Plasma-Printing

Bei Atmosphärendruck lassen sich Plasmen bereits in sehr kleinen Volumina mit Abmessungen von wenigen Mikrometern erzeugen, sodass Oberflächen auch lokal funktionalisiert werden können. Ein innovatives Verfahren zur lokalen Modifikation von Oberflächen stellt das Plasma-Printing dar: Durch ein strukturiertes Dielektrikum werden Hohlräume gebildet, in denen sich das Plasma entwickelt. Die typischen Abmessungen der Hohlräume liegen zwischen einigen 10 μm und einigen 100 μm. Das Verfahren erlaubt neben der ortsselektiven Modifikation von Oberflächen die strukturierte Schichtabscheidung oder Funktionalisierung. Je nach den gewählten Entladungsbedingungen kann eine Vielzahl an funktionellen Gruppen dem Substrat stempelartig aufgeprägt werden. Als Substrate eignen sich u.a. Polymere, Glas oder Silizium. Mit dem Plasma-Printing-Verfahren lassen sich Flächen mit beliebigen Geometrien, beispielsweise Arrays von Spots, mit besonderen Oberflächeneigenschaften wie Hydrophilie, Hydrophobie oder mit gezielter chemischer Funktionalisierung herstellen.

Angewendet werden kann die lokale Funktionalisierung z.B. bei der Herstellung von Oberflächen für den biomedizischen Bereich (Biochips, DNA-, Protein-, Diagnostik-Chips) sowie zur nachfolgenden Metallisierung, wie u.a. zur Herstellung von Schaltungsträgern, RFID-Antennen oder Biosensoren. Plasma-Printing kann sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich im Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt werden.

Plasma-Printing von Rolle-zu-Rolle

Schematische Darstellung des Rolle-zu-Rolle-Plasma-Printing-Prozesses
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Schematische Darstellung des Rolle-zu-Rolle-Plasma-Printing-Prozesses.

Am Fraunhofer IST wurde der Plasma-Printing-Prozess so weiterentwickelt, dass eine kontinuierliche Beschichtung von Rolle-zu-Rolle möglich ist. Die Anwendung wurde bereits erfolgreich für die Herstellung von RFID-Antennen und Biosensoren eingesetzt.

Die beiden Kernkomponenten des Plasma-Printings von Rolle-zu-Rolle sind eine Hochspannungselektrode, die mit einem isolierenden Material, dem sogenannten Dielektrikum, umhüllt ist, und eine gravierte metallische Druckwalze, wie sie aus dem konventionellen Tiefdruck bekannt ist, als Gegenelektrode.

Bei der Plasmabehandlung rotiert die gravierte Walze und die durchlaufende Kunststofffolie wird mit der Hochspannungselektrode gegen die Walzenoberfläche gedrückt. Die Vertiefungen der Walzenstrukturen bilden so mit der darüberlaufenden Folie gasgefüllte Hohlräume, in denen das Plasma gezündet werden kann (vgl. nebenstehende Abbildung). Auf diese Weise wird das Druckbild der Walze als ortsselektive Modifizierung auf die Folie übertragen. Die Prozessgase werden der Plasmazone über ein Gasdüsen­system zugeführt, das sich kurz vor der Stelle befindet, an der die gravierte Walze mit der Folie in Kontakt tritt. Über die Zusammensetzung des Prozessgases kann die Art der Oberflächenfunktionalisierung gezielt gesteuert werden.

Anwendungen

Zu den potenziellen Einsatzfeldern der Plasma Printing-Technologie zählen die Herstellungsprozesse von Produkten wie

  • flexible Leiterbahnen,
  • Radio Frequency Identification (RFID-)Antennen,
  • Biosensoren,
  • Displays oder
  • gedruckte Elektronik.

Unser Angebot

  • Herstellung von strukturierten Mustern – mit oder ohne Metallisierung – für Anwendungstests bei Kunden
  • Vertragsforschung
  • Konstruktion und Entwicklung von Forschungsanlagen nach Kundenvorgabe
  • Prozessentwicklung
  • Aufbau von Produktionsanlagen im Technologietransfer
  • Lizensierung

Technische Daten

Bisher eingesetzte Substratmaterialien Polymerfolie aus PE, PP, PET, PEN, PI, PEEK
Minimale Auflösung beim Druckprozess 25 µm
Durchlaufgeschwindigkeit getestet bis zu 10 m/min
Behandlungsbreite getestet bis zu 450 mm
Prozessgase abhängig von der Art der gewünschten Oberflächenmodifizierung, z. B. Luft, Stickstoff, Argon, Beimischungen weiterer Gase (CO2, N2O, H2)
Stabilität abhängig von Folien und Plasmaparametern, z. T. >1 Jahr