DE69918024T2

DE69918024T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Kunststoffplatte

Info

Publication number: DE69918024T2
Application number: DE69918024T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Lawrence Sicklerville Daecher; Steven David Yardley Fields; Garo Princeton Khanarian; Alan Daniel Newton Stein
Original assignee: Rohm and Haas Co
Current assignee: Rohm and Haas Co
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2019-10-23
Also published as: CN1253068A; TW453944B; DE69918024D1; EP0999033A2; EP0999033B1; JP4498504B2; CN1190304C; CA2287055C; CA2287055A1; KR100630510B1; JP2000296544A; EP0999033A3; KR20000035083A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffbahnen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffbahnen, die eine geringe verbleibende Spannung und eine hohe Oberflächenqualität aufweisen. Kunststoffbahnen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, sind insbesondere für Anwendungen bei optischen und elektronischen Displays, wie zum Beispiel optischen Fenstern, optischen Filtern, Aufnahmemedien und Flüssigkristall-Displays (LCD) geeignet.
Glas- oder Quarzbahnen optischer Qualität werden bei Anwendungen für elektronische Displays als „Substrate" verwendet. Bei solchen Anwendungen ist das „Substrat" eine Materialbahn, die benutzt wird, um ein elektronisches Display zu bilden. Solche Substrate können transparent, durchscheinend oder opak sein, sind typischerweise aber transparent. Im allgemeinen weisen solche Bahnen leitende Beschichtungen auf, die auf sie aufgebracht werden, bevor sie als Substrate verwendet werden. Solche Substrate weisen häufig strenge Spezifikationen hinsichtlich der optischen Klarheit, Flachheit und minimaler Doppelbrechung auf und müssen typischerweise eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber der Durchdringbarkeit mit Gas und Flüssigkeiten zeigen. Mechanische Eigenschaften wie Flexibilität, Schlagwiderstandsfähigkeit, Härte und Kratzwiderstandsfähigkeit stellen ebenso wichtige Überlegungen dar. Glas- oder Quarzbahnen sind für Displayanwendungen verwendet worden, weil diese Materialien geeignet sind, die optischen Anforderungen und die Anforderungen hinsichtlich der Flachheit zu erfüllen und weil sie gute thermische und chemische Widerstandsfähigkeit- und Barriereeigenschaften aufweisen. Diese Materialien weisen jedoch einige der erwünschten mechanischen Eigenschaften nicht auf, von denen die bemerkenswertesten eine geringe Dichte, Flexibilität und Schlagwiderstandsfähigkeit sind.
Angesichts der mechanischen Beschränkungen von Glas- oder Quarzbahnen für optische oder Displayanwendungen ist es wünschenswert, für solche Anwendungen Kunststoffbahnen zu verwenden. Obwohl Kunststoffbahnen eine größere Flexibilität aufweisen, eine größere Bruchwiderstandsfähigkeit aufweisen und leichter sind als Glas- oder Quarzbahnen gleicher Dicke, ist es in der Vergangenheit sehr schwierig gewesen, Kunststoffbahnen, die die benötigten optischen Spezifikationen, wie sie zur Benutzung in optischen und Displayanwendungen benötigt werden, erfüllen, zu vernünftigen Kosten herzustellen. Darüber hinaus treten bei vielen Typen an Kunststoffbahnen nicht akzeptable Verformungen der Dimensionen auf, wenn diese während der Herstellung der Displayvorrichtungen Herstellungsbedingungen für Substrate ausgesetzt werden. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Temperatur.
Es gibt verschiedene kommerziell genutzte Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbahnen und Filmen, einschließlich Guss-, Extrusions-, Formpress- und Streckverfahren. Einige dieser Verfahren sind zur Herstellung von Hochqualitätskunststoffbahnen nicht geeignet. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff „Hochqualität" verwendet, um Kunststoffbahnen zu beschreiben, die die folgenden Eigenschaften aufweisen: Geringe Oberflächenrauheit, geringe Welligkeit, geringe Dickenvariation und eine minimale Menge an Polymerkettenorientierung (wie sie zum Beispiel anhand asymmetrischer physikalischer Eigenschaften wie Doppelbrechung oder thermischer Schrumpfung gemessen werden).
Es ist zum Beispiel wahrscheinlich, dass das Spritzgussverfahren ein hohes Ausmaß an Polymerkettenorientierungen, insbesondere bei dünnen Bahnen (d.h. 1 mm Dicke oder weniger), wegen des Fließens des geschmolzenen Kunststoffs in die Form bewirkt. Dadurch wird die Doppelbrechung für Polymere mit nicht-vernachlässigbaren Photoelastizitäts (Stressoptik)-Koeffizienten in nicht akzeptabler Weise erhöht. Das Spritzformpressen ist ein verbessertes Gießverfahren, das es erlaubt, das Polymer nach dem Einspritzen zu quetschen, um die Oberflächenqualität zu verbessern und die Polymerkettenorientierung zu reduzieren. Trotz dieser Verbesserungen erlaubt das Spritzformpressen nur begrenzt, Hochqualitätsbahnen herzustellen.
Formpressen und Presspolieren können zur Herstellung von Bahnen mit guter Oberflächenqualität verwendet werden. Der Quetschfluss, der bei solchen Verfahren inhärent auftritt, resultiert jedoch in einer Polymerkettenorientierung, die zu einer nicht-akzeptablen Schrumpfung während der thermischen Kreislaufführung führt. Darüber hinaus können diese Verfahren nicht kontinuierlich geführt werden und erhöhen damit die Arbeits- und Produktionskosten.
Spannverfahren (zum Beispiel zur Herstellung von uniaxial- oder biaxial-orientierten – Filmen) und die Glasfolienextrusion bewirken inhärent große Mengen an Polymerkettenorientierung und sind nicht zur Herstellung von Hochqualitätskunststoffbahnen geeignet.
Das Lösungsmittelgießen kann verwendet werden, um Hochqualitätsfilme herzustellen. Es gibt jedoch praktische Beschränkungen hinsichtlich der maximalen Filmdicke, die mit diesem Verfahren erreicht werden kann. Darüber hinaus muss das Lösungsmittel, das zum Gießen verwendet wird, nach der Herstellung der Bahn entfernt werden.
US-A-4930565 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Filmes aus einem geschmolzenen Material, bei der eine Trommel oder eine Walze verwendet werden, um das geschmolzene Material von der Überlaufdüse wegzuführen.
Das Dokument EP-A-914926, das gemäß Artikel 54(3) EPC zum Stand der Technik gehört, offenbart eine Vorrichtung, die alle Merkmale der Vorrichtung gemäß Anspruch 14 der vorliegenden Erfindung hat mit Ausnahme der Mittel zum Mischen.
JP-A-60111335 offenbart ein magnetisches Speichermedium, das eine Kunststoffschichtbahn, eine magnetische Schicht, die auf einer Seite der Bahn angebracht ist, und eine Schutzschicht, die auf einer Seite der Bahn angebracht ist, umfasst.
EP-A-785544 offenbart ein magnetisches Speichermedium, das eine Kunststoffschichtbahn, eine reflektierende Schicht, die auf einer Seite der Bahn angebracht ist, und eine Schutzschicht, die auf einer Seite der Bahn angebracht ist, umfasst.
US-A-5472759 offenbart ein 3-D optisches Speichermedium, die eine Kunststoffbahn umfasst, in der ein Farbstoff dispergiert ist, der infolge der Belichtung mit Licht einer Änderung hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften unterworfen ist.
Die Folienextrusion wird als kontinuierlicher Vorgang betrieben, allerdings führt dieses Verfahren zu einer nicht akzeptablen Polymerkettenorientierung wegen der Art des Polymerflusses in die Düse und zwischen den polierten Walzen in dem Walzenstapel.
Es gibt daher ein andauerndes Bedürfnis für ein Verfahren zur Herstellung relativ günstiger Hochqualitätskunststoffbahnen in kontinuierlicher Weise, wobei die resultierende Kunststoffbahn geeignet ist, als Substrat bei optischen und elektronischen Displayanwendungen verwendet zu werden.
Darstellung der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich ihrer verschiedenen Aspekte in den beiliegenden Ansprüchen dargestellt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches Speichermedium, wie es im Anspruch 1 beansprucht wird, umfassend mindestens eine Schicht einer Hochqualitätskunststoffbahn, eine reflektierende oder semi-reflektierende Schicht, die auf mindestens einer Seite der Bahn angebracht ist, und optional eine Schutzschicht, die auf mindestens einer Seite der Bahn angebracht ist, wobei die Kunststoffbahn gemäß einem Verfahren hergestellt wird, das die Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines geschmolzenen Kunststoffharzes; b) Zuführen des geschmolzenen Kunststoffharzes an eine Überlaufdüse, die einen Zugang und einen Ausgang hat; c) Formen des geschmolzenen Kunststoffharzes in ein geschmolzenes Netz unter Verwendung der genannten Überlaufdüse; d) Fortführen von besagtem geschmolzenen Netz von der genannten Überlaufdüse; und e) Abkühlen des besagten geschmolzenen Netzes, um eine feste Bahn zu bilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Hochqualitätskunststoffbahnen, wie sie im Anspruch beansprucht ist, umfassend: a) eine Quelle zum Bereitstellen eines geschmolzenen Kunststoffharzes; b) eine Überlaufdüse mit einer Länge und einer Breite, die einen im wesentlichen eiförmigen Querschnitt, der in einer Spitze zusammenläuft, eine Zuführöffnung und eine Dosierungsvorrichtung, die mit besagter Zuführöffnung verbunden ist, umfasst, wobei das geschmolzene Kunststoffharz durch die Zuführöffnung in die Düse, aus der Düse durch die Dosierungsvorrichtung und um die Seiten der Düse herumfließt, um ein geschmolzenes Netz an besagter Spitze zu bilden; c) Mittel zum Ausliefern des genannten geschmolzenen Kunststoffharzes von besagter Quelle zu besagter Überlaufdüse; d) Vorrichtungen zum Wegleiten des genannten geschmolzenen Netzes von der besagten Überlaufdüse; e) Filtervorrichtungen, die zwischen besagten Auslieferungsmitteln und besagter Überlaufdüse angebracht sind; und f) Mittel zum Mischen, die zwischen besagten Filtermitteln und der genannten Überlaufdüse angebracht sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft zusätzlich ein magnetisches Speichermedium, wie es im Anspruch 1 beansprucht ist, umfassend mindestens eine Schicht einer Hochqualitätskunststoffbahn, eine magnetische Schicht, die auf mindestens einer Seite der Bahn angebracht ist, wobei die Kunststoffbahn nach einem Verfahren hergestellt wird, das die Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines geschmolzenen Kunststoffharzes; b) Zuführen des geschmolzenen Kunststoffharzes an eine Überlaufdüse, die einen Zugang und einen Ausgang hat; c) Formen des geschmolzenen Kunststoffharzes in ein geschmolzenes Netz unter Verwendung der genannten Überlaufdüse; d) Wegführen von besagtem Kunststoffnetz von der genannten Überlaufdüse; und e) Abkühlen des besagten Kunststoffnetzes, um eine feste Bahn zu bilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein 3-dimensionales Speichermedium, wie es im Anspruch 17 beansprucht wird, umfassend eine Hochqualitätskunststoffbahn, in der ein oder mehrere Pigmente, Farbstoffe oder Mischungen davon dispergiert sind, wobei die optischen Eigenschaften der Pigmente, Farbstoffe oder Mischungen davon infolge der Bestrahlung mit Licht sich lokal ändern und wobei das optische Speichermedium gemäß den folgenden Verfahrensschritten hergestellt wird: a) Bereitstellen eines geschmolzenen Kunststoffharzes; b) Zuführen des geschmolzenen Kunststoffharzes an eine Überlaufdüse, die einen Zugang und einen Ausgang hat; c) Formen des geschmolzenen Kunststoffharzes in ein geschmolzenes Netz unter Verwendung besagter Überlaufdüse; d) Kombinieren des Farbstoffes, Pigmentes oder der Mischungen davon mit dem geschmolzenem Kunststoffharz bevor das geschmolzene Kunststoffharz unter Verwendung besagter Überlaufdüse in ein Netz geformt wird; e) Wegführen von besagtem geschmolzenen Netz von der genannten Überlaufdüse; und f) Abkühlen des besagten geschmolzenen Netzes, um eine feste Bahn zu bilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Speichermediums, mit darauf kodierten Informationen, wie es im Anspruch 19 beansprucht ist, umfassend die Schritte der Herstellung einer Hochqualitätskunststoffbahn durch ein Verfahren, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines geschmolzenen Kunststoffharzes; b) Zuführen des geschmolzenen Kunststoffharzes an eine Überlaufdüse, die einen Zugang und einen Ausgang hat; c) Formen des geschmolzenen Kunststoffharzes in ein geschmolzenes Netz unter Verwendung der genannten Überlaufdüse; d) Fortführen von besagtem geschmolzenen Netz von der genannten Überlaufdüse; e) Abkühlen des besagten geschmolzenen Netzes, um eine feste Bahn zu bilden; Beschichten der Bahn mit einem Polymerfilm und Kodieren von Informationen auf der beschichteten Bahn durch Prägen.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 ist eine Vorderansicht einer typischen erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 1.
3A–3C sind Vergrößerungen der Überlaufdüse 20. 3A ist eine perspektivische Ansicht der Düse mit einer daran angebrachten Heizvorrichtung. 3B ist eine Obenaufansicht der Düse und 3C ist eine Seitenansicht der Düse.
4 ist eine Querschnittsansicht der Überlaufdüse 20.
5–7 stellen verschiedene Ausführungsformen der Überlaufdüse der vorliegenden Erfindung dar. 5 stellt eine Überlaufdüse dar, die eine Reihe an Löchern anstelle des Spalts 22 der Düse 20 hat. 6 stellt eine Überlaufdüse dar, die einen sich nicht verjüngenden Spalt aufweist und 7 stellt eine Überlaufdüse dar, die eine „Kleiderbügel"anordnung hat.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden für die folgenden Begriffe die folgenden Definitionen verwendet, es sei denn, dass der Kontext deutlich etwas anderes anzeigt. „Glasübergangstemperatur" oder „Tg" ist der Mittelpunkt des schmalen Temperaturbereiches, über den Polymere aus einem relativ harten und brüchigen Zustand in einen relativ weichen und viskosen (gummiartigen) Zustand übergehen. Der Begriff „Kunststoff" bezieht sich auf Polymere wie thermoplastische Polymere, die Bahnen bilden können. Die Begriffe „Polymer" und „Harz" werden im Rahmen der Beschreibung miteinander austauschbar verwendet und beinhalten alle Typen an Polymeren und Harze einschließlich, ohne Beschränkung, Homopolymere, Copolymere, Terpolymere und ähnliche. Der Begriff „Bahn" bezieht sich auf eine Bahn, die eine Dicke von circa 25 mm oder weniger hat, und soll auch den Begriff „Filme" (Bahnen mit einer Dicke von < 0,5 mm) beinhalten. Der Begriff „Schrumpfung" bezieht sich auf eine irreversible Änderung hinsichtlich der Dimensionen, die bei einer Bahn auftritt, die einem Erhitzen-Abkühlen-Zyklus unterworfen wurde. Die Begriffe „Bisphenol A" und „ 2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)propan" werden im Rahmen der Beschreibung miteinander austauschbar verwendet. Der Begriff „Bisphenol A Polycarbonat" bezieht sich auf ein Polycarbonat, das Bisphenol A und Phosgen enthält. Die folgenden Abkürzungen werden im Rahmen der Beschreibung verwendet: cm = Zentimeter, mm = Millimeter, nm = Nanometer, μ = Mikron (Mikrometer), g = Gramm, mL = Milliliter, Pa = Pascal, kPa = Kilopascal, Pa-s = Pascal-Sekunde, sec = Sekunde, min = Minute, hrs = Stunde, UV = Ultraviolett und IR = Infrarot. Alle Temperaturangaben sind °C gegeben, es sei denn, dass es anders angezeigt wird. Angegebene Bereiche sind inklusive zu verstehen, es sei denn, dass es anders angezeigt wird.
Die Hochqualitätskunststoffbahnen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, können für eine Vielzahl von Anwendungen benutzt werden, die ohne darauf beschränkt zu sein, die folgenden einschließen: Substrate für elektronische Displayvorrichtungen wie zum Beispiel LCD und elektrolumineszierende Displays; Substrate für mikro-optische Linsenanordnungen und lichtleitende Filme; optische Fenster und Filter; Wellen leiteroptiken; Substrate für optische, magnetische, chemische oder andere Typen von Speicher und -aufnahmemedien; Substrate zur Aufnahme von Bildern, wie zum Beispiel photographische oder Röntgenanwendungen; Substrate für diagnostische Systeme und Substrate für elektronische Schaltkreise.
Eine erfindungsgemäße Bahn oder ein erfindungsgemäßer Film sind zur Verwendung als ein Substrat für eine elektronische Displayvorrichtung, z.B. eine Flüssigkristall-Displayvorrichtung geeignet. Solche Substrate werden häufig mit einer oder mehreren Filmbeschichtungen beschichtet, bevor eine leitende Schicht oder eine Schicht mit aktiven elektronischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel Dünnfilmtransistoren oder Dioden, aufgebracht wird. Die Beschichtungstypen, die aufgebracht werden können, schließen quervernetzte Beschichtungen, Barrierebeschichtungen und leitende Beschichtungen ein.
Eine quervernetzte Beschichtung kann die Lösungsmittelwiderstandsfähigkeit und die Abriebwiderstandsfähigkeit verbessern und kann die Adhäsion zwischen dem Kunststoffsubstrat und der sich daran anschließenden Beschichtungsschicht (zum Beispiel zwischen einer organischen und anorganischen Beschichtung) verstärken. Quervernetzte Beschichtungsschichten können, wenn sie benutzt werden, auf eine oder beide Seiten des Kunststoffsubstrats aufgebracht werden.
Eine Barrierenschicht ist eine Beschichtung, die die Durchdringung mit Gas oder Feuchtigkeit reduziert. Die Zusammensetzung einer Barrierenschicht kann organisch oder anorganisch sein. Eine Barrierenschicht kann auch als eine lösungsmittelwiderstandsfähige Beschichtung nützlich sein, wenn das Material der Barrierenschichtung gegen Lösungsmittel widerstandsfähig ist und die Einwanderung von Lösungsmittel(n) in die Kunststoffbahn verhindern oder signifikant vermindern kann. Barrierenschichten können, wenn sie verwendet werden, auf eine oder beide Seiten der Kunststoffbahn aufgebracht werden.
Das Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einer leitenden Schicht für die Benutzung bei optischen Displays beschichtet werden. Wenn das Substrat zum Beispiel in einem Flüssigkristalldisplay (LCD) verwendet werden soll, wird eine elektronische Komponente auf mindestens einer Seite des Substrates benötigt. Typischerweise wird diese elektronische Komponente nur auf einer Seite des Substrates angebracht, nämlich der Seite, die sich „innerhalb" der LCD-Zelle befinden wird und dem Flüssigkristall am nächsten sein wird. Alternativ kann die elektronische Komponente auf beiden Seiten des Substrates angebracht werden. Bei einer anderen Ausführungsform werden eine oder mehrere Schichten an Schutzbeschichtungen, Farbfilterbeschichtungen oder Barrierenbeschichtungen zwischen dem Substrat und der elektronischen Komponente angebracht. Geeignete elektronische Komponenten beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Schicht von aktiven elektronischen Vorrichtungen oder eine leitende Schicht. Solche Substrate, die eine Schicht von aktiven elektronischen Vorrichtungen umfassen, sind insbesondere für die Benutzung in LCDs geeignet.
Die erfindungsgemäßen Substrate können durch Inkorporationsmaterialien und -verfahren, die den von W.C.O'Mara in Liquid Crystal Flat Panel Displays(Van Nostrand Reinhold, New York, 1993)beschriebenen ähnlich sind, in Flüssigkristall-Displayzellen eingefügt werden. Das Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle aus Substraten kann einen oder mehrere der folgenden Schritte beinhalten: Strukturieren eines klaren leitenden Films auf mindestens einem Substrat und Verwendung eines photolithographischen Verfahrens; Anbringen des Ausrichtungsmaterials für Flüssigkristalle an der leitenden Schicht auf den beiden Substraten; Reiben der Ausrichtungsschichten, um die Ausrichtungsmerkmale auf die Substrate zu übertragen; Anbringung von Abstandspartikeln auf mindestens einem Substrat; Aufbringung einer Kantendichtung auf mindestens einem Substrat; Kontaktieren der zwei Substrate in der richtigen Orientierung, wobei die leitenden Schichten sich gegenüberliegen; Härten der Kantendichtung; Injektion von Flüssigkristallen in den schmalen Spalt, der zwischen den zwei Substraten gebildet wird und Abdichten des Spalts. Die erfindungsgemäßen Substrate können für alle Typen von Flüssigkristall-Displayzellen verwendet werden, einschließlich der Typen, die eine Zusammensetzung von Flüssigkristall und Polymer inkorporieren, der Typen, bei denen Bildelemente des Displays aktiv durch elektronische Vorrichtungen auf dem Substrat (Aktivmatrix-Displays) adressiert werden und der Typen, bei denen die Bildelemente des Displays passiv (sogenannte Passivmatrix-Displays) adressiert werden.
Die erfindungsgemäßen Bahnen sind für die Benutzung als Substrate in optischen Speichermedien geeignet. Geeignete optische Speichermedien schließen ein, ohne darauf beschränkt zu sein: compact discs, bespielbare compact discs, read/write compact discs, digital versatile discs, bespielbare digital versatile discs, read/write digital versatile discs und magnetooptische discs.
Compact discs („CD") und digital versatile discs („DVD") enthalten die darauf kodierte Information in Form von Grübchen und Rinnen (engl.: pits and grooves, im folgenden pits und grooves) auf einem Polymersubstrat. Die Sequenz und die Länge der pits kodieren die Informationen, die mit einem fokussierten Laserstrahl vom Substrat gelesen werden. Bei der typischen Herstellung von compact discs werden die pits und grooves von einer Matrize in eine Form auf das Substrat repliziert. Nachdem das Substrat geformt worden ist, wird es durch Aufbringung einer dünnen Schicht eines reflektierenden Materials, wie zum Beispiel aus Aluminium oder Gold, metallisiert. Das Substrat kann dann optional mit einem Lack oder einem Harz beschichtet werden, auf die Tinte aufgebracht werden kann, um zum Beispiel eine Beschriftung anzubringen. Für Fortschritte bei der optischen Datenspeicherung ist es notwendig, erhöhte Informationsmengen zu kodieren, was zur Folge hat, dass der Abstand zwischen den pits und grooves kleiner wird. Um Fehler beim Ablesen solcher dicht gepackter Informationen (d.h. Hochdichte) (engl.: high density, im folgenden so verwendet), ist es wichtig, dass das Substrat eine ausreichend hohe Qualität aufweist, so dass es sich nicht um die pits und grooves während der Herstellung oder, bei beschreibbaren discs, während des Beschreibens deformiert. Solche Deformationen führen zu Fehlern beim Ablesen der Informationen. Ein Fortschritt der vorliegenden Erfindung ist, dass die hergestellten optischen Hochqualitätskunststoffbahnen eine geringere Doppelbrechung, eine geringere Oberflächenrauhheit und eine erhöhte Stabilität hinsichtlich der Dimensionen als die bekannten spritzgussgeformten Substrate aufweisen. Dies ermöglicht eine höhere Dichte an kodierter Information bei gleichzeitig sehr geringer Deformation um die pits und grooves herum und erlaubt das Schreiben und Ablesen der kodierten Information ohne optische Verzerrung, was bessere Signal/Rausch-Verhältnisse ergibt.
DVDs werden im allgemeinen genauso wie compact discs hergestellt. Zusätzlich können sie aber eine semi-reflektierende Schicht und eine Polymerschicht aufweisen, um eine oder mehrere Informationsschichten auf der ersten (replizierten) Oberfläche zu kodieren. DVDs können auch zwei oder mehrere discs umfassen, die mit einem transparenten Klebemittel miteinander verbunden sind, um den Informationsgehalt zu erhöhen. Typischerweise umfassen DVDs zwei bis vier Schichten.
Wenn die erfindungsgemäße Bahn als ein Substrat in einem optischen Speichermedium verwendet wird, umfasst das optische Speichermedium a) eine Hochqualitätskunststoffbahn, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde; b) eine reflektierende oder semi-reflektierende Schicht, die auf mindestens einer Seite der Bahn aufgebracht ist; und optional c) eine Schutzschicht, die auf mindestens einer Seite der Bahn aufgebracht ist. Die reflektierende oder semi-reflektierende Schicht kann aus jedem reflektierenden oder semi-reflektierenden Material gebildet werden. Wenn eine reflektierende Schicht benutzt wird, ist es bevorzugt, dass die reflektierende Schicht ein Metall wie Aluminium oder Gold umfasst. Eine solche reflektierende Schicht wird üblicherweise auf das Substrat durch Sputtern oder Vakuumaufdampfung aufgebracht. Wenn eine semi-reflektierende Schicht benutzt wird, umfasst die semi-reflektierende Schicht bevorzugt ein Metall. Geeignete Materialien zur Verwendung in semi-reflektierenden Schichten schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Gold, Aluminium und Metalllegierungen wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen ein. Wenn Metalle für die semi-reflektierende Schicht benutzt werden, wird nur eine sehr dünne Metallschicht benötigt. Bei der Schutzschicht kann es sich um jede Beschichtung handeln, die auf die Kunststoffbahn oder die reflektierende Schicht aufgebracht wird und nicht mit den erwünschten optischen Eigenschaften interferiert. Die Schutzschicht ist bevorzugt ein Lack oder ein Harz. Es wird weiter bevorzugt, dass die Kunststoffbahn ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Homopolymeren und Copolymeren von Polycarbonaten, Polystyrol, Polyacryl, Polyester, Polyolefin, Polyacrylat und Mischungen davon.
Informationen können auf einem optischen Speichermedium, das eine erfindungsgemäße Bahn umfasst, mittels der bekannten Verfahren wie Prägen und Abbildungsverfahren aufgebracht werden. Zum Beispiel können optische Speichermedien durch Heißprägeverfahren, wie sie in M.T. Gale, Micro-Optics, (Ed. H.P. Herzig), Taylor & Francis, London, UK, Kap. 6, (1997) beschrieben sind, hergestellt werden. Beim Heißprägen wird eine erhitzte Stampfmaschine verwendet, um auf dem Substrat die Information zu kodieren. Der Heißstampfer kann in einem kontinuierlichen Verfahren (von Walze zu Walze) oder in einem diskreten Verfahren, wie zum Beispiel Formpressen, eingesetzt werden. Alternativ kann das Substrat vor dem Prägen erst mit einem dünnen Polymerfilm beschichtet werden. Geeignete Polymere schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein: Latexe, Photopolymere und durch Ultraviolettlicht härtbare Harze. Die Dicke der Polymerbeschichtung beträgt im allgemeinen 0,05 bis 10 μm und bevorzugt 0,1 bis 1 μm. Ein solcher Polymerfilm bewirkt eine schnellere Prägung mit einer besseren Replikation der kodierten Information.
Alternativ kann ein Photopolymer verwendet werden, um die Information auf dem optischen Speichermedium zu kodieren. Wenn ein Photopolymer benutzt wird, wird es zuerst auf das Substrat beschichtet. Das beschichtete Substrat wird dann unter Verwendung beliebiger lithographischer Verfahren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, belichtet. Es kann sich dabei um Verfahren handeln, wie sie in der Halbleiterindustrie verwendet werden.
Nachdem die Information auf dem Substrat kodiert ist, wird das Substrat mit einer reflektierenden oder semi-reflektierenden Schicht beschichtet und optional mit einem Harz, das durch ultraviolettes Licht vernetzbar ist, beschichtet, um die reflektierende oder semireflektierende Oberfläche zu schützen. Die reflektierende oder semi-reflektierende Oberfläche kann durch Sputtern oder Vakuumaufdampfen aufgebracht werden. Bei der Herstellung von DVDs wird das kodierte Substrat bevorzugt mit einer semi-reflektierenden Schicht beschichtet. Die reflektierende oder semi-reflektierende Oberfläche auf der letzten Schicht wird typischerweise mit einem Harz, das durch ultraviolettes Licht vernetzbar ist, beschichtet.
Die pits, wie sie zum Kodieren der Information verwendet werden, können 0,01 bis 1 μm tief und bevorzugt 0,04 bis 0,15 μm tief und 0,4 bis 10 μm lang sein. Optische Speichermedien sind typischerweise bis zu 0,6 bis 1,2 mm dick. Die Doppelbrechung von Substraten, wie sie in optischen Speichermedien verwendet werden, beträgt typischerweise weniger als 50 nm und bevorzugt weniger als 30 nm.
Die Hochqualitätsbahnen, wie sie mit dem vorliegenden Verfahren hergestellt werden, sind als Substrate für optische Phasenwechselmedien geeignet. Optische Phasenwechselmedien sind solche, die einmal beschrieben und vielfach abgelesen werden können, und auch solche, die mehrfach beschrieben und abgelesen werden können. Geeignete optische Phasenwechselmedien schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein: compact discs zum einmaligen Beschreiben („CD-R"), digital versatile discs zum einmaligen Beschreiben („DVD-R"), magneto-optische Medien („MO"), und Phasenwechselmedien („PD"), read/write compact discs („CD-RW") und read/write digital versatile discs („DVD-RW"). Verschiedene Phasen- Wechselmedien werden zum Beispiel in H. Bennett, Emedia Professional. Online-Inc., Wilton, CT, Juli 1998, Seite 31 beschrieben. Optische Phasenwechselmedien bestehen typischerweise aus einem Hochqualitätssubstrat mit spiralförmigem groove zu Laserleitzwecken, einer reflektierenden oder semi-reflektierenden Schicht, einem Phasenwechselmedium, das zwischen dem Substrat und der reflektierenden oder semi-reflektierenden Schicht angebracht ist, und einer durch UV-Licht vernetzbaren Schutzschicht für die reflektierende oder semi-reflektierende Schicht.
Informationen werden auf einem Phasenwechselmedium durch Fokussierung eines Laserstrahls auf einen Spot mit Submikron-Dimensionen auf der reflektierenden Schicht einkodiert, um entweder Verzerrungen (d.h. um pits herzustellen) oder einen Phasenwechsel (Übergänge von kristallin nach amorph) zu bewirken, was in einer Änderung der Reflektivität resultiert. Im Gegensatz dazu tritt bei magneto-optischen („MO") Speichermedien ein Wechsel in der Polarisation des reflektierten Lichts auf.
Der spiralförmige groove in den optischen Phasenwechselmedien kann durch Prägen oder Abbilden hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Hochqualitätsbahn des vorliegenden Verfahrens mit einer Polymerschicht beschichtet werden und dann mit einer Heißstampfvorrichtung geprägt werden, um einen spiralförmigen groove herzustellen. Alternativ kann das Photopolymer auf der Hochqualitätsbahn des vorliegenden Verfahrens aufgebracht werden und die grooves durch lithographische Verfahren definiert werden. Anschließend wird die Beschichtung gehärtet. Die Polymere, wie sie für die Beschichtung von optischen Hochqualitätsbahnen zur Verwendung in Phasenwechselmedien geeignet sind, müssen eine ausreichend hohe Glasübergangstemperatur aufweisen, um den anschließenden Hochtemperaturaufbringungsschritten des Prägeverfahrens gewachsen zu sein. Die Breite und die Ganghöhe des spiralförmigen grooves hängen von der Herstellung des jeweiligen Mediums ab, sind aber typischerweise in einem Bereich von 0,1 bis 10 μm und bevorzugt in einem Bereich von 0,4 bis 2 μm. Die Spotgrößen der kodierten Information sind typischerweise in einem Bereich von 0,4 bis 10 μm.
Das beschreibbare Medium, das für beschreibbare optische Phasenwechselmedien geeignet ist, hängt von dem jeweiligen Phasenwechselmedium ab und ist dem Fachmann bekannt. Zum Beispiel besteht bei CD-R das beschreibbare Medium typischerweise aus einem Farbstoff wie zum Beispiel Cyanin oder Phthalocyanin zusammen mit anderen Polymeradditiven in einem Lösungsmittel, der auf gegroovte Substrate rotationsbeschichtet wird. Es sind alle Wirkstoff geeignet, so lange diese nicht mit den Hochqualitätskunststoffbahnen derart interagieren, dass das Groovemuster verzerrt wird oder das Substrat gekrümmt wird. Geeignete Farbstoffe schließen organische Farbstoffe, anorganische Pigmente und Mischungen davon ein. Die Farbstoffbeschichtung wird dann getrocknet, metallisiert und mit einem UV-vernetzbaren Harz beschichtet, um die fertige CD-R herzustellen.
MO-Speichermedien umfassen ein Hochqualitätssubstrat, eine magneto-optische Schicht, die auf mindestens einer Seite des Substrats angebracht ist, eine reflektierende oder semireflektierende Schicht, die auf der magneto-optischen Schicht angebracht ist und optional eine Schutzschicht, die auf mindestens einer Seite des Substrats angebracht ist. Bei MO-Medien wird die magneto-optische Schicht, bei der es sich zum Beispiel um verschiedene Legierungen von Kobalt wie GdFeCo oder TbFeCo handeln kann, auf gegroovte Substrate gesputtert. Zusätzliche Schichten können auf der Kobalt-Legierungsschicht angebracht werden, um bei der Hitzeleitung von und zum Substrat zu helfen. Magnetische Domänen werden dann unter Verwendung einer Kombination eines fokussierten Lasers, der ein lokales Beheizen ermöglicht, und eines magnetischen Kopfes, der die Polarität der Domäne invertiert, beschrieben. Bei CD-RW und DVD-RW wird eine Kombination von Schichten auf dem gegroovten Hochqualitätskunststoffsubstrat aufgebracht, wie diese zum Beispiel in M. Elphick, Data Storage, Penwell, Nashua, NH, September 1998, Seite 85 beschrieben sind. Solche Schichten umfassen eine untere Schutzschicht wie zum Beispiel ZnS.SiO₂, eine beschreibbare Schicht, wie zum Beispiel Ge₂Sb₂Te₅, eine obere Schutzschicht, eine obere reflektierende Metallschicht und schließlich einen UV-vernetzbaren Schutzlack.
Die Hochqualitätsbahn gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung als Substrat in Speichermedien geeignet, bei denen der Leselaserstrahl reflektiert wird und nicht durch das Substrat durchgelassen wird. Bei solchen Speichermedien wird der Leselaserstrahl auf dem Substrat und dem Aufnahmemedium unter Verwendung einer festen Immersionslinse (SIL) fokussiert. Diese Linsen gleiten über die Oberfläche mit einem Abstand, der ein Bruchteil der Lichtwellenlänge darstellt. Typischerweise handelt es sich um eine Distanz von 10 bis 100 nm. Bei dieser Anwendung muss das Substrat nicht optisch transparent sein. Es ist jedoch essentiell, dass das Aufnahmemedium eine sehr geringe Rauhheit aufweist. Diese Anwendung von Nahfeld-Optiken wird in Mansfield et al., Appl. Phys. Lett.. 57, 1990, Seite 2615 beschrieben.
Mehrschichtspeichermedien können zur Erhöhung der Datenspeicherdichten verwendet werden. Bei solchen Speichermedien werden zwei oder mehrere Schichten anstatt einer einzelnen Schicht mit replizierten pits wie in einer CD oder 2 bis 4 Schichten wie in einer Standard-DVD verwendet, um Daten zu speichern. Die U.S.-Patente 4,450,553, 5,202,875, 5,263,011, 5,373,499 und 5,627,817 beschreiben z.B. Mehrschichtspeichermedien. Bei einem Mehrschichtspeichermedium ist es wünschenswert, dass die Gesamtdicke des Mediums gleich 1,2 Millimeter ist, damit es mit den momentanen Standards kompatibel ist. Daher muss bei einem 6 oder 12-Schichtspeichermedium jede Substratschicht jeweils eine Dicke von 0,2 oder 0,1 Millimetern aufweisen. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die gegenwärtigen Spritzgussverfahren nicht in der Lage sind, solche dünnen Substrate mit den benötigten optischen Eigenschaften herzustellen. Solche dünnen, spritzgussgeformten Substrate werden gekrümmt sein, Doppelbrechung aufweisen und unter hoher Spannung stehen. Im Gegensatz dazu können die Hochqualitätsbahnen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um dünne Substrate herzustellen, die eine sehr glatte Oberfläche und eine geringe Doppelbrechung haben und unter geringem Stress stehen.
Die oben beschriebenen Verfahren zur Replikation von pit-Strukturen auf einer Einzelschicht-CD können vorteilhafterweise auch für Mehrschichtspeichermedien angewendet werden. Zum Beispiel können eine oder mehrere Polymerschichten (Beschichtungen) auf dem Substrat wie bei einem kontinuierlichen Verfahren aufgebracht werden. Nachdem das Substrat einmal beschichtet ist, werden die Daten auf der Bahn durch Einprägen mit einer Heißprägevorrichtung kodiert. Alternativ kann ein Photopolymer auf das Substrat beschichtet werden und die Daten durch optische Bildgebung (Lithographie) kodiert werden. Nachdem die Daten auf dem Substrat kodiert sind, wird eine semi-reflektierende metallische Schicht oder eine dielektrische Schicht mit einem schmalen Bandpass (engl.: bandpass) auf jeder Substratschicht aufgebracht, so dass Licht von jeder einzelnen Substratschicht reflektiert werden wird. Die einzelnen Substratschichten werden dann mittels klebender Zugschichten zusammenlaminiert, um das erwünschte Mehrschichtspeichermedium zu bilden.
Die Hochqualitätsbahn der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls als Substrat für wieder beschreibbare Mehrschichtspeichermedien geeignet. Bei solchen Medien werden die Bahnen, nachdem die individuellen Bahnen gebildet und beschichtet worden sind, mit einem spiralförmigen Groovemuster geprägt. Ein Medium, wie zum Beispiel ein Phasenwechsel- oder MO-Medium wird dann auf das Kunststoffsubstrat gesputtert. Dem schließt sich die Aufbringung einer semi-reflektierenden metallischen Schicht oder dielektrischen Schicht mit einem schmalen Bandpass an. Die individuellen Substratschichten werden dann unter Verwendung adhesiver Zugschichten zusammenlaminiert, um das erwünschte Mehrschichtspeichermedium zu bilden.
Wenn die Hochqualitätsbahn der vorliegenden Erfindung für magnetische Speichermedien verwendet wird, umfassen die magnetischen Speichermedien eine Hochqualitätskunststoffbahn, die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellt wird und eine magnetische Legierung aufweist, die auf mindestens einer Seite der Bahn angebracht ist. Jede Hochqualitätskunststoffbahn gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung als ein Substrat in magnetischen Speichermedien geeignet. Bevorzugt wird eine magnetische Legierung auf der Hochqualitätsbahn durch Sputtern aufgebracht. Optional kann die Hochqualitätsbahn zusätzlich versteifende Stoffe umfassen. Versteifende Stoffe sind bei Anwendungen nützlich, bei denen die Hochqualitätsbahn ein erhöhtes Modul (Steifheit) aufweisen muss. Geeignete Versteifungsmittel schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Glasfaser, Talk, Silizium, Nitrid, Ton und Mischungen davon ein. Die vorliegende Bahn hat den Vorteil, dass sie leichter, glatter, steifer und stärker als die für magnetische Speichermedien bekannten Substrate, wie zum Beispiel Aluminiumscheiben, sind.
Die Hochqualitätsbahn der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls als Substrat für dreidimensionale („3 D") optische Speichermedien geeignet. 3 D optische Speichermedien sind bei allen Anwendungen nützlich, bei denen eine High density-Datenspeicherung notwendig ist, wie zum Beispiel bei Computerfestplatten oder ähnlichen Datenspeichervorrichtungen. Solche optischen 3-D optische Speichermedien unterscheiden sich von konventionellen zweidimensionalen Speichermedien, wie zum Beispiel einer CD-ROM oder magnetischen Speichermedien dadurch, dass die Information im dreidimensionalen Raum gespeichert wird und nicht nur in der Substratebene. Dies führt zu einem mehrfach erhöhten Anstieg in der Speicherkapazität von gigabyte pro Inch² (pro 6,45 cm²) zu terabyte pro Inch³ (pro 16,39 cm³). Es gibt verschiedene bekannte Beispiele für optische 3 D Speichermedien. Diese beinhalten solche Speichermedien, die auf anorganischen Materialien (oder Pigmenten) wie zum Beispiel LiNbO₃ und organischen Materialien (oder Farbstoffen) basieren. Beispiele für organische Materialien, die für optische 3 D Speichermedien geeignet sind, schließen photochromatische Farbstoffe ein, die infolge der optischen Anregung mit einem polarisierten Lasterstrahl eine reversible Verfärbung und Ausbleichung erfahren, Seitenkettenflüssigkristallpolymere, die sich im elektrischen Feld eines Laserstrahls ausrichten und dadurch eine Änderung in der lokalen Doppelbrechung verursachen, amorphe Polymere mit Seitenketten, die Farbstoffmoleküle enthalten, wobei die Farbstoffmoleküle über flexible Abstandshalter an die Hauptkette geknüpft sind und sich im polarisierten Laserstrahl orientieren und so eine Änderung in der lokalen Doppelbrechung bewirken; Polymere, die in der Seitenkette Azo-enthaltende Farbstoffmoleküle aufweisen; Licht-empfindliche Proteinmoleküle, die infolge der Anregung mit einem Laserstrahl einen elektronischen Übergang erfahren; photorefraktive Materialien und Photopolymere.
Typischerweise benutzten optische 3 D Speichermedien polarisiertes Licht, um eine lokale Änderung in den optischen Eigenschaften zu bewirken, d.h. durch Änderungen hinsichtlich der Doppelbrechung oder Absorption. Ein Laser, der bevorzugt polarisiert ist, wird typischerweise als die Lichtquelle in optischen 3 D Speichermedien benutzt, da solche Medien eine Lichtquelle brauchen, um in der Lage zu sein, einen spezifischen Punkt, der typischerweise eine Größe im Submikronbereich aufweist, zu fokussieren. Die schmale Linienbreite eines Lasers ermöglicht eine solche Fokussierung eines spezifischen Punktes. Bei solchen optische 3 D Speichermedien, die organische Materialien verwenden, bewirkt der polarisierte Laserstrahl zum Beispiel einen Cis-Trans-Übergang in dem Farbstoff, der das Absorptionsspektrum und die lokale optische Dichte ändert. Es ist daher essentiell, dass das Medium eine sehr kleine Doppelbrechung aufweist, damit der Laserstrahl, der zum Beschreiben des Moleküls verwendet wird, nicht verzerrt wird. Das Medium muss eine sehr kleine Doppelbrechung aufweisen, wenn die gespeicherte Information gelesen wird. Der Fachmann wird sich darüber bewusst sein, dass die Matrix eine sehr kleine Doppelbrechung haben muss, so dass der Schreiblaserstrahl eine messbare Änderung in den lokalen optischen Eigenschaften verursacht, was in einem großen Signal/Rauschverhältnis („SNR") resultiert. Wenn die Matrix eine hohe Doppelbrechung aufweisen würde, wäre das SNR klein und es wäre sehr schwierig, die in dem 3 D-Raum gespeicherten Daten zu lesen.
Die optischen Hochqualitätsbahnen der vorliegenden Erfindung können daher verwendet werden, um optische 3 D Speichermedien herzustellen, indem in einer solchen Bahn ein oder mehrere Pigmente, Farbstoffe oder Mischungen davon dispergiert werden. Bevorzugt werden dafür Pigmente, Farbstoffe oder Mischungen davon verwendet, die ausgewählt werden aus LiNbO₃, photochromatischen Farbstoffen, Seitenkettenflüssigkristallpolymeren, amorphen Polymeren mit Seitenketten, die Farbstoffmoleküle enthalten, Polymeren mit Seitenketten, die Farbstoffmoleküle enthalten, lichtsensitiven Proteinmolekülen, photorefraktorischen Materialien und Photopolymeren. Es ist ebenso möglich, jedes Molekül, Polymer, Pigment oder anderes anorganisches Material einzumischen, das einem elektronischen Übergang mit Änderung seiner Absorption, einer Orientierung im elektrischen Feld eines polarisierten Laserstrahls, die in einer Änderung des lokalen Refraktionsindex resultiert, oder einer chemischen Reaktion, wie zum Beispiel der Quervernetzung, die eine Änderung des Refraktionsindex bewirkt, unterworfen ist.
Typischerweise wird der Farbstoff, das Pigment oder die Mischung davon in die optischen Bahnen der vorliegenden Erfindung inkorporiert, indem der Farbstoff, das Pigment oder Mischung davon mit dem geschmolzenen Plastikharz kombiniert werden, bevor das geschmolzene Harz in ein Netz unter Verwendung einer Überlaufdüse geformt wird.
Die nach dem vorliegenden Erfindung hergestellte Bahn ist zur Verwendung bei der Leiterplattenherstellung, insbesondere zur Verwendung als ein Substrat für Schaltkreisschichten, geeignet. Mehrfachschichtbedruckte Leiterplatten werden für eine Vielzahl an Anwendungen benutzt und weisen bemerkenswerte Vorteile hinsichtlich der Einsparung an Gewicht und Raum auf. Eine Mehrfachleiterplatte umfasst zwei oder mehrere Schaltkreisschichten, wobei jede Schaltkreisschicht von einer anderen durch eine oder mehrere Schichten eines dielektrischen Materials getrennt ist. Schaltkreisschichten werden dadurch gebildet, dass eine Kupferschicht auf einem polymeren Substrat aufgebracht wird. Die gedruckten Schaltkreise werden dann auf den Kupferschichten anhand von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gebildet, wie zum Beispiel der Druck- und Ätztechnik, um die Leiterbahnen zu definieren und herzustellen.
Nach dem Laminieren werden die verschiedenen Schaltkreisschichten verbunden, indem Löcher durch die Plattenoberfläche gebohrt werden. Harzschmiere, das aus der Lochbohrung stammt, wird unter ziemlich stringenten Bedingungen, wie zum Beispiel der Behandlung mit konzentrierter Schwefelsäure oder heißem alkalischen Permanganat, entfernt und die Löcher werden dann weiter prozessiert und beschichtet, um eine leitende, verbindende Oberfläche zu gewährleisten. Vor der Laminierung werden die Schaltkreisschichten typischerweise mit einem Adhäsionspromotor behandelt, um die Bindungsstärke zwischen den einzelnen Schaltkreisschichten und den verschachtelten Harzschichten zu stärken. Ein bevorzugtes Verfahren zur Verbesserung solcher Bindungsstärken ist die oxidative Behandlung einer Schaltkreisschicht zur Bildung einer Kupferoxidoberfläche.
Wenn die Bahn, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, als ein Substrat für eine mikrooptische Linsenanordnung verwendet wird, können die Anordnungen mit allen zur Herstellung von optischen Speichermedien geeigneten Mitteln hergestellt werden. Geeignete mikrooptische Linsenanordnungen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, geradlinige Prismen, zweidimensionale Anordnungen von Pyramiden, Defraktionslinsen und holographische Linsenanordnungen ein. Zum Beispiel kann eine Heißprägeeinrichtung verwendet werden, um eine Linsenanordnung auf einer erfindungsgemäßen Bahn einzuprägen. Bevorzugt wird eine Heißprägevorrichtung in einer Formpresse verwendet. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Bahn ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Homopolymeren und Copolymeren von Polycarbonat, Polystyrol, Polyacryl, Polyester, Polyolefin, Polyacrylat und Mischungen davon. Solche mikrooptischen Linsenanordnungen sind bei Display- und Abbildungsanwendungen, bei denen die Brechung oder Beugung von Licht benötigt wird, geeignet. Solche Anwendungen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein: heads-up-Displays; Großbildschirm-Displays und Linseneinrichtungen für die Büroausrüstung, wie zum Beispiel Photokopiermaschinen und Faxmaschinen. Linsen, die für mikrooptische Anordnungen verwendet werden, sind typischerweise 10 bis 100 μm. Bei holographischen Linsen beträgt die Höhe typischerweise einen Bruchteil der Wellenlänge des Lichts und die lateralen Dimensionen sind typischerweise 10 bis 100 μm.
Wenn die optische Qualitätsbahn gemäß der vorliegenden Erfindung eine strukturierte Oberfläche hat, ist eine solche Bahn zur Verwendung als ein Lichtmanagement- oder Lichtführender Film geeignet. Lichtführende Filme haben Transmissionseigenschaften, die den Einfallswinkel des Lichts regulieren und dadurch bestimmt sind. Lichtleitende Filme bestehen zum Beispiel aus einem Polymerfilm mit einer geradlinigen, periodischen Anordnung von gewinkelten Prismen, die auf einer Oberfläche eingeprägt sind, was einer strukturierten Oberfläche entspricht. Der Lichtleitende Film fungiert als ein Lichtkollimator, der Licht von der Lichtquelle über seine flache Oberfläche empfängt und durch seine strukturierte Oberfläche leitet. Licht, das auf eine flache Oberfläche dieses Films in relativ großen Einfallwinkeln einfällt, wird an der platten Oberfläche der strukturierten Oberfläche des Films gebrochen und wird von der Bahn emittiert, nachdem es in Richtung der Normalen der glatten Oberfläche des Films umgeleitet worden ist. Zusätzlich ist Licht, welches die strukturierte Oberfläche intern in einem Winkel trifft, der größer als der kritische Winkel ist, einer totalen internen Reflektion von beiden Seitenoberflächen oder Facetten eines Prismaelements unterworfen und wird zur Lichtquelle zurückgeworfen. Wenn das Licht jedoch auf die strukturierte Seite des Films auftritt und anschließend an die glatte Oberfläche des Films weitergeleitet wird, wird ein komplementäres Verhalten beobachtet. Dies bedeutet, dass das Licht, das bei Winkeln einfällt, die nah der Normalebene des Licht leitenden Films liegen, durchgelassen werden und dass Lichtstrahlen, die bei größeren Winkeln einfallen, wegen einer internen Totalreflektion zurückgestrahlt werden. Solche Lichtmanagement- oder lichtleitenden Filme sind insbesondere geeignet zur Verwendung in LCD-Beleuchtungssystemen und als Hintergrundsbeleuchtung.
Typischerweise wird eine strukturierte Oberfläche auf den erfindungsgemäßen optischen Bahnen der Erfindung durch Aufprägen der Strukturen auf der Oberfläche der Bahn eingeprägt, während die Bahn noch warm ist. Alternativ wird die strukturierte Oberfläche auf einer gekühlten Bahn unter Verwendung einer Heißprägevorrichtung aufgebracht. Bevorzugt wird die strukturierte Oberfläche durch Beschichtung der erfindungsgemäßen optischen Bahn mit einem vernetzbaren Präpolymer, das eine geeignet Viskosität aufweist, durch Prägen der erwünschten strukturierten Oberfläche auf der Präpolymerbeschichtung und der anschließenden Vernetzung des Präpolymers aufgebracht. Bevorzugt ist das Präpolymer durch UV-Licht vernetzbar. Präpolymere, die zur Beschichtung der erfindungsgemäßen optischen Bahn verwendet werden können und die jede eingeprägte Struktur während des Vernetzens aufrecht erhalten, haben die geeignete Viskosität zur Verwendung in Lichtmanagementfilmen.
Die Bahn, die mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, ist auch zur Benutzung bei Wellenleiteroptiken geeignet. Geeignete Wellenleiteroptiken schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein: Wellenleiter, aktive und passive Photozellen, Wellenleitermultiplexer, elektrolumineszierende Lichtquellen und elektrooptische Modulatoren. Wellenleiteroptiken können, wenn diese für die genannten Anwendungen benutzt werden, auf der Bahn in der gleichen Art wie mikrooptische Anordnungen eingeprägt werden. Der Vorteil von Wellenleitern, die aus den erfindungsgemäßen Bahnen hergestellt wurden, ist, dass diese als große Bahnen hergestellt werden können und die Kosten und Schwierigkeiten der bekannten Verfahren vermieden werden. Bei Wellenleiteroptikanwendungen wird bevorzugt, dass die Bahn aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Homopolymeren und Copolymeren von Polycarbonat, Polystyrol, Polyacryl, Polyester, Polyolefin, Polyacrylat und Mischungen davon.
Die erfindungsgemäße Bahn kann auch zur Herstellung von Mikro-Fuidvorrichtungen verwendet werden. Solche Vorrichtungen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein: Miniaturdiagnosesysteme für biopharmazeutische Anwendungen, Miniaturvorrichtungen zum Leiten des Flüssigkeitsflusses, Miniatursensorvorrichtungen für pharmazeutische und biochemische Anwendungen und dreidimensionale Mikro-Fluidsysteme. Bevorzugt wird die Bahn, wenn sie für diese genannten Anwendungen benutzt wird, aus einer Gruppe ausgewählt, bestehend aus Homopolymeren und Copolymeren von Polycarbonat, Polystyrol, Polyacryl, Polyester, Polyolefin, Polyacrylat und Mischungen davon besteht.
Abhängig von der jeweiligen Verwendung der Bahn, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, können die Bahneigenschaften, wie eine geringe Schrumpfung, eine geringe Doppelbrechung und die Oberflächenqualität hinsichtlich ihrer Wichtigkeit, variieren. Die erwünschte Bahndicke wird ebenso in Abhängigkeit von der jeweiligen Verwendung variieren; sie wird aber im allgemeinen circa 25 mm oder weniger, bevorzugt 10 bis 5000 μm und am meisten 50 bis 1000 μm sein. Die Bahndicke kann dadurch angepasst werden, dass die Geschwindigkeit der Auslieferung des geschmolzenen Polymers an die Düse variiert wird oder dadurch, dass die Geschwindigkeit der Abnahmemittel variiert wird. Die Dickenvariation über eine Probenlänge von 400 mm sollte im allgemeinen 10 % oder weniger, bevorzugt 5 % oder weniger und am meisten bevorzugt 1 % oder weniger sein.
Eine typische erfindungsgemäße Vorrichtung ist in den 1–4 gezeigt. Wie dem Fachmann klar ist, können Abweichungen von den in diesen Abbildungen dargestellten Vorrichtungen hergestellt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Ein geschmolzenes Polymer aus einer Quelle 10 wird an eine Überlaufdüse mittels eines Kanals 12 (bevorzugt reguliert durch Auslieferungsmittel 14) ausgeliefert, wo es durch die Leitungsöffnung 21 in das Leitungselement 22 und darüber in die Düse 20 eingeführt wird. Die Temperatur des geschmolzenen Polymers, wie es an die Düse 20 ausgeliefert wird, wird mittels Heizmittel 15, die in unmittelbarer Nähe zu der Düse 20 lokalisiert sind, aufrecht erhalten. Während das geschmolzene Polymer die Öffnung 21 füllt, wird es durch die Dosierungsvorrichtung, die Spalte 23, herausgepresst und fließt aus der Düse 20 heraus entlang der Seiten 24 und 25. An der Spitze 26 der Düse konvergiert das geschmolzene Polymer, das entlang der Seiten 24 und 25 fließt, um den Anfang eines geschmolzenen Netzes 27 zu bilden.
Das geschmolzene Netz 27 wird an seinen Rändern von zwei Paaren Führungsmitteln (z.B. durch die Behälterlaufflächen 31, 32, 33 und 34) aufgenommen, die das geschmolzene Netz von der Düse 20 wegführen. Während das geschmolzene Netz 27 von der Düse 20 weggeführt wird, fällt die Temperatur des Netzes schrittweise unter die Glasübergangstemperatur des Polymers, was in einer abgekühlten Bahn 40 resultiert. Bei einer optionalen Ausführungsform helfen Abkühlungsvorrichtungen 36, die in unmittelbarer Nähe der Wegführvorrichtungen 31, 32, 33, 34 angebracht sind, die Temperatur des Netzes zu erniedrigen.
Das geschmolzene Harz kann auf verschiedene Weise zur Verfügung gestellt werden. Zum Beispiel kann das geschmolzene Harz aus einem Polymerisationsreaktor kommen, einer Mischvorrichtung, einer Vorrichtung zur Abnahme der flüchtigen Bestandteile (z.B. eine Verdampfungssäule (engl.: flash column), einer Strangfallvorrichtung zur Abnahme flüchtiger Bestandteile (engl.: falling strand devolatilizer) oder eine Rolldünnfilmverdampfungsvorrichtung (engl.: wiped film evaporator) oder aus einem Extruder. Ein Extruder ist bevorzugt, da er auch als eine Polymerauslieferungsvorrichtung (siehe Diskussion unten) fungieren kann. Am meisten bevorzugt ist es, einen Einschneckenextruder zu verwenden, obwohl ein Zweischneckenextruder oder ein Mehrschneckenextruder auch verwendet werden kann. Wenn ein Zwei- oder Mehrschneckenextruder verwendet wird, kann es sich dabei um alle Typen, zum Beispiel gegenläufige, gleichläufige, ineinandergreifende oder nichtineinandergreifende Extruder, handeln. Dem Fachmann wird bewusst sein, dass gut bekannte Techniken zur Handhabung und Herstellung von Harzen in dem vorliegenden beschriebenen Verfahren verwendet werden können. Solche Techniken schließen die Trocknung, die Verwendung einer Inertatmosphäre, die Entstaubung von Pellets und ähnliches ein.
Das geschmolzne Harz kann ein oder mehrere Kunststoffzusätze wie zum Beispiel Antioxidantien, Ultra-Violett (UV)-Absorber, UV-Stabilisatoren, fluoreszierende oder absorbierende Farbstoffe, antistatische Zusatzstoffe, Freisetzungsstoffe, Füllstoffe und Partikel enthalten. Die Art und die Menge an Zusatz, die zusammen mit spezifischen Harzen für spezifische Zwecke verwendet werden, ist dem mit der Kunststofftechnik vertrauten Fachmann bekannt und wir hier nicht weiter im Detail dargestellt.
Die Temperatur, bei der das Harz prozessiert wird, wird von der Zusammensetzung des Harzes abhängen und während des Herstellungsverfahrens variieren können. Die Temperatur muss ausreichend hoch sein, um zu gewährleisten, dass das Harz fließfähig ist. Sie darf aber nicht so hoch sein, dass das Harz degradiert wird. Die Betriebsbedingungen werden vom Polymertyp, der verarbeitet werden soll, abhängen und sich innerhalb der Bereiche bewegen, die dem Fachmann bekannt sind. Als eine generelle Richtlinie wird die Betriebstemperatur jedoch zwischen 100 und 400 °C sein. Zum Beispiel kann PMMA in einem Extruder verarbeitet werden, wenn der Extruderzylinder eine Temperatur von 150 bis 260 °C und die Schmelztemperatur 150 bis 260 °C beträgt. Andere Polymere, wie zum Beispiel Polycarbonat oder Polymethylmethacrylimid, können auch bei passenden höheren Schmelztemperaturen (200 – 330 °C) verwendet werden. Es ist bevorzugt, dass flüchtige Materialien und unerwünschte Partikelmassen aus dem geschmolzenen Kunststoffharz vor der Bahnbildung entfernt werden. Dies kann durch Verfahren erreicht werden, wie sie dem Fachmann bekannt sind Auslieferungsmittel 14 zum Ausliefern eines konstanten Flusses an geschmolzenem Polymer werden benötigt, um die Fließgeschwindigkeit zu regulieren und die Drücke zur Verfügung zustellen, die benötigt werden, um das geschmolzene Polymer durch den Kanal 12, die Leitungsöffnung 21, das Leitelement 22 an die Düse 20 auszuliefern. Die Auslieferungsmittel können jeden mechanischen Schmelzpumpentyp, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, jeden passenden Extruder (wie sie oben beschrieben sind), Zahnradpumpen oder Kombinationen davon einschließen. Bei einer einfachen Form kann es sich bei den Auslieferungsmitteln um eine durch die Gravitationskraft angetriebene Zugvorrichtung handeln oder um hydrostatischen Druck. Die Auslieferungsmittel können in Übereinstimmung mit Verfahren, wie sie dem Fachmann bekannt sind, ausgewählt werden. Die Verwendung einer Schmelzenpumpe vom Zahnradtyp wird bevorzugt, weil sie eine Regelung der Fließgeschwindigkeit ermöglicht und Abweichungen in der Fließgeschwindigkeit minimiert, was zu einer einheitlicheren Bahndicke führt. Zusätzlich kann die Verwendung einer Schmelzenpumpe die Musterung des geschmolzenen Harzes reduzieren, indem die Schererwärmung des Polymers vermindert wird. Die Temperaturen für die Schmelze werden durch das verwendete Kunststoffharz bestimmt und sind denen, die bei Standardextrusionsverfahren verwendet werde, ähnlich. Typischerweise sind sie zwischen 50 und 200 °C oberhalb der Tg des Harzes. Es kann mehr als eine Auslieferungsvorrichtung zum Beispiel zur Herstellung von breiten Bahnen, verwendet werden. Erfindungsgemäß sollen die Auslieferungsmittel das geschmolzene Polymer an den Zugang der Überlaufdüse in einem Bereich von 50 bis 70.000 kPa, bevorzugt 300 bis 7000 kPa und am meisten bevorzugt 1000 bis 3500 kPa anliefern.
Die Polymerschmelze wird durch einen Schmelzfilter und einen Mischer geführt, die sich zwischen den Auslieferungsmitteln 14 und der Düse 20 befinden. Bevorzugt wird die Polymerschmelze zuerst durch ein Schmelzfilter und dann einen Mischer geführt wird. Der Filter entfernt Gele, Dreck und Fremdpartikel aus der Schmelze. Der Mischer mischt das Polymer, um thermische Gradienten in der Schmelze zu minimieren und die Flusslinien, wie sie vom Schmelzfilter herrühren, zu entfernen. Es können beliebige Schmelzfilter für das vorliegende Verfahren verwendet werden. Geeignete Schmelzfilter schließen Kerzenfilter und Scheibenfilter ein. Bevorzugt wird ein Scheibenfilter verwendet. Jeder Mischer kann für das vorliegende Verfahren verwendet werden, wie zum Beispiel statische Mischer oder Rotationsmischer. Die Verwendung eines Schmelzfilters und eines Mischers ergibt Kunststoffbahnen, die eine bessere Qualität hinsichtlich der Kontrolle der Glattheit und Dicke aufweisen.
Die Überlaufdüse wird benutzt, um eine Bahn aus dem geschmolzenen Plastikharz zu bilden. Die Düse beinhaltet eine Dosierungsvorrichtung und eine Überlaufoberfläche mit konvergierenden Seiten, die im Querschnitt in einer Spitze zusammenlaufen. In Längsrichtung kann die Düse im wesentlichen linear, kurvig, oval oder kreisförmig sein. Das Verhältnis von Düsenhöhe zur Breite sollte im allgemeinen im Bereich von 1:1 zu 10:1, bevorzugt 2:1 bis 5:1 und am meisten bevorzugt 2,5:1 bis 4:1 liegen. Das Verhältnis der Länge (oder des Umfangs) zur Höhe sollte im allgemeinen mindestens 1:2, bevorzugt mindestens 2:1 und am meisten bevorzugt mindestens 3:1 sein.
Der Dosierungsteil der Überlaufdüse besteht aus Elementen zur Fließverteilung, wie zum Beispiel Löchern, Spalten, „Kleiderbügel"-Anordnungen oder Kombinationen davon, die die Fließverteilung des geschmolzenen Harzes entlang der Düse regulieren und damit das Dickeprofil der Bahn kontrollieren. Beispiele für solche Dosierungsvorrichtungen sind in den 5–7 dargestellt. Andere Dosierungsvorrichtungen, wie sie dem Fachmann bekannt sind, können ebenfalls verwendet werden. Die Länge der Düse wird von der Breite der herzustellenden Bahn abhängen, wobei das Verhältnis der durchschnittlichen Spaltenbreite (durchschnittliche Breite der Spalte 23) zu dem durchschnittlichen Durchmesser des Leitungselements (durchschnittlicher Durchmesser des Leitungselements 22) im allgemeinen mindestens 1:5, bevorzugt mindestens 1:10 und am meisten bevorzugt mindestens 1:20 sein sollte. Für Bahnen, die eine Enddicke von 1 nun oder weniger aufweisen, wird eine im wesentlichen konstante Spaltenbreite entlang der Düse bevorzugt. Bei größeren Breiten wird ein sich verjüngender Spalt bevorzugt, wobei der Spalt an dem Zuführende dünner und an dem entgegengesetzten Ende dicker ist. Wenn eine breite Bahn erwünscht ist, können Leitungsöffnungen 21 und 21' (siehe 6) an beiden Enden der Düse angebracht sein und es ist dann möglich, dass die Spalte 23 an beiden Enden verjüngt ist.
Die Überlaufoberfläche wird durch das Äußere der Düse 20 gebildet und besteht aus einem Paar Düsenlippen, die mit der Dosierungsvorrichtung verbunden sind und das geschmolzene Polymer entlang der konvergierenden Seiten 24 und 25 leiten. Die konvergierenden Seiten dirigieren den Schmelzfluss an die Spitze 26, wo das geschmolzene Netz die Düse verlässt. Obwohl die Überlaufoberfläche texturiert oder glatt sein kann, ist sie bevorzugt glatt. Darüber hinaus ist die Überlaufoberfläche bevorzugt hochpoliert, um Abweichungen und Defekte in der Bahn zu minimieren. Die Überlaufoberfläche kann mit einer Beschichtung (zum Beispiel Elektroplattierung- oder andere Aufbringungstechniken) behandelt sein, um die Düsenoberflächenglattheit zu verbessern, Korrosionswiderstandsfähigkeit zu gewährleisten oder die Flusseigenschaften über die Düse zu verbessern.
Das Konstruktionsmaterial der Düse ist wichtig. Metalle sind bevorzugt wegen ihrer hohen thermischen Leitfähigkeit, guten Korrosionswiderstandsfähigkeit, ihres hohen Moduls und ihrer Fähigkeit, poliert werden zu können. Andere Materialien, wie Glas und Keramik, können im Prinzip auch benutzt werden. Bevorzugt wird rostfreier oder Werkzeugqualitäts-Stahl verwendet.
Wenn eine nicht-planare Bahn erwünscht ist, kann die Düsengeometrie entsprechend Verfahren, wie sie dem Fachmann bekannt sind, modifiziert werden. Wenn zum Beispiel eine gebogene Schicht erwünscht ist, kann die Düse entlang ihrer Längsachse gebogen sein.
Im allgemeinen ist es erwünscht, die Viskosität des geschmolzenen Kunststoffes (bei einer Scherrate von 10 sec^–1) zwischen 1 und 10 000 Pa-s, bevorzugt zwischen 5 und 1000 Pa-s, und am meisten bevorzugt zwischen 10 und 500 Pa-s zu halten. Zusätzlich ist die Schmelzfließgeschwindigkeit pro Einheit Düsenlänge (Fließgeschwindigkeit geteilt durch die Länge) typischerweise im Bereich von 1,0 × 10^–3 bis 10 g/s/cm, bevorzugt 1,0 × 10^–2 bis 1,0 g/s/cm und am meisten bevorzugt 2,0 × 10^–2 bis 2,0 × 10^–1 g/s/cm. Die Viskosität kann durch die Variierung der Temperatur kontrolliert werden. Abhängig vom Düsendesign kann die Temperaturkontrolle wichtiger oder weniger wichtig sein. Je gleichmäßiger die Temperatur entlang der Düse ist, umso gleichmäßiger wird die Breite der Schicht sein. Es ist bevorzugt, dass die Schmelztemperatur einheitlich entlang der Düse ist. Die Dickenvariation, die aus einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung entlang der Düsenlänge resultiert, kann durch Wechsel der Ausgestaltung des Spaltes oder anderer Dosierungsvorrichtungen minimiert werden. Die Temperaturkontrolle kann zum Beispiel durch eine oder mehrere der folgenden Komponenten erreicht werden: elektrische Heizpatronen, Infrarotlampenheizvorrichtungen, geheiztes Öl (oder andere Hitzetransferflüssigkeit), Heizrohre oder Mikrowellenheizvorrichtungen. Erhitztes Öl oder andere Hitzetransferflüssigkeiten werden bevorzugt, weil die Temperatur mittels eines Thermostats kontrolliert werden kann und eine einheitliche Temperatur leicht erreicht werden kann. Die Düse befindet sich bevorzugt innerhalb einer teilweise umschlossen Umgebung, um Temperaturschwankungen zu minimieren. Bevorzugt kann auch eine inerte Umgebung verwendet werden. Solche inerten Umgebungen minimieren die Verfärbung und die Degradation des Harzes.
Es ist bevorzugt, aber nicht essentiell, dass der geschmolzene Kunststoff in einer nach unten gerichteten Richtung fließt, nachdem er durch die Düse getreten ist, da der nach unten gerichtete Fluss durch die Schwerkraft beeinflusst wird. Die Fließgeschwindigkeit wird durch eine Kombination des Schwerkrafteffekts und der Spannung, die durch die Abnahmemittel aufgebracht wird, bestimmt. Indem der Kunststofffluss in eine nach unten gerichtete Richtung über die Düse geleistet wird, wirkt die Schwerkraft in dieselbe Richtung wie der Kunststofffluss, so dass die Spannung, die seitens der Abnahmemittel benötigt wird, reduziert wird, was die Bahnqualität verbessert. Der geschmolzene Kunststoff nimmt, nachdem er die Düse passiert hat, eine Form an, die als „Netz" bezeichnet wird.
Die Abnahmevorrichtungen transportieren das geschmolzene Kunststoffnetz von der Düse mit einer regulierten Geschwindigkeit weg und erlauben es dem Netz abzukühlen. Die Abnahmevorrichtungen können zum Beispiel Walzen oder „Gehäuselaufbänder"-Vorrichtungen sein, wobei nur die äußeren Ränder der Bahn in Kontakt mit den Abnahmevorrichtungen kommen. Eine „Gehäuselaufbänder"-Vorrichtung wird bevorzugt, da dies die Glattheit der Bahnoberfläche maximal erhöht. Eine Gehäuselaufflächen-Vorrichtung ist als Teil der Vorrichtung der 1 und 2 in Form der Ziffern 31, 32, 33 und 34 dargestellt.
Die Abnahmevorrichtungen kontrollieren die Geschwindigkeit mit der die Kunststoffbahn produziert wird, welche bei einer gegebenen Polymerfließgeschwindigkeit die Dicke der Bahn bestimmt. Daher ist die Regelung der Geschwindigkeit der Abnahmevorrichtung ziemlich wichtig. Die Abnahmevorrichtungen unterstützen ebenso das Gewicht der Bahn, wodurch eine konsistente Bahnbreite und Dicke aufrechterhalten wird. Es ist wünschenswert, die Abnahmevorrichtungen so nah wie möglich an der Düse zu positionieren, damit die Menge an geschmolzenem Harz, die nicht unterstützt wird, minimiert ist. Die Distanz zwischen der Spitze der Düse zu dem Abnahmesystem (z.B. die Walzenspaltfläche an der Spitze der Laufflächenvorrichtung) ist typischerweise < 25 cm, bevorzugt < 10 cm und am meisten bevorzugt < 5 cm.
Die Abnahmegeschwindigkeit der Bahn wird abhängig von dem erwünschten Bahntyp und der Dicke variieren. Zum Beispiel wird für eine Bahn mit einer Dicke von 0,4 mm die Abnahmegeschwindigkeit der Bahn im allgemeinen im Bereich von 10 bis 1000 cm/min, bevorzugt von 20 bis 200 cm/min und am meisten bevorzugt von 50 bis 100 cm/min liegen, wohingegen für eine Bahn mit einer Breite von 1 mm die Abnahmegeschwindigkeit im allgemeinen im Bereich von 5 bis 500 cm/min, bevorzugt von 10 bis 100 cm/min und am meisten bevorzugt von 25 bis 50 cm/min liegen wird. In ähnlicher Weise wird die Verbleibezeit während des Abkühlens in dem Abnahmesystem vor dem Biegen variieren. Zum Beispiel wird die Verbleibezeit für eine Bahn mit 0,4 mm Dicke vor dem Verbiegen im allgemeinen ≥ 10 sec, bevorzugt ≥ 1 min und am meisten bevorzugt ≥ 2 min sein, wohingegen für eine Bahn mit einer Dicke von 0,2 mm die Verbleibezeit vor dem Verbiegen im allgemeinen ≥ 5sec, bevorzugt ≥ 30 sec und am meisten bevorzugt ≥ 1 min sein wird.
Die Kunststoffbahn kann durch natürliche Konvektion während des Transports mit dem Abnahmesystem abkühlen oder durch eine erzwungene Konvektion. Die natürliche Konvektion besteht im passiven Abkühlen der Bahn während der Passage durch die Luft oder ein Flüsssigkeitsbad. Die erzwungene Konvektion wird dadurch erreicht, dass eine Hitzetransferflüssigkeit entlang oder gegen die Bahn gepumpt oder geblasen wird, um den Hitzeaustausch zu verstärken. Die natürliche Konvektion wird bevorzugt, um die Bahnwelligkeit und Oberflächenmarkierung zu minimieren. Bevorzugt wird eine saubere Flüssigkeit (frei von Partikeln) zum Abkühlen der Bahn verwendet, um Oberflächenkontanimationen oder Defekte zu vermeiden. Zum Beispiel können HEPA-Filter mit Luft oder Gaskühlung für diesen Zweck verwendet werden. Jede Füssigkeit oder Kombination an Flüssigkeiten kann zur Abkühlung der Bahn verwendet werden, vorausgesetzt dass die benutzte Flüssigkeit nicht schädlich für das verarbeitete Kunststoffmaterial ist. Beispiele für nützliche Kühlflüssigkeiten sind: Luft, Stickstoff, Wasser, Öle und Glykole. Es ist möglich, das Abkühlungsverfahren mit einem Beschichtungsverfahren zu kombinieren; indem ein geeignetes Kühlmittel verwendet wird, das als Beschichtung wirkt und in Form eines Film auf der Plastikbahn aufgebracht wird, während diese das Kühlbad verlässt.
Der Fachmann erkennt, dass eine Bandbreite an optionalem Equipment, das sich den Abnahmevorrichtungen anschließt, eingesetzt werden kann. Beispiele für optimales Equipment schließen konventionelles Filmhandhabungsequipment, wie zum Beispiel Filmaufrollapparate, Kantenschneider, Blattschneider und Verpackungsequipment, ein. Zusätzlich können andere nachgeschaltete Vorrichtungen, wie zum Beispiel Vorrichtungen zum Formen, Beschichtungsausrüstung, Dekorationsequipment und Laminierungsequipment verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jedem geeigneten Kunststoffharz durchgeführt werden. Bevorzugt wird thermoplastisches Harz verwendet. Ein thermoplastisches Harz ist ein Polymerharz, das reversibel erweicht, wenn es Hitze ausgesetzt ist, und infolge von Abkühlung wieder erhärtet. Thermoplastische Harze können lineare oder verzweigte Polymere sein, die im wesentlichen nicht quervernetzt sind. Bevorzugt werden die thermoplastischen Harze, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, praktisch keine Quervernetzung aufweisen und thermische Stabilität (für Verweildauern bis zu 10 min oder mehr) bei den Schmelztemperaturen des Verfahrens (d.h. eine Viskosität in der Größenordnung von 10³ Pa-s) aufweisen. Beispiele für thermoplastische Harze, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, schließen ein, ohne darauf beschränkt zu sein: Homopolymere oder Copolymere von Acrylsäure, Methacrylsäure und deren Estern, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Copolymere mit Styrol und seinen Derivaten, N-Alkylmaleimid, Acrylonitril und Vinylacetat, Phenoxyether, Polyphenylen, Oxidharze, Epoxyharze, Zelluloseharze, Vinylpolymere wie Polyvinylchlorid („PVC"), Fluorpolymere wie fluoriertes Ethylenpropylen und Poly(vinylidenfluorid), Polystyrol, Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen, Poly-1-methylpenten-1, und einschließlich zyklische Olefinpolymere und Copolymere wie solche, die auf Norbornen und funktionalisierte Norbornenmonomeren beruhen, Polysulfone, Polyethersulfonee, Polyetherketone, Polyetherimide, Polyphenylensulfide, Polyarylenesterharze, Polyester, Homopolymere oder Copolymeredes N-H und/oder N-Alkylglutarimid, Acrylonitrilbutadien-Styrolharze („ABS"), Styrolacrylonitrilharze („SAN"), Styrolmaleinanhydridharze („SMA"), imidiertes SMA, Polyamide („Nylon"), Polycarbonate, einschließlich Hochtemperaturhomopolymeren und Copolymeren,; Polycarbonatpolyester und Polyarylate. Geeignete Polycarbonate schließen ein oder mehrere Bisphenole und ein oder mehrere Carbonsäuren ein. Geeignete Carbonsäuren schließen ein, ohne darauf beschränkt zu sein: Phosgen, Diphosgen, Triphosgen, Carbonsäureester, wie Chloroformsäureester und Mischungen davon. Geeignete Bisphenole schließen ein, ohne darauf beschränkt zu sein: Bis(4-Hydroxyphenyl)alkane und Cycloalkane, Bis(3-substituiertes-4-Hydroxyphenyl), Alkylcycloalkane, Bis(3,5-disubstituiertes-4- Hydroxyphenyl)alkylcycloalkane, wie 2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)propan, 2,2-bis(3-methyl-4-hydroxyphenyl)propan, 2,2-bis(3,5-Dimethyl-4-hydroxyphenyl)propan; 1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)cyclohexan, 2,2-bis(3-phenyl-4-hydroxyphenyl)propan, 2,2-bis(3-isopropyl-4-hydroxyphenyl)propan, 2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)butan, 9,9-bis(4-Hydroxyphenyl)fluoren, 9,9-bis(4-Hydroxy-3-methylphenyl)fluoren, 1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan, 1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3-dimethylcyclohexan, 1,1-bis(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethyllcyclohexan, 1,3-bis(4-hydroxyphenyl)-5,7-dimethyladamantan, 1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)-1-phenylethan, 4,4'-dihydroxytetraphenylmethan, 2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)propan, und 6,6'-dihydroxy-3,3,3',3'-tetramethyl-1,1'-spiro(bis)indan. Die Polyesterpolycarbonat-Copolymere, die erfindungsgemäß geeignet sind, umfassen ein oder mehrere Bisphenole, ein oder mehrere Carbonsäuren und ein oder mehrere zusätzliche Säuren, wie zum Beispiel Terephtal- und Isophthalsäuren. Die Polycarbonate und Polyesterpolycarbonate, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind aus dem Stand der Technik gut bekannt. Mischungen von thermoplastischen Harzen können ebenfalls benutzt werden. Besonders nützliche thermoplastische Harzmischungen schließen zum Beispiel ein: SAN-Polyglutarimid, Polycarbonatpolyester, PMMA-poly(vinylidenfluorid), Polystyrol-poly(phenylenoxid) und Polycarbonatmischungen, einschließlich Mischungen von 2,2-Bis(4-Hydroxyphenyl)-propanpolycarbonat und Hochtemperatur-Polycarbonatcopolymeren, wie zum Beispiel ein Copolymer aus 2,2-Bis(4-Hydroxyphenyl)propan und 1,1-Bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-Trimethylcyclohexan, erhältlich als APEC Polycarbonat (Bayer Corp.). Bevorzugte Harze für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind: Polycarbonate, lineare Acrylhomopolymere und Copolymere, zyklische Polyolefine und lineare imidierte Acrylhomopolymere und Copolymere wie solche, die in U.S.-Patent-Nr. 4,727,117 (Hallden-Abberton et al.) und U.S.-Patent-Nr. 4,246,374(Kopchik) beschrieben sind.
Die Kunststoffharze, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, werden typischerweise durch Additionspolymerisations- oder Kondensationspolymerisationsverfahren gewonnen. Additionspolymerisationsverfahren schließen die Substanzpolymerisation und Lösungs- oder Dispersionspolymerisation in Wasser oder organischen Lösungsmitteln ein. Solche Verfahren sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und können kationische, anionische oder freie Radikalinitiations- und Wachstumsreaktionen beinhalten. Kondensationspolymerisations verfahren schließen Substanz-, Lösungs- und Dispersionspolymerisationsverfahren ein. Kunststoffharze, die in Polymerisationsverfahren, bei denen es sich nicht um eine Substanzpolymerisation handelt, gebildet werden, benötigen möglicherweise eine anschließende Behandlung, um das Harz zu isolieren.
Die folgenden Beispiele werden präsentiert, um weitere verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung zu illustrieren, sollen aber nicht den Umfang der Erfindung in irgendeiner Hinsicht begrenzen.
Beispiel 1: Herstellung eines Acrylfilms
Dieses Beispiel stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar, wie es benutzt wird, um eine Acrylbahn optischer Qualität herzustellen.
PMMA-Harz mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 110000 wurde in einen belüfteten, zweistufigen Einschnecken-Extruder mit 2 Inch (5 cm) Durchmesser, der ein L:D-Verhältnis von 30:1 aufwies, bei einer Geschwindigkeit von 3,1 g/s unter Verwendung einer Volumendosiervorrichtung langsam beladen. Der Extruderzylinder wies ein Temperaturprofil von 204 °C am Zufuhrende, bis zu 274 °C am Entladeende auf. Das Harz wurde mittels eines Entlüftungsventils, das bei 720 – 750 mm Hg arbeitete, entlüftet. Die Schnecke wies eine Rotationsgeschwindigkeit von 30 rpm auf. Eine Schmelzenpumpe vom Zahnradtyp wurde benutzt, um das geschmolzene Harz durch einen „Screen pack"Filter an eine 12" (30 cm) lange Überlaufdüse zu pumpen, die ein internes Leitelement mit einem Durchmesser von 1,27 cm und eine Reihe von 22 Dosierlöchern mit einem Abstand von 1,27 cm aufwies. Der Durchmesser der Dosierungslöcher nahm vom Zufuhrende der Düse bis zum abwärts gelegenen Ende von 3,18 mm auf 3,73 mm zu. Die Schmelzpumpentemperatur war 274 °C. Der Schmelzpumpenansaugdruck war 2100 kPa und der Schmelzpumpenentladedruck war circa 4100 kPa. Die Überlaufdüse wurde intern unter Verwendung von drei elektrischen Heizpatronen und extern unter Verwendung von 3 IR Heizeinheiten auf eine Temperatur von 274 °C erhitzt. Das geschmolzene Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete, wurde durch zwei Paare von Gehäuseleitbahnen weggeführt und unter Verwendung von Druckluftkühlung, die unter Verwendung von zwei Luftverteilerkanälen zur Verfügung gestellt wurde, gekühlt.
Die resultierende Bahn hatte eine durchschnittliche Dicke von 0,325 mm, eine Oberflächen-Rauhheit Rq von 14,6 nm und eine optische Verzögerung von < 5 nm.
Beispiel 2: Herstellung einer imidierten Acrylbahn
Dieses Beispiel illustriert das erfindungsgemäße Verfahren, wie es zur Herstellung einer imidierten Acrylbahn optischer Qualität verwendet wird.
Ein gekapptes imidiertes Acrylharz mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 108000 und einer Glasübergangstemperatur von circa 180 °C wurde langsam in einen belüfteten, zweistufigen Einschraubenextruder mit 2 Inch (5 cm) Durchmesser und einem L:D-Verhältnis von 30 : 1 mit einer Geschwindigkeit von 2,5 g/s unter Verwendung einer durch Gravitation betriebenen Zuführvorrichtung langsam zugefüttert. Der Extruderzylinder wies ein Temperaturprofil von 246 °C am Zufuhrende und 329 °C am Entladeende auf. Das Harz wurde unter Verwendung eines Entlüftungsventils, das bei 720 – 750 mm Hg arbeitete, entlüftet. Die Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke betrug 30 rpm. Eine Schmelzenpumpe vom Zahnradtyp wurde benutzt, um das geschmolzene Harz durch einen „Screen pack"-Filter an eine 25,5 Inch (65 cm) lange Überlaufdüse zu führen, die ein internes Leitelement mit einem Durchmesser von 1,58 cm und eine 16 Inch (40 cm) breiten Spalt aufwies, der sich von 0,038 auf 0,042 Inch (0,965 auf 1,067 mm) verjüngte. Die Schmelzpumpentemperatur war 329 °C. Der Schmelzpumpenansaugdruck war 4.100 kPa. Der Schmelzpumpenentladedruck war circa 1650 kPa. Die Düse wurde unter Verwendung eines Heißölsystems (Öltemperatur = 343 °C) über interne Löcher in der Düse erhitzt und die Luft um die Düse wurde mit einem Druckluftofen (Temperatur = 280 °C) erhitzt. Das geschmolzene Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete, wurde unter Verwendung von zwei Paaren an Gehäuseleitbahnen, die bei einer Geschwindigkeit von 1,2 cm/s arbeiteten, weggeführt und mittels natürlicher Raumluftkonvektion gekühlt.
Ein 200 mm × 200 mm Stück wurde von der abgekühlten Bahn abgeschnitten und überprüft. Die resultierende Bahn wies eine Dicke von 0,390 mm mit einer Variation von ± 0,015 mm auf. Die Oberflächenwelligkeit Wy und Wq waren < 0,5 μ und 0,18 μ. Die Oberflächen-Rauhheit Rq war 7,6 nm und die optische Verzögerung war < 6 nm. Die thermische Schrumpfung, die bei einer Temperatur von 160 °C gemessen wurde, war 0,03 % oder weniger.
Beispiel 3: Herstellung einer Polycarbonatbahn
Dieses Beispiel stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar, wie es zur Herstellung einer Polycarbonatbahn optischer Qualität verwendet wird.
Ein Polycarbonatharz von Extrusionsqualität (Lexan 101, GEPlastics, Pittsfield, MA) wurde langsam in einen belüfteten, zweistufigen Einschneckenextruder mit 2 Inch (5 cm) Durchmesser und einem L:D-Verhältnis von 30 : 1 bei einer Geschwindigkeit von 4,4 g/s unter Verwendung einer durch Gravitation betriebenen Zuführvorrichtung langsam gefüttert. Der Extruderzylinder wies ein Temperaturprofil von 232 °C an dem Zuführvorrichtungsende und bis zu 315 °C am Entladeende auf. Das Harz wurde mittels eines Entlüftungsventils, das bei 720 – 750 mm Hg arbeitete, entlüftet. Die Schneckengeschwindigkeit betrug 30 rpm. Eine Schmelzenpumpe vom Zahnradtyp wurde benutzt, um das geschmolzene Harz durch einen „Screen pack"-Filter an eine 37,5 Inch (95 cm) lange Überlaufdüse zu führen, die ein internes Leitungselement mit einem Durchmesser von 1,905 cm und einen 28 Inch (71 cm) langen Spalt aufwies, der sich von 0,038 auf 0,045 Inch (0,965 auf 1,143 mm) verjüngte. Die Schmelzpumpentemperatur war 315 °C. Der Schmelzpumpenansaugdruck war circa 3400 kPa. Der Schmelzpumpenentladedruck war circa 1300 kPa. Die Düse wurde unter Verwendung eines Heißölsystems (Öltemperatur = 315 °C) über interne Löcher in der Düse behitzt und die Luft um die Düse wurde mit einem Druckluftofen (Temperatur = 260 °C) erhitzt. Das geschmolzene Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete, wurde unter Verwendung von zwei Paaren von Gehäuseleitbändern, die mit einer Geschwindigkeit von 1,2 cm/s arbeiteten, wegtransportiert und durch natürliche Raumluftkonvektion abgekühlt.
Ein 400 mm × 400 mm großes Stück wurde von der abgekühlten Bahn abgeschnitten und überprüft. Die resultierende Bahn hatte eine Durchschnittsdicke von 0,43 mm mit einer Variation von ± 0,02 mm sowohl in der transversen als auch in der Herstellungsrichtung. Wy war < 1 μ, Wq war 0,15 μ, die Oberflächen-Rauhheit Rq war < 10 nm und die durchschnittlich optische Verzögerung war 20 nm mit einer Abweichung von 10 nm. Die thermische Schrumpfung, die bei 130 °C gemessen wurde, betrug 0,02 %.
Beispiel 4: Herstellung eines Polycarbonatfilms
Dieses Beispiel stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar, wie es zur Herstellung eines Polycarbonatfilms optischer Qualität verwendet wird.
Polycarbonatharz mit Extrusionsqualität (Lexan 101, GE Plastics, Pittsfield, MA.) wurde langsam in einen belüfteten, zweistufigen Einschschneckenextruder mit 2 Inch (5 cm) Durchmesser und einem L:D-Verhältnis von 30 : 1 bei einer Geschwindigkeit von 2,5 g/s unter Verwendung einer durch Gravitation betriebenen Zuführvorrichtung langsam zugefüttert. Der Extruderzylinder wies ein Temperaturprofil von 232 °C an dem Zuführvorrichtungsende und bis 315 °C am Entladeende auf. Das Harz wurde mittels eines Entlüftungsventils, das bei 720 – 750 mm Hg arbeitete, entlüftet. Die Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke war 30 rpm. Eine Schmelzenpumpe vom Zahnradtyp wurde benutzt, um das geschmolzene Harz durch einen „Screen pack"Filter an eine 37,5 Inch (95 cm) lange Überlaufdüse zu pumpen, die ein internes Leitelement mit einem Durchmesser von 1,905 cm und einen 28 Inch (71 cm) langen Spalt aufwies, der von 0.038 auf 0,045 Inch (0,965 auf 1,143 mm) sich verjüngte. Die Schmelzpumpentemperatur war 315 °C. Der Schmelzpumpenansaugedruck war 2100 kPa. Der Schmelzpumpenentladedruck war circa 1300 kPa. Die Düse wurde unter Verwendung eines Heißölsystems (Öltemperatur = 315 °C) über interne Löcher in der Düse beheizt und die Luft um die Düse wurde mit einem Druckluftofen (Temperatur = 250 °C) beheizt. Das geschmolzene Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete, wurde unter Verwendung von zwei Paaren von Gehäuseleitbahnen, die mit einer Geschwindigkeit von 3,1 cm/s arbeiteten, weggeleitet und durch natürliche Raumluftkonvektion abgekühlt.
Ein 400 mm × 400 mm großes Stück wurde von der abgekühlten Bahn abgeschnitten und überprüft. Der resultierende Film hatte eine durchschnittliche Dicke von 54 μ mit einer Abweichung von ± 4 μ sowohl in die transverse als auch in die Herstellungsrichtung. Die optische Verzögerung war < 10 nm.
Beispiel 5: Herstellung einer Hochtemperatur-Polycarbonatmischung-Bahn
Eine vorgemischte Mischung von 2,33 Teilen APEC DP9-9371, bei dem es sich um ein Polycarbonat-Copolymer handelt, das von Bayer, Corp., Pittsburg, PA, erhältlich ist und das eine Tg von 205 °C hat, und einem Teil Makrolon DP1-1235, bei dem es sich um ein Niedermolekulargewichtspolycarbonat, das ebenfalls von Bayer, Corp. erhältlich ist, handelt und das eine Tg von 150 °C aufweist, wurde in einen Extruder mit einer Geschwindigkeit von 2,5 g/s unter Verwendung einer durch Gravitation betriebenen Zuführvorrichtung langsam zugefüttert. Der Extruder war ein belüfteter zweistufiger Einschneckenextruder mit 5,08 cm (2 inch) Durchmesser und einem L:D-Verhältnis von 30:1, mit einer 10 cc/rev Schmelzpumpe vom Zahnradtyp, mit einem Schmelzenfilter, mit einem Rotationsmischer und einer Überlaufdüse. Das gesamte Verfahrensequipment wurde mit Stickstoffgas vor dem Start gespült. Das Harz wurde unter Verwendung eines Entlüftungsventils, das bei 720-750 mm Hg arbeitete, entlüftet. Die Schneckengeschwindigkeit war 30 rpm. Die Zahnradpumpe wurde verwendet, um das geschmolzene Harz durch einen 5 Micron gesinterten Metallfaser-Schmelzenfilter (gefalteter Kerzentyp) zu dosieren. Der Harzfluss durch den Filter war 8,6 lb./hr./sq.ft. bei einem Druckabfall von 3800 kPa. Der Extruderzylinder wies ein Temperaturprofil von 273 °C an dem Zuführvorrichtungsende bis 304 °C an dem Entladungsende auf. Der Schmelzenfilter wurde bei 322 °C gehalten. Der Extruderzuführungstrichter und ein Ofen um die Überlaufdüse wurden mit Stickstoff unter einer inerten Atmosphäre gehalten, um die Bildung eines quervernetzten Gels im Harz zu minimieren. Nach dem Verlassen des Schmelzenfilters betrat das Harz einen Rotationsmischer, in dem das geschmolzene Polymer bei 165 rpm gemischt wurde. Die Mischzylindertemperatur wurde bei 325 °C gehalten. Das geschmolzene Harz verließ den Mischer und betrat die 37,5" (95 cm) lange Überlaufdüse, die ein internes Leitungselement mit einem Durchmesser von 1,905 cm und einem 28 Inch (71 cm) langen Spalt aufwies, der sich von 0,038 auf 0,045 Inch (0,965 auf 1,143 mm) verdünnte. Der Düseneintrittsdruck war circa 700 kPa und dieser wurde bei einer Temperatur von 321 °C durch Kreislaufführung eines heißen Öls durch interne Passagen gehalten. Der Stickstoff um die Düse wurde auf 240 °C mittels eines Ofens mit erzwungener Konvektion erhitzt. Das geschmolzene Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete, wurde durch Paare von Vorrichtungsleitbahnen, die bei einer Geschwindigkeit von 0,7 cm/s arbeiteten, wegtransportiert und durch natürliche Raumluftkonvektion abgekühlt.
Ein 400 mm × 400 mm großes Stück wurde von der abgekühlten Bahn abgeschnitten und untersucht. Die resultierende Bahn wies eine Dicke von 0,420 mm mit einer Abweichung von ±0,020 mm auf. Gelmessungen ergaben Werte von weniger als 200 m². Die Oberflächenwelligkeit Wy und Wq betrugen jeweils 1 μm und 0,17 μm. Die Oberflächen-Rauhheit Rq war < 10 nm. Die optische Verzögerung war < 20 nm. Die thermische Schrumpfung, die bei einer Temperatur von 160 °C gemessen wurde, war < 0,05 %
Beispiele 6-8: Herstellung von optischen Speichermedien
Drei 1,2 mm Polycarbonatscheiben werden gemäß Beispiel 3 hergestellt. Auf jeder Scheibe wird eine Polymerbeschichtung wie oben beschrieben, aufgebracht. Nachdem die Scheibe beschichtet ist, wird unter Verwendung einer Heißprägevorrichtung geprägt. Die Heißprägevorrichtung enthält kleine Erhöhungen, um auf der Plastikbahn pits im Submikronmaßstab zu bilden. Die Heißprägevorrichtung wird auf jede der Bahnen für wenige Sekunden unter Druck aufgebracht. Nach dem Prägen werden die Bahnen mit einer reflektierenden Metallschicht unter Verwendung eines Sputterbeschichters beschichtet. Die Metallschicht auf jeder Bahn wird dann mit einem durch UV-vernetzbarem Polyacrylat beschichtet. Die Bahnen werden dann in einer Presse geschnitten, um 120 mm Scheiben zu ergeben, die als optisches Speichermedium geeignet sind.
Euderm 50UD ist eine Latexbeschichtung, die von Rohm und Haas Company, Philadelphia, PA bezogen werden kann.
S1828 ist ein Photopolymer, das von Shipley Company, Marlborough, MA bezogen werden kann.
Norland 61 ist ein UV-vernetzbares Harz, das von Norland Company, New Brunswick, NJ bezogen werden kann.
Testverfahren
Die folgenden Testverfahren wurden benutzt, um die Bahnen, die in den oben dargestellten Beispielen hergestellt wurden, zu untersuchen. Der Fachmann weiß, dass diese Testverfahren exemplarischer Natur sind und dass die Ergebnisse nicht verfahrensabhängig sind.
Optische Verzögerung
Die Verzögerung von Licht bei 632,8 nm Wellenlänge wurde in folgender Weise bestimmt. Ein polarisierter Laserstrahl (polarisiert bei –45° im Hinblick auf das Laborkoordinatensystem) wurde durch die Kunststoffschicht gestrahlt und dann durch einen durch einen photoelastischen Modulator (PEM) (Model PEM-90, Hinds Instruments, Inc.; Hillsboro, Oregon), der mit der optischen Achse auf 0° im Laborkoordinatensystem gesetzt war. Die PEM-Spannung wurde auf eine ¼ Wellenverzögerung (158,2 nm) eingestellt. Das Licht wurde dann durch einen zweiten linearen Polarisator (Polarisationsachse + 45°) gestrahlt und die Intensität durch einen Siliziumdiodendetektor (Model PDA-50, ThorLabs inc.; Newton, New Jersey)) nachgewiesen. Der PEM und der Detektor wurden moduliert und das Signal aus dem Detektor durch einen Lock-in-Verstärker (Model 5210, EG & G Princeton Applied Research; Princeton, New Jersey) prozessiert. Die Kunststoffbahn wurde senkrecht zu dem Laserstrahl rotiert, um das maximale Signal zu finden. Die Verzögerung wurde durch Vergleich des maximalen Signals zu dem Signal bestimmt, das für eine Standard ¼ Wellenplatte gemessen wurde.
Die Doppelbrechung eines Materials kann bestimmt werden, indem die optische Dichte eines Materials durch seine Dicke geteilt wird. Wenn zum Beispiel die optische Dicke für eine 0,4 mm breite Kunststoffbahn 4 nm ist, beträgt die Doppelbrechung des Materials 0,00001. Für die Kunststoffbahnen optischer Qualität, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, wird eine Doppelbrechung des Materials als niedrig angesehen, wenn sie ≤ 0,0002, bevorzugt ≤ 0,00005 und am meisten bevorzugt ≤ 0,00001 ist.
Bahnwelligkeit:
Die Bahnwelligkeit (Wy und Wq) wurde unter Verwendung eines Stiftprofilmessers (Surfanalyzer System 5000, Federal Products; Providence, Rhode Island) mit einem Verfahren gemessen, das ähnlich dem SEMI Standard D15-1296 ist. Das gemessene Profil wurde mit einem Gausschen „Langen Wellenlängen"-Cutoff (8 mm) (engl.: Gaussian long wavelength cutoff) digital gefiltert. Wy ist der Unterschied zwischen Maximal- und Minimalwerten in einer Probe von 20 mm Länge und Wq ist die mittlere quadratische Abweichung eines gefilterten Profils von einer Durchschnittslinie, die über 8 mm berechnet und über eine 80 mm Evaluierungslänge gemittelt wird. Für Bahnen optischer Qualität, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, sollte Wy ≤ 2,0 μ, bevorzugt ≤ 1,0 μ und am meisten bevorzugt ≤ 0,5 μ sein.
Bahnrauhheit:
Die Bahnrauhheit (Rq) wurde unter Verwendung eines Stiftprofilmessgeräts (Dektak 3-30, Veeco/Sloan; Santa Barbara, CA) in einem Verfahren ähnlich dem SEMI Standard D 7-94 bestimmt. Das gemessene Profil wurde digital gefiltert mit einer Gausschen „Langen Wellenlänge"-Cutoff (0,08 mm) (engl.: Gaussian long wavelength cutoff) und einem „kurzen Wellenlängen"-Cutoff (0,0025 mm) (engl.: short wavelength cutoff). Die Berurteilungslänge war 0,4 mm. Der Rauhheits-Parameter (Rq) ist die mittlere quadratische Abweichung eines gefilterten Profils von einer Durchschnittslinie. Der Durchschnittswert von drei verschiedenen Messungen wurde aufgenommen. Für Bahnen optischer Qualität, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, sollte Rq ≤ 50 nm, bevorzugt ≤ 10 nm und am meisten bevorzugt < 5 nm sein.
Schrumpfung:
Die Schrumpfung wurde durch direkte Messung der Probenlänge vor und nach der Hitzebehandlung bestimmt. Mehrere Messungen wurden durchgeführt, um die Länge eines trockenen Kunststoffstücks zu bestimmen. Die Genauigkeit der Messung war 0,005 %. Die Probe wurde auf einen Temperatursatz unterhalb ihrer T_g für 4 Stunden erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Länge wiederum durch mehrere Messungen bestimmt. Die prozentuale Änderung der Länge vor und nach dem Hitzezyklus wurde als Schrumpfung betrachtet. Für Bahnen optischer Qualität, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, sollte die Schrumpfung ≤ 0,1 %, bevorzugt ≤ 0,075 % und am meisten bevorzugt ≤ 0,05 % sein.
Gel-Zähl-Testverfahren:
Gel-Zählungen wurden durch Projektion der Bahndefekte auf einen Schirm mittels eines Tageslichtprojektors gemessen. Neun 3 × 3 cm große Flächen jeder 400 mm × 400 mm großen Bahn wurden gezählt. Die Anzahl an Oberflächendefekten, die auf dem Schirm innerhalb jedes der 3 × 3 cm Quadrate projiziert wurden, wurden gezählt und die Anzahl gemittelt, um eine Gesamtgelzahl für die Probe zu ermitteln.

Claims

Ein magnetisches oder optisches Speichermedium, umfassend mindestens eine Schicht einer Hochqualitätskunststoffbahn, eine reflektierende, semi-reflektierende oder magnetische Schicht, die auf mindestens einer Seite der Bahn aufgebracht ist, und optional eine Schutzschicht, die auf mindestens einer Seite der Bahn aufgebracht ist, wobei die Hochqualitätskunststoffbahn eine Variation hinsichtlich der Dicke von 10 % oder weniger über eine Probenlänge von 400 mm, eine Welligkeit Wy von ≤ 2,0 μm, eine Schrumpfung von ≤ 0,1 % nach Aufheizen für 4 Stunden auf eine Temperatur unterhalb ihrer Tg, eine Doppelbrechung von ≤ 0,0002 und eine Bahn-Rauhheit Rq von ≤ 50 nm aufweist.
Speichermedium gemäß Anspruch 1, wobei das Harz ein thermoplastisches Harz ist, ausgewählt aus der Gruppe: Homopolymere oder Copolymere von Acrylsäure, Methacrylsäure und deren Ester; Phenoxyether, Polyphenylenoxidharze, Celluloseharze, Vinylpolymere, Fluorpolymere, Polystyrole, Polyolefine, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherketone, Polyetherimide, Polyphenylensulfide, Polyarylenesterharze, Polyester, Homopolymere oder Copolymere von N-H und/oder N-Alkylglutarimid, Acrylnitril-Butadien-Styrolharze, Styrol-Acrylnitrilharze, Styrol-Maleinanhydridharze, imidierte Styrol-Maleinanhydridharze, Polyamide, Polycarbonate, Polycarbonat-Polyester, Polyarylate, Flüssigkristallpolymere und Mischungen davon.
Speichermedium gemäß Anspruch 2, wobei das thermoplastische Harz ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Polycarbonate, lineare Acryl-Homopolymere und -Copolymere, zyklische Polyolefine, und lineare imidierte Acryl-Homopolymere und -Copolymere.
Speichermedium gemäß Anspruch 2, wobei das Harz ein Polycarbonat oder ein Polycarbonat-Polyester ist, umfassend mindestens ein Bisphenol, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Bis(4-Hydroxyphenyl)alkane und Cycloalkane, Bis(3-substituierte 4-Hydroxyphenyl)alkyl-Cycloalkane, Bis(3,5 disubstituierte 4-Hydroxyphenyl)alkylcycloalkane, wie 2,2-Bis(4-Hydroxyphenyl)propan, 2,2-Bis(3-Methyl-4- Hydroxyphenyl)propan, 2,2-Bis(3,5-Dimethyl-4-hydroxyphenyl)propan, 1,1-Bis(4-Hydroxyphenyl)cyclohexan, 2,2-Bis(3-Phenyl-4-Hydroxyphenyl)propan, 2,2-Bis(3-Isopropyl-4-Hydroxyphenyl)propan, 2,2-Bis(4-Hydroxyphenyl)butan, 9,9-Bis(4-Hydroxyphenyl)fluoren, 9,9-Bis(4-Hydroxy-3-Methylphenyl)fluoren, 1,1-Bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-Trimethylcyclohexane, 1,1-Bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3-Dimethylyclohexan, 1,1-Bis(3,5-Dimethyl-4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-Trimethylcyclohexan, 1,3-Bis(4-Hydroxyphenyl)-5,7-Dimethyladamantan, 1,1-Bis(4-Hydroxyphenyl)-1-phenylethan, 4,4'-Dihydroxy-Tetraphenylmethan, 2,2-Bis(4-Hydroxyphenyl)propan, 6,6'-Dihydroxy-3,3,3',3'-Tetramethyl-1,1'-spiro(bis)indan, und Mischungen davon.
Speichermedium gemäß Anspruch 2, wobei das thermoplastische Harz ein Bisphenol A-Polycarbonat ist.
Speichermedium gemäß Anspruch 1, wobei die reflektierende Schicht ein Metall ist.
Speichermedium gemäß Anspruch 6, wobei das Metall Aluminium oder Gold ist.
Speichermedium gemäß Anspruch 1, wobei die Schutzschicht ein Lack oder ein Harz ist.
Speichermedium gemäß Anspruch 1, zusätzlich umfassend eine Photopolymerschicht.
Speichermedium gemäß Anspruch 1, zusätzlich umfassend ein Phasen-Wechsel-Medium, das zwischen der Bahn und der reflektierenden oder semi-reflektierenden Schicht angebracht ist.
Speichermedium gemäß Anspruch 1, zusätzlich umfassend eine Magnetooptische Schicht, die zwischen der Bahn und der reflektierenden oder semi-reflektierenden Schicht angebracht ist.
Speichermedium gemäß Anspruch 1, zusätzlich umfassend die darauf kodierte Information.
Speichermedium gemäß Anspruch 12, wobei die Information in Form von Vertiefungen oder Phasen-Wechsel-Domänen kodiert ist.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Hochqualitätskunststoffbahnen (40), umfassend: a) eine Quelle (10) zum Bereitstellen eines geschmolzenen Kunststoffharzes; b) eine Überlaufdüse (20) mit einer Länge und einer Breite, umfassend: einen im wesentlichen Ei-förmigen Querschnitt, der in einer Spitze (26) zusammenläuft, eine Zufuhröffnung (21) und eine Dosierungsvorrichtung (23), die mit besagter Zufuhröffnung verbunden ist, wobei das geschmolzene Kunststoffharz in die Düse durch die Zufuhröffnung, aus der Düse durch die Dosierungsvorrichtung und um die Seiten (25,26) der Düse herumfließt, um ein geschmolzenes Netz an besagter Spitze zu bilden, c) Mittel zum Ausliefern des genannten geschmolzenen Kunststoffharzes von besagter Quelle zu besagter Überlaufdüse, d) Leitvorrichtungen (31,32, 33, 34) zum Wegleiten des genannten geschmolzenen Netzes von der besagten Überlaufdüse, e) Filtervorrichtungen, die zwischen besagten Auslieferungsmitteln und besagter Überlaufdüse angebracht sind, und f) Mittel zum Mischen, die zwischen besagten Filtermitteln und der genannten Überlaufdüse angebracht sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die Filtervorrichtungen ein Scheibenfilter sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die Mischvorrichtungen ein Rotationsmischer sind.
Ein dreidimensionales optisches Speichermedium, umfassend eine Hochqualitätskunststoffbahn, in der eine oder mehrere Pigmente, Farbstoffe oder Mischungen davon dispergiert sind, wobei die optischen Eigenschaften der Pigmente, Farbstoffe oder Mischungen davon infolge der Bestrahlung mit Licht sich lokal ändern und wobei die Hochqualitätskunststoffbahn eine Variation hinsichtlich der Dicke von 10 % oder weniger über eine Probenlänge von 400 mm, eine Welligkeit Wy von ≤ 2,0 μm, eine Schrumpfung von ≤ 0,1 % nach Aufheizen für vier Stunden auf eine Temperatur unterhalb ihrer Tg, eine Doppelbrechung von ≤ 0,0002 und eine Bahn-Rauhheit Rq von ≤ 50 nm aufweist.
Speichermedium gemäß einem der Ansprüche 1-13 und 17, wobei die Hochqualitätskunststoffbahn durch ein Verfahren hergestellt wird, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines geschmolzenen Kunststoffharzes, b) Zuführen des geschmolzenen Kunststoffharzes an eine Überlaufdüse, die einen Zugang, einen Ausgang, ein Paar Düsenlippen und konvergierende Seiten, die im Querschnitt in einer Spitze zulaufen, hat, c) Formen des geschmolzenen Kunststoffharzes in ein geschmolzenes Netz unter Verwendung besagter Überlaufdüse, wobei das geschmolzene Kunststoffharz auf die Düsenlippen und um die Seiten herumfließt und an der Spitze konvergiert, um das geschmolzene Netz zu bilden; d) Wegführen von besagtem geschmolzenem Netz von der genannten Überlaufdüse unter Verwendung von Entfernungsmitteln, die nur die äußeren Ränder des Netzes kontaktieren, und e) Abkühlen des besagten geschmolzenen Netzes, um eine feste Bahn zu bilden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Speichermediums mit darauf kodierten Informationen, umfassend die Schritte des Herstellens einer Hochqualitätskunststoffbahn durch das Verfahren, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines geschmolzenen Kunststoffharzes, b) Zuführen des geschmolzenen Kunststoffharzes an eine Überlaufdüse, die einen Zugang und einen Ausgang hat, c) Formen des geschmolzenen Kunststoffharzes in ein geschmolzenes Netz unter Verwendung der genannten Überlaufdüse, d) Fortführen von besagtem geschmolzenen Netz von der genannten Überlaufdüse, e) Abkühlen des besagten geschmolzenen Netzes, um eine feste Bahn zu bilden, Beschichten der Bahn mit einem Polymerfilm und Kodieren von Informationen auf der beschichteten Bahn durch Prägen.