FI124359B - Muovisubstraatin päällystäminen ja päällystetty muovituote - Google Patents

Description

Muovisubstraatin päällystäminen ja päällystetty muovituote Keksinnön ala

Keksintö liittyy yleisesti menetelmään suuria pinta-aloja käsittävien 5 muovituotteiden pinnoittamiseksi ultralyhyen pulssilaserakasvatuksen avulla. Keksintö liittyy myös menetelmän avulla tuotettuihin tuotteisiin. Keksinnöllä on monta edullista vaikutusta kuten alhaiset lämpötilat mahdollistaen lämpöherkkien muovituotteiden pinnoittamisen, suuri pinnoitteen tuottoaste, erinomaiset pinnoiteominaisuudet ja alhaiset valmistuskustannukset.

10 Taustaa

Muovituotteet

Muovi kattaa joukon synteettisiä tai semisynteettisiä polymeerejä. Ne koostuvat orgaanisista kondensaatio- tai additiopolymeereistä ja saattavat sisältää muitakin 15 aineita joko suorituskyvyn tai taloudellisten seikkojen parantamiseksi. Muutamaa luonnonpolymeeria pidetään yleisesti ’’muoveina”. Muoveja voidaan muodostaa kalvo- ja jopa kuituobjekteihin. Niiden nimi juontaa juurensa siitä tosiasiasta, että ne ovat muovattavissa (malleable) ja omaavat plastisia ominaisuuksia. Ts. ne ovat erittäin monipuolisia prosessoitavuudeltaan tarjoten erittäin laajan 20 tuotemalliskaalan. Tämä on yksi pääsyistä, miksi muoveista on tullut niin käytettyjä niiden keksimisen jälkeen. Muovituotteet ovat kevyitä ja omaavat usein hyvät rikkoontumiskestävyys- ja lohkeamiskestävyysominaisuudet. Lisäksi monia muovilaatuja kuten polykarbonaatteja voidaan valmistaa läpikuultaviksi (transparent).

o 25 c\i 4 Muoveja voidaan luokitella monella eri tapaa, mutta useimmiten niiden o ^ polymeeripääketjun perusteella (polyvinyylikloridi, polyetyleeni, ° polymetyylimetakrylaatti ja muut akryylit, silikonit, polyuretaanit jne.). Muut £ luokittelut sisältävät mm. lämpöplastiset kertamuovit, elastomeerin, teknisen co 30 muovin, addition, kondensaation tai polyaddition, sekä lämpötilan lasittumisen.

ίο Jotkut muovit ovat osittain kiteisiä ja osittain amorfisia molekyylirakenteeltaan § määrittäen sekä sulamispisteen (lämpötilan, jossa molekyylien välinen vetovoima ^ ylittyy) että yhden tai useamman lasipisteen (lämpötila, jonka yläpuolella molekyyliryhmittymien aste huomattavasti lisääntyy). Ns. puolikiteiset muovit 35 sisältävät polyetyleenin, polypropyleenin, poly(vinyyli)kloridin, polyamidit 2 (nylonit), polyesterit ja joitakin polyuretaaneja. Monet muovit ovat täysin amorfisia kuten polystyreeni ja sen kopolymeerit, poly(metyyli)metakrylaatti ja kaikki kertamuovit.

5 Eräitä muoveihin liittyviä ongelmia ovat niiden lämpöherkkyys, heikot kulumis- ja mekaaniset ominaisuudet sekä helppo hajoaminen kemiallisten ja säteilypohjaisten vuorovaikutusten takia (kuten luonnon UV-säteilyn takia).

Näitä ongelmia on ratkaistu esittelemällä eräitä erikoismuovjea kuten PEEK 10 (polyeetteri-eetteri-ketonit). PEEK omaa poikkeuksellisia mekaanisia ominaisuuksia, Youngin moduulin ollessa 3,6 GPA ja vetolujuuden 170 Mpa; PEEK:n sulamispiste on n. 350 °C ja se on ’’korkeasti resistantti lämpöhajoamiselle”.

15 Toinen lähestymistapa näiden ongelmien ratkaisemiseksi käsittää erilaisten pinnoitteiden lisäämisen muoville. Useimmat CVD- ja PVD-pohjaiset menetelmät vaativat korotettuja prosessilämpötiloja, joten ne eivät sovellu muovin pinnoittamiseen. Tämän takia mikäli muoveja pinnoitetaan, suurin osa pinnoitetaan erilaisilla lakoilla, jotka eivät yleisesti ottaen kykene tarjoamaan nykyisiltä tuotteilta 20 vaadittuja ominaisuuksia.

Laserkasvatus

Viime vuosina laserteknologian huomattava kehitys on tarjonnut välineet 25 tehokkuudeltaan erittäin suurten laserjärjestelmien kehittämiseen, jotka järjestelmät perustuvat puolijohdekuituihin täten tukien ns. kylmäablaatiomenetelmien ^ kehitystä.

δ

CvJ

o Esillä olevan hakemuksen prioriteettipäivänä puhtaasti kuituinen diodipumpattu g 30 puolijohdelaser kilpailee lamppupumpatun kanssa, joilla molemmilla on piirre, x jossa lasersäde johdetaan aluksi kuituun ja sen jälkeen välitetään työskentelyn kohteeseen. Mainitut kuitulaserjärjestelmät ovat ainoita, joita käytetään teollisen co mittakaavan laserkasvatussovelluksissa. Viimeisimmät kuitulaserien kuidut kuten rC myös niistä seuraava alhainen säteilyteho näyttävät rajoittavan £3 35 höyrystyksessä/ablaatiossa höyrystyksen/ablaation kohteina käytettävien materiaalien valintaa. Alumiinin höyrystämistä/ablaatiota voidaan edistää pieni-pulssisen tehon kautta, kun taas höyrystämisen/ablaation kannalta haasteellisemmat aineet kuten kupari, volframi jne. tarvitsevat enemmän pulssitehoa. Sama pätee 3 tilanteeseen, jossa uusia yhdisteitä oli tarkoitus tuottaa samoilla perinteisillä tekniikoilla. Mainittavia esimerkkejä ovat mm. timantin suora valmistaminen hiilestä (grafiitista) tai alumiinioksidin (alumina) tuottaminen suoraan alumiinista ja hapesta sopivan laserablaation jälkitilan höyryvaiheen reaktion kautta.

5

Toisaalta yksi merkittävimmistä esteistä kuitulaserteknologian edistyksen välittämisessä näyttää olevan kuivun kyky sietää suuritehoisia laserpulsseja kuitua hajottamatta tai lasersäteen laatua huonontamatta.

10 Uutta kylmäablaatiota hyödynnettäessä esiintyi pinnoitteeseen assosioitavia niin kvalitatiivisia kuin tuotantonopeuteenkin liittyviä ongelmia, lähestymistavan ohutkalvotuotantoon kuten myös leikkaamiseen/urittamiseen/uurtamiseen jne. ollessa keskittymistä lasertehon kasvattamiseen ja lasersäteen pistekoon pienentämiseen kohteessa. Suurin osa tehonkasvusta kuitenkin kului kohinaan. 15 Laadulliset ja tuotantonopeuteen liittyvät ongelmat jäivät silti jäljelle, vaikka osa laservalmistajista ratkaisivat lasertehoon liittyvän ongelman. Pinnoitteen/ohutkalvon tyyppinäytteitä sekä myös leikkaamista/ urittamista/uurtamista jne. voitiin tuottaa vain alhaisilla toistonopeuksilla, kapeilla skannausleveyksillä ja pitkällä työstöajalla, sellaisenaan teollisen 20 hyödyntämiskelpoisuuden ulkopuolella korostuen erityisesti suurten kappaleiden osalta.

Mikäli pulssin energiasisältö pidetään vakiona, pulssiteho kasvaa pulssikeston lyhentyessä, mikä huomattavasti pahentaa ongelmaa. Ongelmat ovat merkittäviä 25 jopa nanosekunti-pulssilasereilla, vaikka niitä ei sellaisenaan käytetä kylmäablaatiomenetelmissä.

cm Pulssin keston vähentyminen edelleen femto- tai jopa attosekuntiluokkaan tekee i o ongelmasta lähes ratkaisemattoman. Esimerkiksi pikosekuntilaserjärjestelmässä i g 30 pulssiajan ollessa 10-15 ps pulssienergian tulisi olla 5 pj per 10-30 pm kohta, kun x laserin kokonaisteho on 100 W ja toistonopeus 20 MHz. Esillä olevan keksinnön prioriteettipäivänä sellaista kuitua, joka kestäisi mainitun pulssin, ei ollut m kirjoittajan tiedossa.

LO

r-- o ^ 35 Tuotantonopeus on suoraan verrannollinen toistonopeuteen tai -taajuuteen.

Toisaalta tunnetuissa peilikalvoskannereissa (galvanoskannerit tai tyypiltään edestakaisin värähtelevät skannerit), jotka suorittavat toimintajaksonsa edestakaisen liikkeen karakterisoimana, peilin pysäyttäminen toimintajakson kummassakin 4 päässä on jokseenkin ongelmallista kuten myös käännöspisteeseen ja tähän liittyvään hetkelliseen pysähtymiseen liittyvä kiihdyttäminen sekä hidastaminen, jotka kaikki rajoittavat peilin käyttökelpoisuutta skannerina sekä erityisesti myös skannausleveyttä. Mikäli tuotantonopeuksia pyritään kasvattamaan toistonopeutta 5 nostamalla, kiihdyttäminen ja hidastaminen aiheuttavat joko kapean skannausvälin tai säteilyn epätasaisen jakauman ja siten plasman kohteessa, kun säteily osuu kohteeseen kiihtyvän ja/tai hidastuvan peilin kautta.

Jos pinnoitteen/kalvon tuotantonopeutta yritetään kasvattaa yksinkertaisesti 10 nostamalla pulssien toistonopeutta, nykyiset edellä mainitut skannerit ohjaavat pulssit kohtioalueen limittyvään osaan jo kHz-alueen alhaisilla pulssin toistonopeuksilla kontrolloimattomaan tapaan. Huonoimmillaan kyseinen lähestymistapa johtaa hiukkasten irtoamiseen kohtiomateriaalista plasman sijaan tai ainakin hiukkasten muodostumiseen plasmassa. Kun useita peräkkäisiä 15 laserpulsseja ohjataan samaan kohtiomateriaalin paikkaan, kumulatiivinen efekti näyttää murentavan kohtiomateriaalia epätasaisesti ja saattaa johtaa kohtiomateriaalin lämpiämiseen kadottaen täten kylmäablaation edut.

Sama ongelma esiintyy myös nanosekuntiluokan lasereissa ongelman ollessa 20 luonnollisesti jopa vakavampi pitkäkestoisten, korkeaenergisten pulssien takia. Tällöin tapahtuu aina kohtiomateriaalin lämpenemistä, materiaalin lämpötilan noustessa arvoon n. 5000 K. Täten jopa yksittäinen nanosekuntiluokan pulssi murentaa kohtiomateriaalia radikaalisti edellä mainittujen ongelmien kera.

25 Tunnetuissa tekniikoissa kohtio ei saata ainoastaan kulua epätasaisesti, mutta se saattaa myös fragmentoitua helposti ja huonontaa plasman laatua. Täten kyseisellä ^ plasmalla pinnoitettava pinta myös kärsii plasman haitallisista vaikutuksista. Pinta c3 saattaa sisältää palasia, plasma ei jakaudu tasaisesti kyseistä pinnoitetta i o muodostaakseen jne, mikä on ongelmallista tarkkuutta vaativassa operaatiossa, i g 30 mutta ei välttämättä esimerkiksi maalissa tai pigmentissä olettaen, että viat pysyvät x kyseisen sovelluksen havaitsemisrajan alapuolella.

CL

co Nykyiset menetelmät kuluttavat kohtion yhden käyttökerran aikana, joten sama rC kohtio ei ole saatavilla myöhempää saman pinnan käyttämistä varten. Ongelmaa on

O

£3 35 pyritty ratkaisemaan hyödyntämällä vain kohteen neitseellistä pintaa liikuttamalla kohtiomateriaalia ja/tai sädekohtaa vastaavasti.

5

Koneistamisessa tai työstöön liittyvissä sovelluksissa jäljelle jäänyt materiaali tai debris sisältäen joitakin palasia saattaa myös tehdä leikkauslinjasta epätasaisen ja siten epäsopivan kuten esimerkiksi vuonohjaus-porausten (flow-control drilling) yhteydessä voisi käydä. Pinnalle voi muodostua myös kumpuileva ulkomuoto 5 vapautuneiden palasten ansiosta, mikä ei esim. tiettyjä puolijohteita valmistettaessa ole välttämättä tarkoituksenmukaista.

Edestakaisin liikkuvat peili-kalvoskannerit lisäksi synnyttävät hitausvoimia, jotka kuormittavat rakennetta itseään sekä myös laakereita, joihin peili kiinnitetään ja/tai 10 jotka aikaansaavat peilin liikkumisen. Tämänlainen inertia saattaa pikku hiljaa löysentää peilin kiinnitystä, erityisesti jos kyseinen peili toimii mahdollisten toiminta-asetusten äärialueella, ja saattaa johtaa asetusten vaeltamiseen pitkässä juoksussa, mikä voidaan nähdä tuotelaadun epätasaisesta toistettavuudesta. Pysähdysten kuten myös liikkeen suunnan ja tähän liittyvien nopeuden muutosten 15 takia kyseisellä peili-kalvoskannerilla on varsin rajoitettu skannausleveys ablaatiossa ja plasman tuotannossa käytettäväksi. Efektiivinen toimintajakso on suhteellisen lyhyt verrattuna koko sykliin, vaikkakin operaatio on joka tapauksessa melko hidas. Peili-kalvoskannereita hyödyntävän järjestelmän tuottavuuden kasvattamisnäkökulmasta plasman tuotantonopeus on ehdollisesti hidas, 20 skannausleveys kapea, toiminta epävarmaa pitkällä aikavälillä, mikä johtaa myös tilanteeseen, jossa erittäin suurella todennäköisyydellä sekaannutaan ei-toivottujen hiukkasten emissioon plasman suhteen ja tämän kautta tuotteisiin, jotka ovat plasman kanssa tekemisissä laitteiston ja/tai pinnoitteen kautta.

25 Keksinnön yhteenveto ^ Muovituotteiden ylläpitokustannukset ovat huimia ja kasvavat tasaisesti, joten o erityisesti suuria pinta-aloja käsittäville muovituotteille suunnatuille 4 pinnoitusteknologioille on olemassa suuri tarve. Tuotteen elinikää tulisi kasvattaa ja o ^ ylläpitokustannuksia laskea kestävän kehityksen ehdoilla. Suurten muovipintojen ° 30 pinnoitteilla, erityisesti yhtenäisillä pinnoitteilla, tulisi olla yksi tai useampi £ seuraavista, ratkaisemattomiksi ongelmiksi jääneistä, ominaisuuksista: erinomaiset g optiset ominaisuudet, kemiallinen ja/tai kulumisenkestävyys, terminen kestävyys, ίο resistiivisyys, pinnoitteen tarttuminen, itsepuhdistumisominaisuudet ja o mahdollisesti tribologiset ominaisuudet. Osittain tämä johtuu muovituotteen itsensä

C\J

35 lämpöherkästä luonteesta, osittain yleisestä yllä mainittujen pinnoitusongelmien ratkaisuun kykenevien menetelmien puutteestapinnoitettavasta substraatista huolimatta.

6

Taivutettavaa elektroniikkaa kohtaan esiintyy myös kasvavaa kysyntää. Muovit omaavat useita erinomaisia ominaisuuksia hyödynnettäväksi moisten laitteiden rakennuskehikoina, mutta tekniikoita kyseisten monimutkaisten muovista rakennettavien laitteiden valmistamiseksi ei ole olemassa, erityisesti teollisessa 5 mittakaavassa.

Niin viimeaikaiset korkean teknologian pinnoitusmenetelmät kuin nykyiset laserkasvatukseen joko nanosekunti- tai kylmäablaatioalueella (piko-, femtosekuntilaserit) liittyvät pinnoitetekniikatkaan eivät kykene tarjoamaan 10 yhtäkään käyttökelpoista menetelmää muovituotteiden, erityisesti suuria pintoja käsittävien muovituotteiden, pinnoittamiseksi teollisessa mittakaavassa. Nykyiset CVD- ja PVD-pinnoiteteknologiat vaativat korkea-tyhjöolo suhteita tehden pinnoitusprosessista eräluonteisen ja täten epäsopivan useimpien nykyisten metallituotteiden teollisen mittakaavan pinnoittamiseen. Lisäksi välimatka 15 päällystettävän muovimateriaalin ja ablaatio-pinnoitemateriaalin välillä on pitkä, tyypillisesti yli 50cm, tehden pinnoituskammioista suuria ja tyhjöpumppausjaksoista aikaa ja energiaa kuluttavia. Mainitut suuri-tilavuuksiset tyhjöön saatetut kammiot myös saastuvat helposti pinnoitemateriaaleista pinnoitusprosessin itsensä aikana, vaatien jatkuvia ja aikaa vieviä 20 puhdistusprosesseja.

Kun pinnoitteen tuotantonopeutta yritetään nykyisissä laseravusteisissa pinnoitusmenetelmissä kasvattaa, toteutuu erilaisia vikoja kuten mikroreikiä, kasvanut pintakarheus, pienentyneet tai kadonneet optiset ominaisuudet, 25 pienhiukkaset pinnoitepinnalla, pienhiukkaset pintarakenteessa aiheuttaen käytäviä korroosiolle, vähentynyt pinnan yhdenmuotoisuus, vähentynyt adheesio, riittämätön ^ resistiivisyys (sähköinen), epätyydyttävä pinnan paksuus sekä tribologiset ominaisuukset jne.

4 cp g 30 Nykyiset pinnoitemenetelmät myös radikaalisti rajoittavat käyttökelpoisia i materiaaleja pinnoitekäyttöön yleensä ja täten rajoittavat erilaisten pinnoitettujen, markkinoilla saatavilla olevien metallituotteiden skaalaa. Mikäli sopivaa, m kohtiomateriaalin pinta erodoidaan tavalla, jossa vain ulommaista kohtiomateriaalin kerrosta voidaan käyttää pinnoitustarkoituksiin. Loput materiaalista joko heitetään o ^ 35 pois tai alistetaan uudelleenprosessoinnille ennen uudelleenkäyttöä. Nykyisen keksinnön tavoitteena on ratkaista tai vähintäänkin lieventää tunnettujen tekniikoiden ongelmia.

7

Keksinnön ensimmäisenä tavoitteena on järjestää uusi menetelmä ratkaisemaan ongelma, jossa muovituotteen tietty pinta pinnoitetaan pulssilaserkasvatuksella niin, että yhdenmukainen pinnoitettava pinta-ala käsittää ainakin 0,2 dm2. Tämän keksinnön toisena tavoitteena on järjestää uusia muovituotteita, jotka on pinnoitettu 5 pulssilaserkasvatuksella niin, että pinnoitettu yhdenmukainen pinta käsittää ainakin 0,2 dm2. Tämän keksinnön kolmantena tavoitteena on järjestää ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän liittyvät välineet ratkaisemaan ongelma, jossa tuotetaan käytännöllisesti katsoen mistä tahansa kohteesta, jota on tarkoitus käyttää muovituotteiden pinnoittamiseen, sellaista hienolaatuista plasmaa, ettei 10 kohtiomateriaali muodosta plasmaan minkäänlaisia pienhiukkaspalasia joko ollenkaan, ts. plasma on puhdasta plasmaa, tai palaset, mikäli olemassa, ovat harvinaisia ja ainakin kooltaan pienempiä kuin ablaatiosyvyys, johon plasma ablaatiolla luodaan mainitusta kohteesta.

15 Tämän keksinnön neljäntenä tavoitteena on tuottaa ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän liittyvät välineet ratkaisemaan se, miten muovituotteen yhdenmukainen pinta voidaan pinnoittaa hienolaatuisella plasmalla ilman pienhiukkaspalasia, jotka ovat suurempia kooltaan kuin ablaatiosyvyys, johon plasma luodaan ablaation avulla mainitusta kohteesta, ts. kuinka päällystetään substraatteja puhtaalla plasmalla, joka 20 on peräisin käytännössä mistä tahansa materiaalista.

Tämän keksinnön viidentenä tavoitteena on järjestää pinnoitteen hyvä kiinnittyminen muovituotteen yhdenmukaiselle pinnalle mainitun puhtaan plasman avulla siten, että kineettisen energian tuhlaaminen pienhiukkaspalasiin vähenee 25 rajoittamalla niiden olemassaoloa tai kokoa ablaatiosyvyyden alle. Samanaikaisesti vain vähäisessä määrin esiintyvät pienhiukkaspalaset eivät muodosta viileitä ^ pintoja, jotka saattaisivat vaikuttaa plasmapilven homogeenisyyteen kiteytymis- ™ (nucleation) ja kondensaatiosidonnaisten ilmiöiden kautta, o g 30 Keksinnön kuudentena tavoitteena on tuottaa ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän x liittyvät välineet ratkaisemaan ongelma laajan skannausleveyden tarjoamiseksi yhtaikaisesti plasman hienojakoisen laadun kanssa sekä leveän pinnoitusleveyden co tarjoamiseksi jopa suurille muovirungoille teollisella tavalla.

LO

o ^ 35 Keksinnön seitsemäntenä tavoitteena on tuottaa ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän liittyvät välineet ratkaisemaan ongelma miten tuottaa korkea toistonopeus teollisen mittakaavan sovelluksissa käytettäväksi keksinnön edellä mainittujen tavoitteiden mukaisesti.

8

Keksinnön kahdeksantena tavoitteena on tuottaa ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän liittyvät välineet ratkaisemaan ongelma, jossa järjestetään hienolaatuista plasmaa yhdenmuotoiste muovipintojen päällystämiseksi ja tavoitteiden 1-7 mukaisten tuotteiden valmistamista varten, mutta jossa silti säästetään 5 kohtiomateriaalia pinnoitusvaiheissa käytettäväksi tuottaen samanlaatuisia pinnoitteita/ohutkalvoja niitä tarvittaessa.

Keksinnön eräänä muuna tavoitteena on moisen menetelmän ja välineiden käyttäminen edellä mainittujen tavoitteiden mukaisesti ratkaisemaan ongelma miten 10 kylmätyöskennellä ja/tai -päällystää pintoja pinnoitettuja tuotteita varten.

Esillä oleva keksintö perustuu yllättävään löydökseen, jonka mukaan suuria pintoja käsittävien muovituotteiden pinnat voidaan pinnoittaa teollisilla tuotantonopeuksilla ja erinomaisilla ominaisuuksilla yhtä tai useampaa teknistä ominaisuutta kuten 15 optista läpinäkyvyyttä, kemiallista ja/tai kulumiskestävyyttä, naarmuuntumattomuusominaisuuksia, lämpökestävyyttä, pinnoitteen kiinnittyvyyttä, itsepuhdistumisominaisuuksia sekä mahdollisesti tribologisia ominaisuuksia, pienhiukkasista vapaita pinnoitteita, mikrorei’istä vapaita pinnoitteita sekä sähköistä johtavuutta koskien hyödyntämällä ultralyhyttä 20 pulssilaserkasvatusta tavalla, jossa laserpulssi skannataan rotatoivan optisen skannerin avulla, joka skanneri sisältää ainakin yhden peilin mainitun lasersäteen heijastamiseksi. Tavallisesti muovituotteet ovat erityisen hankalia pinnoittaa niiden äärimmäisen lämpöherkkyyden takia.

25 Lisäksi esillä oleva menetelmä saavuttaa kohtiomateriaalien osalta säästäväisen käyttöasteen, koska niitä ablatoidaan tavalla, joka toteuttaa jo käytössä olleen ^ materiaalin uudelleenkäyttöä hyvälaatuiset pinnoitustulokset säilyttäen. Esillä oleva ° keksintö saavuttaa lisäksi muovituotteiden pintojen pinnoituksen alhaisissa o tyhjöolosuhteissa samanaikaisesti hyvät pinnoiteominaisuudet tarjoten. Lisäksi g 30 vaaditut pinnoituskammiotilavuudet ovat dramaattisesti pienempiä kuin x kilpailevissa menetelmissä. Nämä piirteet laskevat dramaattisesti kokonaislaitteiston hintaa sekä kasvattavat pinnoitteen tuotantonopeutta. Monissa co edullisissa tapauksissa pinnoituslaitteisto voidaan asentaa tuotantolinjaan online- tyyliin.

o o c\i

Pinnoitteen kasvatusnopeudet 20W USPLD-laitteella ovat 2 mm3/min. Kun laserin teho kasvatetaan arvoon 80 W, USPLD-pinnoituksen kasvatusnopeus nousee sen 9 mukaisesti arvoon 8mm3/min. Keksinnön mukaisesti kasvatusnopeuden kasvua voidaan nyt täysin hyödyntää korkealaatuiseen pinnoitetuotantoon.

Tässä patenttihakemuksessa termi “pinnoitus” (coating) tarkoittaa minkä tahansa paksuisen materiaalin muodostamista substraatille. Pinnoitus saattaa siten myös 5 merkitä ohuiden kalvojen tuottamista esim. paksuudella < 1 pm.

Keksinnön eri suoritusmuotoja voidaan sopivilta osin yhdistellä.

Alan ammattilaiset voivat luettuaan ja ymmärrettyään keksinnön tietää monta eri tapaa modifioida keksinnölle esitettyjä suoritusmuotoja kuitenkaan jättämättä keksinnön suoja-alaa, joka ei rajoitu ainoastaan esitettyihin suoritusmuotoihin, jotka 10 on esitetty esimerkkeinä keksinnön suoritusmuodoista.

Kuviot

Kuvatut ja keksinnön muut edut selkiytyvät seuraavasta yksityiskohtaisesta selityksestä viitaten kuvioihin, joissa:

Kuvio 1. esittää esimerkinomaista galvanoskannerikokoonpanoa käsittäen 15 kaksi galvanoskanneria, joita hyödynnetään tekniikan tason kylmäablaatiopinnoitteen/ohutkalvon tuotannossa sekä koneistamisessa ja muissa työstöön liittyvissä sovelluksissa. Galvanoskannerien lukumäärä lasersäteen ohjaamisessa vaihtelee, mutta tyypillisesti se rajoitetaan yhteen galvanoskanneriin; kuviossa 1 esitetyt lyhenteet vastaavat seuraaviin viittauksiin: LS - Lasersäde, TS -20 Taittunut säde; SS - Suorakulmainen skannausalue; GX - Galvanometri skannaa X-akselin; GY - Galvanometri skannaa Y-akselin, ^ Kuvio 2. havainnollistaa ITO-pinnoitetta polykarbonaattilevyllä (-100 mm x 30 δ mm) tekniikan tason värähtelevää peiliä (galvoskanneri) hyödyntäen tuotettuna eri 4 ITO-ohutkalvon paksuuksilla (30 nm, 60 nm ja 90 nm), cp o 25 Kuvio 3. esittää tilannetta, jossa tekniikan tason galvanometrinen skanneri on

Er käytössä lasersäteen skannaamisessa, laserpisteen skannausnopeudella noin lm/s, mikä johtaa voimakkaasti limittyviin (overlap) pulsseihin toistotaajuudella 2 MHz, co

LO

o Kuvio 4. havainnollistaa erästä keksinnön mukaisen kulumisresistantin o ™ 30 pinnoitteen sisältävää polykarbonaattilevyä, 10

Kuvio 5. esittää yhtä mahdollista turbiiniskanneripeiliä, jota käytetään keksinnön mukaisessa menetelmässä,

Kuvio 6. esittää ablatoivan säteen liikettä, joka saavutetaan kuvion 5 kunkin 5 peilin avulla,

Kuvio 7. esittää säteenohjausta yhden, mahdollisesti pyörivän, keksinnön mukaisesti käytettävän skannerin kautta,

Kuvio 8. esittää säteenohjausta yhden, mahdollisesti pyörivän, keksinnön mukaisesti käytettävän skannerin kautta, 10 Kuvio 9. esittää säteenohjausta yhden, mahdollisesti pyörivän, keksinnön mukaisesti käytettävän skannerin kautta,

Kuvio 10. havainnollistaa keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen erästä suoritusmuotoa (näytetuubi), 15 Kuvio 11. havainnollistaa keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen erästä suoritusmuotoa (muoviputki),

Kuvio 12. havainnollistaa keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen erästä suoritusmuotoa (muovinen juomalasi), 20

Kuvio 13. havainnollistaa keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen erästä suoritusmuotoa (muoviset master-levyt),

Kuviot 14a-14c. havainnollistavat keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen 5 25 eräitä suoritusmuotoja (muoviset peilipinnat), jotka käsittävät joukon erilaisia ^ peilirakenteen muodostavia kerroksia, yhden kerroksen ollessa aina muovinen, cp g Kuvio 15. havainnollistaa keksinnön mukaisen monipinnoitetun tuotteen erästä x suoritusmuotoa (muovisuojaus lentokoneessa, junassa tai autossa), £ 30 to Kuvio 16. havainnollistaa keksinnön mukaisen monipinnoitetun tuotteen erästä ^ suoritusmuotoa (etupinta OLED, LCD, plasma tai muu näyttö), r--o o ^ Kuvio 17. havainnollistaa keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen erästä kahta 35 suoritusmuotoa (vasemmalla - silmälasit, aurinkolasit; oikealla - suojalasit ja visiirit), 11

Kuvio 18. havainnollistaa keksinnön mukaisen monipinnoitetun tuotteen erästä suoritusmuotoa (OLED, LCD, plasma tai muu näyttörakenne); nuoli osoittaa aktiiviseen pintaan, kosketuspintaan, 5 Kuvio 19. havainnollistaa keksinnön mukaisesti monipinnoitetun tuotteen erästä kahta suoritusmuotoa (panssarimuovi),

Kuvio 20. havainnollistaa keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen erästä suoritusmuotoa (muovilevy), 10

Kuvio 21. havainnollistaa keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen erästä kahta suoritusmuotoa (muovi-ikkuna, jota osoitetaan kuutiolla),

Kuvio 22. havainnollistaa keksinnön mukaisen monipinnoitetun tuotteen erästä 15 suoritusmuotoa (muovipaneeli sisä- ja ulkokäyttöön),

Kuvio 23. havainnollistaa keksinnön mukaisesti pinnoitetun tuotteen erästä suoritusmuotoa sekä tekniikan tason tuotetta, 20 Kuvio 24. esittää kulumajäljen optista mikrokuvaa kaupallisesta, pinnoitetusta polykarbonaattilevystä,

Kuvio 25. esittää vertailukelpoista kulumajäljen optista mikrokuvaa pinnoitetulla keksinnön mukaisella polykarbonaattilevyllä, jossa kulumajälki on identtinen 25 kuvion 24 vastaavan kanssa,

Kuvio 26. esittää kaupallisen PC-levyn kulumajäljen pintaprofiilia kulumistestauksen jälkeen, c3 30 Kuvio 27. esittää keksinnön mukaisen YSZ-pinnoitteen kulumajäljen i o pintaprofiilia, i

Kuvio 28a. esittää keksinnön mukaista suoritusmuotoa, jossa kohtiomateriaali on £ ablatoitu lasersäteen ja pyörivän skannerin (turbiiniskanneri) avulla,

CO

co [o 35 Kuvio 28b. esittää esimerkinomaista osaa kuvion 28a kohtiomateriaalista, o o

C\J

Kuvio 28c. esittää esimerkinomaista ablatoitua aluetta kuvion 28b kohtiomateriaalista, jossa x = 1 pm - 1000 pm, esim. 45 pm; y = 50-200 nm, esim. 100 nm, 12

Kuvio 29. esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta kohtiomateriaalin skannauksesta ja ablaatiosta turbiiniskannerin (pyörivä skanneri) avulla, 5 Kuvio 30a. havainnollistaa plasmaan liittyviä tunnettujen tekniikoiden ongelmia,

Kuvio 30b. havainnollistaa plasmaan liittyviä tunnettujen tekniikoiden ongelmia.

Keksinnön suoritusmuotojen yksityiskohtainen kuvaus 10

Keksinnön mukaisesti järjestetään menetelmä muovituotteen tietyn pinnan pinnoittamiseksi laserkasvatuksen avulla, jossa menetelmässä yhdenmukainen pinnoitettava pinta-ala käsittää ainakin 0,2 dm2 ja jossa pinnoitus suoritetaan kohdistamalla kohtioon laserpulsseja, jotka ovat riittävän lyhyitä kylmäablaation 15 aiheuttamiseksi kohtiossa, missä pulssitaajuus on vähintään 1 MHz ja missä pulssilasersäde skannataan pyörivän optisen skannerin avulla, joka skanneri sisältää ainakin yhden peilin mainitun lasersäteen heijastamiseksi.

Muovituotteilla tarkoitetaan tässä ilman rajoittavaa tarkoitusta tuotteita esim. 20 rakennuskäyttöön kokonaisuudessaan, sisä- ja koristetarkoituksiin, tietyin rajoituksin koneisiin, ajoneuvoihin kuten autoihin, kuorma-autoihin, moottoripyöriin ja traktoreihin, lentokoneisiin, laivoihin, veneisiin, juniin, kiskoihin, työkaluihin, lääketieteellisiin tuotteisiin, elektronisten laitteiden koteloihin, virtaliittimiin, auton taka- ja etulamppuihin, ruokalatarjottimiin, 25 termospulloihin, teesiivilöihin, tukankuivaajien ja kiikarien kuoriin, maitopurkkeihin, filmikaseteihin, vaihdereleihin, kalastus vapojen keloihin, ^ liikennevalojen koteloihin ja linsseihin, matkaviestimien linsseihin ja kameroihin, c\j valaistukseen, profiileihin, kehyksiin, komponenttiosiin, prosessilaitteistoon, putkiin i 0 ja eri teollisuudenalojen kuten kemian, sähkövoima- ja energiateollisuuden g 30 säiliöihin, avaruusaluksiin, tasomaisiin metallilevyihin, sotilassovelluksiin, 1 ilmanvaihtoon, laakereihin, männän osiin, pumppuihin, kompressorin levyventtiileihin, kaapelineristyssovelluksiin, ultrakorkeita tyhjöolosuhteita c§ käsittäviin sovelluksiin, ruuveihin, vesiputkiin, poriin ja näiden osiin jne.Osa h? keksinnön suoritusmuodoista on esitetty kuvioissa 4 ja 10-22.

C\J J J

Ultralyhyt laserpulssikasvatus (-depositio) lyhennetään usein USPLD (Ultra Short Laser Pulsed Deposition). Mainittua kasvatusta kutsutaan myös kylmäablaatioksi, jossa yksi tunnusomaisista piirteistä on se, ettei esim. toisin kuin kilpailevien 13 nanosekunttilaserien tapauksessa lämmön siirtymistä tapahdu altistetulta kohtioalueelta tämän ympäristöön, laserpulssienergioiden ollessa silti tarpeeksi suuria ylittämään kohtiomateriaalin ablaatioraja-arvon. Pulssinpituudet ovat tyypillisesti alle 50 ps, esim. 5-30 ps, ts. ulralyhyitä, kylmäablaation ollessa 5 saavutettavissa pikosekunti-, femtosekunti- ja attosekunti -pulssilasereilla. Kohteesta laserablaation avulla höyrystetty materiaali kasvatetaan substraatille, jota pidetään lähellä huoneenlämpötilaa. Silti plasman lämpötila saavuttaa 1,000,000 K altistetulla kohtioalueella. Plasman nopeus on ylivoimainen, jopa saavuttaen 100,000 m/s, ja täten saavutetaan parempi ennuste tuotetun pinnoitteen/ohutkalvon 10 riittävälle kiinnittymiselle.

Keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 0,5 dm2. Yhä eräässä toisessa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 1,0 dm2. Keksintö suoriintuu helposti 15 myös yli 0,5 m2 :n yhdenmukaisia pinnoitettuja pintoja käsittävien tuotteiden pinnoittamisesta, kuten 1 m2 :n pinnoista ja suuremmista. Sillä prosessi on erityisen edullinen suurten pintojen korkealaatuisella plasmalla pinnoittamisessa, se kohtaa alipalvellut tai kokonaan palvelematta jääneet useiden erilaisten muovituotteiden markkinat.

20

Teollisissa sovelluksissa on tärkeää saavuttaa laserkäsittelyn korkea tehokkuus. Kylmäablaatioon perustuvassa laserkasvatuksessa laserpulssien intensiteetin tulee ylittää ennalta määrätty raja-arvo kylmäablaatioilmiön edistämiseksi. Tämä raja-arvo riippuu kohtiomateraalista. Korkean käsittelytehokkuuden ja siten teollisen 25 tuottavuuden saavuttamiseksi pulssien toistonopeuden tulee olla korkea, esim. 1 MHz, edullisesti yli 2 MHz ja mieluiten yli 5 MHz. Aiemmin mainitusti on ^ edullista olla ohjaamatta useita pulsseja kohtiomateriaalin samaan paikkaan, koska tämä aiheuttaa kohtiomateriaalissa kumuloituvan efektin, hiukkasdeposition 0 johtaessa huonolaatuiseen plasmaan ja täten huonolaatuisiin pinnoitteisiin ja g 30 ohutkalvoihin, kohtiomateriaalin ei-toivottuun kulumiseen, kohtiomateriaalin 1 mahdollisen lämpiämiseen jne. Siksi käsittelyn korkean tehokkuuden saavuttamiseksi on myös tarpeellista järjestää lasersäteelle korkea skannausnopeus.

co Keksinnön mukaisesti säteen nopeuden kohteen pinnalla tulisi yleisesti ottaen olla suurempi kuin 10 m/s tehokkaan käsittelyn aikaansaamiseksi, ja edullisesti o ° 35 suurempi kuin 50 m/s ja edullisemmin suurempi kuin 100 m/s, jopa nopeuksia kuten 2000 m/s. Värähtelevään peiliin perustuvissa optisissa skannereissa hitausmomentti kuitenkin estää saavuttamasta riittävän korkeaa kulmanopeutta peilille. Vastaanotettu lasersäde kohtiopinnalla on siten nopeudeltaan vain muutama 14 m/s, kuvion 1 havainnollistaessa esimerkkiä kyseisestä värähtelevästä peilistä, jota kutsutaan myös galvanoskanneriksi.

Kun nykyiset galvanoskannereita hyödyntävät pinnoitusmenetelmät voivat tuottaa enintään 10 cm:n skannausleveyksiä, mieluumminkin vähemmän, esillä oleva 5 keksintö saavuttaa myös paljon laajemmat skannausleveydet kuten 30 cm ja jopa yli 1 metri yhtaikaisesti erinomaisten pinnoiteominaisuuksien ja tuotantonopeuksien kanssa.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan pyörivä optinen skanneri tässä tarkoittaa 10 skannereita, jotka sisältävät ainakin yhden peilin lasersäteen heijastamiseksi. Tämänlainen skanneri ja sen sovelluksia kuvataan patenttihakemuksessa FI20065867. Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaan pyörivä optinen skanneri käsittää ainakin kolme peiliä lasersäteen heijastamiseksi. Keksinnön yhdessä suoritusmuodossa hyödynnetään polygonaalista prismaa, joka on esitetty kuviossa 15 5. Tässä polygonaalisella prismalla on pinnat 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 ja 28. Nuoli 20 merkitsee, että prismaa voidaan pyörittää akselinsa 19 ympäri, joka akseli on prisman symmetria-akseli. Kun kuvion 5 prismat pinnat ovat peilipintoja, edullisesti vinoja (oblique) skannausviivan aikaansaamiseksi, järjestettynä niin, että jokainen pinta vuorollaan vaihtaa, heijastuksen suhteen, säteilyn tulosuuntaa peilipinnalla 20 prismaa akselinsa ympäri pyöritettäessä, prisma soveltuu keksinnön suoritusmuodon mukaiseen menetelmään, säteilyn lähetyslinjaltaan, osana pyörivää skanneria kuten turbiiniskanneria. Kuvio 5 esittää 8 pintaa, mutta pintoja saattaa olla huomattavasti enemmän, jopa tusinoittain tai sadoittain. Kuvio 5 myöskin esittää, että peilit ovat samassa vinossa kulmassa akseliin nähden, mutta erityisesti 25 useamman peilin sisältävässä suoritusmuodossa mainittu kulma saattaa askeleittain ^ vaihdella niin, että tietyn vaihteluvälin sisällä askeltaen tietty askellettu siirtymä o työskentelypisteessä saavutetaan kohteessa, mitä on havainnollistettu kuviossa 6 4 muiden asioiden lisäksi. Keksinnön eri suoritusmuotoja ei rajoiteta erilaisiin ^ turbiiniskanneripeilijärjestelyihin koskien esimerkiksi lasersädettä heijastavien 30 peilien kokoa, muotoa ja lukumäärää.

CC

CL

g Turbiiniskannerin rakenne, kuvio 5, sisältää ainakin 2 peiliä, edullisesti enemmän in kuin 6 peiliä, esim. 8 peiliä (21-28), jotka on sijoitettu symmetrisesti keskiakselin o 19 ympärille. Kun prisma 21 turbiiniskannerissa pyörii 20 keskiakselin 19 ympäri,

CVJ

35 peilit ohjaavat pisteestä 29 heijastunutta säteilyä, esim. lasersädettä, tarkasti viivan malliselle alueelle, aina aloittaen yhdestä ja samasta suunnasta (kuvio 6). Turbiiniskannerin peilirakenne saattaa olla kallistamaton (kuvio 7) tai tiettyyn 15 kulmaan kallistettu, esim. kuviot 8 ja 9. Turbiiniskannerin koko ja mittasuhteet voidaan vapaasti valita. Yhdessä edullisessa pinnoitusmenetelmän suoritusmuodossa sillä on ympärysmitta 30 cm, läpimitta 12 cm ja korkeus 5 cm.

5 Keksinnön eräässä suoritusmuodossa on edullista, että turbiinin peilit 21-28 sijoitetaan edullisesti vinoihin kulmiin keskiakseliin 19 nähden, koska tällöin lasersäte helposti ohjautuu skannerijärjestelmään.

Keksinnön suoritusmuodon (kuvio 5) mukaan käytetyssä turbiiniskannerissa peilit 10 21-29 voivat poiketa toisistaan tavalla, jossa yhden pyörimisliikkeen kierroksen aikana skannataan yhtä monta viivan muotoista aluetta (kuvio 6) kuin mitä peilejä on 21-28.

Keksinnön mukaisesti pinnoitettava pinta voi käsittää muovituotteen pinnan 15 kokonaan tai vain osan siitä.

Eräässä erityisen edullisessa suoritusmuodossaeri rakentamis- tai sisäpintojen viimeistelykäyttöön suunnatut ohuet muovilevyt päällystetään kokonaan halutun pinnoite-efektin tai -efektien hankkimiseksi. Yksi tämänlainen kuvaava keksinnön 20 mukainen tuote sisältää kuparisen ohutlevyn 1200 mm x 1500 mm paksuuden ollessa 1 mm, joka levy on ensin pinnoitettu CuChdla ja viimeistelty suojaavan, läpinäkyvän ATO-pinnoitteen (alumiinititaanioksidi) avulla kuviossa 4 esitetysti. Cu02 tuottaa sisäosatoiminteen, kun taas ATO antaa kulumiskestävyyttä sekä estää haitallisen kupariyhdisteen vuotamisen luontoon. ATO voidaan korvata esimerkiksi 25 alumiinioksidilla, yttriumoksidilla stabiloidulla zirkonialla, yttria/alumiinioksidilla, titaanidioksidilla ja eri hiilipohjaisilla pinnoitteilla.

° Eräässä edullisessa suoritusmuodossa laserkasvatus suoritetaan 10'8 Pa - 10 kPa o paineessa. Korkean tyhjön olosuhteet vaativat melko pitkiä pumppausaikoja ja siten g 30 pidentyneitä pinnoitteiden tuotantoaikoja. Tiettyjen high-end -tuotteiden suhteen x tämä ei ole niin iso ongelma, mutta esimerkiksi erityisesti suurempia pintoja käsittävien kulutushyödykkeiden osalta näin ehdottomasti on. Mikäli esimerkiksi co uudet kulumista ja naarmuja kestävät pinnoitteet, kemiallisesti inertiset pinnoitteet, rC resistiiviset pinnoitteet, tribologiset pinnoitteet, lämpökestävät ja/tai lämpöä

O

£3 35 johtavat pinnoitteet, sähköä johtavat pinnoitteet ja mahdollisesti yhtaikaisesti erinomaiset läpinäkyvyydet otetaan huomioon, mainituille tuotteille ei yksinkertaisesti ole olemassa pinnoitusmenetelmiä, ei teknologisesta tai taloudellisesta näkökulmasta tarkasteltuna.

16 Täten keksinnön erityisen edullisessa suoritusmuodossa laserkasvatus suoritetaan 10 Pa - 10 kPa paineessa. Keksinnön mukaisesti erinomaisia pinnoite/ohutkalvo-ominaisuuksia voidaan saavuttaa jo alhaisessa paineessa dramaattisesti lyhentyneisiin prosessointiaikoihin ja parantuneeseen teolliseen käyttökelpoisuuteen 5 johtaen.

Keksinnön mukaan on mahdollista suorittaa pinnoittaminen tavalla, jossa kohtiomateriaalin ja mainitun yhdenmukaisen päällystettävän pinta-alueen välinen etäisyys on alle 25 cm, edullisesti alle 15 cm ja edullisimmin alle 10 cm. Tällöin 10 saadaan aikaan radikaalisti tilavuudeltaan pienentyneiden pinnoituskammioiden kehittäminen, tehden pinnoitustuotantolinjojen kokonaishinnasta alhaisemman ja lyhentäen edelleen tyhjöpumppaukseen tarvittavaa aikaa.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa kohtiomateriaalin ablatoitu pinta voidaan 15 toistamiseen ablatoida virheistä vapaan pinnoitteen tuottamiseksi. Useimpien nykyisten pinnoiteteknologioiden tapauksessa kohtiomateriaali kuluu epätasaisesti tavalla, jossa altistettua aluetta ei voida uudelleenkäyttää kasvatukseen ja se täytyy siten hylätä tai lähettää regeneroitavaksi tietyn käytön jälkeen. Ongelma on pyritty ratkaisemaan kehittämällä erilaisia tekniikoita jatkuvasti uuden, ei-ablatoidun 20 kohtiomateriaalin syöttämiseksi pinnoitustarkoituksiin esim. liikuttamalla kohtiomateriaalia x/y-akselien suhteen tai pyörittämällä sylinterimäistä kohtiomateriaalia. Esillä oleva keksintö saa aikaan yhtaikaisesti erinomaiset pinnoiteominaisuudet ja tuotantonopeudet kuten myös kohtiomateriaalin käytön tavalla, jossa hyvälaatuinen plasma säilyttää ominaisuutensa oleellisesti koko 25 kohtiomateriaalipalasen käyttämisen kautta. Edullisesti yli 50% yksittäisen kohtiomateriaalin painosta kulutetaan keksinnön mukaisen hyvälaatuisen plasman ^ tuottamiseen. Hyvälaatuisella plasmalla tarkoitetaan tässä plasmaa, joka on ° suunnattu virheistä vapaiden pinnoitteiden ja ohutkalvojen tuottamiseen, 0 plasmapilven hyvälaatuisuuden säilyessä korkeilla pulssitaajuuksilla ja g 30 kasvatusnopeuksilla. Osaa näistä ominaisuuksista kuvataan alla.

CC

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan tuotetun pinnoitteen keskimääräinen co pintakarheus yhdenmukaisella pinta-alueella on vähemmän kuin 100 nm skannattuna 1 μτη2:η alueelta AFM-mikroskoopilla. Edullisemmin keskimääräinen ^ 35 pintakarheus on vähemmän kuin 30 nm. Keskimääräisellä pintakarheudella tarkoitetaan tässä keskimääräistä poikkeamaa sopivalla menetelmällä, esim. AFM:ssä tai profiilimittarissa saatavissa olevalla menetelmällä, sovitetusta keskilinjan keskiarvokäyrästä. Pintakarheus vaikuttaa mm. kuluma- ja 17 naarmuuntumisominaisuuksiin, tribologisiin ominaisuuksiin kuten myös keksinnön mukaan pinnoitettujen tuotteiden pinnoitteiden läpikuultavuuteen.

Yhä, keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tuotetun pinnoitteen optinen 5 läpäisevyys mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei ole vähemmän kuin 88%, edullisesti ei vähempää kuin 90% ja edullisimmin ei vähempää kuin 92%. Se voi jopa olla suurempi kuin 98%. Joissakin tapauksissa saattaa olla edullista saavuttaa rajoitettu optinen läpinäkyvyys. Tämänlaisia esimerkkejä ovat turvaruudut, ei-läpinäkyvät ikkunat, aurinkolasit, suojaavat ruudut joko auringonvaloa tai UV-valoa 10 tai muuta säteilyä varten.

Keksinnön toisessa suoritusmuodossa tuotettu pinnoite mainitulla yhdenmuotoisella pinta-alalla sisältää vähemmän kuin yhden mikroreiän (pinhole) per 1 mm2, edullisesti vähemmän kuin yhden mikroreiän per 1 cm2 ja mieluiten ei mikroreikiä 15 lainkaan mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla. Mikroreikä on reikä, joka menee pinnoitteen läpi tai oleellisesti sen läpi. Pikkuruiset reiät tarjoavat alustan alunperin pinnoitetun materiaalin eroosiolle esim. kemiallisten ja ympäristötekijöiden kautta. Yksittäinen pikkuruinen reikä esim. kemiallisen reaktorin tai putkiston, lääketieteellisen implantin, avaruusaluksen, erilaisten ajoneuvojen erilaisten osien ja 20 niiden muovisten mekaanisten osien tai edelleen, muovipinnoitteella suojatun metallisen rakenteen tai sisärakenteen pinnoitteessa johtaa helposti dramaattisella tavalla lyhentyneeseen tuotteen elinaikaan.

Siten toisessa edullisessa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala 25 päällystetään tavalla, jossa ensimmäiset 50% mainitusta pinnoitteesta mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei sisällä mitään hiukkasia, joiden läpimitta ylittää ^ 1000 nm, edullisesti 100 nm ja edullisimmin 30 nm. Mikäli c3 pinnoitevalmistusprosessin aikaiset vaiheet tuottavat mikrometri-kokoluokan i S hiukkasia, mainitut hiukkaset saattavat avata korroosiokäytäviä tuotetun pinnoitteen i g 30 seuraavissa kerroksissa. Lisäksi hiukkasten epäsäännöllisten muotojen takia on x erittäin vaikeaa tiivistää kyseisten hiukkasten alapuolinen pinta. Lisäksi mainitut hiukkaset kasvattavat pinnan karheutta oleellisesti. Nykyinen menetelmä co mahdollistaa jopa tässä yhteydessä kasvaneen eliniän ja alentuneet rC ylläpitokustannukset erilaisille muovituotteille, o ° 35 c\j

Muovituote itsessään saattaa sisältää käytännöllisesti katsoen mitä tahansa muovia, muoviyhdistettä kuten komposiittimateriaaleja tai näiden yhdistelmiä. Suositeltavat muovilaadut sisältävät polyetyleeniä (PE), polystyreeniä (PS), polyvinyylikloridia 18 (PVC), polykarbonaattia (PC), polytetrafluorieteeniä (Teflon), polyimidiä (PI, Kapton), Mylar:ia, PEEK:iä, selluloosajohdettuja muoveja, polyamideja jne. Keksinnön yhdessä suoritusmuodossa polymeerimateriaali alistetaan myös litografialle. Tämänlaisissa sovelluksissa on edullista käyttää polymeerejä, jotka 5 kestävät lämpötiloja 100 °C:een asti. Lisäksi mainittu muovituote voi sisältää lähes mitä tahansa 3D-rakennetta.

Muovituotteiden huikean määrän takia yksi keksinnön erityisen edullinen suoritusmuoto käsittää muovituotteen pinnoittamisen jo sen levymuodossa, ja tässä 10 edullisesti pinnoiteasemassa, joka on muovilevyn (tai 3D-tuotteen) tuotantolinjaan integroitu. Tämänlaisessa lähestymistavassa pinnoittamaton muovituote ei saastu aineista/liasta/reaktioista ja tarpeettomilta pintakäsittelyaskeleilta mahdollisten saastuttajien poistamiseksi ennen pinnoittamista vältytään. Sama soveltuu niin suurille levyille kuten polykarbonaattilevyille kuin myös pienemmille 15 muovituotteille kuten matkaviestimien linsseille.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan mainittu yhdenmukainen muovituotteen pinta pinnoitetaan metallilla, metallioksidilla, metallinitridillä, metallikarbidilla tai näiden sekoituksella. Ei-rajoittavia esimerkkejä metalleista ovat alumiini, 20 molybdeeni, titaani, zirkonium, kupari, yttrium, magnesium, lyijy, sinkki, ruteeni, kromi, rodium, hopea, kulta, koboltti, tina, nikkeli, tantaali, gallium, mangaani, vanadiini, platina ja lähes mikä tahansa metalli.

Kun tuotetaan keksinnön mukaisia pinnoitteita, jotka käsittävät niin erinomaiset 25 optiset, kuluma- kuin naarmuuntumattomuusominaisuudet, erityisen edullisia metallioksideja ovat esimerkiksi alumiinioksidi ja sen erilaiset yhdistelmät kuten ^ alumiinititaanioksidi (ATO). Sen resistiivisyyden ansiosta korkeaoptiset kalvot ° omaten korkealaatuista indiumtinaoksidia (ITO) ovat erityisen edullisia i o sovelluksissa, joissa pinnoitetta voidaan käyttää lämmittämään pinnoitettua pintaa, g 30 Sitä voidaan käyttää myös auringonsuojissa (solar-control). Ytriumilla stabiloitu x zirkonium oksidi on toinen esimerkki erilaisista oksideista, joilla on erinomaisia niin optisia, kuluma- kuin naarmuuntumattomuusominaisuudet. Joitakin metalleja co voidaan hyödyntää aurinkokennosovelluksissa. Tällöin tosiasialliset kennot usein k kasvatetaan muoville ja kopioitavien, edullisten ja korkealaatuisten pinnoitteiden ^ 35 kysyntä kasvaa tasaisesti. Tässä tapauksessa metalli)ohdannaisten ohutkalvojen optiset ominaisuudet jonkin verran eroavat bulkkimetallien ominaisuuksista. Ultraohuissa kalvoissa (< 100 Ä paksuja) variaatiot tekevät optisten vakioiden konseptin hankalaksi, pinnoitteen (ohutkalvo) laadun ja pinnan karheuden ollessa 19 täten kriittisiä teknisiä piirteitä. Nämä pinnoitteet voidaan helposti tuottaa esillä olevan keksinnön menetelmällä.

Kuten useimmat puhtaat metallit, kaikki metallit, joita tavallisesti käytetään peileinä 5 (AI, Ag, Au, Cu, Rh ja Pt), niiden käytöstä riippumatta altistuvat hapettumiselle (AI), sulfiditummumiselle (tarnishing, Ag) ja mekaaniselle naarmuttamiselle. Tämän takia peilit tulee pinnoittaa kovilla läpinäkyvillä suojaavilla kerroksilla. Täten SiO, S1O2 jaAFO, -kalvoja usein käytetään suojaamaan höyrystettyjä Al-peilejä, mutta tavallisesti kasvaneen absorbanssin kustannuksella. Tähän ongelmaan 10 on käyty esillä olevan keksinnön avulla käsiksi tuottamalla kovapinnoitteita, jotka sisältävät paremman optisen läpinäkyvyyden ja lämmönjohtavuuden. Nykyisin erilaisia substraattikalvoliimoja (esim. AI2O3, SiO) käytetään kiinnittymisen parantamiseksi, mutta Ag-kalvon käyttö peileissä on jäänyt vähäiseksi. Sopivien kalvojen kiinnittymistä voidaan parantaa tuottamalla niin nyt käytettyjä kalvoja 15 kuin muita parannettuja hiilipohjaisia kalvoja kuten timantti ja hiilinitridi esillä olevan keksinnön menetelmän avulla.

Dielektriset materiaalit, joita käytetään nykyisissä optisisissa pinnoitesovelluksissa, sisältävät fluorideja (esim.. MgF2, CeF3), oksideja (esim. AI2O3, T1O2, S1O2), 20 sulfideja (esim. ZnS, CdS) ja lajiteltuja yhdisteitä kuten ZnSe ja ZnTe. Oleellinen yhteinen dielektristen optisten materiaalien piirre on niiden erittäin alhainen absorptio (a < 103/cm) jollakin relevantilla spektrin osalla; tällä alueella ne ovat oleellisesti läpinäkyviä (esim. fluoridit ja oksidit näkyvällä ja infrapunalla, kalkogenidit infrapunalla).

25

Dielektrisiä pinnoitteita voidaan nyt edullisesti tuottaa muoveille esilläolevan ^ keksinnön menetelmällä.

δ c\j 0 Jossakin dielektristen aineiden ja metallien välissä on materiaaliluokka, jota g 30 kutsutaan läpinäkyväksi johtimeksi. Elektromagneettisen teorian mukaan suuri 1 johtavuus ja optinen läpinäkyvyys ovat molemminpuolisesti poissulkevia ominaisuuksia, sillä tiheässä olevat varaustenkuljettajat tehokkaasti imevät fotoneja.

co Vaikkakin on olemassa materiaaleja, jotka erikseen ovat paljon tehokkaampia rC johteita tai läpinäkyvämpiä, transparentit johteet, joista tässä puhutaan, edustavat ^ 35 käyttökelpoista kompromissia molempien edullisten ominaisuuksien osalta. Laajasti ottaen transparentit johtavat kalvot koostuvat joko erittäin ohuista metalleista tai puolijohtavista oksideista ja viimeksi jopa nitrideistä kuten indiumgalliumnitridistä aurinkokennosovelluksissa. Ensimmäinen laaja moisten filmien käyttö tapahtui 20 transparenteissa sähköisissä lämmittimissä lentokoneen tuulilasin jäänpoistossa toisen maailmansodan aikana. Tänään niitä jollain tasolla käytetään autojen ja lentokoneiden ikkunan sulattajissa, nestekide- ja kaasupurkausnäytöissä, aurinkokennojen etuelektrodeissa, antistaattisissa pinnoitteissa, lämmitysvaiheissa 5 optisille mikroskoopeille, IR-heijastimissa, televisiokameroiden vidikonien fotojohtimissa ja laserien Q-kytkimien Pockel-soluissa.

Metallit, joita ollaan perinteisesti käytetty transparentteina johtimina sisältävät mm. Au:n, Pt:n, Rh:n, Ag:n, Cu:n, Fe:n ja Ni:n. Yhtäaikainen johtavuuden ja 10 läpinäkyvyyden optimointi on huomattava haaste kalvokasvatuksessa. Yhdessä ääripäässä ovat epäjatkuvat huomattavan läpinäkyvyyden mutta korkean resistiivisyyden saarekkeet, toisessa taas kalvot, jotka yhtyvät aikaisin ja ovat jatkuvia sekä hyvin johtavia, mutta huonosti läpinäkyviä. Näistä syistä käytetään puolijohtavia oksideja kuten SnCE, ImCb, CdO ja useammin niiden yhdisteitä (esim. 15 ITO), seostettua (doped) Ιη2θ3 (Sn, Sb kanssa) ja seostettua SnC>2 (F, Cl jne. kanssa).

Tekniikan tason kasvatusjärjestelmät sisältävät sekä kemialhsia että fysikaalisia menetelmiä. Kloridien hydrolyysi ja metalliorgaanisten yhdisteiden pyrolyysi ovat 20 esimerkkejä edellisestä, reaktiivisen höyrystymisen ja sputteroinnin happiympäristössä ollessa esimerkkejä jälkimmäisestä - yhdenkään järjestelmistä olemattaedullisia muoveille. Optimaaliset kalvo-ominaisuudet vaativat tiukan stökiömetrian säilyttämistä. Tekniikan tason tekniikat hyödyntävät yleisesti lasisubstraatteja ja niissä tekniikoissa lasinmko yleisesti lämmitetään lähelle 25 pehmentymislämpötilaa. Tämänlaisessa järjestelmässä lopputuotteen jännityksiä ja käyristymistä tulee huolellisesti välttää. Moinen järjestelmä ei sovellu laisinkaan ^ lämpöherkille muovirungoille. Täten keksinnön esillä oleva menetelmä myös ° ratkaisee lasituotteiden pehmentymislämpötilaan liittyviä ongelmia ja tuottaa § mainittuja korkealaatuisia kalvoja taloudellisesti käyttökelpoisella tavalla.

s 30 x Enimmäkseen fluoridi- ja oksidikalvojen n on arvoltaan vähemmän kuin 2 0,55 pm:n referenssiaallonpituudella. Monissa sovelluksissa on kuitenkin tärkeää käyttää co kalvoja, joiden taitekerroin on näkyvällä alueella suurempi. Näiden tarpeiden tyydyttämiseksi käytetään tyypillisesti materiaaleja kuten ZnS ja XnSe. Korkea o ^ 35 läpäisykyky on oleellinen optiselle kalvolle asetettu vaatimus, ja mielivaltaisena kriteerinä vain materiaalit, joiden absorptiovakio on vähemmän kuin a = 103/cm, lisätään seuraavaan listaan: NaF (c), LiF (c), CaF2 (c), Na3AlF6 (e), AIF3 (a), MgF2 (c), TI1F4 (a), LaF3 (c), CeF3 (c), S1O2 (a), AI2O3 (a), MgO (c), Y2O3 (a), La203 (a), 21

Ce02 (c), Zr02 (a), SiO (a), ZnO (c), Ti02, ZnS (c), CdS (c), ZnSe (c), PbTe, Si (a), Ge (a); (c) = kiteinen; (a)= amorfinen.

Käytännössä kuitenkin vain huomattavasti vähemmän absorboivia kalvoja voidaan 5 sallia. Esimerkiksi AR-laserpinnoitteissa pinnoitehäviöiden tulee olla vähemmän kuin 0,01% vastaten k ~ 4 x 10 -5 tai a = 10/cm kun λ = 5500 Ä.

Esillä oleva keksinnön menetelmä ratkaisee ongelmia, jotka liittyvät näkyvällä alueella suuremman taitekertoimen omaavien kalvojen tuottamiseen ja saavuttaa 10 mainittujen kalvojen valmistamisen korkealla laadulla ja taloudellisesti käyttökelpoisella tavalla. Lisäksi nyt on mahdollista tuottaa edellä mainittuja materiaaleja ja yhdisteitä kidemuodossa täten edelleen parantaen kalvon ominaisuuksia.

15 Jos tiettyjä metallioksideja kuten titaanioksidia ja sinkkioksidia käytetään pintapaksuuksiin, jotka tarjoavat tuotetun pinnoitteen UV-aktiivisuutta, pinnoite saattaa sisältää itsepuhdistavia ominaisuuksia. Kyseiset ominaisuudet ovat erittäin suotavia käytössä ja ne vähentävät useiden metallituotteiden ylläpitokustannuksia sekä sisä- että ulkopuolisessa käytössä.

20

Metallioksidipinnoitteita voidaan tuottaa joko ablatoimalla metallia tai metalleja aktiivihappiatmosfaärissä tai ablatoimalla oksidimateriaaleja. Jopa jälkimmäisen mahdollisuuden tapauksessa on mahdollista parantaa pinnoitteen laatua ja/tai tuotantonopeutta suorittamalla ablaatio reaktiivisessa hapessa. Kun nitridejä 25 tuotetaan, on keksinnön mukaisesti mahdollista käyttää typpiatmosfääriä tai nesteytettyä ammoniakkia pinnoitteen laadun parantamiseksi. Edustava keksinnön ^ esimerkki on hiilinitridin tuottaminen (C3N4 kalvot).

δ c\j o Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaan muovituotteen yhdenmukainen g 30 pinta pinnoitetaan hiilimateriaalilla käsittäen yli 90 atomiprosenttiä hiiltä, joista yli x 70% käsittää sp3-sidoksen. Tämänkaltaiset edulliset materiaalit sisältävät amorfista

CC

timanttia, nano-kiteistä timanttia tai jopa pseudo-yksikiteistä timanttia. Erilaiset co timanttipinnoitteet antavat muovituotteelle erinomaiset tribologiset, kulumis- ja naarmuuntumattomuusominaisuudet, mutta kasvattavat myös lämmönjohtavuutta ja ^ 35 -resistanssia.

Muovien timanttipinnoitteet ovat käytettävissä erityisesti suojaavissa silmätuotteissa, elektronissa näyttölaitteissa, vaarallisissa olosuhteissa käytettävissä 22 suojalasilaitteistoissa, ja ollessaan korkealaatuisia, esim. kidemuodossa, puolijohdesovelluksissa, aurinkokennoissa, esim. lasersovellusten diodipumpuissa jne.

5 Yhä, keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta päällystetään materiaalilla, joka käsittää hiiltä, typpeä ja/tai booria eri suhteissa. Tämänlaiset edulliset materiaalit sisältävät boorihiilinitridiä, hiilinitridiä (sekä C2N2 että C3N4), boorinitridiä, boorikarbidia tai B-N, B-C ja C-N -vaiheiden erilaisten hybridisaatioiden vaiheita. Mainitut materiaalit ovat timantin 10 kaltaisia materiaaleja, joiden tiheys on pieni ja ne ovat äärimmäisen kulutuskestäviä ja kemiallisesti inerttejä. Esimerkiksi hiilinitridejä voidaan käyttää tuotteiden suojaamisessa korrosiivisia olosuhteita vastaan, lääketieteellisten laitteiden ja implanttien pinnoitteissa, akkuelektrodeissa, kosteus- ja kaasusensoreissa, puolijohdesovelluksissa, tietokoneen kovalevyn suojaamisessa, aurinkokennoissa, 15 työkaluissa jne.

Keksinnön yhden suoritusmuodon mukaan muovituotteen tietty yhdenmukainen pinta voidaan päällystää orgaanisella polymeerimateriaalilla. Tämänlaiset materiaalit sisältävät, mutta eivät rajoitu, chitosaniin ja sen johdannaisiin, 20 polysiloksaaneihin ja erilaisiin orgaanisiin polymeereihin.

Chitosan-pinnoituksella saadaan lupaavia näkymiä muovituotteiden uuden luokan tuottamiseksi, joka luokka on suunnattu merenkulku- ja muihin vesiympäristöihin kuten myös uusiin muovituotteisiin sekä sisäpuoliseen että ulkopuoliseen käyttöön. 25 Tällöin polysiloksaanit ovat erityisen edullisia kohtuullisen korkean ^ kulumiskestävyyden, naarmuuntumattomuusominaisuuden sekä samanaikaisesti oj erinomaisen optisen transparenttiuden omaavien tuotteiden valmistamisessa, cp g 30 Edelleen keksinnön eräässä suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala x pinnoitetaan epäorgaanisella materiaalilla. Kyseiset materiaalit sisältävät, mutta eivät rajoitu, esimerkiksi kiveen ja keramiikkajohdannaisiin.

co co rC Keksinnön erityisen edullisessa suoritusmuodossa erilaisia muovilevyjä ja 3D- o . .

° 35 metallirakenteita pinnoitettiin ablatoimalla kohtiomateriaalia, joka käsittää punaista akaattia, mikä johtaa värilliseen, mutta opaakkiin tulokseen.

23

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta päällystetään vain yhdellä pinnoitteella. Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaan muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta päällystetään monikerroksisella pinnoitteella. Useampi pinnoite voidaan tuottaa eri syistä. Yksi 5 syistä saattaa olla tiettyjen pinnoitteiden päällystettävään muovituotteeseen tarttumisen parantaminen valmistamalla ensimmäinen erä pinnoitetta, joka tarttuu paremmin muovipintaan ja omaa ominaisuudet, jotka edesauttavat seuraavaa pinnoitekerrosta tarttumaan mainittuun kerrokseen paremmin kuin muovipintaan itseensä. Lisäksi monikerroksinen pinnoite saattaa sisältää useita toiminteita, jotka 10 eivät ole ilman kyseistä rakennetta mahdollisia. Esillä oleva keksintö saa aikaan useiden pinnoitteiden tuotannon yksittäisessä pinnoituskammiossa tai vierekkäisissä kammioissa.

Esillä oleva keksintö lisäksi aikaansaa komposiittipinnoitteiden tuottamisen 15 muovituotteen pinnalle ablatoimalla samanaikaisesti yhtä komposiittimateriaalikohdetta tai kahta tai useampaa kohtiomateriaalia käsittäen yhden tai useamman aineen.

Keksinnön mukaisesti mainitun pinnoitteen paksuus muovituotteen 20 yhdenmukaisella pinnalla on välillä 20 nm ja 20 pm, edullisesti välillä 100 nm ja 5 pm. Pinnoitepaksuuksia ei saa rajoittaa näihin, sillä esillä oleva keksintö saa aikaan toisaalta molekyylitason pinnoitteiden sekä toisaalta erittäin paksujen pinnoitteiden kuten 100 pm ja enemmän, valmistamisen.

25 Esillä oleva keksintö lisäksi aikaansaa 3D-rakenteiden valmistamisen hyödyntämällä muovikomponenttia rakennustelineenä mainitun 3D-rakenteen ^ kasvattamiseksi.

δ

CvJ

o Keksinnön mukaisesti järjestetään myös muovituote käsittäen tietyn g 30 laserkasvatuksen avulla pinnoitetun pinnan, jossa yhdenmukainen pinnoitettu pinta- x ala käsittää ainakin 0,2 dm2 ja jossa pinnoitus on suoritettu käyttämällä kylmäablaatioon perustuvaa pulssilaserkasvatusta, missä mainitun laserkasvatuksen co pulssitaajuus on vähintään 1 MHz ja missä pulssimainen lasersäde skannataan rC pyörivän optisen skannerin avulla, joka skanneri sisältää ainakin yhden peilin

O

^ 35 mainitun lasersäteen heijastamiseksi. Näillä tuotteilla saavutettavat edut on kuvattu yksityiskohtaisemmin aiemmassa menetelmän kuvauksessa.

24

Keksinnön eräässä edullisemmassa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 0,5 dm2. Yhä eräässä edullisemmassa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 1,0 dm2. Keksintö suoriintuu helposti myös yli 0,5 m2 :n yhdenmukaisia pinnoitettuja pintoja käsittävien 5 tuotteiden pinnoittamisesta, kuten 1 m2 :n pinnoista ja suuremmista.

Erään keksinnön suoritusmuodon mukaan tuotetun pinnoitteen keskimääräinen pintakarheus mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla on pienempi kuin 100 nm skannattuna 1 pm2 alueelta AFM (Atomic Force Microscope) -mikroskoopilla. 10 Edullisesti yhdenmukainen pinta-karheus on vähemmän kuin 50 nm ja edullisimmin alle 25 nm.

Keksinnön toisessa suoritusmuodossa tuotetun pinnoitteen optinen läpäisevyys mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei ole vähemmän kuin 88%, edullisesti ei 15 vähempää kuin 90% ja edullisimmin ei vähempää kuin 92%. Optinen läpäisevyys voi joissain tapauksissa olla suurempi kuin 98%.

Edelleen keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaisesti tuotettu pinnoite mainitulla yhdenmuotoisella pinta-alalla sisältää vähemmän kuin yhden mikroreiän 20 (pinhole) per 1 mm2, edullisesti vähemmän kuin yhden mikroreiän per 1 cm2 ja mieluiten ei mikroreikiä lainkaan mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla.

Edelleen keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaisesti mainittu yhdenmukainen pinta-ala päällystetään tavalla, jossa ensimmäiset 50% mainitusta 25 pinnoitteesta mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei sisällä mitään hiukkasia, joiden läpimitta ylittää 1000 nm, edullisesti 100 nm ja edullisimmin 30 nm.

c3 Keksinnön mukainen muovituote saattaa sisältää lähes mitä tahansa muovia, i o muoviyhdistettä kuten komposiittimateriaaleja tai näiden yhdistelmää.

s 30 x Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan mainittu yhdenmukainen muovituotteen pinta pinnoitetaan metallilla, metallioksidilla, metallinitridillä, metallikarbidilla tai co näiden sekoituksella. Mahdollisia metalleja kuvattiin aikaisemmin nyt keksityn rC pinnoitusmenetelmän kuvauksen yhteydessä, o

° TS

CM J J

Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaan muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta pinnoitetaan hiilimateriaalilla käsittäen yli 90 atomiprosenttia 25 hiiltä, joista yli 70% käsittää sp3-sidoksen. Mahdollisia hiilimateriaaleja kuvattiin aikaisemmin nyt keksityn pinnoitusmenetelmän kuvauksen yhteydessä.

Yhä, keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa muovituotteen mainittu 5 yhdenmukainen pinta päällystetään materiaalilla, joka käsittää hiiltä, typpeä ja/tai booria eri suhteissa. Kyseisiä materiaaleja kuvattiin aikaisemmin nyt keksityn pinnoitusmenetelmän kuvauksen yhteydessä.

Keksinnön yhden suoritusmuodon mukaan muovituotteen tietty yhdenmukainen 10 pinta on päällystetty orgaanisella polymeerimateriaalilla. Kyseisiä materiaaleja kuvattiin aikaisemmin nyt keksityn pinnoitusmenetelmän kuvauksen yhteydessä.

Edelleen keksinnön eräässä suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala on pinnoitettu epäorgaanisella materiaalilla. Kyseisiä materiaaleja kuvattiin 15 aikaisemmin nyt keksityn pinnoitusmenetelmän kuvauksen yhteydessä.

Keksinnön toisen edullisen suoritusmuodon mukaan muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta päällystetään monikerroksisella pinnoitteella. Toisen edullisen suoritusmuodon mukaan mainittu muovituotteen yhdenmukainen pinta 20 päällystetään yhdellä pinnoitekerroksella.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti mainitun pinnoitteen paksuus muovituotteen yhdenmukaisella pinnalla on välillä 20 nm ja 20 pm, edullisesti välillä 100 nm ja 5 pm. Keksinnöllä saavutetaan myös pinnoitetut 25 muovituotteet, jotka sisältävät yhden tai useamman atomitason pinnoitteita sekä paksuja pinnoitteita ylittäen 100pm, esim. 1 mm. Esillä oleva keksintö lisäksi ^ aikaansaa 3D-rakenteiden valmistamisen hyödyntämällä muovikomponenttia ° rakennustelineenä mainitun 3D-rakenteen kasvattamiseksi.

"fr cp "fr 30 o

X

DC

CL

CO

CO

LO

r-- o O oc

cv J J

26

Esimerkkejä tunnetun tekniikan ongelmien demonstroimiseksi -lasertekniikka

Esimerkki 1 5

Kuvio 2 havainnollistaa ITO-pinnoitetta polykarbonaattilevyllä (-100 mm x 30 mm) tekniikan tason optista skanneria, nimittäin värähtelevää peiliä (galvoskanneri) hyödyntäen tuotettuna eri ITO-ohutkalvon paksuuksilla (30 nm, 60 nm ja 90 nm). Vaikkakin ITO-pinnoitetta ei kasvateta metallisubstraatille, kuvio selvästi 10 demonstroi joitakin värähtelevän peilin käyttöön optisena skannerina liittyviä ongelmia erityisesti ultralyhyen pulssilaserkasvatuksen (USPLD) tapauksessa, mutta myös laseravusteisissa pinnoituksissa yleensä. Sillä värähtelevä peili muuttaa pyörimissuuntaansa päätyasennoissaan ja hitausmomentin takia, peilin kulmanopeus ei ole vakio ääriasentojen lähellä. Värähtelevän liikkeen takia peili 15 jatkuvasti jarruttaa ja pysähtyy ennen uutta kiihdyttämistä, aiheuttaen täten kohtiomateriaalin epäsäännöllisen käsittelyn skannatun alueen reunoilla. Kuten kuviosta 2 voidaan nähdä, tämä muuntuu huonolaatuiseksi plasmaksi, joka käsittää hiukkasia erityisesti skannatun alueen reunoilla, ja lopulta huonolaatuiseksi ja nähtävästi epätasaiseksi pinnoitustulokseksi.

20

Pinnoitusparametrit on valittu demonstroimaan kasvatetun materiaalin epätasaista jakaumaa käytetyn skannerin luonteen vuoksi. Mikäli parametrit valitaan sopivasti, kalvon laatua voidaan parantaa, jolloin ongelmista tulee näkymättömiä, muttei olemattomia.

25

Esimerkki 2 o Perinteisesti galvanoskannereita käytetään lasersäteen skannaamiseen tyypillisesti 4 maksiminopeudella n. 2-3 m/s, käytännössä n. 1 m/s. Tämä tarkoittaa, että jopa 40- 0 ^ 60 pulssia limittyy toistonopeudella 2 MHz (kuvio 3).

° 30 EE Esimerkki 3

CO

Plasmaan liittyviä laatuongelmia demonstroidaan kuviossa 30a ja 30b, jotka o ilmentävät tunnettujen tekniikoiden mukaista plasman luomista. Laserpulssi 1114 o ^ osuu kohtiopintaan 1111. Sillä pulssi on pitkä, syvyys h ja säteen läpimitta d ovat 35 samaa suuruusluokkaa, pulssin 1114 lämmön lämmittäessä myös pintaa osumapistealueella, mutta myös pinnan 1111 alla syvemmällä kuin syvyys h.

27

Rakenne saa osaksensa termisen sokin ja syntyy jännitteitä, jotka purkautuessaan tuottavat palasia merkittynä F:llä. Sillä plasma voi tässä esimerkissä olla kohtalaisen huonoa laadultaan, molekyylejä sekä niiden rykelmiä näyttää esiintyvän, mitä indikoidaan pienillä pisteillä 1115, kuten suhteessa viitteeseen 5 numeraalin 1115 kohdalla, jossa on ytimiä (nuclei) tai samanlaisten rakenteiden rykelmiä kuviossa 30b demonstroiduista kaasuista 1116 muodostuneina. ”o”-kirjaimet demonstroivat hiukkasia, joita voi muodostua ja kasvaa kondensaation ja/tai kasautumisen (agglomeration) myötä. Vapautuneet palaset saattavat myös kasvaa kondensaation ja/tai kasautumisen ansiosta, mikä indikoidaan kaarevilla 10 nuolilla pisteistä F:ään ja o:sta F:ään. Kaarevat nuolet indikoivat myös vaihesiirtymiä plasmasta 1113 kaasuun 1116 ja edelleen hiukkasiin 1115 sekä kooltaan kasvaneisiin hiukkasiin 1117. Sillä ablaatiopilvi kuviossa 30b voi sisältää palasia F sekä myös höyryistä ja kaasuista rakentuneita hiukkasia huonon plasman tuotannon takia, plasma ei ole jatkuva plasma-alue ja siten sen laadunvaihtelua 15 voidaan tavata yksittäisen pulssipilven sisällä. Koostumus- ja rakennevirheiden syvyyden h alla sekä myös syntyvien syvyysvaihteluiden (kuvio 30a) takia, kuvion 30b kohtiopinta 1111 ei ole enää käytettävissä useampia kasvatuksia varten, ja kohtio näin haaskataan, vaikkakin siinä olisi jonkin verran materiaalia jäljellä.

Keksinnön mukaisen menetelmän esimerkkejä 20 Esimerkki 4

Kuvio 28a demonstroi kohtiomateriaalia, jota ablatoidaan pikosekunttialueen pulssilaserilla hyödyntäen pyörivää skanneria, jonka nopeus saa aikaan kohtiomateriaalin ablaation vähäisellä vierekkäisten pulssien limittymisellä välttäen tekniikan tason galvanoskannereihin liittyvät ongelmat. Kuvio 28b näyttää ^ 25 suurennetun kuvan ablatoidun materiaalin yhdestä osasta, esittäen selvästi tasaisen ° ja kontrolloidun materiaalin ablaation niin x- kuin y-akseleilla ja täten i o korkealaatuisen, hiukkasvapaan plasman ja lisäksi korkealaatuisten ohutkalvojen i g sekä pinnoitteiden syntymisen. Kuvio 28c demonstroi yhtä esimerkkiä yhdellä tai x muutamalla pulssilla saavutetun yksittäisen ablaatiopisteen mahdollisista x- ja y- 30 dimensioista. Tässä voidaan selkeästi nähdä, että keksintö saa aikaan materiaalin co ablaation tavalla, jossa ablatoidun pisteen leveys on aina runsaasti ablatoidun pistealueen syvyyttä suurempi. Teoreettisesti mahdolliset hiukkaset (jos niitä o ^ syntyisi) voisivat nyt olla maksimikooltaan pisteensyvyyttä vastaavia. Pyörivä skanneri saa nyt aikaan hyvälaatuisen, hiukkasvapaan plasman tuotannon 35 erinomaisella tuotantonopeudella, samanaikaisesti laajalla skannausnopeudella, ollen erityisen edullinen substraateille, jotka käsittävät suuria päällystettäviä pinta- 28 alueita. Lisäksi kuviot 28a, 28b ja 28c selvästi esittävät, että toisin kuin nykyisissä tekniikoissa, jo ablatoitu kohtiomateriaalin alue voidaan ablatoida uutta, korkealuokkaisen plasman sukupolvea varten - täten radikaalisti pinnoitteen/ohutkalvon kokonaistuotantokustannuksia vähentäen.

5

Esimerkki 5

Kuvio 29 esittelee esimerkin, jossa pinnoitus suoritetaan hyödyntämällä pikosekuntti-USPLD-laseria ja skannaamalla laserpulsseja turbiiniskannerilla. Tässä 10 skannausnopeus on 30 m/s, laserpisteen leveyden ollessa 30 pm. Tässä esimerkissä vierekkäisten pulssien välillä on 1/3 limitys.

Keksinnön mukaisten pinnoitettujen tuotteiden esimerkkejä 15 Seuraavat näytteet kasvatettiin erilaisille muovisubstraateille hyödyntämällä ultralyhyttä pulssilaserkasvatusta (USPLD) pikosekuntiluokan laserilla arvolla 1064 nm (X-lase, 20-80 W). Substraattilämpötilaa vaihdeltiin välillä 50 - 120 °C ja kohtiolämpötilaa huoneenlämpötilasta arvoon 700 °C. Hyödynnetyn pisteen koko vaihteli välillä 20 - 70 pm, ollen useimmissa pinnoiteajoissa 40 pm. Niin oksidia, 20 sintrattua grafiittia, sintrattua grafiittista C3N4HX (Carbodeon Ltd Oy) kuin erilaisia metallikohteitakin käytettiin. Happiatmosfaäriä hyödynnettäessä hapin paine vaihteli alueella 10"4 - 10"1 mbar (10'2 - 10 Pa). Typpiatmosfaäriä hyödynnettäessä typen paine vaihteli alueella 10'4 - 10'1 mbar (10'2 - 10 Pa). Muovinäytteet edullisesti uunikuivattiin ennen pinnoitusmenettelyä. Skannerina hyödynnettiin 25 pyörivää peili skanneria, joka kykeni säätämään säteen nopeutta kohteen pinnalla välillä 1 - 350 m/s. Hyödynnetyt toistonopeudet vaihtelivat välillä 1-30 MHz, ^ selvästi demonstroiden sekä skannerin että korkeiden toistonopeuksien tärkeyttä ° korkealaatuisten pinnoitteiden tuottamisessa teollisella tavalla. Kasvatetut kalvot o kuvattiin konfokaalisen mikroskoopin, FTIR- ja Raman -spektroskopian, AFM:n, g 30 optisen läpäisevyyden mittausten, ESEM:n ja joissakin tapauksissa sähköisten x mittausten (Kuopion yliopisto, Suomi; ORC, Tampere, Suomi ja Corelase Oy,

Tampere, Suomi) avulla. Käytetyt pistekoot vaihtelivat välillä 20 - 80 pm. co Kulumistestit suoritettiin hyödyntämällä pin-on-disk -menetelmää (Kuopion yliopisto, Suomi); testit suoritettiin huoneenlämmössä 22 °C ja 50 % (AD-^ 35 pinnoitteet) tai 25 % (muut) -suhteellisissa kosteuksissa (ilman voitelua) kuormien ollessa välillä 10-125 g käyttämällä karkaistusta teräksestä tehtyä palloa (AISI 420), läpimitaltaan 6 mm, tappina (pin). Esimerkiksi AD-pinnoitteille pyörimisnopeus oli 300 - 600 rpm ja linsseille 1 rpm. Kaikki pinnoitteet omasivat erinomaiset kuluma- 29 ja tarttumisominaisuudet. Kuvannetuilla alueilla ei havaittu kasvatuksen aiheuttamia makrohiukkasia. Joissakin sovelluksissa mikroreikien olemassaolo ei ole kriittinen asia.

5 Esimerkki 6

Polykarbonaattilevy 100 mm x 200 mm pinnoitettiin ablatoimalla sintrattua hiiltä pulssin toistonopeudella 4 MHz, pulssienergialla 2.5 pj, pulssipituudella 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisellä etäisyydellä 8 mm. Paine 10 pinnoitusprosessin aikana oli 1 Pa. Prosessin tuloksena syntyi yhdenmukainen, vaaleanruskea läpinäkyvä pinnoite. Pinnoitteen paksuus oli 150 nm ja keskimääräinen pintakarheus määriteltiin 20 nm:ksi 1 pm2 :n alueelta AFM-mikroskoopilla skannattuna. Miltään mitatulta alueelta ei löydetty mikroreikiä tai havaittavissa olevia hiukkasia.

15

Esimerkki 7

Useita lakkapinnoitettuja muovilinssejä (Finnsusp, Finland) pinnoitettiin ablatoimalla alumiinititaanioksidia (ATO) pulssin toistonopeuden ollessa 4 MHz, 20 pulssienergian 5 pj, pulssin pituuden 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden 25 mm. Paine pinnoitusprosessin aikana oli 1 Pa. Prosessin tuloksena syntyi yhdenmukainen, läpinäkyvä pinnoite. Pinnoitteen paksuus vaihteli välillä 100 - 600 nm ja keskimääräisen pintakarheuden määriteltiin olevan alle 10 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM-mikroskoopin avulla. 25 Miltään mitatulta alueelta ei löydetty mikroreikiä tai havaittavissa olevia hiukkasia.

^ Tässä testattiin kulumisenkestoa käyttämällä pin-on-disk -testausta vaihtelevilla 10- lOOg -kuormilla ja testiajojen kestäessä 250-1000 kierrosta. Pinnoitettujen linssien o vertaaminen kaupallisiin linsseihin tehtiin vertaamalla valmistettua pinnoitetta g 30 (Kuvio 23, oikealla) kahteen kaupalliseen ranskalaiseen linssiin (kaupallinen A ja x B) sekä Finnsusp Ltd:n MaxiAR-pinnoitettuihin linsseihin (kaupallinen C, linssit vasemmalla) Linssit A ja B vaurioituivat testiajoissa helposti jopa alhaisilla co kuormilla ja lyhyissä ajoissa. Linssit C (Finnsusp vertailunäyte) sitä vastoin olivat h? huomattavasti kulumiskestävämpiä ja kestivät korkeita kuormia ilman merkittävää o ^ 35 pintavahinkoa, vaikkakin ulommaiset pintakerrokset hieman kuluivat.

Läpinäkyvyys ei muuttunut, ellei pinnoite vaurioittunut täysin.

30 ATO-pinnoitettujen linssien kulumiskestävyys oli parhain, kulumiskestävyyden vertailun näytteiden välillä ollessa esitettynä maksimikuorman ilman vaurioita per 1000 kierrosta -avulla taulukossa 1 alla: 5 __

Maksimikuorma ilman vikaantumista @1000

Testilinssit kierrosta_ kaup. A <15 g_ kaup. B <15 g_ kaup. C 25-50-75 g_

Picodeon

Ltd_>100 g_

Taulukko 1

Esimerkki 8 10

Useita polykarbonaattilevyjä 300 mm x 200 mm; yksi pinnoitettiin ablatoimalla yttriumilla stabiloitua zirkoniumoksidia toistonopeuden ollessa 2 Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 45 mm. Paine pinnoitusprosessin 15 aikana oli 1 Pa. Prosessin tuloksena syntyi yhdenmukainen, läpinäkyvä pinnoite. Pinnoitteen paksuudeksi mitattiin 100 nm - jopa 1 pm sekä keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla alueella ei havaittu mikroreikiä. Oksidilla g päällystetty lopputuote omasi huomattavasti paremmat kulumisenkesto- ja ^ 20 naarmuuntumattomuusominaisuudet kuin verratut kaupalliset polykarbonaattilevyt.

\l 9 Kulumajäljen pintaprofiilit kaupalliselle PK-levylle kulumistestauksen jälkeen o esitetään kuviossa 26 (kaupallinen tuote) ja kuviossa 27, kulumajälkien optisten | mikrografien ollessa esitettyjä kuvioissa 24 ja 25, vastaavasti. Kuviot selvästi ^ demonstroivat eroja yttriumilla stabiloidun zirkoniumoksidi-pinnoitetun pk-levyn ^ 25 hyväksi. Pyydämme huomioimaan myös erilaiset vertikaaliasteikot kuvioissa 26 ja o 27. Pinnoite oli hyvin kiinnittyvää, o

C\J

Esimerkki 9 31

Polykarbonaattilevy 300 mm x 200 mm pinnoitettiin ablatoimalla titaanioksidia happiatmosfaärissä pulssin toistonopeuden ollessa 2 Mhz, pulssienergian ollessa 4 pj, pulssin pituuden ollessa 10 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 45 mm. Paine pinnoitusprosessin aikana oli 1 kPa. 5 Prosessin tuloksena syntyi läpinäkyvä pinnoite, jonka paksuus oli 20 nm. Pinnoitteen keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan 2 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla titaanioksidipinnoitteen alueella ei havaittu mikroreikiä. Pinnoitettu tuote altistettiin orgaaniselle lialle, minkä jälkeen se altistettiin valolle ja tietylle kosteudelle. 10 Pinnoiteella oli itsepuhdistumisominaisuuksia.

Esimerkki 10

Polykarbonaattilevy 300 mm x 250 mm pinnoitettiin ablatoimalla titaania pulssin 15 toistonopeuden ollessal2 Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 60 mm. Paine pinnoitusprosessin aikana oli 10 Pa. Prosessin tuloksena syntyi metallinen titaanipinnoite, jonka paksuus oli 50 nm. Pinnoitteen keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan 0,14 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -20 mikroskoopin avulla. Millään mitatulla titaanipinnoitteen alueella ei havaittu mikroreikiä.

Esimerkki 11 25 Polykarbonaattilevy 300 mm x 250 mm pinnoitettiin ablatoimalla puna-akaattia (pink agate) (hienonnettu ja sintrattu) pulssin toistonopeuden ollessa 15 Mhz sekä ^ kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 3 cm. Paine oj pinnoitusprosessin aikana oli 1 Pa. Prosessin tuloksena syntyi puna-akaatin värisiä, o opaakkeja pinnoitteita, joiden paksuus oli 100 nm. Keskimääräisen pintakarheuden g 30 määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin x avulla. Millään mitatulla akaattipinnoitteen alueella ei havaittu mikroreikiä.

□_

CD

co Esimerkki 12

LO

1^ o £3 35 Polykarbonaattilevy 300 mm x 250 mm pinnoitettiin ablatoimalla kylmäpuristettua chitosania pulssin toistonopeuden ollessa 2,5 Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin pituuden ollessa 19 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 25 mm. Paine pinnoitusprosessin aikana oli 10'2 Pa.

32

Prosessin tuloksena syntyi osittain opaakki pinnoite, jonka paksuus oli 280 nm. Pinnoitteen keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan 10 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla chitosan-polymeeripinnoitteen alueella ei havaittu mikroreikiä.

5

Esimerkki 13

Polykarbonaattilevy 10 mm x 25 mm pinnoitettiin ablatoimalla kuumapuristettua C3N4HX :ta pulssin toistonopeuden ollessal Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin 10 pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 65 mm. Typpipaine vaihteli alueella 10"4 - 10'1 mbar (10"2 - 10 Pa). Pinnoitteen paksuudeksi mitattiin 100 nm. Pinnoitteen keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla hiilinitridipinnoitteen alueella ei havaittu 15 mikroreikiä.

Esimerkki 14

Polykarbonaattilevy 100 mm x 250 mm pinnoitettiin ablatoimalla ITO:a 20 oksidimuodossa (90 paino-% ImCh; 10 paino-% SnCh) pulssin toistonopeuden ollessa 22 Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 12 cm. Happipaine vaihteli alueella 10-4 - 10'1 mbar (10'2 - 10 Pa). Prosessin tuloksena syntyi yhdenmukainen, läpinäkyvä pinnoite. Pinnoitteen paksuudeksi mitattiin 220 25 nm ja keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla ITO-pinnoitteen ^ alueella ei havaittu mikroreikiä. Näytteen sähköiseksi resistiivisyydeksi mitattiin 2,2 ° x 10'3 Ωαη.

cp g 30 Esimerkki 15

CC

^ Akryylimuovilevy 100 mm x 100 mm pinnoitettiin ablatoimalla ITO:a co metallikohteesta (90 paino-% In; 10 paino-% Sn) pulssin toistonopeuden ollessal6 rC Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä o ^ 35 kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 6 cm.

Happipaine vaihteli alueella 10'4 - 101 mbar (10'2 - 10 Pa). Prosessin tuloksena oli yhdenmukainen, transparentti pinnoite. Pinnoitteen paksuus oli 40 nm ja keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan alle 2 nm 1 pm2 :n alueelta 33 skamiattuna AFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla ITO-pinnoitteen alueella ei havaittu mikroreikiä.

Esimerkki 16 5

Akryylimuovilevy 100 mm x 100 mm pinnoitettiin ablatoimalla alumiinioksidia pulssin toistonopeuden ollessa4 Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 2 cm, paineen ollessa 101 Pa pinnoitusprosessin aikana. Prosessin tuloksena 10 oli yhdenmukainen, transparentti pinnoite. Pinnoitteen paksuus oli 800 nm ja keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla alumiinioksidipinnoitteen alueella ei havaittu mikroreikiä.

15 Esimerkki 17

Esimerkin 15 ITO-pinnoitettu näyte pinnoitettiin ablatoimalla alumiinioksidia aikaisemman esimerkin 16 olosuhteita vastaavissa olosuhteissa. Prosessin tuloksena oli yhdenmukainen, transparentti pinnoite. Alumiinioksidipinnoitteen paksuus oli 20 taas 800 nm ja keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla alumiinioksidipinnoitteen alueella ei havaittu mikroreikiä.

Esimerkki 18 25

Polykarbonaattilevy 300 mm x 300 mm -pinta-alalla pinnoitettiin alumiinioksidilla ^ (AI2O3) ablatoimalla metallista alumiinia kalvona syötettynä c3 aktiivihappiatmosfäärissä hapen paineen vaihdellessa välillä 10'4 - 10'1 mbar (10'2 - S 10 Pa), pulssin toistonopeuden ollessa 12 Mhz, pulssienergian ollessa 4,5 pj, g 30 pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan x välisen etäisyyden ollessa säädetty 25 mm:iin. Paine oli 1 Pa ennen todellista pinnoitusprosessia. Prosessin tuloksena oli yhdenmukainen alumiinioksidipinnoite. co Alumiinioksidipinnoitteen pinnoitepaksuus oli 500 nm ja keskimääräisen rC pintakarheuden määritettiin olevan alle 4 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM - ^ 35 mikroskoopin avulla. Millään mitatulla alueella ei havaittu mikroreikiä.

Esimerkki 19 34

Mylar- ja polyetyleenilevyt 100 mm x 250 mm pinnoitettiin ablatoimalla ITO:a oksidimuodossa (90 paino-% ImCb; 10 paino-% Sn02) pulssin toistonopeuden ollessa 15 Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisen etäisyyden ollessa 50 mm. 5 Happipaine vaihteli alueella 10"4 - 10'1 mbar (10'2 - 10 Pa). Prosessin tuloksena oli yhdenmukainen, läpinäkyvä pinnoite. Pinnoitteiden paksuuksiksi mitattiin 150 nm ja 180 nm ja keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla molemmista näytteistä. Millään mitatuilla ITO-pinnoitteiden alueilla ei havaittu mikroreikiä. Molempien näytteiden 10 sähköiseksi resistiivisyydeksi mitattiin 2,4 x 10'3 Ωαη.

Esimerkki 20

Polyvinyylikloridi-, polyimidi-, polystyreeni- ja akryylilevyt käsittäen 50 mm x 450 15 mm pintoja pinnoitettiin ablatoimalla yttriumalumiinioksidia (ATO) pulssin toistonopeuden ollessa 4 Mhz, pulssienergian ollessa 5 pj, pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välistä etäisyyttä pidettäessä arvossa 5 cm. Paine pinnoiteprosessin aikana oli 1 kPa. Prosessin tuloksena oli yhdenmukainen, läpinäkyvä pinnoite. Pinnoitteiden paksuuksiksi mitattiin 440 nm, 20 440 nm, 450 nm ja 460 nm, vastaavasti, ja keskimääräisen pintakarheuden määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm2 :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla molemmista näytteistä. Millään mitatuilla ATO-pinnoitteiden alueilla ei havaittu mikroreikiä.

δ

CvJ

cp o

X

X

Q.

CO

CO

δ o o

CvJ

Claims (32)

1. Menetelmä muovituotteen tietyn pinnan pinnoittamiseksi laserkasvatuksen avulla, tunnettu siitä, että pinnoitettava yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 0,2 dm2 ja pinnoittaminen suoritetaan kohdistamalla kohtioon laserpulsseja, jotka 5 ovat riittävän lyhyitä kylmäablaation aiheuttamiseksi kohtiossa, missä pulssitaajuus on vähintään 1 MHz ja missä pulssilasersäde skannataan pyörivän optisen skannerin avulla, joka skanneri sisältää ainakin yhden peilin mainitun lasersäteen heijastamiseksi.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu 10 yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 0,5 dm2.

3. Vaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 1,0 dm2.

4. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu laserkasvatus suoritetaan 10"8 Pa - 10 kPa paineessa.

5. Vaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu laserkasvatus suoritetaan 10 Pa - 10 kPa paineessa.

6. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohtiomateriaalin ja mainitun yhdenmukaisen, pinnoitettavan pinta-alan välinen etäisyys on alle 25 cm, edullisesti alle 15 cm ja edullisimmin alle 10 cm.

7. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun kohtiomateriaalin ablatoitua pintaa voidaan toistamiseen ablatoida ^ virheettömän pinnoitteen tuottamiseksi. δ

, 8. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotetun pinnoitteen nI 9 keskimääräinen pintakarheus mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla on vähemmän o 25 kuin 100 nm 1 pm2 :n alueelta AFM-mikroskoopin (Atomic Force Microscope) ir avulla skannattuna. CL

9. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotetun pinnoitteen optinen läpäisevyys mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla on vähintään 88%, o ^ edullisesti vähintään 90% ja edullisimmin vähintään 92%.

10. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu pinnoite mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla käsittää vähemmän kuin yhden mikroreiän per 1 mm2, edullisesti vähemmän kuin yhden mikroreiän per 1 cm2 ja edullisimmin ei mikroreikiä mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla.

11. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu yhdenmukainen pinta-ala pinnoitetaan tavalla, jossa ensimmäiset 50% pinnoitteesta 5 mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei sisällä mitään hiukkasia, joiden läpimitta ylittää 1000 nm, edullisesti 100 nm ja edullisimmin 30 nm

12. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta-ala pinnoitetaan metallilla, metallioksidilla, metallinitridillä, metallikarbidilla tai näiden sekoituksella.

13. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta-ala pinnoitetaan hiilimateriaalilla, joka käsittää yli 90 atomiprosenttia hiiltä, josta yli 70% sp3-sidoksella.

14. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta-ala pinnoitetaan materiaalilla, joka sisältää hiiltä, 15 typpeä ja/tai booria eri suhteissa.

15. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta-ala pinnoitetaan orgaanisella polymeerimateriaalilla.

16. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu yhdenmukainen pinta-ala pinnoitetaan epäorgaanisella materiaalilla.

17. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta pinnoitetaan monikerroksisella ^ pinnoitteella, δ

, 18. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 9 mainitun pinnoitteen paksuus muovituotteen yhdenmukaisella pinnalla on välillä 20 0 25 nm ja 20 pm, edullisesti välillä 100 nm ja 5 pm. CC

19. Muovituote, joka käsittää tietyn, laserkasvatuksen avulla pinnoitetun, pinnan, co tunnettu siitä, että pinnoitettu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 0,2 dm2 ja rC siitä, että pinnoittaminen on suoritettu patenttivaatimuksessa 1 esitetyn menetelmän O ^ mukaisesti.

20. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 0,5 dm2.

21. Vaatimuksen 19-20 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 1,0 dm2.

22. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että tuotetun pinnoitteen keskimääräinen pintakarheus mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla on 5 vähemmän kuin 100 nm 1 pm2 :n alueelta AFM-mikroskoopin (Atomic Force Microscope) avulla skannattuna.

23. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että tuotetun pinnoitteen optinen läpäisevyys mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla on vähintään 88%, edullisesti vähintään 90% ja edullisimmin vähintään 92%.

24. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että mainittu pinnoite mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla käsittää vähemmän kuin yhden mikroreiän per 1 mm2, edullisesti vähemmän kuin yhden mikroreiän per 1 cm2 ja edullisimmin ei mikroreikiä mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla.

25. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että mainittu 15 yhdenmukainen pinta-ala on pinnoitettu tavalla, jossa ensimmäiset 50% pinnoitteesta mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei sisällä mitään hiukkasia, joiden läpimitta ylittää 1000 nm, edullisesti 100 nm ja edullisimmin 30 nm.

26. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta-ala on pinnoitettu metallilla, metallioksidilla, 20 metallinitridillä, metallikarbidilla tai näiden sekoituksella.

27. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta-ala on pinnoitettu hiilimateriaalilla, joka käsittää yli ^ 90 atomiprosenttia hiiltä, josta yli 70% sp3-sidoksella. δ CM

28. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että muovituotteen o ^ 25 mainittu yhdenmukainen pinta-ala on pinnoitettu materiaalilla, joka sisältää hiiltä, typpeä ja/tai booria eri suhteissa. CC CL <0

29. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että muovituotteen S? mainittu yhdenmukainen pinta-ala on pinnoitettu orgaanisella o polymeerimateriaalilla. O C\J

30. Vaatimuksen 19 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että mainittu yhdenmukainen pinta-ala on pinnoitettu epäorgaanisella materiaalilla.

31. Jonkin edellisen vaatimuksen 19-30 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että muovituotteen mainittu yhdenmukainen pinta on pinnoitettu monikerroksisella pinnoitteella.

32. Jonkin edellisen vaatimuksen 19-31 mukainen muovituote, tunnettu siitä, että 5 mainitun pinnoitteen paksuus muovituotteen yhdenmukaisella pinnalla on välillä 20 nm - 20 pm, edullisesti välillä 100 nm - 5 pm. δ CvJ cp o X IX Q. CO CO δ N- o o C\J Krav