La présente invention concerne un procédé et une installation d'ionisation d'atmosphère gazeuse par décharge électrique à barrière diélectrique et leur application à la production de substrats traités en surface.

De telles installations, communément appelées « installations de trai- tement corona », sont utilisées par exemple, pour le traitement de surface de substrats en défilement tels que des films plastiques ou des feuilles métalliques.

Dans le cadre de ces applications, ces installations permettent de mo- difier les caractéristiques d'énergie de surface et d'adhérence des substrats trai- tés lors de leur passage dans une zone d'ionisation.

De manière générale, ces installations comportent une enceinte de traitement dans laquelle sont situées deux électrodes disposées parallèlement et espacées d'un intervalle compris, typiquement entre 0,5 et 2 mm, cet intervalle entre les deux électrodes constituant la zone d'ionisation.

L'une des électrodes, désignée « électrode de référence », est reliée à un potentiel de référence tel que la terre, et l'autre, désignée « électrode haute tension », est reliée à un générateur de haute tension alternative.

De manière classique, au moins l'une des deux électrodes est cou- verte d'un matériau diélectrique.

En fonctionnement, de manière classique, le générateur haute tension délivre une tension sinusoïdale dont la valeur crte à crte varie de 10 à 20 kV et dont la fréquence varie de 20 à 50 kHz.

Il apparaît donc entre les deux électrodes, un champ électrique de grande intensité qui permet d'ioniser l'atmosphère gazeuse (ci-après désignée par « atmosphère ») de l'intervalle les séparant.

En effet, l'atmosphère de la zone d'ionisation définie par la zone entre les électrodes, est composée d'une pluralité de corps plus ou moins réactifs au champ électrique.

Ainsi lorsque l'on applique une différence de potentiel entre ces deux électrodes, les électrons générés à l'électrode haute tension, appelés électrons germes, dérivent vers l'électrode chargée positivement sous l'effet de la diffé- rence de potentiel et entrent en collision avec des molécules de l'atmosphère de

la zone d'ionisation. Ce phénomène est communément appelé avalanche élec- tronique.

Si l'énergie transmise par l'électron est supérieure à l'énergie d'ionisation d'une molécule gazeuse présente dans l'atmosphère, la collision va entraîner la création de nouveaux électrons qui vont générer à leur tour de nou- velles avalanches. Ce processus va ainsi se répéter pour former un filament continu et lumineux qui se propage entre les deux électrodes.

On définit ainsi le temps de propagation de l'avalanche électronique par le temps que met le filament à se propager entre les deux électrodes.

Ce temps est mesurable à l'aide, par exemple, d'un photomultiplica- teur capable de traduire l'intensité du filament en une expression de courant rapportée à une base temporelle.

Le temps de propagation varie en fonction de la nature et de la géo- métrie des électrodes ainsi qu'en fonction de leur écartement et de la nature de l'atmosphère de l'intervalle les séparant.

Typiquement, le temps de propagation de l'avalanche électronique est de l'ordre de 10 à 100 ns.

Le filament s'éteint lorsque les charges accumulées sur la couche du diélectrique qui recouvre au moins une électrode, annulent le champ électrique.

Des nouveaux filaments se créent de façon aléatoire dans l'atmosphère d'ionisation et sur la surface des électrodes, conduisant à la forma- tion d'une multitude de filaments, à l'intérieur desquels vont se former les radi- caux et les espèces excitées.

Ce phénomène est couramment désigné sous le terme de « décharge filamentaire ». Un élément critique de la performance de ces installations réside dans la densité et l'uniformité de la distribution spatiale de cette décharge électri- que.

En effet, une décharge présentant des filaments trop éloignés les uns des autres aboutit à une ionisation non-uniforme du gaz présentant des zones de gaz non ionisées et des filaments possédant une énergie très importante. La température à l'intérieur du filament est très largement supérieure à la tempéra- ture moyenne, ce qui peut conduire à endommager la surface du substrat traité, détériorant ainsi son intégrité et notamment ses qualités d'imperméabilité.

De mme, dans le cas des traitements de films polymères, ces hautes énergies conduisent à une chimie non optimale par une diminution des espèces actives telles que les radicaux d'oxygène et d'azote.

La densité et l'uniformité de la distribution spatiale de cette décharge peuvent se constater visuellement, grâce notamment à des photos de la zone d'ionisation. De mme, la non-uniformité de traitement du substrat se constate sur des mesures de l'énergie de surface par une diminution de cette énergie ou par de zones d'énergies de surface inégales.

La densité et l'uniformité de la distribution spatiale de la décharge dé- pend principalement de la forme du signal électrique appliqué à l'électrode haute tension et secondairement des paramètres relatifs à l'atmosphère de la zone d'ionisation (composition, débit, pression, température).

Certains générateurs de haute tension délivrent des signaux présen- tant une forme générale de sinusoïdes interrompues alternant des signaux sinu- soïdaux de mme nature que ceux décrits précédemment et des signaux conti- nus.

Cependant, les décharges électriques obtenues avec les installations existantes restent insuffisamment denses et spatialement uniformes et génèrent d'importantes limitations dans les conditions d'utilisation.

Le but de la présente invention est de permettre la création d'une dé- charge plus dense et de distribution spatiale plus uniforme que celles obtenues grâce aux installations existantes.

La présente invention à pour objet un procédé d'ionisation par dé- charge électrique à barrière diélectrique d'une zone d'ionisation dont l'atmosphère comporte des éléments actifs ionisables, la zone d'ionisation étant délimitée par deux électrodes, à savoir une électrode de référence reliée à un potentiel de référence et une électrode haute tension reliée à un générateur élec- trique, l'une au moins desdites électrodes étant couverte d'un matériau diélectri- que, le procédé comprenant une étape d'ionisation au cours de laquelle l'électrode haute fréquence est chargée électriquement par ledit générateur élec- trique afin d'ioniser des éléments actifs de la zone d'ionisation, et se caractérisant en ce que ladite étape d'ionisation comprend l'excitation de l'électrode haute tension par un signal d'excitation présentant des impulsions entre un potentiel de

référence et un potentiel d'ionisation, dont le front de montée est de l'ordre du temps de propagation de l'avalanche électronique dans la zone d'ionisation.

Suivant d'autres caractéristiques de l'invention : - ledit front de montée du signal d'excitation est compris entre 10 et 250 ns, préférentiellement entre 10 et 70 ns ; - lesdites impulsions du signal d'excitation ont une durée comprise en- tre 50 et 500 ns ; -ladite durée des impulsions est comprise entre 150 et 250 ns ; - lesdites impulsions du signal d'excitation ont une fréquence régu- lière ; - ladite fréquence desdites impulsions est comprise entre 15 et 55 kHz ; et -lesdites impulsions atteignent un potentiel d'ionisation supérieur en valeur absolue audit potentiel de référence de 2 à 15 kV.

L'invention a également pour objet un procédé de production d'un substrat traité en surface par décharge électrique à barrière diélectrique dans une zone d'ionisation dont l'atmosphère comporte des éléments actifs ionisables, la zone d'ionisation étant délimitée par une électrode de référence et une électrode haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - une étape d'entraînement en défilement d'un substrat dans la zone d'ionisation entre lesdites électrodes ; et - une étape d'ionisation de ladite zone d'ionisation au moyen d'un pro- cédé tel que décrit précédemment.

La présente invention a également pour objet une installation d'ionisation par décharge électrique à barrière diélectrique dans une zone d'ionisation dont l'atmosphère comporte des éléments actifs ionisables, ladite installation comportant un générateur électrique haute tension et une enceinte de traitement, l'enceinte comportant au moins deux électrodes, à savoir une élec- trode de référence reliée à un potentiel de référence et une électrode haute ten- sion reliée à un générateur électrique, ces deux électrodes définissant entre elles la zone d'ionisation, et au moins l'une d'entre elles étant couverte d'un matériau diélectrique, ledit générateur délivrant un signal d'excitation pour charger l'électrode haute tension afin d'ioniser lesdits éléments actifs ionisables de la zone d'ionisation, caractérisée en ce que le générateur électrique comporte des

moyens de commande adaptés pour que ledit signal d'excitation présente des impulsions entre un potentiel de référence et un potentiel d'ionisation, dont le front de montée est de l'ordre du temps de propagation de l'avalanche électroni- que dans la zone d'ionisation.

Suivant d'autres caractéristiques : - lesdits moyens de commande comprennent un module de correction de facteur de puissance adapté pour transformer un signal sinusoïdal en un si- gnal continu de haute tension, le signal continu étant délivré à un module de conversion délivrant en sortie un signal créneau à un module de transformation et d'adaptation, lequel est relié en sortie à une charge afin de délivrer ledit signal de commande à des moyens de génération de courant afin de générer ledit si- gnal d'excitation ; - lesdits moyens de commande sont adaptés pour que ledit front de montée soit compris entre 10 et 250 ns, préférentiellement entre 10 et 70 ns ; - lesdites impulsions ont une durée comprise entre 50 et 500 ns ; - ladite durée des impulsions est comprise entre 150 et 250 ns ; - lesdits moyens de commande sont adaptés pour que lesdites impul- sions dudit signal d'excitation aient une fréquence régulière ; - lesdits moyens de commande sont adaptés pour que ladite fré- quence desdites impulsions soit comprise entre 15 et 55 kHz ; - lesdits moyens de commande sont adaptés pour que lesdites impul- sions atteignent un potentiel d'ionisation supérieur en valeur absolue audit poten- tiel de référence de 2 à 15 kV ; - lesdits moyens de commande comportent un module de pilotage adapté pour en contrôler le fonctionnement ; - ledit module de pilotage est accessible par un utilisateur pour son pa- ramétrage au travers de moyens d'interface ; - l'installation comporte en outre des moyens de commande de l'atmosphère de la zone d'ionisation ; - lesdits moyens de commande de l'atmosphère comportent des moyens d'alimentation et de régulation en gaz extérieurs à ladite enceinte et des moyens d'amenée de gaz, intérieurs à ladite enceinte et permettant le transfert du gaz entre lesdits moyens d'alimentation et de régulation en gaz et ladite zone d'ionisation ; et

- lesdits moyens de commande de l'atmosphère permettent de com- mander au moins l'un des paramètres de l'atmosphère de la zone d'ionisation parmi le groupe de paramètres constitué de : - la nature de l'atmosphère ; - la pression de l'atmosphère ; - les débits des gaz ; et - la température des gaz.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la Fig. 1 est un schéma général d'une installation selon l'invention destinée au traitement d'un substrat ; - la Fig. 2 est un schéma de principe du générateur électrique de l'installation selon l'invention ; et - la Fig. 3 représente en coupe longitudinale deux exemples de réali- sation physique de la zone d'ionisation.

Sur la figure 1, on a représenté une installation selon l'invention desti- née au traitement d'un substrat continu.

Cette installation comporte une enceinte de traitement 2 reliée à un générateur électrique 4 adapté pour la génération de signaux de haute tension.

L'installation comporte également des moyens 6 d'alimentation et de régulation en gaz reliés à l'enceinte de traitement 2 pour le transport de gaz.

Elle comporte en outre des rouleaux 8 d'entraînement en défilement d'un substrat continu 10, adaptés pour entraîner en défilement le substrat 10, constitué par exemple par un film continu polymère synthétique ou naturel, au travers de l'enceinte de traitement 2.

L'enceinte de traitement 2 comporte une électrode de référence 21 de forme cylindrique, rotative autour de son axe longitudinal, recouverte d'un maté- riau diélectrique 22 et reliée électriquement à un potentiel de référence tel que la terre et, une électrode haute tension 23 connectée électriquement au générateur 4 et en forme de lame s'étendant parallèlement à l'axe de l'électrode de réfé- rence 21.

Les électrodes 21 et 23 définissent entre elles une zone d'ionisation 24.

Typiquement, la zone d'ionisation 24 est haute de 0,5 à 5 mm et préfé- rentiellement de 0,5 à 2 mm afin de permettre le passage du substrat 10 entre les électrodes 21 et 23.

De par sa forme, l'électrode de référence 21 participe à l'entraînement en défilement du substrat 10. Ainsi, après avoir été dévié par un premier rouleau 8, le substrat 10 pénètre dans l'enceinte 2 dans une ouverture 25 de celle-ci op- posée à l'électrode de haute tension 23. Le substrat 10 s'enroule ensuite autour de la partie supérieure de l'électrode de référence 21 en traversant la zone d'ionisation 24 et ressort de l'ouverture 25 avant d'tre à nouveau dévié par le second rouleau 8.

L'enceinte 2 comporte également des moyens 26 d'amenée de gaz (visibles sur les fig. 3 et 4) connectés aux moyens 6 d'alimentation et de régula- tion en gaz et débouchant à proximité de l'électrode haute tension 23 dans la zone d'ionisation 24.

En fonctionnement, les moyens 6 d'alimentation et de régulation en gaz permettent, grâce aux moyens d'amenée 26, de commander les paramètres de l'atmosphère de la zone d'ionisation 24.

Notamment ces moyens 6 et 26 permettent de commander, par exemple, la nature, le débit, la température et/ou la pression des gaz amenés dans la zone d'ionisation 24.

Afin de permettre le fonctionnement de l'installation, l'atmosphère de la zone d'ionisation 24 comporte au moins un élément actif ionisable.

Le temps de propagation de l'avalanche électronique, dans la zone d'ionisation 24 est typiquement compris entre 10 et 100 ns et est préférentielle- ment de l'ordre de 50 ns.

Préférentiellement, l'atmosphère de la zone d'ionisation 24 en fonc- tionnement est composée d'un mélange azote/protoxyde d'azote à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.

Le générateur électrique 4 comporte de manière classique des moyens de génération d'un courant sans contact tels qu'un transformateur 41 constitué d'un bobinage primaire 42 et d'un bobinage secondaire 43.

Le bobinage primaire 42 est relié à des moyens de commande 44 qui seront décrits plus en détail en référence à la figure 2.

Le bobinage secondaire 43 est relié à l'électrode haute tension 23 ain- si qu'à l'électrode de référence 21 et donc au potentiel de référence.

En fonctionnement, les moyens de commande 44 permettent de géné- rer un signal de commande (SC) du transformateur 41, présentant des impul- sions de forte intensité et de courte durée.

Les impulsions du signal SC interviennent avec une fréquence F de l'ordre de 5 à 70 kHz et préférentiellement comprise entre 20 et 50 kHz.

L'intensité maximale en valeur absolue V atteinte par les impulsions, est liée à la nature des éléments actifs présents dans l'atmosphère de la zone d'ionisation 24 et est de l'ordre de 2 à 15 kV et, est préférentiellement comprise entre 5 et 10 kV.

Par exemple, dans le cas d'une atmosphère d'azote, les impulsions at- teignent des tensions 7 kV environ (14kV environ de crte à crte).

Les impulsions présentent des fronts de montée 8 du mme ordre de grandeur que le temps de propagation de l'avalanche électronique dans la zone d'ionisation 24, à savoir des fronts de montée compris entre 10 et 250 ns.

Ainsi, il apparaît que la durée 8 du front de montée est approximative- ment comprise entre une et cinq fois le temps de propagation de l'avalanche électronique.

Préférentiellement, la durée 8 est comprise entre 10 et 70 ns.

Les impulsions présentent une durée u qui doit tre suffisante pour permettre le transfert d'une quantité d'énergie suffisante afin de créer une densité suffisante d'éléments activés dans la zone d'ionisation 24.

Typiquement, cette durée u est de l'ordre d'une centaine de nanose- condes et est préférentiellement comprise entre 50 et 500 ns et avantageuse- ment entre 150 et 250 ns environ.

La durée, u inclut donc la durée 8. En fonction de la quantité d'énergie à transmettre, de la durée 8 et de la tension maximale à atteindre, les impulsions peuvent présenter à l'intérieur de la durée, u, des plateaux de valeurs afin de permettre la transmission d'une quantité d'énergie suffisante.

Ainsi par exemple, la durée 8 du front de montée est de 50 ns, suivie d'un plateau de 200 ns à la valeur de la tension maximale pour une durée, u d'impulsion de 250 ns environ.

Le signal SC appliqué au bobinage primaire 42 du transformateur 41, permet de générer, aux bornes du bobinage secondaire 43, un signal d'excitation (SE) de forme similaire au signal SC et présentant les mmes impulsions de forte intensité et de courte durée.

Ce signal SE est donc appliqué à l'électrode haute tension 23 de l'enceinte de traitement 2 et permet de générer, dans la zone d'ionisation 24, une décharge électrique d'une densité et d'une distribution spatiales accrues.

Notamment, un tel signal de commande SC et donc d'excitation SE génère au niveau de la zone d'ionisation 24, une élévation de température plus faible que les équipements existants et permet de ce fait, l'apparition d'une dé- charge électrique contenant davantage de radicaux et d'espèces excitées.

Grâce aux rouleaux 8 d'entraînement en défilement du substrat 10, ce- lui-ci est entraîné en défilement dans la zone d'ionisation 24, entre la cathode 23 et l'anode 21.

Par ailleurs, les rouleaux 8 d'entraînement en défilement permettent également de maintenir le substrat 10 en tension et au contact de la couche de diélectrique 22 périphérique de l'électrode de référence 21.

Ainsi, la face du substrat 10 au contact de la couche de diélectrique 22 est isolée électriquement et n'est pas altérée lors du passage du substrat dans la zone d'ionisation 24.

A l'inverse, la face exposée du substrat 10 est modifiée lors de son passage dans la zone d'ionisation 24 par les électrons, les radicaux, les ions et autres espèces excitées générés dans les décharges électriques intervenant en- tre les électrodes haute tension 23 et de référence 21, de sorte que son énergie de surface augmente et que des propriétés telles que sa mouillabilité ou son apti- tude à l'adhésion sont modifiées.

Grâce aux caractéristiques la densité et l'uniformité spatiale élevées de la décharge électrique dans la zone d'ionisation 24, le traitement effectué sur le substrat 10 est plus uniforme. De mme, il est alors possible d'accroître la hau- teur de la zone d'ionisation 24 afin de permettre le passage d'un substrat plus épais tout en maintenant une bonne qualité de traitement.

En référence à la figure 2, on a représenté le schéma de principe des moyens de commande 44 du générateur haute tension 4.

Les moyens de commande 44 sont reliés par exemple au réseau élec- trique triphasé, de sorte qu'ils reçoivent en entrée un signal AC sinusoïdal de 220 volts à 50 Hz.

Ce signal est introduit dans un module 50 de correction de facteur de puissance adaptée pour délivrer une tension continue stabilisée TS de par exem- ple 360 volts.

Cette tension TS est introduite dans un module de conversion 52, qui délivre à son tour un signal créneau SCR dont la fréquence F correspond à la fréquence souhaitée pour le signal de commande SC, et dont l'amplitude corres- pond à l'amplitude du signal TS.

Ce signal est adressé à un module de transformation et d'adaptation 54 permettant de délivrer en sortie, aux bornes d'une charge 56, le signal de commande SC, tel que défini en référence à la figure 1.

L'ensemble du fonctionnement des moyens de commande 44 est pilo- té grâce à un module de pilotage 58 adapté pour gérer l'ensemble des moyens de commande 44.

Avantageusement, le module 58 est adapté pour tre connecté à des moyens d'interface 59 afin de permettre à un utilisateur de modifier des paramè- tres du signal de sortie SC.

Notamment, un opérateur peut ainsi régler un ou plusieurs des para- mètres 8, u, V et F du signal SC en fonction, par exemple, des paramètres de l'atmosphère de la zone d'ionisation 24 (pression, température, nature, débit).

Sur la figure 3, on a représenté un exemple de réalisation de la zone d'ionisation.

On reconnaît sur ce schéma, l'électrode de référence 21 dont la forme cylindrique est localement assimilable à un plan tel que représenté sur cette fi- gure, recouverte par la couche de diélectrique 22.

A l'opposé de l'électrode de référence 21, par rapport à la zone d'ionisation 24, on reconnaît l'électrode haute tension 23 connectée électrique- ment au générateur haute tension non représenté sur cette figure.

Dans ce mode de réalisation, les moyens 26 d'amenée de gaz com- portent un unique tube 62 de diffusion de gaz situé en amont de l'électrode haute tension 23 par rapport au sens de défilement du substrat 20 (20 n'est pas visible

sur la figure) et permettant de répandre un gaz prédéterminé dans la zone d'ionisation 24.

De manière classique, les éléments adjacents à la zone d'ionisation 24 sont séparés entre eux par des éléments isolants 64.

Sur le tableau T1 ci-dessous, on a représenté la comparaison des ré- sultats obtenus avec une installation selon l'invention par rapport à une installa- tion classique, sur le traitement d'un film polypropylène.

Les enceintes présentent des zones d'ionisation 24 telles que celle décrite en référence à la figure 3, d'une hauteur de 1 mm avec des électrodes de 15 cm de longueur mesurées transversalement au sens de défilement du subs- trat, et une atmosphère d'azote seul ou additionnée de gaz dopants.

Dans le cadre de la mise en oeuvre de l'invention, le signal d'excitation SE présente des impulsions à une fréquence de 20 kHz avec des temps de mon- tée 8 de 40 ns, des intensités maximales V de 7 kV et d'une durée approxima- tive, u de 150 ns.

Le signal classique présente quant à lui un signal d'excitation sinusoï- dal d'une fréquence de 23,6 kHz avec une amplitude crte à crte de 14 kV ( 7 kV).

L'énergie transmise au substrat traité, ou dose, est calculée en fonc- tion de la puissance de la décharge, de la longueur de l'électrode et de la vitesse de défilement du substrat au travers de la zone d'ionisation. Elle s'exprime en watt minute par mètre carré (W. mn/m2).

L'énergie de surface du substrat après traitement est mesurée de ma- nière classique et est exprimée en milli-Newton par mètre (mN/m).

TABLEAU T1 Dose Es (mN/m) Es (mN/m) Atmosphère Invention Classique 20 47 43 40 63 57 N2 60 71 67 20 45 42 40 47 45 2% 02 60 50 47 20 51 44 40 66 57 500 ppm () N20 60 73 67

(*) parties par million II apparaît donc que quel que soit le mélange gazeux de l'atmosphère de la zone d'ionisation 24, les énergies de surfaces obtenues sur un mme subs- trat à l'aide de l'installation selon l'invention sont nettement supérieures à celles obtenues pour une installation classique, à doses de traitement identiques.

Dans d'autres modes de réalisation, comme connu en soi, l'utilisation d'une électrode de pré-ionisation permet un espacement des électrodes dans la zone d'ionisation 24 plus important et/ou une tension maximale du signal d'excitation moins forte, pour obtenir la décharge électrique au niveau de l'électrode haute tension 23. En effet, grâce à une pré-ionisation des éléments actifs de la zone d'ionisation 24, au niveau d'une électrode de pré-ionisation, l'énergie des éléments actifs est plus élevée, de sorte qu'ils sont plus facilement ionisables au niveau de l'électrode haute tension 23.

Dans encore d'autres modes de réalisation, les moyens 25 d'amenée de gaz comportent des moyens 65 d'injection d'un gaz protecteur des électrodes à proximité de chacune des électrodes et des moyens d'injection d'un gaz actif dans la zone d'ionisation 24.

Dans le cas d'un gaz (ou d'un liquide vaporisé) polymérisable, un tel mode de réalisation permet de réduire les problèmes de dépôt et de formation de dépôts sur les électrodes et d'accroître ainsi la durée de l'opération sans arrt de l'installation pour nettoyage.

Dans d'autres modes de réalisation, les électrodes et les moyens d'entraînement en défilement sont agencés différemment.

De mme, le substrat traité peut tre un substrat plein ou poreux, continu ou discontinu, et peut tre transporté par un convoyeur au travers de la zone d'ionisation. Dans ce dernier cas, l'électrode de référence a une forme plate.

En l'absence de moyens d'alimentation et de régulation en gaz, l'atmosphère de la zone d'ionisation est composée d'air à la pression atmosphé- rique.

Dans un autre mode de réalisation, les moyens de commande sont re- liés directement aux électrodes et le générateur ne comporte pas de transforma- teur.