Magische Lampen: Mikrokavitätsplasmageräte und ihre kommerziellen Anwendungen

May 19, 2023

03.11.2022 15:51:05 Uhr Michael O'Boyle

Im Jahr 1995 wandten sich James Frame und David Wheeler, zwei Doktoranden der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, an Professor J. Gary Eden von der University of Illinois.

Sie zeigten ihm einen Siliziumblock und fragten: „Stört es Sie, wenn wir ein kleines Loch hineinbohren und sehen, ob wir es mit einem Gas füllen und ein Plasma erzeugen können?“

„Natürlich nicht, machen Sie weiter“, sagte Eden ihnen.

30 Jahre später stellen die Nachkommen dieses ersten Experiments eine völlig neue Technologie dar: Mikrokavitäts-Plasmageräte.

Wie in der Oktober-Titelgeschichte von Plasma Processes and Polymers besprochen, führten sie zu einer Vielzahl kompakter und erschwinglicher Geräte, die von drei Unternehmen – EP Pure, Eden Park Illumination und Cygnus Photonics – hergestellt werden und die Wasserreinigung, Luft- und Oberflächenreinigung revolutionieren werden Desinfektion und Elektronikfertigung. Und das alles, weil die Forscher der University of Illinois ein Projekt übernommen haben, das einfach interessant schien.

Mikrokavitätsplasmen: Je kleiner, desto besser

Wie andere Plasmatechnologien – einschließlich Leuchtreklamen und Leuchtstofflampen – arbeiten Mikrokavitätsgeräte durch Anlegen einer Hochspannung, um Elektronen von den Atomen oder Molekülen eines enthaltenen Gases wegzuziehen. Das Ergebnis, ein Plasma, kann entweder zur Erzeugung von Licht oder zum Antrieb chemischer Reaktionen verwendet werden.

Anstatt es jedoch in einer großen Röhre unterzubringen, begrenzt die neue Technologie das Plasma in einer Reihe kleiner Hohlräume, die jeweils weniger als einen Millimeter groß sind. Dies verleiht den Geräten einige wesentliche Unterschiede, die sie für Anwendungen besonders attraktiv machen.

Mikrokavitätsgeräte arbeiten bei Atmosphärendruck, während die Gase in Standard-Plasmageräten vakuumgepumpt werden müssen. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess erheblich, da die Gehäuseeinheit keinen Druckunterschied berücksichtigen muss.

Darüber hinaus verbrauchen sie aufgrund der geringen Hohlraumgröße deutlich weniger Strom als Standardgeräte, was ihre Betriebslebensdauer deutlich verlängert.

Ozonproduktion und Wasserreinigung

Die bisher bekannteste Anwendung von Mikrokavitätsplasmageräten ist die Erzeugung von Ozon zur Trinkwasserdesinfektion. Chlorierung ist in vielen Teilen der Welt nicht realisierbar und birgt Gefahren für die menschliche Gesundheit und die Umwelt, was die Ozonung zu einer attraktiven Alternative macht.

Die traditionellen Kosten- und Stromverbrauchsbarrieren werden durch chemische Miniaturreaktoren überwunden, die Mikrokavitätsplasmen verwenden, die in Edens Labor entwickelt wurden. Diese Geräte erzeugen Ozon aus der Raumluft mit einer Geschwindigkeit von 0,3 Gramm – genug, um 10 Gallonen Wasser pro Stunde zu desinfizieren. Da sie klein sind und weniger als 15 Watt Strom verbrauchen, haben sie sich als ideal für die Trinkwasserdesinfektion in netzfernen Gemeinden in mehr als 20 Ländern erwiesen.

Die größten Einrichtungen zur Nutzung dieser Geräte befinden sich in der Region Kisumu im Westen Kenias. Gebaut und installiert von einer Partnerschaft zwischen der University of Illinois in Chicago, dem Safe Water and AIDS Project of Kenya und der Eden Park Foundation, produziert jeder der beiden autarken „Kioske“ täglich 2000 Liter sauberes Trinkwasser aus kontaminierten Flüssen oder Oberflächenwasser, und sie werden von einheimischen Kenianern betrieben, gewartet und verwaltet.

Keimtötendes Licht

Der Einsatz von Mikrokavitäts-Plasmalichtquellen zur Desinfektion von Luft und Oberflächen in öffentlichen Räumen hat in den letzten drei Jahren große Aufmerksamkeit erregt.

Lampen, die ultraviolettes Licht aussenden, um Mikroben abzutöten – sogenannte „keimtötende Lampen“ – sind eine altbewährte Technologie, aber die von ihnen verwendete Wellenlänge von 254 Nanometern ist bekanntermaßen krebserregend für den Menschen. Basierend auf der Technologie der University of Illinois hat Eden Park Illumination eine Mikrokavitätslampe entwickelt, die 222-Nanometer-Licht aussendet, das virale und bakterielle Krankheitserreger abtötet. Allerdings kann die Wellenlänge die äußere Schicht der menschlichen Haut nicht durchdringen und ist daher für den Menschen unbedenklich.

Vor der Covid-19-Pandemie waren die Verkäufe dieser Lampen bescheiden, doch danach boomte die Nachfrage. Mittlerweile werden sie an Orten auf der ganzen Welt eingesetzt, unter anderem in Restaurants, auf der Seattle Space Needle und auf einem US-Militärstützpunkt.

„Magische Lampen“ für die Elektronikfertigung

Eine unerwartete Anwendung von Mikrokavitäts-Plasmalampen erreicht jetzt die kommerzielle Reife: die Elektronikfertigung.

Frühe Forschungen von Dane Sievers, einem Laborkoordinator für Ingenieurlehre, und Andrey Mironov, einem wissenschaftlichen Assistenzprofessor an der ECE, führten zu einer Lampe, die bei 172 Nanometern arbeitet – im fernen ultravioletten Spektrum. Sie erkannten, dass die dabei erzeugten Photonen die meisten chemischen Bindungen aufbrechen können. Wenn also eine gemusterte Schablone über praktisch jede Polymeroberfläche gelegt wird, zerstört die Lampe die freiliegenden Polymere und ätzt das Muster.

Dadurch eignen sich die Geräte hervorragend zum Drucken integrierter Schaltkreise. Standardmethoden zum Ätzen von Schaltkreismustern sind kostspielig, finden im Vakuum statt und erfordern giftige Substanzen. Im Gegensatz dazu ist ein durch Mikrokavitätslampen ermöglichter Prozess kostengünstig, funktioniert in einer Stickstoffatmosphäre bei Raumtemperatur und in der letzten Entwicklungsphase wird nur Reinigungsalkohol verwendet.

Die Verbesserungen sind so enorm, dass Sievers die Mikrokavitäts-Plasmageräte „Zauberlampen“ nennt. Er und Mironov arbeiten mit ihrem Startup-Unternehmen Cygnus Photonics daran, diese Techniken in die Industrie zu bringen.

Weil sie es besser machen könnten

Mikrokavitäts-Plasmageräte haben eine Fülle von Anwendungen hervorgebracht, aber sie begannen als rein grundlegende Untersuchung. Eden ermutigt seine Schüler, 20 % ihrer Zeit dem Studium von Themen ihrer Wahl zu widmen. Als Frame und Wheeler also einen Aufsatz lasen, in dem gezeigt wurde, dass Plasmen in kleinen Hohlräumen existieren, und dachten: „Wir können es noch viel besser machen“, durften sie die Sache um ihrer selbst willen verfolgen.