Maßgeschneiderte Oberflächen mittels Barrierenentladung

Transkript

1 Maßgeschneiderte Oberflächen mittels Barrierenentladung Dr.-Ing. Marko Eichler Fraunhofer-Institut für Schichtund Oberflächentechnik IST, Bienroder Weg 54 E Braunschweig

2 Inhalt Dielektrische Barrierenentladung - DBD Haftungsverbesserung durch chemisch reaktive Gruppen Anwendungen in der Medizintechnik und Biotechnologie Anwendungen von Mikroplasmen Zusammenfassung

3 Inhalt Dielektrische Barrierenentladung DBD Haftungsverbesserung durch chemisch reaktive Gruppen Anwendungen in der Medizintechnik und Biotechnologie Anwendungen von Mikroplasmen Zusammenfassung

4 Dielektrische Barrierenentladung (»Corona«) Elektrode Isolator Plasma Annalen der Physik und Chemie, Vierte Reihe, Hrsg. J.C. Poggendorf, 12. Band, Leipzig, 1857, (Fußnote auf S. 120)

5 Pilotanlagen zur Funktionalisierung und Beschichtung Anlagen sind optimiert für Aktivierung, Funktionalisierung und Beschichtung unter definierten sauerstofffreien Atmosphären Elektrodensystem mit Entladung zur Beschichtung DBD 1 b = 10 cm Mobile Anlage zur Funktionalisierung SÜSS-Modul b = 28 cm Schichten mit reaktiven chemischen Gruppen können erzeugt werden Hydrophobe Schichten können realisiert werden Elektrodensystem mit Entladung zur Beschichtung DBD 2 b = 39 cm

6 Aldyne TM Gasphasen-Primer-Technologie Schema des ALDYNE -Moduls Amino-, Amido- und Imidobasierte Oberflächenchemie mit folgenden Eigenschaften: Permanente Oberflächenveränderung Hohe und stabile Oberflächenenergie Hohe chemische Reaktivität

7 RotoTEC Funktionalisierung von 3D-Plastikteilen AC-Coronaentladung stabilisiert durch eine dielektrische Barriere Kugelelektrode Entladung spalt Substrat Dielektrikum Gegenelektrode MF Behandlung von Bauteilen bis 100 mm Höhe, um z.b. Benetzbarkeit zu verbessern. Gleichmäßige Behandlung der gesamten Oberfläche, durch rotierende Elektroden»Plasmavorhang«. Das System ist optimiert, um in definierter Gasatmosphäre zu arbeiten

8 Innenbeschichtung von Kunststoffbeuteln Vollautomatisiertes System zur Funktionalisierung und Beschichtung von Flaschen oder Kunststoffbeuteln, z. B. Zellkulturbeutel 3D-Kunststoffbauteile können innerhalb der Beutel beschichtet werden

9 Mikroplasmen Plasma Printing Prinzip der ortsselektiven Behandlung von Oberflächen V Hochspannungselektrode Dielektrikum (z.b.keramik) RFID Substrat (Polymerfolie) Maske Kavität (Plasma zündet nur in den Kavitäten ) Innenbeschichtung von gedeckelten mikrofluidischen Systemen Beispiele: Micromixer thinxxs AG

10 Inhalt Dielektrische Barrierenentladung DBD Haftungsverbesserung durch chemisch reaktive Gruppen Anwendungen in der Medizintechnik und Biotechnologie Anwendungen von Mikroplasmen Zusammenfassung

11 Möglichkeiten der Aminofunktionalisierung von Oberflächen mittels DBD (1) Verwendung von stickstoffhaltigen Prozessgasen (2) Verwendung von Prekursoren, die im Plasma polymerisieren

12 Aminogruppen [nm -2 ] Oberflächenspannung [mn/m] Oberflächenspannung [mn/m] Aminofunktionalisierte Oberflächen - BOPP Behandlungszeit 10 s N 2 + 3,4 % H 2 N 2 80 % N % O Behandlungszeit [s] N 2 + 3,4 % H 2 N 2 N % O 2 Referenz Zeit [Wochen] 12 y = x 3D-RotoTEC-System: Höhere OFE-Werte unter sauerstofffreien Bedingungen Deutlich höhere Langzeitstabilität bei Zugabe von H 2 Bis zu 10 Aminogruppen/nm N 2 /H 2 - Pos. A Linear Fit N 2 /H 2 - Pos. A Behandlungszeit [s]

13 Abzugskraft adhesion [N/2cm] [N/2cm] Haftvermittlung über aminofunktionalisierte Oberflächen Einfluss von Gasatmosphäre und Energiedichte Adhäsion eines Kautschukklebers auf PET (Polyethylenterephthalat) Ammoniak ammonia N forming 2 / H 2 gas Stickstoff nitrogen Synth. syn. air Luft Zum Vergleich: Adhäsion unbehandelt: 4,4 N/2cm Nasschem. Primer: 10,4 N/2cm Energiedichte energy density [W min/m 2 ]

14 Haftvermittlung über aminofunktionalisierte Oberflächen DBD-behandelte PVDF-Folie auf Stahlblech, Klebung mittels Schmelzkleber Collano Vorbehandlung von PEEK-Bauteilen mit N 2 /H 2 Rototec-Plasma, Klebung mit verschiedenen Epoxid-Klebstoffen

15 Beispiele für Möglichkeiten der elektrophilen Funktionalisierung von Oberflächen mittels DBD (1) Herstellung von Epoxygruppen CH über gepulste Plasmen 3 mit Glycidylmethacrylat H 2 C H 2 C CH 3 CO-CH CH 2 2 O O O O O gepulste DBD O O O O (2) Stabilisierung von Schichten über Copolymerisation mit Maleinsäureanhydrid und Vinyltrimethoxysilan O O O + Si OMe MeO OMe (gepulste) DBD Si(OCH 3 ) 3 O O O Si(OCH 3 ) 3 O O O O Si(OCH 3 ) 3 O O O Si(OCH 3 ) 3 O

16 Modifizierung von Gummi und PET (Mylar TM ) DBD T = 120 C Mylar TM Schicht mit Epoxygruppen Schicht mit Aminogruppen Gummi (Black) p,t = var.

17 Modifizierung von EPDM und PET (Mylar TM ) Haftung von EPDM mit PET Links: unbehandelte Referenz Rechts: behandelte Probe Das Bild wurde nach dem Schältest aufgenommen Die Bruchfläche liegt im Gummi Chemische Reaktion Haftungsanstieg um den Faktor 16

18 Einfluss der Schichten auf die Wasserauslagerung beim Bonden mit BOPP Bondtemperatur: 90 C BOPP mit N 2 /H 2 -Behandlung BOPP mit GMA-Beschichtung Ergebnis: Die Behandlung mit N 2 /H 2 ist nicht wasserstabil Die Beschichtung mit GMA auf BOPP ist wasserstabil

19 Inhalt Dielektrische Barrierenentladung DBD Haftungsverbesserung durch chemisch reaktive Gruppen Anwendungen in der Medizintechnik und Biotechnologie Anwendungen von Mikroplasmen Zusammenfassung

20 Plasma im Beutel Die Idee Paschengesetz p = mbar d = 1,5 cm DV Bei Umgebungsdruck hat z. B. Helium (He) eine geringere Durchbruchspannung als Luft (N 2 ) das Plasma zündet selektiv im Beutel Modifizierung/Beschichtung der Innenseiten der geschlossenen Beutel Geschlossenes Beutelsystem bedeutet ein geringeres Kontaminationsrisiko!!!

21 Plasma im Beutel - Prozessentwicklung (1) Handgeschweißter Kunststoffbeutel, Befüllung per Hand; Behandlung in 3D RotoTec System (Tantec) (2) Automatisiertes Befüllen kommerzieller Beutel definierte Gasmischung (3) Plasmabehandlung zwischen zwei Elektroden Schichthomogenität wird verbessert (4) Integration des Elektrodensystems in automatisierte Befüllungsanlage (1) (4) (2) (3)

22 Wasserrandwinkel [ ] Unterschiedliche Schichtsysteme - Benetzbarkeit Hydrophile Schichtsysteme: APTMS, DACH, TMOS, N 2 /H 2 (Funktionalisierung) KW in Abhängigkeit von den Behandlungsparametern Hydrophobe Schichtsysteme: HMDSO, TMS KW ~ Mit partikelartiger Unterschicht KW ~ APTMS-Beschichtung - Wasserrandwinkel 5 s 10 s 20 s 4 x 5s V123-1 V123-2 V123-3 V123-4 Wasserrandwinkel

23 Primäre und sekundäre Oberflächenmodifizierung Funktionelle Gruppen auf Oberflächen fördern das adhärente Zellwachstum (Primärmodifikation) Oberflächen, an die gezielt Biomoleküle (z. B. Antikörper) gebunden werden können, um spezifische Nachweisreaktionen durchzuführen (Sekundärmodifikation) Ohne Beschichtung kein Zellwachstum Adhärentes Zellwachstum in beschichtetem Beutel Aminofunktionalisierte Folie NHS aktiviertes Biotin Streptavidin Adenoviraler Vektor Biotinylierter adenoviraler Vektor

24 Modifizierung von 3D-Substraten Verbesserung der Benetzbarkeit in den Wells Erzeugung von funktionellen Gruppen für die Kopplung von Biomolekülen oder die Verbesserung der Adhärenz von Zellen Corona-Behandlung in definierter Gasatmosphäre Behandlung des gesamten inneren Wells Beschichtung von Bauteilen in Beuteln Beutel dient gleich als Verpackung Weitere Funktionen, z.b. Barriereschichten

25 Beschichtung von langen Schläuchen oder Kapillaren Tischbewegung Keramikelektroden mit Hochspannung Schlauch mit Plasma Geerdeter Substrattisch Bereich der Keramikelektroden Schlauch mit Plasma

26 Wasserrandwinkel / Beschichtung von langen Schläuchen oder Kapillaren Inertgas: Helium T Beschichtung : 100 s Prekursor: HMDSO Gleichmäßige Beschichtung auch bei langen Substraten, da keine Prekursorverarmung Limitierung der Feldstärke durch Entladungen außerhalb der Kapillare ,0 % 0,8 % 0,4 % 0,2 % (Repro) 0,2 % Referenz Entfernung zum Einlass / mm

27 Selektive Beschichtung durch Einsatz von Löschgas Ziel: Monolithischer Separator für die kontinuierliche Auftrennung von Mehrphasensystemen Ausnutzung von Kapillarkräften für das Trennen der polaren und unpolaren Phasen Bedarf: Unterschiedliche Beschichtung der Seitenwände eines Y-Kanals Schichteigenschaft 1 (z. B. hydrophob) Bereich mit gegenüberliegenden unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften Schichteigenschaft 2 (z. B. hydrophil)

28 Selektive Beschichtung durch Einsatz von Löschgas

29 Inhalt Dielektrische Barrierenentladung DBD Haftungsverbesserung durch chemisch reaktive Gruppen Anwendungen in der Medizintechnik und Biotechnologie Anwendungen von Mikroplasmen Zusammenfassung

30 Bonden von Wafern in der Mikrosystemtechnik Drucksensor Beschleunigungssensor Quellen:

31 Zwischenschichtfreies Fügen:»Bonden«Fügen ohne Kleber, Lot oder Eutektikum und ohne Schmelzen der Oberflächen Reaktion von chemisch reaktiven Gruppen an den zu fügenden Oberflächen Thermische Aktivierung der Reaktion zwischen den funktionellen Gruppen Bsp.:»Silizium-Direkt-Bonden«Herstellung von MEMS O Si - O Si O Si -O l l l OH OH OH OH OH OH l l l O Si - O Si O Si -O Pre-Bond O Si - O Si O Si -O / / / HO OH HO OH HO OH / / / O Si - O Si O Si -O Temp. Post-Bond O Si - O Si O Si -O l l l O H 2 O O H 2 O O H 2 O l l l O Si - O Si O Si -O

32 Einfluss der DBD-Behandlung auf die Bondfestigkeit Ref. Plasma Atmosphärendruck- Plasmaaktivierungen erhöhen deutlich die Bondfestigkeiten. Das optimale Prozessgas variiert mit der Temperatur. Unter 100 C ergibt synth. Luft die höchste Bondfestigkeit.

33 Entwickelte Plasmaanlagen - SÜSS nanoprep 200

34 Plasma Printing vs. Local Plasma Treatment Text Text2 0 µm 50 µm 100 µm 150 µm 200 µm 250 µm 300 µm 350 µm 400 µm 450 µm 500 µm

35 Benetzung nach lokaler Behandlung 150 µm Hydrophober Wafer wird durch Kontakt mit dem Plasma hydrophil. Der Wasserfilm benetzt nur die hydrophilen Bereiche.

36 Entwickelte Plasmaanlagen Integration im SÜSS Bond Aligner (SELECT) SÜSS MicroTec Mask/Bond Aligner. Plasma Toolkit for SÜSS Aligner.

37 Selektive Metallisierung Anwendungsbereiche: Flexible Leiterplatten RFID-Antennen Bild: Tagstar Systems GmbH Biosensoren Bilder: Mektec Europe GmbH Bilder: Senslab GmbH

38 P 3 T Additive Metallisierung durch Kombinationsprozess Konzept 1. Plasma-Printing bei Atmosphärendruck 2. Nasschemische Metallisierung (Galvanik) 3. Aufbau- und Verbindungstechnik

39 P 3 T Plasma-Printing von Rolle zu Rolle Einsatz einer Druckwalze, wie sie vom konventionellen Tiefdruck her bekannt ist kostengünstig mit hoher Auflösung (2 µm) herstellbar Umlaufende PTFE-Folie PI-Gold-Elektrode Anpressmechanismus Folie Tiefdruck- Zylinder Prozessgas

40 P 3 T Plasma-Printing von Rolle zu Rolle Versuchsanlage und optimierte Prozessparameter Ressourceneffizienz durch Elektrodenoptimierung: Prozessgas: 27:3:70 Vol.-% N 2 :H 2 :He 90:10 Vol.-% N 2 :H 2 Elektrische Leistung: 100 W < 30 W Folienbreite: 250 mm (geplant: 400 mm)

41 P 3 T Ziel der Plasmabehandlung beim Plasma-Printing Unbehandelte Polymerfolie N 2 -, N 2 /H 2 - oder N 2 /NH 3 -Plasma Polymeroberfläche mit Aminogruppen NH 2NH2 NH 2 Ortsselektive Aminierung und Hydrophilierung der Folienoberfläche ortsselektive Aktivierung für außenstromlose Metallisierung

42 P 3 T Bekeimung der Oberfläche (Prozessschritte 1 und 2) Schritt 1: Schritt 2: Salzsaure PdCl 2 -Lösung bei RT für 5 min Reduktion von Pd 2+ zu Pd 0 in Hypophosphitlösung, C für 5 min Pd-Belegung (XPS) auf PI nach Bekeimung/Reduktion metallisiert metallisiert nicht

43 P 3 T Nasschemische Metallisierung (Prozessschritt 3) Schritt 3: Außenstromlose Metallisierung mit kommerziellen, leicht modifizierten Bädern (ATOTECH) Kupfer: T = C, Abscheiderate 5-6 µm/h Palladium: T = 85 C, Abscheiderate 3-6 µm/h Dotgröße: 200 µm, Linienbreite: 75 µm

44 Inhalt Dielektrische Barrierenentladung DBD Haftungsverbesserung durch chemisch reaktive Gruppen Anwendungen in der Medizintechnik und Biotechnologie Anwendungen von Mikroplasmen Zusammenfassung

45 Zusammenfassung Dielektrische Barrierenentladungen unter definierten Atmosphären bieten neue, kostengünstige, umweltfreundliche und schnelle Prozesse für die gezielte Oberflächenfunktionalisierung und Beschichtung Haftungsverbesserung durch Funktionalisierung Ankopplung von Biomolekülen und Zellen Ortsselektives Bonden von Materialien bei sehr geringen Temperaturen Behandlung von komplexen 3D-Objekten Innenbeschichtung von Beuteln, Schläuchen und mikrofluidischen Komponenten Strukturierte Behandlung durch Mikroplasmen (Plasma Printing) Additive Metallisierung

46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!