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Dokumentenidentifikation DE69703339T2 12.04.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0861155
Titel HERSTELLUNGSVERFAHREN EINER GEMUSTERTEN OBERFLÄCHE AUF EINEM TRANSPARENTEN KÖRPER
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder BOSMAN, Johan, NL-5656 AA Eindhoven, NL;
VAN KOOYK, Jean, Raymond, NL-5656 AA Eindhoven, NL
Vertreter Gößmann, K., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 90419 Nürnberg
DE-Aktenzeichen 69703339
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.07.1997
EP-Aktenzeichen 979273372
WO-Anmeldetag 09.07.1997
PCT-Aktenzeichen IB9700851
WO-Veröffentlichungsnummer 9812055
WO-Veröffentlichungsdatum 26.03.1998
EP-Offenlegungsdatum 02.09.1998
EP date of grant 18.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2001
IPC-Hauptklasse B41M 5/24
IPC-Nebenklasse C03C 23/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenmarkierung auf einer Oberfläche eines Körpers aus durchlässigem Material, wobei ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ benutzt wird, für die das Material nahezu transparent ist.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Europäischen Patentanmeldung EP 531 584 bekannt. Bei dem darin beschrieben Verfahren wird eine Schicht aus einem Hilfsmaterial unmittelbar auf der Oberfläche angebracht. Dieses Material umfasst wenigstens zwei verschiedene Spezies eines Übergangsmetallions, dessen Wertigkeit und/oder Atomnummer anders ist (beispielsweise Ti³&spplus; und Ti&sup4;&spplus;, oder Ti³&spplus; und Fe³&spplus;). Wenn dieses Material nachher mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge in dem Bereich von 300-1600 nm bestrahlt wird, wobei ein erhitztes Plasma in dem Hilfsmaterial erzeugt wird und dieses Plasma und die Oberfläche des durchlässigen Materials sich gegenseitig beeinflussen, wobei die Oberfläche örtlich geätzt wird. Nach dem Ätzvorgang wird die Hilfsmaterialschicht von der Oberfläche entfernt.

Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues alternatives Verfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung erfüllt durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art, mit dem Kennzeichen, dass dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

(a) das Anbringen einer Schicht aus einem Hilfsmaterial auf der Oberfläche, wobei dieses Hilfsmaterial bei der Wellenlänge λ absorptiv ist;

(b) das Ausrichten eines Laserstrahls durch den Körper hindurch auf die Schicht, damit diese örtlich erhitzt wird und die Schicht eine Ablation durchmacht.

Die Erfinder haben nun gefunden, dass wenn die Hilfsschicht bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung auf diese Art und Weise eine Ablation durchmacht, sie (örtlich) gegenüber der benachbarten Oberfläche des durchlässigen Körpers expandiert, wodurch diese einer Kraft ausgesetzt wird, die verursacht, dass örtlich eine mechanische Aufrauhung der Oberfläche auftritt, ohne dass eine wesentliche Rissbildung auftritt. Eine derartige Aufrauhung führt zu einer gut sichtbaren und dauerhaften Markierung (beispielsweise ein mattes Muster auf einer glänzenden Oberfläche). Es sei jedoch erwähnt, dass es nicht unbedingt notwendig ist, dass das Hilfsmaterial bei der Bestrahlung über die ganze Tiefe eine Ablation durchmacht: im Grunde braucht nur ein Oberflächenteil der Hilfsschicht eine Ablation durchzumachen.

Zwischen dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung und dem bekannten Verfahren gibt es wesentliche Unterschiede. Und zwar:

- das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist ablativ und verursacht keine wesentliche Schmelzung des Hilfsmaterials. Das bekannte Verfahren aber gründet auf der Erzeugung eines Plasmas einer hohen Temperatur in dem Hilfsmaterial;

- der Markierungsmechanismus bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist mechanisch, während dies bei dem bekannten Verfahren (chemo)physikalisch ist;

- bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung braucht das Hilfsmaterial nicht unmittelbar auf der Oberfläche des durchlässigen Körpers angebracht zu werden, sondern kann stattdessen auf einer separaten Platte vorgesehen werden, die danach gegen die genannte Oberfläche gepresst wird. Bei dem bekannten Verfahren aber wird das Hilfsmaterial unmittelbar auf der Oberfläche angebracht;

- wie nachstehend noch näher erläutert wird, ist das Hilfsmaterial nach der vorliegenden Erfindung relativ unkompliziert (beispielsweise ein Oxid oder Nitrid eines einzelnen Elementes), dies im Gegensatz zu dem Hilfsmaterial des bekannten Verfahrens, das zwei spezifische Spezies von Übergangsmetallionen aufweisen soll.

Beispiele von durchlässigen Materialien, die bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden können umfassen Silikate, wie Glas und Quarz, sowie Kunststoffe, wie Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) und Polyäthylenterephthalat (PET).All diese Materialien sind nahezu transparent für sichtbares Licht und IR-Wellenlängen. Es sei jedoch bemerkt, dass es für die Erfindung nicht unbedingt erforderlich ist, dass der durchlässige Körper eine bestimmte Form (beispielsweise eine planare Geometrie) hat, solange die (der Teil der) zu mar kierende(n) Oberfläche in unmittelbaren Kontakt mit der Schicht des Hilfsmaterials gebracht werden kann, entweder durch Adhäsion der letzteren zu der erst genannten Fläche oder durch Nebeneinanderlegung der beiden. Die zu markierende Oberfläche kann deswegen beispielsweise eine rohrförmige, kegelförmige oder sphärische Geometrie haben, so dass das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann zum Markieren von Oberflächen von Gegenständen, wie Flaschen, Lampenkolben, Wiedergaberöhren usw., sowie von flachen Gegenständen, wie Glasscheiben.

Geeignete Laser zum Einsatz bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung und insbesondere in Kombination mit den oben genannten Materialien umfassen beispielsweise Nd : YAG-Laser [λ 1064 nm), in der Frequenz verdoppeltes Nd : YAG-Laser [λ 532 nm), Kupfer-Vakuumlaser [λ 511 und 578 nm) und (in der Frequenz verdoppelte) diodengepumpte Halbleiterlaser (beispielsweise λ 532 nm). Solche Laser können entweder kontinuierlich oder pulsierend sein (beispielsweise Qgeschaltet). Eine besondere Wahl ist Nd : YAG, da solche Laser relativ preisgünstig sind, eine kurze Impulszeit haben (was zu einer relativ hohen Strahlungsintensität führt), und zusammen mit einfachen Glaslinsen und mit einfacher Glasfaseroptik benutzt werden können.

Die gewählte Leistung des benutzten Laserstrahls wird u. a. abhängig sein von dem Wert von λ, von der Wahl des Hilfsmaterials, der Breite des benutzten Laserstrahls und von der Frage, ob der Laser pulsierend sein soll oder nicht. Als Faustregel haben die Erfinder gefunden, dass Laserstrahlen der Größenordnung von etwa 2 · 10&sup9; J/cm² (je Impuls) und höher bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung befriedigende Ergebnisse liefern.

Gewünschtenfalls kann die Schicht des Hilfsmaterials unmittelbar auf der zu markierenden Oberfläche angebracht werden, beispielsweise dadurch, dass eine Suspension oder eine Lösung des Materials durch Aufstreichen mit einer Pinsel, in einem Spritzvorgang oder in einem Schleuderverfahren auf der Oberfläche angebracht wird. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht es aber auch, dass die Schicht des Hilfsmaterials auf einem einzelnen Körper (beispielsweise einer metallenen oder Kunststoffplatte, oder auf einer biegsamen Folie) angebracht wird, so lange das Hilfsmaterial auf diesem Körper in engen Kontakt mit der zu markierenden Oberfläche gebracht werden kann (beispielsweise durch Klemmen). Ein Vorteil dieser letzteren Methode ist, dass unbenutzte (d. h. nicht bestrahlte) Teile des Hilfsmaterials nachher nicht von der Oberfläche des durchlässigen Materials entfernt zu werden brauchen (beispielsweise mit einem Lösungsmittel). Im Falle der oben stehenden Methode sollte ein fester Körper (wie beispielsweise eine Metallplatte) gegen die Hilfsschicht gedrückt werden, und zwar an der Seite, die von dem durchlässigen Körper abgewandt ist, so dass gewährleistet wird, dass die ablatierende Hilfsschicht genügend Kraft auf den durchlässigen Körper ausübt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass das Hilfsmaterial ein keramisches Material aufweist. Keramische Materialien haben im Allgemeinen einen relativ hohen Schmelzpunkt (in der Größenordnung von 1000 C), so dass sie relativ hohen Temperaturen des Laserstrahls ausgesetzt werden können, ohne dass sie zu schmelzen anfangen. Außerdem neigen sie zu einer relativen Sprödigkeit, so dass bei einer plötzlichen Erhitzung wesentliche innere Spannungen erzeugen können, was zu einer schnellen Desintegration führen kann. Durch diese zwei Fakten wird ein Hilfsmaterial, das wenigstens teilweise einen keramischen Bestandteil aufweist, bei Bestrahlung mit einem Laserstrahl mehr geneigt sein, eine Ablation durchzumachen als zu verdunsten, wodurch das Material sich durchaus für das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eignet.

Geeignete Beispiele keramischer Materialien, wie oben erwähnt, umfassen mehrere Oxide, wie Aluminiumoxid, Titaniumoxid und Zirkonoxid, und andere Zusammensetzungen, wie Titannitrid und Wolframkarbid, sowie Gemische zweier oder mehrerer dieser Stoffe.

Bei einer spezifischen Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung umfasst das Hilfsmaterial einen Farbstoff, der bei der Wellenlänge λ absorptiv ist. Mit dem Ausdruck "Farbstoff" wird in diesem Zusammenhang gemeint, Pigmente enthaltend. Ein derartiger Farbstoff kann notwendig sein, wenn der restliche Teil des Hilfsmaterials keinen ausreichenden Absorptionskoeffizienten bei der Wellenlänge λ hat. Die Menge eines derartigen Farbstoffs soll aber nicht zu groß sein, da eine Überabsorption des Laserlichtes zu einer vergrößerten Neigung zum Schmelzen (Verdunsten) statt zu einer Ablation des Hilfsmaterials führen kann. Beispiel von Farbstoffen, die sich für Anwendung bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eignen umfassen Rußschwarz, mehrere farbige Oxide (wie Eisenoxid oder Kupferoxid) und mehrere Phthalozyanide. Der verwendete Farbstoff kann in dem Hilfsmaterial dispergiert sein, oder auf der zu bestrahlenden Oberfläche des Materials angebracht sein.

Das Hilfsmaterial kann ebenfalls mehrere andere Bestandteil aufweisen, wie dies für eine bestimmte Anwendung erwünscht bzw. erforderlich ist. Beispiele solcher möglicher Bestandteile sind Bindemittel, Weichmacher, Lösungsmittel, Adhäsionstördermittel usw.

Es sei bemerkt, dass, wenn erwünscht, ein oder mehrere Dünnfilme aus transparentem Material zwischen der Schicht des Hilfsmaterials und der zu markierenden Oberfläche des durchlässigen Körpers vorgesehen werden können. Der Zweck solcher Filme kann beispielsweise sein, Korrosion des Hilfsmaterials zu vermeiden. Solche Filme sollten nicht zu dick sein, damit keine Kissenbildung auf dem durchlässigen Körper entsteht beim Ablationsvorgang der Hilfsschicht; im Allgemeinen entsprechen Filme mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 um dieser Anforderung.

Im Allgemeinen wird es erwünscht sein, das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung anzuwenden zum Erzeugen einer gemusterten Markierung auf einer bestimmten Oberfläche. Dies kann beispielsweise durch Abtastung der Hilfsmaterialschicht entsprechend dem gewünschten Muster mit Hilfe des Laserstrahls. Auf alternative Art und Weise ist es unter Verwendung einer Maske (Schablone) und eines verbreiterten Laserstrahls möglich, in einem Durchgang ein Muster auf die Schicht des Hilfsmaterials zu projizieren. Diese Methode wird zu einer Abnahme der je Einheit Gebiet zu dem Hilfsmaterial gelieferten Laserleistung führen, aber diese Abnahme kann gewünschtenfalls durch Verwendung eines kräftigeren Lasers am Anfang kompensiert werden. Beispiele von Mustern, die unter Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung erzeugt worden sind, umfassen Strichcodes, Buchstaben, Nummern, Embleme usw., sowie Linien und Punkte.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer bestimmten Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung des Ergebnisses der in Fig. 1 dargestellten Prozedur.

Ausführungsform 1

Die Fig. 1 und 2 zeigen einige Aspekte des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Entsprechende Merkmale in den beiden Figuren sind durch dieselben Bezugszeichen angegeben.

Fig. 1 zeigt eine schaubildliche Darstellung einer bestimmten Wirkung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt einen Körper 1 aus durchlässigem Material, was in diesem Fall eine Platte mit einer Dicke von 5 mm aus Kalknatronglas ist. Der Körper 1 hat gegenüber einander liegende Hauptflächen 1a und 1b. Eine Platte 3 mit gegenüber einander liegenden Hauptflächen 3a und 3b ist in Kontakt mit der Fläche 1b des Körpers 1 vorgesehen. Der Körper 1 ist einfach auf die Platte 3 angebracht und gegen dieselbe gedrückt, so dass die Oberflächen 1b und 3a in engem Kontakt miteinander sind.

In diesem speziellen Fall besteht die Platte 3 aus Al und wenigstens die Oberfläche 3a ist eloxiert, geschwärzt und mit einer dünnen Abdichtschicht aus Aluminiumhydroxid bedeckt. Auf diese Art und Weise ist ein Oberflächengebiet der Platte 3, das an der Oberfläche 3a endet, in eine Schicht aus Hilfsmaterial (Al&sub2;O&sub3;) umgewandelt, die mit einem dünnen, transparenten Korrosionsschutzfilm (Al(Oh)&sub3;) kaschiert ist. Die Dicke der Schicht aus dem Hilfsmaterial ist von der Größenordnung von 20 um, während die des Korrosionsschutzfilms etwa 0,75 um beträgt.

Die Eloxierprozedur in dem oben stehenden Abschnitt kann beispielsweise dadurch durchgeführt werden, dass zunächst die Oberfläche 3a aufgerauht wird und dass sie danach eloxiert wird. Danach kann durch Eintauchen der Platte 3 in eine Lösung aus Rußschwarz ein Farbstoff angebracht werden und daraufhin kann die Abdichtung dadurch durchgeführt werden, dass die Platte in eine Lösung von kochendem Seifenwasser getaucht wird. Siehe beispielsweise "Praktische Oberflächentechnik" von K. P. Müller, Vieweg Verlag, ISBN 3-528-06562-1, Paragraph 20.2 und 20.3 (Seiten 429-438).

Mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird beabsichtigt in diesem Fall eine linear Oberflächenmarkierung auf der Oberfläche 1b des Körpers 1 anzubringen. Dazu wird ein Laserstrahl 5 durch den Körper 1 hindurch auf die Oberfläche 3a gerichtet. In diesem Fall wird der Laserstrahl 5 von einen (nicht dargestellten) Q-geschalteten Nd : YAG-Laser mit einer Wellenlänge λ von 1064 nm, mit einer Leistung von 3 W, einer Frequenz von 1000 Hz und einer Impulszeit von 120 ns hergeleitet. Der Strahl 5 wird zu einem kreisrunden Punkt 7 an der Schnittstelle zwischen den Oberflächen 1b und 3a fokussiert, wobei der Durchmesser dieses Punktes 7 etwa 100 um beträgt Dadurch beträgt die der Oberfläche 3a von dem Strahl 5 gelieferte Strahlungsenergie etwa 3.8 · 10&sup9; J/cm² je Impuls.

Bestrahlung der Oberfläche 3a auf diese Art und Weise verursacht schon bald eine Erhitzung des Hilfsmaterials innerhalb des Punktes 7, was zu einer örtlichen Ablation der Schicht 3 bis zu einer Tiefe der Größenordnung von 5-15 um führt. Die auf diese Weise entstandenen Teile, die von der Oberfläche 3a eine Ablation durchgemacht haben, über eine mechanische Kraft auf die benachbarte Oberfläche 1b des Körpers 1 aus, was zu einer örtlichen Aufrauhung der Oberfläche 1b führt.

Durch Abtastung mit dem Laserstrahl 5 in Richtung des Pfeiles 9 erzeugt der Punkt 7 eine längliche Markierung 11, die in diesem Fall linienförmig ist.

Fig. 2 zeigt den Körper 1 nach Fig. 1 nach der Anwendung des Verfahrens. Der Körper 1 ist nun umgekehrt, so dass die Markierung 11 in der Oberfläche 1b an der Oberseite des Körpers 1 sichtbar ist. Die Markierung 11 ist im Wesentlichen ein aufgerauhter länglicher Teil der Oberfläche 1b, mit einer Tiefe in der Größenordnung von 15 um.

Ausführungsform 2

In einem Szenario, das sonst dem aus der Ausführungsform 1 entspricht, ist 3 nun eine Schicht aus Al&sub2;O&sub3; und wird unmittelbar auf der Oberfläche 1b des Körpers 1 angebracht, und zwar unter Anwendung des (herkömmlichen) CVD- Verfahrens. Dies kann beispielsweise unter Verwendung von Aluminiumtriacetylacetonat oder Aluminiumisopropoxid als Zwischenstoff, von Butanol als Lösungsmittel und von Luft als Trägergas durchgeführt werden, wobei eine Reaktionstemperatur (Substrattemperatur) in der Größenordnung von 420-540 Cangewandt wird. Farbe kann in der Schicht 3 angebracht werden, indem dem Zwischenstoff beispielsweise Ni(NO&sub3;)&sub2;6H&sub2;O hinzugefügt wird, was zu einem Grauton in der Schicht 3 führt (durch das Vorhandensein von NiOx). Während der Wirkung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche 3b der Schicht 3 gegen eine weiche, feste Oberfläche gedrückt (beispielsweise durch Klemmung des Gebildes 1, 3 gegen einer Metallplatte).

Nach der Wirkung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung kann das Restmaterial Al&sub2;O&sub3; von der Oberfläche 1b entfernt werden, indem die Fläche beispielsweise in wässeriges KOH oder NaOH eingetaucht wird.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenmarkierung auf einer Oberfläche eines Körpers aus durchlässigem Material, wobei ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ benutzt wird, für die das Material nahezu transparent ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

(a) das Anbringen einer Schicht aus einem Hilfsmaterial auf der Oberfläche, wobei dieses Hilfsmaterial bei der Wellenlänge X absorptiv ist;

(b) das Ausrichten eines Laserstrahls durch den Körper hindurch auf die Schicht, damit diese örtlich erhitzt wird und die Schicht eine Ablation durchmacht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durchlässige Material glasartig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl aus einem Nd : YAG-Laser erhalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmaterial ein keramisches Material ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material Oxid ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid und deren Gemischen selektiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material aus der Gruppe bestehend aus Titannitrid, Wolframkarbid und deren Gemischen selektiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmaterial einen Farbstoff aufweist, der bei der Wellenlänge λ absorptiv ist.







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