(57)【要約】      （修正有）【課題】改善された高エネルギー放射線、特にレーザー光線によるワークピースのマーキング又は描画方法を提供する。【解決手段】高エネルギー放射線、特にレーザー光線１を用いてワークピース３をマーキング又は描画するにあたり、この際、前記ワークピース３が光散乱表面９を有し、そしてワークピースの材料は放射線の波長を透過し、この際、ポリマーマトリックス７が、放射線がポリマーマトリックス７に当たる前にワークピース３及びその光散乱表面９を通過するように、ワークピース３上に配置されるマーキング又は描画方法及び装置であって、ワークピース３の光散乱表面９が液体媒体又は粘弾性媒体１１により湿潤される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギー放射線、特にレーザー光線（１）を用いてワークピース（３）をマーキング又は描画するにあたり、前記ワークピース（３）は光散乱表面を有し、そしてワークピース（３）の材料は放射線の波長に透明であり、この際、ポリマーマトリックス（７）が、放射線がポリマーマトリックス（７）に当たる前にワークピース（３）及びその光散乱表面（９）を通過するように、ワークピース（３）上に配置されるマーキング又は描画方法であって、ワークピース（３）の光散乱表面（９）が液体媒体又は粘弾性媒体（１１）により湿潤されることを特徴とする上記方法。
【請求項２】
液体媒体又は粘弾性媒体（１１）がワークピース（３）の材料と類似の屈折率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
液体媒体又は粘弾性媒体（１１）が、６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の範囲において吸収を示さないか、１０％よりも小さい吸収度しか持たず、かつ、６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲の放射線を使用する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
光散乱表面（９）が、液体媒体又は粘弾性媒体（１１）の２５０ｎｍ〜１０ｍｍの厚さの層で湿潤される、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
ワークピース（３）の材料が６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の範囲において吸収を示さないか、１０％よりも小さい吸収度しか持たないガラス基板であり、かつ、６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲の放射線を使用する、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
ポリマーマトリックス（７）は、光散乱表面（９）とは反対側にあるワークピース（３）の表面（５）と接触するように配置される、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
放射線によりポリマーマトリックス（７）での材料の除去が引き起こされ、それから生じた生成物がワークピース（３）上にマーキングまたは描画として堆積する、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
マーキング又は描画の後に、光散乱表面（９）から液体媒体又は粘弾性媒体（１１）が除去される、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
レーザー光線（１）によるワークピース（３）のマーキング又は描画する装置であって、該装置はレーザー光源及びワークピースのためのホルダーを備え、この際、ホルダーは、光散乱表面（９）を有し、材料がレーザー光線（１）の波長を透過しかつポリマーマトリックス（７）と接触しているワークピース（３）を、放射線がポリマーマトリックス（７）に当たる前にワークピース（３）及びその光散乱表面（９）を通過するようにレーザー光線（１）の経路上に保持するようにデザインされたものであって、ここで、さらに、該装置は、材料の光散乱表面（９）を液体媒体又は粘弾性媒体（１１）により湿潤させるようにデザインされた分配ユニット（１３）を有していることを特徴とする、上記装置。
【請求項１０】
材料の光散乱表面から液体媒体又は粘弾性媒体（１１）を取り除くようにデザインされた除去ユニットをさらに備えている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
除去ユニットは、ワイパー及び／又は乾燥器である請求項１０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギー放射線、特にレーザー光線によるワークピース（半加工品）のマーキング又は描画方法に関し、ここで、ワークピースは光散乱表面を有し、ワークピースの材料は放射線の波長を透過し、ポリマーマトリックスは、放射線がポリマーマトリックスに当たる前にワークピースとその光散乱表面を通過するようにワークピースの上に配置される。
【背景技術】
【０００２】
ワークピースの材料加工のためのレーザー光線の使用は、基本的に、放射線の吸収、並びに、後に続くプロセスによるエネルギー変換、例えば、蒸発、イオン化、粒子の除去、及び光化学的な事象などを基礎とすることが知られている。これらのプロセスは、ワークピースそれ自身において行うことができ、その結果、例えば、彫板の形態でマーキング及び描画が生じるか、又は例えば、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ）の枠内で、他の材料をワークピース上に局所的に堆積させる。パルスレーザー堆積法の変形は、特にワークピースの材料が使用するレーザー光線の波長を透過するような場合に見られる。
【０００３】
原材料の光学的特性は、波長の関数として見なすことができる透過率Ｔ、反射率Ｒ及び吸収率Ａにより示すことができる。典型的には、レーザー光線は加工位置まで空気媒体を通過し、ワークピースの表面に当たる。レーザーエネルギーは、一定の割合でしか原材料中に結合 （einkoppeln）しないことが知られている。このような損失は、主に、加工される原材料の表面でのレーザー光線の反射と散乱により生じる。この結果、レーザー光線の一部のみしか所望のプロセスに提供されないか、またまた、散乱により再度分離（auskoppeln） するかもしくはワークピースの望ましくない領域に逸れることになる。
【０００４】
金属の性質を有している特定の原材料は、加工を困難にする、広い波長範囲にわたる高い反射率を有しており、そして金属の性質を有するワークピースの加工を可能とするためにはプロセスの操作変数、例えば、出力、波長、パルス長及び作用時間などを相応して正確に調整しなければならない。
【０００５】
光学的な特性を考察するためには、二つの媒体間の境界面における挙動と媒体内での挙動で区別される。二つの媒体間の平らな境界面においては、レーザー光は伝達及び／又は反射され得る。媒体自体の中では、吸収が起こるか、または例えばワークピースが光の波長を吸収しないガラス基材の場合には、完全な透過が起こり得る。
【０００６】
しかし、微視的構造中に境界面が存在する場合、これらの境界面は収束レンズ又は拡散レンズのように作用し、レーザー光がその経路を変化させてしまうことがある。マイクロメータ範囲では、粗い表面が、同様に、僅かではない散漫反射（Diffuse Reflexion）を生じさせる。
【０００７】
全体として、これらの光学現象は原材料への光の結合を阻害し、従って加工の結果を相当に悪くする恐れがある。高い加工閾値を有する特に高い反射率を有する材料は、相当に高い出力のレーザーでしか加工できない。しかし、またレーザーが通過する材料、例えば光学レンズはレーザー光線の質を変化させ、それによりその後のさらなる使用において悪い結果を導くことになる。
【０００８】
ガラス製のワークピースの場合、可視の波長の反射を減少させるためにしばしば反射防止膜が使用され、このような膜は、窓ガラスの場合だけでなく、メガネのレンズでも構造アーキテクチャに使用される。
【０００９】
粗い表面が光をあらゆる方向に反射することは周知である。粗さが入射光の波長lよりも明らかに小さい場合、表面は光学的に滑らかであるとされる。しかし、粗さが波長lよりも大きい場合、表面は光学的に粗いとされる。例えば、ガラスが他の光学特性に基づいて透明であったとしても、光学的に粗い表面のガラスは不透明に見える。
【００１０】
ガラスの加工をレーザー光線で行う場合、できるだけ少ないレーザー光線がガラスを透過すべきであるので、ガラスはしばしばＣＯ２レーザーで加工される。何故ならガラスは、１０．６μｍ周辺の赤外線波長に対して透光性がないからである。その結果、レーザー光線はガラス中で吸収され、放射線エネルギーの結合を導き、それにより、ワークピースが加熱される。このような事情により、１０．６μｍの波長はガラスの加工工程、例えば、切断及び穿孔などで使用されている。
【００１１】
１０６４ｎｍの波長の固体レーザーを使用すると、ガラスは確かに非常に小さい吸収度を有し、その結果、このレーザー光線は、原則的にガラスに対して構造上の作用を及ぼすことなく、ガラスを透射する。しかし、光学的に粗い表面のガラスを使用すると、レーザー光線が、わずかでない割合で粗い境界面で屈折し、そして特定の割合のレーザー光線のみがガラス基板を突き進み、それを通過する。さらに、高エネルギー光を捕捉又は変向させるために、微小構造を有するガラスを使用することができる。
【００１２】
特に太陽電池では、太陽電池カバーとしてガラス構造物が使用され、光結合を改善できる。入射した光子は上記構造物を介して最高８回反射し、それによりさながら「トラップ」され得るので、この技術は「光トラップ」と呼ばれている。より厳密に構造を見ると、幾何光学により、それは拡散又は収束レンズとして作用する凹面及び凸面レンズである。しかし、さらに、入射光を散乱して反射するミクロ粒子又はナノ粒子が表面に適用される。
【００１３】
このような光学的に粗い表面における光の当たる各点においては、反射の法則が当てはまる。これは、また、１０６４ｎｍの波長の光でも当てはまり、従って、平行レーザー光線は制御できずに屈折する。従って、このように光学的に粗い表面を有するワークピースを、１０６４ｎｍの波長を有するレーザー光線を使って描画する場合、光学的に滑らかな表面を有するワークピースと比較して、より高いレーザー出力を使用しなければならず、そのため、第一に方法が非効率になり、次に、熱の結合によりワークピース上に悪い効果が生ずる恐れがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そのため、本発明の課題は、光を散乱する粗い表面を介してのレーザー光の結合の効率がより良い、高エネルギー放射線、特にレーザー光線を用いたワークピースのマーキング又は描画方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この課題は、請求項１及び９に記載の本発明による方法及び装置により解決される。好ましい実施形態は従属請求項の主題である。
【００１６】
本発明の第一の側面では、高エネルギー放射線、特にレーザー光線によるワークピースのマーキング又は描画方法が提供される。その際、ワークピースは、光を散乱する表面を有し、そしてワークピースの材料は放射線の波長を透過する。さらに、ポリマーマトリックスは、放射線がポリマーマトリックスに当たる前にワークピース及びその光散乱表面を通過するように、ワークピース上に配置される。本方法は、ワークピースの光散乱表面が液体媒体又は粘弾性媒体により湿潤されるところに特徴がある。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明では、ポリマー成分に基づくいずれのマトリックスもポリマーマトリックスとして称される。ポリマー成分に加えて、マトリックスは任意の非ポリマー成分を含むことができ、主成分だけがポリマー性であるのがよい。特に「ポリマーマトリックス」という概念は、また、ベースポリマーの混合物も指す。特に好ましい実施形態において、ポリマーマトリックスは、熱硬化性ポリマーマトリックスである。ワークピースのマーキング又は描画には、熱硬化性樹脂が特に適していることが分かった。
【００１８】
液体媒体又は粘弾性媒体によるワークピースの光散乱表面の湿潤によって、光散乱表面の構造は満たされ、それにより、粗い光散乱表面は光学的に滑らかになる。それによって、表面の反射及び散乱特性が、障害となる全反射なしにかつ反射の程度を相当減らして、レーザー光線がワークピースを通過することができるように変化されるということが達成される。粘弾性媒体は、例えば、弾性フィルムキャリアを有する接着剤であることができ、この際、粘弾性フィルムキャリアは、ポリマーマトリックスであることができる。
【００１９】
ワークピースと媒体の境界面において、最小限の反射を生じさせるためには、液体又は粘弾性のある媒体がワークピースの材料と類似の屈折率を有していると有利である。
【００２０】
放射線源としては、好ましくは、ワークピースのマーキング、描写又は彫刻に適しているレーザーが使用される。例を挙げると、ファイバー結合固体ダイオードレーザー、例えば、１０６４ｎｍの波長及び１２〜１５Ｗの平均出力を有するＦＡＹｂファイバーレーザー（ファイバー増幅イッテルビウム）である。従って、６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の範囲の放射線が使用されるので、液体又は粘弾性のある媒体が６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の範囲で吸収を示さないか、又は、１０％より小さい吸収度しか持たないと有利である。ワークピースの材料に同様のことが言え、これは好ましくはガラス基材である。
【００２１】
光散乱表面は、有利には、光散乱の粗い表面を光学的に滑らかにするのに丁度十分な、液体又は粘弾性のある媒体の可能な限り薄い層で湿潤されるのがよい。しかし、媒体が蒸発及び気化することがあるので、放射の間に光散乱表面が十分に湿潤していることが保証されなければならない。これは、用途と表面の粗さに応じて、液状又は粘弾性媒体の層の厚さが２５０ｎｍ〜１０ｍｍである場合に該当することがわかった。また、有利なことには、光散乱表面を複数回湿潤させるか又は継続的な湿潤を行うことも有利であり得る。
【００２２】
本方法の好ましい実施形態の一つにおいては、ポリマーマトリックスは、光散乱表面とは反対にあるワークピースの表面と接触するように配置される。それで、湿潤した表面及びワークピースを通過する放射線は、隣接したポリマーマトリックスにおいて材料の除去を引き起こすことができ、それにより、ポリマーマトリックス成分とそこから生じた生成物がワークピース上にマーキングまたは描画として堆積することができる。マーキングまたは描画のためには、ポリマーマトリックスより供されそして放射線によって誘起された材料の除去により反応に利用可能となった反応体から化学反応の後に生ずる生成物を堆積させることが好ましい。また、このためには、この化学反応を開始させるかもしくは促進するために、更なる放射線も使用することができる。
【００２３】
ポリマーマトリックスは、例えば、チタン供与体並びに炭素供与体を有することができる。その際、チタン供与体としては、純粋なチタン、又はエネルギーの作用下で短期間で反応体としての遊離チタンを提供できる適性（Ａｆｆｉｎｉｔａｅｔ）を有する チタン化合物が使用される。場合によっては、遊離チタンの提供は、チタン含有中間体を経由して行うこともできる。炭素供与体は、特にエネルギー放射下で、遊離炭素を提供する。炭素供与体は、炭素化合物及び／又は遊離の結合していない炭素とすることができる。この炭素供与体は、ポリマーマトリックスそれ自体から供することができ、しかし、例えばカーボンブラックの形態で、追加の炭素成分も存在することができる。それに加えて、ポリマーマトリックスは、さらなる成分、例えば、ポリマー、吸収剤などを含むこともできる。放射線により、例えば、チタン化合物及び炭素化合物の分解により、反応体としてのチタン及び炭素が提供され、そして、更なる放射線の作用により、所望の生成物として炭化チタンが形成される。好ましくは、１７００℃〜２２００℃の局所的な温度において、二酸化チタンは、カーボンブラック若しくは純粋グラファイトにより還元され、炭化チタンと一酸化炭素となる。その際、放射線が、反応に必要な温度を生じさせる。
【００２４】
ポリマーマトリックスは、主に、粉末化を伴ってレーザー放射に反応し、それにより個々の反応体、とりわけチタン及び炭素が放出され、これらを炭化チタンへの反応に利用できるように形成される。ワークピース上に堆積した炭化チタンは、可視の波長範囲で透明ではないので、ワークピースのマーキング又は描画として役立つ。
【００２５】
マーキング又は描画の後は、光散乱表面から液体媒体又は粘弾性媒体を再度取り除くことが好ましい。なぜならば、光散乱性の粗面の光学的な平滑さは、場合によっては、ワークピースの後の用途に望ましくないからである。例えば、太陽電池カバーのガラス表面は、光結合を改善するために意図的に粗面化または構造化され得る。
【００２６】
本発明の第二の側面では、レーザー光線によりワークピースをマーキング又は描画するための装置が提供される。ここで、該装置はレーザー光源及びワークピースのためのホルダーを備え、ここで、このホルダーは、（光散乱表面を有し、材料がレーザー光線の波長に対し透明でありかつポリマーマトリックスと接触している）ワークピースを、放射線がポリマーマトリックスに当たる前にワークピース及びその光散乱表面を通過するように、レーザー光線の経路に保持するようにデザインされているものであって、該装置は、さらに、材料の光散乱表面を液体媒体又は粘弾性媒体により湿潤させるようにデザインされた分配ユニットを有していることを特徴としている。
【００２７】
従って、材料の光散乱表面を液体媒体又は粘弾性媒体により湿潤させるようにデザインされた分配ユニットは、マーキング又は描画の間、光散乱表面が充分に湿潤することを保証することができる。
【００２８】
該装置は、光散乱表面より液体媒体又は粘弾性媒体を再度取り除くために、除去ユニット、例えば、ワイパー、乾燥器又は吸引器などを備えていることが好ましい。
【００２９】
以下においては、本発明の方法の有利な実施形態を添付の図面に基づいてさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、ワークピースの光散乱性の粗面でのレーザー光線の散漫反射を示したものである。
【図２】図２は、光散乱性粗面の湿潤による散漫反射の減少を示したものである。
【００３１】
図１には、表面５上でマーキング又は描画されるワークピース３にレーザー光線１がどのように向かうかが示されている。ワークピース３の表面５上にポリマーマトリックス７が配置され、これは表面５と接触する。ワークピース３はレーザー光線１の波長を透過するのに対して、ポリマーマトリックス７は、主としてレーザー光線１を吸収する。レーザー光線１は、マーキングされる表面５の反対側にあるワークピース３の粗い光散乱表面９を介してワークピース３中に入り、ワークピース３を通過し、レーザー光線１を吸収するポリマーマトリックス７に当たる。ただし、レーザー光線１のわずかでない部分がワークピース３の粗い光散乱表面９を透過せず、その代りに、散漫反射として、図１の放射状の矢印に示したように反射する。従って、その結果、レーザー光線１の一部のみがポリマーマトリックス７に到達する。それによって、レーザー光線１の出力密度を、マーキング又は描画のためのポリマーマトリックス７への十分なエネルギー伝達を達成できない程に、ワークピース３内で大きく減少させることができる。ポリマーマトリックス７中で粉末化及び解重合が生じることができず、その結果、ポリマーマトリックスの成分又はその結果として生じる生成物がワークピース３の表面５にマーキング又は描画として堆積することができない。それで、レーザーの出力を増加させなければならないであろうし、そしてこのことは、この方法を不効率なものとし、またワークピースは、不必要に又は場合によっては損傷を与える程に加熱されてしまうであろう。
【００３２】
図２には、ワークピース３の粗い光散乱表面９を湿潤させる液体１１、例えば水の作用が示されている。注ぎ口（Tuelle）、ピペット又は他の液体ノズルの形の分配ユニット１３により、マーキング又は描画の前又はその過程で、粗い光散乱表面９に液体１１が供される。それによって、表面９は光学的に滑らかになる。というのも、液体１１は、ガラス基材であるワークピース３の材料と類似の屈折率を有するからである。この際、ワークピース３と液体１１の間の境界面では散漫反射は生じない。
【００３３】
そうして、レーザー光線のより大きな割合がワークピース３中に結合し、その結果、該方法が効率が良く、そしてレーザーの出力を増加させることもなく、マーキング又は描画のためのポリマーマトリックス７への十分なエネルギー伝達を得ることができる。すなわち、この際、レーザー光線１の作用によって、ポリマーマトリックス７中で局所的な粉末化と解重合が生じ、ここで、ポリマーマトリックスの成分又はそこから生じる生成物がワークピース３の表面５にマーキング又は描画として析出する。
【符号の説明】
【００３４】
１  レーザー光線
３  ワークピース
５  表面
７  ポリマーマトリックス
９  表面
１１  液体
１３  分配ユニット
【図１】
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【図２】
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