KR20200093713A - 제2 표면 레이저 용발 - Google Patents

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쿠르티스 엘. 게에를링스
죠지 에이. 뉴만
존 에스. 앤더슨
채드 엠. 와인
헨리 에이. 루텐
도날드 엘. 베어맨
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젠텍스 코포레이션
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Abstract

레이저 용발된 제품은 약 5 미만의 회절 강도를 나타낸다. 제품은 가시 광에 적어도 부분적으로 투명한 기판, 및 레이저 용발에 의해 기판의 적어도 하나의 표면에 형성되는 주기적인 구조물을 포함할 수 있다. 주기적인 구조물은 적어도 약 4,500 ㎚ 내지 최대 약 850,000 ㎚의 주기를 적어도 일 방향으로 가지며, 주기적인 구조물은 약 25 ㎚ 미만의 산-대-골 치수를 가진다. 제품은 전기변색 장치, 예컨대 차량 후방미러 조립체에 사용될 수 있다.

Description

제2 표면 레이저 용발{SECOND SURFACE LASER ABLATION}
관련특허 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전체가 원용에 의해 본 출원에 포함되는 2015년 6월 19일자로 출원된 미국 가 특허 출원 번호 62/182105호를 우선권으로 주장한다.
기술 분야
본 개시는 일반적으로 레이저 용발 공정(laser ablation process) 및 그에 의해 제조되는 제품에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 제품에 관한 것이다. 상기 제품은 가시광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 제1 기판; 제1 기판에 걸쳐 배치되는 전도체 층; 및 전도체 층 상의 용발된 표면을 포함한다. 용발된 표면은 전도체 층에 레이저 용발을 수행함으로써 형성되며, 용발된 표면은 주기적인 구조물을 포함한다. 주기적인 구조물은 적어도 약 4,500 ㎚ 내지 최대 약 850,000 ㎚의 주기를 적어도 일 방향으로 가지며, 주기적인 구조물은 약 25 ㎚ 미만의 산-대-골 치수를 가진다. 주기적인 구조물은 약 15 ㎚ 미만의 산-대-골 치수를 가질 수 있다. 주기적인 구조물은 적어도 약 4,500 ㎚ 내지 최대 약 850,000 ㎚의 주기를 레이저 용발 가공 방향으로 가질 수 있다. 주기적인 구조물은 적어도 약 4,500 ㎚ 내지 최대 약 850,000 ㎚의 주기를 레이저 용발 오프셋 방향으로 가질 수 있다. 제품은 약 5 미만의 회절 강도를 가질 수 있다. 기판은 유리를 포함할 수 있다. 제품은 주기적인 구조물과 접촉하는 재료를 추가로 포함할 수 있으며, 재료는 1 초과의 굴절률을 가지며, 재료의 굴절률과 전도체 층의 굴절률 사이의 차이는 0.5 미만이다.
본 발명의 다른 구현예는 전기변색 장치에 관한 것이다. 전기변색 장치는 가시광에 적어도 부분적으로 투명한 제1 기판; 제1 기판에 걸쳐서 배치되는 전도체 층; 및 전도체 층 상의 용발된 표면을 포함하는 제품을 포함한다. 용발된 표면은 전도체 층에 레이저 용발을 수행함으로써 형성되며, 용발된 표면은 주기적인 구조물을 포함하며, 주기적인 구조물은 적어도 약 4,500 ㎚ 내지 최대 약 850,000 ㎚의 주기를 적어도 일 방향으로 가지며, 주기적인 구조물은 약 25 ㎚ 미만의 산-대-골 치수를 가진다. 전기변색 장치는 제1 기판과 반대인 제2 표면을 가지는 제2 기판을 포함하며, 제1 및 제2 기판은 제1 기판과 제2 기판 사이에 공동을 형성한다. 전기변색 장치는 공동 내에 배치되는 전기변색 유체를 포함한다. 용발된 표면과 제2 표면 중 적어도 하나는 공동에 인접하며, 적어도 하나의 전도체 층이 공동에 인접해 있다. 전기변색 장치는 차량 후방미러 조립체의 일부일 수 있다. 전기변색 유체는 1 초과의 굴절률을 가질 수 있다. 전도체 층은 인듐 주석 산화물을 포함할 수 있다. 전기변색 장치는 전도체 층의 일부분 위에 배치되는 코팅 층을 추가로 포함할 수 있다. 코팅 층은 제1 크롬 층, 제1 루테늄 층, 제2 크롬 층, 및 제2 루테늄 층을 포함하는 다층 구조물을 포함할 수 있다. 전기변색 장치는 약 5 미만의 회절 강도를 가질 수 있으며, 산-대-골 치수는 약 15 ㎚ 미만이다. 회절 강도는 약 2.5 미만일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 제품에 관한 것이다. 제품은 가시광에 적어도 부분적으로 투명한 제1 기판; 제1 기판에 걸쳐서 배치되는 전도체 층; 및 전도체 층 상의 용발된 표면을 포함할 수 있다. 용발된 표면은 전도체 층에 레이저 용발을 수행함으로써 형성되며, 용발된 표면은 주기적인 구조물을 포함하며, 제품은 약 5 미만의 회절 강도를 가진다. 제품은 약 2.5 미만의 회절 강도를 가질 수 있다. 제품은 약 1.5 미만의 회절 강도를 가질 수 있다. 주기적인 구조물은 약 25 ㎚ 미만의 산-대-골 치수를 가질 수 있다. 주기적인 구조물은 적어도 약 4,500 ㎚ 내지 최대 약 850,000 ㎚의 주기를 적어도 일 방향으로 가질 수 있다. 제품은 전도체 층의 일부분 상에 배치되는 코팅 층을 추가로 포함할 수 있다. 제품은 주기적인 구조물과 접촉하는 재료를 추가로 포함할 수 있으며, 재료는 1 초과의 굴절률을 가진다.
본 발명의 다른 구현예는 전기변색 장치에 관한 것이다. 전기변색 장치는 가시광에 적어도 부분적으로 투명한 제1 기판; 제1 기판에 걸쳐서 배치되는 전도체 층; 및 전도체 층 상의 용발된 표면을 포함하는 제품을 포함한다. 용발된 표면은 전도체 층에 레이저 용발을 수행함으로써 형성되며, 용발된 표면은 주기적인 구조물을 포함하며, 제품은 약 5 미만의 회절 강도를 가진다. 전기변색 장치는 제1 기판과 반대인 제2 표면을 가지는 제2 기판을 포함하며, 제1 및 제2 기판은 제1 기판과 제2 기판 사이에 공동을 형성한다. 전기변색 장치는 공동 내에 배치되는 전기변색 유체를 포함한다. 용발된 표면과 제2 표면 중 적어도 하나는 공동에 인접하며, 적어도 하나의 전도체 층이 공동에 인접해 있다. 전기변색 장치는 차량 후방미러 조립체의 일부일 수 있다. 전기변색 유체는 1 초과의 굴절률을 가질 수 있다.
예시적인 구현예는 동일한 명칭이 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면과 함께 이후에서 설명될 것이다.
도 1은 제2 표면 레이저 용발 공정의 구현예에 대한 측 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 공정에 대한 평면도이다.
도 3a는 레이저 용발된 코팅 층의 가공된 에지에 대한 횡단면도이다.
도 3b는 재료 적층 공정에서 마스킹에 의해 형성되는 코팅의 에지에 대한 횡단면도이다.
도 4a는 레이저 용발된 코팅 층의 가공된 에지에 대한 평면도이다.
도 4b는 재료 적층 공정에서 마스킹에 의해 형성되는 코팅의 에지에 대한 평면도이다.
도 5는 대체 가공 경로를 예시하는 도 1의 공정에 대한 평면도이다.
도 6은 도 5의 용발된 피가공재로부터 형성되는 구성 요소이다.
도 7a는 피가공재가 적층 재료 층을 포함하는, 제2 표면 레이저 용발 공정의 구현예에 대한 측 횡단면도이다.
도 7b는 적층 재료 층이 복수의 보조-층을 포함하는, 제2 표면 레이저 용발 공정으로 수행된 피가공재의 구현예에 대한 측 횡단면도이다.
도 8은 마스킹된 레이저 용발 공정의 구현예에 대한 측 횡단면도이다.
도 9a는 피코초 레이저에 의해 형성되는 레이저 용발된 에지에 대한 현미경 사진이다.
도 9b는 나노초 레이저에 의해 형성되는 레이저 용발된 에지에 대한 현미경 사진이다.
도 10은 상이한 빔 허리 직경과 레일리 길이를 갖는 두 개의 상이한 레이저 빔을 예시한다.
도 11은 스테이지 높이의 함수로서 용발 경로 폭에 대한 도표이다.
도 12는 피치, 스캔 속도 및 스테이지 높이의 함수로서 전도체 층의 두께 변화에 대한 등고선도이다.
도 13은 피치, 스캔 속도 및 스테이지 높이의 함수로서 전도체 층으로 인한 헤이즈의 변화에 대한 등고선도이다.
도 14는 레이저 용발에 의해 형성되는 주기적 구조물의 피쳐(feature) 중 산-대-골 치수의 함수로서 회절 강도에 대한 도표이다.
도 15는 비-습윤시 회절 강도의 함수로서 습윤시 주기적 구조물의 회절 강도에 대한 도표이다.
도 16은 강조된 특정 데이터 포인트를 갖는 도 14에 대한 도표이다.
도 17은 다수의 상이한 조건하에서 제작된 다수 샘플에 대한 회절 강도를 예시하는 차트이다.
도 18은 도 17의 샘플(A7)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 19는 도 17의 샘플(A7M)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 20은 도 17의 샘플(B7)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 21은 도 17의 샘플(B7M)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 22는 도 17의 샘플(C7)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 23은 도 17의 샘플(C7M)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 24는 도 17의 샘플(D7)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 25는 도 17의 샘플(D7M)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 26은 도 17의 샘플(E7)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 27은 도 17의 샘플(F7)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 28은 도 17의 샘플(G7)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 29는 도 17의 샘플(H7)의 백색광 간섭계(WLI) 이미지이다.
도 30은 회절 강도 측정 시스템의 개략도이다.
도 31은 다중-LED 광원에 의해 생성되는 광 스펙트럼이다.
도 32는 회절 강도 측정 시스템의 분석 구역, 배제 구역 및 회절 컬러 대역의 개략도이다.
도 33은 회절 강도 측정 시스템으로부터 중심 밝은 스폿(500), 배제 구역(510), 분석 구역(520) 및 컬러 회절 대역(530)의 오버레이를 갖는 회절 효과에 대한 카메라 이미지이다.
레이저 용발 공정은 일반적으로 레이저 빔을 피가공재로 지향시킴으로써 피가공재의 표면에서 재료를 선택적으로 제거하는 것을 포함한다. 레이저 빔은 빔이 원하는 표면과 충돌하는 정의된 레이저 스폿(spot)에 제어된 양의 에너지를 전달하도록 구성된다. 이러한 제어된 양의 에너지는 레이저 스폿에서 표면 재료를 액화, 증발 또는 이와는 달리 급속 팽창시키도록 선택되어 제거를 위해 피가공재로부터 재료가 분리되게 한다. 레이저 용발은 예를 들어, 코팅된 기판으로부터 하나 이상의 코팅의 적어도 일부분을 제거하거나, 이와는 달리 피가공재 표면을 재-성형하는 데 사용될 수 있다.
레이저 용발 공정은 광이 용발 표면 상에 또는 용발 표면을 통해 비춰질 때 원하지 않은 회절 패턴을 생성하는 피가공재 표면 상에 인공물을 생성할 수 있다. 회절 효과는 용발된 표면 상에 형성되는 주기적인 배열을 갖는 인공물에 의해 생성된다. 몇몇 경우에, 회절 효과가 존재할 수 있지만 부적당한 정도의 강도를 나타내지는 않는다. 부적당한 회절 효과는 5 초과의 회절 강도를 나타내는 것으로 정의된다. 회절 강도가 정량적으로 측정되는 방법은 아래에서 상세히 설명된다. 몇몇 구현예에서, 레이저 용발된 피가공재는 바람직하게, 약 5 미만, 예컨대 약 2.5 미만 또는 약 1.5 미만의 회절 강도를 나타낼 수 있다.
인공물이 약 4,500 nm 내지 약 850,000 nm의 범위의 주기를 가질 때 인공물은 회절 효과를 생성할 수 있다. 인공물은 각각의 열 내에 인공물의 주기적인 간격과 인접한 열 사이에 주기적인 간격이 존재하도록 열로 배열될 수 있다. 열은 용발 공정의 스캔 또는 가공 경로 방향으로 연장될 수 있으며, 이때 인공물은 스캔 방향으로 레이저 스폿의 중첩에 의해 형성된다. 인접한 열의 인공물은 정렬되거나 정렬되지 않을 수 있다. 열 사이의 거리는 레이저 용발 공정에서 스캔 라인의 오프셋 또는 피치에 의해 정의될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 열 내부에서 스캔 또는 가공 방향으로의 인공물의 주기는 약 45,000 nm일 수 있으며, 라인 오프셋 방향으로의 열 사이의 주기는 약 85,000 nm일 수 있다.
레이저 용발 공정에 의해 생성되는 인공물의 높이는 또한 회절 강도에 영향을 미칠 수 있다. 인공물의 높이는 "산-대-골" 거리로서 지칭될 수 있으며, 피가공재가 연장되는 주요 평면에 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 연장된다. 약 5 미만의 회절 강도를 생성하는 산-대-골 거리는 인공물을 함유하는 표면에 인접한 매체에 의해 영향을 받는다. 인접한 매체가 공기인 몇몇 구현예에서, 약 5 미만의 회절 강도가 약 15 nm 미만, 예컨대 약 10 nm 미만 또는 약 7.5 nm 미만의 산-대-골 거리에 의해 생성될 수 있다. 인접한 매체가 1 초과의 굴절률을 갖는 다른 구현예에서, 약 5 미만의 회절 강도는 약 25 nm 미만, 예컨대 약 18 nm 미만, 또는 약 13 nm 미만의 산-대-골 거리에 의해 생성될 수 있다. 1 초과의 굴절률을 갖는 인접한 매체는 용발된 피가공재가 전기변색 장치에 포함될 때 전기변색 재료와 같은 임의의 적절한 재료일 수 있다.
도 1은 피가공재(10) 상에서 수행될 때 레이저 용발 공정의 일 실시예에 대한 측 단면도이다. 피가공재(10)는 기판(12) 및 코팅 층(14)을 포함하는 코팅된 기판이다. 예시된 공정은 코팅 층(14)이 피가공재의 제1 또는 충돌 측면(18)과 대향하는 피가공재(10)의 제2 측면(16)에 위치되는 제2 표면 용발 공정이다. 레이저 빔(100)은 레이저 공급원(102)에 의해 제공되어 피가공재 쪽으로 전파된다. 이와 같은 실시예에서, 레이저 빔(100)은 기판(12)의 제2 표면(20)에 또는 그 근처에서 초점면으로 구성되고, xy 기준면과 일반적으로 평행하게 구성되어 직경 또는 폭(w)과 같은 특성 크기를 갖는 레이저 스폿(104)을 제2 표면에 정의한다. 다른 실시예에서, 초점면은 0 mm보다 크고 약 50 mm까지의 양만큼 제2 표면(20)으로부터 이격될 수 있다. 기판(12)은 레이저 빔(100)의 레이저 광의 특정 파장에 대해 적어도 부분적으로 투명하여, 빔이 기판의 두께를 통하여 제2 표면(20)으로 통과하며, 여기서 코팅 층(14)의 재료는 레이저 빔의 에너지의 적어도 일부를 흡수하고 그에 의해서 기판으로부터 분리된다.
도 1의 실시예에서, 제거된 코팅 층 재료(22)는 고체 입자의 형태로 예시된다. 피가공재(10)는 중력이 제거된 재료(22)가 피가공재(10)로부터 멀리 떨어지게 유발하도록 도시된 대로 배향될 수 있다. 선택적으로, 진공 공급원(106)은 제거된 재료(22)가 피가공재(10)로부터 멀어지도록 안내하는 것을 돕도록 제공된다. 제거된 재료(22)는 초기에 기판(12)으로부터 분리될 때 증기 또는 액체 형태일 수 있다. 예시된 배열은 제거된 재료(22)가 피가공재(10) 상에 재증착되는 것을 방지하는 데 유용하며, 이는 일부 제1 표면 용발 공정에서 문제가 될 수 있다. 재료는 또한 파쇄 공정을 통해서 제거될 수 있다.
레이저 스폿(104)보다 큰 피가공재(10)의 구역으로부터 재료를 제거하기 위해서, 레이저 빔(100) 및/또는 피가공재(10)는 서로에 대해 이동되어 복수의 인접하고/인접하거나 중첩하는 레이저 스폿 위치에서 재료를 제거할 수 있다. 예를 들어, 원하는 양의 재료가 제1 레이저 스폿 위치에서 제거된 이후에, 피가공재(10) 및/또는 레이저 빔(100)은 재료의 추가 제거를 위해 제2 레이저 스폿 위치를 정의하도록 이동할 수 있다. 각각의 위치에 대응하는 재료 제거를 갖는 다수의 인접한 또는 중첩된 레이저 스폿 위치로의 연속된 운동은 도 2에서 공정의 평면도에 도시된 대로, 재료가 제거된 피가공재(10)의 용발된 구역(24)을 정의하며, 여기서 의도된 용발 구역(26)은 가상선으로 도시된다. 또한, 도 1 및 도 2에서, 레이저 빔(100)은 피가공재(10)에 대해 순간 가공 방향(A)으로 이동한다. 레이저 빔(100) 또는 피가공재(10) 중 하나 또는 둘 모두는 이러한 상대 운동을 달성하도록 이동될 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 빔(100)은 의도된 용발 구역(26) 내에서 양 및 음의 x-방향으로 전후로 이동되거나 스캔되며, 레이저 빔 및/또는 피가공재(10)는 코팅 층(14)이 의도된 전체 구역 내에서 제거될 때까지 레이저 빔이 의도된 용발 구역의 에지(28)에 도달할 때마다 y-방향으로 인덱싱된다(indexed).
고주파 펄스 레이저는 인접한 레이저 스폿 위치들 사이의 간격을 결정하기 위해서 가공 방향으로 특정 비율에서 피가공재(10) 및/또는 레이저 빔(100) 운동과 함께 사용될 수 있다. 비제한적인 실시예에서, 가공 방향으로 20 m/s의 피가공재에 대한 이동 속도로 400 kHz의 펄스 주파수에서 작동하는 레이저 빔은 가공 방향으로 50 ㎛마다 레이저 스폿 위치를 초래할 것이다. 따라서, 레이저 스폿 위치는 가공 방향으로 측정된 레이저 빔(100)의 횡단면 치수가 인접한 레이저 스폿 위치들 사이의 간격보다 큰 경우에 중첩한다. 단일 펄스 또는 펄스 버스트(pulse burst)가 각각의 레이저 스폿 위치에 전달될 수 있으며, 여기서 펄스 지속 기간은 일반적으로 펄스들 사이의 시간보다 10배 이상 작은 크기이다. 레이저 스폿 위치들 사이의 간격은 인접한 스폿 위치가 인접한 위치들 사이의, 특히 비-직사각형 빔 횡단면에 대해 재료 제거를 보장하기 위해서 적어도 부분적으로 중첩되도록 선택될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 인공물 및/또는 그의 배열은 주기적 구조물 또는 주기적 구조물들로 지칭되거나 간주된다.
예시된 공정은 코팅된 부분 및 코팅되지 않은 부분을 갖는 제품을 형성하기 위한 재료 적층 공정에 대한 대안으로서 유용하다. 재료 적층 공정(예를 들어, 도장, 도금, 증기 증착, 스퍼터링 등)은 통상적으로, 코팅 재료가 원하는 코팅되지 않은 부분에 증착되는 것을 방지함으로써 코팅된 부분과 코팅되지 않은 부분 사이의 경계를 정의하는 것을 돕기 위해서 일부 형태의 마스킹의 사용을 필요로 한다. 이와 같은 공정에서, 물리적 마스크는 코팅 재료 공급원과 기판 사이에 위치되어 기판의 원하는 코팅되지 않은 부분(들)에서 코팅 재료를 물리적으로 차단하거나, 레지스트 코팅 재료(resist coating material)가 먼저 (원하는 코팅 부분을 마스킹하는 동안) 원하는 코팅되지 않은 부분 상에 코팅되고, 후속적으로 코팅 재료가 레지스트 코팅 층에 걸쳐서 포함하는 기판에 걸쳐서 증착된 이후에 제거될 수 있다.
전술한 레이저 용발 공정에서, 피가공재(10)는 원하는 코팅 부분 및 코팅되지 않은 부분(예를 들어, 전체 기판 표면) 둘 모두에서 코팅 층(14)으로 제시될 수 있으며, 코팅 층은 코팅되지 않은 부분(즉, 의도된 용발 구역(26))을 형성하도록 선택적으로 제거될 수 있다. 레이저 용발 공정은 기판의 일부분만을 코팅하는 것이 바람직한 재료 적층 공정에 요구되는 추가적인 툴링 및 가공 단계의 필요성을 감소 또는 제거할 수 있다. 레이저 용발 공정은 또한, 의도된 용발 구역(26)(즉, 제품의 코팅되지 않은 부분)의 크기 및/또는 형상이 마스크와 같은 새로운 물리적 구성 요소를 세정 또는 생성할 필요 없이 레이저 시스템의 상대적으로 간단한 재프로그래밍을 통해서 변경될 수 있기 때문에, 더욱 유연하다.
또한, 코팅 층(14)의 새로 형성된 에지는 재료 적층 공정에서 증착된 코팅의 대응 에지보다 더욱 양호하게 정의될 수 있다. 이러한 현상은 도 3a, 도 3b, 도 4a 및 도 4b에 개략적으로 예시된다. 도 3a는 도 2의 코팅 층의 가공된 에지(30)의 횡단면도이며, 도 3b는 마스킹을 갖는 재료 적층 공정에서 도포되는 코팅 층의 에지(30')의 횡단면도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 가공된 에지(30)는 실질적으로 수직 또는 거의 수직 인 하부 표면(20)에 대해 각도(θ)로 형성될 수 있다. 도 3b에 도시된 마스킹 및 코팅 증착에 의해 제조된 코팅 층은 훨씬 더 큰 특성 길이(L')에 걸쳐 코팅 층의 전체 두께로부터 점차적으로 테이퍼되는 에지(30')를 가지고 마스크로부터의 섀도잉(shadowing) 효과에 부분적으로 기인한, 기판에 대해 훨씬 더 낮은 평균 각도(θ')를 형성한다. 레이저 용발 공정은 30도 내지 90도 또는 30도 내지 120도의 범위에서 에지(30)와 기판 표면(20) 사이에 각도(θ)를 생성할 수 있다. 몇몇 용례에서, 이런 범위의 상한에 대한 각도(θ)는 예컨대, 70도 내지 90도의 범위가 바람직할 수 있다.
전체 두께로부터 제로 두께까지의 테이퍼의 특성 길이(L)는 레이저 용발 공정에서 레이저 스폿 크기 및/또는 코팅 두께와 관련될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 특성 길이(L)는 레이저 스폿의 직경 또는 폭의 절반보다 작거나 같다. 따라서, 200 ㎛ 직경의 레이저 스폿에 대해, 특성 길이(L)는 100 ㎛ 이하일 수 있다. 몇몇 경우에, 특성 길이(L)는 레이저 스폿의 직경 또는 폭의 1/4 보다 작거나 같은, 즉 200 ㎛ 레이저 스폿에 대해 50 ㎛ 이하이다. 특성 길이(L)는 코팅 층(14)의 공칭 두께의 2배 보다 작거나 같을 수 있어서, 100 nm 코팅 층은 200 nm 이하의 길이에 걸쳐 100 nm로부터 0으로 테이퍼되는 가공된 에지(30)를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 특성 길이(L)는 코팅 층의 공칭 두께의 10배까지 될 수 있다. 다른 구현예에서, 특성 길이(L)는 코팅 층(14)의 공칭 두께보다 작거나 같거나, 코팅 층의 공칭 두께의 단지 일부분 예컨대, 코팅 층의 공칭 두께의 0.01 내지 0.99배이다. 예를 들어, θ가 90도에 가까운 구현예에서, 특성 길이(L)는 코팅 층의 공칭 두께의 약 0.01 내지 약 0.10배 범위일 수 있다. 다른 구현예에서, 특성 길이(L)는 코팅 층의 공칭 두께의 약 0.01 내지 약 1.0배 범위일 수 있다.
도 4a는 마이크로 스케일로 용발된 에지(30)의 형상을 예시하는 도 3a의 개략도이다. 에지(30)는 직경(w)(반경(w/2) 만이 도 4a에 도시됨)을 갖는 둥근 또는 원형 레이저 빔 횡단면을 갖는 부분적으로 중첩 레이저 스폿 위치로부터 초래되는 스캘럽 형상(scalloped shape)을 특징으로 한다. 도시된 바와 같이, 에지(30)는 레이저 스폿 크기의 규모에 가까운 크기 규모로 보았을 때 완전하게 직선은 아니다. 그러나, 완전하게 직선 또는 매끄럽지는 않더라도, 예시된 에지(30)의 형상은 균일할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔 및 피가공재가 일정한 주파수로 피가공재에 전달되는 레이저 펄스와 함께 일정한 상대 속도로 이동하도록 레이저 용발 공정이 구성될 때, 가공된 에지(30)는 도시된 바와 같이, 가공 방향으로 동일한 산-대-산 및 골-대-골 간격(D)을 갖는 주기적인 형상을 가진다. 가공 방향을 횡단하는 방향으로 측정된 산-대-골 거리 또는 깊이(d)는 증가된 공정 움직임 또는 속도에 따라 증가되고, 증가된 레이저 펄스 주파수에 따라 감소될 수 있으며, 이들 모두는 인접한 레이저 스폿 위치와 연관된 중첩 양과 관련이 있다. 레이저 스폿 위치들 사이의 거리(D)가 레이저 빔 직경(w)의 약 1/3(D = w/3)인 일 실시예에서, 스캘럽의 깊이(d)는 레이저 빔의 직경(w)의 약 2 내지 5%일 수 있다. 레이저 빔 직경의 1/4(D = w/4)과 같은 더 작은 거리(D)는 레이저 빔 직경의 약 2%와 같은 더 작은 깊이(d)를 유도한다. 레이저 빔의 직경의 1/2(D = w/2)과 같은 더 큰 거리(D)는 레이저 빔의 직경의 약 6 내지 8%와 같은 더 큰 깊이(d)를 유도한다.
에지(30)가 예시된 마이크로 스케일에서 완전히 매끄럽거나 선형이 아닐 수 있지만, 가공된 에지의 주기적인 균일성은 육안으로 인지될 때 매끄러운 외관의 제공을 돕는다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 마스크-생성된 에지(30')는 또한 마이크로 스케일에서 완전하게 매끄럽지 않다. 그러나, 에지에 따른 불균일성은, 평균 산-대-골 깊이(d)가 레이저 용발 공정으로 생성된 깊이와 동일하더라도 매끄럽지 않은 에지로서 인식될 수 있는 매크로 시각적 외관을 유도한다.
도 5는 주변부 내의 나머지 부분이 용발되기 이전에 레이저 용발 공정이 의도된 용발 구역(26)의 주변부를 따라 수행되는 구현예를 예시한다. 가공 경로를 따르는 피가공재(10)에 대한 레이저 빔의 속도는 주변부에서 균일한 에지를 달성하기 위해서 의도된 용발 구역(26)의 주변부를 따르는 순간 운동 방향으로 일정할 수 있다. 전체 가공 경로의 일부가 의도된 용발 구역(26)의 주변부의 형상을 따르도록 용발 공정을 수행하는 것은 인덱스 축들 중 하나에서 더 작은 중첩을 사용할 수 있는 동시에, 특히 도 2 및 도 5에서와 같은 곡선 에지를 또한 가지는 비-직사각형 용발 구역을 갖는, 매끄러운 외관을 가지는 용발 구역의 주변부에 가공된 에지를 제공함으로써 더 큰 레이저 빔 횡단면 및 더 짧은 가공 시간의 사용을 용이하게 한다. 대안으로, 용발 구역의 주변부는 코팅 층이 제거되는 구역의 최종 부분일 수 있다.
도 5의 실시예에서, 의도된 용발 구역(26)은 의도된 용발 구역의 에지 또는 주변부를 따르는 제1 영역(25) 및 의도된 용발 구역의 나머지를 포함하는 제2 영역(35)을 포함한다. 하나 이상의 공정 파라미터는 제2 영역(35)에서보다 제1 영역(25)에서 상이할 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 제1 영역(25)은 의도된 용발 구역의 주변부를 따라 위치되고 용발된 에지(30)를 초래한다. 제1 영역(25)의 폭은 그 영역에 사용되는 레이저 스폿 크기보다 크거나 같을 수 있다. 제2 영역에서보다 제1 영역에서 상이할 수 있는 공정 파라미터(들)의 예는 몇 가지 예를 들면, 레이저 스폿 크기(w), 스폿-대-스폿 거리(D), 레이저 펄스 주파수, 피가공재에 대한 가공 경로를 따르는 레이저 스폿 운동 속도, 및 각각의 레이저 스폿에서의 펄스 또는 펄스 버스트 지속기간을 포함한다. 몇몇 경우에, 제1 영역(25)은 반드시 의도된 용발 구역(26)의 최외곽 주변부에 있을 필요는 없다. 제1 영역(25)은 예를 들어, 내부 주변부일 수 있고/있거나 의도된 용발 구역(26)의 외부 주변부 내의 시각적 피쳐를 따라 위치될 수 있다.
공정 파라미터는 제1 영역(25)에 있는 결과적인 용발된 에지(30)가 공정 중에 용발된 에지(130)와 상이한 특성을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 4a를 참조하면, 의도된 용발 구역(26)의 주변부에 있는 결과적인 용발된 에지(30)를 따르는 산-대-골 깊이(d)는 제2 영역(35) 내의 공정 중에 용발된 에지(130)의 산-대-골 깊이(d)보다 작을 수 있다. 공정 중에 용발된 에지(130)는 단지 일시적으로 존재하는(즉, 용발 공정 동안에 또는 후-처리 중에 또는 후-처리에서 제거되는) 용발된 에지로서 정의된다. 용발된 엣지(30)가 최종 제품의 가시적인 피쳐인 경우에, 다른 영역과 비교하여 하나의 영역에서 더 작은 산-대-골 깊이(d)를 갖는 에지(30)를 형성하는 것은 스캘럽 형상의 에지의 가시성을 감소되게 하는 동시에, 공정 중에만 에지가 일시적으로 존재하기 때문에 에지 가시성이 중요하지 않은 피가공재의 일부분을 따라서 더 높은 가공 속도를 유지하게 한다. 예를 들어, 제1 영역(25)에서, 레이저 스폿은 더 작을 수 있으며, 스폿-대-스폿 거리(D)는 더 작을 수 있으며, 레이저 펄스 주파수는 더 높을 수 있고/있거나, 가공 경로를 따르는 레이저 스폿 속도는 제2 영역(35)에서보다 더 작을 수 있다. 바람직하게, 깊이(d)는 약 250 미크론 미만, 더 바람직하게 약 100 미크론 미만, 가장 바람직하게 약 50 미크론 미만이다. 이들 및/또는 다른 공정 파라미터는 제1 영역(25)과 제2 영역(35) 사이에서 변할 수 있어서 추가적으로 또는 대안적으로, 공정 중인 에지(130)를 따르는 거리(D)보다 더 작은 산-대-산 또는 골-대-골 거리(D)를 갖는 용발 에지(30)를 초래한다.
공정은 물론, 피가공재의 임의의 특정 구역에서 전체 코팅 층을 제거하는 것에 한정되지는 않는다. 레이저 용발 공정은 예를 들어, 장식 패턴, 기능적 패턴 및/또는 표시를 형성하기 위해서 코팅 재료를 선택적으로 제거하는 데 사용될 수 있다. 원하는 패턴 또는 표시는 용발 공정 이후에 기판에 걸쳐 남아있는 코팅 층의 일부분으로부터 형성될 수 있거나, 용발된 구역 자체에 의해 형성될 수 있다. 제2 표면 용발은 적어도 부분적으로 투명한 기판으로 인해, 장식 피쳐 또는 표시가 최종 제품의 제1 측면을 통해 보일 수 있는 추가의 장점을 가진다. 용발된 피가공재는 조립체의 내부 쪽으로 향하는 나머지 코팅 층과 조립되어 기판에 의한 손상 및 환경으로부터 보호될 수 있다.
도 6은 용발된 피가공재로부터 형성될 수 있는 구성 요소(32)의 일 실시예를 예시한다. 구성 요소(32)는 절삭, 스코어링(scoring) 또는 이와는 달리 용발된 피가공재의 주변 부분으로부터 분리시킴으로써 도 5의 피가공재(10)의 내부로부터 취해진다. 일 구현예에서, 일련의 레이저 유도 손상 채널이 용발된 피가공재로부터 구성 요소(32)의 제거를 용이하게 하기 위해서 원하는 분리 선을 따라 기판 내에 형성될 수 있다. 레이저 유도 손상 채널 및 이를 기판 내에 형성하기 위한 공정의 예는 Bareman 등에게 허여된 미국 특허 제 8,842,358호에 더 상세히 설명되어 있다. 구성 요소(32)의 에지(34)는 분리 선을 따라 형성된다. 이와 같은 실시예에서, 에지(34)는 용발 공정 동안에 형성된 용발된 구역(24)을 에워싸고, 나머지 코팅 층의 가공된 에지(30)와 일반적으로 평행하다. 따라서, 형성된 구성 요소(32)는 대략적으로 기판의 투명도를 갖는 창(36) 및 코팅 층 재료의 광학적 특성 및 다른 물리적 특성을 갖는 테두리(38)를 포함한다.
테두리(38) 및 실제로 원래 피가공재의 코팅 층은, 거의 모든 재료(예를 들어, 금속, 플라스틱 및/또는 세라믹)로 형성될 수 있고 일반적으로, 기판보다 덜 투명할 수 있다. 크롬 또는 크롬 함유 재료와 같은 특정 금속 재료는 잠재적으로 장식적인 측면과 함께 반사성, 불투명성, 및 전도성을 제공하는 다기능성일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 용발 공정에 제공되는 것과 같은 코팅 층은 그 자체가 다층 코팅이다. 예를 들어, 코팅 층은 기판과 직접 접촉하는 반사층 및 용발 공정에서 레이저 광의 반사를 최소화하기 위한 반사층에 걸친 광-흡수 층을 포함할 수 있다. 그 중 일부가 더욱 상세하게 후술되는 다른 구현예에서, 피가공재는 기판과 코팅 층 사이에 추가 층을 포함할 수 있다. 추가 층은 임의의 적절한 재료일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 추가 층은 적어도 부분적으로 투명할 수 있고, 기판의 투명도와 실질적으로 유사한 투명도를 가질 수 있다. 추가 층은 전기를 전도할 수 있으며, 몇몇 구현예에서 투명 전도체 산화물(TCO)로 형성될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 추가 층은 유전체 층일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 추가 층은 다층 스택(stack) 구조물의 일부로서 다층을 포함할 수 있다. 다층 스택 구조물은 TCO 재료, 유전체 재료, 절연체 재료, 금속 재료 또는 반도체 재료 중 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 추가 층에 포함하기 위한 재료의 선택은 용발된 구역, 미-용발 구역, 또는 둘 다에서 원하는 반사율, 투과율 및/또는 컬러를 달성하기 위해서 층의 굴절률, 두께 또는 시퀀싱(sequencing)에 의해 영향을 받을 수 있다. 아래의 설명에서, 추가 층은 전도체 층으로 지칭될 수 있지만, 본 명세서에서 설명된 다른 추가 층 재료가 전도체 층 대신에 사용될 수 있음이 이해된다. 코팅 층은 TCO 또는 유전체 층으로부터 선택적으로 용발될 수 있다. 코팅 층은 하나 이상의 금속 재료, 금속 산화물, 금속 질화물 또는 반사율과 불투명도 둘 모두를 제공하는 다른 적합한 재료를 포함하는 하나 이상의 반사층을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 피가공재는 유리/ITO/Cr/Ru/Cr/Ru 재료 스택을 형성하기 위해서 유리 기판, 그리고 유리 기판 상의 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 크롬(Cr) 및 루테늄(Ru)의 연속적이고 인접한 층들을 포함하는 코팅 층을 갖는 인듐 주석 산화물(ITO)의 층을 포함한다.
일 구현예에서, 구성 요소(32) 또는 재료가 레이저 용발된 코팅 층을 갖는 유사한 구성 요소는 미러 구성 요소, 예컨대 차량 후방미러 조립체의 구성 요소이다. 구성 요소(32)의 테두리(38)는 이와 같은 미러를 위한 별도의 프레임에 대한 필요성을 제거하는 역할을 할 수 있고 또한, 전기 전도성, 전기 절연성, 반사성을 제공하고/제공하거나 전기 접속 또는 다른 미러 조립체 구성 요소를 감추는 것과 같은 다른 기능을 제공할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 구성 요소(32)는 구성 요소(32)의 후측면(즉, 도 1의 원래 피가공재(10)의 제2 측면(16))과 제2 유사 형상의 구성 요소 사이에 형성되는 공동 내에 전기 변색 매체가 캡슐화되는 전기변색 미러 조립체의 전면 부품이다. 전기변색 미러 조립체의 몇몇 실시예는 또한, 위에서 언급된 미국 특허 제 8,842,358호 및 그 특허 내에서 언급된 몇몇 문헌에 제시되어 있다. 다른 비-미러 전기변색 장치(예를 들어, 전기변색 창 또는 렌즈)가 또한 비-전기변색 조립체와 마찬가지로, 용발된 피가공재로부터 형성될 수 있다.
전기변색 장치와 같은 레이저 용발된 피가공재의 적어도 일부분을 사용할 수 있는 몇몇 장치는 전극 층과 같은 하나 이상의 전기 전도체 층을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 전기변색 장치에서, 전극은 장치에서 전기변색 매체를 활성화시키는 것이 바람직한 모든 곳에서 전기변색 매체의 대향 측면에 포함될 수 있다. 따라서, 구성 요소(32)는 원래 피가공재의 용발된 부분(24)에 대응하는 창(36)의 적어도 일부분을 따라서 전기 전도체 층을 또한 포함할 수 있다. 전기 전도체 층은 TCO 또는 ITO와 같은 다른 적합한 전도체 재료로 형성될 수 있다. 일 구현예에서, 전도체 층은 전체 창(36) 위에 놓인다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 전술한 제2 표면 레이저 용발 공정은 TCO 재료 또는 다른 적어도 부분적으로 투명한 전도체 층과 호환 가능하다. 재료는 레이저 용발 공정에서 사용되는 레이저의 파장에 대해 적어도 부분적으로 투명하다. 예시된 공정에서 피가공재(10)는 기판(12)과 코팅 층(14) 사이에 있는 피가공재의 제2 측면(16)에 전기 전도체 층(40)을 포함한다. 전도체 층(40)은 본 실시예에서 코팅 층(14)이 제거되는 제2 표면(20)을 제공한다. 예시된 공정은 레이저 빔(100)이 금속 층 또는 TCO 층과 같은 전도체 층(40)을 통해 전파되어 전도체 층의 대향 측면으로부터 재료를 제거하는 레이저 용발 공정의 일 실시예를 나타낸다. 다른 구현예에서, 전기 전도체 층은 용발 공정 이후에 피가공재의 제2 측면에 걸쳐서 배치될 수 있다. 이와 같은 대안예는 선택된 피가공재에만 전도체 층의 도포를 허용한다. 레이저 파장은 전도체 층에 의한 흡수를 최소화하도록 선택될 수 있다. 하나의 비제한적인 실시예에서, 532 nm의 파장을 갖는 레이저가 전도체 층(40)의 흡수 또는 손상을 최소화하기 위해서, ITO 전도체 층과 함께 사용된다. 다른 구현예에서, 1060 nm에서 IR 레이저와 같은 다른 파장이 사용될 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 코팅 층(14)은 단층 또는 다층일 수 있다. 다층 내의 각각의 층의 기능은 상이한 물리적, 화학적 또는 광학적 기능을 수행하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 7b을 참조하면, 코팅 층(14)은 다수의 보조-층으로 세분될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 전도체 층(40)에 인접한 보조-층(14A)은 Cr 또는 Ti를 포함하는 층과 같은 접착 촉진 층일 수 있다. 제2 보조-층(14B)은 반사 층일 수 있다. 반사층은 은-금 합금 크롬, 루테늄, 스테인리스 스틸, 실리콘, 티타늄, 니켈, 몰리브덴, 크롬-몰리브덴-니켈 합금, 니켈 크롬, 니켈계 합금, 인코넬, 인듐, 팔라듐, 오스뮴, 코발트, 카드뮴, 니오븀, 황동, 청동, 텅스텐, 레늄, 이리듐, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스칸듐, 이트륨, 지르코늄, 바나듐, 망간, 철, 아연, 주석, 납, 비스무트, 안티몬, 로듐, 탄탈륨, 구리, 금, 백금, 임의의 다른 백금족 금속, 그 성분이 주로 전술한 재료인 합금 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 제3 보조-층(14C)은 불투명 층일 수 있다. 불투명 층은 니켈 실리사이드, 크롬, 니켈, 티타늄, 모넬, 코발트, 백금, 인듐, 바나듐, 스테인리스 스틸, 알루미늄 티타늄 합금, 니오븀, 루테늄, 몰리브덴 탄탈륨 합금, 알루미늄 실리콘 합금, 니켈 크롬 몰리브덴 합금, 몰리브덴 레늄 합금, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨, 레늄, 성분이 주로 전술한 재료인 합금 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 불투명 층은 산화물, 질화물 등과 같은 실제 및 가상 굴절률이 상대적으로 큰 재료를 포함할 수 있다. 제4 보조-층(14D)은 전기 안정화 층일 수 있다. 전기 안정화 층(14C)은 이리듐, 오스뮴, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄 및 이들의 합금 또는 혼합물과 같은 백금족 금속을 포함할 수 있다. 또한, 층(14)은 임의의 보조-층이 스택의 요건을 만족시키기 위해서 그 자신 내부에 추가 보조-층을 포함할 수 있도록 추가로 세분될 수 있다.
레이저 파장과 피가공재 내의 재료에 의한 에너지 흡수 사이의 관계는 투명 재료를 통한 레이저 용발을 수행한 적어도 하나의 놀라운 결과를 강조한다. 유리 및 ITO와 같은 특정 기판 및/또는 코팅이 분명히 투명하지만, 기판 및/또는 코팅은 이들을 통과할 때 각각의 레이저 펄스 내의 에너지의 적어도 일부분을 흡수할 수 있음이 발견되었다. 재료 선택 및 공정 파라미터는 선택되고/선택되거나 그에 따라 조정되어야 한다. 예를 들어, 상이한 유리 조성물은 상이한 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. 하나의 유리 조성물은 레이저 파장에 또는 그 근처에 흡수 피크를 갖는 미량 원소를 포함할 수 있으며, 따라서 이들을 통과하는 광의 일부 비율을 흡수할 수 있는 반면에, 다른 유리 조성물은 본질적으로 모든 입사광을 투과시킬 수 있다. 이는 코팅 층 재료의 경우에도 마찬가지이다. 기판(12) 및/또는 선택적인 코팅 층(40)에 의한 레이저 에너지의 흡수는 그 위의 임계 값에서, 외부 코팅 층(14)이 기판 및/또는 선택적인 코팅 층에 대한 손상없이 제거될 수 없는 임계 값 수준을 특징으로 할 수 있다. 이와 같은 임계 값 위에서, 이와 같은 대부분의 레이저 에너지는 피가공재를 통과하면서 흡수되어, 코팅 층(14)을 제거하기에 충분한 수준으로 레이저 펄스 에너지를 증가시키는 반면에, 기판 및/또는 코팅 층(40) 흡수를 고려하면 기판 및/또는 코팅 층(40)에 대한 손상 임계 값을 또한 능가한다.
또한, 레이저 빔은 재료 층이 레이저 빔의 파장에서 0이 아닌 흡수율을 가질 때, 레이저 빔이 통과하는 재료 층의 하나 이상의 특성을 선택적으로 변경시키는 데 사용될 수 있음이 발견되었다. 예를 들어, ITO 또는 다른 TCO의 층과 같은 전도체 층(40)을 통해 수행되는 제2 표면 레이저 용발 공정 동안, 층(40)의 다음 특성, 즉 표면 거칠기, 전기 저항, 일함수(work function), 캐리어 이동성 및/또는 농도 중 하나 이상이 변경될 수 있다. 또한, 특정 특성은 층 두께 내에서 상이한 양에 의해 변경될 수 있으며, 층 두께는 재료 층의 전체 스택 내에서 레이저 에너지 분포를 변경하거나 제어하는 데 사용될 수 있다. 이들 변화 중 몇몇은 전도체 층(40)이 용발된 피가공재로부터 형성되는 전기변색 장치의 전극 층일 때와 같이, 최종 제품 거동에 대한 변화에서 나타날 수 있다.
일 실시예에서, 추가 층(40)의 표면 거칠기는 용발될 코팅 층(14)이 도포되기 이전에 측정된 대로의 추가 층(40)의 표면 거칠기에 대한 피가공재의 용발된 구역에서 증가된다. 증가된 표면 거칠기는 최종 용례에 따라 긍정적이거나 부정적인 영향을 가질 수 있다. 예를 들어, 증가된 거칠기는 몇몇 용례(즉, EC 장치에서 전기변색(EC) 매체와 더 많은 표면 접촉)에서 증가된 표면적 또는 다른 용례에서보다 더 양호한 표면 습윤성 또는 접착성에 대응할 수 있다. 표면 거칠기가 충분히 높으면, 감소된 선명도(즉, 광의 더 많은 산란)가 투명 기판에 초래될 수 있으며, 이는 용례에 따라 유리하거나 치명적일 수 있다. 따라서, 제거되지 않은 코팅 층을 통한 레이저 용발을 수행하는 것은 제거되지 않은 코팅 층의 표면 특성을 변경시키기 위한 비통상적인 접근법을 나타낸다.
추가 층(40)이 전기 전도체인 경우에, 레이저 빔은 층의 전기 저항을 변경시킬 수 있다. 메커니즘이 완전히 이해되지는 않았지만, 전기 저항은 양 방향으로 영향을 미칠 수 있다. 충분히 많은 양의 레이저 에너지가 전도체 층(40)에 의해 흡수되는 몇몇 경우에, 전기 저항은 아마도 층 내의 일부 손상 또는 파괴로 인해 증가할 수 있다. 다른 경우에, 전도체 층 내의 소량의 에너지 흡수는 더 작은 전기 저항을 초래할 수 있다.
특정 구현예에서, 전도체 층을 통과하는 레이저 빔에 의해 영향을 받는 전도체 층(40)의 다른 특성은 전도체 층의 일함수이다. 이러한 변화된 특성은 용발된 피가공재로부터 이루어진 기능성 전기변색 장치에서 자체적으로 나타나는 것으로 나타났으며, 여기서 피가공재의 용발된 구역은 동일한 피가공재의 비용발된 구역보다 더 높거나 더 낮은 속도로 어두워진다.
전도체 층의 특정 반도전 특성은 또한, 캐리어 농도 및/또는 캐리어 이동성과 같은 용발 공정 동안 레이저 빔에 의해 변경될 수 있다. 예를 들어, 이들 재료 특성은 전도체 층의 일부분을 제거함으로써, 또는 레이저 빔에 노출에 의해 표면 특성을 우선적으로 변경함으로써 용발된 표면에서 선택적으로 변경될 수 있다.
추가 재료 층(40)의 이들 및 다른 변화에 제어 가능하게 영향을 미치는 한 가지 방식은 층의 두께를 경유하는 것이다. 예를 들어, 추가 재료 층을 통과하는 레이저 광의 일부분을 흡수하는 추가 재료 층의 증가된 두께는 층(40)에 흡수되는 에너지의 총량을 증가시키고 레이저가 층(40)에 미치는 효과를 증가시킬 수 있다. 층(40)의 두께는 또한, 특성 변화 또는 변화들의 균일성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 특성 변화는 두께의 다른 부분에서보다 층(40)의 두께의 일 부분에서 클 수 있으며, 증가된 두께는 특성 구배를 증가시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 추가 층(40)의 두께는 피가공재의 다른 층에서 레이저 에너지의 분포에 영향을 미치는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 자동-초점 효과가 층(40) 내에서 발생할 수 있으며, 층의 두께는 전계가 재료의 다중 층 내에 집중되는 곳에 영향을 미칠 수 있다.
전술한 레이저 용발 공정은 재료 추가 코팅 공정의 전형인 마스킹을 필요로 하지 않고 코팅 부분 및 코팅되지 않은 부분을 갖는 가공된 피가공재를 제공할 수 있지만, 마스킹은 레이저 용발 공정에 유리하게 사용될 수 있다. 마스킹된 레이저 용발은 마스킹된 코팅 공정에서 형성된 것보다 날카로운 피쳐를 형성할 수 있으며, 몇몇 경우에 레이저 용발만으로 형성된 것보다 날카로운 피쳐를 형성할 수 있다. 예를 들어, 원하는 특유의 피쳐 크기가 레이저 빔의 횡단면 크기보다 더 작을 때, 마스킹된 용발은 마스킹된 코팅 공정과 연련된 부정적 효과 없이 이와 같은 피쳐를 얻는 데 사용될 수 있다.
마스킹된 레이저 용발 공정의 일 실시예가 도 8에 예시된다. 이와 같은 실시예에서, 마스크(42)는 피가공재의 제1 측면(18)에 제공된다. 마스크(42)는 개방 또는 이와는 다른 광-투과 부분 및 중실 또는 이와는 다른 광-필터링 부분을 포함한다. 레이저 빔(100)이 가공 방향(A)으로 피가공재(10)에 대해 이동하면서 마스크(42)의 중실 부분과 만날 때, 빔은 마스크의 중실 부분에 의해 선택적으로 차단된다. 따라서, 표시와 같은 피쳐(44)는 코팅 층의 용발되지 않은 부분의 형태로 마스크(42)의 중실 부분에 직접적으로 대향하게 형성된다. 마스크(42)의 중실 부분은 완전히 불투명하거나 광-차단될 필요는 없다. 제2 표면(20)에서의 용발을 방지하는 데 충분한 양만큼 레이저 빔을 감쇠시키는 것만이 필요하다. 실제로, 마스킹된 용발 공정은 용발 공정의 특정 양태의 최적화를 용이하게 하여, 피쳐(44)를 형성하는 데 단지 작은 부분만의 광이 기판을 통해 투과되는 것을 방지할 필요가 있을 수 있다.
예를 들어, 레이저 용발 공정을 최적화하는 한가지 방법은 레이저가 피가공재(10)를 따라 래스터화되는(rastered) 속도와 함께, (예를 들어, 레이저 광학기기의 선택을 통해) 레이저 빔(100) 및 연관된 레이저 스폿(104)의 횡단면 크기를 최대화함으로써 코팅 층(14)의 제거 속도를 최대화하는 것이다. 이와 같은 최적화는 표면에서의 빔 반경의 제곱으로 감소되는 제2 표면(20)의 플럭스에 의해 제한된다. 임계 스폿 크기 위에서, 에너지 플럭스는 코팅 층에 대한 용발 임계 값 아래로 떨어지며, 이는 성능의 순 손실을 초래한다. 따라서, 레이저 스폿 크기와 래스터 속도를 용발 임계 값 바로 위로 구성하여 공정 주기 시간을 감소시키는 것이 유용하다. 큰 스폿 크기는 전체 코팅 제거 속도를 향상 시키지만, 이는 마스킹의 부재시 표시가 형성될 수 있는 크기 규모를 제한할 수 있다. 예를 들어, 200 미크론 직경의 레이저 스폿 크기가 코팅 층을 신속하게 제거하는 데 사용되면, 50 또는 100 미크론 규모의 매끄러운 및/또는 미세한 피쳐는 스폿의 전체 크기와 그의 둥근 형상 둘 모두로 인해 표시의 일부 또는 다른 피쳐와 무관하게 형성될 수 없다. 비-원형 빔(예를 들어, 직사각형)을 사용하는 것은 가공된 에지의 전술한 스칼럽 형상을 제거하고, 인접한 레이저 스폿 위치에 의해 요구되는 중첩의 양을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 그러나, 레이저 스폿보다 작은 피쳐의 형성은 성형된 빔에서조차 문제가 된다. 몇몇 공정은 제2의 더 작은 빔을 사용하여 작은 피처를 형성하는 반면에, 큰 최적화된 빔을 사용하여 코팅 층 재료의 대부분을 제거한다.
마스킹된 레이저 용발 공정은 제2 레이저 빔 및 연관된 제2 공정 경로에 대한 필요성을 제거하여, 하나의 최적화된 빔을 사용할 수 있는 훨씬 더 빠른 공정을 초래한다. 몇몇 경우에, 마스킹된 용발은 의도된 전체 용발 구역에 대해 변경되지 않는, 한 세트의 공정 파라미터를 갖는 용발 공정을 달성하기 위해서, 전술된 바와 같이 의도된 용발 구역의 제1 및 제2 영역에서 사용되는 상이한 공정 파라미터에 대한 대안예로서 사용될 수 있다. 레이저 용발 공정에서 사용되는 바와 같이, 마스크(42)는 다른 공정상의 장점을 제공한다. 예를 들어, 마스킹된 코팅 공정 경우에서 때때로 그러하듯이, 레이저 용발 공정에서 마스크(42)에 증착된 코팅 재료가 없다. 또한, 마스크는 마스킹된 코팅 공정과 호환될 수 없는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 코팅 공정은 고온에서 및/또는 화학적으로 활성 또는 반응성 재료로 수행된다. 이와 같은 공정에 사용되는 마스크는 이들 열악한 조건을 견뎌야 하는 반면에, 레이저 용발 공정에 사용되는 마스크(42)는 고온 또는 반응성 환경에 노출되지 않는다. 마스크(42)는 단지 레이저 빔(100)과 만날 뿐이다. 또한, 마스크(42)는 레이저 빔(100)의 초점면으로부터 떨어져 위치될 수 있고, 따라서 빔의 에너지에 덜 영향을 받거나 상대적으로 영향을 받지 않을 수 있다.
마스킹된 용발 공정의 다른 장점은 전술한 전도체 코팅 층과 같은 다른 코팅 층의 개선된 일관성 및/또는 성능이다. 예를 들어, 심지어 마스킹된 용발이 가공 시간을 감소시키지 않고, 마스킹되지 않은 공정에 비해 용발된 에지의 전체 외관을 개선시키지 않더라도, 최종 제품의 성능이 개선될 수 있다. 전도체 코팅이 도포되기 이전에 레이저 용발 공정이 수행되는 일 실시예에서, 마스킹된 레이저 용발로부터 초래되는 본질적으로 매끄러운 용발된 에지는 용발된 구역과 용발되지 않은 구역 사이의 경계에서 전도체 코팅 층의 대응하는 매끄러운 전이를 용이하게 한다. 예를 들어, 스캘럽된 용발 에지가 스캘럽의 정점에서 위에 놓인 전도체 코팅 층에 응력 집중기 및/또는 불완전한 스폿을 초래할 수 있는 반면에, 전도체 코팅은 마스킹된 공정으로부터 초래된 용발된 에지에 걸쳐서 도포될 때 덜 불완전함 및/또는 응력 집중기를 가지도록 더 일관되고 매끄러울 수 있다. 마스킹된 공정의 이러한 장점 및 다른 장점은 제1 표면 용발 공정 및/또는 불투명 한 기판으로도 실현될 수 있다.
일 구현예에서, 마스크(42)는 피가공재(10)의 제1 측면(18)의 제자리에 형성된다. 포토리소그래피는 원하는 패턴으로 마스크(42)를 형성할 수 있는 하나의 공정이다. 그러나, 포토리소그래피는 고가이고 시간-소모적이고 자체 마스크를 필요로 할 수 있다. 피가공재의 제1 측면(18)의 제자리에 마스크(42)를 형성하는 다른 방법은 프린팅에 의한 것이다. 잉크젯 프린팅과 같은 프린팅 기법은 피가공재(10)를 따라 마스크 재료를 선택적으로 증착함으로써 마스크(42)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 프린팅에 의해 제자리에 형성되는 마스크(42)에 의해서, 레이저 용발에 의해 형성될 수 있는 피처(44)의 크기 규모는 레이저 스폿 크기보다는 오히려 프린팅 기법의 해상도에 의해 제한된다.
몇몇 경우에, 전술한 레이저 용발 공정은 측정 가능한 투과 헤이즈를 갖는 용발된 구역을 초래한다. 투과 헤이즈는 용발된 기판을 통과하는 광의 일부의 확산 또는 산란으로부터 초래될 수 있다. 헤이즈의 정확한 원인이 완전히 이해되지 않지만, 잔류 코팅 층 재료 및/또는 코팅 재료와 하부 재료의 중간-화합물(inter-compounds)에 기인할 수 있다. 헤이즈는 또한, 레이저 빔의 에너지에 의해 직접적으로 유발되거나, 하부 재료로부터 코팅 층의 분리에 의해 초래되는 힘 또는 현상에 의해 간접적으로 유발되든지, 제거 표면에서 일부 거칠기, 손상 또는 다른 재료 변화에 부분적으로 기인한 것일 수 있다. 평균적으로 0.05% 이하의 투과 헤이즈를 갖는 피가공재의 용발된 구역을 형성하는 것이 가능하다. 몇몇 경우에, 헤이즈가 더 높을 수 있으며, 최대 허용 가능한 헤이즈는 피가공재의 의도된 용도에 의존할 수 있다.
레이저 용발 공정과 연관된 헤이즈를 감소시키는 하나의 방법은 피코초 또는 더 짧은 시간 규모로 레이저 빔의 펄스를 전달하는 레이저 시스템의 사용을 통한 방법이다. 피코초 레이저는 약 0.5 내지 약 500 피코초(ps) 범위의 지속 기간을 갖는 레이저 펄스에서 코팅 재료 제거에 필요한 에너지를 전달하도록 구성된다. 1 내지 50 ps 또는 50 ps 이하와 같은 수십 피코초의 펄스 지속 기간이 바람직할 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 피코초 레이저는 몇 가지 예를 들어, 20 ps 미만, 10 ps 미만, 5 ps 미만, 또는 1 ps 미만의 펄스 지속 기간을 제공할 수 있다. 약 0.5 내지 약 500 펨토초(fs) 범위의 펄스 지속 기간을 갖는 펨토초 레이저는 나노초 레이저(0.5 내지 500 ns 펄스 지속 기간)와 비교할 때 피코초 레이저와 동일한 몇몇 장점을 제공할 수 있다.
또한, 도 9a 및 도 9b는 레이저 용발에 의해 형성되는 금속 코팅 층(14)의 가공된 에지의 현미경 사진이다. 피코초 레이저는 도 9a의 기판(12)으로부터 코팅 층(14)을 제거하는 데 사용되며, 나노초 레이저는 도 9b의 기판으로부터 코팅 층을 제거하는 데 사용된다. 피코초 레이저 용발된 피가공재의 용발된 구역에서의 헤이즈 양은 나노초 레이저 용발 된 파가공재의 것보다 분명히 적다. 일반적으로, 열-영향 구역은 피코초 레이저에 의한 것보다 작다. 피코초 레이저와 연관된 더 적은 양의 헤이즈 이외에, 가공된 에지의 균일한(즉, 주기적인) 형상은 아마도 피코초 층으로 가공되는 동안 형성되는 덜 용융된 코팅 재료로 인해 나노초 레이저에 의한 것보다 분명하다. 도 9b의 나노초 레이저 가공된 에지는 또한, 에지로부터 멀리 그리고 나머지 코팅 층으로 연장되는 겉보기 마이크로크랙을 가진다. 마이크로크랙은 평균으로 약 10 내지 15 미크론 길이이고, 매 약 5 내지 15 미크론마다 가공된 에지를 따라서 이격된다.
도 7a를 추가로 참조하면, 피가공재(10)로부터 코팅 층(14) 재료를 제거하는 용발 공정 중에 레이저 빔이 전도체 층을 통과할 때 전도체 층(40)에 대한 변화를 정량화하기 위해서 실험이 수행되었다. 아래에서 더 설명되는 이들 실험에서, 전도체 층(40)은 1.6 mm의 두께를 갖는 소다 석회 플로트 유리 기판(12)에 증착되는 ITO이다. ITO 두께는 제어된 변수로서 피가공재에서 피가공재까지 다양했다. 코팅 층(14)은 대략 0.4%의 가시 광 투과율에 도달하는 데 충분한 두께, 예컨대 대략 50 nm의 두께를 갖고, ITO 상에 증착되는 크롬이다. 레이저 용발은 피코초 레이저를 사용하여 수행되었다.
위에서 언급한 바와 같이, 용발 공정의 결과는 레이저 스폿 크기, 펄스 에너지, 펄스 폭(즉, 펄스 지속 기간) 및 레이저 파장을 포함하는 여러 파라미터에 의존한다. 각각의 층, 및 특히 코팅 층(14)은 흡수된 에너지 임계 값을 가지며, 그 임계 값에서 그리고 그 값 위에서 결합(즉, 분자간, 분자 내, 접착제 등)의 파괴로 인해 층의 물리적 제거가 발생할 것이다. 피가공재(10) 내의 각각의 재료의 흡광도, 및 따라서 피가공재의 두께 내의 각각의 위치에서 흡수되는 에너지의 양은 레이저 광의 파장 함수이다.
흡광도는 또한, 레이저 광의 국소 강도에 의존한다. 이와 같은 의존성이 종종 무시될 수 있지만, 피코초, 펨토초 및 특정 나노초 레이저와 같은 초단 펄스 레이저에 의해 전달되는 상대적으로 높은 최대 펄스 전력은 이러한 강도-의존성을 적절하고 때때로 우세하게 한다. 따라서, 펄스 폭(즉, 펄스 지속기간)은 특히 초단 펄스 레이저를 사용하는 공정에서 적절한 공정 파라미터다. 펄스 폭은 또한 용발 공정 동안 코팅 층에 의한 에너지 흡수의 역학에 영향을 미친다. 예를 들어, 상대적으로 더 긴 펄스는 레이저 스폿에 인접하고 그 외부에 있는 코팅 층 재료에서 열 소산을 유도할 수 있고 레이저 스폿 내에 도달된 온도를 감소시키는 효과를 가질 수 있고/있거나 레이저 스폿 외부의 코팅 층 재료를 손상 또는 그와는 다른 영향을 미치는 효과를 가질 수 있다. 용발 공정 동안 흡수된 열로 인해 영향을 받는 레이저 스폿 외부의 재료는 코팅 층의 열-영향 구역(HAZ)을 정의한다. 일반적으로, 레이저 펄스 폭이 작을수록 더 작은 HAZ을 유도한다. 용발된 재료는 그에 대해 흡수된 열을 취하고 잠재적으로 제거되지 않은 코팅 층 재료에서 HAZ의 크기를 감소시키는 데 도움을 준다.
차례로, 회절 효과의 원천인 베이스 층의 표면 패터닝 양을 제어하는 레이저 공정의 주요 양태는 공정 중 레이저 광의 최대 강도이다. 다음의 설명은 레이저 공정의 이러한 양태에 영향을 미치는 다양한 용어에 관한 것이다. 펄스 에너지(E)는 식(1)을 통해 레이저의 평균 전력(P)과 반복률(R)로부터 계산될 수 있다. 최대 전력(P Peak )은 펄스 에너지(E)와 펄스 폭(Δt)의 함수이다. 최대 전력(P Peak )은 상황에 따라 펄스 중 평균 전력 또는 펄스 중 순간 최대 전력에 대한 통상 명칭이다. 펄스 폭을 알고 있지만 정확한 형상이 아니라면, 최대 전력은 식(2)에 나타낸 바와 같이 펄스 에너지를 펄스 폭으로 나눔으로써 근사치가 될 수 있다. 펄스의 정확한 형상을 알고 있으면, 가장 높은 순간 전력이 그에 따라 계산될 수 있다.
Figure pat00001
(1)
Figure pat00002
(2)
스폿 크기(w)(도 1)는 코팅 재료(14)가 제거되어야 하는 표면(20)에서 정의되고 결정되며, 레이저 스폿에서 단위 면적당 전력 또는 전력 밀도를 계산하는 데 사용될 수 있다. 대안으로, 펄스 에너지가 때때로 평균 또는 최대 전력 대신에 직접적으로 사용되기 때문에, 스폿 크기는 또한, 레이저 스폿에서, 펄스 당 단위 면적당 가공 표면에 입사하는 에너지 또는 에너지 밀도를 계산하는 데 사용될 수 있다. 레이저 빔의 횡단면이 알려지지 않으면, 전력 밀도 또는 에너지 밀도는 최대 전력(또는 펄스 에너지)을 스폿 면적으로 나눔으로써 근사치가 될 수 있다. 횡단면이 알려지면, 전력 밀도(또는 에너지 밀도)는 그에 따라 스폿 면적에 걸쳐 계산될 수 있다.
가우시안 빔(Gaussian beam)은 레이저 빔의 횡단면이 가우시안 함수에 의해 설명될 수 있는 일반적인 유형의 레이저 빔이다. 가우시안 형상은 일반적으로 알려진 '종형 곡선' 형상으로 중앙에 정점이 있고 정점의 양쪽에 특정 형상으로 하락하는 꼬리가 있다. 가우시안 함수는 정점으로부터 떨어져 접근하지만 절대로 0에 도달하지는 않으며, 레이저 빔은 초과의 직경에서 에너지를 무시할 수 있는 일부 실제 직경을 가질 것이다. 가우시안 빔의 유효 직경을 결정하는 몇몇 일반적인 방법은 반치전폭(full-width at half maximum), 1/e^2 폭 및 D4σ폭이다.
레이저 빔의 직경은 포커싱 렌즈 또는 다른 적합한 광학 요소를 통해 전파될 때 변하며, 집속 빔은 렌즈를 지나서 공기를 통과하면서 직경이 변한다. 빔은 하나 이상의 포커싱 렌즈의 일 세트에 의해 결정되는 공간 속의 몇몇 위치에서 최소 폭(또는 허리)을 가질 것이다. 허리의 위치와 폭은 몇몇 식을 사용하여 계산될 수 있다. 전파 방향으로 포커싱 광학기기를 지나는 임의의 거리에 있는 빔 허리 직경(최소 반경(w 0 ))은 식(3)을 사용하여 입력 빔 직경(D1), 렌즈의 초점 길이(f), 및 레이저 광의 파장(λ)으로부터 계산될 수 있다.
Figure pat00003
(3)
명백한 바와 같이, 빔의 허리 직경(w 0 )은 입력 빔의 직경(D1)이 증가함에 따라 감소한다. 허리 근처에서 빔 직경의 거동은 식(4)으로부터 계산될 수 있으며, 여기서 z는 광 전파 방향을 따르는 거리이며 z R 은 레일리 길이(Rayleigh length)이다. 레일리 길이는 빔이 w 0 보다 큰 √2배 미만으로 유지되는 거리(빔 허리의 양 측면)로 정의된다. 레일리 길이는 식(5)에 나타낸 바와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00004
(4)
Figure pat00005
(5)
레일리 길이는 때때로 '초점 심도'의 절반으로 지칭되고 일반적으로 빔 폭이 크게 변하지 않는 거리로 간주된다. 허리 직경(w 0 )에 크게 의존하여, 레일리 길이는 상당히(예를 들어, 미크론에서 마일까지) 변할 수 있다. 궁극적으로, 허리 직경이 렌즈의 초점 길이와 입력 빔 직경에 의해 결정되기 때문에, 레일리 길이는 또한 이들 파라미터의 함수이다.
도 10은 서로 위에 겹쳐진 2개의 상이한 레이저 빔(100', 100")을 예시하며, 여기서 초점 광학기기는 도면의 좌측에 있는 것으로 간주되며 레이저 광은 도면에 대하여 좌측에서 우측으로 전파한다. 레이저 빔(100') 중 하나는 다른 레이저 빔(100")의 빔 허리(w 0 ")보다 큰 빔 허리(w 0 ')를 가진다. 도 10은 또한, 빔 허리에서 정의된 초점면(110) 및 각각의 빔(100', 100")의 각각의 레일리 길이(z R ', z R ")를 예시한다. 빔(100'')은 모든 다른 것이 동등하지만 더 작은 허리(w 0 '')를 갖기 때문에, 대응하는 레일리 길이(z R '")는 상당히 더 작다. 이와 같은 실시예에서, 더 작은 허리(w 0 ")는 동일한 포커싱 렌즈를 사용하지만 입력 빔의 직경(D1)을 증가시킴으로써 달성될 수 있다.
코팅 층(14)이 금속이고 전도체 층(40)이 ITO인 도 7a에서와 같은 금속-오프-ITO 용발 공정의 특정 경우에, 위의 식들이 특정 파라미터를 계산하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 35 W의 평균 전력, 532 nm의 파장, 400 kHz의 반복률 및 15 ps 펄스 폭을 갖는 레이저는 87.5 μJ의 펄스 에너지 및 대략 5.8 MW의 최대 전력을 생성하며, 여기서 최대 전력은 펄스 폭에 걸친 평균을 사용하여 계산된다. 레이저 스폿에 걸쳐 균일하게 분포된 에너지를 갖는 약 200 ㎛의 레이저 스폿 크기에 대해, 평균 전력 밀도는 약 0.11 MW/cm2이다. 이와 같은 전력 밀도 또는 강도는 모든 시간에 걸쳐서 평균화되며; 전력 밀도가 펄스 중에 계산되면, 최대 전력 밀도는 1.85 x 104 MW/cm2이다.
도 10의 실시예에서, 빔(100')의 허리(w 0 ')는 빔(100")의 허리(w 0 ")보다 5배 크다. w 0 ' = 200 ㎛ 및 w 0 " = 40 ㎛인 특정 예시적인 실시예에서, 각각의 레일리 길이는 532 nm의 레이저 파장에서 z R ' = 59 mm 및 z R " = 2.3 mm이다. 이와 같은 실시예는 예를 들어, 초점 길이 또는 입력 빔 직경을 변경함에 의해 영향 받을 수 있는 허리 직경의 변경이 어떻게 레일리 길이 또는 초점 심도의 큰 변화를 초래할 수 있는지를 보여준다. 허리 직경이 클수록, 레일리 길이도 더 커진다.
허리 직경(w 0 )보다 큰 공정 스폿 크기(w)에 대해 초점이 흐려지면, 빔 직경이 원하는 공정 스폿 크기에 가깝게 되는 범위는, 따라서 도 10에서 명백한 바와 같이 증가하는 허리 직경에 따라 증가하며, 이는 허리로부터 떨어진 각각의 빔 직경의 상이한 증가율을 예시한다.
후술되는 실시예에서, 스폿 크기는 초점면(110), 즉 위에서 언급한 바와 같이 허리에서 빔의 가장 좁은 부분(100)에 대한 피가공재의 높이(h)(도 7a 참조)를 변경함으로써 변화된다. 스테이지 높이 또는 단순 높이(h)는 포커싱 렌즈 또는 최종 광학 요소에 대한, 피가공재 및 그에 따른 의도된 용발 표면(20)의 상대 위치를 변화시키는 편리한 방법으로 참조된다. 이들 실시예에서, 550 f-θ 렌즈가 사용되어 렌즈에서 초점면까지 측정된 초점 거리는 약 540 mm가 된다. 초기 작동 거리, 또는 렌즈와 피가공재 사이의 거리 h = 631 mm이며, 따라서 초점면은 최종 광학기기와 피가공재 사이의 전파 방향을 따라 위치된다. 제어 변수는 ITO(층(40)) 두께, 높이(h), 가공 경로의 방향(A)으로 레이저 빔의 스캔 또는 스위프(sweep) 속도 및 피치(p)이다. 피치는 가공 경로를 횡단하여 측정된 스캔 라인들 사이의 거리이다.
빔 허리 또는 초점면이 피가공재 및 용발 될 표면(20)에 더 가까워지도록 높이(h)가 감소됨에 따라서, 레이저 스폿 크기(w)는 감소되고 레이저 스폿에서의 에너지 밀도는 증가된다. 반대로, 빔 허리 또는 초점면이 피가공재 및 용발될 표면(20)으로부터 더 멀어지도록 높이(h)가 증가함에 따라서, 레이저 스폿 크기(w)는 증가되고 레이저 스폿에서의 에너지 밀도는 감소된다. 에너지 밀도가 용발 임계 값에서 또는 그 이상인한, 코팅 층(14)은 도 7a의 전도체 층(40)으로부터, 기판(12)으로부터, 또는 유전체 층과 같은 몇몇 다른 중간층으로부터 제거될 것이다.
따라서, 빔에 과도한 에너지가 존재하면, 즉 레이저 스폿의 에너지 밀도가 특정 높이(h)에서의 용발 임계 값보다 높으면, 결과적인 레이저 용발 스폿 크기는 통상적으로 주변부 근처에 있는 레이저 스폿의 몇몇 부분이 용발 임계 값 미만으로 떨어질 때까지 높이(h)가 증가함에 따라 증가할 것이다. 높이가 이와 같은 값을 초과하여 증가함에 따라서, 레이저 용발 스폿 크기는 감소한다. 기판 및/또는 임의의 중간 층(예를 들어, TCO 또는 유전체 층)의 몇몇 특성을 손상 시키거나 그와는 달리 변경시키는 잠재력은 레이저 스폿의 에너지 밀도가 최대 값(즉, 빔 허리) 근처에 있을 때와 같이 높이(h)가 감소함에 따라 증가한다. 높이(h)는 다소 임의적이고, 빔의 초점면과 레이저 스폿의 평면 사이의 거리를 측정하고, 변경하고, 모니터링하거나 제어하기 위한 편리한 방법으로서 본 명세서에서 사용됨에 주목해야 한다.
도 11은 코팅 층이 가공 경로를 따라 제거 되는 구역의 폭을 측정함으로써 결정되는 바와 같은, 높이의 함수로서 유효 용발 경로 폭의 도표이며, 이때 폭 측정은 현미경을 사용하여 가공 경로 방향을 횡단하여 취해진다. 코팅 층의 가공된 에지는 실제로 완전하게 평행하지 않을 수 있어서, 용발 경로를 따라서 최대 및 최소 폭이 측정된다. 최대, 최소 및 평균 경로 폭이 도 11에 나타낸다. 가장 좁은 경로는 근거리 초점(50 mm 스테이지 높이)에 대응하는 반면에, 더 넓은 용발 폭은 양방향으로 초점에서 멀어지는 거리(mm 단위)에 대응한다. 초점에서의 최대 폭은 약 170 ㎛인 반면에, 최대 폭은 약 130 mm 스테이지 높이(초점 위 80 mm)에서 약 210 미크론에 달한다. 130 mm 스테이지 높이 위에서, 용발 경로 폭은 레이저 스폿의 에너지 밀도가 감소하고 레이저 스폿의 주변부 주위의 용발 임계 값 아래로 떨어짐에 따라서 감소한다. 물리적인 스테이지 높이, 높이(h), 및 초점면과 레이저 스폿 사이의 거리는 상이한 값일 수 있지만, 이들 변수 중 하나의 변경은 다른 변수의 동일한 양의 변경과 동등하다.
레이저 스폿 에너지 밀도의 함수로서 코팅 층이 제거되는 재료의 특성에 예상하지 못한 영향이 발견되었다. 예를 들어, 중간 층(40)(예를 들어, ITO)의 두께는 다른 일반적인 품질의 지표에 대해 무시할 수 있는 변화로 변경될 수 있다. 도 12는 스캔 속도, 스테이지 높이 및 피치의 함수로서 ITO 두께의 변화를 예시한다. 각각의 하위-그래프는 2개의 상이한 공정 변수의 함수로서 나노미터 단위의 ITO 두께의 변화를 보여주는 등고선도이다. 이들 도표는 ITO 두께가 레이저 용발 공정 변수의 변화에 따라 눈에 띄게 변할 수 있음을 나타낸다. ITO 두께의 최대 변화는 낮은 높이, 느린 스캔 속도 및 작은 피치 값에서 발생한다. ITO 두께는 일반적으로, 감소된 h(초점에 더 가까워짐), 감소된 스캔 속도 및 감소된 피치에 따라서 그의 원래 코팅 두께로부터 감소한다. 이들 조건은 에너지 밀도를 최대화하여 인접한 레이저 스폿의 최대 중첩을 초래한다. 도표는 또한 전체 ITO 두께가 몇몇 설정에서 유지되는 것을 예시한다. 따라서, 두께 변화는 0 내지 15 nm의 범위 내에서 제어할 수 있다. 다양한 구현예에서, 두께 변화는 약 15 nm 미만, 약 10 nm 미만, 약 5 nm 미만, 약 2.5 nm 미만이다. ITO 또는 다른 전도체 층이 전극으로 사용되는 것과 같은 몇몇 용례에서, 더 낮은 두께 변화가 층의 전기 저항을 최소화하는데 바람직할 수 있다. 다른 용례에서, 증가된 전기 저항이 바람직할 수 있거나, 특정의 균일한 또는 불균일한 층 두께가 다른 이유로 바람직할 수 있다.
ITO 두께의 변화는 ITO의 열화에 대응하지 않는다. 도 13은 동일한 변수의 함수로서 헤이즈의 변화를 예시한다. 잔류 금속 코팅 층을 갖는 샘플은 헤이즈 측정에서 제외되었다. 예를 들어, 큰 피치 및 낮은 스폿 에너지에서, 몇몇 잔류 금속 코팅 층이 몇몇 경우에 남아있었다. 헤이즈에 대한 변화는 무시할 정도로 작고 몇몇 작은 잔류 금속이 존재할 가능성이 있는 조건에 대응하는 것으로 간주된다. 따라서, ITO 두께 변화는 헤이즈에 부정적인 영향을 미침이 없이 비교적 큰 범위로 제어 될 수 있다.
몇몇 용례에서, ITO 두께의 변화는 문제가 되지 않으며, 다른 용례에서는 상당한 광학 결과를 가질 수 있다. 예를 들어, 큰 동적 범위 및/또는 빠른 스위칭 속도가 바람직한 전기변색 미러의 경우에, ITO 제거는 문제가 될 수 있다. 미러가 어두워지는 속도는 ITO의 시트 저항에 의해 영향을 받기 때문에 일부 ITO의 제거는 시트 저항을 증가시키고 미러가 어두워지는 것을 느리게 할 것이다. 다른 경우에, 어두운 상태의 반사율은 절반 파장 두께가 바람직한 ITO의 광학 두께의 함수이다. 코팅 층(14)이 제거되기 이전의 초기 두께가 절반 파장이면, 결과적인 광학 두께는 더 작아서, 어두운 상태의 반사율을 증가시킬 것이다.
ITO에 걸친 층의 시스템 컬러가 중요할 때 과제는 더욱 복잡해진다. 예를 들어, ITO 상부의 크롬 또는 소위 감마 스택(Cr/Ru/Cr/Ru)의 반사된 b*는 ITO의 두께와 직접적으로 관련된다. 중성 b* 값은 절반 파장 두께의 약 80%에서 달성된다. 이와 같은 경우에, 초기 ITO 두께는 용발로 인한 잠재적 손실을 수용하기 위해 증가될 수 없는데, 이는 ITO의 전체 두께가 용발되지 않은 코팅 층에 남아 있는 경우에, ITO가 너무 두껍고 미러의 외관에 영향을 미치기 때문이다. 링 또는 용발되지 않은 구역(도 6의 테두리(38) 참조)에서의 전도체 층(예를 들어, TCO 또는 ITO)과 용발된 구역에서의 전도체 층 사이의 두께 차이는 바람직하게 약 13% 미만, 더 바람직하게 약 8% 미만 및 가장 바람직하게 약 5% 미만이며, 여기서 백분율은 두께 차이를 용발되지 않은 구역에서의 두께로 나눈 값이다.
본 명세서에서 설명된 기법을 사용하여 달성된 용발된 구역은 헤이즈 또는 두께 변화와 같은 많은 품질 지표(metrics)에 대해 용발되지 않은 표면과 기능적으로 구별할 수 없는 것으로 나타났다. 흡수 또는 벌크 저항과 같은 다른 지표는 소량만큼 다를 수 있지만, 적절한 용발 조건 하에서는 전기변색(EC) 장치의 기능에 상당한 영향을 미치는 데 충분할 정도로 다르지 않다. 그러나, 전술한 레이저 용발의 여러 이점이 일반적인 품질 지표에 치명적이지 않으면서 실현될 수 있지만, 광이 용발 표면에 비치거나 용발 표면을 통과할 때 나타나는 회절 또는 굴절 패턴과 같은 특정한 새로운 예상하지 못한 문제점이 발견되었다. 이러한 문제점 및 몇몇 해결책은 각각, 2014년 7월 29일 및 2014년 10월 24일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/030,498호 및 62/068,140호에 설명되어 있다. 이들 출원은 그 전체가 원용에 의해 포함된다.
EC 미러와 같은 전기-광학 장치의 경우에, 이러한 회절 문제점은 장치가 어두워진 상태에 있고 점 광원이 이미징될 때 가장 현저하게 관찰된다. 그 효과는 또한 몇몇 경우에 깨끗한 어둡지 않은 상태에서도 관찰될 수 있다. 바람직하지 않은 효과는 점 광원의 구역 주변에서 현저한 일련의 컬러 선 또는 인공물의 출현이다. 이는 이와 같은 조건이 장치의 주요 기능이기 때문에, 자동차 용례에서 후방미러와 특히 관련이 있다.
효과의 강도를 정량화하는 방법이 효과의 순위 및 개선(즉, 외관 또는 두드러짐에서의 감소)을 허용하도록 개발되었다. 몇몇 경우에, 회절 효과가 전혀 존재하지 않으며, 이는 바람직할 수 있다. 다른 경우에, 그 효과가 존재할 수 있으나 부적당할 정도로 심각한 것은 아니다. 조명 조건 및 환경 요인은 그 효과가 실제 조건에서 현저한지의 여부와 부적당한지의 여부에 기여할 수 있다.
회절 효과가 존재하지 않거나 정의된 허용 한계 내에 있음을 보장하기 위한 연구 도구 또는 품질 제어 장치로 사용하기 위한 실험실 장치가 개발되었다. 상기 장치는 광-방출 단부를 갖는 광섬유와 같은 점 광원을 포함한다. 광은 선택된 각도로 평가할 표면쪽으로 투사된다. 컬러 카메라는 표면과 상보적인 각도로 위치되고 결과를 이미지화한다. 카메라에 의해 검출된 광은 주요 컬러로 분리된다. 그런 다음 소프트웨어 알고리즘이 이미지를 분석하고 반사된 이미지를 포함할 수 있는 타원을 결정하고 분석 구역을 정의한다. 상기 구역은 회절 효과의 강도에 따라 크기를 조절할 수 있으며, 더 큰 구역에서 더욱 심각한 회절 효과를 가진다. 상기 구역이 분석되고 황색 광이 이미지로부터 제거된다. 그 후 적색, 청색 및 녹색 강도가 합산되어 분석 구역으로 정규화된다. 이는 그 후에 회절 강도로서 지칭될 수 있는, 회절 효과의 강도에 대한 정량적인 지표를 제공하며, 여기서 더 높은 회절 강도의 값은 더 심각하고, 현저하고/현저하거나, 시각적으로 부적당한 회절 효과를 나타내며, 더 낮은 값은 덜 심각하고, 현저하고/현저하거나 시각적으로 부적당한 효과를 나타낸다.
회절 강도 값은 특정 관찰자 또는 관찰자 그룹, 광 유형, 시야 각, 관찰자와 용발된 표면 및 광원 사이의 상대 거리와 절대 거리, 및/또는 다른 변수에 의해 주관적인 반대 가능성과 연관될 수 있으므로, 일련의 표준화된 조건하에서 얻어진 회절 강도 값이 허용 임계 값을 식별하는 데 사용될 수 있다. 또는, 회절 강도 값은 실험 목적을 위한 회절 효과의 강도 변화를 평가하기 위해서 아래와 같이 사용될 수 있다.
이 기법을 사용하여 생성된 숫자는 상이한 강도 수준을 갖는 샘플 범위를 선택하는 데 사용된다. 샘플은 실험실과 주행 조건 둘 모두에서 검토되고 임계 값을 결정하기 위해서 주관적으로 평가된다. 관찰자의 연령, 차량 유형 및 주행 경로 모두가 순위에 영향을 미친다. 전술한 특정 기구로부터의 회절 강도 등급은 약 5 미만, 바람직하게 약 2.5 미만, 가장 바람직하게 약 1.5 미만이어야 한다. 가장 엄격한 조명 조건에서 효과의 가시성은 약 0.7 내지 1.0의 회절 강도 값에서 시작한다.
일련의 샘플이 회절 강도 값의 범위를 생성하기 위해서 다양한 레이저 용발 설정에 의해 생성된다. 그런 다음, 효과를 생성하지만 표준 품질 지표에는 눈에 띄지 않는, 변화하는 것을 결정하기 위해서 샘플에 일련의 표면 과학 특성화 방법이 수행되었다. 두 세트의 샘플이 준비되었다. 제1 세트에서, 크롬 층이 유리로부터 용발되었으며, 후속적으로 ITO가 용발된 표면의 절반에 걸쳐 도포되었다. 제2 세트에서, 크롬 층이 ITO 코팅 유리 기판의 절반에 걸쳐 도포되고, 그 후에 용발되었다.
아래의 표 Ⅰ은 제1 세트(유리로부터 금속의 용발)에 대한 전기 광학적 특성을 열거한다. 상기 표는 3개의 섹션으로 나누어진다. 제1 섹션은 용발 및 후속 ITO 코팅 이후의 특성을 열거하며, 제2 섹션은 ITO 코팅의 도포 없는 유리 기판에 대한 용발 이후의 특성을 열거하며, 제3 섹션은 제1 섹션과 제2 섹션 사이의 헤이즈의 차이를 열거한다. 표의 각각의 섹션은 A7 내지 D7 시험에 대한 특성을 열거한다. 4가지 시험 중, 스캔 속도와 피치는 일정하게 유지된 반면에, 높이는 90 내지 150 mm 범위에서 각각의 시험에 대해 변경되었으며, 즉, 초점면은 4가지 시험 중 60 mm 범위 내에서 용발된 표면에 대해 이동되었다. 표 1에 보고된 데이터는 스캔 속도(m/s), 피치(㎛), 높이(mm), 투과율(%), 반사율(%), 흡광도(%), 투과 헤이즈(%), ITO 시트 저항(Ω), 벌크 저항률(μΩ-cm), 표면 거칠기(nm), 표면 거칠기를 제외한 ITO 두께(nm), 표면 거칠기를 포함한 전체 ITO 두께(nm) 및 ITO의 굴절률을 포함한다.
후 용발 및 ITO 코팅
시험 스캔 속도
(m/s) 		피치
(㎛) 		높이
(mm) 		투과율
(%) 		반사율
(%) 		흡광도
(%) 		헤이즈
(%) 		ITO 시트 저항(Ω) 벌크 저항률
(μΩ-cm) 		ITO 거칠기(nm) ITO 두께 w/o 거칠기
(nm) 		전체 ITO 두께
(nm) 		ITO 굴절률
A7 20 100 150 85.0 12.2 2.8 0.24 20.1 233 8.5 107.2 115.7 1.867
B7 20 100 130 85.3 12.0 2.6 0.08 16.7 194 7.9 108.4 116.3 1.860
C7 20 100 110 85.4 12.1 2.4 0.08 17.5 207 7.6 110.9 118.5 1.869
D7 20 100 90 85.4 12.2 2.4 0.08 17.6 202 6.1 108.9 115.0 1.870
후 용발
시험 스캔 속도
(m/s) 		피치
(㎛) 		높이
(mm) 		투과율
(%) 		반사율
(%) 		흡광도
(%) 		헤이즈
(%) 		시험 헤이즈 차이
(%)
A7 20 100 150 90.8 8.3 0.8 0.08 A7 0.16
B7 20 100 130 90.9 8.3 0.8 0.06 B7 0.02
C7 20 100 110 90.8 8.3 0.9 0.08 C7 0.00
D7 20 100 90 91.0 8.3 0.8 0.06 D7 0.02
표 1은 유리가 용발 이후에 고품질이며 용발된 유리에 ITO를 첨가해도 비정상적인 특성을 초래하지 않는다는 관찰을 지지한다. 이들 실험을 위한 초점 높이는 대략 90 mm였고, 이는 전술한 다른 실험의 높이와 상이하고 유효 작업 높이를 약간 이동시킬 것이다. 상대 높이는 표에 열거된 높이로부터 계산될 수 있다.
아래의 표 2는 제2 세트(ITO에서 금속의 용발)에 대한 전기 광학적 특성을 열거한다. 상기 표는 3개의 섹션으로 나누어진다. 상부 섹션은 용발 이후의 ITO 표면의 특성을 열거하며, 중간 섹션은 용발되지 않은 ITO 표면의 특성을 열거하며, 하부 섹션은 상부 섹션과 중간 섹션 사이의 특정한 특성의 차이를 열거한다. 표의 각각의 섹션은 시험(E7 내지 H7)에 대한 특성을 열거한다. 4가지 시험 중, 스캔 속도와 피치는 일정하게 유지된 반면에, 높이는 90 내지 150 mm 범위에서 각각의 시험에 대해 변경되었다.
용발된 표면
시험 스캔 속도
(m/s) 		피치
(㎛) 		높이
(mm) 		투과율
(%) 		반사율
(%) 		흡광도
(%) 		헤이즈
(%) 		시트 저항(Ω) 벌크 저항률
(μΩ-cm) 		거칠기(㎚) 두께 w/o 거칠기
(nm) 		전체 두께
(nm) 		굴절률
E7 20 100 150 86.0 11.3 2.7 0.09 13.9 164 4.7 113.2 117.8 1.867
F7 20 100 130 84.8 12.4 2.8 0.08 15.1 173 5.7 108.7 114.5 1.870
G7 20 100 110 83.4 14.0 2.6 0.08 16.8 177 6.7 98.7 105.4 1.876
H7 20 100 90 82.6 15.0 2.5 0.09 18.3 182 5.0 94.5 99.6 1.869
용발되지 않은 표면
시험 스캔 속도
(m/s) 		피치
(㎛) 		높이
(mm) 		투과율
(%) 		반사율
(%) 		흡광도
(%) 		헤이즈
(%) 		시트 저항(Ω) 벌크 저항률
(μΩ-cm) 		거칠기(㎚) 두께 w/o 거칠기
(nm) 		전체 두께
(nm) 		굴절률
E7 20 100 150 86.9 11.0 2.1 0.07 13.9 164 4.3 113.9 118.2 1.849
F7 20 100 130 86.8 11.0 2.2 0.07 14.0 167 4.6 114.5 119.1 1.843
G7 20 100 110 86.5 11.4 2.1 0.06 14.6 171 4.5 112.6 117.1 1.844
H7 20 100 90 86.9 11.0 2.1 0.07 14.0 171 6.8 115.4 122.2 1.843
용발 후 차이
시험 흡광도
(%) 		헤이즈 시트 저항(Ω) 벌크 저항률
(μΩ-cm) 		거칠기(㎚) 두께 w/o 거칠기
(nm) 		전체 두께
(nm) 		굴절률
E7 0.6 0.02 0.0 1 0.3 -0.7 -0.4 0.018
F7 0.6 0.01 1.1 -6 1.1 -5.8 -4.6 0.027
G7 0.5 0.02 2.2 -6 2.2 -13.9 -11.7 0.032
H7 0.4 0.02 4.3 -11 -1.8 -20.9 -22.6 0.026
일반적으로, 표 2는 용발 이후 ITO가 고품질이며 많은 열거된 특성이 상대적으로 변함이 없다는 관찰을 지지한다. 금속층이 용발된 ITO의 가시광 흡수는 용발을 경험하지 않은 ITO의 가시광 흡수보다 약 0.6% 높다. ITO 두께는 레이저 용발 공정이 더 낮은 높이, 즉, 초점에 더 가깝게 그리고 레이저 스폿에서 더 높은 에너지 밀도로 이동됨에 따라 눈에 띄게 하락한다. 몇몇 경우에, 용발-후 ITO는 약간 더 거칠고 벌크 저항은 미-용발된 ITO보다 약간 높다.
표 1 및 표 2에 보고된 거칠기 값은 편광 해석법을 사용하여 결정되었다. 위에서 언급한 바와 같이, 열거된 값과 차이는 중요한 것으로 간주되지 않는다. 편광 해석기는 빛의 파장보다 더 작은, 작은 규모의 피쳐를 관찰한다. 본 명세서에서 언급된 바와 같이, 회절 효과는 더 긴 길이 규모의 피쳐를 필요로 한다. 편광 해석기는 이들 더 긴 길이의 규모에 걸쳐서 평균화하고 더 큰 인공물에 의해 눈에 띄게 영향 받지 않는다.
회절 효과는 표면에 존재하는 특정 주기성의 피쳐를 필요로 한다. 상기 주기는 스캔 또는 가공 경로 방향(도 1의 방향(A))으로 대략 45,000 nm이고 라인 오프셋 방향(즉, 피치)으로 대략 85,000 nm이다. 이와 같은 주기성은 스캔 방향으로 동일한 크기의 순차적 레이저 스폿들 사이의 중첩 균일성 및/또는 스캔 라인들의 오프셋(피치)에 의해 유발될 수 있다. 회절 효과에 대한 일반적인 요건은 주기가 약 4,500 nm 내지 850,000 nm라는 점이다. 자동차 후방미러의 용례에서, 미러, 운전자 및 광원 사이의 상대 거리는 효과의 가시성에 영향을 받을 수 있으며 이들 제한을 다소 변화시킬 수 있다.
피쳐에는 다양한 순열이 있을 수 있지만, 최소 요건은 피쳐가 그에 몇몇 구조물을 가진다는 점이다. 표 1 및 표 2의 값을 생성하기 위해 사용된 실험 샘플은 광학 회절 효과와 용발된 표면에 존재하는 구조물 사이의 관계를 정량화하기 위해 백색광 간섭계(WLI)를 사용하여 추가로 분석되었다. WLI는 더 넓은 구역을 관찰하여 회절 효과를 생성하는 구조물의 주기성을 보여준다. 표 3은 몇몇 추가 데이터와 함께 WLI 분석 결과를 보여준다. 도 18 내지 도 29는 표 3의 각각 열거된 샘플 유형(A7 내지 H7M)과 연관된 WLI 이미지이다. 산-대-골의 값은 나노미터 단위이고 두께 방향(도 18 내지 도 29에서 수직 방향)으로 측정된다.
회절 효과는 전술한 카메라 이미징 기법을 사용하여 측정되었다. 하나의 의도된 용례(즉, 자동차 전기변색(EC) 후방미러)에서, 용발된 표면을 유리를 통해 본 이후에, 효과가 유사한 배향으로 측정되었고, 그 측정은 출구 매체로서 공기를 갖는 제2 표면으로서 용발된 표면을 갖는 유리의 두께를 통해 수행되었다. 이들 측정값은 표 3에서 "공기 중 회절 강도"로서 열거되어 있다. 또한, 회절 효과는 이 경우 대략 1.44인, 공기보다 높은 굴절률을 갖는 액체로 습윤된 상태인 동안 유사한 배향에서 측정되었고, 표 3에서 "습윤시 회절 강도"로서 보고된다. 주기적 피처의 산-대-골의 높이는 기판의 큰 규모의 비-평탄도에 대한 효과를 최소화하기 위해서 국소 영역에서 WLI를 사용하여 측정되었다.
샘플 처리 최종 상태 스캔 속도(m/s) 피치
(㎛) 		높이(㎜) 공기 중 회절 강도 습윤시 회절 강도 산-대-골
(nm)
A7 유리에서 금속 용발 유리 + ITO 오버코트 20 100 150 0.09 0.30 32.2*
A7M 유리에서 금속 용발 유리 20 100 150 0.50 0.00 7.10
B7 유리에서 금속 용발 유리 + ITO 오버코트 20 100 130 1.00 0.04 7.10
B7M 유리에서 금속 용발 유리 20 100 130 0.15 0.00 6.20
C7 유리에서 금속 용발 유리 + ITO 오버코트 20 100 110 5.50 1.20 9.60
C7M 유리에서 금속 용발 유리 20 100 110 1.50 0.06 8.80
D7 유리에서 금속 용발 유리 + ITO 오버코트 20 100 90 9.60 2.10 14.80
D7M 유리에서 금속 용발 유리 20 100 90 4.80 0.15 14.00
E7 ITO에서 금속 용발 유리/ITO 20 100 150 2.80 0.54 8.90
E7M 레이저 통과 유리/ITO 20 100 150 0.35 0.45 3.20
F7 ITO에서 금속 용발 유리/ITO 20 100 130 3.20 0.23 11.60
F7M 레이저 통과 유리/ITO 20 100 130 0.39 0.23 3.30
G7 ITO에서 금속 용발 유리/ITO 20 100 110 3.70 0.95 10.60
G7M 레이저 통과 유리/ITO 20 100 110 0.40 0.45 3.10
H7 ITO에서 금속 용발 유리/ITO 20 100 90 4.20 1.10 14.010
H7M 레이저 통과 유리/ITO 20 100 90 0.32 0.45 3.40
*측정 인공물표 3의 하부 절반에서, E7M, F7M, G7M 및 H7M 샘플은 ITO로부터 용발된 금속을 갖지 않는 기준 제어이다. 이들 샘플은 ITO가 존재하는 경우에 대해, 코팅 자체가 약 0.365의 평균 회절 강도 판독 값 및 약 3.2의 평균 산-대-골 거리를 가짐을 보여준다. 이들 값은 거칠기가 무작위이므로 주기성이나 구조물이 없기 때문에, 이들 조건에 대한 베이스라인 노이즈 레벨로 볼 수 있다.
회절 강도 판독 값과 산-대-골 거리 사이의 전반적인 관계는 도 14에 도시되며, 여기서 표 3으로부터의 세 가지 상이한 경우, 즉 유리에서 금속의 용발, ITO 오버코트를 갖는 유리에서 금속의 용발 및 ITO에서 금속의 용발이 조합된다. 재료와 인접 매체의 상이한 굴절률은 회절 효과의 강도를 변경하도록 조합될 것이라는 점에 유의해야 한다. 인접 매체로서의 공기에 대해 약 5 미만의 회절 강도 수를 달성하기 위해서, 산-대-골 거리는 약 15 nm 미만, 바람직하게 약 10 nm 미만, 가장 바람직하게 약 7.5 nm 미만이어야 한다.
인접 매체는 회절 효과의 강도에 중요한 역할을 한다. 도 15는 인접 매체로서의 공기에 대한 회절 강도 판독 값과 인접 매체로서의 액체에 대한 1.44의 굴절률 사이의 관계를 예시한다. 습윤된 상태의 회절 강도 값은 이와 같은 실시예에서 공기에 대한 회절 강도 값의 대략 20%이다.
굴절률의 역할은 도 16에서 더 강조된다. 용발된 유리 표면에 걸쳐서 증착된 ITO를 갖는 샘플은 삼각형 데이터 포인트로 나타낸다. 이와 같은 경우에, ITO는 더 높은 굴절률을 가지며 회절 강도의 판독 값은 산-대-골 지표 값에 대해 상대적으로 크다.
도 17은 인접 매체의 굴절률의 역할을 추가로 설명한다. 도 17의 데이터는 회절 효과를 유발하는 결과적인 피쳐를 갖는 용발된 표면에 습윤된 다양한 굴절률을 갖는 액체에 대해 유리를 통해 취한 표 1 및 표 2의 샘플에 대한 회절 강도의 판독 값이다. ITO 전용의 E7M, F7M, G7M 및 H7M 샘플은 회절 효과를 유발하는 주기적인 구조물을 가지고 있지 않기 때문에 포함되지 않는다. 도 17은 인접 매체와 주기적인 손상을 갖는 표면 사이의 굴절률 차이가 감소하면 회절 효과가 감소한다는 것을 나타낸다. 위의 표 2에 나타낸 바와 같이, ITO의 굴절률은 약 1.85이다. 1보다 크고, 1보다는 주기적 손상을 갖는 표면의 굴절률에 더 가까운 굴절률을 갖는 인접 매체는, 인접 매체로서의 공기와 비교할 때 부적당한 회절 효과가 고지되기 이전에 더 큰 산-대-골 피쳐 치수를 가능하게 한다. 습윤된 경우에, 산-대-골은 바람직하게 약 25 nm 미만, 더 바람직하게 약 18 nm 미만, 가장 바람직하게 약 13 nm 미만이다. 주기적인 손상을 갖는 표면과 인접 매체 사이의 굴절률의 차이는 0.5 미만, 예컨대 0.35 미만 또는 0.2 미만일 수 있다.
예시적인 회절 강도 측정 시스템(400)이 도 30에 도시된다. 시스템(400)은 광원(410), 광섬유 케이블(412) 및 카메라(430)를 포함한다. 광원(410)은 광섬유 케이블(412)에 의해 전송된 다음에 광섬유 케이블(412)의 단부로부터 샘플(420)쪽으로 지향되는 광을 생성한다. 광섬유 케이블(412)의 단부로부터의 광(414)은 각도(422)로 샘플(420)과 충돌하며, 여기서 각도(422)는 샘플의 평면으로부터 측정된다. 카메라(430)는 샘플(420)에 의해 생성된 회절 패턴을 형성하는 광(424)을 포획하도록 위치된다. 시스템은 측정이 수행될 때 암실에 위치되어, 미광에 의해 도입되는 오류를 최소화할 수 있다.
광이 샘플과 충돌하는 각도(422)는 샘플의 평면에서 측정했을 때 35°였다. 광섬유 케이블(412)의 단부는 샘플(420)로부터 17 인치의 거리에 위치된다. 광섬유 케이블(412)의 단부가 샘플(420)에 너무 가까운 경우에, 카메라(430)는 샘플 상의 단지 원하는 밝은 스폿보다는 오히려 조명 콘(cone)으로부터 더 밝은 배경 노이즈를 개선할 수 있다. 샘플(420)상의 조명 구역은 대략 180 cm2였다. 조명 구역은 조명이 카메라(430)에 의해 측정된 이미지 강도에 거의 또는 전혀 기여하지 않을 정도로 충분히 크게 선택된다. 카메라(430)는 광이 샘플과 충돌하는 각도(422)와 유사한 각도로 샘플로부터 17 인치의 거리에 위치된다. 카메라는 f1.8의 조리개가 있는 Basler 모델 AC2500-14UC 및 50 mm Fujinon 렌즈, 모델 # HF50SA-1이다. 렌즈의 초점은 카메라의 초점면이 광섬유 케이블(412)의 단부와 동일한 위치에 있도록 후에 조정된다.
광원(410)은 임의의 적절한 광원일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 광원은 다중-LED 광원일 수 있다. 예시적인 회절 강도 측정 시스템(400)에서, 광원은 도 31에 도시된 바와 같이 광 스펙트럼을 생성하는 Ocean Optics bluLoop 모델이다.
카메라는 고정 노출을 사용했다. 노출 시간은 양 극단 사이에서 선택되었다. 노출 시간은 적색, 녹색 또는 청색 컬러 중 어느 것도 포화되지 않을 정도로 충분히 짧았으며, 노출 시간은 회절 컬러가 측정 값의 노이즈 레벨 이상으로 인식될 수 있을 정도로 충분히 길었다. 두 노출 시간 사이의 차이는 작업 노출 시간을 정의한다. 노출 시간은 적절한 회절 측정을 위해서 이들 두 값 사이의 중간으로 설정될 수 있다. 예시적인 회절 강도 측정 시스템(400)에서, 노출 시간은 대략 50 밀리초로 설정되었다. 카메라는 적절한 화이트 밸런스를 달성하기 위해서 스펙트럼 플라크(plaque)로 보정되었다. 적색, 녹색 및 청색 이득은 스펙트럼 플라크의 적절한 컬러를 위해 필요한만큼 조정되었다. 보정 공정은 당업자에게 주지되어 있다.
카메라 이미지 분석의 개략도가 도 32에 도시된다. 이미지는 두 영역, 즉 제외 구역(510) 및 분석 구역(520)으로 나누어진다. 각각의 영역의 직경은 이미지 중앙의 밝은 광원의 크기를 기초로 한다. 중심 밝은 스폿의 직경이 측정되며, 배제 구역(510)은 중심 밝은 스폿 직경의 2배인 직경을 가진다. 분석 구역(520)은 중심 밝은 스폿의 직경의 6배인 직경을 가진다. 도 32에 도시된 바와 같이, 배제 구역(510) 및 분석 구역(520)은 중심 밝은 스폿과 동심이다. 분석 이미지는 배제 구역(510)과 분석 구역(520) 테두리 사이의 "도넛" 영역에 위치되는 중앙 밝은 스폿의 양 측면 상의 수직 컬러 회절 대역(530)에 대해 평가된다. 도 33은 중앙 밝은 스폿(500), 배제 구역(510), 분석 구역(520) 및 컬러 회절 대역(530)의 오버레이를 갖는 회절 효과의 카메라 이미지를 도시한다.
이어서, 컬러 회절 대역(530)이 본질적으로 적색, 청색 또는 녹색 광으로 이루어지는 영역에 대해 조사되었다. 이들 영역은 회절 대역(530)을 정의한다. 그 면적은 이들 각각의 컬러에 대해 계산된 다음에 합산된다. 그 후에 회절 대역(530)의 전체 면적은 회절 효과와 연관된 단위가 없는 회절 강도를 얻기 위해서 전체 분석 면적으로 나누어진다.
회절 효과의 크기가 증가하고 감소함에 따라서, 적색, 청색 및 녹색 구역의 면적이 비례하여 변경된다. 효과의 크기가 변화함에 따라, 회절 구역의 수가 증가하거나 구역의 폭과 길이가 변경 될 수 있다. 회절 강도 측정 시스템은 회절 효과의 강도가 다를 수 있는 상이한 방법을 포획하기 위한 수단을 제공한다. 회절 강도 측정 시스템이 면적 비율을 사용하기 때문에, 노출 시간에 상대적으로 둔감하다. 예를 들어, 결과적인 회절 강도 값은 작업 노출 시간의 대략 ±25%의 변화로 단지 약 ±5%만 변할 수 있다.
전술한 설명은 본 발명의 하나 이상의 바람직한 예시적인 구현예임을 이해해야 한다. 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정 구현예(들)에 한정되지 않고, 오히려 단지 아래의 청구범위에 의해서 정해진다. 또한, 전술한 설명에 포함되는 진술은 특정 구현예에 관한 것이고 용어 또는 문구가 위에서 명시적으로 정의된 경우를 제외하고, 본 발명의 범위 또는 청구범위에서 사용된 용어의 정의에 대한 제한으로 해석되어서는 안된다. 개시된 구현예(들)에 대한 다양한 다른 구현예 및 다양한 변경과 수정이 당업자에게 자명해질 것이다. 이와 같은 모든 다른 구현예, 변경 및 수정은 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은, "예를 들어", "예를 들면" 및 "예컨대", 그리고 "포함하는", "가지는", "포함한" 및 이의 다른 동사 형태는 각각, 하나 이상의 구성 요소 또는 다른 항목의 목록과 함께 사용될 때, 목록이 다른 추가 구성 요소 또는 항목을 제외하는 것으로 간주되어서는 안됨을 의미하는 개방형으로 해석되어야 한다. 다른 용어는 이들이 다른 해석을 요구하는 문맥에서 사용되지 않는 한, 가장 넓은 합리적인 의미로 해석되어야 한다.

Claims (26)

  1. 제품으로서:
    가시광에 적어도 부분적으로 투명한 기판;
    상기 기판 위에 배치되는 전도체 층; 및
    상기 전도체 층 상의 용발된 표면
    을 포함하고,
    상기 용발된 표면은 상기 전도체 층에 레이저 용발을 수행함으로써 형성되고, 상기 용발된 표면은 제1 방향으로의 제1 주기 및 제2 방향으로의 제2 주기를 갖는 주기적인 구조물을 포함하고, 상기 제2 주기는 상기 제1 주기와 상이한, 제품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주기적인 구조물은 25 ㎚ 미만의 산-대-골 치수를 가지는, 제품.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산-대-골 치수는 15 nm 미만인, 제품.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산-대-골 치수는 7.5 nm 미만인, 제품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향으로의 제1 주기는 4,500 ㎚ 내지 850,000 ㎚ 인, 제품.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 방향으로의 제2 주기는 4,500 ㎚ 내지 850,000 ㎚ 인, 제품.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 5 미만의 회절 강도를 가지는, 제품.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회절 강도는 2.5 미만인, 제품.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유리를 포함하고,
    상기 전도체 층은 인듐 주석 산화물을 포함하는, 제품
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도체 층의 제1 부분 상에 배치되는 코팅 층을 더 포함하고,
    상기 용발된 표면은 상기 코팅 층을 포함하지 않는, 상기 전도체 층의 제2 부분 상에 있고,
    상기 용발된 표면은 상기 전도체 층의 제2 부분으로부터 상기 코팅 층을 제거하여 상기 전도체 층의 제2 부분을 노출시키도록 상기 코팅 층 및 상기 전도체 층에 레이저 용발을 수행함으로써 형성되는, 제품.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전도체 층의 제2 부분에 인접한 상기 코팅 층의 에지는, 30도 내지 120도 범위에서 상기 전도체 층에 대해 평균 각도를 형성하고,
    상기 코팅 층의 에지는, 상기 코팅 층의 두께가 공칭 코팅 층 두께로부터 제로 두께로 테이퍼(taper)되는 특성 길이(L)를 가지고, 특성 길이(L)는 100 ㎛ 이하인, 제품.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 코팅 층은 제1 크롬 층, 제1 루테늄 층, 제 2 크롬 층 및 제2 루테늄 층을 포함하는 다층 구조물을 포함하는, 제품.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 제1 기판이고,
    상기 제품은,
    제2 표면을 갖는 제2 기판 ― 상기 제2 기판은, 공동이 상기 제2 표면과 상기 용발된 표면 사이에 정의되도록 상기 제1 기판으로부터 이격됨 ―; 및
    상기 공동 내에 배치되는 매체
    를 더 포함하는,
    제품.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 매체는 1 초과의 제1 굴절률을 가지며,
    상기 매체의 제1 굴절률은 상기 전도체 층의 제2 굴절률보다 더 작고,
    상기 매체의 제1 굴절률과 상기 전도체 층의 제2 굴절률 사이의 차이는 0.5 미만인, 제품.
  15. 제품으로서:
    가시 광에 적어도 부분적으로 투명한 기판;
    상기 기판 위에 배치되는 전도체 층; 및
    상기 전도체 층 상의 용발된 표면
    을 포함하고,
    상기 용발된 표면은 주기적인 구조물을 포함하고, 상기 주기적인 구조물은 4,500 ㎚ 내지 850,000 ㎚의 주기를 적어도 일 방향으로 가지며, 상기 주기적인 구조물은 7.5 nm 미만의 산-대-골 치수를 가지는,
    제품.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전도체 층의 제1 부분 상에 배치되는 코팅 층을 더 포함하고,
    상기 용발된 표면은 상기 코팅 층을 포함하지 않는, 상기 전도체 층의 제2 부분 상에 있고,
    상기 용발된 표면은 상기 전도체 층의 제2 부분으로부터 상기 코팅 층을 제거하여 상기 전도체 층의 제2 부분을 노출시키도록 상기 코팅 층 및 상기 전도체 층에 레이저 용발을 수행함으로써 형성되는, 제품.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전도체 층의 제2 부분에 인접한 상기 코팅 층의 에지는, 30도 내지 120도 범위에서 상기 전도체 층에 대해 평균 각도를 형성하고,
    상기 코팅 층의 에지는, 상기 코팅 층의 두께가 공칭 코팅 층 두께로부터 제로 두께로 테이퍼되는 특성 길이(L)를 가지고, 특성 길이(L)는 100 ㎛ 이하인, 제품.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 주기적인 구조물은 제1 방향으로의 제1 주기 및 제2 방향으로의 제2 주기를 가지고, 상기 제2 주기는 상기 제1 주기와 상이한, 제품.
  19. 제품으로서:
    기판;
    상기 기판의 표면 위에 배치되는 코팅 층;
    상기 코팅 층이 실질적으로 없는 상기 기판의 표면의 일부분; 및
    상기 기판 및 상기 코팅 층 사이에, 그리고 상기 기판의 표면의 일부분 위에 배치되는 전기 전도체 층을 포함하고,
    상기 코팅 층이 실질적으로 없는 상기 기판의 표면의 일부분에 인접한 상기 코팅 층의 에지는, 30도 내지 120도 범위에서 상기 표면에 대해 평균 각도를 형성하고,
    상기 코팅 층의 에지는, 상기 코팅 층의 두께가 공칭 코팅 층 두께로부터 제로 두께로 테이퍼되는 특성 길이(L)를 가지고, 특성 길이(L)는 100 ㎛ 이하인, 제품.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 특성 길이(L)는 50 ㎛ 이하인, 제품.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 특성 길이(L)는 200 ㎚ 이하인, 제품.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 코팅 층이 없는 상기 기판의 표면의 부분은 0.05 % 이하의 투과 헤이즈를 나타내는, 제품.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 코팅 층이 없는 상기 기판의 표면의 부분은 0.25 % 이하의 투과 헤이즈를 나타내는, 제품.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 코팅 층의 에지는 스캘럽 프로파일(scalloped profile)을 갖는, 제품.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 스캘럽 프로파일의 스캘럽의 깊이는 100 ㎛ 미만인, 제품.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 깊이는 50 ㎛ 미만인, 제품.
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