Plasmatechnologie

Was ist Plasma?

Plasma ist ein Zustand der Materie. Es wird häufig als der vierte Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig bezeichnet. Ein Plasma ist dabei ein - je nach Bedingungen teilweise oder vollständig - ionisiertes Gas, welches neben geladenen Teilchen, wie Ionen und Elektronen, auch ungeladene Atome und Moleküle enthalten kann.

Um ein Plasma zu erzeugen, muss Materie Energie zugeführt werden, die für eine Ionisation ausreicht, d.h. Elektronen aus den Atomen freisetzt. Während die drei ersten Zustände fest, flüssig und gasförmig durch die Temperatur eines Stoffes bestimmt sind, kann die Ionisation eines Gases zum Plasma durch sehr hohe Temperaturen oder durch ein elektrisches Feld ausgelöst werden. Deshalb wird Plasma auch Gasentladung genannt.

Weitere Erklärungen finden Sie u.a. hier:
 

Plasma – the 4th state of matter
Plasma in der Physik
Das Phänomen Plasma - Natur und Nutzen

 

Wo kommt Plasma in der Natur vor?

Das wohl größte Plasma in unserer Nähe ist die Sonne. Sie ist nichts anderes als ein gigantischer Plasmaball. Auch die von Ihr ausgesandten Sonnenwinde befinden sich im Plasmazustand. Treffen Sie auf die obere Erdatmosphäre, kann man ein beeindruckendes Schauspiel erleben – Polarlichter. Hier leuchten die durch das Plasma der Sonnenwinde angeregten Luftmoleküle in grün, rot, blau und violett. Auch in Blitzen wird Plasma erzeugt, ebenso wie in Funken und elektrischen Überschlägen. Im Feuer bewirkt die Energie chemischer Reaktionen die Bildung eines Plasmas.
  

Quelle: SOHO (ESA&NASA) Von United States Air Force photo by Senior Airman Joshua Strang - http://www.af.mil/weekinphotos/wipgallery.asp?week=97&idx=9 (Full Image), Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49810 Von U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. - United States Air Force, VIRIN 040304-F-0000S-002 or unbroken-link (or VIRIN 060822-F-1111A-001), Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=208103
Sonne mit Korona
Quelle: SOHO (ESA&NASA)
Polarlichter
Quelle: United Air Force,
photo by Senior Airman Joshua Strang
Blitz
Quelle: U.S. Air Force
photo by Edward Aspera Jr.

 

Wie wirkt Plasma?

Plasmen und insbesondere solche, die mit elektrischen Entladungen erzeugt werden, sind technisch z.B. für die Behandlung von Oberflächen nutzbar. Die geladenen Teilchen können durch Elektronen in dem Gas selbst Moleküle anregen oder spalten. Es entsteht eine chemisch hochaktive Umgebung, die - je nach chemischen Bestandteilen des Plasmas - chemische Modifizierungen hervorrufen kann oder zur Abscheidung neuer Verbindungen auf der Oberfläche führt.

Technische Niedertemperatur-Plasmen enthalten einen kleinen Anteil von hoch reaktiven Atomen und Molekülen und senden kurzwellige UV-Strahlung aus. Auch damit können vielfältige Effekte ausgelöst werden.

 

Wo wird Plasmatechnologie genutzt?

Plasma wird auf Grund seiner Wirkung auf Oberflächen und seiner Eigenschaften sehr vielfältig genutzt. Zum einen können Oberflächen durch direkte Plasmaeinwirkung gereinigt und in Ihrer Struktur und Ihren daraus resultierenden Eigenschaften verändert werden, zum anderen nutzt man den Plasmazustand von Gasen und verdampften Substanzen zur Erzeugung hauch dünner Schichten, wodurch gewünschte Oberflächeneigenschaften hervorgerufen werden. Aber auch für Leuchterscheinungen findet Plasma Verwendung.

Plasmatechnologie ist eine Querschnittstechnologie, die in zahlreichen Branchen Ihre Anwendung findet.

Architekturglas

Architekturglas
Architekturglas wird zur Wärme-Dämmung mit nanometer-dünnen Schichten überzogen. Aber auch elektromagnetische Abschirmung, Filterwirkung, Verspiegelung und Anti-Reflexwirkung sind gefragte Eigenschaften, die durch Plasmatechnologie ermöglicht werden.
 
Automobilindustrie
In der Automobilindustrie finden sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Plasma. Viele Bauteile im Automobilbau und insbesondere in der Antriebstechnik bedürfen einer sehr hohen Härte, geringem Verschleiß und guten Reibeigenschaften, die durch Plasmatechnologie ermöglicht werden. Plasma wird verwendet, um die Verglasungen mit Antireflex, UV-Schutz und Dämmeigenschaften auszustatten. Für Klebe- und Lackierprozesse wird Plasma häufig zur Aktivierung der Oberfläche eingesetzt, um die gewünschten Haftfestigkeiten zu erreichen. In der Automobilindustrie spielt zunehmend auch mittels Plasmatechnologie hergestellte Sensorik (MEMS) eine bedeutende Rolle.
 
 
Biotechnologie & Life Science
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Biotechnologie& Lifescience:
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg









In der Biotechnologie und den Lebenswissenschaften spielen Beschichtungen insbesondere dort eine Rolle, wo lebende Organismen nicht oder eben gerade gut anhaften sollen, aber auch dort wo Keime reduziert oder Flüssigkeiten rückstandsfrei prozessiert werden sollen. Anwendungsfelder sind die Mikrobiologie, Mikrofluidik und die Diagnostik. Hier spielen insbesondere durch Plasmatechnologie ermöglichte Antihaftbeschichtungen, hydrophobe & hydrophile Oberflächen sowie antibakterielle Oberflächen eine große Rolle. Auch für die Erzeugung biofunktionalisierter Oberflächen kann Plasma nützlich sein. Plasma kann zur Desinfektion von Oberflächen genutzt werden.
Außerdem wird die Wirkung von Plasma auf lebende Organismen mit viel Interesse verfolgt.
 
Chemische Industrie
In der chemischen Industrie kann Plasma zur Oberflächenreinigung und Beseitigung von organischen Resten in der Feinstreinigung angewendet werden. Die Chemische Industrie liefert die Material-Grundlage für die Plasmatechnologie - angefangen von Targets für physikalische Abscheideverfahren bis hin zu Precursoren für chemische Abscheideverfahren der Dünnschichttechnik.
 
Druckindustrie
Für das Bedrucken von Materialien müssen sehr gute Haftungseigenschaften zwischen Untergrund und Druckmittel erreicht werden. Insbesondere Kunststoffe, aber auch andere Materialien müssen daher vor dem Bedrucken an der Oberfläche aktiviert werden, um ein haltbares Druckergebnis zu erzielen. Dazu wird eine Vorbehandlung mit Plasma durchgeführt.
 
Elektronikindustrie
Die erste breite industrielle Anwendung von Plasma war die Fertigung von elektronischen Bauelementen. Diese werden immer kleiner und feingliedriger. Ihr Aufbau erfordert das Herausätzen von Strukturen aus Silizium-Wafern. Ursprünglich erfolgte dies nasschemisch, später auf Grund von gestiegenen Anforderungen im Plasma.
Wichtig sind auch dünne Schichten, die durch Plasmatechnologie erzeugt werden können. Vielfältige magnetische, optische, isolierende und leitfähige Schichten sind notwendig, um Datenspeicher, Displays und elektronische Bauteile, wie Schalter und Kondensatoren zu erzeugen. Besonders eindrucksvolle Strukturen werden in sogenannten MEMS realisiert, die z.B. als Beschleunigungssensoren alltäglich eingesetzt werden.
 
Edelstein Industrie
 
Diamanten können im Plasmareaktor synthetisch hergestellt werden und finden dann vielfältigen Einsatz u.a. als Schneidwerkzeug, in der Optik und in der Schmuckindustrie.
 
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In Europas größtem Diamantbeschichtungs-zentrum der CemeCon wird beim Hot-Filament-Verfahren aus Gas Diamant erzeugt. Dabei werden bis zu 4 Karat Diamant pro Stunde hergestellt.

tl_files/akplasma/Plasmatechnologie/PG9_Cemecon_Diamantbeschichtungszentrum.jpg   ©Cemecon

 
 Energietechnik
Energietechnik ist derzeit ein sehr wichtiges und hoch innovatives Arbeitsfeld. Unter anderem die Solarenergie spielt hier eine wichtige Rolle. Für die etablierten waferbasierten Photovoltaik-Module sind Plasma-Beschichtungen zur Reflexiosminderung und zur Oberflächenpassivierung unverzichtbar. Dünnschicht-Module sind ein großer Hoffnungsträger für eine zukunftsfähige Energieversorgung. Zu deren Herstellung wird vielfach Plasmatechnologie genutzt.
Aber auch das Problem der Energiespeicherung wird weiter durch neue Plasmatechnologien vorangetrieben.
Im Bereich der Windenergie sind Funktionsbeschichtungen für Rotoren und andere Bauteile zur Verminderung von Reibung und Verschleiß in Windkraftanlagen unverzichtbar.
 
 Kunststoffindustrie
Sowohl die Verarbeitung von Kunststoffteilen als auch die Erzeugung von Kunststoffbeschichtungen ist eng mit Plasmatechnologie verbunden. Plasma wird eingesetzt um die Bedruckbarkeit von Kunststoffen und Kunststofffolien zu ermöglichen. Das Verkleben von Kunststoffen sowie die Aktivierung von Kunststoffoberflächen zur anschließenden Funktionalisierung und Beschichtung wird durch Plasmatechnologie ermöglicht. UV-Schutzschichten für Kunststoffe, Haft- und Antihaftschichten werden vielfältig eingesetzt.
Aber auch die Plasmapolymerisation eröffnet zahlreiche Möglichkeiten zur Erzeugung dünner polymerer Funktionsschichten insbesondere auch auf temperaturempfindlichen Substraten. Hierbei können unter anderem kratzresistente, nichthaftende oder schmutzabweisende Schichten erzeugt werden. Weiterhin sind Beschichtungen zur Erhöhung der Gasbarriere von Folien realisierbar.
 
 Lackierindustrie
In Bereich des Lackierens wird Plasma zum einen zur Oberflächenaktivierung für eine bessere Haftung der Lacke genutzt und zum anderen zur Oberflächenreinigung vor dem Lackieren. Aber auch die Auftragung einer haftvermittelnden Schicht zwischen Substrat und Lack ist möglich.
UV-Lacke können durch Plasma kratzbeständiger und härter gestaltet und der Vernetzungsprozess des Lackes begünstigt werden.
 
 Lebensmittelindustrie
In der Lebensmittelindustrie spielt Hygiene eine sehr große Rolle. Antibakterielle Beschichtungen und auch Antihaftbeschichtungen sind daher in diesem Bereich gefragt und können mittels Plasmatechnologie erzeugt werden. Plasmadesinfektion ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit.
Auch die Härtung von Schneidwerkzeugen und die Optimierung von Bauteilen in Fertigungsmaschinen der Lebensmittelindustrie profitiert von Plasmatechnologie.
 
 Lichtindustrie
Neben der sehr dekorativen Plasmakugel, in der Plasmablitze sehr eindrucksvoll bestaunt werden können, gibt es auch Plasmalampen. In Leuchtstoffröhren wird ein weißer Farbstoff durch die UV-Strahlung eines Plasmas zum Leuchten angeregt. In Xenon-Gasentladungslampen wird die Lichtemission des Xenonplasmas ausgenutzt um Licht ähnlichem dem Tageslicht zu erzeugen.
Bei der Herstellung von LED-Lampen wird Plasmatechnologie in vielen Prozessschritten eingesetzt.
 
Luftfahrtindustrie
Auch in der Luft- und Raumfahrt findet die Plasmatechnologie, ähnlich wie beim Automobilbau (sieh oben) vielfältige Anwendungen. Insbesondere in der Turbine befinden sich einige Bauteile, die ohne entsprechende Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Härte und Reibeigenschaften nicht funktionieren würden.
Aber auch die Hitzebeständigkeit von Materialien, die sich durch Plasmatechnologie optimieren lässt ist ein wichtiges Anwendungsfeld.
 
Maschinenbau
Im Maschinenbau ist eine ungehinderte Zusammenarbeit einzelner Bauteile wie Lager, Antriebstechnik und Ventiltechnik, unverzichtbar. Daher sind insbesondere Funktionsschichten zur Reduzierung der Reibung und des Verschleißes, aber auch Optimierungsprozesse für die Langlebigkeit der Bauteile, wie Korrosionsschutzbeschichtungen und Härteprozesse von großer Bedeutung.
Auch in der Sensorik ermöglicht die Plasmatechnologie immer neue Fortschritte zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Maschinen und Prozessoptimierung.
 
Medizintechnik  
Egal, ob OP-Bestecke, Implantate, Stents oder Prothesen, alle „Ersatzteile“ für den menschlichen Körper müssen an das komplexe System der menschlichen Physiologie angepasst werden. Biokompatibilität und antibakterielle Oberflächen zur Infektionsvorbeugung ebenso wie gewebefreundliche Oberflächen zur guten Anhaftung der Zellen für eine optimale Verwachsung des Implantates sind wichtige Eigenschaften. Auch Verschleißschutz ist hier von großem Interesse, um erneute Operationen zu vermeiden. Die Plasmatechnologie bietet hierzu entsprechende Möglichkeiten zur Umsetzung und Optimierung.
Plasmamedizin: (c) Fraunhofer IST, Jan Benz
Plasmamedizin:
© Fraunhofer IST, Jan Benz




 
Metallindustrie  

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©Cemecon

Beim Sputtern wird der zu verdampfende Werkstoff zur Schichtherstellung direkt vom festen in den gasförmigen Zustand überführt. Das führt zu sehr glatten Oberflächen ohne Fehlstellen.


Die Eigenschaften von Metallen können durch Plasmatechnologie optimiert werden. So können die Härte erhöht, der Verschleiß und die Korrosion verringert, und die Reibung reduziert werden. Auch das Zusammenfügen von Metallen durch Schweißen kann mit Plasma unterstützt werden. Durch die höhere Energiekonzentration können auch dünne Bleche mit 0,1 mm Dicke noch geschweißt werden.
 
Optische Industrie  
In der Optik spielen Transparenz sowie Reflektion, Absorption und Beugung von Licht eine entscheidende Rolle. Durch Plasmaoberflächentechnologie lassen sich ausgeklügelte Beschichtungen herstellen, die nicht nur die genannten Eigenschaften gezielt realisieren können, sondern dabei auch interessante Effekte ermöglichen.
So ist es heute möglich durch Dünnschichttechnik Filter mit maßgeschneiderten spektralen Eigenschaften, UV-Schutzschichten, Antireflexschichten,  Wärmedämmschichten aber auch komplexe optische Bauteile zu erzeugen.
Weiterhin spielen auch hier Beschichtungen zur Erhöhung der Kratzfestigkeit eine große Rolle.
 
 
Papierindustrie
In der Papier und Kartonagen-Herstellung wird die Plasmatechnologie vor allem zur Verbesserung der Haftung von Druckfarben, Lacken, Klebern und weiteren Beschichtungen angewendet.
 
Plasmamedizin
Die Plasmamedizin ist eine noch junge, aber stetig wachsende Wissenschaft. Erste Erfolge gibt es bereits bei der Desinfektion von chronischen Wunden, in der Bekämpfung von Kopfläusen und bei der Krebstherapie. Auch im Bereich der Dermatologie bei der Behandlung von Warzen, Verbrennungen und Ausschlägen gibt es bereits aussichtsreiche Erfahrungen. Mehrere medizinische Studien konnten erfolgreich abgeschlossen werden.
 
  Schutz von Kulturgütern
tl_files/akplasma/Plasmatechnologie/PG7_Fraunhofer-IST_Schutz_Kulturgueter.jpg < Kulturgutaufbereitung
© Fraunhofer IST, Jan Benz


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Mobiler Plasmaeinsatz am Kulturgut, Mg-Behandlung
© Militär-historisches
Museum Berlin-Gatow /
INNOVENT e.V.
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Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Plasmas sind inzwischen auch im Kulturerbeschutz angekommen. Noch steht die Plasmaforschung hier am Anfang, aber erste nationale und internationale F&E-Projekte untersuchen die Möglichkeiten der schonenden Reinigung von korrodiertem Metall wie Eisen oder Silber, von Textilien, kontaminierten Holzoberflächen oder die Entfernung von Schmutzschichten auf Leinwänden oder Stein mittels kalter Plasmen. Sie haben ein großes Potential für die Restaurierung und Konservierung von Kulturgütern.
 

 

Textilindustrie  
Funktionstextilien sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Plasma wird in der Textilindustrie zur Stabilisierung der Farbstoffe sowie zur Herstellung von wasser- und schmutzabweisenden oder bioaktiven Fasern verwendet. Durch die Hydrophilierung von Gewebe kann die Benetzbarkeit der Stoffe begünstigt und damit der Prozess des Färbens, Bedruckens oder weitere Textilveredlung unterstützt werden. Eine weitere interessante Anwendung von Plasmen ist die Entfernung von Avivagen im Prozess der Faserverarbeitung.
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   Fadenbehandlung in der   
   Textilindustrie
   © INNOVENT e.V.
 
Umwelttechnik
Plasmaoberflächentechnik kann zur Herstellung effektiver Filter für die Abgas- und Abwasserreinigung angewendet werden. Durch Plasmabehandlung können chemische Rückstände wie Hormone und Antibiotika in Abwässern abgebaut werden.
 
Unterhaltungstechnik
Plasmabildschirme nutzen verschiedenfarbige Plasmaentladungen in kleinen Kammern, um Fernsehbilder zu erzeugen.
Neuartige Displays und flexible Elektronik für die Informationstechnik werden mittels Plasmatechnologien hergestellt.
 
Verpackungsindustrie  
Im Bereich der Verpackungen wird Plasma vor allem bei der Vorbehandlung zum Bedrucken sowie zur Optimierung von Oberflächeneigenschaften angewendet. Beschichtungen, wie Barriereschichten, UV-Schutz, Antihaftschichten und Antibakterielle Schichten finden hier Anwendung.

> Glasinnenbeschichtung in der  
   Verpackungsindustrie

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  ©INNOVENT e.V.

  Werkzeugindustrie
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   ©Cemecon
Werkzeuge bestehen aus hoch beanspruchten Materialien. Sie müssen härter sein, als das zu bearbeitende Werkstück und dürfen Ihre oftmals hochkomplexe Struktur nicht verlieren. Daher sind hier Härteprozesse, Verschleißschutzschichten, Reibungsvermindernde Schichten und Korrosionsschutzschichten von großer Bedeutung. Sowohl zur Beschichtung als auch zur Wiederaufbereitung von Werkzeugen finden dabei Plasmatechnologien Anwendung.

< Beispiel Zerspanwerkzeuge 
CemeCon stellt seit mehr als 20 Jahren mittels CVD-Diamantbeschichtungstechnologie, echte sp³-Diamanten mit einer Härte von nahezu 10.000 Vickers für Zerspanwerkzeuge her.

Weitere Informationen finden Sie hier: