DE102012200528A1 - Modifying surface properties e.g. transmissivity of substrate, comprises depositing functional layer on surface of substrate, and treating entire surface of functional layer by laser beam such that property of functional layer is changed - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung von Oberflächeneigenschaften. The invention relates to a method for changing surface properties.
Es ist bekannt, Oberflächeneigenschaften von Substraten mittels Beschichtung zu modifizieren. It is known to modify surface properties of substrates by means of coating.
Bei der Beschichtung von Oberflächen, beispielsweise zur Haftvermittlung oder zur Beeinflussung optischer Eigenschaften wie der Transmission werden möglichst gleichmäßige Schichtstärken im Nanometerbereich angestrebt. Gebräuchliche Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen sind beispielsweise die flammengestützte Abscheidung und die Flammenpyrolyse von metallischen Oxiden. Hierzu werden so genannte Precursoren einem Trägergas in einem Brenner zugesetzt, die bei der Verbrennung des Trägergases thermisch umgesetzt und deren dabei entstehende Reaktionsprodukte, beispielsweise Metalloxide, auf der Oberfläche als Beschichtung angelagert werden. In the coating of surfaces, for example for adhesion promotion or for influencing optical properties such as transmission, the most uniform layer thicknesses in the nanometer range are desired. Common methods for coating surfaces include flame-assisted deposition and flame pyrolysis of metallic oxides. For this purpose, so-called precursors are added to a carrier gas in a burner which is thermally converted during the combustion of the carrier gas and whose resulting reaction products, for example metal oxides, are deposited on the surface as a coating.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Veränderung von Oberflächeneigenschaften anzugeben. The invention is based on the object to provide an improved method for changing surface properties.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The object is achieved by a method having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Veränderung von Oberflächeneigenschaften eines Substrates wird mindestens eine Funktionsschicht auf einer Oberfläche des Substrats oder auf einer auf der Oberfläche befindlichen Schicht abgeschieden, wobei die Funktionsschicht in einem weiteren Schritt mittels eines Laserstrahls flächig derart behandelt wird, dass eine Eigenschaft und/oder Morphologie der Funktionsschicht verändert wird. In a method according to the invention for modifying surface properties of a substrate, at least one functional layer is deposited on a surface of the substrate or on a surface located on the surface, wherein the functional layer is surface treated in a further step by means of a laser beam such that a property and / or Morphology of the functional layer is changed.
Ein wesentlicher Teil der Modifikation der Oberflächeneigenschaften erfolgt so während der Laserstrahlbehandlung. An essential part of the modification of the surface properties takes place during the laser beam treatment.
Durch dieses Verfahren ist es möglich, Schichtmorphologien gezielt zu verändern bzw. einzustellen. By this method, it is possible to selectively change or adjust layer morphologies.
Die Funktionsschicht kann bis zu einer Temperatur von maximal 600°C, vorzugsweise bei Temperaturen < 100°C abgeschieden werden. The functional layer can be deposited up to a maximum temperature of 600 ° C., preferably at temperatures <100 ° C.
Das Verfahren bringt den großen Vorteil mit sich, dass die Schichten bei Raumtemperatur auf das jeweilige Substratmaterial aufgebracht und anschließend gezielt Eigenschaften generiert werden können. Es entfällt somit ein kostenintensiver Vorheizprozess vor der jeweiligen Beschichtung. Darüber hinaus ist es möglich, thermisch nicht stark belastbare Materialien, beispielsweise Kunststoffe mit dünnen Schichten zu versehen und diese anschließend flächig mit einem Laser zu behandeln, ohne dass hohe Substrattemperaturen (T >> 100°C) auftreten, welche zu einer Zerstörung des Materials führen würden. The method has the great advantage that the layers can be applied to the respective substrate material at room temperature and then specifically properties can be generated. It thus eliminates a costly preheating process before the respective coating. In addition, it is possible to thermally not strong resilient materials, for example, to provide plastics with thin layers and then surface treated with a laser without high substrate temperatures (T >> 100 ° C) occur, which lead to destruction of the material would.
Die Abscheidung der Funktionsschicht kann mittels chemischer Gasphasenabscheidung unter Verwendung eines Plasmas oder einer Flamme oder mittels eines Sol-Gel-Verfahrens oder elektrochemisch erfolgen. The deposition of the functional layer can be carried out by means of chemical vapor deposition using a plasma or a flame or by means of a sol-gel method or electrochemically.
Bei der chemischen Gasphasenabscheidung wird aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrahl oder eine Flamme erzeugt. Dabei wird mindestens ein Precursormaterial dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl bzw. dem Arbeitsgas und/oder der Flamme zugeführt und im Plasmastrahl bzw. der Flamme zur Reaktion gebracht. Dies bewirkt eine Abscheidung mindestens eines Reaktionsproduktes mindestens eines der Precursoren auf der Oberfläche des Substrats. In chemical vapor deposition, a plasma jet or a flame is generated from a working gas. In this case, at least one precursor material is supplied to the working gas and / or the plasma jet or the working gas and / or the flame and reacted in the plasma jet or the flame. This causes a deposition of at least one reaction product of at least one of the precursors on the surface of the substrate.
Der Beschichtungsprozess kann einen oder mehrere Beschichtungsdurchläufe umfassen. The coating process may include one or more coating cycles.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Abscheidung unter Atmosphärendruck. In a preferred embodiment, the deposition takes place under atmospheric pressure.
Durch das Arbeiten bei Atmosphärendruck wird auf besonders vorteilhafte Weise ein zeitaufwändiger Prozessschritt der Evakuierung einer Prozesskammer sowie Apparaturen zur Vakuumerzeugung, wie Vakuumpumpen und Prozesskammer, eingespart. Eine solche Art der Beschichtung ist mit einem Plasmabrenner mit geringem Leistungseintrag (beispielsweise 100 W bis 200 W) realisierbar. By working at atmospheric pressure, a time-consuming process step of evacuation of a process chamber and apparatus for vacuum generation, such as vacuum pumps and process chamber, is saved in a particularly advantageous manner. Such a type of coating can be realized with a plasma torch with a low power input (for example 100 W to 200 W).
Vor dem Beschichtungsprozess kann ein Aktivierungsprozess stattfinden, bei dem der Plasmastrahl oder die Flamme ohne Zufuhr eines Precursormaterials die Oberfläche des Substrats überstreicht. Dadurch wird die Oberfläche gereinigt und aktiviert, was eine bessere Haftung anschließend aufgebrachter Schichten zur Folge hat. Before the coating process, an activation process may take place in which the plasma jet or the flame sweeps over the surface of the substrate without supplying a precursor material. This cleans and activates the surface, resulting in better adhesion of subsequently applied layers.
Die Laserstrahlbehandlung kann flächig, insbesondere über die gesamte Funktionsschicht erfolgen, sie kann aber auch partiell, geometrieangepasst, erfolgen. The laser beam treatment can be flat, in particular over the entire functional layer, but it can also be partial, geometry-adapted.
In einer speziellen Ausführungsform wird eine offenporige Funktionsschicht abgeschieden, die mittels der Laserstrahlbehandlung in einer definierten Tiefe bis zu einem Mikrometer (vorzugsweise 1 nm bis 200 nm) über einen definierten kurzen Zeitraum von 1 bis 500 ms, beispielsweise 10 ms, aufgeschmolzen und verdichtet wird, um eine Barriereeigenschaft der Schicht zu verbessern. In a specific embodiment, an open-pored functional layer is deposited, which is melted and compacted by laser beam treatment at a defined depth of up to one micron (preferably 1 nm to 200 nm) over a defined short period of 1 to 500 ms, for example 10 ms, to improve a barrier property of the layer.
Dabei kann eine Barrierewirkung gegenüber beweglichen Ionen, insbesondere gegenüber Alkali- und Erdalkali-Ionen, vorzugsweise Natrium, verbessert werden. In this case, a barrier effect against mobile ions, especially against alkali and alkaline earth metal ions, preferably sodium, can be improved.
Die modifizierte Funktionsschicht kann ebenso als Diffusionsbarriere gegenüber Ionen mindestens eines anderen Alkalielements, beispielsweise Kalium, und/oder gegenüber mindestens einem Erdalkalielement, beispielsweise Magnesium oder Calcium, ausgeführt werden. The modified functional layer can also be designed as a diffusion barrier to ions of at least one other alkali element, for example potassium, and / or to at least one alkaline earth element, for example magnesium or calcium.
Die modifizierte Schicht kann auch als eine Diffusionsbarriere gegenüber mindestens einem der Stoffe Sauerstoff, Wasser, Wasserdampf und/oder organischen Lösemitteln, insbesondere bei Kunststoffen ausgeführt werden. The modified layer can also be embodied as a diffusion barrier with respect to at least one of the substances oxygen, water, water vapor and / or organic solvents, in particular in the case of plastics.
Vorzugsweise wird, insbesondere bei der Behandlung thermisch nicht stark belastbarer Substrate ein Energieeintrag bei der Laserstrahlbehandlung derart gesteuert und/oder geregelt, dass das Substrat auf maximal 100°C erwärmt wird. Preferably, in particular in the treatment of substrates which are not subject to high thermal loads, an energy input in the laser beam treatment is controlled and / or regulated such that the substrate is heated to a maximum of 100 ° C.
Mit dem Verfahren können in der Schicht beispielsweise mindestens ein Oxid und/oder ein Nitrid und/oder ein Oxinitrid mindestens eines der Elemente Silicium, Titan, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Zirkon oder Bor abgeschieden werden. Für die Abscheidung von Silicium und/oder Aluminiumoxidschichten werden vorzugsweise silicium- und/oder aluminiumorganische Verbindungen als Precursoren verwendet. Solche Schichten sind besonders als Barriereschutzschichten geeignet. With the method, for example, at least one oxide and / or one nitride and / or one oxynitride of at least one of the elements silicon, titanium, aluminum, molybdenum, tungsten, vanadium, zirconium or boron can be deposited in the layer. For the deposition of silicon and / or aluminum oxide layers preferably organosilicon and / or organoaluminum compounds are used as precursors. Such layers are particularly suitable as barrier protective layers.
Diese Precursoren können in fester, flüssiger und/oder gasförmiger Form vorliegen, wobei feste und flüssige Precursoren vor dem Einleiten in das Arbeitsgas oder den Plasmastrahl zweckmäßigerweise in einen gasförmigen Zustand oder in ein Aerosol überführt werden. These precursors may be in solid, liquid and / or gaseous form, with solid and liquid precursors being advantageously converted into a gaseous state or into an aerosol before being introduced into the working gas or the plasma jet.
Ein Durchsatz des Arbeitsgases und/oder des Precursors ist bevorzugt variabel und steuerbar und/oder regelbar. A throughput of the working gas and / or the precursor is preferably variable and controllable and / or controllable.
Durch geeignete Wahl von Prozessparametern und verwendeten Precursoren sind beispielsweise folgende Eigenschaften des Substrats gezielt veränderbar: Kratzfestigkeit, Selbstheilungsfähigkeit, Reflexionsverhalten, Transmissionsverhalten, Brechungsindex, Transparenz, Lichtstreuung, elektrische Leitfähigkeit, Reibung, Haftung, Hydrophilie, Hydrophobie, Oleophilie, Oleophobie, Oberflächenspannung, Oberflächenenergie, antikorrosive Wirkung, Schmutz abweisende Wirkung, Selbstreinigungsfähigkeit, photokatalytisches Verhalten, Antistressverhalten, Verschleißverhalten, chemische Widerstandsfähigkeit, biozides Verhalten, biokompatibles Verhalten, antibakterielles Verhalten, elektrostatisches Verhalten, elektrochromes, photochromes und gasochromes Verhalten. By a suitable choice of process parameters and precursors used, for example, the following properties of the substrate are selectively changeable: scratch resistance, self-healing ability, reflection behavior, transmission behavior, refractive index, transparency, light scattering, electrical conductivity, friction, adhesion, hydrophilicity, hydrophobicity, oleophilicity, oleophobia, surface tension, surface energy, anti-corrosive effect, dirt-repellent effect, self-cleaning ability, photocatalytic behavior, anti-stress behavior, wear behavior, chemical resistance, biocidal behavior, biocompatible behavior, antibacterial behavior, electrostatic behavior, electrochromic, photochromic and gasochromic behavior.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Funktionsschicht als eine Gradientenschicht aufgebracht werden. Als Gradientenschicht soll eine Schicht verstanden werden, deren Zusammensetzung sich über ihre Dicke allmählich ändert. Der Begriff wird in Abgrenzung zu benachbarten Schichten mit verschiedenen Eigenschaften verwendet, die eine klare Grenze aufweisen. In one embodiment of the invention, the functional layer can be applied as a gradient layer. The gradient layer is to be understood as meaning a layer whose composition changes gradually over its thickness. The term is used in contrast to adjacent layers with different properties that have a clear boundary.
Als Arbeitsgas kann ein Gas, vorzugsweise Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Edelgase, Wasserstoff, Kohlendioxid, gasförmige Kohlenwasserstoffe, Ammoniak oder ein Gemisch wenigstens zweier der vorgenannten Gase verwendet werden. Ammoniak eignet sich beispielsweise zur Bildung von Nitriden und kann eine katalytische Wirkung bei der Umsetzung des Precursors aufweisen. As the working gas, a gas, preferably air, oxygen, nitrogen, noble gases, hydrogen, carbon dioxide, gaseous hydrocarbons, ammonia or a mixture of at least two of the aforementioned gases can be used. Ammonia, for example, is suitable for the formation of nitrides and may have a catalytic effect in the reaction of the precursor.
Die Zündung des Plasmas kann beispielsweise mittels Hochfrequenzanregung induktiv oder kapazitiv oder mittels Mikrowellenstrahlung erfolgen. The ignition of the plasma, for example, by means of high frequency excitation inductively or capacitively or by means of microwave radiation.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Beispielsweise wird ein Schichtsystem bestehend aus Nichtmetall- und/oder Metalloxiden und/oder Mischungen darauf abgeschieden. For example, a layer system consisting of non-metal and / or metal oxides and / or mixtures thereof is deposited thereon.
Beispiel 1 – SiOx Example 1 - SiO x
Es wird ein Siliciumoxid-Schicht-System (SiOx) abgeschieden. Die Abscheidung dieses Schichtsystems auf dem Substrat kann als Korrosionsschutz, Haftvermittler und Antireflexschicht Anwendung finden. Als Precursorsubstanzen für die flammenpyrolytische Abscheidung dieser Schichten können siliciumorganische Verbindungen, insbesondere HMDSO und TEOS, verwendet werden. Anschließend wird die abgeschiedene Schicht mit einem CO2-Laserstrahl flächig behandelt. A silicon oxide layer system (SiO x ) is deposited. The deposition of this layer system on the substrate can be used as corrosion protection, adhesion promoter and antireflection coating. As precursor substances for the flame pyrolytic deposition of these layers, it is possible to use organosilicon compounds, in particular HMDSO and TEOS. Subsequently, the deposited layer is treated flat with a CO 2 laser beam.
Beispiel 2 – SiOx/ Al2O3 Example 2 - SiO x / Al 2 O 3
Es wird ein mit Aluminiumoxid (Al2O3) dotiertes Siliciumoxid-Schicht-System (SiOx) abgeschieden. Dieses Schichtsystem dient hauptsächlich als Barriereschicht. Als Precursorsubstanzen für die flammenpyrolytische Abscheidung dieser Schichten können siliciumorganische Verbindungen mit gelösten aluminiumorganischen Verbindungen, zum Beispiel Aluminiumacetylacetonat, verwendet werden. An aluminum oxide (Al 2 O 3 ) doped silicon oxide layer system (SiO x ) is deposited. This layer system mainly serves as a barrier layer. As precursor substances for the flame pyrolytic deposition of these layers, it is possible to use organosilicon compounds with dissolved organoaluminum compounds, for example aluminum acetylacetonate.
Für die flammenpyrolytische Abscheidung der vorgenannten Beispiele können beispielsweise folgende Parameter verwendet werden:
Als Brenngas können beispielsweise Propan, Butan, Erdgas verwendet werden. Als Oxidans eignen sich beispielsweise Luft oder Sauerstoff. Der Abstand der Beschichtungseinrichtung
Es kann in jeder der Beschichtungseinrichtungen der gleiche Precursor verwendet und das gleiche Reaktionsprodukt abgeschieden werden. Ebenso ist es möglich, in verschiedenen Beschichtungseinrichtungen
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein anstelle eines CO2-Lasers (10640 nm) ein YAG-(1064 nm), Faserlaser (1064 nm) im gepulsten oder kontinuierlichen Betrieb oder Ultrakurzpulslaser (Wellenlängen: 1064 nm, 532 nm, 355 nm) mit Pulslängen 100 ps eingesetzt werden. In another embodiment, instead of a CO 2 laser (10640 nm), a YAG (1064 nm), fiber laser (1064 nm) in pulsed or continuous mode or ultrashort pulse laser (wavelengths: 1064 nm, 532 nm, 355 nm) with pulse lengths 100 ps are used.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates Apparatus for coating a substrate
- 22
- Substrat substratum
- 33
- Fördereinrichtung Conveyor
- 4.1 bis 4.n4.1 to 4.n
- Beschichtungseinrichtung coater
- 55
- Funktionsschicht functional layer
Claims (12)
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ID=47321512
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DE102012200528A Withdrawn DE102012200528A1 (en) | 2012-01-16 | 2012-01-16 | Modifying surface properties e.g. transmissivity of substrate, comprises depositing functional layer on surface of substrate, and treating entire surface of functional layer by laser beam such that property of functional layer is changed |
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- 2012-01-16 DE DE102012200528A patent/DE102012200528A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R230 | Request for early publication | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |
Effective date: 20130109 |