Research: Electronics

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Projet Plasmagen

FRHE2021

Date de début du projet : 01/06/2021
Durée du projet : 24 mois
Budget total : 149 820 €

Aujourd’hui, même si nous n’en sommes pas toujours conscients, les films minces sont devenus omniprésents. Un film mince est un revêtement dont l’épaisseur peut varier de quelques couches atomiques à quelques micromètres (c’est-à-dire plusieurs dizaines de fois plus petite que l’épaisseur d’un cheveu) et sont utilisés dans de nombreux domaines. Leur fabrication requiert l’utilisation de technologies de pointe. Parmi de nombreuses méthodes de synthèse couramment utilisées, les technologies de dépôt en phase gazeuse, et plus particulièrement les technologies plasma, sont particulièrement avantageuses car elles permettent notamment un contrôle élevé des propriétés physico-chimiques des revêtements déposés (densité, rugosité, cristallinité, composition chimique, etc.). De plus, la technologie plasma reste dans le groupe de tête des technologies les plus respectueuses de l'environnement (dépourvues de solvant).

Dans la littérature scientifique, le plasma est souvent reconnu comme étant le quatrième état de la matière [1,2]. Lorsque suffisamment d’énergie est apportée à un gaz, celui-ci peut se transformer (s’ioniser) pour former un plasma. Celui-ci contient alors de nombreuses espèces (particules) : ions, électrons, photons, etc.

Figure 1: Illustration de la formation d’un plasma (ionisation d’un gaz noble, Ar).

Il est généralement admis que plus de 99% de la matière visible de l'univers existe à l'état de plasma : les étoiles et les aurores boréales sont des exemples de plasmas naturels évidents. Cependant, la nature produit rarement un plasma sur la surface de la Terre (les éclairs et les flammes en sont de rares exemples). Cependant, certains types de plasmas peuvent être générés artificiellement par l'excitation électrique d'un gaz, en laboratoire ou dans l'industrie, pour offrir une diversité remarquable d'applications : traitement des surfaces, assainissement de l'environnement, nouvelles applications en biotechnologie et médecine et bien d’autres.

Figure 2: Exemple de plasma généré dans notre enceinte sous vide à l’aide d’une cible de titane dans une atmosphère d’argon pur.

Dans ce contexte, le projet Plasmagen (2021-2023), au travers de l’action FRHE [3], consiste à étudier et développer un prototype de générateur électrique plasma intégrant un système innovant de management d'arcs permettant d’améliorer la qualité des couches minces déposées par pulvérisation cathodique magnétron [4]. Ces dépôts permettent, par exemple, l’obtention de vitrages basse émissivité pour l’amélioration des performances énergétiques des bâtiments (PEB).

Ce suppresseur d'arcs est intégré dans un système de conversion électrique (module hacheur) générant des impulsions électriques de haute puissance sur une charge plasma. Il est important de noter que les temps de détection d’arcs ET d’action actuellement implémentés dans les générateurs plasma industriels sont de l’ordre de 3 à 20 µs. Par conséquent, les principaux objectifs du projet Plasmagen sont :

• Un temps de détection et de suppression de l’arc inférieur à 1 µs
• Une puissance nominale du module hacheur de 500W.
• Une évaluation en laboratoire des paramètres électriques ainsi que des essais d’endurance
• Un design de boitier électronique prototype contenant les différents circuits de génération d'impulsions haute puissance (typiquement 1kV, 100A, 500W)
• Un niveau de maturité de la technologie évalué à TRL4.

Notre équipe est constituée du porteur de projet (Ir D. Deckers), d’un enseignant suiveur (Dr Ir M. Michiels) et d’un chercheur engagé à temps plein pour une durée de 1 an (Ing. M. Brogniaux). L'expérience acquise lors de ce projet pourra impacter positivement les formations dispensées au sein de la catégorie technique de la HEH, ce qui, indirectement, rayonne sur les entreprises qui engagent du personnel issu de nos formations. Avec ce projet, l'équipe ambitionne d'acquérir une notoriété dans le domaine de la recherche appliquée en électronique de puissance pour la génération de plasma et ainsi participer à des projets de plus grande envergure.

Ing. M. Brogniau

Dr Ir M. Michiels

Ir D. Deckers

Contact : estisim

Références

[1] I. Langmuir, Proc. Natl. Acad. Sci., 14 (8), 627 (1928)

[2] S. Eliezer and Y. Eliezer, “The Fourth State of Matter”, Institute of Physics, 2nd updated edition (2001).

[3] Site à consulter : http://www.recherchescientifique.be/index.php?id=1607

[4] M. Michiels et al., La pulvérisation cathodique magnétron en régime d’impulsions de haute puissance (HiPIMS), Techniques de l’ingénieur, oct. 2013, IN207