УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОК ИЗ ЖИДКОЙ ФАЗЫ И СИСТЕМА НАНЕСЕНИЯ, ЕГО ВКЛЮЧАЮЩАЯ

Настоящее изобретение относится к области формирования тонкопленочных покрытий из жидкой среды, в частности к устройствам для получения тонких пленок или покрытий, обладающих анизотропией физических свойств.
Из уровня техники известны различные типы наносящих устройств (US 4,299,789, Giesbrecht; US 4,869,200, Euverard), например аппликаторы, используемые для тестирования красителей. Для определения таких специфических характеристик, как цвет, непрозрачность, блеск, прочность, устойчивость к погодным условиям, сопротивление химическому воздействию и.т.д. необходимо, чтобы толщина покрытия была постоянной от одной операции по нанесению к другой. Кроме того, устройство должно быть достаточно универсально, чтобы иметь возможность устанавливать требуемую толщину покрытия.
Пленочные аппликаторы такого типа включает пару клиновидных элементов, расположенных параллельно, поперек которых устанавливается лезвие, формирующее покрытие. Между нижним краем лезвия и подложкой существует зазор, который определяет толщину формируемого покрытия. При перемещении лезвия вдоль клиновидных элементов изменяется величина упомянутого зазора. После установления требуемого зазора устройство фиксируется. Лезвие в аппликаторе расположено перпендикулярно направлению перемещения, и при движении формирует покрытие требуемой толщины. Это устройство достаточно универсально и обеспечивает точность достаточную для формирования лакокрасочных и пленочных покрытий. Однако этой точности, а главное способа воздействия на жидкость совершенно недостаточно для формирования качественных оптически анизотропных покрытий, особенно в многослойных интерференционных устройствах.
В настоящее время широкое применение в науке и техники нашли оптически анизотропные пленки, получаемые из ЖК растворов органических красителей. Такие пленки представляют собой тонкие слои молекулярно упорядоченных органических веществ. Плоские молекулы указанных веществ сгруппированы в ориентационно упорядоченные ансамбли - надмолекулярные (супрамолекулярные) комплексы. При нанесении такой системы на поверхность основы при наложении внешнего ориентирующего воздействия она приобретает макроскопическую ориентацию, которая в процессе высыхания раствора не только сохраняется, но может и повышаться за счет явления кристаллизации. Ось поляризации при этом направлена вдоль ориентирующего воздействия, совпадающего с направлением нанесения поляризатора. Особенности структуры рассматриваемых пленок определяют необходимость разработки специальных средств для их получения (US 6,174,394, Gvon et.al; WO 02/087782, Lazarev et.al; WO 02/056066, Lazarev et.al.).
Известны различные методы формирования указанных пленок и, соответственно, различные устройства для их осуществления. Например, нанесение ЖК раствора осуществляют с помощью фильеры или ракеля, последний может быть ножевого или цилиндрического типа. Нанесение ЖК раствора на поверхность подложки может проходить с одновременным ориентированием надмолекулярных комплексов в определенном направлении. Однако известные устройства не позволяют получить воспроизводимые параметры пленки с высокой степенью анизотропии, что обусловлено нарушениями (дефектами) молекулярной структуры пленки при ее формировании. Кроме того, процесс формирования пленки требует длительной подготовительной работы по разработке условий нанесения для каждой партии сырья.
Попытки решения этих проблем приводят к созданию достаточно сложных устройств, включающих подающие жидкость каналы специальной формы, дополнительные «заглаживающие поверхность» элементы и т.д.
Из уровня техники известны различные устройства типа слот-дай (slot-die) наносящих систем, например, установка SONY (Алабама, США), система силового сдвига (Linkam Scientific, UK), реометр со скользящей пластиной (FMR at MIT, USA), и другие.
Однако остаются проблемы, связанные с сочетанием в одном устройстве всех требуемых качеств: точности, простоты настройки, возможности контроля параметров пленки, возможности формирования на одном устройстве пленок различной толщины, улучшении качества пленок путем нивелирования возможных неровностей подложки.
Уникальность настоящего изобретения заключается в создании устройства позволяющего создавать большую площадь покрытия, при высокой скорости нанесения и низком расходе материала при этом одновременно с высокой точностью контролировать толщину покрытия и его оптические параметры (матрицу Мюллера, однородность, плоскостность и т.д.). Кроме того, важной особенностью этого устройства является достаточно протяженная область зоны сдвигового воздействия.
Настоящее изобретение относиться к устройствам для контролируемого покрытия поверхности жидкими (текучими) материалами и формирования структуры покрытия посредством сдвига между двумя, скользящими друг относительно друга плоскостями. Целью заявляемого изобретения является создание устройства для формирования пленки с более совершенной структурой и улучшенными физическими параметрами, при одновременном улучшении воспроизводимости результатов, как по всей поверхности пленки, так и от серии к серии.
Система нанесения, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, включает: устройство для формирования пленки (наносящую головку) и передающее устройство, предназначенное для закрепления наносящей головки и компенсации неровностей поверхности подложки. Ниже будет описано, каким образом комбинация этих двух элементов позволяет получать тонкопленочные покрытия высокого качества.
X
Y
Z
X
X
Y
Z
Z
X
Y
Система нанесения обычно используется для формирования покрытий на плоских подложках, и дополнительно содержит подложкодержатель и средство, обеспечивающее прямолинейное относительное перемещение передающего устройства (наносящей головки) и подложкодержателя (подложки). Предмет свободно расположенный в пространстве имеет шесть степеней свободы: три поступательных и три вращательных. На Фиг.2 базовые оси обозначены, как T, T, T (ось T совпадает с направлением относительного перемещения фиксирующего устройства и подложки), а возможные направления поворота R, R, R. Передающее устройство выполнено таким образом, что при перемещении устройство для формирования пленки сохраняет только три степени свободы: поступательную - вдоль направления T и две вращательных - в направлении R, R.
Устройство для формирования пленки скользит по поверхности подложки на двух рельсах, находящихся по обе стороны моста. Жидкость для нанесения первоначально размещается перед передней кромкой моста. При работе системы жидкость попадает в щель между нижней поверхностью моста и подложкой, формируя на выходе тонкое покрытие. Благодаря мягким связям в передающем устройстве (как это было описано выше), наносящая головка следует всем неровностям подложки, формируя однородное, гладкое покрытие равной толщины. Такой метод компенсации линейных и угловых смещений, возникающих при работе системы, особенно важен в производстве тонких оптических пленок, когда размеры дефектов сравнимы с толщиной самих пленок и приводят к сильным оптическим искажениям.
Сущность настоящего изобретения поясняется следующими рисунками:
На Фиг.1 представлена система для нанесения покрытия;
На Фиг.2 представлено передающее устройство;
На Фиг.3 представлено устройство для формирования пленки;
На Фиг.4 изображен поперечный разрез устройства для формирования пленки;
На Фиг.5А иллюстрируется процесс формирования покрытия;
На Фиг.5В изображен один из вариантов выполнения моста;
На Фиг.5С проиллюстрирован выбор толщины покрытия;
На Фиг.6 схематически представлено взаимное размещение элементов моста и рельсов;
На Фиг.7 изображено поперечное сечение одного из вариантов выполнения моста;
На Фиг.8 (a)-(d) представлены варианты сечения узла соединения моста с поверхностью рельсов.
На Фигуре 1 показана система 100 для нанесения покрытия в собранном состоянии. Она включает устройство 120 для формирования пленки (наносящую головку), которая отдельно изображена на Фиг.3, и передающее устройство 110. Наносящая головка 120 устанавливается на одном крае передающего устройства 110, на другом крае которого расположен хомут 160, обеспечивающий связь со средством перемещения (на Фигуре не показано). Раствор вещества, из которого будет сформировано покрытие, наносят на подложку 105 перед передней частью наносящей головки. При относительном перемещении подложки 105 (на Фигуре 1 слева на право), раствор продавливается через зазор под наносящей головкой, формируя за ней тонкопленочное покрытие.
Все ссылки на перемещение наносящей головки относительно подложки и направление перемещения в описании настоящего изобретения носят относительный характер. На практике возможны различные способы обеспечения такого относительного перемещения: например, передающее устройство через хомут 160 крепится к неподвижному якорю, а подложка 105 движется вместе с подложкодержателем; подложка 105 устанавливается неподвижно, а перемещается передающее устройство 110; или оба эти устройства перемещаются навстречу друг другу. Перемещение обычно осуществляется посредством червячного механизма с шаговым двигателем. Однако настоящее изобретение не ограничивается, только этим типом движителя, в нем может быть применено любое средство перемещения, обеспечивающее равномерное движение с требуемой скоростью. Оптимальная скорость относительного перемещения выбирается в соответствии с реологическими свойствами жидкости, из которой формируют покрытие.
Одной из наиболее важных частей системы нанесения 100 является устройство 120 для формирования пленки (показано на Фиг.1 как часть общего устройства и на Фиг.3, 4 в виде отдельного элемента). Оно включает:
(1) по крайней мере, два рельса 220А и 220В. Нижние поверхности рельсов лежат в одной базовой плоскости и оба рельса имеют клин вдоль продольного направления. Нижняя сторона каждого из рельсов 220А и 220В имеет на всю длину выемку с внутренней стороны такую, что поверхность контакта рельса с подложкой (фигуры 225А и 225В соответственно) уже, чем полная ширина рельса. Поперечные размеры выемки (Фиг.4) составляют D1 - по вертикали и D2 - по горизонтали. Предпочтительно, чтобы их величина лежала в пределах от 0,05 см до 1,3 см.
Выемки в рельсах 230А и 230В препятствует растеканию наносимой жидкости 108. Часть жидкости, выдавливаемая в стороны от плоской наносящей части 250 удерживается за счет капиллярных сил в каналах, образованных этими выемками и подложкой, и не дает затекать жидкости в места контактов 225А и 225В рельсов и подложки 105. Если бы какая-то часть наносимой жидкости все же попала в места контакта устройства формирования пленки и подложки, это привело бы к неравномерности движения и, как следствию, возникновению дефектов в формируемом покрытии. Отводные каналы могут иметь и любую иную форму, позволяющую выполнять функцию отвода излишков жидкости.
Места контакта верхней части рельсов 220А и 220В с мостом 210 обозначены на Фиг.3, 4 как 235А и 235В соответственно. Плоскость, проходящая через эти поверхности, составляет с базовой плоскостью, проходящей через поверхности 225А и 225В, некоторый угол α, обычно лежащий в пределах от 1 до 60 угловых минут. Причем для обоих рельсов этот наклон может быть одинаковым или различным.
(2) Зажим 200 (соединяющее устройство) выполняет две основные функции. Во-первых, надежно соединяет мост 210 с парой рельсов 220А и 220В, при этом мост располагается между рельсами; во-вторых, позволяет прецизионно смещать элементы относительно друг друга.
Поверхности контакта моста с рельсами обозначены на Фигуре 4, как поверхности 285А и 285В соответственно. Все технические зазоры должны быть таковы, чтобы обеспечивать плотную посадку зажима и возможность точной регулировки взаимного положения рельсов и моста. По завершению регулировки, конечное положение фиксируется посредством зажимного винта 260, который, двигаясь в резьбовом отверстии 263, натягивает пружинный элемент 280. Щелевой зазор 270 обеспечивает люфт хода пружинного элемента 280, требуемый для регулировки и для фиксации конструкции.
(3) Мост 210 имеет Т-образную форму. Он плотно прилегает к внутренней поверхности рельсов 220А и 220В, которые параллельны друг другу, и к части верхней поверхности рельсов 235А и 235В соответственно. Места контакта моста с верхней поверхностью рельсов обозначены на Фиг.3, 4, как 240А и 240В. Эти поверхности имеют наклон к базовой плоскости соответствующий наклону поверхностей контакта соответствующих рельсов 235А и 235В. Таким образом, при перемещении моста вдоль рельсов происходит его смещение в вертикальном направлении так, что изменяется зазор между нижней плоской поверхностью 250 моста (называемой наносящей плоскостью или плоскостью сдвига) и базовой плоскостью. Обычно размер рельсов выбирают так, чтобы на всей их протяженности наносящая плоскость 250 располагалась немного выше базовой плоскости. Тогда при размещении наносящей головки 120 на подложке 105, между наносящей плоскостью 250 и подложкой 105 формируется рабочий зазор 237 (Фиг.4, 5А, 5С). Величина зазора 237 определяется как расстояние от средней точки наносящей поверхности 250 (центр тяжести плоской фигуры, образованной наносящей поверхностью) до поверхности подложки 105.
R
L
Следует отметить, что выше для удобства рассмотрения углы наклона пар поверхностей 240А/235А и 240В/235В брались одинаковыми, однако в рамках настоящего изобретения возможен вариант конструкции, когда углы наклона в одной паре α будут отличаться от углов наклона в другой паре α.
При работе системы для нанесения покрытий, наносящая головка скользит на двух рельсах по поверхности подложки, при этом наносящая плоскость 250 расположена на постоянной высоте над подложкой 105. Величина зазора определяет толщину формируемого покрытия 109. Ширина моста 212 (Фиг.4) определяется требуемой шириной формируемого покрытия, в то время, как протяженность зоны сдвига 217 (Фиг.5А) зависит от реологических свойств наносимой жидкости и относительной скорости перемещения подложки 105 и наносящей плоскости 250. Создание протяженной зоны сдвига 217 является характерной чертой настоящего изобретения и дает важный инструмент для использования его с разными наносимыми жидкостями, имеющими широкий диапазон различий физических свойств. Следует отметить, что на нижней поверхности моста в левой и правой части могут быть также выполнены каналы, позволяющую выполнять функцию отвода излишков жидкости, из которой формируют пленку.
Фронтальная (передняя по направлению движения) поверхность 247 моста имеет фаску 245 с радиусом кривизны R, обеспечивающую равномерное поступление наносимой жидкости 108 в зазор и однородное распределение ее под плоскостью сдвига 250. Величина радиуса R зависит, в частности, от реологических свойств наносимой жидкости 108 и относительной скорости движения подложки 105 и наносящей плоскости 250, обычно она превышает 50 мкм. На фигурах показана фаска 245 составляющая  окружности, однако в рамках настоящего изобретения могут быть использованы детали имеющие фаску с иной формой кривизны, что, прежде всего, зависит от свойств используемой жидкости.
Зона сдвига 217 простирается от места выхода фаски 245 на наносящую плоскость 250 до задней поверхности 248 моста. Пересечение наносящей плоскости 250 и задней поверхности 248 образует задний выступ 255А (Фиг.5А и 5В), являющийся прямым или острым углом (обычно он выбирается между 45° и 90°). Соответственно угол Θ между верхней гранью выступа и плоскостью нанесения больше или равен 90°. Такая форма выступа позволяет избегать «налипания» влажного слоя 109 на заднюю поверхность 248 моста, и возможных дефектов покрытия.
Обычно наносящая плоскость 250 параллельна базовой плоскости. Однако в зависимости от реологических свойств наносимой жидкости и требуемых параметров формируемого покрытия, наносящая плоскость может располагаться под некоторым углом β с базовой плоскостью (Фиг.7), который составляет до 10 угловых минут (причем передний край наносящей плоскости может быть как ниже, так и выше заднего). В некоторых случаях этот угол может доходить до 2°. Изменяя угол, можно контролировать сдвиговое усилие на наносимую жидкость 108 в рабочем зазоре и изменять режим нанесения. Изменение угла между наносящей и базовой плоскостью в устройстве обычно осуществляют путем замены моста.
Наносящая поверхность 250 должна иметь очень ровную, зеркально-гладкую поверхность с отклонением от средней величины на уровне 0,3-1 мкм. Протяженность наносящей поверхности (зоны сдвига) обычно составляет 0,6-5,2 см и превышает толщину рабочего зазора.
Рабочий зазор 237 между наносящей плоскостью 250 и подложкой 105 имеет толщину d, которая обычно лежит в пределах от 0 до 100 мкм. Толщина зазора 237 может быть изменена путем прецизионного сдвигания моста 210 вдоль рельсов. Поэтому обычно рельсы имеют длину большую, чем продольные размеры моста и зажима. Мост и зажим центруют в продольном направлении. Угол наклона α должен обеспечивать контролируемое, прецизионное изменение величины рабочего зазора с заданной точностью (обычно около 20 нм). Когда необходимо изменить параметры и/или толщину наносимого покрытия, наносящую головку 120 вынимают из системы 100 для нанесения покрытий и устанавливают в специальное устройство. Сначала выверяют соноправленность плоскости нанесения 250 и контактных плоскостей 225А/225В. Затем сдвигают рельсы 220А/220В относительно моста на требуемую величину (которая рассчитывается по известному углу α), что приводит к изменению величины зазора между поверхностями контакта 225А/225В и наносящей плоскостью 250.
Первоначальный рабочий зазор (реперная точка) может быть установлен по интерференционной картине, возникающей при многократных отражениях светового луча между наносящей плоскостью 250 и тестовой стеклянной пластинкой, расположенной на поверхностях контакта 225А/225В.
Хотя выше мост 210 описывался как монолитная деталь, настоящее изобретение предусматривает возможность выполнения моста из двух или более различных элементов. Такая конструкция моста может предоставить дополнительные функциональные возможности.
Одно из возможных конструктивных воплощений моста 210 представлено на Фиг.7. Мост состоит из двух клиновидных деталей 215 и 216, имеющих возможность сдвигаться в продольном направлении. Угол наклона каждого из клиньев к базовой плоскости равен углу γ<α. Такая конструкция моста дает дополнительные возможности для тонкой регулировки величины рабочего зазора d.
Мост 210 может быть также целиком или в какой-то своей части изготовлен из прозрачного материала. Это предоставляет дополнительные возможности для контроля процесса нанесения и юстировки устройства.
Места контакта моста с поверхностью рельсов должны обеспечивать с одной стороны надежность и прочность соединения, а с другой - точное и свободное перемещение их относительно друг друга. На Фиг.8 (a)-(d) представлены сечения четырех возможных вариантов исполнения таких узлов, которые могут обеспечить требуемые свойства. Однако настоящее изобретение не ограничивается только приведенными вариантами и допускает любые типы соединений, отвечающие описанным выше условиям.
Система 100 для формирования покрытий обычно предусматривает два одинаковых клиновидных рельса 220А и 220В. Однако настоящее изобретение допускает возможность использования и других конфигураций рельсов. На Фиг.6 схематически представлены требования к исполнению и взаимному размещению элементов моста и рельсов. Минимальными зонами контакта между мостом 210А и рельсами 221А и 221В являются отрезки прямых, обозначенных на Фигуре как TW1 и TW2. Аналогично зоны контактов между рельсами 221А и 221В и подложкой 105 обозначены через прямые TS1 и TS2. Пары прямых TW1/TW2 и TS1/TS2 должны лежать в непараллельных плоскостях. При настройке и функционировании системы все смещения областей контактов перечисленных элементов будут происходить вдоль названных прямых. Таким образом, при необходимости можно выбрать конструкцию элементов системы, опираясь на описанные требования.
Самые лучшие покрытия на этой системе нанесения получаются, когда наносящая головка при своем движении сохраняет три степени свободы, как это было описано ранее.
X
Z
Y
Это достигается за счет специальной конструкции передающего устройства 110. Оно включает переднюю часть (скобу) 130 с крепежным хомутом 160 и заднюю часть (скобу) 140, которые соединены между собой гибкими пластинами 150. Таких пластин может быть одна или несколько. Зажим 200 прилегает к задней скобе 140 и фиксируется винтом через отверстие 180 так, чтобы сохранить возможность его поворота в направлении R. Гибкие пластины 150 оставляют для наносящей головки свободу поступательного перемещения вдоль оси T и поворота в направлении R. Амплитуда движений должна соответствовать неровностям подложки и может составлять величину от нескольких микрон до сотен микрон. Нагрузки на систему должны лежать в пределах упругой деформации элементов 150.
Система может функционировать как при прямом ходе, так и при обратном. При прямом ходе, задняя часть передающего устройства 110 соединяется с передней поверхностью соединяющего устройства (стороны 147 зажима 200), при этом наносящая головка 120 «протягивается» над подложкой 105. Для изменения направления движения зажим с наносящей головкой разворачивается на 180° и крепится к задней скобе 140 стороной 145. При такой работе передающее устройство 110 будет толкать наносящую головку 120.
Пример использования:
Настоящее изобретение было использовано для производства тонких оптически анизотропных пленок. Подходящей жидкостью для получения таких пленок являются жидкие коллоидные системы с анизометрическими частицами, в частности, лиотропный жидкие кристаллы органических красителей.
Например, это могут быть органические красители такие, как индантрон (Vat Blue 4), или дибензоимидазол 1,4,5,8-нафталинтетракарбоновой кислоты (Vat Red 14), или дибензоимидазол 3,4,9,10-перилентетракарбоновой кислоты, или хинакридон (Pigment Violet 19) и другие, производные которых или их смеси образуют стабильную лиотропную жидкокристаллическую фазу.
При растворении такого органического соединения в подходящем растворителе, образуется коллоидная система (жидкокристаллический раствор) в которой молекулы объединяются в супрамолекулярные комплексы, являющиеся кинетическими единицами системы. ЖК является предупорядоченным состоянием системы из которого в процессе ориентации супрамолекулярных комплексов и последующего удаления растворителя образуется анизотропная кристаллическая пленка (или в других терминах пленочный кристалл).
Коллоидная система должна также обладать свойством тиксотропии, когда вязкость среды при определенной температуре и заданной концентрации дисперсной фазы зависит от величины приложенного внешнего воздействия. Степень и характер этого воздействия должны обеспечивать необходимую ориентацию кинетических частиц в коллоидной системе и сформировать упорядоченную структуру для получаемой пленки.
Конструктивные особенности устройства, которые были описаны выше, позволяют создавать однородное ламинарное течение наносимой жидкости на подложке и развивать необходимые сдвиговые (ориентирующие) усилия, что приводит к созданию однородного анизотропного покрытия с ровной гладкой поверхностью.
Анизотропная пленка может быть также сформирована из неорганических ЖК, например основанных на оксогидроксиде железа или оксиде ванадия, демонстрирующих анизотропные электрические и магнитные свойства.
Использование настоящего изобретения не ограничивается только формированием покрытий из ЖК и коллоидных систем с анизотропными частицами. Любая жидкость способная формировать покрытие, может быть использована для создания высококачественного однородного слоя с помощью описанной системы.
В качестве подложки 105 могут быть использованы пластины из пластика, стекла, а также других материалов (включая полимерные пленки). Предпочтительно, чтобы перед нанесением поверхность подложки была обработана тем или иным способом (например, коронным разрядом, поверхностно-активными веществами и т.д.) для предания всей поверхности однородных гидрофильных свойств. В качестве подложкодержателя обычно используют вакуумный стол, который обеспечивает неподвижность подложки в процессе формирования пленки и выравнивание ее поверхности.
Система нанесения созданная на основании настоящего изобретения является универсальным устройством, позволяющим достичь хороших результатов при относительной простоте и высокой надежности использования. Устройство позволяет формировать покрытия:
- при скорости нанесения до 1000 мм/с;
- с низким расходом материалов;
- из жидкостей с высокой вязкостью;
- точное выдерживание толщины покрытия (диапазон толщин от 0 до 100 мкм);
- ширина зоны нанесения до 30 мм.
Заявляемая полезная модель не исчерпывается только описанными вариантами, а включает также иные конструкторские решения, позволяющие достичь заявленного результата, и отражающие дух настоящего изобретения.