JP5916287B2 - 基板をコーティングする方法 - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２００７年５月１７日出願の仮特許出願第６０／９３８，５５９号に基づく優先権を主張する。その全文は、参照により本明細書に組み込むものとする。

本発明は、概して、基板をコーティングするシステムに関する。より詳細には、本発明は、試薬の導入を制御して基板上に形成されるコーティングを向上させるためのプラズマコーティングシステムおよび方法に関する。

一般的に、本発明が適用可能であるプラズマコーティングシステムは、順に接続され、基板が連続的に通過する様々なステーションまたはゾーンを含む。これらのゾーンはロードロック、加熱ゾーン、１つまたは複数のコーティングゾーンおよび出口ロックを含むことができる。１つまたは複数のコーティングゾーン内には、膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）源などの１つまたは複数のプラズマ源、およびコーティング試薬を注入するための関連手段がある。コーティングプロセス中に、プラズマ源から出るプラズマジェットにコーティング試薬が注入されるときに、基板が１つまたは複数のプラズマ源を通過する。その結果のプラズマプルームを通って基板が移動するときに、基板の表面にコーティングが付着する。

このような先行技術のシステムでは、複数のコーティングサブ層を基板の片側に同時に塗布することができない。複数のコーティングサブ層を塗布する場合は、以前にコーティングした基板が追加のコーティングゾーンを通過し、ここで追加のコーティングサブ層が塗布される。

仮特許出願第６０／９３８，５５９号

一般的に、本発明は、異なる試薬組成物を各プラズマ源から出るプラズマジェットの上流側および下流側のそれぞれに注入することによって、プラズマ源を同時に２通りの方法で使用する装置および方法に関する。別の方法としては、ジェットの両側に供給される試薬組成物は同じであるが、上流側と下流側への流量が異なる。上流と下流の異なる試薬の「処方」は、注入パラメータ、および基板に付着する前に試薬がプラズマジェット内に浸透できる時間に応じて、材料の混合物として、または２つの材料間の段階的変化として、基板への複合コーティング内に反映することができる。

一般的に、本発明による装置は、基板をコーティングするインライン型連続プラズマコーティングシステムである。このようなシステムでは、一連の基板が順に（一列に）コーティングゾーンを連続的に通過する。プラズマコーティングシステムは、１つのプラズマ源またはアレイ状のプラズマ源（プラズマアレイ）を含むことができる。システムは、第１のコーティング試薬をプラズマ源から出るプラズマジェットへと、プラズマ源の上流の位置から注入する手段、および第２のコーティング試薬をプラズマ源の下流の位置からプラズマジェットに注入する手段も含む。試薬を注入する手段は、当技術分野で周知のように、マニホールド、個々のインジェクタまたはオリフィスを含むことができる。制御装置は、注入中にコーティング試薬の流れを調整する。試薬を注入する第２の組の手段を使用して、基板の第２の側または反対表面にコーティングを付着させるように制御することもできる。

他の特徴および利点は、以下の説明および特許請求の範囲から容易に理解することができるだろう。

本発明の原理に従って基板をコーティングするシステムの概略平面図である。 図１のシステムのコーティングゾーンを通る概略端面図である。 ほぼ線３−３に沿って切り取った状態の図２に見られるコーティングゾーンの概略側面図である。 基板が図１のシステムを通って前進するときに、任意選択で使用することができる関連空間充填パネルを有する基板を示す。 本発明の１つの実施形態に従って基板をコーティングする１対のインジェクタを示す。 図５Ａに示したインジェクタで生成される、基板上の配合したコーティングを示す。 本発明の別の実施形態に従って基板をコーティングする１対のインジェクタを示す。 図６Ａに示したインジェクタで生成される、基板上の多層コーティングを示す。

次に図面を参照すると、本発明の原理による基板コーティングシステム１０が、図１に概略的に示されている。基板コーティングシステム１０は、プラスチック光沢仕上げパネルを形成する際に複数の基板２０のコーティングに使用することが好ましい。当業者であれば、その結果のプラスチック光沢仕上げパネルは、光学的に透明性を必要とする多くの用途に使用することができることを理解することができるだろう。その用途としては、コンピュータのディスプレイまたはモニタ、手持ち式デバイス（例えば携帯電話、ＭＰ３プレーヤなど）のディスプレイ、レンズ、自動車の構成要素（ウインド、サンルーフおよびヘッドランプなど）、自動二輪車用風防装置、ヘルメットのバイザ、およびボート、列車、飛行機および建物などの自動車以外の用途に使用される窓が挙げられるが、これらに限定されない。基板２０（２つの基板が図示されている）は、様々なステーションまたはゾーンを含むシステム１０を通って連続的に移動する。このようなゾーンはロードロック１２、基板加熱ゾーン１４、１つまたは複数の基板コーティングゾーン１６および出口ロック１８を含むことができ、全て直列に気密状態で接続されている。様々なゾーンは、コーティングプロセスに資する適切な真空圧を維持するために、１つまたは複数の真空ポンプ（図示せず）によって排気することができる。

当業者なら理解されるように、基板自体は多種多様な材料から形成することができる。例示的実施形態では、基板２０は熱可塑性材料で作成される。このような材料には、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミドおよびポリ塩化ビニルがあるが、これらに限定されない。基板２０に適切な他の材料はポリカーボネート樹脂、ポリエステルカーボネート、アクリルポリマー、ポリエステル、ポリウレタンなどを含む。基板２０を作成することができる材料の他の例はセラミック、ガラス、金属または半導体を含む。基板２０は、それを構成する材料に応じて種々の技術で形成することができる。このような技術には、射出成形、冷間成形、真空成形、押出成形、ブロー成形、トランスファ成形、圧縮成形、および熱成形があるが、これらに限定されない。形成されると、基板２０は、湾曲した形状または平坦な形状とすることができ、剛性または可撓性の性質であってよい。

システム１０を使用する際に、基板２０は基板搬送装置２４上に配置され、基板搬送装置は、ラック、ハンガーまたは他のデバイスであってよい。このようなデバイスはこの業界で周知であり、従って本明細書ではこれ以上の説明は省略する。基板搬送装置２４は、ロードロック１２に入り、ロードロック１２内でまたはその前でコンベヤと係合する。これは全体を矢印２５で示し、搬送装置２４および基板２０をコーティングシステム１０を通して搬送する。コーティングシステム１０を通して搬送装置２４および基板２０を搬送するのに適切な任意の手段を使用できることは明らかである。

基板加熱ゾーン１４内に移送されると、基板２０は、基板２０のコーティングに適切な温度まで加熱される。これを達成するために、基板加熱ゾーン１４は加熱ユニット２６を含み、２つが図示されている。加熱ユニット２６は基板加熱ゾーン１４の内部または外側に、その側壁にまたは側壁に沿って配置されるか、またはシステム１０の全体的設計によって規定されている場所に配置される。様々なタイプの加熱ユニット２６を使用することができ、これは、赤外線加熱器、抵抗加熱器、非反応性プラズマジェットなどを含むが、これらに限定されない。

基板加熱ゾーン１４を通って移動した後、基板搬送装置２４は基板コーティングゾーン１６に入り、ここで基板２０上にコーティングを付着させる。基板２０がコーティングされると、次にこれを出口ロック１８へと移送し、ここでコーティングシステム１０から放出する。

本発明では様々なコーティング方法および手順を使用することができるが、図示のように、基板コーティングゾーン１６は膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）源アレイなどの１つまたは複数のプラズマアレイ２８を含む。プラズマアレイ２８は、コーティングゾーン１６内に相互に対向する対として配置することができる。図３に示すように、各プラズマ源３８を、図３に見られるようにそれ自身のポートに装着するか、プラズマアレイ２８を基板コーティングゾーン１６の側壁に配置されたマニホールド３０に装着することができる。

各アレイ２８には不活性ガスを供給することが好ましく、この不活性ガスは加熱されて、部分的にイオン化し、次に一連のプラズマジェット３２としてアレイ２８から放出される。これは、一般的に、対向するアレイ２８から基板コーティングゾーン１６内に入る複合プラズマジェットとして、図１に示されている。コーティングシステム１０で使用できる不活性ガスの例としては、アルゴン、ヘリウム、ネオンなどがあるが、これらに限定されない。

第１のコーティング試薬および第２のコーティング試薬は、その一方が酸化ガスでよく、それぞれ試薬注入マニホールドセグメント３４、３６から注入される。制御された比率で蒸気の形態で注入されるコーティング試薬は、プラズマジェット３２内に拡散し、基板コーティングゾーン１６内に膨張し、自身を通って搬送されている基板２０に向かって誘導される。コーティング試薬の例としては、デカメチルシクロペンタシロキサン（Ｄ５）、ビニルトリメチルシラン（ＶＴＭＳ）、ジメチルジメトキシシラン（ＤＭＤＭＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４）、テトラメチルジシロキサン（ＴＭＤＳＯ）、テトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサン（Ｖ−Ｄ４）、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）などの有機珪素が挙げられるが、これらに限定されない。酸化ガスの例としては、酸素および亜酸化窒素、またはその任意の組み合わせがあるが、これらに限定されない。

次に図２および図３を参照すると、システム１０の様々な構成は、基板２０がコーティングゾーン１６を通って前進するときに、活性試薬を、または幾つかの実施態様では、単一の試薬を基板２０の片側または両側に付着させることを含む。基板２０は、基板２０がコーティングゾーン１６に入る前に確実に適切な温度にするために、加熱ユニット２６によって加熱される。必要に応じて、追加の加熱器をコーティングゾーン１６自体の中で使用して、加熱ゾーン１４からコーティングゾーン１６へと通過する間に生じるいかなる熱損失も補償することができる。

コーティングゾーン１６は真空室であり、コーティングゾーン１６の片側または両側に１つまたは複数のプラズマ源３８を含む（非限定的な例として６つが図示されている）。マニホールドセグメント３４、３６は、上流マニホールドセグメント（１３４、１３６）または下流マニホールドセグメント（２３４、２３６）としてさらに描写することができ、各上流セグメント１３４、１３６は下流セグメント２３４、２３６と対になる。本明細書では、上流および下流という用語は、プラズマ源３８に対するマニホールドセグメントの位置、および基板２０の移動方向（図３の矢印４０の方向）を意味するものである。各マニホールドセグメント３４、３６を、１つまたは複数のプラズマ源３８に関連付ける。例えば、図３に示されたコーティングゾーン１６の片側または両側は、上流マニホールドセグメント１３４、１３６および下流マニホールドセグメント２３４、２３６を備える。図示の実施形態に示すように、コーティングゾーンの各側は６つの上流マニホールドセグメントおよび６つの下流マニホールドセグメントを含むが、各側はこれより多いか、または少ない数のマニホールドセグメントを含んでもよい。マニホールドをセグメント化すると、所望のプロトコルに従って個々の流れを切り換えることができる。コーティングゾーン１６の様々なマニホールドセグメント３４、３６は、相互に対して独立に自身を通してコーティング試薬を注入する。

図３に示すように、前進する基板２０の前端４２は、最初、上流マニホールドセグメント１３４、１３６を、次にプラズマアレイ２８およびその個々のプラズマ源３８、および最後に下流マニホールドセグメント２３４、２３６を通過する。従って、後端部４４は、下流マニホールドセグメント２３４、２３６を通過する基板２０の最後の部分である。

連続する基板２０間にギャップまたは空間がある場合、システム１０は、余分なコーティング材料がコーティングゾーン１６の真空室の壁に付着するのを最小限に抑える特徴を含むことができる。特定の実施態様では、図４に見られるように、この特徴は、空間充填パネル４６であり、このパネル４６は、基板２０の縁部の延長部であるように、一組のタブ４８によって搬送装置２４および／またはコンベヤ２５に取り付けられ、基板２０に近接離間されている。このような空間充填パネル４６は、図４に全体が示されている。

図５Ａおよび図６Ａに示す他の実施態様では、基板２０のコーティングにマニホールドセグメントを使用するのではなく、１つまたは複数の上流試薬インジェクタ１４４、１４６および１つまたは複数の下流試薬インジェクタ２４４、２４６を、基板２０にコーティングを付着させる各プラズマ源３８に関連付けることができる。様々なインジェクタへの気化した試薬の流れの制御は、様々なマニホールドに関して上述したものと同じ方法で遂行される。

上記実施態様を、以降では１つのコーティングゾーン１６内で基板上に配合コーティングまたは段階的に変化するコーティングを生成するために使用するものとして説明する。これらのコーティングを生成するためにどの実施態様を使用することもできるが、この説明は図５Ａおよび図６Ａに関するプロセスを説明するだけであり、上記の図に見られるようなマニホールドセグメント１３４、１３６を代替的に使用することができることを理解されたい。

便宜上、プラズマジェット３２に関するコーティングプロセスを説明するために、２つの時間特性を使用する。すなわち、ａ）横混合時間ｌ_ｔ、およびｂ）通過時間ｔ_ｔである。横混合時間ｌ_ｔは、試薬がプラズマジェット３２に十分浸透するために必要な時間の長さの特性である。通過時間ｔ_ｔは、プラズマジェット３２の経路に沿って測定され、プラズマジェット（および試薬）がインジェクタ面（インジェクタ４９によって画定された面）から基板２０までの距離を横断するのにかかる時間の長さの特性である。

２つの機能性コーティング材料（例えば紫外線遮断用の材料と耐摩耗性の材料）を配合することが望ましい場合は、各材料の試薬をそれぞれ別個に上流および下流インジェクタ１４４、２４４それぞれに供給する。インジェクタ１４４、２４４のパラメータ（位置、数、分布、方向、およびサイズなど）および他のプロセスパラメータは、試薬を有するジェット３２の基板への通過時間に対して、試薬が各プラズマ源３８のプラズマジェット３２の軸５０に向かって迅速に浸透するのを促進するように選択される。すなわち、インジェクタ１４４、２４４のパラメータおよび他のプロセスパラメータは、ｌ_ｔ≪ｔ_ｔであるように選択される。上流の試薬と下流の試薬が各インジェクタ１４４、２４４に供給されると、試薬がプラズマジェット３２内で配合され、上流と下流で提供された試薬を組み合わせたコーティングの寄与を反映する、実質的に均質な層を特徴とする配合コーティング５２を生成する。使用される特定の試薬に応じて、個々のコーティング材料の機能性は、配合時に維持されることも維持されないこともある。このようなコーティングは、図５Ａに示すインジェクタ１４４、２４４の構成によって生成することができ、ここではインジェクタ１４４、２４４の先端がプラズマジェット３２に、またはその付近に挿入される。

一方、１つの機能コーティング材料から他の機能コーティング材料へと移行することが望ましい場合は、各材料の試薬を再びそれぞれ別個に上流および下流マニホールドの一方に供給する。しかし、インジェクタ１４４、２４４のパラメータおよび他のプロセスパラメータは、試薬を有するジェットの基板への通過時間に対して、試薬がプラズマジェット３２内にゆっくり浸透させるように選択される。すなわち、ｌ_ｔ＞＞ｔ_ｔである。ジェット３２の上流の半分と下流の半分によって付着したコーティングサブ層は、上流および下流インジェクタ１４４、２４４を介して供給された個々の試薬を反映する傾向がある。ジェット３２を越えて走査される、または移動する基板上に結果として生じた複合コーティング５４は、上流の試薬によって形成されたコーティングサブ層から下流の試薬によって形成されたコーティングサブ層への移行を反映する。このような多層コーティング５４は、図６Ａに示すインジェクタ１４４、２４４の構成によって生成することができ、ここではインジェクタの先端がプラズマジェット３２から離れていてプラズマジェット３２に挿入されない。すなわち、上流および下流インジェクタ１４４、２４４のパラメータおよび他のプロセスパラメータは、プラズマジェット３２内での上流試薬と下流試薬の不完全な混合および分離を促進するように選択される。多層コーティング５４（図６Ｂ）は、２つのサブ層５６、５８および介在する移行ゾーン６０を特徴とする。基板２０に最も近いサブ層５６および基板２０から最も遠いサブ層５８は、それぞれ上流および下流試薬の個々のコーティングの寄与が優勢である。

図６Ａに示す構成を使用して、様々なタイプの多層コーティング５４を生成することができる。幾つかの実施態様では、上流および下流インジェクタ１４４、２４４が同じ試薬源を共有することができるが、上流および下流インジェクタへの流量は異なってもよい。例えば、一組のインジェクタに１つの流量でＤ４を供給し、他の組のインジェクタに別の流量でＤ４を供給することができる。他の実施態様では、異なる試薬を異なる源６２、６４から上流および下流インジェクタ１４４、２４４に供給することができる。

特定の実施態様では、耐摩耗性コーティングの第１のサブ層５６と第２のサブ層５８の間の移行は、その結果、サブ層の厚さが実質的に不均衡になるような移行にすることができる。例えば、第２のサブ層５８の厚さを厚くする一方で、第１のサブ層５６の厚さを薄くすることができ、これは水浸性能を損なわず、システム１０のスループットを低減させずに、耐摩耗性を改善する。

別の実施態様では、上流インジェクタ１４４を使用して、第１のサブ層５６として界面層（ＩＬ）を付着させて、次の耐摩耗性層（第２のサブ層５８）を特定の基板２０（例えばポリカーボネート基板）に確実に接着させる。１つのケースでは、ＩＬが耐摩耗性層に使用されたものと同じ有機珪素試薬から形成されるが、それに関連付けられた酸化試薬の流れが比較的少ないか、またはない。

別の実施態様では、上流インジェクタ１４４を使用して、ＩＬの第１のサブ層５６を付着させるが、試薬は第２のサブ層５８の耐摩耗性層に使用されたものとは異なる。その場合は、上流インジェクタ１４４と下流インジェクタ２４４に別個の源（６２，６４）を使用する。

他の実施態様では、インジェクタ１４４、２４４の一方を使用して、紫外線遮断サブ層（例えば、ＴｉＯ_２）を付着させることができる。特に、上流および下流インジェクタ１４４、２４４は、それぞれＩＬ層およびＵＶ層を付着させる。追加のコーティングゾーン１６を使用して、１つの層または２つのサブ層として耐摩耗性層を付着させることができる。別の方法としては、第１のコーティングゾーン１６内の上流および下流インジェクタ１４４、２４４が、第１のサブ層５６としてＵＶ層を、第２のサブ層５８として耐摩耗性層を付着させ、次に第２のコーティングゾーン１６を使用して、他のサブ層により耐摩耗性層の付着を完成させる。

さらに別の実施態様では、上流インジェクタ１４４が耐摩耗性層のサブ層を付着させる一方、下流インジェクタ２４４がそのサブ層の変形版を付着させ、これは耐摩耗性を保持しながら、撥水性または自己洗浄性挙動などの所望の表面特性を提供するように調整される。

どの実施態様においても、図５Ａに示すインジェクタ１４４、２４４を使用して、サブ層を段階的に変化させるのではなく、混合物としてコーティングを生成することができる。さらに、複数の試薬を各インジェクタ１４４、２４４を供給することができる。別の組の１つまたは複数のインジェクタを各プラズマ源３８に関連付けることができる。これらの追加のインジェクタは、インジェクタ１４４、２４４に供給される試薬とは異なる別の試薬を受けることができる。別の方法としては、追加のインジェクタは、一方または両方のインジェクタ１４４、２４４に供給されるものと同じ試薬を受けることができる。

図５Ａおよび図６Ａに見られるように、システム１０は、さらに、インジェクタが相互とは別個に動作することができるように、上流および下流インジェクタ１４４、２４４に指示する制御装置６６を含む。源６２、６４はコーティング試薬を蒸気の形態で提供し、その際に加圧されたコーティング試薬容器および質量流量制御装置を使用することができる。制御装置６６は、質量流量制御装置を介して個々のインジェクタへのコーティング試薬の流れを調整する。

当業者であれば容易に理解されるように、以上の説明は本発明の原理を実現することの例示となるよう意図されている。この説明は、特許請求の範囲で規定されるような本発明の精神から逸脱することなく、本発明が修正、変形および変更することができるので、本発明の範囲または適用を限定するものではない。

Claims (5)

1. 基板をコーティングする方法であって、
   コーティングゾーンを通る経路に沿って基板を移動させるステップと、
   前記基板の一方の側に向かって誘導されるプラズマジェットを生成するステップと、
   前記プラズマジェットの上流の位置から第１の試薬を前記プラズマジェット内に注入するステップと、
   前記プラズマジェットの下流の位置から前記第１の試薬とは異なる第２の試薬を前記プラズマジェット内に注入するステップと、
   第１の組のパラメータに従って、前記第１の試薬の流れを調整するステップと、
   第１および第２の試薬が前記基板に塗布されて、前記基板上に少なくとも１つのコーティング層を形成するように、第２の組のパラメータに従って、前記第２の試薬の流れを調整するステップと、
   を含み、
   第１および第２の組のパラメータに従って、前記第１および第２の試薬の流れを調整する前記ステップが、ｌ_ｔ＞＞ｔ_ｔであるように、通過時間（ｔ_ｔ）に対する横混合時間（ｌ_ｔ）を規定する前記第１および第２の組のパラメータを選択することを含み、それにより前記注入された第１および第２の試薬が、それぞれ前記基板に塗布される前に前記プラズマジェット内に浸透する方法。
2. 前記調整するステップが、上流吐出オリフィスおよび下流吐出オリフィスに結合された少なくとも１つの試薬源の動作を制御することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 主に前記第１の試薬から形成された前記コーティングの第１のサブ層を前記基板上に付着させ、主に前記第２の試薬から形成された前記コーティングの第２のサブ層を前記基板上に付着させるように、前記プラズマジェット内で前記第１の試薬を前記第２の試薬と実質的には混合しないことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の試薬が、前記プラズマジェットの上流部分内の位置から注入される、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の試薬が、前記プラズマジェットの下流部分内の位置から注入される、請求項１に記載の方法。

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