APLICAŢII TEHNOLOGICE ALE PLASMEI -...

S.D. Anghel – Fizica plasmei şi aplicaţii

109

Capitolul VII

APLICAŢII TEHNOLOGICE ALE PLASMEI

Plasmele generate prin descărcări în gaze au aplicaţii tehnice în diferite domenii. Într-o descărcare, electronii câştigă energie de la un câmp electric exterior şi pierd această energie prin ciocniri cu moleculele neutre ale gazului. Transferul de energie către molecule conduce la formarea unei largi varietăţi de specii noi, incluzând metastabili, atomi, radicali liberi şi ioni. Aceşti produşi sunt chimic activi şi pot servi ca precursori ai formării de noi compuşi stabili. Procesele de formare a noi compuşi sunt descrise de către chimia plasmei şi ele pot sta la baza unor aplicaţii tehnologice ale plasmei. Un alt domeniu larg de aplicaţii ale plasmei este bazat pe proprietăţile termice ale acesteia. Plasmele termice pot fi folosite ca surse de căldură pentru topiri, suduri, tăieri şi tratamente ale suprafeţelor. Descărcările electrice în gaze sunt însoţite şi de fenomene luminoase sau pot genera luminiscenţa unor materiale. Pe aceste proprietăţi se bazează folosirea gazelor ionizate în fabricarea surselor de lumină sau a lămpilor cu descărcare în gaze. Energia termică a plasmelor poate fi convertită direct în energie electrică folosind principiul conversiei magnetohidrodinamice (MHD), energie care poate fi folosită în diferite scopuri (dispozitive de propulsie, pomparea fluidelor etc.). În continuare vom prezenta câteva aplicaţii tehnologice bazate pe aceste principii. 7.1 Aplicaţii ale chimiei plasmei Trecerea curentului electric prin gaze este însoţită şi influenţată de modificările chimice. Reacţiile în faza gazoasă dintr-o descărcare electrică reprezintă obiectul de studiu al chimiei plasmei. Din punct de vedere al reacţiilor chimice se disting două tipuri de plasme:

a) Plasmele cu temperaturi înalte, cunoscute şi sub denumirea de plasme fierbinţi sau termice, în care temperaturile gazului şi respectiv electronilor sunt aproape identice (0,5 – 5x104 K). Din acest motiv se spune despre aceste plasme că sunt la echilibru termodinamic local (LTE). Ele sunt generate la presiuni mai mari decât presiunea atmosferică, cu puteri electrice cuprinse între 5 şi 10 MW şi sunt parcurse de curenţi electrici cu intensităţi de ordinul 102 A. Este cazul arcului electric sau a jetului de plasmă.

Plasmele termice au diferite aplicaţii tehnologice:

Capitolul VII – Aplicaţii tehnologice ale plasmei

110

Surse de căldură pentru încălzirea directă a materialelor în vederea topirii, sudurii, tăierii, alierii sau ca mediu gazos care transferă energia unor reactanţi injectaţi.

Mediu fierbinte pentru accelerarea reacţiilor chimice. Producerea unor specii chimice sau reactanţi care au nevoie de temperaturi înalte pentru formarea lor (de exemplu sinteza NO).

b) Plasmele cu temperaturi joase, cunoscute şi sub denumirea de plasme reci sau non-termice. În aceste plasme temperatura gazului (300 – 1000 K) este diferită de cea a electronilor (103 –105 K) De aceea se spune despre ele că nu sunt la echilibru termodinamic local. Ele sunt generate la presiuni subatmosferice, cu puteri electrice sub 1 kW şi sunt parcurse de curenţi electrici cu intensităţi sub 1 A. Astfel de plasme sunt descărcarea corona şi descărcările luminiscente (inclusiv descărcările în câmpuri de radiofrecvenţă şi microunde). Plasmele non-termice sunt mai bune pentru prelucrarea unor materiale sensibile la temperatură. Temperatura electronică înaltă din aceste plasme asigură producerea de specii chimic active: purtători de sarcină electrică (electroni şi ioni), fragmente de molecule neutre (atomi şi radicali) şi molecule excitate (pe nivele electronice, rotaţionale sau vibraţionale). Reactivitatea acestor specii nu depinde numai de energia transportată de ele ci şi de diferiţi factori legaţi de structura lor: starea electronică a orbitalilor moleculari, starea vibraţională sau simetria dispunerii atomilor. Pentru a înţelege procesele chimice din plasmă, sistemul de reacţii trebuie considerat ca o serie de trei paşi succesivi: excitarea reactanţilor în descărcare, interacţiunea speciilor excitate în miezul plasmei, dispariţia speciilor active pe pereţii incintei de descărcare sau pe materialul ţintă care este prelucrat. Vom prezenta în continuare câteva dintre aplicaţiile chimiei plasmei.

7.1.1 Generarea de ozon Dezinfecţia, oxigenarea şi chimia sunt trei domenii în care ozonul are aplicaţii largi. De exemplu, ozonul ocupă un loc din ce în ce mai important în procesul de purificare a apei. El înlocuieşte clorul cu un gust şi un miros neplăcute. Deşi cantitatea de ozon produsă în descărcările electrice este destul de scăzută, acestea sunt calea cea mai bună pentru sinteza lui. Tehnica producerii lui a fost studiată timp îndelungat, iar acum ea se pretează la aplicarea pe scară industrială, se fac eforturi continue pentru mărirea randamentului reactorilor de ozon. Reacţia globală care descrie formarea ozonului:

3 O2 → 2 O3 (7.1)

implică o energie ∆W = 2,95 eV (presupunând că moleculele de O2 şi O3 sunt în stare fundamentală) cu un randament maxim de 1,2 kg/kWh. Reacţia de producere a ozonului:


111

O + O2 + O2 → O3 + O2 (7.2) poate avea loc dacă în reacţiile de disociere se produc atomi de oxigen. În acelaşi timp însă au loc şi reacţii distructive: O3 + O2 → O2 + O2 +O (7.3) şi O3 + O → 2O2 (7.4) prima dintre ele reprezentând descompunerea termică a ozonului şi a doua, afectând nu numai ozonul ci şi speciile intermediare utile de atomi de oxigen. Producerea eficientă a ozonului se poate face controlând în mod adecvat aceste reacţii de bază, în primul rând prin controlul temperaturii care joacă un rol foarte important. Creşterea temperaturii reduce producerea de ozon şi accelerează reacţiile distructive, mai ales descompunerea termică. În al doilea rând, formarea atomilor de oxigen implică reacţii disociative care necesită existenţa unor câmpuri electrice intense. Ambele imperative, temperatură redusă pentru încetinirea reacţiilor distructive şi existenţa unui câmp electric intens pentru disocierea O2, sunt satisfăcute în canalele strimerice ale descărcărilor corona şi în descărcările liniştite (silenţioase). Ultimul tip de descărcări se referă la descărcările cu barieră dielectrică, pentru că în reactorii pentru descărcări liniştite tensiunea înaltă alternativă se aplică între doi electrozi, dintre care cel puţin unul este acoperit cu un strat izolator, de exemplu sticlă. Bariera dielectrică împiedică formarea scânteilor şi descărcarea se poate stinge singură atunci când câmpul sarcinii electrice acumulate pe suprafaţa ei reduce câmpul electric local sub valoarea minimă necesară menţinerii descărcării. Geometria electrozilor descărcării este fie planară (electrozi plan paraleli), fie cilindrică (electrozi coaxiali). De asemenea, sunt folosite configuraţii asemănătoare cu cele din descărcările corona (un fir central aflat într-un tub de sticlă învelit într-o folie metalică). Un exemplu de tub de descărcare folosit în ozonizatoare este cel prezentat în Fig.7.1. Ozonizatorul este compus din câteva sute de astfel tuburi elementare identice, paralele.

Fig.7.1 - Tub de descărcare pentru ozonizarea aerului.


112

Fiecare tub are o simetrie cilindrică. Electrodul cilindric interior este învelit într-un material izolator şi descărcarea are loc în spaţiul dintre electrozi, spaţiu prin care circulă aerul care trebuie purificat. Cu un astfel de ozonizator se pot produce aproximativ 70 g/kWh de ozon, ceea ce însemnă un randament cu puţin mai mare de 5%.

Sursa de energie electrică ce alimentează un astfel de reactor pentru descărcări liniştite este foarte simplă, ceea ce face ca el să fie folosit în multe aplicaţii. Randamentul scăzut al ozonizatorului poate fi mărit pe de o parte prin alimentarea lui în impulsuri de tensiune cu o rată mare de repetiţie şi pe de alta prin uscarea prealabilă a aerului. Uscarea micşorează posibilităţile de creare a radicalilor OH excitaţi pe nivele vibraţionale prin ciocniri de tip electroni (sau atomi de O)-molecule H2O, radicali care apoi ar putea participa la reacţii de distrugere a ozonului.

7.1.2 Purificarea curenţilor de gaze Ploile acide, încălzirea globală, smogul şi sărăcirea stratului de ozon

reprezintă unele dintre problemele importante cu care se confruntă azi întreaga lume. Tehnicile bazate pe plasmele reci oferă o abordare relativ economică a acestor probleme.

Oxizii de azot (NOx) şi dioxidul de sulf (SO2), care sunt produşi primari ai proceselor de ardere a cărbunelui industrial şi ai arderilor combustibilului automobilelor, sunt principalii responsabili de ploile acide. Dioxidul de carbon (CO2), care este rezultatul proceselor de ardere a combustibililor fosili (cărbune, ulei, gaze naturale), este răspunzător de “efectul de seră”. Compuşii volatili organici (cum ar fi cloroflorocarbonaţii) şi halogenii, reprezintă principala ameninţare a stratului de ozon şi contribuie la formarea de compuşi care pot conduce la încălzirea globală. Ei sunt folosiţi pe scară largă în instalaţiile de aer condiţionat şi de răcire, în industria electronică ca agenţi de curăţare sau industria chimică la fabricarea produşilor spumanţi. Funinginea şi hidrocarbonaţii evacuaţi odată cu gazele de eşapament contribuie la formarea smogului deasupra marilor aglomerări urbane. Tehnologiile convenţionale existente pentru tratarea acestor gaze toxice sunt practic limitate de către costurile financiare şi consumurile energetice.

Plasmele non-termice oferă avantajul eficienţei energetice şi al îndepărtării simultane a poluanţilor. Aceste tehnici se bazează pe disocierea şi ionizarea gazului, rezultând radicali ai componentelor toxice. Cheia succesului în folosirea plasmelor non-termice constă în producerea unei descărcări în care energia electrică să fie folosită în principal pentru producerea electronilor energetici şi mai puţin pentru încălzirea gazului. Deşi electronii liberi, cu energii cuprinse între 5 şi 20 eV, au un timp de viaţă scăzut în descărcările la presiune atmosferică şi se ciocnesc destul de rar cu moleculele poluante, ei suferă multe ciocniri cu moleculele majoritare de azot, oxigen sau apă. Radicalii produşi în acest mod au un timp de viaţă lung şi reacţionează selectiv cu moleculele contaminante. Astfel,


113

moleculele de NOx şi SO2 sunt transformate în acizi care reacţionează cu compuşii bazici injectaţi în dispozitiv, rezultând săruri sub formă de particule solide. Acestea sunt colectate în precipitatoare electrostatice sau electrofiltre (Fig.7.2).

Fig.7.2 - Reprezentarea schematică a procesului de eliminare a oxizilor de azot

şi dioxid de sulf.

Înlăturarea moleculelor de NOx şi SO2 din curentul de gaz este influenţată de cantităţile de H2O, NH3 şi O2 prezente în gazul tratat, dar şi de energia transmisă gazului pentru formarea ionilor şi radicalilor activi. Dioxidul de sulf poate fi înlăturat prin două mecanisme diferite.

1. Prin reacţii între radicali care au loc în prezenţa unui transfer de energie către gaze, reacţii în care SO2 este transformat în sulfat de amoniu:

SO2 + OH → HOSO2 (7.5)

HOSO2 + O2 → HO2 + SO3 (7.6)

SO3 + H2O + 2NH3 → (NH4)2SO4 (7.7) 2. Prin reacţii spontane care se iniţiază chiar în absenţa energiei de transfer

către gaze şi care conduc la formarea sulfaţilor şi sulfiţilor. Primul grup de reacţii contribuie la reducerea cu aproximativ 30% a

conţinutului de SO2 prezent în gaze. Următorul grup de reacţii este mai important din punct de vedere al cantităţii.

Înlăturarea oxizilor de azot (NOx) poate fi explicată prin următoarele reacţii:

NO + O3 → NO2 + O2 (7.8)

NO + O → NO2 (7.9)

NO2 + OH → HNO3 (7.10)

NO2 + NH2 → NH2NO2 (7.11)


114

HNO3 + NH3 → NH4NO3 (7.12) Reacţiile (7.10) şi (7.11) nu pot elimina tot dioxidul de azot produs de reacţiile de oxidare (7.8) şi (7.9). Se crede că înlăturarea NO2 este facilitată de reacţiile în fază eterogenă (de exemplu cu un gaz care trece printr-un filtru). Metoda cea mai eficientă de transferare a energiei electrice gazelor este prin aplicarea unor impulsuri pozitive foarte scurte (de regulă 200 ns) de înaltă tensiune unor electrozi asimetrici (conductor subţire central coaxial cu un cilindru exterior, o serie de conductori subţiri între doi electrozi plani conectaţi la masă). În aceste condiţii, descărcarea corona se dezvoltă prin strimeri care pornesc de la conductorii subţiri şi ating electrozii conectaţi la masă într-un interval de timp care variază între 20 şi 40 ns. Această descărcare corona nu produce străpungerea spaţiului de descărcare, durata totala a pulsului fiind de 1 µs. Cea mai mare parte a curentului printr-o astfel de descărcare este datorată electronilor, deoarece ionii au o mobilitate de aproximativ 500 de ori mai mică decât a electronilor. Aceasta are ca rezultat o eficienţă mare în procesul de eliminare a oxizilor de azot, deoarece curentul electronic poate iniţia reacţii chimice, iar curentul ionic nu. Strimerii traversează întreg spaţiul dintre electrozi producând cantităţi mari de specii active. Descărcarea corona sub formă de strimeri diferă de descărcarea corona liniştită prin următoarele particularităţi: 1. Zonele conţinând specii active au aspect de coadă stufoasă traversând spaţiul dintre electrozi fără a se rezuma doar la o descărcare globulară în apropierea electrodului generator de electroni sau la un strat luminiscent la suprafaţa stratului dielectric. 2. Descărcarea corona sub formă de strimeri este dominată de curenţii electronici spre deosebire de descărcarea corona liniştită în care curentul ionic este majoritar. 3. Strimerii sunt generaţi prin impulsuri foarte scurte de tensiune, în timp ce descărcările corona liniştite sunt generate în câmpuri continue sau periodice. Descărcările corona normale sunt folosite în procesele de precipitare a prafului. Înlăturarea particulelor materiale se face cu ajutorul precipitatoarelor electrostatice. Un astfel de precipitator (Fig.7.3) constă dintr-un grup de conductori subţiri paraleli (electrozii emiţători), plasaţi între electrozii plan paraleli (electrozii colectori). Descărcarea corona este generată în jurul electrozilor emiţători, generând sarcini ionice în gaz. Particulele solide conţinute în acesta sunt încărcate cu sarcină electrică şi migrează către electrozii conectaţi la masă datorită forţei electrice care acţionează asupra lor. Viteza de migraţie a particulelor depinde atât de intensitatea câmpului electric, cât şi de caracteristicile particulelor:

vm = 2,95 10-12 p(E/s)2 d/µg (7.13) unde 1,5 < p < 2,4 depinzând de constanta dielectrică a particulei, s - distanţa dintre electrozii emiţători şi electrozii colectori, d – diametrul particulei iar µg este


115

vâscozitatea gazului.Viteza reală de migraţie poate fi uşor diferită de cea calculată cu relaţia (7.13) şi ea de obicei se determină experimental.

Fig.7.3 - Principiul precipitatorului electrostatic

Atunci cînd particulele sunt preluate de electrozii colectori ele îşi pierd o parte din sarcina electrică care se scurge în pământ. Rezistivitatea electrică a particulelor face ca descărcarea lor să fie doar parţială, sarcinile rămase contribuind la creşterea forţei de reţinere a cenuşei pe plăci, unde aceasta formează un strat compact. Înlăturarea acestuia se face prin scuturarea plăcilor, particulele fiind adunate în nişte coşuri plasate în parte de jos a precipitatorului.

Lungimea L a precipitatorului, măsurată în direcţia de curgere a gazului, care este necesară pentru înlăturarea unor particule de o anumită dimensiune se obţine egalând timpul necesar unei particule să migreze către electrozii de colectare cu timpul necesar gazului să parcurgă lungimea precipitatorului: L = s vg/vm (7.14) unde vg este viteza de curgere a gazului. Randamentul de colectare al precipitatorului, ηd, este definit ca masa particulelor de o anumită diemensiune reţinute pe electrozii colectori raportată la masa totală a particulelor de aceeaşi dimensiune care intră în precipitator. Ea este dată de expresia:

ηd = 1- exp(-Avm/Q)x (7.15) unde A este aria suprafeţelor colectoare ale electrozilor, Q – debitul volumic de gaz pe fiecare placă, x – variabilă dependentă de geometria precipitatorului, din datele experimentale rezultând pentru ea o valoare de aproximativ 0,5.


116

În precipitatoarele convenţionale care funcţionează în curent continuu este folosită polarizarea negativă deoarece s-a constatat că randamentul de colectare este mai bun. Dacă rezistivitatea electrică a paticulelor este mare, căderea de tensiune pe stratul de cenuşă colectată devine suficient de mare pentru a produce o străpungere locală, fenomen denumit uzual “back corona”. Particulele şi ionii încărcaţi cu sarcină opusă sunt împinse înapoi în curentul de gaz de către această “back corona”, afectând randamentul de colectare. Performanţele precipitatoarelor electrostatice pot fi îmbunătăţite combinând tensiunea continuă de polarizare cu impulsuri scurte de tensiune. Operarea în impulsuri a descărcării corona face posibilă aplicarea unei tensiuni mai înalte, fără pericolul apariţiei scânteilor, rezultând o descărcare corona mult mai uniformă de-a lungul suprafeţei conductorilor subţiri. Deoarece tensiunea medie poate fi mai mică decât în modul de operare numai în curent continuu, densitatea de curent ionic în spaţiul interelectrodic va fi şi ea mai mică. Aceasta ajută prevenirea formării descărcării “back corona” prin micşorarea căderii de tensiune pe stratul de particule prezent pe electrodul colector.

7.1.3 Interacţiuni de suprafaţă cu solidul Există trei modalităţi prin care plasma poate interacţiona cu suprafaţa unui

corp solid. În primul caz plasma şi solidul sunt în contact fizic, sunt izolate din punct de vedere electric şi sunt într-o interacţiune staţionară. Contactul fizic este realizat prin plasarea solidului în sau sub jetul de gaz în volumul căruia este generată plasma. Astfel plasma se poate extinde pe suprafaţa solidului. Izolarea electrică înseamnă că nu există un curent net prin suprafaţa de separare plasmă-solid şi, drept urmare, potenţialul suprafeţei solidului este flotant, fiind acelaşi cu al plasmei. Un exemplu de astfel de interacţiune este acela al unei foi de polietilenă imersată într-o plasmă de radiofrecvenţă care nu este în contact cu electrozii de menţinere a descărcării. În al doilea tip de interacţiune staţionară plasma şi solidul sunt atât în contact fizic cât şi electric. Solidul poate fi chiar unul dintre electrozii de susţinere a plasmei sau poate să nu fie implicat în procesul de generare a plasmei dar poate fi conectat la un potenţial electric. Contactul electric presupune existenţa unui curent prin suprafaţa de separare plasmă-solid. Existenţa acestui curent poate influenţa reacţiile de suprafaţă determinând modificări în compoziţia plasmei şi a gazului la suprafaţa solidului. Un exemplu clasic este catodul metalic al unei descărcări luminiscente. În acest caz solidul este folosit ca electrod al descărcării dar, în acelaşi timp, suprafaţa sa suferă modificări chimice prin interacţiunea cu constituenţii plasmei. Al treilea caz implică interacţiuni nestaţionare în care solidul este în contact fizic cu plasma dar nu şi în contact electric. Astfel de condiţii se întâlnesc atunci când particule solide se află în mişcare prin miezul plasmei.

În acest paragraf vom discuta doar de interacţiunile staţionare în care corpul solid se află în repaus. Aceste procese, care implică un contact direct între plasmă şi solid pot fi clasificate în trei categorii:


117

1. interacţiuni chimice (oxidarea, nitrurarea etc.) 2. interacţiuni mecanice (pulverizarea catodică) 3. interacţiuni electrostatice (încărcarea cu sarcină electrică a materialului

izolator) Suprafaţa solidului reprezintă unul dintre partenerii de reacţie, fie că este

reactant (cazul gravării sau corodării), fie că este produs de reacţie (cazul acoperirii cu un strat subţire). Solidul poate interacţiona pe întreaga lui suprafaţă (de exemplu nitrurarea metalelor) sau interacţiunea plasmă-solid poate avea loc numai în zone bine determinate (tratarea polimerilor). Efectele interacţiunii pot fi foarte diferite, în funcţie de energia cinetică transportată de particulele incidente, de natura mai mult sau mai puţin izolatoare a suprafeţei implicate în interacţiune, precum şi de polaritatea ei dacă este vorba despre un material conductor.

Atunci când au loc reacţii chimice cu suprafaţa materialului, plasma poate produce diferite modificări ale acesteia:

1. În urma interacţiei cu oxigenul poate să crească aderenţa la lichide prin formarea de grupări polare, se pot forma locuri în care se pot ataşa alte molecule, se pot înlătura impurităţile sau se pot depune straturi protectoare.

2. Interacţiunea cu azotul determină curăţirea suprafaţei de radicali liberi, distrugerea compuşilor organici, formarea lanţurilor carbon-azot şi creşterea rezistenţei mecanice.

3. Florul micşorează aderenţa la lichide a suprafeţei solide, reduce posibilitatea formării straturilor nereactive pe suprafeţele polimerilor, influenţează coeficienţii de frecare ai metalelor.

4. Hidrogenul regenerează zonele active din punct de vedere chimic ale suprafeţei solide.

De asemenea, plasma poate acţiona în sensul formării de radicali pe suprafaţa solidului, care va putea astfel reacţiona cu alte materialele sau mediile cu care este pusă în contact.

Principalele modificări care pot avea loc în procesul de interacţiune dintre plasmă şi polimeri sunt: creşterea aderenţei la lichide, mărirea greutăţii moleculare a stratului superficial şi modificarea compoziţiei chimice a suprafeţei polimerului. În majoritatea cazurilor, efectele interacţiunii plasmă-polimer se reduc la o adâncime cuprinsă între 1 şi 10 µm. Datorită acestui fapt, proprietăţile de volum ale polimerului rămân neschimbate. Aderenţa la lichide a suprafeţei polimerului, definită ca unghiul de contact dintre o picătură de lichid şi suprafaţă, este o caracteristică importantă care este legată de aderenţa coloranţilor, cernelurilor şi adezivilor pe polimer. Polimerii au tendinţa să fie inerţi şi de aceea nu se poate scrie sau desena pe ei. Un exemplu tipic de folosire a lor îl reprezintă izolaţiile firelor şi cablurilor de conexiune electrică. În urma interacţiei suprafeţei polimerice cu plasma creşte aderenţa lichidelor şi polimerii pot fi etichetaţi.

În Tabelul 7.1 Sunt prezentate sintetic principalele procese de interacţiune plasmă-suprafaţă polimerică şi efectele lor asupra suprafeţelor polimerice.


118

Tabelul 7.1

PROCESUL DE INTERACŢIUNE EFECTUL ASUPRA SUPRAFEŢEI POLIMERULUI

Procese fizice - ciocniri cu electronii, ionii şi

particulele neutre - efecte termice - captarea sarcinilor (ioni sau

electroni) în reţeaua atomică

creşterea rugozităţii suprafeţei micşorarea cristalinităţii materialului creşterea potenţialului superficial

Procese chimice - acţiuni ale speciilor activate

- difuzia în material a speciilor activate

curăţirea suprafeţei oxidarea moleculelor micşorarea greutăţii moleculare

ruperea sau legarea lanţurilor moleculare (în funcţie de compoziţia gazului) şi creşterea sau descreşterea porozităţii

Procesele care duc la creşterea aderenţei lichidelor şi-au găsit o

aplicabilitate largă în industria de ambalaje, electronică, construcţii sau în industria confecţiilor. De exemplu, siliconul este un material cu proprietăţi electrice şi termice superioare (rezistivitate electrică şi stabilitate termică mari). El poate fi topit foarte uşor dar este puţin rezistent la acţiunea factorilor de mediu, ceea ce împiedică folosirea sa ca material pentru încapsularea echipamentelor electronice miniaturale sau de înaltă tensiune. Rezistenţa sa la acţiunea mediului poate fi îmbunătăţită prin tratamentul în plasmă care permite răşinilor epoxidice să protejeze suprafaţa siliconului. Un număr mare de piese din echipamentele electronice sunt încapsulate în silicon, apoi sunt expuse unei plasme cu oxigen şi îmbrăcate în răşini epoxidice. Această tehnică creşte calitatea capsulei şi micşorează greutatea şi dimensiunile totale ale echipamentelor.

In general, expunerea polimerului într-o plasmă de oxigen are ca efect creşterea aderenţei la lichide şi modificări în greutatea moleculară. Plasma gazelor nobile nu are efect decât asupra greutăţii moleculare. Plasma este folosită şi pentru modificarea proprietăţilor suprafeţelor metalelor, cum sunt coeficientul de frecare, rezistenţa la uzură, rezistenţa mecanică sau rezistenţa la coroziune. Implantarea ionică este un proces prin care într-un material gazdă sunt introduse elemente de aliere prin accelerarea lor la energii suficient de înalte pentru a le permite impactul cu suprafaţa ţintei. În funcţie de numărul atomic şi de energia lor, ionii pot pătrunde în materialul ţintă până la adâncimi cuprinse între 0,01 şi 1 µm, formând pe substrat un strat aliat dens. Deşi prin implantare ionică se poate modifica compoziţia, structura şi natura


119

suprafeţei metalice, prin această tehnică sunt evitate multe dintre dificultăţile altor tehnici de acoperire superficială. Tratamentul poate fi realizat la temperaturi suficient de mici (adesea chiar la temperatura camerei), astfel încât proprietăţile de volum ale materialului rămân nealterate. De asemenea, nu se modifică în mod semnificativ dimensiunile geometrice ale ţintei iar stratul superficial tratat rămâne parte integrantă a solidului, fără a apare discontinuităţi şi probleme de adeziune ca în cazul celorlalte tehnici. Într-un reactor pentru implantare ionică proba metalică este aşezată pe un suport izolator în centrul incintei vidate. Sursa de tensiune continuă este conectată la probă, aceasta îndeplinind şi rolul de catod al descărcării luminiscente. Pentru nitrurare ionică sistemul este umplut cu un amestec de azot şi hidrogen la o presiune cuprinsă între 1 şi 10 torr. Metalul ţintă (proba) este atât în contact electric cât şi fizic cu plasma. Curentul prin descărcare reprezintă un element important al procesului de interacţiune, afectând chimia suprafeţei.

În cazul nitrurării ionice într-o plasmă de radiofrecvenţă, schema proceselor elementare care au loc este următoarea:

1. prin ciocnirea electronilor liberi cu moleculele de azot şi hidrogen se formează speciile active în fază gazoasă

2. speciile active sunt adsorbite la suprafaţa de contact plasmă-solid 3. speciile adsorbite reacţionează chimic cu reţeaua atomică de la suprafaţa metalului 4. azotul de pe suprafaţa nitrurată suprasaturată difuzează în metal. Plasmele de microunde sunt folosite pentru nitrurarea unei varietăţi largi de metale, cum sunt: Ti, Zr, oţelul, W, Mo. Alte procese de implantare ionică sunt:

1. Carburarea, care se desfăşoară într-o plasmă de metan la temperaturi de 850 – 1050oC, în prezenţa unei descărcări în hidrogen care are rolul de a curăţa prin pulverizare materialul tratat

2. Borurarea, folosită pentru creşterea rezistenţei mecanice dar şi a capacităţii oţelurilor de a rezista la uzură şi la acţiunile agenţilor chimici corozivi

3. Titanarea Industria semiconductorilor reprezintă poate cel mai atractiv domeniu de aplicare a proceselor chimice care au loc în plasmă, deoarece în acest mod se reduce la aproximativ jumătate numărul etapelor procesului de fabricare a unor dispozitive semiconductoare, comparativ cu metodele chimice tradiţionale. De asemenea, metodele cu plasmă se pretează foarte bine proceselor de automatizare a tehnologiei. În toate procesele de fabricaţie din industria semiconductorilor punctul de plecare îl constituie un substrat uniform sau o pastilă de siliciu, germaniu sau arseniură de galiu. Substratul este supus unei serii de tratamente chimice şi termice care-i modifică proprietăţile pe suprafeţe foarte bine determinate.


120

Definiţia (fineţea) prelucrării este asigurată prin fotolitografiere: un strat fotosensibil de polimer, numit fotorezist, este aplicat pe suprafaţa substratului şi apoi, printr-o mască foarte exactă, este supus acţiunii radiaţiilor ultraviolete sau radiaţiilor X emise de un fascicol de electroni. Radiaţia iniţiază o reacţie chimică în polimer, formând un şablon exact definit de către mască. Şablonul este developat, înlăturându-se suprafeţele de polimer neiradiate. Apoi pastila este introdusă într-o soluţie de corodare care atacă suprafeţele neprotejate. Fineţea liniilor (traseelor) astfel obţinute poate fi mai mică de 0,5 µm. Tehnologiile de corodare în plasmă se bazează pe acţiunea exercitată asupra substratului de două clase de specii chimice reactive formate într-o descărcare luminiscentă: atomii şi radicalii. De regulă atomii sunt responsabili de corodarea substratului iar radicalii formează adesea depuneri care pot reduce capacitatea de corodare a descărcării. Deşi de cele mai multe ori este o complicaţie inutilă, formarea acestor depuneri poate fi folosită pentru controlul anizotropiei procesului tehnologic (Fig.7.4). În gazele care sunt compuşi ai florului de tipul CF4, C2F6 sau SF6, atomii de flor au rolul de corodant, în timp ce radicalii de tipul CFx (CF, CF2, CF3) şi SFx reprezintă specii polimerizatoare. În compuşii clorului de tipul CCl4 şi BCl3 corodanţii sunt atomii de clor (sau moleculele de gaz), în timp ce radicalii de tipul CClx şi BClx sunt răspunzători de formarea depunerilor. Radicalii nesaturaţi sunt şi ei capabili să formeze depuneri pe suprafeţe. Dacă concetraţia lor în gaz este suficient de mare, se pot forma depuneri de straturi pe toate suprafeţele expuse plasmei care nu sunt expuse bombardamentului ionic. În general, radicalii nesaturaţi sunt precursorii depunerilor polimerice.

Fig.7.4 - Corodarea anizotropică realizată prin mecanismul de blocare a corodării pereţilor (depunerile se fac numai pe suprafeţele neexpuse bombardamentului ionic).

Se vede deci că întotdeauna este o competiţie între procesul de corodare şi cel de depunere, procesul dominant depinzând de condiţiile de operare: concentraţia speciilor, gradul de bombardare ionică, temperatura, aditivii, etc. Uneori, această competiţie poate fi folosită pentru realizarea proceselor


121

anizotropice prin bombardament cu ioni cu energie mică. Acest mecanism foarte important constă în formarea unui film foarte subţire numai pe pereţii laterali ai spaţiului corodat, în timp ce chiar un bombardament ionic uşor este capabil să cureţe şi să corodeze suprafaţa perpendiculară. În cazul chimiei bazate pe flor, nivelul concentraţiei de atomi de flor (deci capacitatea plasmei de corodare) poate fi controlată prin adăugarea de CF4, C2F6 sau SF6. Reacţia oxigenului cu radicalii CFx formează compuşi oxidaţi de carbon, eliberează atomi de flor şi reduce rata de recombinare a acestora. Arderea în plasmă este procesul de înlăturare a stratului fotorezistiv prin reacţia cu oxigenul la temperaturi mai mici de 40oC. Rata de înlăturare a fotorezistului este funcţie de debitul de oxigen prin sistem, de presiunea în reactor şi de nivelul puterii de radiofrecvenţă. Procedeul de înlăturare a fotorezistului este foarte simplu. După corodare şi spălare, pastilele sunt puse în poziţie verticală într-o cuvă de cuarţ care este introdusă în incinta reactorului vidat la o presiune mai mică de 10-2 torr. Apoi, în incintă se introduce oxigen şi se amorsează descărcarea de radiofrecvenţă prin cuplaj inductiv. Timpul după care trebuie întreruptă alimentarea cu oxigen şi se opreşte tensiunea de radiofrecvenţă se stabileşte experimental.

7.1.4 Depunerea de straturi subţiri în plasmă Acoperirea suprafeţelor cu filme groase sau subţiri dintr-un anumit material

are o importanţă din ce în ce mai mare nu numai în procesul de fabricare a componentelor electronice, dar şi în confecţionarea dispozitivelor optice, a materialelor biomedicale şi a straturilor protectoare uşoare pentru aparatele de zbor. Materialele care se depun sunt diverse: filme subţiri organice sau anorganice, ceramici, metale, aliaje, polimeri sau materiale compozite. Straturile depuse au un rol de protecţie împotriva coroziunii, uzurii, acizilor, căldurii sau a altor influenţe din mediul înconjurător. În multe cazuri filmele sunt depuse pentru a îndeplini o anumită funcţie: ferestre sau filtre optice, părţi conductoare de căldură, dispozitive microelectronice. Alături de tehnicile convenţionale de depunere a straturilor subţiri (evaporarea sau electrodepunerea), procesele din plasmă joacă un rol din ce în ce mai important în realizarea unor astfel de filme.

Tehnicile de depunere chimică în plasmă prin evaporare permit realizarea unor straturi mai subţiri de 1µm. În aceste procese, mecanismele ion-moleculă şi radical-moleculă sunt responsabile de disocierea moleculelor organice şi organic-anorganice şi de formarea speciilor polimerice în stare de plasmă. Introducerea gazelor inerte stimulează disocierea monomerilor şi, prin aceasta, sporeşte rata de depunere. Acelaşi efect este obţinut prin iradierea suplimentară cu o radiaţie electromagnetică (de exemplu o radiaţie laser). Pentru confinarea plasmei, pentru transportul şi chiar pentru reciclarea ei sunt folosite câmpuri magnetice adiţionale. Una dintre calităţile ce nu pot fi obţinute cu alte tehnici este gradul înalt de aderenţă la substrat a filmului depus.


122

Există extrem de multe metode de producere a plasmei în scopul folosirii ei pentru depuneri, sursele de energie putând fi cuplate în diferite moduri la reactoarele de plasmă. Proprietăţile mediului de plasmă pot fi controlate cu ajutorul debitului de gaz, temperaturii, curentului, tensiunii, duratei impulsurilor de putere sau a unor câmpuri magnetice.

Procesul de depunere a unui film include trei etape: 1. formarea în plasmă a monomerilor (ioni, radicali liberi, specii excitate) 2. interacţiunea acestor specii cu moleculele superficiale 3. formarea pe suprafaţa substratului a filmului polimeric Noile specii formate prin adsorbţie şi reacţii chimice sunt apoi ţinta unor

componente energetice din plasmă, inclusiv fotoni cu energie înaltă. Acesta este un proces continuu care determină modificări suplimentare ale particulelor componente ale filmului, inclusiv legături suplimentare. Datorită acestui fapt, filmele organice formate într-un mediu de descărcare luminiscentă sunt în general amorfe şi de regulă prezintă o ordine structurală foarte mică. În procesul de fabricare a dispozitivelor electronice, depunerile în plasmă şi creşterea de filme dielectrice anorganice reprezintă tehnologii foarte avantajoase. Măştile de difuzie ca şi straturile izolatoare sunt realizate din astfel de filme. Nitrura de siliciu (Si3N4), dioxidul de siliciu (SiO2) şi oxinitrurile de siliciu (SixOyNz) reprezintă materiile prime folosite în procesul de difuzie. De exemplu, reacţia pentru depunerea Si3N4 este următoarea:

3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2 (7.16) şi poate fi realizată într-o descărcare luminiscentă (Fig.7.5).

Fig.7.5 - Depunerea filmelor dielectrice în descărcarea luminiscentă.

Substratul este plasat pe un radiator încălzit de aluminiu în interiorul camerei de reacţie, confecţionată din cuarţ. Gazele reactante sunt amestecate


123

înainte de a fi introduse în cameră prin partea ei inferioară iar puterea de radiofrecvenţă este furnizată amestecului de gaze prin cuplaj inductiv, folosind o bobină cu două spire înfăşurate în jurul camerei. Camera este vidată la aproximativ 3.10-3 torr iar substratul este adus la temperatura dorită. Pentru curăţirea premergătoare depunerii se amorsează o plasmă de argon pentru aproximativ 10 minute, la presiunea de 2-3 torr. Apoi, se introduc gazele reactante cu debitul dorit şi se amorsează descărcarea luminiscentă. Rata depunerii filmului este dependentă de puterea de radiofrecvenţă şi de cantitatea de silan din reactant. Un sistem similar poate fi folosit pentru depunerea oxidului de siliciu dacă se adaugă oxid de azot în reacţia (7.16). În procesul de depunere a filmelor prin pulverizare reactivă (reactive sputtering) atomii sunt expulzaţi dintr-o ţintă metalică sau izolatoare prin transfer de impuls de la ionii pozitivi din plasmă. Pentru transferul materialului ţintei dintr-o fază condensată (solidă sau lichidă) în fază de vapori se foloseşte activarea termică, procesul numindu-se de evaporare reactivă. Următorii paşi ai celor două tehnologii sunt similari: (a) – transportul speciilor vaporizate de la ţintă către substrat şi (b) – creşterea filmului pe substrat. În ambele tehnologii ţinta supusă pulverizării sau evaporării reprezintă şi materialul care trebuie depus. Ţinta şi substratul sunt expuse descărcării luminiscente în acelaşi reactor. Procesele sunt foarte complexe, ele incluzând disocierea compusului în fragmente, transportul pe suprafaţa substratului şi recombinarea şi formarea compusului depus pe substrat. Avantajul evaporării reactive faţă de pulverizarea reactivă constă în posibilitatea modificării distanţei dintre sursă şi substrat fără o reducere semnificativă a ratei de depunere. În general, evaporarea reactivă asigură o rată de depunere mai mare decât pulverizarea reactivă. O prezentare comparativă a celor două tehnologii de depunere esta dată în Tabelul 7.2 . Tabelul 7.2 VARIABILA DE PROCES EVAPORARE REACTIVĂ PULVERIZARE REACTIVĂ

Presiunea 10-3 – 10-4 torr 10-2 – 10-3 torr

Distanţa sursă-substrat 20 – 25 cm 4 – 6 cm

Gaz folosit gazul reactiv: a2H2, N2, O2 etc

gazul reactiv + un amestec de gaze inerte

Energia electronilor

5 – 20 eV

funcţie de puterea de intrare şi presiune (tipic 50 –100 eV)

Potenţialul substratului în raport cu plasma

câţiva volţi

funcţie de puterea de intrare şi presiune (tipic câteva sute de volţi)

În unele dintre tehnologiile de fabricaţie a circuitelor integrate (bipolare, CMOS, de microunde, dispozitive fotoelectronice) o etapă importantă a procesului tehnologic o reprezintă epitaxia siliciului în mediul de plasmă. Această


124

metodă asigură o reactivitate chimică înaltă a creşterii epitaxiale la temperaturi joase şi migrarea atomilor pe suprafaţa depusă pe cristal. După cum a reieşit din cele câteva exemple prezentate anterior, avantajele tehnologiilor bazate pe chimia plasmei pot fi rezumate după cum urmează: (1) – calitatea ridicată a produselor; (2) costul redus al tehnologiei (manoperă, energie, materiale); (3) limitarea proceselor chimice întâmplătoare.

7.2 Aplicaţii ale plasmelor termice Principala utilizare a plasmei termice sau a plasmei aflată la echilibru, în

care temperatura gazului este aproape identică cu temperatura electronilor, este ca sursă de căldură cu temperaturi foarte înalte. Toate tehnologiile cu plasmă termică, tehnologii considerate de perspectivă în anii ’80, se aplică acum la o scară mai mult sau mai puţin largă în diferite sectoare de producţie. În acest paragraf ne vom referi doar la cele cu cea mai largă extindere: cuptoarele cu arc electric, sudura metalelor cu arc electric în atmosferă controlată, tăierea cu plasmă şi pulverizarea cu plasmă. 7.2.1 Cuptoare cu arc

Una dintre aplicaţiile arcului electric de mare intensitate cu electrozi de carbon este topirea cantităţilor mari de metale. Această tehnologie a fost introdusă de către Heroult încă la începutul secolului XX, ea fiind folosită şi astăzi cu doar câteva mici îmbunătăţiri. În principiu ea se bazează pe alimentarea cu tensiune trifazată a trei electrozi confecţionaţi din grafit (Fig.7.6).

Fig.7.6 - Principiul furnalului cu arc electric.

Arcul electric este amorsat între vârfurile electrozilor şi metalul care trebuie topit. Distanţa dintre electrozi şi metal este controlată printr-o reţea electrică de reacţie, astfel încât intensitatea curentului prin arc să fie păstrată constantă. Pentru minimizarea fluctuaţiilor inevitabile ale curentului în timpul operaţiunii, în circuit este introdusă o inductanţă de balast. De asemenea, este necesar şi un control al tensiunii aplicate pe electrozi.


125

Cuptoarele moderne au capacităţi de peste 100 de tone şi lucrează la puteri de ordinul megawaţilor. Suporţii electrozilor sunt răciţi cu apă pentru a fi protejaţi la supraîncălzire. Pentru prelucrarea metalelor cu punct de topire ridicat au fost construite cuptoare cu arc în vid sau în gaze inerte, care asigură condiţii de puritate mare, condiţii care nu pot fi realizate cu echipamentele convenţionale. În aceste cuptoare arcul este amorsat între un electrod confecţionat din metalul care trebuie topit şi o incintă din cupru masiv, răcită cu apă, pentru a se evita contaminarea metalului cu atomi de cupru (Fig.7.7). Pe măsură ce arcul topeşte electrodul, metalul topit cade în incintă formând un lingou iar electrodul se deplasează în jos pentru menţinerea arcului electric care poate fi stabilizat cu un câmp magnetic. Căderea de tensiune pe arc este menţinută constantă cu ajutorul unui circuit electronic, astfel încât puterea consumată de arc este direct proporţională cu intensitatea curentului (pentru un lingou de oţel cu un diametru de 65 cm curentul măsurat a fost de mii de amperi).

Fig.7.7 - Furnal cu electrod consumabil.

În alte configuraţii constructive metalul care trebuie topit este plasat în incintă şi arcul este amorsat între el şi un electrod din tungsten sau grafit care nu se consumă. În cuptoarele cu arc în gaz inert cel mai des se foloseşte argonul sau heliul. 7.2.2 Sudura cu arc Temperatura înaltă a unui arc electric la presiune atmosferică este folosită de multă vreme pentru sudura diverselor metale, asigurănd o rezistenţă foarte mare a îmbinării sudate. Sudura cu arc este una dintre cele mai cunoscute tehnologii de sudură. De regulă, arcul este amorsat între piesa de lucru şi un electrod metalic consumabil care are rolul şi de material de umplere. Electrodul


126

este deplasat manual sau automat de-a lungul îmbinării cu o viteză potrivită. El este o bară de metal care poate fi acoperită cu un material ce are diverse roluri. În unele aplicaţii acest strat este foarte subţire şi conţine săruri care pot îmbunătăţi stabilitatea arcului prin introducerea în acesta a unor elemente cu potenţial scăzut de ionizare. Straturile mai groase sunt mult mai folosite şi conţin materiale care sunt utile la protejarea arcului faţă de atmosfera înconjurătoare. Gazele formate prin vaporizarea sau combustia stratului acoperitor formează o manta în jurul arcului şi o zgură la suprafaţa sudurii, care protejează metalul topit împotriva oxidării şi formării incluziunilor de impurităţi. Materialul stratului acoperitor este mult mai puţin volatil decât materialul electrodului, ceea ce nu permite acestuia din urmă să se evapore în exterior. Mantaua astfel formată ajută la concentrarea arcului şi reduce pierderile termice, asigurând astfel o creştere a temperaturii, vitezei şi adâncimii de penetrare a sudurii. Zgura formată în timpul sudurii este înlăturată foarte uşor după răcirea îmbinării sudate. În sudura cu arc de contact, stratul acoperitor al electrodului este foarte gros şi are o conductibilitate electrică apreciabilă. Arcul poate fi amorsat prin atingerea de material a acestui strat, iar lungimea arcului este păstrată constantă prin menţinerea permanentă a acestui contact. Alimentarea unui astfel de arc poate fi realizată atât în curent alternativ cât şi în curent continuu, intensitatea curentului consumat fiind cuprinsă între 30 şi 500 A, sub o tensiune de alimentare cuprinsă în intervalul 40 – 15V. Dacă se foloseşte alimentarea în curent continuu, electrodul este conectat la un potenţial negativ iar piesa de lucru la unul pozitiv. Este important ca punctul de funcţionare pe caracteristica volt-amperică să fie poziţionat pe o porţiune cu pantă negativă a ei, pentru a fi posibil controlul curentului şi tensiunii pe arc. Pentru realizarea unei suduri uniforme şi rezistente, este necesară controlarea atât a lungimii arcului electric pe măsură ce electrodul se consumă, cât şi a vitezei cu care electrodul este deplasat de-a lungul îmbinării. Un arc prea lung este instabil şi provoacă depuneri nedorite de metal. Mecanismul de transfer al metalului topit de la electrod spre îmbinarea sudată este influenţat de gravitaţie şi de tensiunea superficială care atrage picăturile de la electrod spre materialul topit formând sudura. Tensiunea superficială poate fi un ajutor atunci când electrodul nu poate fi plasat deasupra sudurii, ea anulând efectul gravitaţiei. În acest caz trebuie generat un arc electric scurt, cu un electrod cu diametru mic. În cazul folosirii unui arc electric alimentat în curent alternativ, forţele electrostatice pot acţiona şi ele în sensul atragerii picăturilor spre material. O caracteristică a descărcărilor care presupun un curent cu intensitate mare este efectul pinch, care este o îngustare a canalului de scurgere a curentului sub acţiunea forţelor de interacţiune dintre curent şi propriul său câmp magnetic. El joacă un rol important în mecanismul de transfer al materialului, ajutând picăturile de metal topit să se separe de electrod.


127

Fig.7.8 - Sudura cu arc electric în atmosferă de gaz inert, cu electrod consumabil.

Uneori este necesară efectuarea sudurilor în atmosferă controlată de gaz ionizat (argon sau heliu). În această situaţie argonul sau heliul este introdus printr-o duză care înconjoară electrodul, asigurând o protecţie totală a arcului şi metalului împotriva atmosferei de oxigen. Acest sistem permite sudura materialelor care altfel ar fi foarte greu sau chiar imposibil de sudat, datorită oxidării aproape instantanee a lor în aer (de exemplu aluminiul). Electrodul poate fi neconsumabil, confecţionat dintr-un material cu temperatură de topire ridicată (wolfram), caz în care este necesar un material de umplere sau, dacă se sudează materiale mai groase, electrodul este din material consumabil (Fig.7.8). În cazul sudurii în atmosferă de hidrogen atomic, se folosesc doi electrozi din wolfram iar hidrogenul este introdus prin duze care înconjoară fiecare electrod. Conductivitatea termică bună datorată disocierii asigură crearea unei plasme uniforme cu temperatură ridicată şi permite un transfer de căldură eficient. De asemenea, efectul reducător al atmosferei de hidrogen protejează metalul la oxidare şi exclude formarea impurităţilor. Pentru o sudură rezistentă este necesară folosirea unui material de umplere a îmbinării sudate. 7.2.3 Tăierea cu plasmă Temperatura ridicată a unui arc electric poate fi folosită şi pentru tăierea metalelor. În torţa cu plasmă arătată în Fig.7.9 se poate realiza o temperatură de aproximativ 17000 K. În aceste condiţii, materialul este topit foarte rapid şi cade din zona tăiată. Efectul combinat al temperaturii foarte mari şi al acţiunii jetului de gaz produce o tăietură foarte îngustă, uniformă şi foarte curată comparativ cu tăierea mecanică. Drept gaze pentru obţinerea jetului de plasmă se folosesc argonul, heliul, hidrogenul sau amestecuri de argon (65-80%) şi hidrogen (20-35%). Amorsarea arcului se face în două etape: (a) la început, datorită distanţei mici dintre electrod şi diafragma prin care este obligat să treacă jetul de plasmă, se


128

formează un arc secundar; (b) apoi, prin creşterea debitului de gaz şi aducerea piesei în dreptul duzei, se formează arcul principal între electrod şi piesă iar arcul secundar dispare.

Fig.7.9 - Reprezentarea schematică a tehnologiei de tăiere cu plasmă;

a) – generarea jetului de plasmă; b) – transferul arcului către piesa de lucru.

7.2.4 Pulverizarea cu plasmă În tehnologia pulverizării cu plasmă, arcul electric reprezintă “transportorul” materialului care urmează să fie depus. Materialul se prezintă sub formă de macroparticule cu diametre cuprinse între câţiva micrometri şi câteva zeci de micrometri. În jetul de plasmă, aceste macroparticule au suprafaţa parţial topită şi miezul în stare solidă sau se prezintă sub forma unor picături complet fluide. Praful care reprezintă materialul ce urmează să fie depus este injectat în jetul de plasmă şi este accelerat de către acesta către substrat (Fig.7.10).


129

Fig.7.10 - Principiul pulverizării cu plasmă.

Jetul de plasmă este generat de către un arc electric amorsat între un catod cilindric şi un anod toroidal, prin expansiunea termică a acestuia printr-un orificiu al anodului. Pentru accelerarea şi dirijarea jetului de plasmă se pot folosi diferite configuraţii de câmpuri magnetice. O altă metodă de generare a jetului de plasmă este ionizarea fără electrozi a unui gaz rar într-un câmp de microunde la o presiune până la o atmosferă. Există o mare varietate de pulberi care pot fi pulverizate în plasmă, cu diverse distribuţii ale dimensiunilor particulelor: Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, Cr3C2-NiCr. Grosimile straturilor depuse sunt până la câţiva milimetri. Datorită faptului că se depun particule discrete, acoperirea prin pulverizare în plasmă asigură suprafeţelor o anumită rugozitate care este necesară în unele procese industriale.

7.3 Surse de lumină cu plasmă Una dintre cele mai răspândite aplicaţii ale gazelor ionizate o reprezintă folosirea lor la fabricarea surselor de lumină. În fiecare an, în lume se produc peste 1,5 miliarde de corpuri de iluminat cu descărcare în gaze. Tabelul 7.3

CARACTERISTICA LĂMPII

LĂMPI DE ÎNALTĂ PRESIUNE

CU MERCUR

LĂMPI DE JOASĂ PRESIUNE

CU MERCUR

Putere consumată 400 W 36 W

Diametrul tubului de descărcare 19 mm 24 mm

Distanţa dintre electrozi 72 mm 1120 mm

Presiunea vaporilor de mercur 4.105 Pa 1 Pa

Presiunea gazului rar 2.104 Pa 200 Pa

Intensitatea curentului prin descărcare 3,2 A 0.44 A

Temperatura gazului pe axa tubului 6000 K 320 K

Temperatura electronică 6000 K 13000K


130

Din punct de vedere fizic, lămpile cu descărcare în gaze pot fi clasificate în funcţie de presiunea din tubul de descărcare, în lămpi de joasă presine şi lămpi de înaltă presiune. Lămpile de joasă presiune conţin plasmă care nu se află la echilibru termodinamic. Un exemplu tipic îl reprezintă lămpile fluorescente. În lămpile de înaltă presiune plasma este în apropierea echilibrului termodinamic (de exemplu arcul electric). Gazele folosite cel mai frecvent în lămpile de mare presiune sunt vaporii de mercur, sodiu şi metale alcaline (taliu şi iod). În Tabelul 7.3 sunt prezentate comparativ câteva dintre caracteristicile celor două tipuri de lămpi. Multe dintre lămpile fabricate pentru scopuri uzuale fac parte din categoria celor care folosesc gaze la presiune înaltă (Tabelul 7.4 ). Pentru a limita creşterea necontrolată a curentului prin descărcare este necesară o rezistenţă de sarcină (balast), dacă ele lucrează în curent continuu sau o bobină de şoc, dacă lucrează în curent alternativ. Natura aproape pur inductivă a şocului în curent alternativ are drept consecinţă un factor de putere global mic. Acest efect poate fi compensat prin conectarea unui condensator la electrozii tubului de descărcare. Tabelul 7.4

TIPUL DE LAMPĂ

PUTERE FLUX LUMINOS

EFICIEŢA LUMINOASĂ

TEMPERATURA DE CULOARE

Fluorescentă 36 W 3000 lm 83 lm/W 2700-6500 K

Mercur Î.P. 125 W 6300 lm 50 lm/W 3000-6000 K

Sodiu Î.P. 150 W 13500 lm 90 lm/W 3000 K

Halogeni 250W 17500 lm 70 lm/W 3500-6000 K

7.3.1 Lămpi fluorescente Folosirea pe scară largă a iluminării fluorescente poate fi explicată prin avantajele acestui sistem: (a) eficienţă mare; (b) varietate mare a temperaturii de culoare (2700-6500 K); (c) întreţinere uşoară şi timp de viaţă lung. Principiul de funcţionare a acestor tipuri de lămpi se bazează pe proprietatea radiaţiei ultraviolete, care se găseşte din abundenţă într-o descărcare în vapori de mercur la temperatura mediului ambiant, de a produce radiaţia de fluorescenţă a unor materiale. Reamintim aici că fluorescenţa este proprietatea unor materiale (numite şi fosforoase) de a emite aproape instantaneu o radiaţie electromagnetică cu o anumită lungime de undă atunci când sunt iradiate cu cuante având o energie mai mare (deci o lungime de undă mai mică) decât a radiaţiei emise. Într-o descărcare în vapori de mercur la presiune scăzută, o mare parte a emisiei vaporilor este datorată liniei de rezonanţă cu lungimea de undă de 253,7 nm, care apoi este convertită de către stratul fluorescent în radiaţii vizibile cu lungimi de undă în domeniul 400-700 nm. Modificând compoziţia stratului fluorescent pot fi obţinute diferitele culori emise de lampă. Randamentul lampilor fluorescente este determinat de dimensiunile particulelor de fosfor şi de grosimea


131

stratului depus pe pereţii tubului de descărcare. Folosirea unor particule prea mici determină o micşorare a eficienţei cuantice (numărul de cuante luminoase emise de către 100 de cuante incidente). Stratul fluorescent trebuie să fie suficient de gros pentru a nu permite radiaţiei ultraviolete să ajungă la peretele de sticlă şi să fie absorbită de către acesta. De regulă, tuburile fluorescente au formă de tuburi cilindrice drepte, cu lungimi variabile (până la câţiva metri). Standardul european actual prevede ca dimensiune tipică pentru aceste lămpi un diametru de 26 mm. Folosirea gazelor rare drept gaze materie primă pentru plasmă a determinat obţinerea unor randamente mai mari de conversie a energiei electrice în energie luminoasă. În unele aplicaţii folosirea tuburilor drepte şi lungi este un dezavantaj. De aceea s-au produs lămpi mai mici, cu un diametru redus la 10-12 mm, tubul fiind îndoit astfel încât să se obţină o construcţie compactă. De asemenea, s-au produs lămpi cu diametre şi mai mici (3-4 mm) pentru aplicaţii în electronică. Datorită faptului că lungimea tubului de descărcare trebuie să fie mare pentru a avea o eficienţa luminoasă acceptabilă, şi tensiunea de străpungere este mare, astfel încât aprinderea descărcării devine imposibilă la tensiunea de alimentare a reţelei casnice sau industriale. Pentru a depăşi acest obstacol, multe lămpi au un circuit separat de amorsare a descărcării (Fig.7.11).

Fig.7.11 – Circuitul de alimentare şi de amorsare a unei lămpi fluorescente.

Starterul este, la rândul lui, un mic tub de sticlă umplut cu argon la presiunea optimă de străpungere. În el se află un contact electric format din doi electrozi, dintre care unul este o lamelă bimetalică. Contactul este unul de tipul “normal deschis”. La alimentarea circuitului, tensiunea este prea mică pentru amorsarea unei descărcări în tubul principal dar, între cei doi electrozi ai starterului se poate amorsa o descărcare luminiscentă. În prezenţa acesteia lamela bimetalică se încălzeşte şi contactul electric se închide. Curentul care va parcurge filamentele le încălzeşte şi în tub vor fi generaţi electroni prin emisie termoelectronică (electroni primari). Simultan, lamela bimetalică se răceşte şi


132

contactul din starter se întrerupe. La întreruperea circuitului, tensiunea de autoinducţie generată de către bobina de şoc va determina multiplicarea în avalanşă a electronilor primari şi amorsarea descărcării luminiscente. După amorsarea descărcării, tensiunea de la reţea va fi suficientă pentru menţinerea ei. De asemenea, circuitul de alimentare a filamentelor va rămâne deschis deoarece descărcarea din tub (cu rezistenţă electrică foarte mică) şuntează starterul şi în el nu se mai poate amorsa o nouă descărcare. De aceea, pe tot parcursul funcţionării, filamentele vor fi reci (în fapt ele vor avea temperatura cinetică a particulelor grele din descărcarea luminiscentă). Dacă descărcarea în tub nu se amorsează la prima tentativă, ciclul pe care l-am descris se va repeta până la aprinderea lămpii.

Există lămpi fluorescente cu electrozi acoperiţi cu un strat de oxizi care nu au nevoie de preîncălzire, precum şi cu catozi reci neacoperiţi. Ambele tipuri de lămpi au lungimi mari, fiind necesare tensiuni de străpungere mari, tensiuni care sunt obţinute cu ajutorul unor transformatoare. Primul tip de lămpi are avantajul unor căderi mici de tensiune la electrozi şi de aceea au o eficienţă mare, iar al doilea, are un timp de viaţă foarte lung pentru că funcţionarea lor nu depinde de emisia electrozilor, emisie care este o sursă de deteriorare a acestora.

Eficienţa descărcării poate fi îmbunătăţită prin alimentarea cu tensiune de înaltă frecvenţă (>20 KHz). Creşterea eficienţei este datorată micşorării căderilor de tensiune la electrozi.

Un tip mai nou de lampă este lampa compactă fără electrozi. Transmiterea energiei electrice către gaz se face prin cuplaj inductiv (Fig.7.12). Puterea este transmisă gazului printr-o bobină de inducţie care poate fi plasată în interiorul tubului de descărcare sau tubul poate fi introdus în ea. Tuburile de descărcare pot fi sferice sau pot avea forme apropiate de sferă, cu diametre până la 100 mm. Frecvenţa câmpului electromagnetic este în domeniul MHz-ilor, ceea ce creează unele probleme legate de protecţia la perturbaţiile radio.

Fig.7.12- Lampă fluorescentă fără electrozi

Lămpile fluorescente fără electrozi au un timp de viaţă foarte lung (aprox. 60.000 de ore), tocmai pentru că nu există pericolul dezintegrării acestora. Eficienţa luminoasă a lor este comparabilă sau chiar mai bună decât aceea a lămpilor fluorescente clasice. De asemenea, ele pot fi comandate de la distanţă.


133

7.3.2 Lămpi cu vapori de mercur la presiune înaltă Intensitatea radiaţiei vizibile emise de o lampă cu descărcare în vapori de mercur la joasă presiune este relativ slabă pentru că, deşi radiaţia în ansamblu este foarte intensă, liniile de emisie de rezonaţă sunt în domeniul UV. La presiuni mari (1-10 atm), autoabsorbţia este foarte puternică şi conduce la redistribuirea radiaţiei în domeniul vizibil, datorită tranziţiilor între nivele excitate mai înalte din punct de vedere energetic. La presiuni foarte înalte (peste 20 atm) spectrul de emisie include şi un domeniu continuu care îmbogăţeşte compoziţia de culori a radiaţiei dar, în cele mai multe cazuri, lumina emergentă este datorată liniilor verzi şi galbene cu lungimile de undă de 546,1 nm şi respectiv 577,0/579,1 nm.

Temperatura gazului pe axul descărcării într-o lampă cu vapori de mercur la presiune mare (Fig.7.13) este de câteva mii de grade, iar în apropierea pereţilor tubului este cuprinsă între 500 şi 1000 oC. De aceea este necesară folosirea sticlelor speciale (cuarţ) pentru confecţionarea tuburilor acestor tipuri de lămpi.

Fig.7.13 - Lămpi cu vapori de mercur la presiune înaltă; a – tubulară; b – sferică.

1 – tub de descărcare; 2 – balon exterior; 3 – electrozi principali; 4 – electrod auxiliar.

Pentru prevenirea pierderii căldurii tubului de descărcare, el este plasat în interiorul unei alte incinte de sticlă, spaţiul intermediar fiind vidat sau umplut cu gaz cu conductibilitate termică mică. Tubul de descărcare este drept şi relativ mic în lungime şi diametru, rezultând un gradient mare al câmpului electric între electrozii lui. Astfel, puterea şi temperatura vor fi menţinute la nivele înalte. În unele tipuri de lămpi se foloseşte răcirea cu apă pentru a putea menţine dimensiunile lămpii cât mai mici pentru o putere dată şi deci pentru a realiza surse de lumină extrem de intensă.

Tensiunea de străpungere poate fi micşorată prin umplerea tubului de descărcare cu un gaz rar (argon) şi prin acoperirea electrozilor cu oxizi. Amorsarea descărcării se realizează cu ajutorul unui electrod auxiliar, plasat în apropierea unuia dintre electrozii principali. Intensitatea curentului la amorsare este limitată de o rezistenţă conectată în serie cu electrodul auxiliar. Tensiunea de străpungere este de aproximativ 160 V dar lampa poate fi folosită şi la o tensiune


134

de 200 V sau mai mare prin conectarea unei bobine de balast. Pentru lucrul la tensiuni în jurul a 100 V se foloseşte un transformator ridicător de tensiune. Datorită presiunii relativ înalte a vaporilor de mecur la temperatura camerei, radiaţia este emisă imediat după amorsarea descărcării, deşi lampa are nevoie de câteva minute pentru atingerea condiţiilor optime de funcţionare.

Eficacitatea unei lămpi cu vapori de mercur la presiune înaltă este de aproximativ 40lm/W iar timpul de viaţă se situează în jurul a 3000 de ore. Puterile consumate de către acest tip de lămpi sunt între 80 şi 2000 W. Ele sunt folosite mai ales pentru iluminatul public dar, datorită strălucirii lor deosebite, pot fi folosite şi ca surse de lumină pentru aplicaţii optice în care este nevoie de surse foarte intense. În unele aplicaţii, cum ar fi în medicină, unde este nevoie de o mare cantitate de radiaţii ultraviolete, balonul exterior se confecţionează din cuarţ sau poate fi chiar eliminat din construcţia lămpii. În acest caz trebuie luate măsuri de protejare a ochilor la radiaţia ultravioletă.

Marele dezavantaj al lămpilor cu vapori de mercur la presiune înaltă este sărăcia de culori din radiaţia emisă. Pentru atenuarea acestuia se poate proceda în două moduri: (a) combinarea lămpii cu descărcare cu o lampă cu filament de tungsten care emite cu preponderenţă radiaţia roşie care este slab prezentă în lămpile cu mercur. Radiaţia aceastei combinaţii de lămpi este comparabilă cu lumina naturală; (b) folosirea straturilor fluorescente depuse pe peretele interior al balonului în care este plasat tubul de descărcare. Deoarece conţinutul de culori este mai puţin important la nivele mici de iluminare, nu sunt necesare lămpi de corecţie pentru iluminatul exterior dar ele se folosesc în cazul iluminatului interior. 7.3.3 Lămpi cu vapori de sodiu Una dintre cele mai vechi descărcări folosite cu scopul iluminării este arcul electric în vapori de sodiu. Spectrul de emisie al sodiului conţine într-o mare proporţie liniile dubletului de la 588,9 nm şi 589,6 nm. Acestea sunt suficient de apropiate de lungimea de undă la care ochiul are sensibilitate maximă şi de aceea eficienţa lămpilor cu sodiu este destul de mare. Conţinutul de culoare şi eficienţa luminoasă ale lămpii depind de presiunea vaporilor, aşa cum este arătat în Tabelul 7.5

Tabelul 7.5 PRESIUNEA VAPORILOR

PUTERE

EFICIEŢA LUMINOASĂ

TEMPERATURA DE CULOARE

10 kPa 250 W 100 lm/W 2000 K

40 kPa 250 W 90 lm/W 2150 K

80 kPa 100 W 50 lm/W 2700 K Lămpile funcţionează mult mai eficient la o presiune mică a vaporilor de sodiu. În această situaţie, aproximativ 90% din radiaţia vizibilă de ieşire se datorează dubletului sodiului. Aceasta face din lămpa cu sodiu o sursă de lumină


135

aproape monocromatică şi restricţionează folosirea ei doar la iluminatul exterior, deoarece lumina galbenă determină un contrast vizual bun la nivele normale de strălucire. Lămpile de sodiu la presiune foarte mare sunt proiectate pentru a avea un conţinut maxim de culori. Aceste lămpi emit lumină albă cu o temperatură de culoare de 2700 K, comparabilă cu aceea a lămpilor cu incandescenţă. În aplicaţiile în care sunt importante atât eficienţa cât şi conţinutul de culori se folosesc lămpi cu o presiune intermediară a vaporilor de sodiu, aşa numitele “lămpi de confort”. La temperatura mediului ambiant, presiunea vaporilor de sodiu este atât de mică încât tensiunea de amorsare a descărcării este de-a dreptul prohibitivă. De aceea, pentru a putea amorsa descărcărea se foloseşte un gaz potrivit sau un amestec de gaze. Astfel, o lampă cu sodiu este de regulă umplută cu neon la aproximativ 10 torr, cu un mic adaus de argon necesar pentru micşorarea potenţialului de străpungere a spaţiului descărcării. O altă modalitate de micşorare a potenţialului de străpungere este folosirea unui material cu potenţial mic de extracţie al electronilor, care va determina un coeficient mare de emisie secundară. Un avantaj al electrozilor acoperiţi cu oxizi este şi creşterea capacităţii de emisie electronică atunci când sunt încălziţi de către arcul electric, ceea ce conduce la o cădere mică de tensiune la electrozi. Pentru amorsarea descărcării se folosesc electrozi auxiliari. Tubul de descărcare este fixat în interiorul unui alt tub care este vidat. Puterile consumate de lămpile cu sodiu sunt cuprinse în intervalul 45-200 W, iar curentul consumat este între 0,5 A şi 1 A. Timpul de viaţă poate fi de câteva mii de ore, defectarea lor datorându-se uzurii treptate. Acumulările de sodiu în anumite zone pot produce “puncte reci” care determină o scădere a presiunii şi a luminii emise; materialul depus pe electrozi se evaporă şi amorsarea devine mai dificilă. De asemenea, în timp, vaporii de sodiu atacă sticla tubului de descărcare modificându-i caracteristicile. O altă caracteristică a lămpilor cu vapori de sodiu este strălucirea lor mai mică decât aceea a lămpilor cu incandescenţă, ceea ce este un avantaj în cazul iluminatului exterior. 7.3.4 Lămpi cu halogenuri O caracteristică importantă a lămpilor cu halogenuri este faptul că cea mai mare parte a radiaţiei este emisă pe axul descărcării. În această zonă temperatura este de aproximativ 6000 K, ceea ce înseamnă că majoritatea liniilor emise sunt în domeniul vizibil şi luminanţa este foarte mare. Distribuţia puterii spectrale depinde de compoziţia amestecului de halogenuri. Când lampa ajunge al temperatura normală de funcţionare halogenurile sunt vaporizate parţial sau total. Vaporii de halogenuri se disociază în halogeni şi metale în zona centrală a arcului, zonă care este mai fierbinte iar metalele emit spectrul lor caracteristic.


136

Lămpile convenţionale de descărcare (cu electrozi) cu halogenuri de metale sunt foarte potrivite pentru obţinerea fascicolelor luminoase de bună calitate, cu intensitate mare şi cu o temperatură de culoare cuprinsă între 3000 şi 6500 K. Folosirea halogenurilor este limitată de posibilele reacţii chimice care pot avea loc între ele şi electrozii descărcării sau pereţii tubului de descărcare. Lămpile cu halogenuri fără electrozi care funcţionează la 13,56 MHz (Fig.7.14) au avantajul posibilităţii alegerii unei game mai variate de halogenuri.

Fig.7.14 - Lampă fără electrozi cu halogenuri.

Cele mai importante aplicaţii ale lămpilor cu halogenuri sunt: proiectarea dispozitivelor de afişare cu cristale lichide; iluminarea stadioanelor; lămpi pentru automobile. Puterile consumate ale acestora sunt cuprinse între 35 W (automobile) şi 1800 W (iluminat exterior). Interesul pentru dezvoltarea lămpilor cu halogenuri este determinat de faptul că iluminarea lor este mai mare de câteva ori decât aceea a lămpilor cu filament de tungsten, deoarece radiaţia este generată de către atomii care se află în zona centrală a arcului electric (miezul descărcării). Această iluminare sporită poate fi folosită la farurile ale automobilelor, fie pentru îmbunătăţirea calităţii fascicolului luminos, fie pentru faptul că au dimensiuni mai mici faţă de lămpile clasice. Una dintre cerinţele lămpilor pentru automobile este aceea ca timpul de aprindere şi atingere a funcţionării normale să fie foarte scurt. Sistemele convenţionale cu element de balast (rezistenţă, bobină) nu pot fi folosite în acest caz. De aceea se recurge la adăugarea în lampa cu halogenuri a unei cantităţi mici de xenon la o presiune de câteva atmosfere, obţinându-se astfel un timp de intrare în regim normal egal sau mai mic decât acela al lămpilor cu incandescenţă. În Tabelul 7.6 sunt prezentate caracteristicile lămpilor cu halogenuri (comparativ cu cele convenţionale) şi avantajele care derivă din acestea. Tabelul 7.6

CARACTERISTICI AVANTAJE


137

Înălţime mai mică a lămpii capota automobilului poate fi mai joasă; flexibilitate mai mare în designul caroseriei

Putere consumată mai mică sursă mai mică de energie

Iluminare mai mare, lumină mai albă, temperatură de culoare de 4500 K

performanţe îmbunătăţite ale fascicolului de lumină

Timp de viaţă lung (>1500 ore) se pot folosi şi în timpul zilei

Rezistenţă mai mare la vibraţii posibilitatea folosirii în instalaţii supuse la şocuri mecanice

Ca o concluzie generală a acestui paragraf, se poate afirma că sursele de lumină cu plasmă tind să înlocuiască pe scară tot mai largă sursele convenţionale. Această tendinţă este determinată în primul rând de faptul că noile tipuri de lămpi asigură o iluminare sporită la un consum energetic mai mic. 7.4 Panouri de afişare cu plasmă 7.4.1 Principii generale Panourile de afişare cu plasmă reprezintă, la ora actuală, cel mai serios concurent pe piaţa sistemelor de afişare a imaginilor de televiziune. Fiabilitatea şi calitatea lor au fost demonstrate de diverse companii şi, ca urmare, producţia în serie a început în anul 1996. Cu toate acestea, studiul şi cercetarea în acest domeniu continuă pentru că unele caracteristici ale panourilor de afişare cu plasmă, cum ar fi de exemplu eficienţa luminoasă care este slabă dar acceptabilă, pot fi îmbunătăţite. O modalitate importantă de studiu şi înţelegere a mecanismelor care guvernează emisia luminoasă a unui element de imagine este modelarea teoretică a fenomenelor. De accea studiul panourilor de afişare cu plasmă continuă atât din punct de vedere teoretic cât şi experimental. Panoul de afişare cu plasmă a fost inventat de către Bitzer şi Slottow în 1966 la Universitatea din Illinois. Ei au demonstrat posibilitatea afişării informaţiei sub forma unor pixeli luminoşi cu plasmă realizând un panou de afişare foarte simplu (Fig.7.15).

Panoul este compus din două seturi de straturi subţiri conductoare paralele, reciproc perpendiculare, depuse pe două substraturi din sticlă. Cele două substraturi sunt separate de o lamelă de sticlă cu grosimea de 100 µm. Lamela este perforată, având aspectul unei site. Distanţa dintre şirurile de găuri din lamelă este egală cu distanţa dintre straturile conductoare depuse pe substraturi. Cavităţile astfel obţinute sunt umplute cu un gaz inert la o presiune de aproximativ 300 torr. Se formează astfel o matrice de celule de descărcare (pixeli), fiecare având la capete câte doi electrozi reciproc perpendiculari. Pixelii devin luminoşi prin aplicarea între cei doi electrozi a unei tensiuni alternative, suficiente pentru a produce străpungerea spaţiului dintre ei. Deşi de-a lungul anilor pixelul de bază a


138

suferit numeroase îmbunătăţiri, principiul fundamental de funcţionare a rămas acelaşi.

Fig.7.15 – Structura pixelilor unui display monocrom cu plasmă.

Până în anii 80 panourile de afişare cu plasmă au fost monocrome, descărcarea producându-se în amestecuri de gaze pe bază de neon, lumina emisă (roşu-portocalie) fiind caracteristică structurii nivelelor energetice ale neonului (585 – 640 nm). Panourile aveau diagonala de 1 m şi conţineau aproximativ 2 milioane de pixeli. Astăzi fabricanţii oferă panouri de afişare cu dimensiuni geometrice comparabile dar ele sunt color. Astfel, s-au realizat panouri de afişare cu diagonala de 102 cm, 1,075 milioane de pixeli, 256 de nivele de gri, 8 cm grosime şi 8 Kg masa.

Fig.7.16 – Structura panourilor monocrome operate în curent continuu şi curent alternativ

Panourile de afişare cu plasmă pot să fie operate atât în curent continuu cât şi în curent alternativ. În Fig.7.16 sunt prezentate sub o formă simplificată structurile celor două tipuri de panouri. Ele au aceeaşi structură ca şi cea prezentată anterior cu deosebirea că în cazul panourilor de afişare care sunt operate în curent alternativ, electrozii între care se aplică tensiunea necesară amorsării şi întreţinerii descărcării nu sunt în contact direct cu plasma.


139

În cazul operării în curent continuu, după amorsarea descărcării electronii produşi în urma proceselor de ionozare se deplasează foarte repede către anod în timp ce ionii pozitivi, având masa mult mai mare decât cea a electronilor şi mobilitatea mult mai mică, se deplasează mult mai încet către catod. Astfel, la o presiune de 400 torr şi o distanţă între electrozi de 100 µm, timpul de tranzit al electronilor este de aproximativ 0,2 ns iar cel al ionilor de 20 ns. Imediat după străpungerea spaţiului dintre electrozi (la o tensiune de aprox. 200 V) acesta devine un bun conductor, rezistenţa lui scade brusc devenind neglijabilă şi intensitatea curentului tinde să crească necontrolat. De aceea, în curent continuu, în serie cu fiecare pixel trebuie conectată o rezistenţă de limitare a curentului. În Fig.7.17 este prezentată schema electrică de alimentare a unei matrici de pixeli alimentaţi în curent continuu.

Fig.7.17 - Alimentarea a unei matrici de pixeli

Deoarece plasma este în contact direct cu electrozii descărcării, datorită procesului de pulverizare catodică, catodul se va distruge mai repede decât anodul. De aceea, pentru a asigura o uzură uniformă a ambilor electrozi şi deci un timp de viaţă mai lung, rolul lor este schimbat periodic prin modificarea polarităţii tensiunii continue. Electrozii joacă pe rând rolul de catod şi anod. În plus, pentru a putea controla strălucirea pixelilor, operarea lor se face în pulsuri cu frecvenţa modulată. Frecvenţa standard de aprindere a descărcării este de 50 kHz. De aceea uneori se confundă pixelii care sunt operaţi în curent continuu cu cei operaţi în curent alternativ. Dar am văzut deja că în curent continuu este necesară conectarea rezistenţelor de limitare şi plasma este în contact direct cu electrozii.

Diferenţele constructive dintre pixelii care sunt operaţi în curent continuu şi cei care sunt operaţi în curent alternativ poate fi observată foarte uşor comparând schemele din Fig.7.16 a şi b. Se poate observa că în cazul pixelilor operaţi în curent alternativ straturile conductoare sunt acoperite cu un strat de dielectric, de regulă oxid de plumb, cu o grosime de 25 µm. Peste acesta se depune un alt strat dielectric, de oxid de magneziu, cu grosimea de 50 – 200 nm. Aceste două straturi


140

dielectrice asigură pe de o parte stocarea de sarcină electrică superficială şi, pe de alta, emisia electronică secundară. Oxidul de magneziu a fost ales în urma unor cercetări intense de identificare a unor materiale care să fie rezistente la procesul de pulverizare catodică şi să aibă un coeficient de emisie secundară la bombardament ionic cât mai bun. El este utilizat de peste treizeci de ani şi încă este cel mai bun material pentru protejarea stratului dielectric şi pentru generarea de electroni secundari. Straturile uniforme de MgO pot fi depuse pe suprafeţe mari prin evaporare cu fascicul de electroni. Un avantaj important al MgO este acela că proprietatea de emisie secundară nu se modifică chiar şi după înderpărtarea prin pulverizare catodică a unui strat superficial de sutimi de nanometru. Astfel, timpul de viaţă a unui panou, deşi este limitat de pulverizarea catodică a stratului de MgO, poate fi mai mare de 10.000 de ore.

Se poate uşor constata că în cazul pixelilor operaţi în curent alternativ plasma nu mai poate ajunge în contact cu electrozii. Valoarea exactă a tensiunii de străpungere depinde de natura şi presiunea gazului din celulele de descărcare, de înalţimea acestora şi este condiţionată de stratul de MgO. Ea variază de obicei între 120 V şi 180 V. După amorsarea descărcării, electronii şi ionii se deplasează către anod şi respectiv catod, dar ei nu mai pot fi colectaţi de către electrozi şi se vor acumula pe suprafaţa dielectricului ca sarcini spaţiale. Astfel, câmpul electric total în interiorul unei celule va fi în orice moment de timp suma algebrică dintre câmpul datorat tensiunii externe aplicate şi câmpul intern datorat acumulării de sarcină spaţială pe suprafeţele dielectrice. În regim staţionar este evident că sensul câmpului datorat acumulării de sarcină este opus sensului câmpului exterior, sarcina superficială acţionând în sensul ecranării câmpului electric exterior. De aceea, dacă după amorsarea descărcării câmpul electric extern este menţinut constant numai câteva microsecunde, câmpul electric total va descreşte foarte rapid (100 – 200 ns). Această descreştere poate fi atât de mare încât tensiunea pe descărcare să fie mai mică decât tensiunea minimă de menţinere a ei şi descărcarea se stinge. De aceea, în curent alternativ descărcarea acţionează în sensul autolimitării curentului electric prin ea, nemaifiind nevoie de o rezistenţă exterioară de limitare. 7.4.2 Caracteristici ale dispozitivelor de afişare cu plasmă Panourile de afişare cu plasmă prezintă câteva avantaje în competiţia care are loc în domeniul tehnologiei dispozitivelor de afişare. Astfel, comportarea puternic neliniară a fiecărui pixel, cu inerentele proprietăţi de memorie, poate constitui un avantaj în proiectarea electronicii de comandă necesare pentru ştergerea şi înscrierea informaţiei. Simplitatea construcţiei pixelilor este un ajutor în procesul de fabricaţie, reducând problemele legate de alinierea lor sau de uniformitatea straturilor depuse. Comparativ cu matricile de afişare color cu cristale lichide care folosesc tranzistori cu filme subţiri pentru controlul electronic al fiecărui pixel, dispozitivele de afişare cu plasmă necesită un proces de fabricaţie mult mai simplu şi o electronică de comandă mai puţin complicată.


141

Pe de altă parte însă, date fiind tensiunile mari la care se lucrează (100 –275 V), electronica de comandă este mult mai robustă, voluminoasă şi cu un consum energetic mare. De aceea, panourile de afişare cu plasmă nu sunt recomandate pentru aparatura portabilă dar sunt extrem de utile pentru utilizări interioare sau exterioare fixe (pieţe, stadioane etc). Dacă sunt operate la puteri mari (102 – 103 W) strălucirea lor este suficient de mare pentru a avea o imagine vizibilă chiar şi la lumina Soarelui. Suprafaţa mare, rezoluţia înaltă, faptul că sunt foarte plate, fac ca dispozitivele de afişare cu plasmă să fie foarte căutate pentru videoconferinţe, ecrane pentru conferinţe în interior sau în exterior precum şi pentru staţii de lucru fixe sau calculatoare personale care necesită o grafică de înaltă rezoluţie. Datorită construcţiei lor, panourile de afişare cu plasmă, monocrome sau color, au un unghi de vedere foarte mare (peste 160o). În vecinătatea normalei la suprafaţă există un unghi mort foarte mic datorat electrozilor metalici care obturează emisia luminoasă a plasmei (în cazul monocrom) sau a straturilor fotoluminiscente (în cazul color). Pentru a elimina acest inconvenient se studiază posibilitatea înlocuirii electrozilor metalici opaci cu electrozi transparenţi pe bază de oxid de indiu. Inconvenientul acestei înlocuiri îl constituie conductanţa mai slabă a electrozilor transparenţi, ceea ce evident conduce la un consum de putere mai mare. O altă soluţie este realizarea unor electrozi metalici semitransparenţi sub formă de straturi subţiri (aprox. 20 µm).

Fig.7.18 – Structura panoului color cu plasmă.

Pentru pixelii color compoziţia gazului este modificată astfel încât să predomine emisia radiaţiilor ultraviolete. Din celelalte puncte de vedere principiile de operare sunt identice cu cele ale pixelilor monocromi. Ideal este ca radiaţia luminoasă emisă de plasmă să fie exclusiv în domeniul ultraviolet, radiaţie capabilă să producă emisia culorilor fundamentale (roşu – R, verde – G, albastru – B) de către straturile fotoluminiscente de fosfaţi (lantan, ytriu, gadoliniu) depuse pe electrozii de adresare şi pe perţii celulelor de descărcare. Structura schematică a unui panou color cu plasmă este arătată in Fig.7.18. Pereţii despărţitori sunt orientaţi în plan vertical şi au o înălţime de aproximativ 100 µm. Un pixel se formează la intersecţia unui electrod transparent orizontal cu trei straturi fotoluminiscente succesive, corespunzătoare celor trei culori fundamentale.


142

Pentru generarea radiaţiei ultraviolete necesare producerii fotoluminiscenţei fosforului sunt folosite amestecuri de gaze conţinând ca specie minoritară xenonul. Deşi xenonul este un emiţător eficient de radiaţii ultraviolete, tensiunea sa de străpungere este prea mare şi atunci s-a recurs la folosirea amestecurilor de xenon cu neon sau heliu. Adăugând unul din aceste gaze, tensiunea de străpungere se micşorează din două motive: (a) ionii de neon şi heliu sunt mult mai eficienţi în producerea emisiei secundare de electroni din stratul de MgO şi (b) coeficientul de ionizare într-un amestec de xenon-neon de exemplu, poate fi mult mai mare decât în xenon pur sau neon pur. Aceasta, datorită faptului că secţiunea de ciocnire electron-neutru este mult mai mare în xenon decât în neon, astfel încât într-un amestec conţinând o mare concentraţie de neon, electronii pot câştiga energie mult mai uşor, producând excitarea şi ionizarea xenonului pentru valori mai mici ale câmpului electric. Pe de altă parte, energia de ionizare a xenonului este mai mică decât energia de excitare a neonului (sau a heliului) şi electronii acceleraţi în câmpul electric din celula de descărcare îşi vor transfera energia lor cu prioritate spre atomii de xenon iar atomii de neon (sau heliu) vor ceda energia de excitare atomilor de xenon producând ionizarea lor prin efect Penning. Astfel, emisia radiaţiei de dezexcitare roşu-portocalie a neonului va fi suprimată odată cu creşterea concentraţiei de xenon din amestec. Din cercetările experimentale s-a stabilit că o concentraţie a xenonului de aproximativ 10% este cea mai potrivită pentru scopul propus.

Fig.7.19 – Structura nivelelor energetice pentru Ne şi He.

În afară de aceste procese, mai există unul care favorizează emisia radiaţiei ultraviolete. Este vorba despre tendinţa xenonului ionizat de a-şi completa ultima pătură electronică, tendinţă care duce la formarea moleculelor dimerice excitate de xenon (Xe2*). La dezexcitare, aceste molecule dimerice vor emit radiaţii ultraviolete cu lungimi de undă de aproximativ 173 nm şi 150 nm. Toate aceste procese pot fi înţelese mai bine pe baza diagramelor nivelelor energetice prezentate în Fig.7.19. În panourile de afişare cu plasmă procesele care au loc la suprafaţa catodului joacă un rol deosebit în asigurarea funcţionării lor şi în limitarea timpului de funcţionare.


143

O prezentare sintetică a proceselor elementare care au loc în interiorul celulei de descărcare este prezentată în Fig.7.20. Nu vom mai insista asupra lor deoarece au fost prezentate mai detaliat în capitolele precedente. După aprinderea descărcării, ionii pozitivi din vecinătatea catodului sunt acceleraţi în câmpul căderii normale de tensiune catodică (aprox. 200 V). Ciocnind catodul ei capturează foarte repede electroni, cedând acestuia o energie egală cu energia de recombinare electron-ion. Această energie este consumată în două procese: emisia de electroni secundari şi pulverizarea catodică. Primul proces determină creşterea semnificativă a eficienţei luminoase a pixelului iar cel de al doilea reduce timpul de viaţă a celulei de descărcare.

Fig.7.20 - Procese elementare în interiorul celulei de descărcare.

Electronii secundari sunt foarte eficienţi pe de o parte pentru că ei căştigă o energie mare fiind acceleraţi în spaţiul căderii normale de tensiune catodică şi, pe de alta, pentru că în drumul lor spre anod ei străbat întregul spaţiu plin cu gaz ionizat. Coeficientul de emisie secundară la impact ionic (γ) este definit ca numărul de electroni emişi de catod la impactul cu un ion pozitiv. El depinde atât de natura ionului incident cât şi de natura materialului depus pe suprafaţa catodului. Oxidul de magneziu are un coeficient de emisie secundară de aproximativ 0,45 atunci când este ciocnit de ioni de heliu cu energia de 200 eV. Pentru comparaţie, amintim că dacă MgO este ciocnit de ioni de Ar, γ = 0,05. În afară de emisia electronică secundară la impact ionic, o contribuţie importantă la creşterea numărului de electroni din plasmă îl mai au fotonii şi atomii metastabili care ciocnesc electrozii şi care sunt capabili să genereze electroni secundari. Deoarece nici fotonii şi nici metastabilii nu sunt purtători de sarcină electrică netă,


144

mişcarea lor nu este influenţată de câmpurile electrice din plasmă şi ei se propagă izotrop prin spaţiul de descărcare.

Procesul de pulverizare catodică erodează suprafaţa catodului şi reduce performanţele pixelului. Contaminarea plasmei cu impurităţile generate de pulverizarea catodică poate conduce la reducerea eficienţei luminoase, deoarece o parte din energie va fi risipită pentru excitarea atomilor de impuritate care emit de regulă în domeniul vizibil. Astfel, va fi afectată puritatea cromatică a pixelului. De asemenea, atomii şi moleculele pulverizate se pot depune pe suprafaţa interioară a celulei de descărcare afectând eficienţa luminoasă a pixelului. 7.4.3 Comportarea electrică a pixelilor Din punct de vedere electric, un pixel operat în curent alternativ este echivalent cu un condensator a cărui comportare poate fi descrisă de ecuaţia:

∫ +=+=t

a CtQRtIdttI

CRtItV

0

'' )()()(1)()( (7.17)

unde Va este tensiune exterioară aplicată, I - curentul prin circuit, C – capacitatea pixelului şi Q – sarcina electrică colectată pe suprafaţă. Pentru fiecare pixel rezistenţa de pierderi a circuitului electric de alimentare este redusă cât mai mult, astfel încât ecuaţia precedentă poate fi simplificată la forma:

∫ ==t

a CtQdttI

CtV

0

'' )()(1)( (7.18)

Capacitatea fiecărui pixel este determinată de capacităţile fiecărui strat de dielectric şi de capacitatea gazului din celula de descărcare, toate conectate în serie.

gazMgOPbO CCCC1111

++= (7.19)

În fiecare caz:

i

ii d

AC ε= (7.20)

unde i este indicele materialului şi A – aria suprafeţei care este aproximativ egală cu cea a suprafeţei stratului conductor. Pentru un pixel grosimea stratului de PbO este aproximativ 25 µm iar cea a stratului de MgO este cuprinsă între 50 şi 200 nm iar constantele dielectrice sunt εPbO = 15εo şi εMgO = 6εo, depinzând de puritatea filmului subţire şi de microstructura sa. Pe baza acestor date se poate observa contribuţia mică a stratului de MgO la capacitatea totală a pixelului şi, în primă aproximaţie, ea poate fi neglijată.


145

Înainte de aprinderea descărcării capacitatea unui pixel este de aproximativ 500 pF iar curentul prin circuit va fi:

dttdVCtI )()( = (7.21)

El este un curent de deplasare care apare la aplicarea tensiunii exterioare ca un pic foarte mare după care scade la zero. De fapt, el este curentul de încărcare a unui condensator obişnuit. Dacă amplitudinea tensiunii exterioare este prea mică pentru a provoca străpungerea spaţiului din celula de descărcare, atunci curentul de deplasare este singurul din circuit. Dependenţa de timp a curentului şi tensiunii pe spaţiul de descărcare în acest caz sunt arătate în Fig.7.21 a.

Fig.7.21 – Dependenţa de timp a tensiunii şi curentului pixelic.

Dacă însă tensiunea exterioară este mai mare decât tensiunea de străpungere, după impulsul de curent de deplasare mai apare încă un impuls mai mic datorat curentului prin descărcare (Fig.7.21 b). Impulsul de curent prin plasmă este însoţit de fenomene luminoase puternice datorate proceselor de excitare-dezexcitare care apar imediat după momentul străpungerii spaţiului de descărcare. Impulsul de curent prin descărcare depinde de amplitudinea impulsului de tensiune aplicat din exterior. În Fig.7.22 este arătată dependenţa de tensiunea


146

exterioară a sarcinii electrice deplasate prin descărcare în cazul unui amestec Penning de heliu-xenon (2%) la o presiune de 400 torr.

Fig.7.22 – Sarcina electrică deplasată prin pixel.

Se poate observa efectul de histereză atunci când tensiunea evoluează în sens descrescător. Dacă tensiunea este mărită de la zero până la 180 V, curentul prin celula de descărcare este practic nemăsurabil pentru că, în absenţa sarcinilor superficiale, câmpul electric nu este suficient de intens pentru a produce ionizarea gazului. Pentru o tensiune mai mare de 180 V se iniţiază descărcarea prin multiplicarea în avalanşă a electronilor. După amorsarea descărcării, dacă pe celulă se aplică un sigur impuls de tensiune cu amplitudinea mai mică de 135 V, descărcarea se stinge deşi sarcinile superficiale sunt prezente.

În cazul pixelilor operaţi în curent alternativ, între cele două reţele de electrozi se aplică permanent o tensiune sub forma unor impulsuri dreptunghiulare cu amplitudinea mai mică decât tensiunea de străpungere (Fig.7.23 a). Această tensiune se numeşte tensiune de susţinere a descărcării pentru că, după cum vom vedea în continuare, odată descărcarea amorsată ea este suficientă pentru menţinerea ei. Pentru aprinderea descărcării într-o celulă, între electrozi corespunzători ei peste tensiunea de susţinere se aplică un scurt impuls dreptunghiular cu amplitudinea mai mare decât tensiunea de străpungere (Fig.7.23 b). Această tensiune se numeşte tensiune de adresare sau de înscriere. Din grafic se poate observa că impulsul de adresare este pozitiv şi el se aplică într-un interval de timp în care tesiunea de susţinere este zero, înaintea unui impuls negativ al ei. Descărcarea, amorsată în urma aplicării impulsului de adresare, se stinge foarte repede după dispariţia lui datorită câmpului format de sarcinile spaţiale superficiale formate pe suprafeţele dielectricilor. În următoarea semiperioadă a tensiunii de susţinere, când aceasta este negativă, câmpul datorat sarcinilor superficiale se adună cu câmpul de susţinere, suma lor depăşind tensiunea de străpungere şi descărcarea se aprinde din nou fără a mai fi necesar un alt impuls de adresare. În timpul acestei noi descărcări are loc o separare şi acumulare de sarcini superficiale al căror câmp este opus celui exterior, descărcarea se va stinge şi lucrurile se vor repeta în acest mod în timpul ciclurilor următoare ale tensiunii de susţinere. Ca o consecinţă a aprinderilor şi stingerilor repetate ale plasmei într-


147

o celulă de descărcare, curentul pixelic va fi de forma unor scurte impulsuri periodice, pozitive şi negative (Fig.7.23 c). Pentru anularea informaţiei pixelice, adică pentru stingerea descărcării, este suficientă aplicarea unui scurt impuls de ştergere negativ imediat după un impuls pozitiv al tensiunii de susţinere. Amplitudinea lui trebuie să fie suficient de mare pentru a neutraliza sarcinile superficiale create în semiperioada anterioară de către câmpul de susţinere. Dacă sarcinile superficiale create la sfârşitul unei semiperioade a câmpului de susţinere sunt +Q şi –Q, atunci următoarea descărcare trebuie să transfere sarcinile –2Q şi respectiv +2Q pe aceste suprafeţe pentru menţinerea unei stări staţionare. Asta înseamnă că impulsurile de aprindere şi de stingere trebuie să genereze exact sarcinile +Q şi –Q pe cele două suprafeţe dielectrice. Evoluţia în timp a potenţialului superficial poate fi observată în Fig.7.23 d.

Fig.7.23 – Comanda aprinderii şi variaţia în timp a curentului pixelic şi a potenţialului de suprafaţă.

Tensiunea de susţinere trebuie să fie mai mică decât tensiunea de străpungere a descărcării (în caz contrar descărcarea ar fi în permanenţă aprinsă) dar suficient de mare pentru a menţine descărcarea după ce ea a fost amorsată de către impulsul de adresare. Valorile maximă şi minimă ale tensiunii de susţinere definesc limitele de tensiune ale dipozitivului de afişare. Este important ca operarea să se facă în condiţiile unor limite largi, pentru că tensiunea de susţinere trebuie să fie în interiorul limitelor de tensiune ale tuturor celulelor, limite care nu sunt identice. După cum am văzut, limita superioară a tensiunii de susţinere este determinată de tensiunea de străpungere. Limita inferioară este legată de tensiunea


148

minimă necesară menţinerii unei decărcări luminiscente. Aceste limite se îndepărtează una de alta odată cu creşterea produsului pd (presiune x distanţa dintre electrozi). Acest produs trebuie să fie suficient de mare pentru a avea nişte limite largi de tensiune, dar suficient de mic pentru a nu avea o tensiune de străpungere prea mare.

APLICAŢII TEHNOLOGICE ALE PLASMEI -...

Documents

Transcript of APLICAŢII TEHNOLOGICE ALE PLASMEI -...