JP2003534223A - 支持体のdlc含有親水性被覆 - Google Patents
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Abstract
Description
するダイヤモンドライク(DLC)含有親水性被覆、およびその製造方法に関す
る。
のような支持体上に親水性被覆(例えば、防曇被覆)を付与することは大抵好ま
しい。このような被覆は、球状をとり、支持体上に堆積する水滴の状態を減少さ
せ、視界を改善する機能を付与する。換言すれば、親水性被覆は、支持体表面上
(例えば、自動車のフロントガラスまたは窓の内側の表面上)のビーズ様の凝縮
を減少させるように作用する。親水性被覆は、表面で光を散乱させることができ
る(すなわち、小滴様に対して表面フィルム様で凝結をつくる)、多くの液体の
小滴の形成を減少させることができる。
/または硬度がなく、したがって、自動車のフロントガラスおよび/または窓の
ような用途には実用上の観点から、有効でない。さらに、従来の親水性被覆は、
大抵、破壊または損傷することなしに、高温に耐えることができない。高温に耐
える能力は、被覆物を堆積した後で、被覆ガラス製品を高温でアニールおよび/
または曲げを行うことが要求される、自動車のフロントガラスのような用途では
、有用である。
またはプラスチック支持体)およびその製造方法、(ii)実質的に損傷(例えば
、焼成後/焼成中)または破壊されることなしに、高温(例えば、600℃まで
、および/またはある種の実施態様において、700℃までさえ)に耐え得る親
水性被覆、および/または(iii)引っ掻き、損傷などにいくらか耐える窓およ
び/または鏡支持体用の保護用親水性被覆を当該分野で必要とすることは明らか
である。
または全て、および/または下記の開示を一度みた当業技術者にとって明らかに
なるであろうその他の要求を満たすことである。
い、耐久力のある被覆製品を提供することである。親水性被覆が適用できる例示
的な応用は、限定されない例として、自動車のフロントガラス、自動車の後部窓
(すなわち、後部車両窓)、自動車の横窓、建築上窓、鏡などを含む。
例えば、約600℃まで、およびより好ましくは約700℃まで)に耐え得る親
水性被覆を提供することである。
であり、かつある種の実施態様において、基礎を成す支持体上での化学的な攻撃
に対する遮断層のようにさえ作用する親水性被覆を提供することである。
性被覆を提供することである。
のような少なくとも1つの極性誘導ドーパントを有するドープされたダイヤモン
ドライクカーボン(DLC)による親水性被覆を形成または提供することである
。ある種の実施態様において、極性誘導ドーパント(例えば、Bおよび/または
Nドーパント、しかし、Hは極性誘導ドーパントではないので、加えても加えな
くてもよいHドーパントは含まない)の原子パーセントは、約10%より多くな
い、より好ましくは約5%より多くない、かつ最も好ましくは約4%より多くな
い。極性誘導ドーパントは、より四面体(すなわち、よりsp3結合)に対して
、DLCをより黒鉛にさせる(例えば、よりsp2結合にさせる)ドーパントで
ある。極性誘導ドーパントは、次々に表面エネルギーを増大させ、DLC含有層
をより極性にさせ、したがってより親水性被覆を提供する傾向にある。
を含み、かつ少なくとも約700mN/m、より好ましくは少なくとも約750
mN/m、および最も好ましくは少なくとも約800mN/mで水に対する湿潤
性Wを有する被覆製品を提供することである。これは、単位面積当たりのジュー
ル(mJ/m2)で説明または測定することもできる。
を含み、かつかつ少なくとも約24mN/m、より好ましくは少なくとも約26
mN/m、および最も好ましくは少なくとも約28mN/mの表面エネルギーγC を有する被覆製品を提供することである。
、より好ましくは約8°より大きくない、なおさらに好ましくは約6°より大き
くない、および最も好ましくは約4°より大きくない初期の(すなわち、環境試
験、摩擦色落ち試験、酸試験、UV試験などに曝す前の)水の接触角θを有する
被覆製品を提供することである。製品の初期接触角θは、ある種の実施態様にお
いて、1〜3°のように低い。ある種の実施態様において、製品の接触角は、長
期にわたると、(黒鉛化sp2C−C結合が減少するように)自然環境への暴露
で増加し、一方、他の実施態様において、製品の接触角は、長期にわたると、こ
のような暴露で減少する。
とである。その層の少なくとも一部において、その層の一部における結合の約7
0%以下はsp3型であり、かつより好ましくは結合の約60%以下はsp3型で
ある。結合の残りのかなりの部分は、黒鉛またはsp2型である。その層におけ
る結合は、例えば、炭素―炭素(C−C)結合、炭素―窒素(C−N)結合、炭
素―ホウ素(C−B)結合および/または炭素―水素(C−H)結合を含む。s
p3型結合(例えば、C−C結合)は、被覆物の硬度および耐引掻性を増加させ
るように作用し、一方、sp2型結合(例えば、C−C、C−Nおよび/または
C−B結合)は、被覆をより親水性にし、かつ低い接触角を有するようにさせる
。
縮形(condensation form)を形成させることができる、被覆を提供することで
ある。
たは層の表面近傍にアミン官能基(NH2)を形成することである。
てを満たすことである。
持体上にsp3炭素−炭素結合含有親水性層を堆積する 工程からなる被覆製品の製造方法を提供することにより、上記の要求または目的
のいずれかまたは全てを満たす。
クカーボン(DLC)含有親水性層;からなり、かつ 前記親水性層が、その層に約10°より大きくない水滴との初期接触角θをも
たせるために、その中に少なくとも1つのドーパントを含む被覆ガラス製品 を提供することにより、上記の要求および/または目的のいずれかまたは全てを
満たす。
水性被覆または層;からなり、かつ 前記親水性被覆または層が、少なくとも約10GPaの平均硬度を有し、かつ
約10°より大きくない水滴との初期接触角θを有する被覆製品 を提供することにより、上記の要求および/または目的のいずれかまたは全てを
満たす。
、前記層が少なくとも約26mN/mの表面エネルギーγCを有する被覆製品 を提供することにより、上記の要求および/または目的のいずれかまたは全てを
満たす。
、前記層が約10°より大きくない水滴との接触角θを有する被覆製品 を提供することにより、上記の要求および/または目的のいずれかまたは全てを
満たす。
する。
照する。
性を有するように、支持体上にダイヤモンドライクカーボン(DLC)含有層ま
たは被覆を提供することにより、被覆製品(例えば、自動車のフロントガラス、
自動車の後部窓、自動車の横窓、スノーモービルのフロントガラス、建築上窓、
鏡など)の親水性の品質を向上することに関する。少なくとも1つの極性誘導ド
ーパント(例えば、窒素(N)、ホウ素(B)および/または他の好適な極性誘
導ドーパント)をDLCにドープすることにより、DLC含有層がより高い表面
エネルギーを有するために、より極性にされ、したがってより親水性になること
が見出された。
ーの極性成分を増加させ、順々に層の合計表面エネルギーを増加させる。より高
い表面エネルギー、より親水性の層およびより低い接触角θ。したがって、ドー
パントによる表面エネルギーの増加によって、親水性を改善することができ、か
つしたがって接触角θを低下させることができる。 親水性と、基礎を成す支持体上に設けられたアモルファスダイヤモンドライク
カーボン(DLC)層/被覆の使用との組み合わせは、低い接触角θを有するの
みならず、表面硬度および耐引掻特性に十分な被覆製品を得ることを可能にし、
その製品は、自動車および耐久性を要求されるその他の高い暴露環境において使
用される。
)含有保護被覆または層3が設けられた、本発明の実施態様の被覆製品の側面断
面図である。被覆製品は、外側または外部表面9を有する。支持体1は、ガラス
、プラスチック、セラミックなどである。層または被覆3は、その中に、DLC
含有層中の結合をより極性にし、順々により高い表面エネルギーおよびより低い
接触角θにする、少なくとも1つの極性誘導ドーパントを含む。ドーパントは、
層3において形成された、さらに黒鉛化したまたは極性にしたsp2型(例えば
、C−Csp2型結合、C−Nsp2型結合および/またはC−Bsp2型結合)
にさせ、その層がsp2型および/またはsp3型(例えば、C−Csp3型)結
合の両方を含む。層3中のさらなる結合が極性になるとき、水が極性になるので
、これは水中でさらに層3を攻撃する結果となる。四面体アモルファスsp3型
C−C結合(ta−C)は、層3に条件を満たす硬度および/または耐引掻特性
を付与し、一方、sp2型C−CおよびC−ドーパント結合は、層の親水性を改
善する。好ましくは層3における炭素のかなりの部分は、(例えば、結晶形態に
対する)アモルファスまたは不規則な形態である。
一にまたは一様に分布するように示されるドーパントを説明する。上記から明ら
かなように、例示的な極性誘導ドーパントは、限定されないが、窒素(N)、ホ
ウ素(B)、リン(P)、As、S、Sb、Ga、Inなどを含む。NおよびB
のようなドーパントは、ある種の実施態様において、DLC含有層3にドープし
、層の親水性を改善するために、単独よりはむしろ組み合わせて用いられる。層
3は、親水性様に作用し(すなわち、それは、低い接触角θおよび/または高い
表面エネルギーによって特徴付けられる)、被覆製品上で形成されるビーズ様の
凝縮の発生を減少させる。親水特性は、浴室の鏡表面、自動車のフロントガラス
または窓の内側の表面などの環境において有利である。
ーム厚さ、より好ましくは約50〜200オングストローム厚さである。1つの
例示的な実施態様では、層3は、約100オングストローム厚さである。さらに
、本発明のある種の実施態様において、層3は、少なくとも約10GPa、より
好ましくは少なくとも約20GPa、さらにより好ましくは少なくとも約50G
Pa、および最も好ましくは約50〜600GPaの平均硬度を有する。ある種
の実施態様において、層3は、約75GPaの平均硬度を有する。層3は、好ま
しくは良好な耐摩擦性、約0.05〜0.20(例えば、0.15)の摩擦係数
および約0.3nmよりも大きくない平均表面粗さを有する。層3中にsp2型
およびsp3型結合の両方が存在するために、その層は、好ましくは少なくとも
約2.4g/cm2(より好ましくは約2.5〜3.0g/cm2)の密度を有す
る。層3は、かなりの湿度および/または加熱という状況でさえ、好ましくは耐
蝕性である。また、本発明のある種の実施態様において、層3は、酸、アルカリ
、溶媒、塩および/または水に不活性である。したがって、層3は、基礎を成す
支持体1(例えば、ソーダ石灰ガラス支持体)上での化学的攻撃に対するバリヤ
ーとして作用する。
れをより極性にするためにドープされているので、ドーピングなしの他のものよ
り非常に低い、固着性の水滴との接触角θを有する。本発明のある種の実施態様
において、層3は、約10°より大きくない、より好ましくは約8°より大きく
ない、さらにより好ましくは約6°より大きくない、および最も好ましくは約4
°より大きくない、固着性の水滴との初期接触角θを有する。ある種の実施態様
において、接触角は、1〜3°のように低い。
たは曲げ(例えば、自動車のフロントガラス)を行う価値がある。その独特の特
性をここに記載するので、層3は、破壊または損傷することなしに、高温に耐え
ることができる。例えば、層3は、ある種の実施態様において、600℃の温度
(およびある種の好ましい実施態様において、700℃)に燃焼なしに耐え得る
。したがって、例えば、親水性層3で被覆ガラス支持体1を含むフロントガラス
は、被覆工程が完了した後、加熱し、かつ所望の形状に加工することができる。
(1またはそれ以上のドーパント)の量は、約1〜30%、原子パーセント、よ
り好ましくは約1〜10%、さらにより好ましくは約1〜5%、および最も好ま
しくは約1〜4%である。ある種の実施態様において、層3中の極性誘導ドーパ
ントは、層3中の原子の約3〜4%(原子)存在する。ある種の実施態様におい
て、その残りは、Cおよび/またはHである。ある種の事例において、層3のダ
イヤモンド様特性を余剰に減少させることにより、ドーパントのパーセントが増
加し、ある種の状況(例えば、より黒鉛化被覆が黒くなり、透過/透明でなくな
る)において、実用的な応用のための余剰の黒鉛を層につくることが見出された
。DLC含有層3は、Bおよび/またはNのような極性誘導ドーパントを少量の
みドープされているので、層3中の結合のダイヤモンド様の性質の多くが保たれ
る。 ドーパント(例えば、Hは極性誘導ドーパントではない)の他の型は、ある種
の実施態様において、層3中に与えられるかまたは与えられない。
は、図1〜3の実施態様の何れかに含まれる何れかの実施態様に応用し得る。
あることが見出された。しかしながら、ドーパントの混合物(例えば、NとB)
をDLC含有層3にドープするのに用いるとき、追加された驚くべき親水性が得
られることも見出された。ある種の実施態様において、Bに対するNの比は、約
2:1(N:B)である。
、層/フィルム中のドーパント(例えば、Nおよび/またはB)の濃度またはパ
ーセントを変えることによって、整調/調整することができる。光学バンドギャ
ップは、ある種の実施態様において、1.75と3.2eVとの間で変化する。
ある種の実施態様(誘電率4.7GHz)において、550nmでの「n」屈折
率は、例えば、1.6と2.3との間で変化し、一方、550nmでの「k」屈
折率は、例えば、0.01と0.1との間で変化する。ある種の実施態様におい
て、高いバンドギャップ(例えば、3eV以上)および/または約106cm-1
よりも大きな吸収係数は、このような層/フィルム3が紫外線(UV)吸収であ
ることを意味する。強い結合エネルギーも、強いUV耐放射線性を意味する。あ
る種の実施態様において、350nmでの層3のUV透過率は、約40%より大
きくない(好ましくは35%より大きくない)。
にわたってほとんど均一に分布している。例えば、イオン堆積装置における層3
用の堆積工程の全体の方向にわたって、ドーパント含有ガスを供給する。
均一に分布していない。それどころか、図2において示すように、ドーパントの
かなりの部分は、層3と支持体1との間の界面近傍より、層3の外側の表面近傍
に設けられている。層3の外側の表面近傍におけるドーパントの存在は、層の表
面近傍の結合をより黒鉛化することを可能にする。 したがって、層3は、依然としてここに記載した親水特性(例えば、低い接触
角)を有する。例えば、ある種の実施態様において、層3の最も外側の10オン
グストローム(A)厚さ部分(または、他の実施態様における10nm厚さ部分
)は、少なくとも約3%ドーパント原子(例えば、N、B、P、As、Sb、G
aおよび/またはIn)、より好ましくは少なくとも約5%および最も好ましく
は少なくとも約7%を含む。被覆の表面近傍のこれらの極性誘導ドーパント原子
の供給は、より極性の被覆表面という結果になる。層3の残り(すなわち、層3
の中央および/または支持体に隣接する層3の部分またはいくつかの中間層)は
、ある種の実施態様において、ドープされていないDLCを含むか、またあるい
は、Si、OまたはHをドープしたDLCを含む。これは、黒鉛化sp2型結合
の多くを層3の外側の表面近傍に配置することを可能にする。多すぎる層3にお
けるsp2型結合は、望ましくなくその透明または透過特性を減少させ、したが
って、いくつかの実施態様において、層3の接触角θを低下させることを要求す
る、外側の表面近傍よりも他の位置におけるsp2型結合の存在を最小にするの
が好ましい。
10番目に記載の例示的な構成を参照)において、Nの供給が層3の表面近傍で
アミン(NH2)官能基を形成させることを見出した。このようなアミン基にお
いて、例えば、N結合の1つがC(sp2)を有し、一方、他の2つのN結合が
Hを有する。これらのアミン基は、層3の、したがって被覆製品の親水性を高め
る。例示的なアミン含有の実施態様において、その層は、約60〜84%のC、
約1〜12%のBおよび約4〜39%のH(原子);かつより好ましくは約65
〜75%のC、約5〜10%のBおよび約15〜30%のHを含む。
持体1と1つ以上の親水性層3との間に設けられることを説明する。したがって
、この実施態様において、層3と層2の両方は堆積され、かつ支持体1上に設け
られる。何れかの好ましい層は、中間層2として活用される。例えば、中間層2
は、本発明のある種の実施態様において、低E―積層体系、もう1つのDLC含
有層、酸化珪素層、窒化珪素層および/または酸化チタン層を含む。ここで、用
語「上に(on)」(支持体または他の層「上に」にある層に関して)は、その他の
層がそれらの間に設けられているかどうかに関係なく、支持されることを意味す
る。したがって、例えば、DLC含有層3は、図1〜2に示されるように、支持
体1上に直接設けられるか、または図3に示されるように、それらの間に低−E
またはその他の層と共に支持体1上に設けられる。層3と支持体との間の支持体
1上に低−Eまたはその他の被覆2として用いられる、例示的な層体系(これら
の被覆の全てまたは何れかの部分において)は、米国特許第5,837,108号、第5,8
00,933号、第5,770,321号、第5,557,462号、第5,514,476号、第5,425,861号、第
5,344,718号、第5,376,455号、第5,298,048号、第5,242,560号、第5,229,194号
、第5,188,887号および第4,960,645号の何れかに示され、および/または記載さ
れており、参照としてすべてをここに入れる。
層における結合の約70%以下はsp3型であり、かつより好ましくはその層に
おける結合の約60%以下はsp3型であり、したがってその層のこの部分は、
親水特性を得る。ある種の好ましい実施態様において、層3における結合の約5
0%以下はsp3型(例えば、sp3型C−C結合)であり、または他の実施態様
において、これは層3の外側または外部表面近傍のみの場合である。結合の残り
のかなりの部分は、黒鉛またはsp2型である。その層における結合は、例えば
、炭素―炭素(C−C)結合、炭素―窒素(C−N)結合、炭素―ホウ素(C−
B)結合、および/または炭素―水素(C−H)結合を含む。sp3型結合(例
えば、C−C結合)は、被覆の硬度および耐引掻性を増加させるように作用し、
一方、sp2型結合(例えば、C−C、C−Nおよび/またはC−B結合)は、
被覆をより親水性にし、かつ低い接触角を有するようにさせる。異なる技術が、
黒鉛化sp2型結合の量を増加のために用いられること、しかし、a)ここで議
論するようなドーピング、b)層3堆積工程の間の基礎を成す支持体の加熱、お
よび/またはc)層3堆積工程の間のより高いイオンエネルギーeVエネルギー
の活用(例えば、約200〜600eV、最も好ましくは375〜425eV)
に限定されないこと、を見出した。また、アミン官能基は、製品の親水性を増加
させるように作用することも上記で議論した。層3のイオン堆積工程の間に用い
られるより高いeVエネルギーは、少ないsp3型結合および多いsp2型結合を
生じる。技術b)および/またはc)は、親水特性を得るために、ここでのドー
プと組み合わせて用いられる。
系は、少なくとも約75%、好ましくは少なくとも約85%、および最も好まし
くは少なくとも約95%で可視光線に対して透明または透過である。
は約2.3〜4.8mm厚さ、および最も好ましくは約3.7〜4.8mm厚さ
である。ある種の実施態様において、支持体1として従来のソーダ石灰ガラスが
用いられ、このようなガラスは、ミシガン、アーバンヒルズ(Auburn Hills)、
ガーディアンインダストリー社(Guardian Industries Corp.)から商業的に入
手可能である。本発明のある種の他の実施態様において、支持体1は、硼珪酸ガ
ラス、または実質的に透明なプラスチックである。またさらなる実施態様におい
て、プラスチック支持体を積層した上記のガラス支持体の何れかを含む自動車の
窓(例えば、フロントガラス、後部窓、または横窓)は、支持体1を構成するた
めに、窓を形成するこのような支持体の表面に設けられる図1〜3の何れかの被
覆体系と組み合わせられる。他の実施態様において、支持体1は、窓(例えば、
自動車のフロントガラス、住居の窓、商業用の建築上窓、自動車の横窓、真空の
IG窓、自動車の後部窓または後ろの窓など)および/またはその他の自然環境
で用いられるためのもう1つの積層された上記のガラス材料の何れかの第1およ
び第2のガラスシートを含む。
ともDLC含有層3で被覆されているとき、ある種の実施態様において、得られ
る被覆製品は、次の特性を有する:約60%より大きくない(好ましくは約70
%より大きくない、および最も好ましくは約80%より大きくない)可視透過率
(III.A)、約38%より小さいUV(紫外線)透過率、約45%より小さい総
計の太陽透過率、および約35%より小さい(好ましくは約25%より小さい、
および最も好ましくは約21%より小さい)IR(赤外線)透過率。一覧式の「
総計の太陽」、UVおよびIR透過率の測定技術は、米国特許第5,800,933号に
示されている。
面エネルギーγCおよび/または湿潤性または付着性エネルギーWの作用である
。層3の表面エネルギーγは、その接触角θを測定することにより算出される。
被覆または層体系3は、図6の支持体上にある。一方、何れかの種類の非被覆は
、図4の支持体上にあり、かつ親水性被覆は、図5の支持体上にある。非被覆は
、単純な存在理由のために、図5〜6で説明される。1つの実施態様において接
触角を測定するため、水のような固着性液滴31は、図4〜6において示される
ように、支持体上に位置する。滴31と基礎を成す製品との間の接触角が現れ、
接触の位置における3相の間の界面張力が前提となる接触角θが定義される。図
5における支持体上の被覆層は、親水性である(すなわち、結果としてより高い
接触角となる)ので、接触角は、図4よりも図5においてより大きい。しかしな
がら、本発明によって、図6の接触角は、図4〜5の何れにおけるよりも非常に
低い。
たは分散成分の添加により、次のように測定される:γC=γCP+γCD、ここで
、γCPは層のまたは被覆の極性成分であり、かつγCDは層のまたは被覆の分散成
分である。表面エネルギーの極性成分は、主として双極分子に基づく表面の相互
作用を表し、一方、分散成分は、例えば、電気的な相互作用に基づくファンデル
ワールス力を表す。一般的に言えば、層3の表面エネルギーγCがより高く、層
(および被覆製品)がより親水性で、かつ接触角がより小さい。
の間、被覆製品の外側の表面9とその上の水のような液体との間の相互作用とし
て理解することができる。γPは、液体張力および製品張力の極性状態の製品で
あり;一方、液体張力および製品張力の分散力の製品である。言い換えれば、γP =γLP×γCP;およびγD=γLD×γCD;ここで、γLPは液体(例えば、水)に
よる極性状態であり、γLDは液体(例えば、水)による分散状態であり、かつγCD は被覆/層3による分散状態である。幅のあるフォークス(Fowkes)式を用い
た付着性エネルギー(有効な相互エネルギー)Wは、 W=[γLP×γCP]1/2+[γLD×γCD]1/2=γ1(1+cosθ) ここで、γ1は液体張力であり、θは接触角である、により測定されることを示
す。2つの材料(例えば、層3とその上の水)のWは、層または被覆製品がどの
ような親水性であるかを示す湿潤性の尺度である。
γLPは51mN/mであり、かつγLDは22mN/mであることを示す。本発明
のある種の実施態様において、層3の表面エネルギーの極性状態γCPは、少なく
とも約5、およびより好ましくは少なくとも約7、および最も好ましくは約7〜
10(ある種の実施態様において、5と15の間に可変または整調できる)、お
よび層3の表面エネルギーの分散状態γLDは、約16〜22mN/m(より好ま
しくは約18〜20mN/m)である。
ルギーγCは、少なくとも約24mN/m、より好ましくは少なくとも約26m
N/m、および最も好ましくは少なくとも約28mN/mであり;および水と層
3の間の付着性エネルギーWは、少なくとも約600mN/m、より好ましくは
約700〜1,300mN/m、さらにより好ましくは約750〜950mN/
m、および最も好ましくは約800〜950mN/mである。付着性エネルギー
Wおよび層3表面エネルギーγCのこれらの高い数値、および達成できる低い初
期接触角θは、本発明の異なる実施態様による被覆製品の向上した親水性を説明
する。
示すように、一般的に約22〜24°である(たとえ、ある種の事例において、
それが18°のように低いこともあるとはいえ)。したがって、従来のガラス支
持体は、本発明の実施態様のような親水性ではない。さらに、ここで層3は、耐
引掻性および/または高い耐久性を付与する。ガラス支持体上の非ドープの通常
のta−C層は、本発明の実施態様のような親水性ではない。ここで、発明は、
図6の低い接触角θによって示されるように、被覆製品の親水性を向上させるた
めに、ta−C含有層3の接触角を減少させることができる。
、層3が、静電気の蓄積の可能性を減少させるような導電性になることである。
この抵抗率の減少は、ここに記載のドープによるものと思われる。例えば、ta
−C層のドープ前の抵抗率は、例えば、108Ω/cmであるのに対して、ドー
プ後の抵抗率は低下し、例えば、約500Ω/cm以下、より好ましくは約10
0Ω/cm以下、最も好ましくは約0.01〜50Ω/cmである。
100MHzにおいて約2〜6、好ましくは約4の誘電率を有する。ある種の実
施態様において、層3は、約106の絶縁破壊の強さ(Vcm-1)を有する。熱
的特性については、層3は、約9×10-6/Cの熱膨張率、および約0.1Wc
mKの熱電導率を有する。
またはそこにドープ原子を加えるためのDLC含有層の表面プラズマ処理に用い
られる例示的なライナーまたはダイレクトイオンビームソース25を示す。イオ
ンビームソース25は、ガス/電力口26、長円形アノード27、接地されたカ
ソードマグネット28、マグネット棒29および絶縁体30を含む。いくつかの
実施態様において、ソース25用に3kV DC電力供給が用いられる。ライナ
ーソースイオン堆積は、厚さおよび化学量論に関して言えば、DLC含有層3の
堆積を十分に形成させる。
る。ライナーソースは、同軸のアノード(陽ポテンシャルで)にした内側に、ラ
イナーシェル(カソードおよび接地された)を構成する。アノード−カソードお
よび磁界33の幾何図形的配列は、閉じた圧力を上げるように設けられる。さら
に、磁界配置は、ライナーイオンビームソースが何れの電子エミッタも欠落しな
いように働くようにするアノード層を上げるように設けられる。また、アノード
層イオンソースは、反応性モードで(酸素および/または窒素と)働くことがで
きる。ソースは、図7〜8に示すように、レーストラックの形状でスリットを内
蔵する金属を含む。中空のハウジングは、グランドポテンシャルである。アノー
ド電極は、カソード本体内に(電気的に絶縁されて)置かれ、スリットの下に丁
度位置する。アノードは、3,000ボルトのような高い陽ポテンシャルに接続
することができる。ある種の実施態様において、両電極は水冷される。
た、ライナーイオンソースは、その長さに沿って前駆ガスを均一に分配し、アノ
ード−カソード間の空間内部に、超音速でそれを広げるラビリンスシステムを含
む。次いで、電気エネルギーがガスを破壊し、ソース中にプラズマを生成する。
イオンが追い出され、層3が成長する支持体1の方向に導かれる。スリットから
発するイオンビームは、殆ど縦方向に形成され、横方向に磁束分布を有する。例
示的なイオン34は、図7に示される。本発明の異なる実施態様において、異な
る長さのソースが処理されているとしても、0.5〜3メートルである限りは、
ライナーソースが形成され、かつ用いられる。電子層35は、図7に示され、か
つイオンビームソースを適切に機能させる回路を備える。
有する)DLC含有親水性層3を堆積する例示的な方法について説明する。これ
らの方法は、実施例のみの目的のためのものであり、限定を意図するものではな
い。層3の堆積工程中に用いられるエネルギーおよび/またはイオンビーム堆積
技術により備えられた方向性は、基礎を成す支持体の全ての状況に完全に均一に
層3を堆積させることができる。
ーまたはダイレクトイオンビームソースの手段により清浄化される。例えば、ア
ルゴン(Ar)ガスまたはAr/O2の混合物中のグロー放電(代わりにCF4プ
ラズマ)が、支持体表面上の全ての不純物を除去するため、ソースにより用いら
れる。好ましくは、無酸素またはフルオロカーボンが用いられ、続いてNおよび
/またはB原子のドープが行われる。このような相互作用は、自然界における生
理化学である。電力密度は、例えば、1ワット/cm2である。また、支持体1
は、例えば、層3の実際の堆積前に、支持体のスパッタークリーニングにより清
浄化される。一方、清浄はいくつかの実施態様で行われ、本発明の他の実施態様
において、行う必要はない。
ースおよび図7〜8に示すような対応する堆積技術(例えば、ライナーイオンビ
ーム25参照)を用いて行われる。イオンビーム25(クリーニングイオンビー
ムソースと同一または異なる)は、支持体1上にta−C含有層3(ある種の実
施態様において親水化された)を堆積するために作用する。用いられる例示的な
供給原料ガスは、窒素ガス、ジボランガスおよび/またはC2H2ガスを含む。
dral Amorphous Carbon Deposition、Characterisation and Electronic Proper
ties」に開示されているような、フィルタ処理したカソード真空アークイオンビ
ーム装置(filtered cathodic vacuum arc ion bean apparatus)(FCVA−
IB)を用いて堆積される。この堆積工程は、支持体1のプラズマ清浄の後、同
様の堆積チャンバーまたはもう1つのチャンバーを用いてまさに行われる。この
ような技術において、超高純度の炭素ターゲットのカソードアーク放電は、例え
ば、<106Torr到達真空度中で誘発される。基本的にヘッシュ(Hoescht)
炭素を含むターゲットは、直径約90mmおよび約50mm深さの円筒形の電極
に機械加工される。アーク放電の条件は、例えば、70Aおよび17Vである。
カソードアーク工程中の圧力は、mTorrの10の範囲内である。1つ、2つ
またはそれ以上のドーパントガスは、トロイダル屈曲領域に同時に導入される。
例示的なガスは、ジボラン(ドーパントBを含む)および窒素である。ガス流量
は、2つの質量流をニードルバルブと直列にコントロールすることによりコント
ロールする。ジボランガスは、このようなコントローラーを通して、独立して流
される。電力は、磁気フィルターの屈曲部で質量流コントローラーを通して導入
されるジボランと窒素の混合ドーパントガスへのプラズマの衝突により、結合さ
れる。例示的なトロイダル磁場は、100mtesraである。活性な炭素イオンお
よびUV放射を伴う高エネルギー電子は、ガス混合物を極めて反応性のイオンに
分離するアークによって生成される。一般的に、イオン化された種(例えば、C
、NおよびB)のみは、中性でかつ多量微粒子がフィルターを通る間、フィルタ
ー中にトロイダル電場を受け入れるのを抑制する。イオン化した原子のフラック
スは、支持体1上での表面成長に移され、層3が形成される。イオンエネルギー
は、層3の物理特性に合せて、陰ポテンシャルまたは支持体上のRFバイアスを
有するグリッドにより独立して変えることができる。セルフバイアスポテンシャ
ルの範囲は、例えば、−1,000〜+1,000Vである。ある種の実施態様
において、イオン種当たり120〜200Vの電磁窓が用いられる。堆積中に用
いられる部分的な圧力は、例えば、10-6〜10-4Torrである。このような
堆積工程で用いられる例示的なパラメーターは:10-6の基本圧力、N2ガス0
〜5sccm、B2H40〜2sccm、支持体については室温、および1,00
0Wのアークパワーである。このような方法において、Bおよび/またはNがド
ープされたアモルファスDLCを含む層3が、支持体上に形成される。
性を変え、一方、その層のバルク特性を実質的に変えない、ある種の極性作用基
を加えるプラズマ処理またはグラフト手段を用いることにより高められる。この
ような実施態様において、窒素ガス(N2)のプラズマは、親水性を高めるため
に、約1mTの圧力で用いられる。
0μmNi電極の互いに入り込む中性のプレーナー・アレイと共に、クウォーツ
上に堆積される。これらの電極は、従来のリソグラフィー技術によりつくられる
。次いで、ta−Cドープフィルムの電気的特性に基づく吸着分子の影響をI−
C−V特性を用いて検討する。I−C−V特性の強い感度は、水およびアルコー
ルの存在下で見出された。水分子に対する素早い応答と同様に、水蒸気濃度に基
づく静電容量の高い感度は、表面結合の高い極性成分を示唆する。また、ta−
C:N:Bの層3は、約32.9eVにその高いプラスモンピークを明示するよ
うな高い密度を有する。
ング点よりも十分以下)に保持した前駆モノマー(例えば、TMSまたは3MS
)を通過したキャリアーガス(例えば、C2H2)のバブリングによりつくられる
。アセチレン供給原料ガスが、ある種の実施態様において、重合を避けまたは最
小にし/除去し、かつ炭素および/または水素イオンを製品およびサブ移植材料
(subimplant)に広げ、結果として層3を成長させる適当なエネルギーを得るた
めに用いられる。また、極性誘導ドーパントガスを含む他の適当なガスは、イオ
ン34をつくるソースの中で用いられる。
に堆積されるように、本質的により親水性になることが見出された。支持体1の
温度は、堆積工程の間に上昇する(例えば、約100〜300℃)。より親水性
の層をつくるための代わる方法は、層3中のsp3結合含量を減少させるために
、堆積工程の間に用いるイオンエネルギーを、例えば、約200〜500eV、
最も好ましくは約400eVに増加させることである。
も、異なる実施態様で用いられる。例えば、フィルタ処理したカソード真空アー
クイオンビーム技術は、上記のように層3の堆積に用いられる。さらに、スパッ
タリング技術も、他の実施態様において、支持体1上の層3の堆積に用いられる
。
の親水性、燃焼することなしに高温に抵抗する層3の能力、帯電の可能性を減少
させる耐性の減少、ある種の実施態様における室温のような低温で実施される堆
積工程の事実、用いられる高堆積速度(例えば、>2nm/s)、堆積工程が広
い領域堆積に拡張可能である事実(例えば、>1メートル四方)、支持体1のカ
バーされた表面の5〜8%以内を被覆するその可能性における堆積装置の均一電
解性、いくらかピンホールがあっても多くが欠落した層3の滑らかな性状、低−
E層または窒化珪素層または酸化珪素層のような他の基礎を成す層と組み合わせ
て層3を使用する可能性、および堆積工程の間に用いられるイオンエネルギーお
よび/またはガスを変えることにより層の特性を調整する可能性を含む。
に明らかになるであろう。したがって、このような他の特徴、変形および改良は
本発明の一部とみなされ、本発明の範囲は本願の特許請求の範囲によって決定さ
れる。
覆を設けられている、本発明の実施態様の被覆製品の側面断面図である。
覆を設けられている、本発明のもう1つの実施態様の被覆製品の側面断面図であ
る。
覆を設けられている、本発明のもう1つの実施態様の被覆製品の側面断面図であ
る。
説明する、部分側面断面概略図である。
805号に開示された製品上の滴の高接触角θを説明する、部分側面断面概略図
である。
低接触角θを説明する、部分側面断面概略図である。
用されるライナーイオンビームソースの側面断面図である。
Claims (45)
- 【請求項1】 ガラス支持体; 前記ガラス支持体に設けられたsp3炭素−炭素結合をもつダイヤモンドライ
クカーボン(DLC)含有親水性層;からなり、かつ 前記親水性層が、その層に約10°より大きくない水滴との初期接触角(init
ial contact angle)θをもたせるために、その中に少なくとも1つのドーパン
トを含む被覆ガラス製品。 - 【請求項2】 前記親水性層が、その層に約8°より大きくない水滴との初
期接触角θをもたせるために、その中に少なくとも1つのドーパントを含む請求
項1の被覆ガラス製品。 - 【請求項3】 前記親水性層が、その層に約6°より大きくない水滴との初
期接触角θをもたせるために、その中に少なくとも1つのドーパントを含む請求
項2の被覆ガラス製品。 - 【請求項4】 前記親水性層が、その層に約6°より大きくない固着性の水
滴との初期接触角θをもたせるために、その中に少なくとも1つのドーパントを
含む請求項3の被覆ガラス製品。 - 【請求項5】 前記層が、少なくとも約24mN/mの表面エネルギーγC
を有する請求項1の被覆ガラス製品。 - 【請求項6】 前記層が、少なくとも約26mN/mの表面エネルギーγC
を有する請求項1の被覆ガラス製品。 - 【請求項7】 前記層が、少なくとも約28mN/mの表面エネルギーγC
を有し、かつ前記層の少なくとも一部の屈折率が約1.5〜1.7であり、かつ
その層が少なくとも約700mN/mの湿潤性Wを有する請求項1の被覆ガラス
製品。 - 【請求項8】 前記層が、少なくともsp3炭素−炭素結合含有ダイヤモン
ドライクカーボン包括層からなり、前記少なくとも1つのドーパントが、窒素(
N)およびホウ素(B)の少なくとも1つを含み、かつ前記少なくとも1つのド
ーパントが、その層の接触角を低下させるように、ダイヤモンドライクカーボン
包括層中の結合をより極性にさせる請求項1の被覆ガラス製品。 - 【請求項9】 前記層が、前記ガラス支持体と直接接触するsp3炭素−炭
素結合含有ダイヤモンドライクカーボン包括層からなり、前記少なくとも1つの
ドーパントが、DLC包括層をより極性にさせ、かつしたがってより親水性にさ
せる極性誘導ドーパントである請求項1の被覆ガラス製品。 - 【請求項10】 前記少なくとも1つのドーパントが、その層をより極性に
させる少なくとも1つの極性誘導ドーパントを含む請求項1の被覆ガラス製品。 - 【請求項11】 前記少なくとも1つのドーパントが、窒素およびホウ素の
少なくとも1つを含む請求項10の被覆ガラス製品。 - 【請求項12】 前記少なくとも1つのドーパントが、約10%より大きく
ない原子パーセントで前記親水性層中に存在する請求項11の被覆ガラス製品。 - 【請求項13】 前記親水性層が、少なくとも約20GPaの平均硬度を有
し、かつその層の最も外側の10オングストロームの部分が、約0.50〜10
%の前記少なくとも1つのドーパントを含む請求項1の被覆ガラス製品。 - 【請求項14】 前記少なくとも1つのドーパントが、約5%より大きくな
い原子パーセントで前記親水性層中に存在する請求項11の被覆ガラス製品。 - 【請求項15】 被覆ガラス製品が、次の特性: 可視透過率(III.A) : >60% UV透過率 : <38% IR透過率 : <35% を有する請求項1の被覆ガラス製品。
- 【請求項16】 親水性層における約70%以下がsp3結合であり、かつ
その層の結合の少なくとも約20%がsp2型結合である請求項1の被覆ガラス
製品。 - 【請求項17】 支持体; 前記支持体に設けられたダイヤモンドライクカーボン(DLC)を含有する親
水性被覆または層;からなり、かつ 前記親水性被覆または層が、少なくとも約10GPaの平均硬度を有し、かつ
約10°より大きくない水滴との接触角θを有する被覆製品。 - 【請求項18】 前記親水性被覆または層が、その被覆または層をより極性
にさせる少なくとも1つの極性誘導ドーパントを含み、前記被覆または層が、少
なくとも約20GPaの平均硬度を有し、かつ前記被覆または層が、約8°より
大きくない固着性の水滴との初期接触角θを有する請求項17の被覆製品。 - 【請求項19】 前記初期接触角が、約6°より大きくない請求項18の被
覆製品。 - 【請求項20】 前記少なくとも1つのドーパントが、窒素およびホウ素の
少なくとも1つからなり、かつ前記被覆または層が、sp2とsp3炭素−炭素結
合の両方からなり、かつ前記支持体が、ガラスおよびプラスチックの1つからな
る請求項18の被覆製品。 - 【請求項21】 支持体を用意し;かつ 親水性層が約10°より大きくない水滴との初期接触角θを有するように、支
持体上にsp3炭素−炭素結合含有親水性層を堆積する 工程からなる被覆製品の製造方法。 - 【請求項22】 さらに、得られた親水性層が約8°より大きくない水滴と
の初期接触角θを有し、かつ少なくとも約10GPaの平均硬度を有するように
、イオンビーム堆積を用いて、支持体上にsp3炭素−炭素結合含有親水性層を
堆積する請求項21の方法。 - 【請求項23】 さらに、低E−被覆がその支持体とその親水性層との間に
位置するように、支持体上に低E−被覆を堆積する工程からなる請求項21の方
法。 - 【請求項24】 前記堆積工程が、親水性層が約6°より大きくない水滴と
の初期接触角θを有するように、支持体上にsp3炭素−炭素結合含有親水性層
を堆積することからなる請求項21の方法。 - 【請求項25】 親水性層が、(i)支持体と直接接触して、および(ii)少
なくとも1つの中間層が支持体と親水性層との間に配置されるように支持体上、
の1つにある請求項24の方法。 - 【請求項26】 親水性層が、(i)前記支持体と直接接触して、および(i
i)少なくとも1つの中間層が前記支持体と前記親水性層との間に配置されるよう
に支持体上、の1つにある請求項1の被覆ガラス製品。 - 【請求項27】 前記親水性層が、原子パーセントを基準として、約70〜
98%の炭素、約0〜5%の窒素および約0〜5%のホウ素からなる請求項1の
被覆ガラス製品。 - 【請求項28】 前記親水性層が、窒素およびホウ素の少なくとも1つの約
1〜5%からなる請求項27の被覆ガラス製品。 - 【請求項29】 前記親水性被覆または層が、原子パーセントを基準として
、約70〜98%の炭素、約0〜5%の窒素および約0〜5%のホウ素からなる
請求項17の被覆製品。 - 【請求項30】 前記親水性被覆または層が、窒素およびホウ素の少なくと
も1つを約1〜5%含む請求項29の被覆製品。 - 【請求項31】 支持体;および 前記支持体上のアモルファスダイヤモンドライクカーボンからなる層からなり
、前記層が少なくとも約26mN/mの表面エネルギーγCを有する被覆製品。 - 【請求項32】 前記層が、少なくとも約28mN/mの表面エネルギーγC および約10°より大きくない水滴との接触角θを有する請求項31の被覆製
品。 - 【請求項33】 支持体;および 前記支持体上のダイヤモンドライクカーボンからなる層からなり、前記層が約
10°より大きくない水滴との接触角θを有する被覆製品。 - 【請求項34】 前記層が、約6°より大きくない水滴との接触角θを有す
る請求項33の被覆製品。 - 【請求項35】 前記層が、約6°より大きくない水滴との接触角θを有す
る請求項34の被覆製品。 - 【請求項36】 ダイヤモンドライクカーボンに約10°より大きくない水
との接触角θをもたせるために、ドープしたダイヤモンドライクカーボンからな
る層を含むドープされたダイヤモンドライクカーボン。 - 【請求項37】 前記層が、NおよびBの少なくとも1つでドープされてい
る請求項36の層。 - 【請求項38】 前記層が、約2.5〜3.0g/cm2の密度を有する請
求項36の層。 - 【請求項39】 前記層が、支持体上に配置されている請求項36の層。
- 【請求項40】 アミン官能基が、その層の外部表面またはその近傍に備え
られている請求項36の層。 - 【請求項41】 その層が、原子を基準として、約60〜84%のC、約1
〜12%のBおよび約4〜39%のHからなる請求項40の層。 - 【請求項42】 その層が、約65〜75%のC、約5〜10%のBおよび
約15〜30%のHからなる請求項41の層。 - 【請求項43】 約65〜75%のC、約5〜10%のBおよび約15〜3
0%のHからなる層を含み、かつ前記層が少なくとも約15GPaの硬度を有す
るダイヤモンドライクカーボン。 - 【請求項44】 その層が少なくとも約20GPaの硬度を有する請求項4
3の層。 - 【請求項45】 前記親水性層が、約65〜75%のC、約5〜10%のB
および約15〜30%のHからなる請求項1の製品。
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