EP2678120A1 - Installation et procede pour le depot d'un film de particules ordonnees sur un substrat en defilement - Google Patents

Installation et procede pour le depot d'un film de particules ordonnees sur un substrat en defilement

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EP2678120A1
EP2678120A1 EP12704426.1A EP12704426A EP2678120A1 EP 2678120 A1 EP2678120 A1 EP 2678120A1 EP 12704426 A EP12704426 A EP 12704426A EP 2678120 A1 EP2678120 A1 EP 2678120A1
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EP
European Patent Office
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particles
substrate
transfer zone
layer
installation according
Prior art date
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EP12704426.1A
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German (de)
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EP2678120B1 (fr
Inventor
Olivier Dellea
Pascal Fugier
Philippe Coronel
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C19/00—Apparatus specially adapted for applying particulate materials to surfaces
    • B05C19/02—Apparatus specially adapted for applying particulate materials to surfaces using fluidised-bed techniques
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D1/18—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by dipping
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    • B05D1/202—Langmuir Blodgett films (LB films)
    • B05D1/204—LB techniques
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D2252/00—Sheets
    • B05D2252/02—Sheets of indefinite length

Definitions

  • the invention relates to the field of installations and methods for depositing a film of ordered particles on a moving substrate.
  • the particle size may be between a few nanometers and several hundred micrometers.
  • the particles, preferably of spherical shape, may for example be silica particles.
  • the invention has many applications, particularly in the field of fuel cells, optics, photonics, polymer coating, chips, MEMs, surface structuring for organic electronics and photovoltaic, etc. STATE OF THE PRIOR ART
  • the particles are maintained ordered by the pressure exerted upstream by the moving particles intended to later reach this transfer zone.
  • the particle transfer zone is connected upstream to an inclined ramp on which the particles coming from a dispensing device run past, it is these same particles present on the inclined ramp which exert an pressure on the particles contained in the transfer zone, and which therefore make it possible to maintain the order of the particles in this zone, until the deposition on the substrate, by capillarity.
  • the kinetic energy required for the ordering of the particles is here brought by the inclined ramp carrying the carrier liquid and the particles.
  • Other solutions are nevertheless possible, such as the setting in motion, with the aid of a pump, of the carrier liquid on a horizontal plane, the downstream part of which constitutes the zone of transfer of the particles.
  • Another solution is to replace said pump by a blower for applying a flow of air to the surface of the carrier liquid, on which the particles float.
  • these clusters of particles eventually meet each other during the initial filling of the transfer zone, when the filling rate thereof becomes high, gaps are formed between these clusters, which makes the film non homogeneous, and therefore unsatisfactory.
  • the ordering of the particles within each cluster may be suitable, the clusters together form a set of particles in which there are voids, which does not make it possible to obtain a film having, in every point, a structure called "compact hexagonal" in which each particle is surrounded and contacted by six other particles in contact with each other.
  • the particle film located in the transfer zone before the plant is put into operation has quality defects that require it to be removed by deposition on a dedicated substrate. This first results in unnecessary consumption of particles and substrates, impacting production costs. These same costs are also increased because of the complexity of the process, which therefore requires a purge phase to deposit the part of the non-conforming film, then to evacuate. In addition, the risks of dissemination of the particles are amplified, especially when they are small, for example less than 400 nm.
  • the object of the invention is therefore to remedy at least partially the disadvantages mentioned above, relating to the embodiments of the prior art.
  • the invention firstly relates to an installation for depositing a film of ordered particles on a moving substrate, the installation comprising:
  • a transfer zone comprising a particle inlet and a particle outlet spaced from one another by two opposite lateral flanges, retaining a carrier liquid on which the particles float,
  • said installation being designed to allow the deposition, on the substrate, of the film of ordered particles escaping from said particle outlet, preferably by means of a capillary bridge which thus ensures the connection between the carrier liquid contained in the transfer zone and said substrate on which the ordered particle film is intended to be deposited.
  • the installation further comprises a plurality of suction nozzles capable of attracting the particles present in the transfer zone towards its two lateral flanges.
  • the invention therefore provides suction nozzles for stretching the film of particles over the entire width of the transfer zone, in order to avoid the formation of a set of particles in which there are voids, like this. was the case in the prior art.
  • these nozzles allow a satisfactory ordering of the particles in the transfer zone, during the priming phase consisting of its initial filling. Then, in normal mode, these nozzles can be inactivated, the particle ordering then being performed automatically.
  • the invention is remarkable in that it makes it possible, in a simple and effective manner, to avoid the formation of clusters first isolated and then grouped together in an unsatisfactory way, as was the case in the prior art.
  • the suction nozzles are indeed a simple way to stretch the film laterally, towards each of the two flanges, and ensure that the film produced has, in every point, a so-called "compact hexagonal" structure, in which each particle is surrounded and contacted by six other particles in contact with each other.
  • the installation comprises only two suction nozzles, respectively capable of attracting the particles present in the transfer zone towards one and the other of the two lateral flanges.
  • each flange could be associated with several nozzles, without departing from the scope of the invention.
  • the installation comprises an inclined ramp of particle circulation, attached to said inlet of the transfer zone, and on which said carrier liquid is also intended to circulate.
  • the kinetic energy necessary for the ordering of the particles in the normal regime is here brought by the inclined ramp carrying the carrier liquid and particles.
  • Other solutions are nevertheless possible, such as the setting in motion, with the aid of a pump, of the carrier liquid on a horizontal plane, the downstream part of which constitutes the zone of transfer of the particles.
  • Another solution is to replace the pump by a blower for applying a flow of air to the surface of the carrier liquid, on which the particles float.
  • the installation comprises means for temporary retention of the particles in the transfer zone at a distance from said substrate, these retention means being able to be displaced towards this substrate while retaining said particles.
  • This displacement can be envisaged manually or automatically.
  • these temporary retention means are provided to be moved towards the exit of the transfer zone and the substrate, to allow the deposition of the particle film on the latter.
  • the retention means are also provided for depositing on the substrate upstream of the particle film.
  • said means for temporary retention of the particles takes the form of a layer of hydrophobic material, floating on the surface of the carrier liquid.
  • This solution proves to be simple and effective for blocking particles that can not pass over the layer because of the hydrophobic nature which prevents wetting of the upper surface of the layer, or to pass between the layer and the carrier liquid. Thanks to the small thickness of the dam which allows to deform easily to adapt to variations in shape of the surface of the carrier liquid.
  • this layer has a thickness preferably between a few microns and several tens of microns for example between 50 and 100 ⁇ .
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • said temporary retention means take the form of a layer of which one downstream end is also remote from the substrate.
  • said temporary retention means take the form of a layer of which a downstream end is located on said substrate.
  • the layer can then have, on the carrier liquid, a behavior substantially identical to that of the ordered particle film formed in the transfer zone. This makes it possible to deposit this layer of particle retention on the substrate, also preferably via the capillary bridge, as was mentioned above.
  • the invention also relates to a method for depositing a film of ordered particles on a moving substrate, using an installation as described above, according to which during at least part of the step initial filling of the particle transfer zone, said suction nozzles are actuated to attract the particles present in the transfer zone to its two lateral flanges.
  • said nozzles are actuated alternately so as to attract the particles present in the transfer zone towards one and the other of the two lateral flanges, alternately. Simultaneous operation is nevertheless possible without departing from the invention.
  • the alternating actuation which may incorporate pause periods between nozzle changes, is preferred for its greater simplicity of focus.
  • the pause periods allow the particles to continue to accumulate, thus allowing the particles already present to be pressurized.
  • the transfer zone which extends progressively continues to be fed continuously by other particles, so that the downstream front is maintained. preferentially at the same location on the installation.
  • said temporary retention means take the form of a layer which is deposited progressively on the moving substrate, while the downstream front of the ordered particle film that it holds moves to the output of said transfer area.
  • the retention layer is deposited on the substrate in the continuity of the deposition of the film of particles, in the same way as this layer of retention was in the continuity of the particle film in the transfer zone, before their deposition.
  • Figure 1 shows a deposition installation according to a preferred embodiment of the present invention, in schematic section taken along the line I-I of Figure 2;
  • FIG. 2 represents a schematic view from above of the depot installation shown in FIG. 1;
  • Figures 3 to 9 show different stages of a deposition process implemented using the installation shown in the previous figures.
  • FIG. 10 represents an alternative for the implementation of the method schematized in FIGS. 3 to 9.
  • the installation comprises a device 2 for dispensing particles 4, whose size may be between a few nanometers and several hundreds of micrometers.
  • the particles preferably of spherical shape, may for example be silica particles.
  • the particles are silica spheres of about 1 ⁇ in diameter, stored in solution in the dispensing device 2.
  • the proportion of the medium is about 7 g of particles per 200 ml of solution, here butanol.
  • the particles shown in the figures adopt a diameter greater than their actual diameter.
  • the dispensing device 2 has a controllable injection nozzle 6, about 500 ⁇ in diameter.
  • the installation also comprises a liquid conveyor 10, incorporating an inclined ramp 12 for circulating the particles, and a substantially horizontal transfer zone 14.
  • the upper end of the inclined ramp is designed to receive the particles injected from the dispensing device 2.
  • This ramp is straight, inclined at an angle of between 5 and 60 °, preferably between 20 and 60 °, allowing the particles to be conveyed to the transfer zone 14.
  • a carrier liquid 16 flows on this ramp 12, into the transfer zone.
  • This liquid 16 can also be re-circulated using one or two pumps 18, between the transfer zone 14 and the upper end of the ramp.
  • This is preferably a deionized water, on which the particles 4 can float.
  • the lower end of this same ramp is connected to an inlet of the particle transfer zone 14.
  • This inlet 22 is located at an inflection line 24 showing the junction between the surface of the carrier liquid present on the plane inclined of the ramp 12, and the surface of the carrier liquid present on the horizontal part of the transfer zone 14.
  • the particle inlet 22 is spaced apart from a particle outlet 26 by means of two lateral flanges 28 holding the carrier liquid 16 in the zone 14. These flanges 28, opposite and at a distance from one another , extend parallel to a main flow direction of the carrier liquid and particles in the installation, this direction being shown schematically by the arrow 30 in Figures 1 and 2.
  • the zone 14 therefore takes the form of a corridor or an open path to its entrance and exit.
  • the transfer zone 14 is equipped with two suction nozzles 32a, 32b, capable of sucking the particles towards the two flanges 28, as will be described hereinafter. More precisely, at each rim 28 is associated a suction nozzle whose axes 34a, 34b are oriented orthogonally to the direction 30.
  • the nozzles 32a, 32b can be fixed directly on the flanges 28, or on another part of the installation 1.
  • the suction axes 34a, 34b are parallel to the inflection line 24, and at a short distance from that in a top view such as that shown in FIG. 2, this distance being for example between 0 mm (on the inflection line). 24) and 10 mm.
  • the suction axes are preferably positioned at the air / liquid carrier interface.
  • Each nozzle has an inner diameter of the order of 3 to 5 mm.
  • the installation 1 is also provided with a substrate conveyor 36, for putting the substrate 38 in motion.
  • This substrate can be rigid or flexible. In the latter case, it can be set in motion on a roll 40 whose axis is parallel to the outlet 26 of the zone 14, near which it is located. Indeed, the substrate 38 is intended to scroll very closely to the outlet 26, so that the particles escaping from this outlet can be easily deposited on the substrate, via a capillary bridge 42 connecting it to the carrier liquid 16. Alternatively the substrate may be in direct contact with the transfer zone without departing from the scope of the invention. The capillary bridge mentioned above is then no longer required.
  • the width of the substrate corresponds to the width of the zone 14 and its outlet 26.
  • the capillary bridge 42 is provided between the carrier liquid 16 which is located at the outlet 26, and a part of the substrate 38 conforming to the guide / driving roller 40.
  • the axis of rotation of the latter roller may lie in the plane of the upper surface of the carrier liquid retained in the zone 14.
  • the substrate 38 may be in scrolling in the vertical direction, orthogonal to direction 30.
  • These means preferably take the form of a layer 50 of polytetrafluoroethylene (PTFE), with a thickness of between 50 and 100 ⁇ , floating on the surface of the carrier liquid 16.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the layer 50 extends between the two flanges 28, so that no particle can pass to the interfaces. Its downstream end is located at a distance from the substrate 38 and the outlet 26, upstream. Likewise, as mentioned above, its upstream end is at a distance "1" from the inlet 22 and the inflection line 24.
  • the injection nozzle 6 is activated to begin dispensing the particles 4 on the ramp 12. This involves implementing an initial step of filling the transfer zone 14, by the particles 4, upstream of the layer 50.
  • the particles dispensed by the device 5 circulate on the ramp 12, then enter the zone 14 in which they disperse, until being retained by the layer 50, as shown schematically in FIGS. 5 and 5a.
  • the nozzles 32a and 32b are activated so as to stretch the particle film orthogonally to the direction in which they flow.
  • FIG. 6a shows that at the beginning of suction, convection currents are established towards the associated rim 28.
  • FIG. 6a ' shows that the film is pulled towards the suction nozzle 32b, and stretches laterally, with the particles moving along the layer 50. Therefore, they organize themselves by causing the decrease of the gaps, and causing the beginning of the ordering in the vicinity of the layer 50, as shown in Figure 6a ''.
  • a flow rate of the order of 65 ml / min can be applied.
  • the nozzle 32b is then deactivated, during a stopping time during which the particles 4 can reorder, as shown in Figure 6b, thanks in particular to the pressure exerted by the particles arriving in the transfer zone.
  • FIG. 6c shows that at the beginning of the suction, convection currents are established in the direction of the other flange 28. Then, FIG. 6c 'shows that the film is pulled towards the suction nozzle 32a, and stretches laterally, with the particles moving along the layer 50. As a result, the particles continue to organize themselves further leading to the decrease of the gaps, and causing further sequencing of the film. A flow rate of the order of 65 ml / min can also be applied.
  • the nozzle 32a is then deactivated, during a stopping time during which the particles 4 can reorder again, as shown in FIG. 6d, thanks in particular to the pressure exerted by the particles arriving in the transfer zone.
  • the suction alternation described above can be repeated as many times as necessary, each suction time and each stopping time for example about 15 to 30 s.
  • the activation of the nozzles is normally stopped after the complete filling of the part of the transfer zone 14 situated upstream of the layer 50.
  • the upstream particle front 54 rises on the ramp 12 so that it is situated at a given horizontal distance "d" from the inflection line 24, as shown in FIG. distance "d” may be of the order of 30 mm.
  • the particles 4 are perfectly ordered in the transfer zone and on the ramp 12, on which they are automatically ordered, without assistance, thanks to their kinetic energy put to use at the moment of the impact on the front 54.
  • the scheduling is of the type shown in FIG. 6d near the layer 50a, namely that the film obtained has, at all points, a so-called "compact hexagonal" structure, in which each particle 4 is surrounded and contacted by six other particles 4 in contact with each other.
  • the speed of displacement of the layer 50 on the surface of the carrier liquid 16 is adapted so that the position of the upstream front 54 of particles remains substantially unchanged.
  • the means for ensuring this displacement are conventional, even if a manual movement could be envisaged, without departing from the scope of the invention.
  • the displacement speed of the layer 50 may be of the order of 1.3 mm / s.
  • the substrate 38 is set in motion, then the layer 50 is deposited on the same substrate 38 in the manner of the particle film that follows it, by borrowing the capillary bridge 42. This stage of the process has been shown diagrammatically in FIG.
  • the layer 50 initially extends to the substrate 38, so as to overcome the presence of additional means for its movement to the substrate.
  • the layer 50 can be driven directly by the substrate in scroll, on which it is initially deposited, preferably manually.

Landscapes

  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Coating Apparatus (AREA)

Abstract

L' invention se rapporte à une installation pour le dépôt d'un film de particules ordonnées (4) sur un substrat en défilement (38), l'installation comprenant : - une zone de transfert (14) comprenant une entrée de particules (22) et une sortie de particules (26) espacées l'une de l'autre par deux rebords latéraux (28) en regard, retenant un liquide porteur (16) sur lequel flottent les particules, et - un pont capillaire (42) assurant la liaison entre le liquide porteur (16) contenu dans la zone de transfert (14) et le substrat (38). Selon l'invention, l'installation comporte une pluralité de buses d'aspiration (32a, 32b) capables d'attirer les particules (4) vers ses deux rebords latéraux (28).

Description

INSTALLATION ET PROCEDE POUR LE DEPOT D'UN FILM DE PARTICULES ORDONNEES SUR UN SUBSTRAT EN DEFILEMENT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention se rapporte au domaine des installations et procédés pour le dépôt d'un film de particules ordonnées, sur un substrat en défilement.
Plus précisément, elle concerne le dépôt d'un film de particules ordonnées, de préférence du type monocouche, dont la taille des particules peut être comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micromètres. Les particules, de préférence de forme sphérique, peuvent par exemple être des particules de silice.
L' invention présente de nombreuses applications, en particulier dans le domaine des piles à combustible, de l'optique, de la photonique, du revêtement de polymère, des puces, des MEMs, de la structuration de surface pour l'électronique organique et le photovoltaïque, etc. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
De l'art antérieur, il est connu de tels procédés et installations visant au dépôt d'un film de particules ordonnées sur un substrat en défilement, ce dernier pouvant être souple ou rigide. De manière générale, il est prévu une zone de transfert alimentée en particules, qui flottent dans un liquide porteur contenu dans cette même zone de transfert. Les particules ordonnées dans la zone de transfert, formant une monocouche de particules dite film de faible épaisseur, sont poussées par l'arrivée d'autres particules vers une sortie de cette zone, par laquelle elles atteignent le substrat en défilement sur lequel elles se déposent. Pour ce faire, un pont capillaire assure habituellement la liaison entre le substrat et le liquide porteur contenu dans la zone de transfert .
En régime normal de fonctionnement de l'installation, dans la zone de transfert, les particules sont maintenues ordonnées grâce à la pression exercée en amont par les particules en déplacement destinées à rejoindre ultérieurement cette zone de transfert. A titre d'exemple indicatif, lorsque la zone de transfert de particules est reliée vers l'amont à une rampe inclinée sur laquelle défilent les particules issues d'un dispositif de dispense, ce sont ces mêmes particules présentes sur la rampe inclinée qui exercent une pression sur les particules contenues dans la zone de transfert, et qui permettent donc de conserver l'ordonnancement des particules dans cette zone, jusqu'au dépôt sur le substrat, par capillarité.
Toujours dans ce même exemple de configuration intégrant une rampe inclinée, c'est l'énergie cinétique associée aux particules en mouvement sur la rampe qui permet à celles-ci de s'ordonner automatiquement sur cette même rampe, lorsqu'elles impactent le front de particules, lui aussi situé sur la rampe inclinée. L'ordonnancement est donc établi sur la rampe, puis conservé lorsque les particules ordonnées pénètrent dans la zone de transfert, grâce à l'alimentation en continu des particules venant impacter le front.
L'énergie cinétique nécessaire à l'ordonnancement des particules est ici amenée par la rampe inclinée transportant le liquide porteur et les particules. D'autres solutions sont néanmoins possibles, comme la mise en mouvement, à l'aide d'une pompe, du liquide porteur sur un plan horizontal dont la partie aval constitue la zone de transfert des particules. Une autre solution consiste à remplacer ladite pompe par une soufflerie permettant d'appliquer un flux d'air à la surface du liquide porteur, sur lequel flottent les particules.
Dans toutes ces réalisations de l'art antérieur, et en particulier dans celui mettant en œuvre la rampe inclinée, il est rencontré un problème survenant au moment de la mise en fonctionnement de l'installation. En effet, pendant cette phase d'amorçage, durant laquelle le substrat n'est pas encore mis en mouvement, la zone de transfert est progressivement remplie de particules. Cependant, ces particules n'ont pas la possibilité de s'ordonner avant leur entrée dans la zone de transfert, puisque le front de particules ne remonte pas encore suffisamment vers l'amont. Au lieu de cela, les particules se dispersent d'abord de manière désordonnée dans la zone de transfert, puis forment ensuite des amas du fait des forces de capillarité entre les particules.
Si ces amas de particules finissent par se rejoindre les uns les autres au cours du remplissage initial de la zone de transfert, lorsque le taux de remplissage de celle-ci devient élevé, des lacunes se forment entre ces amas, ce qui rend le film non homogène, et donc non satisfaisant. En d'autres termes, si l'ordonnancement des particules au sein de chaque amas peut être convenable, les amas réunis forment un ensemble de particules dans lequel il y a des vides, ce qui ne permet pas d'obtenir un film présentant, en tout point, une structure dite « hexagonale compacte » dans laquelle chaque particule est entourée et contactée par six autres particules en contact entre elles.
Toujours lors de la phase d'amorçage, lorsque le front de particules remonte au-delà de la zone de transfert, vers l'amont, les particules impactant le front permettent alors d' exercer une pression sur les amas réunis dans la zone de transfert. D'ailleurs, il est noté que ces particules arrivent à s'ordonner automatiquement sur la rampe inclinée, de la façon décrite ci-dessus. Néanmoins, les efforts de pression exercés par ces particules s'avèrent très souvent insuffisants pour combler les vides entre les amas réunis, en raison des fortes contraintes internes au sein de ces amas qui empêchent le ré-ordonnancement des particules.
Pour augmenter la pression appliquée aux amas réunis dans la zone de transfert, il est possible de faire remonter encore davantage le front de particules sur la rampe. Néanmoins, cela a généralement pour conséquence de créer des chevauchements de billes, qui finissent par se superposer au lieu de s'ordonner selon une couche unique. Dans un tel cas, la qualité du film est bien entendu jugée également insatisfaisante.
Par conséquent, le film de particules situé dans la zone de transfert avant la mise en fonctionnement de l'installation présente des défauts de qualité qui nécessitent de l'évacuer, par dépôt, sur un substrat dédié. Cela se traduit tout d'abord par une consommation inutile de particules et de substrats, impactant les coûts de production. Ces mêmes coûts sont également augmentés en raison de la complexification du procédé, qui nécessite donc une phase de purge visant à déposer la partie du film non conforme, puis à l'évacuer. De plus, les risques de dissémination des particules sont amplifiés, notamment lorsque celles-ci sont de petites dimensions, par exemple inférieures à 400 nm. EXPOSÉ DE L' INVENTION
L' invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci- dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet une installation pour le dépôt d'un film de particules ordonnées sur un substrat en défilement, l'installation comprenant :
une zone de transfert comprenant une entrée de particules et une sortie de particules espacées l'une de l'autre par deux rebords latéraux en regard, retenant un liquide porteur sur lequel flottent les particules ,
ladite installation étant conçue pour permettre le dépôt, sur le substrat, du film de particules ordonnées s' échappant par ladite sortie de particules, de préférence à l'aide d'un pont capillaire qui assure donc la liaison entre le liquide porteur contenu dans la zone de transfert et ledit substrat sur lequel le film de particules ordonnées est destiné à être déposé.
Selon l'invention, l'installation comporte en outre une pluralité de buses d'aspiration capables d' attirer les particules présentes dans la zone de transfert vers ses deux rebords latéraux.
L'invention prévoit donc des buses d'aspiration permettant d'étirer le film de particules sur toute la largeur de la zone de transfert, afin d'éviter la formation d'un ensemble de particules dans lequel il y a des vides, comme cela était le cas dans l'art antérieur. Ainsi, ces buses permettent un ordonnancement satisfaisant des particules dans la zone de transfert, lors de la phase d'amorçage consistant en son remplissage initial. Ensuite, en régime normal, ces buses peuvent être inactivées, l'ordonnancement des particules s' effectuant alors de manière automatique.
Grâce à l'obtention d'un ordonnancement satisfaisant, dès la phase d'amorçage, aucune partie des particules ni du substrat ne doit être évacuée, impliquant qu'il n'est pas nécessaire d'isoler la portion du produit fini issu de la phase d'amorçage. Les coûts de production s'en trouvent sensiblement réduits. Ils sont également réduits par la simplification du procédé, qui ne nécessite plus de phase de purge visant à déposer une partie du film non conforme, puis à l'évacuer. De plus, les risques de dissémination des particules est aussi réduit.
Ainsi, l'invention est remarquable en ce qu'elle permet, d'une manière simple et efficace, d'éviter la formation d'amas d'abord isolés puis ensuite regroupés de manière non satisfaisante, comme cela était le cas dans l'art antérieur. Les buses d'aspiration constituent en effet un moyen simple pour étirer le film latéralement, vers chacun des deux rebords, et faire en sorte que le film produit présente, en tout point, une structure dite « hexagonale compacte », dans laquelle chaque particule est entourée et contactée par six autres particules en contact entre elles.
De préférence, l'installation comporte uniquement deux buses d' aspiration, respectivement capables d'attirer les particules présentes dans la zone de transfert vers l'un et l'autre des deux rebords latéraux. Néanmoins, chaque rebord pourrait être associé à plusieurs buses, sans sortir du cadre de 1 ' invention .
De préférence, l'installation comprend une rampe inclinée de circulation des particules, rattachée à ladite entrée de la zone de transfert, et sur laquelle ledit liquide porteur est également destiné à circuler. L'énergie cinétique nécessaire à l'ordonnancement des particules en régime normal est ici amenée par la rampe inclinée transportant le liquide porteur et les particules. D'autres solutions sont néanmoins possibles, comme la mise en mouvement, à l'aide d'une pompe, du liquide porteur sur un plan horizontal dont la partie aval constitue la zone de transfert des particules. Une autre solution consiste à remplacer la pompe par une soufflerie permettant d'appliquer un flux d'air à la surface du liquide porteur, sur lequel flottent les particules.
De préférence, l'installation comprend des moyens de rétention provisoire des particules dans la zone de transfert à distance dudit substrat, ces moyens de rétention étant capables d' être déplacés vers ce substrat tout en retenant lesdites particules. Ce déplacement peut être envisagé de manière manuelle, ou bien de façon automatisée.
Globalement, ces moyens de rétention permettent de diminuer la taille de la zone de transfert lors de son remplissage initial, pendant la phase d'amorçage. Il en découle plusieurs avantages.
Tout d'abord, cela réduit la surface sur laquelle les buses assistent les particules pour assurer leur ordonnancement. Le pilotage de ces buses est ainsi plus simple à réaliser. De plus, cela permet de faciliter l'ordonnancement, en ce sens que la pression exercée sur les particules de la zone de transfert, par les particules situées en amont de cette zone, est plus efficace pour contraindre les particules à s'ordonner lorsque celles-ci s'étendent sur une longueur plus faible. Il a été constaté que les effets bénéfiques mentionnés ci-dessus sont encore plus importants lorsqu'une extrémité amont de ces moyens de rétention provisoire se situe à une distance inférieure à 20 mm de l'entrée de la zone de transfert.
Ensuite, ces moyens de rétention provisoire sont prévus pour être déplacés vers la sortie de la zone de transfert et le substrat, afin de permettre le dépôt du film de particules sur ce dernier. D'ailleurs, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de rétention sont également prévus pour se déposer sur le substrat en amont du film de particules. Néanmoins, des solutions sans dépôt sur le substrat peuvent être envisagées, sans sortir du cadre de 1 ' invention .
De préférence, lesdits moyens de rétention provisoire des particules prennent la forme d'une couche en matériau hydrophobe, flottant à la surface du liquide porteur. Cette solution s'avère simple et efficace pour faire barrage aux particules qui ne peuvent ni passer au-dessus de la couche en raison du caractère hydrophobe qui interdit le mouillage de la surface supérieure de la couche, ni passer entre la couche et le liquide porteur grâce à la faible épaisseur du barrage qui permet de se déformer facilement pour s'adapter aux variations de formes de la surface du liquide porteur. D'ailleurs, cette couche présente une épaisseur préférentiellement comprise entre quelques microns et plusieurs dizaines de microns par exemple entre 50 et 100 μπι.
Il s'agit de préférence d'une couche en polytétrafluoroéthylène (PTFE) .
De préférence, lesdits moyens de rétention provisoire prennent la forme d'une couche dont une extrémité aval se situe également à distance du substrat. Alternativement, lesdits moyens de rétention provisoire prennent la forme d'une couche dont une extrémité aval se situe sur ledit substrat. Dans ce dernier cas, il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens spécifiques pour assurer le maintien et la mise en mouvement des moyens de rétention, puisque c'est le substrat qui les bloque dans la zone de transfert et qui provoque leur mouvement à l'instant voulu, par entraînement. Dans les deux cas, la couche peut alors présenter, sur le liquide porteur, un comportement sensiblement identique à celui du film de particules ordonnées formé dans la zone de transfert. Cela permet de déposer cette couche de rétention de particules sur le substrat, également de préférence via le pont capillaire, comme cela a été évoqué ci-dessus.
L'invention a également pour objet un procédé de dépôt d'un film de particules ordonnées sur un substrat en défilement, à l'aide d'une installation telle que décrite ci-dessus, selon lequel durant au moins une partie de l'étape initiale de remplissage de la zone de transfert par les particules, lesdites buses d' aspiration sont actionnées pour attirer les particules présentes dans la zone de transfert vers ses deux rebords latéraux.
De préférence, lesdites buses sont actionnées en alternance de manière à attirer les particules présentes dans la zone de transfert vers l'un et l'autre des deux rebords latéraux, alternativement. Un actionnement simultané est néanmoins envisageable, sans sortir du cadre de l'invention. Cependant, 1 ' actionnement alterné, qui peut intégrer des périodes de pause entre les changements de buses, est préféré pour sa plus grande simplicité de mise au point. De plus, les périodes de pause permettent aux particules de continuer à s'accumuler, permettant ainsi la mise en pression des particules déjà présentes.
De préférence, après la mise en place des moyens de rétention provisoire des particules dans la zone de transfert à distance dudit substrat, et après le remplissage initial par des particules de la partie de la zone de transfert située en amont desdits moyens de rétention provisoire, ceux-ci sont déplacés dans ladite zone de transfert vers le substrat, tout en retenant lesdites particules. Bien entendu, durant ce déplacement des moyens de rétention qui vise à rapprocher le front aval de particules du substrat, la zone de transfert qui s'étend progressivement continue à être alimentée en continue par d'autres particules, afin que le front aval se maintienne préférentiellement au même emplacement sur l'installation.
Enfin, comme évoqué ci-dessus, il est préférentiellement fait en sorte que lesdits moyens de rétention provisoire prennent la forme d'une couche qui est déposée progressivement sur le substrat en défilement, pendant que le front aval du film de particules ordonnées qu' il retient se déplace vers la sortie de ladite zone de transfert. Ainsi, sur le produit fini obtenu, la couche de rétention est déposée sur le substrat dans la continuité du dépôt du film de particules, de la même manière que cette couche de rétention se situait dans la continuité du film de particules dans la zone de transfert, avant leur dépôt.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;
la figure 1 montre une installation de dépôt selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, en coupe schématique prise le long de la ligne I-I de la figure 2 ;
la figure 2 représente une vue schématique de dessus de l'installation de dépôt montrée sur la figure 1 ;
les figures 3 à 9 représentent différentes étapes d'un procédé de dépôt mis en œuvre à l'aide de l'installation montrée sur les figures précédentes ; et
- la figure 10 représente une alternative pour la mise en œuvre du procédé schématisé sur les figures 3 à 9.
EXPOSÉ DÉ TAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
En référence tout d'abord aux figures 1 et 2, on peut apercevoir une installation 1 pour le dépôt d'un film de particules ordonnées sur un substrat en défilement .
L'installation comporte un dispositif 2 de dispense de particules 4, dont la taille peut être comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micromètres. Les particules, de préférence de forme sphérique, peuvent par exemple être des particules de silice.
Plus précisément, dans le mode de réalisation préféré, les particules sont des sphères de silice d'environ 1 μπι de diamètre, stockée en solution dans le dispositif de dispense 2. La proportion du milieu est d'environ 7 g de particules pour 200 ml de solution, ici butanol. Naturellement, pour des raisons de clarté, les particules représentées sur les figures adoptent un diamètre supérieur à leur diamètre réel.
Le dispositif de dispense 2 présente une buse d'injection 6 commandable, d'environ 500 μπι de diamètre .
L'installation comporte également un convoyeur liquide 10, intégrant une rampe inclinée 12 de circulation des particules, et une zone de transfert 14 sensiblement horizontale. L'extrémité haute de la rampe inclinée est prévue pour recevoir les particules injectées depuis le dispositif de dispense 2. Cette rampe est droite, inclinée d'un angle compris entre 5 et 60°, de préférence entre 20 et 60°, permettant aux particules d'être acheminées vers la zone de transfert 14. De plus, un liquide porteur 16 circule sur cette rampe 12, jusque dans la zone de transfert. Ce liquide 16 peut d'ailleurs être re-circulé à l'aide d'une ou deux pompes 18, entre la zone de transfert 14 et l'extrémité haute de la rampe. Il s'agit ici de préférence d'une eau dé-ionisée, sur laquelle les particules 4 peuvent flotter. L'extrémité basse de cette même rampe est raccordée à une entrée de la zone de transfert de particules 14. Cette entrée 22 se situe au niveau d'une ligne d'inflexion 24 matérialisant la jonction entre la surface du liquide porteur présent sur le plan incliné de la rampe 12, et la surface du liquide porteur présent sur la partie horizontale de la zone de transfert 14.
L'entrée de particules 22 est espacée d'une sortie de particules 26 à l'aide de deux rebords latéraux 28 retenant le liquide porteur 16 dans la zone 14. Ces rebords 28, en regard et à distance l'un de l'autre, s'étendent parallèlement à une direction principal d'écoulement du liquide porteur et des particules dans l'installation, cette direction étant schématisée par la flèche 30 sur les figures 1 et 2. La zone 14 prend par conséquent la forme d'un couloir ou un chemin ouvert à son entrée et à sa sortie.
La zone de transfert 14 est équipée de deux buses d'aspiration 32a, 32b, capables d'aspirer les particules vers les deux rebords 28, comme cela sera décrit ci-après. Plus précisément, à chaque rebord 28 est associée une buse d'aspiration, dont les axes 34a, 34b sont orientés orthogonalement à la direction 30.
Les buses 32a, 32b peuvent être fixées directement sur les rebords 28, ou bien sur une autre partie de l'installation 1. Les axes d'aspiration 34a, 34b sont parallèles à la ligne d'inflexion 24, et à faible distance de celle-ci en vue de dessus telle que celle montrée de la figure 2, cette distance étant par exemple comprise entre 0 mm (sur la ligne d'inflexion 24) et 10 mm. Les axes d'aspiration sont préférentiellement positionnés à l'interface air/liquide porteur. Chaque buse présente un diamètre intérieur de l'ordre de 3 à 5 mm.
L'installation 1 est également pourvue d'un convoyeur de substrat 36, destiné à mettre le substrat 38 en défilement. Ce substrat peut être rigide ou souple. Dans ce dernier cas, il peut être mis en mouvement sur un rouleau 40 dont l'axe est parallèle à la sortie 26 de la zone 14, à proximité de laquelle il se situe. En effet, le substrat 38 est destiné à défiler de manière très rapprochée de la sortie 26, afin que les particules s' échappant de cette sortie puisse se déposer aisément sur ce substrat, via un pont capillaire 42 le reliant au liquide porteur 16. Alternativement, le substrat peut être au contact directement de la zone de transfert, sans sortir du cadre de l'invention. Le pont capillaire mentionné ci- dessus n'est alors plus requis.
Dans l'exemple montré sur les figures, la largeur du substrat correspond à la largeur de la zone 14 et de sa sortie 26. Le pont capillaire 42 est assuré entre le liquide porteur 16 qui se situe au niveau de la sortie 26, et une partie du substrat 38 épousant le rouleau de guidage / d'entraînement 40. L'axe de rotation de ce dernier rouleau peut se situer dans le plan de la surface supérieure du liquide porteur retenu dans la zone 14.
Alternativement, en particulier lorsque le substrat 38 est solide, il peut être en défilement selon la direction verticale, orthogonalement à la direction 30.
Un procédé de dépôt d'un film de particules ordonnées va maintenant être décrit en référence aux figures 3 à 9.
Tout d'abord, il est procédé à une réduction effective et temporaire de la longueur de la zone de transfert 14. Cette réduction, bien que facultative, permet d'obtenir un produit fini avec une qualité encore plus satisfaisante, en particulier lorsque la longueur initiale de la zone 14 est réputée élevée. A cet égard, il est fait en sorte que la nouvelle longueur « 1 » de la zone 14, référencée sur les figures 3 et 4, soit inférieure à 20 mm.
Pour ce faire, il est mis en place des moyens de rétention provisoire des particules dans la zone de transfert, ces moyens étant donc destinés à éloigner le front aval de particules de la sortie 26 et du substrat 38, qui n'est pas encore en défilement.
Ces moyens prennent de préférence la forme d'une couche 50 en polytétrafluoroéthylène (PTFE) , d'une épaisseur comprise entre 50 et 100 μπι, flottant à la surface du liquide porteur 16. Cette solution technique s'avère simple et efficace pour faire ultérieurement barrage aux particules qui ne peuvent ni passer au-dessus de la couche en raison du caractère hydrophobe qui interdit le mouillage de la surface supérieure de la couche, ni passer entre la couche 50 et le liquide porteur 16 grâce à la faible épaisseur du barrage, qui permet de se déformer facilement pour s'adapter aux variations de formes de la surface du liquide porteur.
La couche 50 s'étend entre les deux rebords 28, de manière à ce qu'aucune particule ne puisse passer aux interfaces. Son extrémité aval se situe donc à distance du substrat 38 et de la sortie 26, vers l'amont. De même, comme évoqué ci-dessus, son extrémité amont se situe à une distance « 1 » de l'entrée 22 et de la ligne d'inflexion 24.
Une fois la couche en Téflon 50 en place, la buse d'injection 6 est activée pour débuter la dispense des particules 4 sur la rampe 12. Il s'agit de mettre en œuvre une étape initiale de remplissage de la zone de transfert 14, par les particules 4, en amont de la couche 50.
Durant cette phase d'amorçage, les particules dispensées par le dispositif 5 circulent sur la rampe 12, puis pénètrent dans la zone 14 dans laquelle elles se dispersent, jusqu'à être retenues par la couche 50, comme cela a été schématisé sur les figures 5 et 5a.
Afin de limiter le dispersement aléatoire et obtenir un ordonnancement satisfaisant des particules en amont et contre la couche 50, les buses 32a et 32b sont activées de manière à étirer le film de particules orthogonalement à la direction 30 dans laquelle elles circulent.
Plus précisément, dans un premier temps, c'est la buse 32b qui est activée, l'autre restant inactive. La figure 6a montre qu'au début de l'aspiration, des courants de convection s'établissent en direction du rebord 28 associé. Ensuite, la figure 6a' montre que le film est tiré vers la buse d'aspiration 32b, et s'étire latéralement, avec les particules se déplaçant le long de la couche 50. Par conséquent, elles s'organisent en entraînant la diminution des lacunes, et en provoquant le début de l'ordonnancement au voisinage de la couche 50, comme montré sur la figure 6a'' . Un débit de l'ordre de 65 ml/min peut être appliqué.
La buse 32b est ensuite désactivée, pendant un temps d' arrêt durant lequel les particules 4 peuvent se réordonner, comme montré sur la figure 6b, grâce en particulier à la pression exercée par les particules arrivant dans la zone de transfert.
Ensuite, c'est au tour de la buse 32a d'être activée, l'autre restant à présent inactive.
La figure 6c montre qu'au début de l'aspiration, des courants de convection s'établissent en direction de l'autre rebord 28. Ensuite, la figure 6c' montre que le film est tiré vers la buse d'aspiration 32a, et s'étire latéralement, avec les particules se déplaçant le long de la couche 50. Par conséquent, les particules continuent à s'organiser en entraînant encore davantage la diminution des lacunes, et en provoquant la suite de l'ordonnancement du film. Un débit de l'ordre de 65 ml/min peut également être appliqué .
La buse 32a est alors désactivée, pendant un temps d' arrêt durant lequel les particules 4 peuvent à nouveau se réordonner, comme montré sur la figure 6d, grâce en particulier à la pression exercée par les particules arrivant dans la zone de transfert.
L'alternance d'aspiration décrite ci-dessus peut être réitérée autant de fois que nécessaire, chaque temps d' aspiration et chaque temps d' arrêt durant par exemple environ 15 à 30 s. L'activation des buses est normalement stoppée après le remplissage complet de la partie de la zone de transfert 14 située en amont de la couche 50.
Au fur et à mesure que les particules 4 sont injectées sur la rampe 12 et pénètrent dans la zone de transfert 14, le front amont de particules à tendance à se décaler vers l'amont, en direction de la ligne d'inflexion 24. L'injection de particules est poursuivie même après que ce front amont ait dépassé la ligne 24, afin qu'il remonte sur la rampe inclinée 12.
Il est fait en sorte que le front amont de particules 54 remonte sur la rampe 12 de manière à ce qu'il se situe à une distance horizontale « d » donnée de la ligne d'inflexion 24, comme montré sur la figure 7. La distance « d » peut être de l'ordre de 30 mm.
A cet instant, les particules 4 sont parfaitement ordonnées dans la zone de transfert et sur la rampe 12, sur laquelle elles s'ordonnent automatiquement, sans assistance, grâce leur énergie cinétique mise à profit au moment de l'impact sur le front 54. L'ordonnancement est du type de celui montré sur la figure 6d à proximité de la couche 50a, à savoir que le film obtenu présente, en tout point, une structure dite « hexagonale compacte », dans laquelle chaque particule 4 est entourée et contactée par six autres particules 4 en contact entre elles.
Ce n' est qu' à partir de cet instant que la couche 50 est déplacée vers l'aval, en direction de la sortie 26 et du substrat 38, tout en continuant à retenir les particules avec son extrémité amont. La vitesse de déplacement de la couche 50, à la surface du liquide porteur 16, est adaptée de sorte que la position du front amont 54 de particules reste sensiblement inchangée. Les moyens pour assurer ce déplacement sont quant à eux classiques, même si un déplacement manuel pourrait être envisagé, sans sortir du cadre de l'invention. La vitesse de déplacement de la couche 50 peut être de l'ordre de 1,3 mm/s.
Lorsque l'extrémité aval de la couche 50 arrive au niveau de la sortie 26, le substrat 38 est mis en mouvement, puis la couche 50 se dépose sur ce même substrat 38 à la manière du film de particules qui le suit, en empruntant le pont capillaire 42. Ce stade du procédé a été schématisé sur la figure 8.
Puis c'est au tour du film de particules ordonnées de se déposer sur le substrat 38, dans la continuité de la couche 50, comme cela a été schématisé sur la figure 9, à la manière de celle décrite dans le document CA 2 695 449.
Dans une alternative de réalisation montrée sur la figure 10, la couche 50 s'étend initialement jusque sur le substrat 38, de manière à s'affranchir de la présence de moyens additionnels permettant sa mise en mouvement jusqu'au substrat. En effet, la couche 50 peut être entraînée directement par le substrat en défilement, sur lequel elle est initialement déposée, de préférence manuellement.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation (1) pour le dépôt d'un film de particules ordonnées (4) sur un substrat en défilement (38), l'installation comprenant :
une zone de transfert (14) comprenant une entrée de particules (22) et une sortie de particules (26) espacées l'une de l'autre par deux rebords latéraux (28) en regard, retenant un liquide porteur (16) sur lequel flottent les particules,
ladite installation étant conçue pour permettre le dépôt, sur le substrat (38), du film de particules ordonnées s' échappant par ladite sortie de particules (26),
caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une pluralité de buses d'aspiration (32a, 32b) capables d'attirer les particules (4) présentes dans la zone de transfert (14) vers ses deux rebords latéraux (28) .
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte uniquement deux buses d'aspiration (32a, 32b), respectivement capables d'attirer les particules (4) présentes dans la zone de transfert vers l'un et l'autre des deux rebords latéraux (28) .
3. Installation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une rampe inclinée (12) de circulation des particules, rattachée à ladite entrée de la zone de transfert, et sur laquelle ledit liquide porteur (16) est également destiné à circuler.
4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (50) de rétention provisoire des particules (4) dans la zone de transfert (14) à distance dudit substrat (38), ces moyens de rétention étant capables d' être déplacés vers ce substrat tout en retenant lesdites particules.
5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens (50) de rétention provisoire des particules prennent la forme d'une couche en matériau hydrophobe, flottant à la surface du liquide porteur (16) .
6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens (50) de rétention provisoire des particules prennent la forme d'une couche d'une épaisseur comprise entre quelques microns et plusieurs dizaines de microns.
7. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que lesdits moyens (50) de rétention provisoire des particules prennent la forme d'une couche en polytétrafluoroéthylène (PTFE) .
8. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que lesdits moyens (50) de rétention provisoire prennent la forme d'une couche dont une extrémité aval se situe également à distance du substrat.
9. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que lesdits moyens (50) de rétention provisoire prennent la forme d'une couche dont une extrémité aval se situe sur ledit substrat .
10. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que lesdits moyens (50) de rétention provisoire prennent la forme d'une couche capable de se déposer sur ledit substrat (38) .
11. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisée en ce que lesdits moyens (50) de rétention provisoire comportent une extrémité amont se situant à une distance « 1 » inférieure à 20 mm de l'entrée de la zone de transfert.
12. Procédé de dépôt d'un film de particules ordonnées (4) sur un substrat en défilement (38), à l'aide d'une installation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que durant au moins une partie de l'étape initiale de remplissage de la zone de transfert par les particules, lesdites buses d'aspiration (32a, 32b) sont actionnées pour attirer les particules présentes dans la zone de transfert vers ses deux rebords latéraux (28) .
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdites buses (32a, 32b) sont actionnées en alternance de manière à attirer les particules présentes dans la zone de transfert vers l'un et l'autre des deux rebords latéraux (28), alternativement .
14. Procédé selon la revendication 12 ou la revendication 13, caractérisé en ce qu'après la mise en place des moyens (50) de rétention provisoire des particules dans la zone de transfert à distance dudit substrat (38), et après le remplissage initial par des particules de la partie de la zone de transfert (14) située en amont desdits moyens (50) de rétention provisoire, ceux-ci sont déplacés dans ladite zone de transfert vers le substrat, tout en retenant lesdites particules (4) .
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens (50) de rétention provisoire prennent la forme d'une couche qui est déposée progressivement sur le substrat en défilement, pendant que le front aval du film de particules ordonnées (4) qu'il retient se déplace vers la sortie (26) de ladite zone de transfert (14) .
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