Вакуумний випарник органічних барвників

Номер патенту: 90001

Опубліковано: 12.05.2014

Автор: Сєрик Микола Миколайович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Вакуумний випарник органічних барвників, що складається з тигля з термостійкого, інертного до органічного барвників матеріалу з вбудованим датчиком температури, резистивного нагрівача та механічного активатора з електромеханічним приводом, який відрізняється тим, що функції резистивного нагрівача та джерела освітлення суміщені в одному конструктивному елементі у вигляді багатовиткової спіралі, випарник містить у своєму складі тепловий екран, який узгоджує теплопродуктивність та силу світла резистивного нагрівача, джерело світла випромінює в спектральному діапазоні 400-2500 нм з силою світла 10-50 кд.

Текст

Дивитися

Реферат: UA 90001 U UA 90001 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вакуумний випарник органічних барвників призначений для застосування у вакуумній техніці електронної промисловості і може бути ефективно використаний для нанесення тонких плівок та багатошарових структур органічних барвників для потреб нано- та оптоелектроніки, зокрема при розробці та виготовленні приладів на основі органічних тонких плівок, органічних світловипромінюючих структур, фотоприймачів, сонячних елементів, органічних транзисторних структур, сенсорів. Відомі резистивні випарники органічних матеріалів Point Source Evaporator Deposition Sources for Organic Materials, компанії Kurt J.Lesker Company (http://www.lesker.com) виконані у формі циліндричного тигля з інертного термостійкого матеріалу. Поверх резервуара випарника розташовуються нагрівальна спіраль і тепловий екран, виготовлені, наприклад, з танталової або молібденової фольги, які реалізують радіаційне нагрівання випарника. За допомогою теплопередачі органічний матеріал в тиглі нагрівається і випаровується. Недоліками подібних випарників є: висока температура випарника для випаровування органічного барвника, необхідність поступового підвищення температури в процесі випаровування, що призводить до розкладу органічного барвника. Як прототип приймаємо найбільш близький пристрій за конструктивним виконанням до винаходу, який описано у патенті США US20080166472 А1, МПК С23С16/448, С23С16/18, публ. 10.07.2008 [1]. Випарник містить спеціально сконструйований тигель з вбудованою системою обертання робочих органів (механічний активатор). Поверх тигля випарника розташовано нагрівальну спіраль, що забезпечує радіаційне нагрівання випарника. При ввімкненні випарника відбувається нагрів тигля та завдяки теплопередачі органічний матеріал в тиглі нагрівається і випаровується. Додаткове ввімкнення механічного активатора під час розігріву призводить до перемішування органічного барвника всередині тигля, і як наслідок до більш рівномірного прогріву барвника в товщі шару, який сублімується. Недоліком даного випарника є висока температура для випаровування органічного барвника, необхідність поступового підвищення температури в процесі випаровування, що призводить до розкладу органічного барвника і як наслідок забруднення отримуваних плівок продуктами розкладу. Іншими недоліками прототипу є використання спеціально сконструйованого тигля з вбудованою системою обертання основних робочих органів -лопаток. Таке конструктивне рішення вимагає великих економічних затрат при виготовленні тигля, знижує надійність обладнання, та підвищує ймовірність забруднення барвника рухомими елементами тигля. Альтернативний варіант виконання випарника із застосуванням магнітного поля для обертання механічного активатора вимагає застосування постійних магнітів з високим значенням точки Кюрі, що приводить до здороження конструкції і зниження її надійності навіть у випадку незначного перегріву. В основу корисної моделі, що пропонується, поставлена задача забезпечення можливості випаровування органічних барвників з низькою концентрацією продуктів розкладу барвника в створюваних плівках. Також корисним є підвищення ефективної роботи випарника, та зниження його собівартості при виготовленні. Ця задача вирішується за рахунок додаткового методу активації (фотоактивації) органічного барвника, застосування елементів, які поєднують декілька функцій та удосконалення рухомої частини випарника. Удосконалення конструктивних елементів випарника не приводить до забруднення барвника, який випаровується та зниження необхідного робочого вакууму в цілому. Додатковий метод активації органічного барвника реалізується за рахунок введення джерела освітлення. Функції резистивного нагрівача та джерела освітлення суміщені у конструктивному елементі у вигляді багатовиткової спіралі. Фізичний механізм, який пояснює суть технологічного процесу при додатковій активації за рахунок використання джерела освітлення, полягає в тому, що молекули барвників мають значний статичний дипольний момент та поляризованість. Сублімація супроводжується виникненням значних локальних електричних полів, які утримують молекули барвника від переходу в газову фазу. Додаткове освітлення барвника викликає фотогенерацію носіїв заряду. Додаткові нетеплові носії мають концентрацію, значно більшу за власних теплових носіїв, і тому значно ефективніше сприяють компенсації локальних зарядів та локальних полів. В результаті зменшується робота виходу молекул барвника при сублімації, а отже і знижується температура, необхідна для сублімації. Суттєво також, що в конструкції випарника органічних матеріалів основний рухомий механізм винесено за межі тигля. Це дозволяє, по-перше, використовувати спрощену конструкцію тигля у вигляді стакана, мати можливість легкого встановлення або заміни тигля на 1 UA 90001 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 новий. Застосування як матеріалу тигля кварцу, дозволяє сумістити функції резистивного нагрівача та джерела освітлення в одному конструктивному елементі у вигляді багатовиткової спіралі. Застосування специфічної конструкції теплового екрана, наведеної на Фіг. 1, дозволяє створювати необхідну температуру та світність під час випаровування органічних барвників. Подруге, - застосування на основній несучій конструкції підшипників сухого тертя або інших елементів, що зменшують тертя без додаткових високих вимог для роботи при високих температурах. На кресленні Фіг. 1 наведена конструктивна схема пропонованого випарника органічних барвників. Вакуумний випарник органічних барвників складається з основного несучого порожнистого стержня з низькою теплопровідністю 3, розташованого на металевій плиті 1. Зверху на стержні 3 закріплено тримач тигля 9 у вигляді циліндричної чаші з отвором у дні. Тримач 9 виготовляється з матеріалу високої теплопровідності і разом з тепловим екраном 10, з нанесеним на нього світловідбиваючим покриттям та терморезистивним нагрівальним елементом 5 у вигляді багатовиткової спіралі, є регульованим нагрівальним елементом тигля 4. Тигель 4 виготовлений у вигляді кварцової циліндричної чашки. Всередині стержня 3 розташовано датчик температури тигля 8, виконаний у формі термопари, яка приведена в тепловий контакт до тигля 4. На стержні 3 розташовано рухоме зубчасте колесо 6, котре приводиться в рух двигуном 2. На зубчастому колесі 6 закріплено робочий орган механічного активатора 7. Заявлений вакуумний випарник органічних барвників працює наступним чином. Необхідну кількість органічного барвника завантажують у тигель 4. Після вакуумної відкачки атмосфери вмикають двигун 2, який приводить в обертання зубчасте колесо 6 і разом з ним робочий орган механічного активатора 7. Швидкість обертання двигуна підбирають таким чином, щоб механічний активатор обертався зі швидкістю 2-10 об./хв. Потім подається напруга на терморезистивний елемент 5 і, контролюючи температуру за допомогою датчика 8, плавно її підвищують до початку сублімації органічного барвника. Температуру сублімації підтримують протягом потрібного періоду випаровування. Температура розжарення терморезистивного елемента достатня для випромінювання світла в широкому діапазоні довжин хвиль для фотоактивації барвника, 400-2500 нм з силою світла 10-50 кд. Узгодження температури нагрівання тигля та світності терморезистивного елемента досягається в даній конструкції за рахунок відносного розміщення теплового екрана 10 та терморезистивного елемента 5 у вигляді багатовиткової спіралі. Тепловий екран спрямовує тільки частину енергії, що виділяється терморезистивним елементом, на забезпечення певної температури сублімації тигля. Залишок енергії випромінюється в діапазоні 400-2500 нм з силою світла 10-50 кд і спричиняє додаткову фотоактивацію барвника. Приклад 1 Заявлений випарник органічних барвників було виготовлено, див. Фіг. 2, та встановлено на модернізованій установці вакуумного осадження ВУП-5М для нанесення плівок поліметинових барвників на підкладки при виготовленні компонентів органічних сонячних елементів. Металеву плиту 1, що виступає як несуча частина конструкції, було виготовлено з нержавіючої сталі марки Х18Н9Т. Як основний несучий стержень випарника 3 вибрано трубу з сталі марки 45, діаметром 10 мм, висотою 50 мм. Для забезпечення стійкості конструкції даний стержень вмонтовано в фіксуючу систему, що в свою чергу закріплена на плиті. Всередині стержня розташовано термопару типу хромель-алюмель та приведено в тепловий контакт до тигля. На стержні закріплено колесо 6, з діаметром 40 мм, зі сталі, з використанням підшипника. На колесі закріплено механічний активатор - змішувальна лопатка 7, виготовлений зі сталевого дроту діаметром 3 мм. Колесо приводиться в рух електромотором 2 марки ДПМ-20-Н1-01, статично закріпленим на несучій плиті. На кінці стержня закріплено тримач тигля 9 у вигляді циліндричної чаші високої теплопровідності діаметром 20 мм, виготовленої з міді марки М-1. Вона слугує за передавач і частково регулятор теплоти від спіралі до тигля. В чашу встановлено кварцовий тигель 4 з органічним барвником. Зовні чаші розташовано терморезистивний нагрівальний елемент 5 у вигляді багатовиткової вольфрамової спіралі. Геометричне розташування, число витків та опір (100 Ом) даної спіралі підібрано таким чином, щоб забезпечити можливість нагріву тигля до 400 °C та підтримувати освітлення барвника із силою світла 10-50 кд в технологічному процесі. Зовні спіралі розміщено сталевий тепловий екран 10, хромований зсередини для покращення світло- і тепловідбиття. Використання такого теплового екрана дозволило нам зменшити теплові втрати в процесі випаровування, а також збільшити освітленість барвника, що випаровується. Приклад 2 2 UA 90001 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вакуумне осадження поліметинового барвника мероцианінового ряду проводилося за наступною методикою. За основу було взято вакуумну установку ВУП-5М. Тиск в камері протягом всього процесу -5 підтримувався в діапазоні 10 Па. Осадження молекулярного пучка проводилось на нерухому підкладку з натрійсилікатного скла, розташовану на висоті 100 мм над випарником. Підкладка додатково не підігрівалась - її температура залишалася в межах 16-22 °C. Як датчик товщини був застосований кварцовий резонатор НС49 з резонансною частотою 8 МГц. Як випарник було вибрано конструкцію, наведену на фіг. 2. Вона дозволяє провести випаровування в трьох різних режимах. Результати випаровування органічного барвника для трьох режимів, які використовували різні способи активації барвника при випаровуванні, наведені на Фіг. 3. У першому режимі випаровування барвника проводилось тільки завдяки термічному нагріванню. Як тигель був застосований непрозорий мідний тигель з високими стінками, щоб виключити вплив освітлення на барвник. Нами було засипано порошок поліметинового барвника, похідного бензитоазола, молярною массою 297,34, з основною смугою поглинання в області 565 нм, кількістю 120 мг. Випаровування проводилось тривалістю 1 година. Швидкість випаровування підтримувалась сталою і становила 0,05 нм/с. Для забезпечення сталої швидкості випаровування було необхідним монотонно підвищувати температуру випарника. Залежність температури від часу випаровування при сталій швидкості наведено на кривій 1 Фіг. 3. Підвищення температури виявляється на стільки значним, що розклад барвника стає суттєвим і не вдається отримати плівки не забруднені продуктами розкладу. В другому режимі випаровування барвника проводилося при спільній дії на барвник двох активаційних факторів, а саме: термічного та механічного. В мідний тигель було засипано та ж сама кількість барвника. Випаровування проводилось тривалістю 1 година. Швидкість випаровування також підтримувалась сталою і становила 0,05 нм/с. Але на відміну від попередньо наведеного режиму одночасно, в процесі нагрівання приводиться в обертальний рух двигун і проводиться механічна активація порошку барвника. Швидкість обертання робочого органа становила 2 об./с. Залежність температури від часу випарника при сталій швидкості випаровування наведено на кривій 2 Фіг. 3. Підвищення температури виявляється суттєвим, розклад барвника стає помітним і також не вдається отримати плівки не забруднені продуктами розкладу із заданими властивостями. В третьому режимі для випаровування барвника одночасно було застосовано три фактори впливу: термічна, механічна та фотоактивація. Всі параметри термічної та механічної активації були реалізовані як в попередньому режимі. Для можливості проведення фотоактивації барвника в процесі його осадження було застосовано кварцовий тигель. Загальна ефективність випаровування барвника у всіх трьох режимах зображена на Фіг. 3. Лінія 1 показує зміну температури випарника для підтримання сталої швидкості випаровування (0,5 А/с) протягом однієї години для першого режиму. Лінія 2 показує ту ж саму зміну у випадку другого режиму. Лінія 3 - відповідно третього. Лінія 4 показує температуру, вище якої відносна масова частка продуктів розкладу перевищує допустиму норму. Як видно ефект від спільної дії зазначених факторів (термічного, механічного та фотоактивації),наведений на фіг. 3, дає можливість випаровувати барвник достатньо довго із заданою швидкістю без ризику забруднення підкладки продуктами розкладу. Слід також зазначити, що всі використані нами барвники є хімічно інертними як до кварцу, так і до міді. Тому будь-яка хімічна взаємодія барвника з використовуваними тиглями виключена. З метою вимірювання забруднення шару барвника продуктами розкладу органічного барвника під час випаровування було проведено порівняльні випробування: випаровування: заявленим способом та з способом, описаним в прототипі. Як дослідну речовину було застосовано поліметиновий барвник мероціанінового ряду, який повністю розчиняється в ацетонітрилі. Його продукти розкладу в ацетонитрилі не розчиняються. Контроль забруднення продуктами розкладу проводили методом кварцового резонатора. Випаровування проводили на модернізованій вакуумній установці ВУП-5М. Тиск в камері протягом всього процесу -5 підтримувався в діапазоні 10 Па. Випаровування проводилось протягом 1 години. Швидкість випаровування підтримувалась сталою і становила 0,05 нм/с. Осадження молекулярного пучка проводилось, в обох випадках, на кварцові резонатори НС49 з резонансною частотою 8 МГц. Конденсацію барвника відповідно двом порівнюваним способам проводили на кварцових резонаторах до зменшення їх частоти після осадження 10,7 кГц. Після осадження кварцові резонатори було поміщено в розчинник ацетонітрил на одну годину. Потім, з метою десорбції -5 розчинника, резонатори розміщувались у вакуумній камері при тиску 10 Па протягом 24 годин. 3 UA 90001 U 5 Випаровування адсорбованого розчинника супроводжувалося зменшенням маси резонатора і, відповідно, ростом резонансної частоти. Зниження величини частоти резонатора після повної десорбції відносно до початкової при використанні заявленого випарника становило 145 Гц, при використанні випарника, описаного в прототипі 820 Гц. Контрольне вимірювання маси адсорбованого на кварці занурюванням в розчинник та десорбованого за тією ж методикою ацетонітрилу становило 55 Гц. Перерахунок на масову частку осадженого шару барвника становить, при використанні заявленого випарника, 0,8 %, при використанні випарника, описаного в прототипі, 7,1 %, що і демонструє економічну ефективність заявленого випарника. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Вакуумний випарник органічних барвників, що складається з тигля з термостійкого, інертного до органічного барвників матеріалу з вбудованим датчиком температури, резистивного нагрівача та механічного активатора з електромеханічним приводом, який відрізняється тим, що функції резистивного нагрівача та джерела освітлення суміщені в одному конструктивному елементі у вигляді багатовиткової спіралі, випарник містить у своєму складі тепловий екран, який узгоджує теплопродуктивність та силу світла резистивного нагрівача, джерело світла випромінює в спектральному діапазоні 400-2500 нм з силою світла 10-50 кд. 4 UA 90001 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: B82Y 40/00, C23C 14/12, C23C 14/24

Мітки: вакуумний, барвників, органічних, випарник

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/7-90001-vakuumnijj-viparnik-organichnikh-barvnikiv.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Вакуумний випарник органічних барвників</a>

Подібні патенти