DE102022107151A1 - Method for providing glass targets with an optically perceptible marking, glass product and use of a titanium-silicon glass - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Versehen von Glas-Targets (24) mit einer optisch wahrnehmbaren Markierung, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Glas-Targets (24),- Bestrahlen des Glas-Targets (24) mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass als besagtes Glas-Target (24) ein Körper bereitgestellt wird, der wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-% und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht.The invention relates to a method for providing glass targets (24) with an optically perceptible marking, comprising the steps: - providing a glass target (24), - irradiating the glass target (24) with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm2. The invention is characterized in that a body is provided as said glass target (24), which is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70 % by weight and a ratio of the proportions by weight of titanium dioxide to silicon dioxide between 0.1 and 1.5.
Description
Gebiet der ErfindungField of invention
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Versehen von Glas-Targets mit einer optisch wahrnehmbaren Markierung, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Glas-Targets,
- - Bestrahlen des Glas-Targets mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2.
- - providing a glass target,
- - Irradiating the glass target with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 .
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Glaserzeugnis, welches eine laserinduzierte, optisch wahrnehmbare Markierung trägt.The invention further relates to a glass product which carries a laser-induced, optically perceptible marking.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine neuartige Verwendung von Titan-Silizium-Glas.The invention further relates to a novel use of titanium-silicon glass.
Stand der TechnikState of the art
Ein gattungsgemäßes Verfahren und gattungsgemäße Glaserzeugnisse sind bekannt aus Panahinbakhsh, S.; Jelvani, Saeid; Jaberi, Mohammad: „Micro- and nanostructures formation on glass surface with different parameters of excimer laser Irradiation“, Opt. Eng. 58(1), 011005 (2018); doi:10.1117/1.OE.58.1.011005.A generic process and generic glass products are known from Panahinbakhsh, S.; Jelvani, Saeid; Jaberi, Mohammad: “Micro- and nanostructures formation on glass surface with different parameters of excimer laser irradiation”, Opt. Eng. 58(1), 011005 (2018); doi:10.1117/1.OE.58.1.011005.
Die Modifizierung von Glasoberflächen durch Bestrahlung mit intensivem Laserlicht hat sich als ein bewährtes Mittel zur Markierung und/oder Funktionalisierung von Glassubstraten oder, allgemeiner, Glaserzeugnissen etabliert. Insbesondere ist es bekannt, Glasoberflächen mit einem laserinduzierten Muster zu versehen, welches oft für den Betrachter makroskopisch optisch wahrnehmbar ist, weil sich die Wechselwirkung der Glasoberfläche mit einfallendem Licht hinsichtlich des Transmissions- und/oder Reflexionsverhaltens verändert. Meist basieren derartige Modifizierungen mikromechanisch auf dem Prinzip der Ablation, bei dem dünnschichtige Oberflächenbereiche des Glases durch absorbierte Laserenergie abgesprengt und/oder verdampft werden. Die Mustergebung kann dabei höchst filigran ausfallen. Beispielsweise schlägt die
Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift ist es bekannt, Siliziumgläser mit einem ArF-Excimer-Laser einer Wellenlänge von 193 nm mit gepulster Laserstrahlung zwischen 50 und 1200 mJ/cm2, einer Pulsdauer von 15 ns und einer Pulsrepetitionsrate von 2 Hz mit 100 bis 1000 Pulsen unterhalb der Ablationsschwelle des Glases zu modifizieren, sodass eine optisch wahrnehmbare Markierung der Glasoberfläche resultiert. Ein solches Verfahren, das unter atmosphärischen Normalbedingungen, d.h. unter Luft und bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann, wäre grundsätzlich sehr gut für eine schnelle und wirtschaftliche Markierung von Glasoberflächen geeignet. Beispielsweise zu Beschriftungszwecken, zur Erzeugung von Sicherheitsmerkmalen oder zu rein dekorativen Zwecken. Nachteilig dabei ist allerdings, dass die resultierende Aufrauhung der Glasoberfläche primär zu einem veränderten Streuverhalten führt, sodass sich die erzeugte Markierung dem Beobachter in weißlichen Tönen darstellt. Diese haben jedoch, sofern sie nicht dunkel unterlegt und speziell beleuchtet werden, nur einen geringen Kontrast, sodass die Markierung als solche, insbesondere wenn sie zu Beschriftungs- oder Sicherheitszwecken dient, ineffizient ist.From the generic document mentioned at the beginning it is known to use silicon glasses with an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm with pulsed laser radiation between 50 and 1200 mJ/cm 2 , a pulse duration of 15 ns and a pulse repetition rate of 2 Hz with 100 to 1000 pulses below the ablation threshold of the glass, so that an optically perceptible marking of the glass surface results. Such a process, which can be carried out under normal atmospheric conditions, ie under air and at room temperature, would in principle be very well suited for rapid and economical marking of glass surfaces. For example, for labeling purposes, to create security features or for purely decorative purposes. The disadvantage, however, is that the resulting roughening of the glass surface primarily leads to a changed scattering behavior, so that the marking created appears to the observer in whitish tones. However, unless they have a dark background and are specially illuminated, these only have a low contrast, so that marking as such is inefficient, especially if it is used for labeling or security purposes.
Alternativ ist es zwar grundsätzlich bekannt, kontraststarke Markierungen in Glasoberflächen einzubringen, indem diese zunächst mit Pigmenten, beispielsweise Ruß oder Metallpulver, beschichtet und sodann mit intensiver Laserstrahlung bestrahlt werden, was zu einer laserinduzierten Implantierung der Pigmente in das Substratmaterial führt. Eine solche Technik ist jedoch nicht in allen Anwendungsbereichen einsetzbar. Insbesondere bei der Beschriftung von Glasgefäßen in der medizinischen und pharmazeutischen Industrie, beispielsweise bei der Beschriftung von Impfstoffampullen o.Ä., kommt eine Beschichtung mit Pigmenten aus Kontaminationsgründen nicht in Frage.Alternatively, it is generally known to introduce high-contrast markings into glass surfaces by first coating them with pigments, for example soot or metal powder, and then irradiating them with intense laser radiation, which leads to a laser-induced implantation of the pigments into the substrate material. However, such a technology cannot be used in all areas of application. Especially when labeling glass vessels in the medical and pharmaceutical industry, for example when labeling vaccine ampoules or similar, a coating with pigments is out of the question for reasons of contamination.
AufgabenstellungTask
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen schnellen und wirtschaftlichen Ansatz vorzuschlagen, Glaserzeugnisse mit Markierungen hohen Kontrastes zu versehen.It is the object of the present invention to propose a quick and economical approach to providing glass products with high contrast markings.
Darlegung der ErfindungPresentation of the invention
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass als besagtes Glas-Target ein Körper bereitgestellt wird, der wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Gew.-%, und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht.This object is achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 1 in that a body is provided as said glass target, which is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70% by weight, preferably between 20 and 60% by weight, and a ratio of the proportions by weight of titanium dioxide to silicon dioxide between 0.1 and 1.5.
Die Aufgabe wird weiter gemäß Anspruch 9 durch ein Glaserzeugnis gelöst, welches erhalten wird durch besagtes Verfahren, nämlich durch ein Verfahren umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Glas-Targets,
- - Bestrahlen des Glas-Targets mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2,
- - providing a glass target,
- - irradiating the glass target with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 ,
Ein solches Glaserzeugnis lässt sich auch ohne Bezugnahme auf sein konkretes Herstellungsverfahren beschreiben. Es zeichnet sich in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 10 dadurch aus, dass das Glaserzeugnis wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Gew.-%, und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht, wobei die Markierung schwarz erscheint.Such a glass product can also be described without reference to its specific manufacturing process. In conjunction with the features of the preamble of
Der Kern der Erfindung liegt also gemäß Anspruch 11 in der Verwendung von Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Gew.-%, und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 als Material für ein Glas-Target, welches eingesetzt wird im Rahmen eines Verfahrens zum Versehen von Glas-Targets mit einer optisch wahrnehmbaren Markierung, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen des Glas-Targets,
- - Bestrahlen des Glas-Targets mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2.
- - providing the glass target,
- - Irradiating the glass target with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 .
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments are the subject of the dependent claims.
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass die im Hinblick auf die Bestrahlungsparameter selbe Art der Markierung, die bei üblichen Siliziumgläsern zu Oberflächenmodifikationen führt, die bei makroskopischer Betrachtung weißlich erscheinen, bei der Wahl von Silizium-Titan-Gläsern zu sehr kontraststarken, schwärzlichen Markierungen führt, sofern das Gewichtsverhältnis von Titandioxid und Siliziumdioxid im Glas innerhalb der genannten Wertegrenzen liegt. Eine abschließende physikalische und chemische Erklärung für diesen Effekt kann derzeit noch nicht angegeben werden. Es wird jedoch vermutet, dass der Schwärzungseffekt u.a. auf einer teilweisen Reduktionsreaktion des im Glasmaterial enthaltenen, oxidischen Titans, einer Phasenseparation und der Ausbildung einer mikroskopischen Aufrauhung beruht, die in günstiger Weise so zusammenwirken, dass bei makroskopischer Betrachtung eine schwarz erscheinende Markierung resultiert. Die Einhaltung der genannten Bestrahlungsparameter scheint dabei von wesentlicher Bedeutung zu sein. Insbesondere führen deutlich niedrigere Fluenzen zu einem Ausbleiben des Effektes, wohingegen deutlich höhere Fluenzen zu Ablationen führen, die den angestrebten Schwärzungseffekt zunichtemachen.Surprisingly, it has been shown that the same type of marking with regard to the irradiation parameters, which leads to surface modifications in conventional silicon glasses that appear whitish when viewed macroscopically, leads to very high-contrast, blackish markings when choosing silicon-titanium glasses. provided that the weight ratio of titanium dioxide and silicon dioxide in the glass is within the specified value limits. A final physical and chemical explanation for this effect cannot yet be given. However, it is assumed that the blackening effect is based, among other things, on a partial reduction reaction of the oxidic titanium contained in the glass material, a phase separation and the formation of a microscopic roughening, which work together in a favorable manner so that a mark that appears black when viewed macroscopically results. Compliance with the irradiation parameters mentioned appears to be essential. In particular, significantly lower fluences lead to the absence of the effect, whereas significantly higher fluences lead to ablations that destroy the desired blackening effect.
Ein besonderer Charme der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie sich unter atmosphärischen Normalbedingungen, d.h. bei Normalluft und insbesondere einer Lufttemperatur zwischen 0°C und 100°C, bevorzugt bei Raumtemperatur, realisieren lässt.A particular charm of the present invention is that it can be implemented under normal atmospheric conditions, i.e. with normal air and in particular an air temperature between 0 ° C and 100 ° C, preferably at room temperature.
Die Wahl ultravioletten Lichtes ist zwingend, weil Silizium-Titan-Gläser nur in diesem Bereich des Spektrums eine hinreichende Absorption zeigen. Insbesondere das ferne UV-Licht zwischen 180 und 220 nm, speziell zwischen 190 und 200 nm hat sich als geeignet erwiesen. Für die Praxis empfiehlt sich ein ArF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm.The choice of ultraviolet light is imperative because silicon-titanium glasses only show sufficient absorption in this region of the spectrum. In particular, far UV light between 180 and 220 nm, especially between 190 and 200 nm, has proven to be suitable. In practice, an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm is recommended.
Die Erzeugung der benötigten Fluenzen ist praktisch und wirtschaftlich sinnvoll nur mit gepulsten Lasern möglich. Bevorzugt wird das Glas-Target daher mit gepulster Laserstrahlung einer Pulsdauer zwischen 1 und 100 ns, insbesondere zwischen 10 und 30 ns bestrahlt. Als besonders vorteilhaft haben sich 20 ns Pulsdauer erwiesen, wobei allerdings die spezielle Wahl der Pulsdauer derzeit nicht als hochkritisches Kriterium angesehen wird.Generating the required fluences is practical and economically only possible with pulsed lasers. The glass target is therefore preferably irradiated with pulsed laser radiation with a pulse duration between 1 and 100 ns, in particular between 10 and 30 ns. A pulse duration of 20 ns has proven to be particularly advantageous, although the specific choice of pulse duration is currently not viewed as a highly critical criterion.
Auch die Anzahl der Pulse, mit der ein zu modifizierender Punkt des Glastargets bestrahlt wird, kann über weite Bereiche variiert werden. Als vorteilhaft wird eine Bestrahlung mit 100 bis 1000 Pulsen, insbesondere mit 100 bis 750 Pulsen, speziell mit 100 bis 500 Pulsen angesehen. Der Fachmann wird die Pulszahl vorwiegend nach der von ihm beabsichtigten Intensität der Schwarzfärbung wählen. Erst ab einer Bestrahlung von ca. 100 Pulsen ergibt sich ein deutlich erkennbarer Effekt. Bestrahlungen von deutlich über 1000 Pulsen führen zu keiner wesentlichen Verbesserung des Markierungskontrastes. Die genannten Pulsanzahlbereiche spiegeln daher im Hinblick auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Erfindung hin optimierte Intervalle wider.The number of pulses with which a point on the glass target to be modified is irradiated can also be varied over a wide range. Irradiation with 100 to 1000 pulses, in particular with 100 to 750 pulses, especially with 100 to 500 pulses, is considered advantageous. The expert will choose the number of pulses primarily based on the intensity of the black color he intends. Only after irradiation of approx. 100 pulses does a clearly noticeable effect occur. Irradiation of well over 1000 pulses does not lead to a significant improvement in the marking contrast. The pulse number ranges mentioned therefore reflect intervals optimized with regard to the efficiency and economic viability of the invention.
Günstigerweise erfolgt die Bestrahlung des Glas-Targets durch eine Maskenoptik hindurch, mittels derer ein der Markierung, mit welcher das Glas-Target versehen werden soll, wenigstens bereichsweise entsprechendes Muster auf das Glas-Target projiziert wird. Der Begriff des Projizierens ist dabei weit zu verstehen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine einfache Blende mittels einer geeigneten Optik in eine Bildebene, die auf der Traget-Oberfläche oder geringfügig davor oder dahinter liegen kann, abgebildet wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Maskenoptik eine Phasenmaske aufweist, die ausgebildet ist, durch Interferenz eine Vielzahl äquidistanter, paralleler Linien in einer Gegenstandsebene des Glas-Targets, die ebenfalls auf der Oberfläche oder geringfügig davor oder dahinter liegen kann, zu erzeugen. Die spezielle Wahl der Projektionsoptik spielt für die vorliegende Erfindung keine Rolle, solange damit die oben genannten Bestrahlungsparameter realisiert werden können.The glass target is expediently irradiated through mask optics, by means of which a pattern corresponding at least in some areas to the marking with which the glass target is to be provided is projected onto the glass target. The concept of projecting is to be understood broadly. For example, it can be provided that a simple aperture is imaged using suitable optics in an image plane that can lie on the Traget surface or slightly in front of or behind it. Alternatively, it can also be provided that the mask optics have a phase mask which is designed to generate a plurality of equidistant, parallel lines through interference in an object plane of the glass target, which can also lie on the surface or slightly in front of or behind it. The specific choice of projection optics plays no role for the present invention as long as the above-mentioned irradiation parameters can be achieved with it.
Wie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, ist es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, wenn die bereichsweise Bestrahlung des Glas-Targets nacheinander für unterschiedliche Bereiche der Markierung, mit welcher das Glas-Target versehen werden soll, erfolgt. Mit anderen Worten wird also bevorzugt jeweils nur ein kleiner Ausschnitt der beabsichtigten Markierung erzeugt und der Gesamtbereich der Markierung sukzessive abgerastert. Diese Technik erlaubt die Verwendung deutlich leistungsschwächerer Laser im Vergleich zur großflächigen Realisierung der o.g., erforderlichen Bestrahlungsparameter.As is fundamentally known from the prior art, it is also advantageous in the context of the present invention if the area-wise irradiation of the glass target takes place one after the other for different areas of the marking with which the glass target is to be provided. In other words, only a small section of the intended marking is preferably generated and the entire area of the marking is successively scanned. This technology allows the use of significantly lower-power lasers compared to the large-scale implementation of the above-mentioned required irradiation parameters.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further details and advantages of the invention emerge from the following specific description and the drawings.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:
-
1 : eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Apparatur zur Lasermodifizierung von Glasoberflächen, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist, -
2 : ein Mosaik aus mikroskopischen Darstellungen von Markierungen auf Glasoberflächen, erzeugt mit unterschiedlichen Bestrahlungsparametern sowie eine rasterelektronenmikroskopische Vergrößerung einer dieser Markierungen sowie -
3 : ein erfindungsgemäß erzeugter QR-Code auf der Oberfläche eines Glas-Targets,- a) in direkter Draufsicht,
- b) in rückwärtiger Ansicht durch den Körper des Glas-Targets,
- c) in ausschnittsweiser Vergrößerung.
-
1 : an apparatus for laser modification of glass surfaces that is fundamentally known from the prior art and can also be used in the context of the present invention, -
2 : a mosaic of microscopic representations of markings on glass surfaces, created with different irradiation parameters as well as a scanning electron microscopic enlargement of one of these markings -
3 : a QR code generated according to the invention on the surface of a glass target,- a) in direct top view,
- b) in a rear view through the body of the glass target,
- c) in partial enlargement.
Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments
Erfindungsgemäß besteht das Glas-Target aus einem Silizium-Titan-Glas mit der im allgemeinen Teil der Beschreibung erläuterten chemischen Zusammensetzung, was in
Der Fachmann wird erkennen, dass das dargestellte Mosaik zwar grundsätzlich typisch ist, im Detail jedoch mit der speziellen Materialwahl des Glas-Targets variieren kann. So weisen unterschiedliche Silizium-Titan-Gläser innerhalb des erfindungsgemäßen Materialspektrums unterschiedliche Ablationsschwellen auf, sodass auch andere Maximalfluenzen als in
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist das Spektrum der möglichen Anwendungen der vorliegenden Erfindung äußerst breit. Neben den bereits eingangs genannten medizinischen Ampullen können auch Spritzen oder Phiolen für medizinische oder pharmazeutische Substanzen, implantierbare Medizinprodukte, Kapselungen für aktive elektronische Implantate, hermetisch dichte Glaskapseln für die Medizintechnik, sogenannte „Smart-Container“ für pharmazeutische Substanzen, Microfluidik-Chips u. a. technische Glas-Targets erfindungsgemäß markiert werden, wobei eine kontrastreiche, hochauflösende und thermisch und chemisch stabile Markierung auf schnelle und wirtschaftliche Weise realisierbar ist. Auch für filigrane Sicherheitsmerkmale auf Glassubstraten oder zu rein dekorativen Zwecken, beispielsweise auf Trinkgläsern, ist die Erfindung nutzbar. Of course, the embodiments discussed in the special description and shown in the figures only represent illustrative embodiments of the present invention. In the light of the disclosure here, the person skilled in the art is provided with a wide range of possible variations. In particular, the spectrum of possible applications of the present invention is extremely wide. In addition to the medical ampoules already mentioned at the beginning, syringes or vials for medical or pharmaceutical substances, implantable medical devices, encapsulations for active electronic implants, hermetically sealed glass capsules for medical technology, so-called “smart containers” for pharmaceutical substances, microfluidic chips, etc. can also be used. Technical glass targets are marked according to the invention, with high-contrast, high-resolution and thermally and chemically stable marking being possible in a quick and economical manner. The invention can also be used for delicate security features on glass substrates or for purely decorative purposes, for example on drinking glasses.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- LaserLaser
- 1212
- Strahlbeam
- 1414
- einstellbarer Abschwächeradjustable attenuator
- 1616
- AuskoppelpfeilDecoupling arrow
- 1818
- Maskemask
- 2020
- Linselens
- 2222
- Glas-TargetGlass target
- 2424
- XY-TranslatorXY translator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102015216342 B3 [0005]DE 102015216342 B3 [0005]
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