Устройство для нанесения наноразмерных покрытий на гибкие полимерные подложки большой площади

Предлагаемая полезная модель относится к области аэрозольного распыления жидкости для формирования покрытий из углеродных наноразмерных материалов с размером частиц менее 100 мкм на гибких полимерных подложках для задач микро и оптоэлектроники.
В качестве прототипа выбрано устройство для нанесения на движущуюся ленту неорганических покрытий в вакууме методом химического осаждения (патент RU №69520), содержащее корпус реактора, в котором с возможность перемещения установлена лента, с одной стороны которой установлено средство нагрева в виде лампы, например, галогеновой, обеспечивающей бесконтактный нагрев ленты, а с другой стороны ленты - средство для подачи паров, выполненное с возможностью подачи потока паров компонентов наносимого материала перпендикулярно поверхности ленты.
Недостатком известного устройства для нанесения тонких пленок является то, что:
- отсутствует возможность работы с нестабильными дисперсиями, например дисперсиями углеродных нанотрубок, графена или оксида графена;
- отсутствует возможность их автоматизированного смешивания;
- отсутствует возможность послойного нанесения нескольких дисперсий в едином процессе;
- отсутствует возможность использования гибких полимерных подложек;
- отсутствует возможность быстрой смены растворов.
Известен патент RU №142202, в котором описано устройство нанесения прозрачных электропроводящих покрытий, содержащее камеру, в которой, с возможностью перемещения, установлена лента, над лентой размещено средство для подачи компонентов наносимого материала перпендикулярно поверхности ленты, при этом лентопротяжный механизм имеет возможность дискретного вращения вокруг своей оси и выполнен в виде съемных барабанов, зона от периферии ленты к стенкам камеры закрыта экраном, имеющим отверстия, средство для подачи компонентов наносимого материала выполнено в виде капельницы, а камера снабжена клапанами для возможности продувки камеры инертным газом. При этом устройство полностью автоматизировано и имеет программное обеспечение.
В отличие от описанного выше патента в предлагаемом к патентованию устройстве формирование покрытия осуществляется за счет микрокапель раствора, осаждаемых на поверхность аэрозольно, что обеспечивает лучшее покрытие поверхности, отсутствие конгломератов при высыхании. При этом возможно нанесение по шаблону, заранее сформированной траектории движения держателя образцов, полностью покрывающей площадь образца для нанесения покрытия.
Задачей настоящего технического решения является возможность нанесения нескольких типов углеродных наноматериалов с размерами частиц менее 100 мкм из дисперсий различных растворителей на гибкие полимерные подложки с обеспечением формирования однородных по площади покрытий в едином процессе распыления.
Это достигается тем, что устройство для автоматизированного итерационного аэрозольного распыления растворов содержит два программно управляемых шприцевых насоса, соединенных через клапаны с емкостью для забора раствора и цилиндрической емкостью для распыления, сообщающейся с распылительным узлом, выполненным в виде емкости распыления и пневматической распылительной форсунки, расположенной перпендикулярно держателю для гибкой полимерной подложки; снаружи ко дну цилиндрической емкости для распыления прикреплен ультразвуковой преобразователь с осевым отверстием; под распылительной форсункой на оси симметрии потока распыления закреплен датчик потока; шприцы с раствором в шприцевых насосах выполнены быстросменными; держатель для гибкой полимерной подложки установлен на координатный стол, перемещающийся по трем осям по заданной программе; устройство выполнено с возможностью нанесения на гибкие полимерные подложки, причем распылительная форсунка выполнена с возможностью распыления раствора итерационно, посредством автоматизированного управления процессом по программе.
Предложено использовать два шприцевых насоса, в которых закреплены сменные шприцы, обеспечивающие быструю смену используемого типа дисперсии. Дисперсия поступает из шприцевого насоса в емкость для распыления, в которой осуществляется ультразвуковая обработка дисперсии в течение краткого промежутка времени за счет кольцевого пьезорезонатора, затем дисперсия подается на форсунку для распыления пневматическим способом. При этом возможно использование дисперсии со временем коагуляции более 20 с. Вязкость используемых дисперсий ограничена конструкцией форсунки аэрозольного распыления и не превышает 10 сСт.
В качестве подложки для нанесения дисперсии используется гибкая полимерная подложка, которая крепится на подвижном координатном столе и, за счет автоматизации шаговыми моторами, обеспечивает полное покрытие площади гибкой полимерной подложки осаждаемой дисперсией. В процессе нанесения дисперсии через пневматическую форсунку обеспечивается поток сжатого воздуха или иного газа не менее чем на 3 порядка больший, чем поток жидкости, для обеспечения формирования микроразмерных капель в процессе полета капли до подложки, а также обеспечения ускоренного испарения жидкости из объема микрокапель. Осаждение аэрозольных микрокапель осуществляется итерационно в диапазоне от 0,5 до 2 с распыления в одной точке, что необходимо для оптимального удаления остаточного растворителя из объема осаждаемых микрокапель и формирования однородного по толщине покрытия на основе наноматериалов. Время нахождения распылительной пневматической форсунки в точке распыления определяет характер высыхания покрытия. Поток дисперсии при таком аэрозольном распылении должен составлять не более 0,05 мл/мин, для оптимального времени высыхания микрокапель на поверхности образца. Описываемый итерационный способ нанесения позволяет за счет подвижного держателя образцов формировать покрытия по заранее определенной траектории движения распылительной форсунки, тем самым достигая тех же результатов, например, что и при использовании теневой маски. При этом, за счет неподвижно закрепленной распылительной форсунки и подвижного держателя образцов, обеспечивающего перемещение образца в плоскости XYZ, исключается возможность внесения загрязнений на поверхность подложки за счет падающих частиц (например, высыхающих частиц распылительной форсунке, т.к. аэрозоль оседает везде в камере распыления, а не только на подложке) с движущихся над поверхностью подложки частей и узлов устройства, что также повышает качество выхода годных структур за счет отсутствия дефектов покрытия.
В предлагаемом к патентованию устройстве предложен и реализован режим послойного нанесения двух и более дисперсий в едином технологическом процессе распыления за счет установки нескольких шприцевых насосов, программа управления которыми обеспечивает своевременную подачу и дозирование заданного оператором объема дисперсии в распылительную форсунку. Это может быть востребовано для формирования композиционных слоев различных материалов, например при послойном формировании проводящих и непроводящих слоев, например, углеродные нанотрубки/оксид графена, что может быть востребовано для задач микроэлектроники при создании датчиков газа и мембран, а также задач оптоэлектроники и солнечной энергетики
Так как предполагается использование дисперсий с различными типами растворителей, в том числе агрессивных растворителей, все соединительные трубки и внутренние узлы выполнены из коррозионностойких материалов (фторопласт для соединительных шлангов и емкостей и нержавеющая сталь или титан для распылительной форсунки). Ограничение размера используемых для нанесения наноматериалов в 100 мкм обусловлено диаметром внутреннего распылительного канала пневматической форсунки для распыления, диаметр которой составляет не более 300 мкм. При использовании частиц размером более 100 мкм дисперсия будет забивать форсунку и воспроизводимость нанесения снизится. При этом увеличение диаметра канала форсунки приведет к увеличению потока распыления дисперсии и, как следствие, к снижению скорости испарения остаточного растворителя из объема формируемого слоя в процессе итерационного распыления.
Актуальность формирования покрытия обусловлено проблемойбездефектного формирования однородных по площади и толщине покрытий из наноматериалов при толщине покрытий до 200 нм без конгломератов на поверхности, которые формируют дефекты в дальнейшем. Например, при формировании сетки углеродных нанотрубок в качестве прозрачного проводящего подслоя конгломераты из углеродных нанотрубок, способствуют формированию проколов верхнего формируемого слоя, что приводит к шунтированию последующих наносимых не проводящих слоев. Обеспечение формирования воспроизводимых по параметрам покрытий из наноматериалов является актуальной задачей. Также в случае формировании низкоплотной сетки углеродных нанотрубок важно добиться равномерного распределения материала по поверхности подложки без формирования отдельных островков и конгломератов, не связанных в единую сетку, т.к. такие дефекты приведут лишь к снижению проводимости слоя. Предложенное к патентованию устройство позволяет формировать как высокоплотные сетки углеродных нанотрубок (Фиг. 3), так и низкоплотные сетки углеродных нанотрубок (Фиг. 4) отличающиеся высокой степенью однородности по толщине и площади.
Также, за счет подвижного трехкоординатного держателя образцов, при неподвижной форсунке распыления, обеспечивается режим нанесения раствора по заданной траектории, что позволяет избавиться от теневой маски для нанесения материала. Размеры трехкоординатного держателя технически возможно масштабировать до необходимого заполнения площади образца, что обеспечивает широкий диапазон применения подложек для нанесения.
Предлагаемое к патентованию устройство полностью автоматизировано и имеет программное обеспечение, позволяющее задать параметры дозации раствора, режима распыления раствора, параметров ультразвуковой обработки и траектории перемещения держателя образца.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства.
На Фиг. 2 представлена схема расположения узлов устройства.
На Фиг. 3 представлено АСМ изображение высокоплотной сетки углеродных нанотрубок, осажденных на поверхность полиэтилентерефталата методом аэрозольного итерационного распыления.
На Фиг. 4 представлено АСМ изображение низкоплотной сетки углеродных нанотрубок, осажденных на поверхность полиэтилентерефталата методом аэрозольного итерационного распыления.
Устройство работает следующим образом.
Включается установка путем запуска управляющего компьютера (12). Шприцы (3) объемом от 5 до 20 мл с предварительно залитым раствором помещаются в быстросъемное крепление шприцевых насосов (1). Производится ввод параметров раствора из калибровочных таблиц в программе распыления, а также параметры подложки и характер перемещения держателя образцов под форсункой распыления. Устанавливается подложка (10) для распыляемого раствора на держателе образцов (11). Производится запуск распыления. Включается подача сжатого воздуха через распылительную пневматическую форсунку (9). Открывается клапан подачи (4) заданного раствора и осуществляется подача раствора с помощью шприцевого насоса в емкость для распыления. Дозация раствора производится автоматически по заранее откалиброванной программе распыления для каждого типа раствора. Шаговый двигатель (2) осуществляет поступательное перемещение штока шприца. Раствор поступает по каналу подачи в цилиндрическую емкость для распыления (6), причем клапан сброса давления (5) открыт, а клапан дозации (8) закрыт. После дозации необходимого объема клапан подачи (4) закрывается. В случае использования нестабильных дисперсий или для смешивания двух различных растворов, поступающих из разных шприцевых насосов, включается ультразвуковая обработка раствора посредством подачи питания на расположенный в нижней части цилиндрической емкости для распыления ультразвуковой преобразователь (7) с осевым отверстием. Затем осуществляется подача раствора в распылительную форсунку (9) посредством одновременного открытия клапана дозации (8) и клапана сброса давления (5). Осуществляется распыление раствора. В случае использования нестабильных дисперсий через определенный интервал времени, заданный в программном обеспечении, осуществляется закрытие клапана дозации (8) и проводится ультразвуковая обработка раствора в течение 5-10 с. Затем клапан дозации (8) открывается. Данная операция осуществляется необходимое количество раз и необходима для исключения коагуляции раствора и забивания сопла распыления. Под распылительной форсункой (9) на оси симметрии потока распыления закреплен светодиодный датчик потока (13), программно фиксирующий уровень потока распыления и, через систему обратной связи, подающий сигнал управляющей электронике управляющего компьютера (12) для дозации новой порции раствора, поступающего в емкость для распыления. После распыления заданного объема раствора клапан дозации (8) закрывается и производится заливка нового объема раствора.
Источники информации
1. Патент RU №69520.
2. Патент RU №42202.