPGs besonders geeignet für den Einsatz in kompakten Tischgeräten oder in handlichen Atmosphärendruck-Plasma-Jets (APPJ). Die niedrige Temperatur der erzeugten Plasmagase, nur wenige Grad höher als die Umgebungstemperatur, macht die Behandlung von Früchten, Samen und Geweben möglich. Die Höhe der erreichbaren Ozonkonzentration ermöglicht den Einsatz zur Desinfektion und Sterilisation. Dies sind nur einige der vielen Anwendungsgebiete. In dieser Übersicht werden verschiedene Konfigurationen von PCPG-getriebenen Geräten klassifiziert und deren Funktionsprinzipien erläutert. Die Eignung dieser Konfigurationen für bestimmte Anwendungsbereiche wird diskutiert und mit praktischen Anwendungsbeispielen verdeutlicht. Die Autoren hoffen, dass dieser Überblick zu völlig neuen, faszinierenden Konzepten und Anwendungsfeldern inspiriert.

Fazit und Ausblick

Diese Studie zeigt die Verwendung von drei Arten von PCPG zur Erzeugung des PDD. Basierend auf dem PCPG wurden mehrere vielseitige Handplasmageräte entwickelt, die die Behandlung eines breiten Spektrums thermisch empfindlicher Substrate wie Implantaten, Früchten oder Flüssigkeiten ermöglichen. Diese Vielseitigkeit wird durch die Verwendung verschiedener Anregungsstrukturen wie DBD, APPJ, FE-DBD, SMD oder Plasmanadeln erreicht, die alle mit demselben PCPG betrieben werden. Der PCPG ist in der Lage, eine hohe Ozonkonzentration in Luft oder in Sauerstoff zu erzeugen. Es werden Ozonkonzentrationen von 250 ppm in Luft und 800 ppm in Sauerstoff und Produktionsraten von 80 mg/h bzw. 250 mg/h erreicht. Zur Bewertung der Aktivierungsleistung der verschiedenen Entladungskonfigurationen wird die Aktivierungsfläche auf LDPE-Substraten unter Verwendung von 58 mN/m Testtinten visualisiert. Sowohl für den Betrieb mit Standard Modul als auch mit Nearfield Modul korrelieren die Aktivierungsergebnisse mit der Anzahl der Mikroentladungen pro PCPG-Oszillationszyklus. Die Korrelation zwischen der spezifischen Entladungsarchitektur und ihren optimalen Verarbeitungszielen wird diskutiert. Konkret werden drei Konfigurationen von PCPG-getriebenen DBD-Entladungen auf Basis der Aktivierungsfläche bewertet. Die besten Ergebnisse wurden mit einer einzelnen DBD erzielt, bei der die Anregungselektrode über die Plasmabrücke angetrieben wird. Die zweitbeste ist die Konfiguration mit der Doppel-DBD, die direkt über den PCPG angetrieben wird. Die schwächsten Ergebnisse wurden mit der Doppel-DBD mit der über die Plasmabrücke angetriebenen Erregerelektrode erzielt. Die Nadelelektrode, die vom PCPG über die Plasmabrücke angetrieben wird, ist in der Lage, Plasma in verschiedenen Gasen zu erzeugen und erreicht die Aktivierungsergebnisse, die mit der offenen PDD vergleichbar sind. Die Erzeugung von piezoelektrischen Direktentladungen ist eine relativ neue Disziplin in der Atmosphärendruckplasma-Welt. Daher sind viele interessante Fragen noch nicht beantwortet. Einige Beispiele für wissenschaftlich herausfordernde Themen sind:

• Physik der PDD-Plasmabrücke, insbesondere ihre zeitliche Entwicklung, und elektrische Parameter, die ihre Leistungskopplungskapazität bestimmen.
• Einfluss der Feuchtigkeit auf die PDD-Eigenschaften, Chemie und die mikrobiozide Aktivität.
• Steuerung der PDD-Chemie durch Formung des Anregungssignals, zum Beispiel durch Pulsweitenmodulation.