Lampes magiques : dispositifs à plasma à microcavité et leurs applications commerciales

May 19, 2023

03/11/2022 15:51:05 Michael O'Boyle

En 1995, le professeur J. Gary Eden de l'Université de l'Illinois a été approché par James Frame et David Wheeler, deux étudiants diplômés du Département de génie électrique et informatique.

Ils lui montrèrent un bloc de silicium et lui demandèrent : "Ça vous dérange si nous forons un petit trou dedans et voyons si nous pouvons le remplir avec un gaz et générer un plasma ?"

"Bien sûr que non, allez-y," leur dit Eden.

Arrivant 30 ans plus tard, les descendants de cette première expérience constituent une toute nouvelle technologie : les dispositifs à plasma à microcavité.

Comme indiqué dans l'article de couverture d'octobre de Plasma Processes and Polymers, ils ont donné naissance à une multitude d'appareils compacts et abordables fabriqués par trois sociétés - EP Pure, Eden Park Illumination et Cygnus Photonics - qui vont révolutionner la purification de l'eau, de l'air et des surfaces. désinfection et fabrication électronique. Et tout cela parce que les chercheurs de l'Université de l'Illinois ont entrepris un projet qui semblait tout simplement intéressant.

Plasmas à microcavités : plus c'est petit, mieux c'est

Comme d'autres technologies plasma, y ​​compris les enseignes au néon et les ampoules fluorescentes, les dispositifs à microcavité fonctionnent en appliquant une haute tension pour éloigner les électrons des atomes ou des molécules d'un gaz contenu. Le résultat, un plasma, peut être utilisé pour générer de la lumière ou provoquer des réactions chimiques.

Cependant, au lieu de le loger dans un grand tube, la nouvelle technologie confine le plasma dans un réseau de petites cavités, chacune d'une taille inférieure à un millimètre. Cela donne aux appareils quelques différences clés qui les rendent particulièrement attrayants pour les applications.

Les dispositifs à microcavité fonctionnent à la pression atmosphérique, alors que les gaz des dispositifs à plasma standard doivent être pompés sous vide. Cela simplifie grandement le processus de fabrication, puisque l'unité de logement n'a pas besoin de tenir compte de la différence de pression.

De plus, la petite taille de la cavité signifie également qu'ils consomment beaucoup moins d'énergie électrique que les appareils standard, ce qui prolonge considérablement leur durée de vie.

Production d'ozone et purification de l'eau

L'application la plus importante des dispositifs plasma à microcavité à ce jour a été la production d'ozone pour la désinfection de l'eau potable. La chloration n'est pas viable dans de nombreuses régions du monde et présente des risques pour la santé humaine et l'environnement, faisant de l'ozonation une alternative attrayante.

Les barrières traditionnelles du coût et de la consommation d'énergie sont surmontées par des réacteurs chimiques miniatures utilisant des plasmas à microcavité développés dans le laboratoire d'Eden. Ces unités produisent de l'ozone à partir de l'air ambiant à un taux de 0,3 gramme - assez pour désinfecter 10 gallons d'eau - par heure. Parce qu'ils sont petits et consomment moins de 15 watts d'électricité, ils se sont avérés idéaux pour désinfecter l'eau potable dans les communautés hors réseau dans plus de 20 pays.

Les plus grandes installations utilisant ces appareils fonctionnent dans la région de Kisumu, dans l'ouest du Kenya. Construit et installé par un partenariat entre l'Université de l'Illinois à Chicago, le Safe Water and AIDS Project du Kenya et la Fondation Eden Park, chacun des deux "kiosques" autosuffisants produit 2000 litres d'eau potable chaque jour à partir d'une rivière contaminée. ou des eaux de surface, et ils sont exploités, entretenus et gérés par des Kenyans locaux.

Lumière germicide

L'application de sources lumineuses à plasma à microcavité pour désinfecter l'air et les surfaces dans les espaces publics a attiré une attention intense au cours des trois dernières années.

Les lampes qui émettent de la lumière ultraviolette pour tuer les microbes, appelées «lampes germicides», sont une technologie bien établie, mais la longueur d'onde qu'elles utilisent, 254 nanomètres, est connue pour être cancérigène pour l'homme. Basé sur la technologie de l'Université de l'Illinois, Eden Park Illumination a conçu une lampe à microcavité qui émet une lumière de 222 nanomètres qui tue les agents pathogènes viraux et bactériens. Cependant, la longueur d'onde ne peut pas pénétrer la couche externe de la peau humaine, elle est donc sans danger pour l'exposition humaine.

Les ventes de ces lampes étaient modestes avant la pandémie de Covid-19, mais la demande a explosé par la suite. Ils sont maintenant utilisés dans des endroits du monde entier, notamment des restaurants, la Space Needle de Seattle et une base militaire américaine.

"Lampes magiques" pour la fabrication électronique

Une application inattendue des lampes à plasma à microcavité arrive maintenant à maturité commerciale : la fabrication électronique.

Les premières recherches de Dane Sievers, coordinateur d'un laboratoire d'enseignement en ingénierie, et d'Andrey Mironov, professeur assistant de recherche à l'ECE, ont abouti à une lampe qui fonctionne à 172 nanomètres, dans le spectre ultraviolet lointain. Ils ont réalisé que les photons qu'il génère peuvent rompre la plupart des liaisons chimiques. Ainsi, si un modèle à motifs est placé sur pratiquement n'importe quelle surface de polymère, la lampe détruira les polymères exposés et gravera le motif.

Cela rend les appareils idéaux pour l'impression de circuits intégrés. Les méthodes standard de gravure des motifs de circuit sont coûteuses, se déroulent sous vide et nécessitent des substances toxiques. En revanche, un processus facilité par des lampes à base de microcavités est peu coûteux, fonctionne dans une atmosphère d'azote à température ambiante et l'étape finale de développement n'utilise que de l'alcool à friction.

Les améliorations sont si vastes que Sievers appelle les dispositifs à plasma à microcavité des "lampes magiques". Lui et Mironov travaillent à apporter ces techniques à l'industrie avec leur start-up Cygnus Photonics.

Parce qu'ils pourraient mieux faire

Les dispositifs à plasma à microcavité ont donné lieu à une multitude d'applications, mais ils ont commencé comme une enquête purement fondamentale. Eden encourage ses étudiants à consacrer 20% de leur temps à l'étude des sujets de leur choix. Ainsi, lorsque Frame et Wheeler ont lu un article dans lequel il était démontré que des plasmas existaient dans de petites cavités et ont pensé : « Nous pouvons faire beaucoup mieux », ils ont été autorisés à le poursuivre pour son propre bien.