LU103057B1 - Oberflächenstrukturiertes substrat mit verbesserter wärmeübertragung - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein oberflächenstrukturiertes Substrat, aufweisend wenigstens eine erste äußere Oberfläche mit einem Wärmeübertragungsbereich. Innerhalb des Wärmeübergangsbereiches sind die Wärmeübertragungseigenschaften des Substrates vorteilhaft erhöht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein strukturiertes Bauelement, welches ein solches oberflächenstrukturiertes Bauelement aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenstrukturierten Substrates und die Verwendung eines oberflächenstrukturierten Substrates in einer elektronischen Schaltung.
Description
_ LU103057
OBERFLACHENSTRUKTURIERTES SUBSTRAT MIT VERBESSERTER
WARMEÜBERTRAGUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein oberflächenstrukturiertes Substrat, aufweisend wenigstens eine erste äußere Oberfläche mit einem Wärmeübertragungsbereich. Innerhalb des Wärmeübergangsbereiches sind die Wärmeübertragungseigenschaften des Substrates vorteilhaft erhöht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein strukturiertes Bauelement, welches ein solches oberflächenstrukturiertes Bauelement aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenstrukturierten Substrates und die Verwendung eines oberflächenstrukturierten Substrates in einer elektronischen Schaltung.
STAND DER TECHNIK
Eine höhere Betriebstemperatur von Elementen, bspw. Halbleiterbauelementen, führt zu einer Verringerung deren Leitfähigkeit. Die Kühlung solcher Elemente, insbesondere von
Halbleiterbauelementen, erfolgt in der Regel mit makroskopischen Kühlkörpern aus
Materialien mit hohen Wärmeleiteigenschaften. Typische Entwürfe von Kühlkörpern verwenden eine Reihe von Rippen oder Stiften, um die Oberfläche des Kühlkörpers zu maximieren, was zu einer höheren Wärmeübertragung an das umgebende Medium führt.
Dieser Ansatz stößt jedoch auf Schwierigkeiten, wenn es sich bei den zu kühlenden
Elementen um integrierte Komponenten (Bauelemente) handelt, die nur wenige Millimeter oder sogar kleiner sind. Die Wahl des Kühlkörpermaterials spielt ebenfalls eine wichtige
Rolle, um einen hohen Wärmeübergang zu gewährleisten. Unter den Metallen werden in der
Regel Kupfer- und Aluminiumlegierungen für die Herstellung von Kühlkörpern verwendet.
Wie allgemein bekannt, verbessert eine Vergrößerung der Oberfläche die
Wärmeaustauscheigenschaften von Materialien, wie bspw. Metallen, was die Grundlage des
Kühlkörperprinzips darstellt. Um die Kühleigenschaften, d.h., die Fähigkeit einer Oberfläche,
Wärme abzuleiten, im mikroskopischen Bereich zu verbessern, wurden bereits mikro- oder nanostrukturierte wärmeleitende Materialien erzeugt. So beschreibt bspw. Ayer (Study of the
Influence of Surface Roughness on Heat Transfer; 2011) die Rolle der Oberflächenrauhigkeit von Aluminiumoberflächen auf den Wärmeübergang. Im Ergebnis erhöht eine höhere
Rauheit die übertragene Wärmemenge, was mit der allgemeinen Regel der Vergrößerung der Oberfläche übereinstimmt. white ip | patent & legal PatGmbH
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Darüber hinaus wurde durch Jones et al. (The Influence of Surface Roughness on Nucleate LU103057
Pool Boiling Heat Transfer; 2009) die Veränderung des Poolsiedens von
Aluminiumoberflächen mit unterschiedlicher Rauheit und Kontaktwinkeln systematisch untersucht, wobei festgestellt wurde, dass der Wärmeübergangskoeffizient bei
Rauheitswerten von mehr als 1 um deutlich ansteigt. Untersucht wurden Rauheitswerte (Ra) im Bereich von 1,08 um bis 10,0 um.
Andererseits untersuchte Ventola et al. (Rough surfaces with enhanced heat transfer for electronics cooling by direct metal laser sintering; 2014) die Warmeeigenschaften von lasergesinterten Wärmesenken und stellte fest, dass bei aufgerauten Oberflächen der
Wärmeübergang im Vergleich zu ebenen Oberflächen auf einen Spitzenwert von 73 % gesteigert werden konnte. Darüber hinaus wirkt sich die Oberflächenrauheit auch auf den
Emissionsgrad eines Körpers aus, was wiederum den Strahlungswärmeübergang beeinflusst. Wie von Vorobyev et al. (Brighter light sources from black metal: Significant increase in emission efficiency of incandescent light sources; 2009) gezeigt, wurde bei der
Herstellung von Mikrostrukturen auf dem Glühfaden einer Wolframlampe eine signifikante
Erhôhung des Emissionsgrades beobachtet.
Darüber hinaus wurde durch Alamri et al. (Increasing heat transfer of metals through periodical microstructures using Direct Laser Interference Patterning; 2019) auch bereits die
Wärmeübertragungseigenschaften von Oberflächen von Edelstahlplatten untersucht, die linienartige Mikrostrukturen mit unterschiedlichen räumlichen Abständen und Tiefen aufwiesen. Dabei wurden periodische Linienstrukturen im Mikro- und Submikrometerbereich mittels des sog. Direct Laser Interference Patterning (DLIP) hergestellt.
Problematisch ist bei einer Erhöhung der Oberflächenrauigkeit bzw. einer Vergrößerung der
Oberfläche grundsätzlich, dass es schwierig ist, definierte Strukturen zu erzeugen. Nachteilig sind die in die Oberfläche eingebrachten Energien in der Regel so groß, dass es statt zu einer definierten Erhöhung der Oberfläche im Verhältnis zur nicht strukturierten Oberfläche, teilweise zu einem Effekt des Polierens kommt. Aufgrund hoher Wärmediffusionslängen in den Materialien werden die erzeugten Strukturen zu groß und es kann insbesondere bei
Materialien wie Kupfer, deren Bearbeitung elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich erfordert, zu sehr großen Wärmediffusionslängen. Dadurch können die bekannten Strukturen nur auf Materialien aufgebracht werden, welche eine geringe Warmediffusionslange aufweisen. white ip | patent & legal PatGmbH
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Nachteilig können so die vorteilhaften Eigenschaften einer hohen Wärmeleitfähigkeit nur LU103057 schwer mit einer hohen Wärmeübertragung an der Oberfläche der Schicht kombiniert werden.
AUFGABE
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, ein Substrat sowie ein Bauelement mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere mit verbesserten
Wärmeübertragungseigenschaften zur Verfügung zu stellen, welches eine verbesserte
Wärmeleitfähigkeit sowohl im Inneren des Materials als auch an der Oberfläche oder
Grenzfläche gewährleistet.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem derartige Substrate und Bauelemente gezielt und zuverlässig reproduzierbar mit vorgegebenen Eigenschaften hergestellt werden können.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird durch ein Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein
Verfahren und ein Bauelement mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den
Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Die Aufgabe wird insbesondere durch ein oberflächenstrukturiertes Substrat, vorzugsweise durch ein laseroberflächenstrukturiertes Substrat, gelöst. Dabei weist das oberflächenstrukturierte Substrat, vorzugsweise das laseroberflächenstrukturierte Substrat, wenigstens eine erste äußere Oberfläche mit einem Wärmeübertragungsbereich auf. Der
Wärmeübertragungsbereich ist durch einen strukturierten Bereich und einen unstrukturierten
Bereich gebildet. Der strukturierte Bereich weist erfindungsgemäß ein erstes Interferenzpixel auf, wobei das erste Interferenzpixel aus einer ersten periodischen Struktur aus wenigstens drei, vorzugsweise sieben, besonders bevorzugt 19, von einer ebenen Oberfläche abweichenden Oberflächenunebenheiten gebildet wird. Solche Oberflächenunebenheiten sind dabei Änderungen in der Oberfläche, welche sowohl als Vertiefungen als auch als
Erhöhungen ausgebildet sein können. Insbesondere kann es sich dabei um linienförmige
Strukturen, also rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen handeln. Weiterhin können solche Oberflächenunebenheiten als punktförmige Strukturen, insbesondere als white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung inverse Zapfen oder als Zapfen ausgebildet sein. Es können dabei auch verschiedene Arten LU103057 von Oberflächenunebenheiten gleichzeitig auf einer Oberfläche oder auf einer Grenzflache vorliegen.
Dabei weist eine rillenférmige Vertiefung oder eine rillenfôrmige Erhöhung eine Ausdehnung in einer ersten Dimension auf, die deutlich größer, bevorzugt wenigstens 10-fach größer, ist als die Ausdehnung in den beiden anderen Dimensionen (Strukturtiefe und
Breitenabmessung). Die rillenfôrmige Vertiefung oder die rillenférmige Erhöhungen verlaufen dabei parallel zur Oberfläche, welche den strukturierten Bereich aufweist, insbesondere parallel zur ersten äußeren Oberfläche des Substrats oder der Deckschicht.
Der Abstand zweier benachbarter Oberflächenunebenheiten innerhalb eines
Interferenzpixels, insbesondere innerhalb des ersten Interferenzpixels, beträgt eine erste
Interferenzperiode (p+). Erfindungsgemäß liegt die erste Interferenzperiode, also die Periode der ersten periodischen Struktur bzw. der Abstand von einem Mittelpunkt oder einer
Mittellinie einer Vertiefung zu einer in einer Periodenrichtung benachbart angeordneten
Vertiefung, im Bereich von 50 nm bis 200 um, vorzugsweise im Bereich von 1 um bis 45 um.
Dabei liegt die erste Interferenzperiode (p1) im Bereich von 50 nm bis 200 um, vorzugsweise von 1 um bis 45 um liegt, bevorzugt von 5 bis 40 um, besonders bevorzugt von 10 bis 35 um, ganz besonders bevorzugt von 15 bis 30 um.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung betragt die Interferenzperiode wenigstens 2,5 um, bevorzugt wenigstens 4,0 um. Dadurch wird die Oberfläche im Wärmeübertragungsbereich gegenüber der projizierten Oberfläche vergrößert. Somit kann vorteilhaft eine verbesserte
Wärmeübertragung erreicht werden. Die projizierte Oberfläche ist dabei die Projektionsfläche auf die erste äußere Oberfläche ohne Oberflächenunebenheiten. Im
Wärmeübertragungsbereich weist das Verhältnis der realen Oberfläche mit
Oberflächenunebenheiten zur projizierten Oberfläche ohne erfindungsgemäße — Oberflächenunebenheiten, insbesondere in Form von inversen Zapfen, Zapfen, rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, erfindungsgemäß einen Wert von wenigstens 120%, vorzugsweise wenigstens 150% besonders bevorzugt wenigstens 200%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 250%, insbesondere wenigstens 300 %, vorzugsweise sogar wenigstens 350 % auf.
Die Oberflächenunebenheiten können insbesondere auch überlagert auftreten. Relevant ist dabei insbesondere eine Flächenerhöhung der realen Oberfläche gegenüber der white ip | patent & legal PatGmbH
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Projektionsflache. Die Projektionsfläche kann dabei entlang einer Ebene verlaufen, sie kann LU103057 aber auch Krümmungen aufweisen. Das Substrat ist dabei nach einer vorteilhaften
Ausgestaltung flächig ausgebildet, sodass die Projektionsflache ebenfalls flächig ausgebildet ist. Dadurch kann unkompliziert ein verbesserter Wärmeübergang zu einer ebenfalls flächig ausgebildeten Oberfläche eines weiteren Substrates oder Bauelements erfolgen. Alternativ kann das Substrat auch eine andere Form aufweisen, es kann beispielsweise drahtförmig oder kugelförmig ausgebildet sein. Die Projektionsfläche wäre dann die entsprechende
Mantelfläche. Bei derartigen Formen kann vorteilhaft eine verbesserte Wärmeableitung insbesondere gegenüber Fluiden, vorzugsweise gegenüber Luft erreicht werden.
Der strukturierte Bereich wird dabei durch die unterschiedlichen, aufgebrachten Strukturen, insbesondere durch die eingebrachten Oberflächenunebenheiten, gebildet. Diese können eine einzelne Linienstruktur, eine einzelne Punktstruktur, mehrere überlagerte
Linienstrukturen, mehrere überlagerte Punktstrukturen oder auch überlagerte Punkt- und
Linienstrukturen sein. Auch wenn der strukturierte Bereich aus mehreren, nicht zwingend miteinander verbundenen, einzelnen strukturierten Teilbereichen, wie beispielsweise einzelnen Zapfen oder einzelnen rillenförmigen Vertiefungen, besteht, so wird im Sinne der
Erfindung doch der gesamte Anteil der Oberfläche, der strukturiert ist, dessen Oberfläche sich folglich aufgrund einer Behandlung mittels eines Laserinterferenzverfahrens geändert hat, als ein strukturierter Bereich angesehen. Es kann also jede Oberfläche lediglich einen strukturierten Bereich aufweisen.
Jeglicher Teil der Oberfläche, der nicht dem strukturierten Bereich zuzuordnen ist, gilt dann als zum unstrukturierten Bereich gehörend.
Erfindungsgemäß weist das Material des oberflächenstrukturierten Substrats eine
Warmeleitfahigkeit, auch als Wärmeleitfähigkeitskoeffizient oder auch als
Wärmeübergangskoeffizient bezeichnet, von zumindest 20 W/(m-K), vorzugsweise 50 W/(m-K), bevorzugt 100 W/(m-K), besonders bevorzugt 200 W/(m-K), auf. Die angegebenen Werte beziehen sich auf eine Messung bei 20°C.
Die erfindungsgemäßen Strukturen konnten Uberraschenderweise auch auf Materialien mit hohen Wärmeleitfähigkeiten reversibel erzeugt werden. Da diese Materialien bei einem
Energieeintrag zu hohen Warmediffusionslangen führen, war ein exaktes Bearbeiten hier schwierig bzw. nicht zu erwarten. Die großen Warmediffusionslangen führen nachteilig zu einem Einebnen der Oberfläche statt zu einer gewünschten vergrößerten
Oberflachenrauigkeit. Durch ein Verwenden von besonders kurzen Laserpulsdauern, white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung vorzugsweise im Bereich von bis zu 1 ns, vorzugsweise bis zu 500 ps, konnten auch LU103057 derartige Materialien mit einer erfindungsgemäBen Struktur bzw. Strukturierung auf der
Oberfläche, insbesondere auf der ersten äußeren Oberfläche, versehen werden.
Beilangeren Pulsen ab 1 ns wird mehr Wärme, also Energie, in das Material eingebracht und es wird eine größere Menge an Material aufgeschmolzen, wodurch sich lokale
Wellenfronten (an den Maxima) bilden, die sich übereinanderstülpen können und somit zu großen Strukturhöhen führen.
Bei kürzeren Pulsen bis zu 1 ns, insbesondere bis zu 500 ps, trägt man das Material eher ab.
Relevante Effekte sind hier die kalte Ablation bzw. die Materialzerstäubung, sodass eher
Vertiefungen entstehen und wenig bis nichts aufschmilzt.
Die Periode der Struktur, also die Strukturperiode, wird für periodische Punktstrukturen oder für periodische Linienstrukturen im Sinne der Erfindung als Interferenzperiode (pn) bezeichnet. Sie ist im Allgemeinen abhängig von der Strukturierung einer Maske, dem
Negativ der gewünschten periodischen Punkt- oder Linienstruktur auf einem Formwerkzeug oder der Wellenlänge der interferierenden Laserstrahlen, dem Einfallswinkel der interferierenden Laserstrahlen und der Anzahl der interferierenden Laserstrahlen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
ALLGEMEINE VORTEILE
Die Erfindung stellt vorteilhaft ein Substrat mit einem Wärmeübertragungsbereich bereit, in dem die Wärmeübertragungseigenschaften stark verbessert wurden. Vorteilhaft weist das
Substrat eine hohe Umweltverträglichkeit auf, da auf das Verwenden von Chemikalien während der Herstellung verzichtet wird. Weiterhin weist ein so strukturiertes Substrat verglichen mit herkömmlichen chemischen Beschichtungen eine höhere Beständigkeit der erzeugten Struktur auf, da diese unempfindlich gegenüber Abrieb und Stößen ist.
Auch im Bereich der Automobilanwendungen, bei dem das Abführen von Wärme aus dem
Batteriesystem in den Kühlkreislauf ein wichtiger Aspekt ist, kann ein solches erfindungsgemäße oberflächenstrukturiertes Substrat, insbesondere auch ein strukturiertes
Bauelement, verwendet werden. Die effiziente Wärmeableitung kann die Effizienz solcher
Systeme verbessern. white ip | patent & legal PatGmbH
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Das oberflächenstrukturierte Substrat weist eine vielseitige Anwendbarkeit im Bereich von ~~ LU103057
Automobiltechnik, Luftfahrt und insbesondere auch für jegliche elektronische Schaltungen auf, wie sie in diversen Anwendungen genutzt werden. Dabei wird die verbesserte
Wärmeübertragung entweder genutzt, um wie beispielsweise im Bereich der Elektronik, eine
Wärmeableitung zu verbessern oder aber auch um ein Vereisen mit einem geringeren
Energieaufwand verhindern zu können, wie es beispielsweise für die Luftfahrt relevant ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass die
Eigenschaften, insbesondere die Wärmeübertragungseigenschaften, einer Oberfläche durch ein Aufbringen eines strukturierten Bereiches positiv beeinflusst werden können und dass dadurch, ohne die Notwendigkeit eine zusätzliche Schicht aufbringen zu müssen, die
Warmeleitfahigkeit eines Substrates, insbesondere einer Oberfläche eines Substrates, verbessert werden kann.
Vorteilhaft kann so ein Substrat mit einem Wärmeübertragungsbereich erzeugt werden, wobei dieser Wärmeübertragungsbereich eine vergrößerte Oberfläche gegenüber einer unbearbeiteten Oberfläche ohne derartige Oberflächenunebenheiten aufweist.
Die erfindungsgemäße Vergrößerung der Oberfläche im mikroskopischen Bereich kann vorteilhaft den Wärmestrom durch den VVärmeübertragungsbereich verbessern. Dadurch kann vorteilhaft eine leichtere Wärmeableitung realisiert werden.
Durch das Erzeugen von erfindungsgemäBen Strukturen in Materialien mit einer hohen
Warmeleitfahigkeit kann die Wärmeableitung stark verbessert werden, da die Wärme sowohl gut durch das Substrat hindurch als auch über den Wärmeübertragungsbereich aus dem
Substrat zu dem angrenzenden Medium, wie beispielsweise Luft oder aber auch ein Metall sowie insbesondere auch Fluide mit vorteilhaften Warmeleitungseigenschaften, die auch als
Thermo-Fluide bezeichnet werden, wie spezielle Warmepasten oder Kühlfluide, geleitet werden.
Durch eine Erhöhung der realen Oberfläche im Verhältnis zur projizierten Oberfläche kann die Warmeubertragung durch diese Oberfläche hindurch weiter verbessert werden, insbesondere kann so der Wärmeübergangskoeffizient erhöht werden. white ip | patent & legal PatGmbH
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG LU103057
Das erfindungsgemäße oberflächenstrukturierte Substrat beschreibt ein Substrat, aufweisend einen Wärmeübertragungsbereich mit wenigstens einer ersten periodischen
Struktur, insbesondere einer Punktstruktur, im Mikro- und/oder Submikrometerbereich, insbesondere mit einer vergrößerten Oberfläche und daraus resultierenden erhöhten
Wärmeübertragungseigenschaften. Die Erfindung umfasst weiterhin ein Bauelement, aufweisend ein solches oberflächenstrukturiertes Substrat, wobei die erste äußere
Oberfläche des Substrates dann eine innenliegende Grenzfläche des Bauelements sein kann. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Erzeugen eines strukturierten
Substrats mit einem solchen Wärmeübertragungsbereich.
Substrat
Im Sinne der Erfindung bezieht sich der Begriff Substrat auf ein Substrat dessen Oberfläche eine Ausdehnung in mehrere Raumrichtungen hat. Es kann sich bei einem Substrat, bevorzugt flächigen Substrat, um ein planares Substrat oder ein gekrümmtes Substrat, beispielsweise ein parabolisches Substrat handeln. Unter flächig ist im Sinne der Erfindung ferner zu verstehen, dass die Ausdehnung eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, beispielsweise eines planaren Substrates in x und y Richtung, beziehungsweise die Ausdehnung eines gekrümmten Substrates entlang seines
Krümmungsradius größer ist als die Ausdehnung des Bereichs, in dem die zumindest drei
Teilstrahlen miteinander interferieren. Bei einem gekrümmten Substrat mit einer gekrümmten ersten äußeren Oberfläche ist dann auch die projizierte Oberfläche gekrümmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Substrat um ein Substrat, dessen Ausdehnung in x und y Richtung, beziehungsweise dessen Ausdehnung entlang eines Krümmungsradius kleiner oder gleich der Ausdehnung des Bereichs ist, in dem die zumindest drei Teilstrahlen miteinander interferieren. Eine homogene Strukturierung des
Substrats ist in einem Bearbeitungsschritt (während eines Laserpulses) möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Substrat um ein flächiges Substrat, dessen Ausdehnung in x und y Richtung, beziehungsweise dessen
Ausdehnung entlang eines Krümmungsradius größer der Ausdehnung des Bereichs ist, in dem die zumindest drei Teilstrahlen miteinander interferieren. Durch Bewegen des Substrats
Inder x und y Ebene ist eine flächige, homogene Strukturierung des Substrats in mehreren
Bearbeitungsschritten (mit mehreren Laserpulsen) möglich. Die Bewegung des Substrats white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung kann hierbei durch Rotation oder Translation oder durch eine Überlagerung aus Rotation und LU103057
Translation erfolgen.
Im Sinne der Erfindung umfasst die Bezeichnung Substrat ein festes Material mit vorzugsweise reflektierender Oberfläche, wobei das Substrat insbesondere bei
Raumtemperatur fest ist, sodass eingebrachte Oberflächenunebenheiten auf der Oberfläche bestehen bleiben. Beispiele für derartige Substrate sind insbesondere Metalle und Halbleiter oder Verbindungen daraus, insbesondere Kupfer und Silizium. Auch andere Materialien, insbesondere solche mit einer guten spezifischen Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 20 W/(m-K), besonders bevorzugt von wenigstens 50 W/(m-K), ganz besonders bevorzugt von wenigstens 75 W/(m-K), insbesondere von wenigstens 100 W/(m-K), noch mehr bevorzugt von wenigstens 150 W/(m-K), gemessen bei 20 °C sind für derartige
Anwendungen geeignet. Beispiele für geeignete Metalle umfassen Kupfer (Cu, 240- 401 W/(m-K)), Silber (Ag, 429 W/(m-K)), Gold (Au, 314 W/(m-K)), Zinn (Sn, 67 W/(m-K)), Zink (Zn, 110 W/(m-K)), Aluminium (Al, 236 W/(m-K)), Chrom (Cr, 86 W/(m-K)), Wolfram (W, 197 W/(m-K)), Nickel (Ni, 85 W/(m-K)) oder Mischungen bzw. Legierungen, wie bspw.
Messing (120 W/(m-K)), Kupferlegierungen mit Zinn, Zink, Nickel und/oder Blei oder
Aluminiumlegierungen mit Mangan, Magnesium, Kupfer, Silizium und/oder Zink, daraus.
Geeignete Halbmetalle bzw. Halbleitermaterialien sind Silizium (Si, 163 W/(m-K)), Indium (In, 81,6 W/(m-K)) und Halbleiter, wie die binären Ill-V Halbleiter GaAs, InAs und AlAs und/oder die ternären Halbleiter InGaAs bzw. InAlAs und Mischungen damit. Darüber hinaus weiß der
Fachmann, wie er die spezifischen Wärmeleitfähigkeit flr ein geeignetes Material ermittelt oder er kann diese ihm bekannten Tabellen und Nachschlagewerken entnehmen. Die
Wärmeleitfähigkeit ist eine Stoffeigenschaft eines Materials und beschreibt, wie schnell der
Stoff Wärme weiterleiten kann. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto schneller kühlt sich der Stoff auch wieder ab. Die Wärmeleitfähigkeit hat im SI-System die Einheit W/(m-K) (Watt pro Meter und Kelvin).
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Substrat Materialien wie Metalle oder
Halbleiter oder Legierungen auf oder besteht aus ihnen. Geeignete Metalle sind beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Ein geeignetes Halbleitermaterial ist beispielsweise
Silizium. Diese Materialien sind aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit zwar oft schwer zu bearbeiten, weisen jedoch gute Wärmeableitungsfähigkeiten auf. Weitere mögliche
Materialien umfassen auch Komposite. white ip | patent & legal PatGmbH
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Bedingt durch die intrinsische hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer müssen gerade bei einer LU103057
Strukturierung von Kupfer grobe Strukturen, vorzugsweise mit Strukturtiefen von wenigstens 2 um, gewählt werden, da bei zu kleinen Strukturen wieder alles aufschmilzt.
Weitere geeignete Materialien sind Magnesium, Titan sowie darauf aufbauende
Beschichtungen bzw. Legierungen, aber auch Siliziumcarbid-basierte Materialien,
Keramiken, vorzugsweise auch Polymer und Glas. Dabei wird auf Materialien wie Glas und auch auf Polymere vorzugsweise eine Hilfsschicht aufgebracht (wie hierin beschrieben), deren Material daraufhin die Strukturierung bildet.
Das Material des oberflächenstrukturierten Substrats kann auch einen Schmelzpunkt von weniger als 1.400 °C, bevorzugt von weniger als 1.200 °C, besonders bevorzugt von weniger als 1.100 °C aufweisen. Der Fachmann weiß, wie er den Schmelzpunkt oder den
Schmelzbereich für ein geeignetes Material ermittelt oder er kann diese Werte ihm bekannten Tabellen und Nachschlagewerken entnehmen. Es kann durch die Verwendung von besonders kurzen Laserpulsen, von vorzugsweise weniger als 500 ps (sog.
Ultrakurzpulslaser), insbesondere innerhalb von Bereichen, wie hierin definiert, vorteilhaft auch eine Strukturierung von solchen Materialien mit geringem Schmelzpunkt realisiert werden. Bei anderen Materialien mit höheren Schmelzpunkten, wie beispielsweise Edelstahl sind auch Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden (ns) ausreichend, welche deutlich einfacher zu realisieren sind.
Das Substrat kann dabei auch biegsam ausgebildet sein, wie beispielsweise eine Metallfolie.
Relevant ist hier insbesondere, dass die Oberflächenunebenheiten nach einem
Abkihlungsprozess erhalten bleiben.
Vorzugsweise weist das oberflächenstrukturierte Substrat, insbesondere das laseroberflächenstrukturierte Substrat, auf der der ersten äußeren Oberfläche abgewandten
Seite, eine zweite äußere Oberfläche auf. Dabei ist die zweite äußere Oberfläche aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet, wobei der strukturierte Bereich eine periodische Punkt- und/oder Linienstruktur aufweist. So können die vorteilhaften Effekte und Eigenschaften, insbesondere die verbesserte Wärmeübertragung auch an der weiteren zweiten äußeren Oberfläche wirken. Gerade bei einer Verwendung innerhalb eines
Bauelementes und/oder innerhalb einer elektronischen Schaltung kann dadurch der
Wärmeableitungskoeffizient vergrößert und so die Wärmeableitung verbessert werden. white ip | patent & legal PatGmbH
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Transparentes Substrat LU103057
Nach einer méglichen Ausgestaltung besteht das Substrat aus einem transparenten Material.
Ein Material bzw. Substrat ist im Sinne der vorliegenden Erfindung transparent, wenn es eine hohe Durchlässigkeit für zumindest einen Teilbereich des Spektrums elektromagnetischer Strahlung zwischen 1 nm und 10 m aufweist, vorzugsweise für Licht, dass für das menschliche Auge sichtbar ist oder Licht im Bereich von Infrarot- oder
Ultraviolettstrahlung. Derartige Teilbereiche sind beispielsweise elektromagnetische
Strahlung im Bereich des ultravioletten (UV) Lichtes von 100 nm bis 380 nm, insbesondere
UV-A von 315 nm bis 380 nm oder UV-B von 280 nm bis 315 nm oder UV-C von 100 nm bis 280 nm, des sichtbaren Lichts von 380 nm bis 780 nm oder in einem Bereich, der auch infrarotes Licht umfasst, von 780 nm bis 5.000 nm oder in einem Bereich des infraroten
Lichtes (Wärmestrahlung) oder in einem Bereich der Mikrowellenstrahlung, insbesondere
Radarstrahlen im Wellenlängenbereich von 1 mm bis 10 m, oder auch ein anderer
Teilbereich, der entsprechend der gewünschten Anwendung, insbesondere an die
Wellenlänge der Laserquelle, angepasst ist. Ein solcher Teilbereich hat bevorzugt wenigstens eine Breite von 10 % oder von 50 % der Wellenlänge, welche die untere Grenze des Teilbereiches bildet. Eine hohe Durchlässigkeit in einem Teilbereich ist im Sinne der
Erfindung ein Transmissionsgrad von wenigstens 50 % oder vorzugsweise wenigstens 70 % oder besonders bevorzugt wenigstens 80 % oder wenigstens 90 % für jede Wellenlänge in dem Teilbereich, also für das gesamte Spektrum in dem Teilbereich. Im Gegensatz dazu wird ein Substrat als teiltransparent bezeichnet, wenn es wenigstens eine gewissen
Transmissionsgrad aufweist, vorzugsweise wenigstens 20 % für jede Wellenlänge in dem
Teilbereich, also für das gesamte Spektrum in einem hierin beschriebenen Teilbereich, aufweist. Der Fachmann weiß, wie er die Transparenz und/oder die Lichtdurchlässigkeit für ein geeignetes Material ermittelt oder er kann diese Werte ihm bekannten Tabellen und
Nachschlagewerken entnehmen.
Vorzugsweise ist das Substrat transparent, weist also in einem Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums, vorzugsweise im Bereich des sichtbaren Lichtes oder des nahinfraroten Lichtes oder des UV-Bereiches, insbesondere UV-A und/oder UV-B und/oder
UV-C, einen Transmissionsgrad von wenigstens 50 %, vorzugsweise wenigstens 70 %, besonders bevorzugt wenigstens 80 %, wenigstens 90 % für jede Wellenlänge in dem
Teilbereich auf.
Als ein transparentes Substrat kann aber auch ein Substrat bezeichnet werden, welches selektiv für bestimmte Wellenlängenbereiche im Bereich des sichtbaren Lichts eine hohe
Durchlässigkeit aufweist, bspw. Hat das Substrat eine hohe Durchlässigkeit für white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 500 nm bis 800 nm. Dabei LU103057 kann der Transmissionsgrad über den Wellenlängenbereich, welcher transmittiert wird, variieren, bspw. Für Wellenlängen im Bereich von 380 nm bis 500 nm nicht weniger als 70 % betragen, und im Bereich von 500 nm bis 750 nm nicht weniger als 90 % betragen.
Beispielsweise transmittiert das Substrat Strahlung mit Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm. Besonders hohe Transmission, bspw. Einen Transmissionsgrad von 90% weist es bei Wellenlängen von 450 nm bis 690 nm auf; der Transmissionsgrad bei den Wellenlängen darunter und darüber beträgt bspw. 70 %.
Ein transparentes Material umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung transparente
Materialien, insbesondere transparente Keramiken (bspw. Spinell-Keramiken, wie Mg-Al-
Spinell, ALON, Aluminiumoxid, Yttriumaluminiumgranat, Yttriumoxid oder Zirkonoxid) oder
Mischungen daraus. Polycarbonate sind Homopolycarbonate, Copolycarbonate und thermoplastische Polyestercarbonate.
Um einen Wärmeübertragungsbereich auf einer ersten äußeren Oberfläche eines transparenten Materials zu erzeugen, besteht der strukturierte Bereich vorzugsweise aus einem anderen Material, welches als Deckschicht auf dem transparenten Material aufliegt.
Es handelt sich bei den Oberflächenunebenheiten an der Oberfläche des transparenten
Materials vorzugsweise um Zapfen oder rillenförmige Erhöhungen, die aus einem anderen
Material ausgebildet sind. Vorteilhaft kann die Transparenz dabei auch im
Wärmeübertragungsbereich wenigstens teilweise erhalten bleiben.
Oberflächenunebenheiten
Die Oberflächenunebenheiten können im Sinne der Erfindung als punktförmige
Oberflächenunebenheiten oder als linienförmige Oberflächenunebenheiten ausgebildet sein.
Dabei können die punktförmigen Oberflächenunebenheiten als Zapfen oder als inverse
Zapfen ausgebildet sein. Die linienförmigen Oberflächenunebenheiten können dabei als rillenförmige Vertiefungen oder als rillenförmige Erhöhungen ausgebildet sein. Insbesondere können unterschiedliche Interferenzpixel mit unterschiedlichen Oberflächenunebenheiten auch überlagert angeordnet sein, sodass unterschiedliche Abmessungen und/oder unterschiedliche Arten von Oberflächenunebenheiten auf einem oberflächenstrukturierten
Substrat, insbesondere innerhalb eines Wärmeübertragungsbereiches, angeordnet sein können. Die Abmessungen der Oberflächenunebenheiten können bei einem Erzeugen mittels Laserinterferenzstrukturierung durch unterschiedliche Verfahrensparameter eingestellt werden. Eine Überlagerung von unterschiedlichen Arten von white ip | patent & legal PatGmbH
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Oberflächenunebenheiten meint im Sinne der Erfindung eine Überlagerung sowohl von LU103057
Punkt- als auch von Linienstrukturen.
Die Seitenflachen der Oberflächenunebenheiten der ersten periodischen Struktur, vorzugsweise sämtlicher Oberflächenunebenheiten, weisen nach einer vorteilhaften
Ausgestaltung eine glatte Oberfläche auf. Dadurch unterscheiden sich diese Strukturen deutlich von durch Ätzen erzeugten Oberflächenunebenheiten. Selbst bei einem Verwenden von Masken können die Seitenflächen oder Mantelflächen der Oberflächenunebenheiten nicht so glatt wie bei der Laserinterferenzstrukturierung erzeugt werden. Dadurch sind vorteilhaft definierte Strukturen und optimierte Eigenschaften einstellbar.
Eine glatte Seitenfläche (Mantelfläche) der Oberflächenunebenheiten, also der Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, wird dabei vorzugsweise dadurch erreicht, dass die einzelnen Oberflächenunebenheiten bei der
Strukturierung mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere mittels direkter
Laserinterferenzstrukturierung nicht mehr als viermal, insbesondere nicht mehr als dreimal, besonders bevorzugt nicht mehr als zweimal, ganz besonders bevorzugt nur einmal bestrahlt werden. Dabei erfolgt die Erzeugung jedes Interferenzpixels vorzugsweise durch
Einfachbestrahlung.
Im Sinne der Erfindung gilt eine Seitenfläche einer Struktur, bspw. eines Zapfens oder inversen Zapfens oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, als glatt, wenn der Mittenrauwert (Ra) gemäß DIN EN ISO 4287:2010 kleiner ist als 200 nm, vorzugsweise kleiner als 50 nm, besonders bevorzugt kleiner als 20 nm, ganz besonders bevorzugt kleiner als 5 nm.
Eine glatte Seitenfläche, auch als Mantelfläche bezeichnet, der Oberflächenunebenheit, also der Zapfen und/oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, hat gegenüber einer rauen Oberfläche den Vorteil, dass insbesondere bei Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung diese nicht diffus an der
Oberfläche zurückgestreut wird bzw. werden kann. Die Seitenfläche der Vertiefungen dient somit bspw. Bei der Einstellung von gewünschten optischen Eigenschaften.
So kann beispielsweise ein innerhalb der Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen
Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen auftretender Falleneffekt verbessert und so die
Durchlässigkeit des Lichtes durch diese Grenzfläche erhöht werden, da die Seitenfläche als quasi-homogene Spiegelfläche dient, die den Anteil reflektierter einfallender white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung elektromagnetischer Strahlung innerhalb der Oberflächenunebenheiten, insbesondere der LU103057 inversen Zapfen, bis zum Sattelpunkt reflektiert, wobei an jedem weiteren Reflexionspunkt innerhalb der Mantelfläche ein Anteil (verbleibender) elektromagnetischer Strahlung in das
Substrat, dessen erste äußere Oberfläche aus einem derartigen strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, einkoppelt. Somit entsteht vorteilhaft eine matte
Oberfläche mit reduzierten Blendeffekten.
Punktfôrmige Struktur/Interferenzmuster
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des oberflächenstrukturierten Substrats weist das erste Interferenzpixel ein periodisches Gitter von zumindest drei Zapfen oder inversen
Zapfen auf. Dadurch wird eine erste periodische Punktstruktur gebildet. Die
Oberflächenunebenheiten sind hier also Zapfen und/oder inverse Zapfen. Die hier vorliegenden zweidimensionalen Anderungen der Oberflächeneigenschaften führen zu einer effizienten Vergrößerung der Oberfläche sowie einer daraus resultierenden verbesserten
Wärmeübertragung. So kann eine größere Menge an Wärme durch den
Wärmeübertragungsbereich geleitet werden.
Der Begriff inverser Zapfen bezieht sich im Sinne dieser Erfindung auf Strukturen mit einer kreisförmigen, elliptischen, dreieckigen oder im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche, insbesondere mit einer kreisförmigen Grundfläche, die in vertikaler Richtung kegelförmig in das Substrat zulaufen und in deren Sattelpunkt über eine abgerundete Kegelspitze verfügen.
Die inversen Zapfen werden während des Strukturierungsprozesses, d.h. beim Auftreffen eines Laserpulses als Folge des Auftreffens eines Bereiches hoher Intensität in das zu strukturierende Substrat ausgebildet, wobei die Bereiche zwischen den inversen Zapfen auf bzw. innerhalb des Substrates idealerweise durch destruktive Interferenz deren Intensität
Null ist im Wesentlichen Unstrukturiert verbleiben. Folglich wird durch die Fokussierung der
Laser(-teil)strahlen auf bzw. innerhalb des Substrats das Negativ von dem, was die
Intensitätsverteilung vorgibt, ausgebildet. Die beschriebene Form der inversen Zapfen bezieht sich auf Punktstrukturen, welche an der Oberfläche des Substrates angeordnet sind.
Eine Anordnung der Punktstrukturen in einer oder entlang einer Ebene innerhalb des
Volumens führt zu einer Form welche symmetrischer ausgebildet ist. Im Sinne der Erfindung sind auch die mittels Laserinterferenzstrukturierung innerhalb eines Volumens generierten
Punktstrukturen als inverse Zapfen bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die inversen Zapfen vorzugsweise während des
Strukturierungsprozesses mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung direkten Laserinterferenzstrukturierung erzeugt, d.h. beim Auftreffen eines Laserpulses als LU103057
Folge des Auftreffens eines Bereiches hoher Intensität in das zu strukturierende Substrat ausgebildet, wobei die Bereiche zwischen den inversen Zapfen auf bzw. innerhalb des
Substrates idealerweise durch destruktive Interferenz deren Intensität Null, insbesondere unterhalb einer materialabhängigen Intensitätsschwelle, ist, im Wesentlichen unstrukturiert verbleiben. Folglich wird durch die Fokussierung der Laser(teil)strahlen auf bzw. innerhalb des Substrats das Negativ von dem, was die Intensitätsverteilung vorgibt, ausgebildet. Die beschriebene Form der inversen Zapfen bezieht sich auf Punktstrukturen, welche an der
Oberfläche des Substrates angeordnet sind. Eine Anordnung der Punktstrukturen in einer oder entlang einer Ebene innerhalb des Volumens führt zu einer Form welche symmetrischer, also eher nach der Form eines Ellipsoids, ausgebildet ist. Im Sinne der
Erfindung sind auch die mittels Laserinterferenzstrukturierung innerhalb eines Volumens generierten Punktstrukturen als inverse Zapfen bezeichnet.
Inverse Zapfen mit einer elliptischen Grundfläche können in einem Strukturierungsprozess mittels Laserstrukturapplikationsverfahren beispielsweise durch Neigung des Substrates im
Verhältnis zum Einfallswinkel des bzw. der fokussierten Laser(teil)strahlen erzeugt werden.
Als „Zapfen“ werden im Sinne dieser Erfindung Strukturen mit einer kreisförmigen, elliptischen, dreieckigen oder im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche, insbesondere mit einer kreisförmigen Grundfläche, bezeichnet, die in vertikaler Richtung kegelförmig aus dem
Substrat herausragen und in deren Sattelpunkt über eine abgerundete Kegelspitze oder einen Kegelstumpf, insbesondere eine abgerundete Kegelspitze, verfügen. Zapfen können durch ein Aufbringen einer Negativform, die inverse Zapfen aufweist, in eine Oberfläche ein- bzw. auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Hierfür eignen sich bspw. die Imprint-
Lithographie, bspw. der Nanoprägelithografie (wie hierin definiert).
Die hierin definierten periodischen Punktstrukturen, die vorzugsweise aus Zapfen und/oder inversen Zapfen (entsprechend der Ausrichtung zu einer äußeren Oberfläche eines
Substrates oder einer Deckschicht bzw. in Richtung der Stapel- oder Beschichtungsrichtung) gebildet sind, haben gegenüber (periodischen) Linien- oder Wellenstrukturen den Vorteil, dass die einzelnen Vertiefungen bzw. Erhebungen eine Mantelfläche aufspannen, die sich vorzugsweise radial über den Zapfenquerschnitt (Durchmesser der Grundfläche des Zapfens oder inversen Zapfens) bis zum Sattelpunkt erstreckt. Dies ermöglicht es, dass die hierin definierten Effekte, wie die verbesserter Wärmeübertragungseigenschaften unabhängig von der Ausrichtung der jeweiligen Oberfläche oder der Grenzfläche im Raum eingestellt werden können. white ip | patent & legal PatGmbH
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Der Begriff „Interferenzpixel“, bspw. Erstes, zweites, drittes und/oder weiteres
Interferenzpixel bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung ein periodisches Muster bzw. Gitter von zumindest drei Zapfen oder inversen Zapfen, vorzugsweise von zumindest sieben Zapfen oder inversen Zapfen, ganz besonders bevorzugt zumindest 19 Zapfen oder inversen Zapfen auf der Oberfläche eines Substrates, die sich innerhalb eines
Interferenzpixels ausbilden (vgl. Fig. 15). Dabei zeichnet sich ein Interferenzpixel, welches aus Zapfen oder inversen Zapfen gebildet ist, vorzugsweise dadurch aus, dass die Zapfen oder inversen Zapfen derart repetitiv zueinander ausgerichtet sind, dass bei dem Vorliegen von drei Zapfen bzw. inversen Zapfen diese so zueinander ausgerichtet sind, dass deren
Scheitelpunkte (bei Zapfen deren Höhenmittelpunkte oder bei inversen Zapfen deren
Zentren der Vertiefungen) zueinander den gleichen Abstand aufweisen (sog.
Interferenzperiode). Bei dem Vorliegen von sieben Zapfen bzw. inversen Zapfen sind diese so zueinander ausgerichtet, dass ein Zapfen bzw. inverser Zapfen zentral im Gitter angeordnet ist, wohingegen die sechs verbleibenden Zapfen bzw. inverser Zapfen um das
Zentrum derart angeordnet sind, dass jeder der Scheitelpunkte (bei Zapfen deren
Höhenmittelpunkte oder bei inversen Zapfen deren Zentren der Vertiefungen) der sechs verbleibenden Zapfen bzw. inverser Zapfen zu dem Zapfen bzw. inverser Zapfen im Zentrum und zumindest zu weiteren zwei seiner benachbarten Zapfen bzw. inversen Zapfen den gleichen Abstand aufweist (sog. Interferenzperiode).
Vorzugsweise wird das periodische Muster bzw. Gitter des Interferenzpixels, insbesondere umfassend inverse Zapfen, durch mechanische Verfahren,
Laserstrukturapplikationsverfahren und/oder mittels chemischer (Nach-)Behandlung, insbesondere durch direkte Laserinterferenzstrukturierung hergestellt. Im Falle der direkten
Laserinterferenzstrukturierung wird das periodische Muster bzw. Gitter vorzugsweise durch das Überlagern von zumindest zwei, bevorzugt von zumindest drei, besonders bevorzugt von zumindest vier Laser(teil-)strahlen infolge des Fokussierens (Bündelns) dieser
Laser(teil-)strahlen auf die Oberfläche oder in das Innere des Substrats erzeugt, wodurch die
Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats konstruktiv und destruktiv interferieren.
Der Einsatz von Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten
Laserinterferenzstrukturierung zur direkten Herstellung oder indirekten Herstellung (bspw. Im
Falle der Imprint-Lithographie, insbesondere der Nanoprägelithografie) zur Herstellung strukturierter und unstrukturierter Bereiche auf der Oberfläche eines Substrates hat den
Vorteil, dass die Zapfen oder inversen Zapfen einer periodischen Punktstrukturen innerhalb white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung einer Art eines Interferenzpixels identische oder nahezu identische Abmessungen aufweisen. LU103057
Vorzugsweise beträgt der Variationskoeffizient, also der Wert, der sich aus dem
Quotienten aus Standardabweichung und Durchschnittswert ergibt, des Zapfenquerschnitts (Durchmesser der Grundfläche des Zapfens oder inversen Zapfens) max. 15,0 % oder weniger, mehr bevorzugt max. 10,0 % oder weniger, noch mehr bevorzugt max. 5,0 % oder weniger, insbesondere max. 2,5 % oder weniger, noch bevorzugter max. 1,0 % oder weniger aufweisen. Es lassen sich somit Zapfen oder inverse Zapfen herstellen, die zueinander in der
Ausformung nahezu identisch sind. Dies erlaubt zudem eine bessere Nachweisbarkeit des erfindungsgemäß strukturierten Substrates gegenüber herkömmlichen Verfahren zur
Strukturierung/Beschichtung von Substraten (bspw. Ätzen, Partikelstrahlen,
Polymerbeschichtung).
Linienstruktur oder linienförmige Struktur
Die erste periodische Struktur ist nach einer möglichen Ausgestaltung als erste periodische
Linienstruktur ausgebildet, die aus wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 7, parallel verlaufenden rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen
Erhöhungen ausgebildet ist. Die rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen sind derart angeordnet, dass der Abstand von einer rillenförmigen Vertiefung oder einer rillenförmigen Erhöhung zu einer innerhalb der periodischen Linienstruktur benachbart angeordneten rillenförmigen Vertiefung oder rillenförmigen Erhöhung immer identisch ist. Die einzelnen rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen innerhalb der ersten periodischen Linienstruktur sind also äquidistant angeordnet. Dadurch wird eine erste periodische Linienstruktur gebildet. Die Oberflächenunebenheiten sind hier also rillenförmige Vertiefungen und/oder rillenförmige Erhöhungen. Derartige Strukturen benötigen nur zwei überlagerte Laserstrahlen. Daher sind sie schnell und wirtschaftlich erzeugbar, sodass die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.
Die sich ergebende Periode der periodischen Linienstruktur, also die Strukturperiode, wird im
Sinne der Erfindung als Interferenzperiode (pn) bezeichnet. Dabei ist die Interferenzperiode der kürzeste Abstand von einem Punkt einer rillenförmigen Vertiefung oder einer rillenförmigen Erhöhung zu einem analogen Punkt der innerhalb der periodischen
Linienstruktur benachbart angeordneten rillenförmigen Vertiefung oder rillenförmigen
Erhöhung. So entspricht die Interferenzperiode beispielsweise dem kürzesten Weg zwischen zwei Mittellinien oder tiefsten Linien einer rillenförmigen Vertiefung oder höchsten Linien der rillenförmigen Erhöhung. Die tiefsten Linien einer rillenförmigen Vertiefung sind dabei die
Mittellinien, an denen das meiste Material abgetragen wurde. Tiefe gilt hier gegenüber der white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung entsprechenden Oberfläche, insbesondere gegenüber dem unstrukturierten Bereich der LU103057
Oberfläche.
Das gilt analog für rillenförmige Erhöhungen, wobei die tiefste Linie dann die höchste Linie ist. Rillenförmige Erhöhungen sind dabei im Sinne der Erfindung Strukturen, die sich formgleich zu einer Rille bzw. zu einer rillenförmigen Vertiefung aus der Oberfläche erheben.
Eine Möglichkeit solche rillenförmigen Erhöhungen zu erzeugen ist das Aufbringen von rillenförmigen Vertiefungen auf eine Negativform und das anschließende Übertragen dieser
Struktur auf die Deckschicht.
Analog zu den Punkstrukturen, also den Zapfen oder inversen Zapfen, können auch die rillenförmigen Vertiefungen und die rillenförmigen Erhöhungen innerhalb eines
Interferenzpixels angeordnet sein. Dabei weist ein Interferenzpixel wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens fünf, bevorzugt wenigstens sieben parallel verlaufende, äquidistant angeordnete rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen auf.
Es können repetitiv nebeneinander angeordnete Interferenzpixel entweder eine periodische oder eine nicht-periodische Global-Struktur bilden. Die Freiheitsgrade sind dabei die gewählte Interferenzperiode, die Richtung der ersten Dimension, entlang derer die größte
Ausdehnung der rillenförmigen Vertiefungen oder der rillenförmigen Erhöhungen ausgebildet ist, die Strukturtiefe sowie auch der Abstand bzw. Versatz der einzelnen Interferenzpixel.
Dabei bildet die Globalstruktur den strukturierten Bereich.
Das Erzeugen der rillenförmigen Vertiefungen erfolgt bevorzugt mittels eines mechanischen
Verfahrens, eines Laserstrukturapplikationsverfahrens und/oder mittels chemischer (Nach-)Behandlung.
Die Struktur, insbesondere auch deren Interferenzperiode ist im Allgemeinen abhängig von der Strukturierung einer Maske, dem Negativ der gewünschten periodischen Punktstruktur auf einem Formwerkzeug oder der Wellenlänge der interferierenden Laserstrahlen, dem
Einfallswinkel der interferierenden Laserstrahlen und der Anzahl der interferierenden
Laserstrahlen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die rillenförmigen Vertiefungen vorzugsweise während des Strukturierungsprozesses mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten Laserinterferenzstrukturierung erzeugt, d.h. beim Auftreffen eines
Laserpulses als Folge des Auftreffens eines Bereiches hoher Intensität in das zu white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung strukturierende Substrat ausgebildet, wobei die Bereiche zwischen den rillenférmigen LU103057
Vertiefungen auf bzw. innerhalb des Substrates idealerweise durch destruktive Interferenz deren Intensität unterhalb einer materialabhangigen Intensitatsschwelle ist, im Wesentlichen unstrukturiert verbleiben. Folglich wird durch die Fokussierung der Laser(teil)strahlen auf bzw. innerhalb des Substrats das Negativ von dem, was die Intensitätsverteilung vorgibt, ausgebildet.
Im Falle des Erzeugens der Vertiefungen, insbesondere der rillenférmigen Vertiefungen, durch direkte Laserinterferenzstrukturierung wird die periodische Struktur vorzugsweise durch das Uberlagern von zumindest zwei, bevorzugt von genau zwei, Laser(teil-)strahlen infolge des Fokussierens (Bündelns) dieser Laser(teil-)strahlen auf die Oberfläche oder in das Innere des Substrats erzeugt, wodurch die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im
Inneren des Substrats konstruktiv und destruktiv interferieren.
Der Einsatz von Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten
Laserinterferenzstrukturierung zur direkten Herstellung oder indirekten Herstellung (bspw. Im
Falle der Imprint-Lithographie, insbesondere der Nanopragelithografie) zur Herstellung strukturierter und unstrukturierter Bereiche auf der Oberfläche eines Substrates hat den
Vorteil, dass die Vertiefungen, insbesondere die rillenférmigen Vertiefungen oder die — rillenfôrmigen Erhöhungen, einer periodischen Punktstrukturen innerhalb einer Art einer periodischen Struktur, insbesondere periodischen Linienstruktur, identische oder nahezu identische Abmessungen aufweisen. Vorzugsweise beträgt der Variationskoeffizient, also der Wert, der sich aus dem Quotienten aus Standardabweichung und Durchschnittswert ergibt, der Rillenbreite (Breite der rillenförmigen Vertiefung oder Breite der rillenförmigen
Erhöhung, ermittelt an der Oberfläche, also bevorzugt an der Grenze zu dem unstrukturierten Bereich) max. 15,0 % oder weniger, mehr bevorzugt max. 10,0 % oder weniger, noch mehr bevorzugt max. 5,0 % oder weniger, insbesondere max. 2,5 % oder weniger, noch bevorzugter max. 1,0 % oder weniger aufweisen. Es lassen sich somit rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen erzeugen, die zueinander in der
Ausformung nahezu identisch sind. Dies erlaubt zudem eine bessere Nachweisbarkeit des erfindungsgemäß strukturierten Substrates gegenüber herkömmlichen Verfahren zur
Strukturierung/Beschichtung von Substraten (bspw. Ätzen, Partikelstrahlen,
Polymerbeschichtung).
Raster
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann durch das Bewegen des Substrats, insbesondere des oberflächenstrukturierten Substrats, in Relation zum Fokussierpunkt, welcher das white ip | patent & legal PatGmbH
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Interferenzpixel mit einer periodischen Punktstruktur oder einer periodischen Linienstruktur ~~ LU103057 erzeugt, in Kombination mit gepulsten Laser(teil-)strahlen somit eine flachige, optional homogene und periodische, Punkt- und/oder Linienstruktur auf der Oberfläche eines
Substrats erzeugt werden.
Alternativ zum Bewegen des Substrats in Relation zum Fokussierpunkt kann auch der
Fokussierpunkt (bspw. Durch scannerbasierte Methoden) Uber die Probe bzw. das Substrat geführt werden.
Eine Verschiebung des zu strukturierenden Substrates, bevorzugt flächigen Substrats, im
Laserstrahl kann aufgrund der relativ großen dabei bewegten Massen vergleichsweise aufwändig und langsam sein. Es ist daher vorteilhaft das Substrat, bevorzugt flächige
Substrat während der Bearbeitung ortsfest vorzusehen und die flächige Strukturierung des
Substrates dadurch zu realisieren, dass die Fokussierung der Teilstrahlen auf die Oberfläche des Substrats durch Manipulation der Laserteilstrahlen mit optischen Elementen (Fokussierspiegel bzw. Galvo-Spiegel (Laserscanner)) in Strahlrichtung bewirkt wird. Da die dabei bewegten Massen relativ klein sind, ist dies mit weit geringerem Aufwand bzw. viel schneller möglich. Vorzugsweise ist das Substrat während des Verfahrens ortsfest angeordnet. Es ist auch möglich zwischen einem Bewegen des Substrates und einem
Führen des Fokussierpunktes über das Substrat zu wechseln, wodurch große Substrate, beispielsweise größer als 200 mm x 200 mm, effizient und dennoch definiert und reproduzierbar strukturiert werden können.
Global-Struktur, insbesondere Global-Punktstruktur
Vorteilhaft können die einzelnen Pixel einer Art eines Interferenzpixels, bspw. eines ersten
Interferenzpixels, eines zweiten Interferenzpixels und/oder eines weiteren Interferenzpixels, die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet sind, global (d.h. über die
Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene) wahlweise eine periodische oder eine nicht- periodische Global-Punkt- und/oder Global-Linienstruktur ausbilden. Eine vollperiodische
Global-Punkt- und/oder Global-Linienstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn der vorhergehende Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines Interferenzpixels jeweils um ein ganzes Vielfaches (bspw. 2, 3, 4, 5) der Interferenzperiode (pn) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind. Es ergibt sich dadurch über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene ein vollperiodisches Muster, dessen Periode der Interferenzperiode (pn) entspricht. white ip | patent & legal PatGmbH
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des oberflächenstrukturierten Substrates ist LU103057 strukturierte Bereich aus der ersten periodischen Punktstruktur oder aus der ersten periodischen Linienstruktur gebildet. Dabei besteht die erste periodische Punktstruktur oder die erste periodische Linienstruktur aus einem oder mehreren versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixeln mit der ersten Interferenzperiode (p1). Es entsteht dabei also vorzugsweise eine vollperiodische Global-Punkt- oder Global-Linienstruktur, welche den strukturierten Bereich bildet.
Eine quasi-periodische Global-Punkt- und/oder Global-Linienstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn der vorhergehende Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines
Interferenzpixels jeweils um ein gleiches, von einem ganzen Vielfachen abweichendem,
Vielfachen (bspw. 0,5; 1,3; 2,6) der Interferenzperiode (pn) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind. Dem gegenüber wird eine nicht-periodische Global-Punkt- und/oder
Global-Linienstruktur erzeugt bzw. liegt vor, wenn die Interferenzperiode des nachfolgenden
Pixels zum benachbarten, vorhergehenden Pixel variiert wird und/oder benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnete Pixel verdreht, bspw. sukzessive verdreht appliziert werden.
Im Sinne der Erfindung beschreibt eine Global-Struktur eine den strukturierten Bereich bildende Struktur aus beliebigen Oberflächenunebenheiten, vorzugsweise aus inversen
Zapfen und/oder rillenförmigen Vertiefungen oder gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltung aus Zapfen und/oder rillenförmigen Erhöhungen. Eine solche Global-Struktur kann voll-periodisch, wobei dies vorzugsweise nur eine Art der Oberflächenunebenheit erlaubt, oder quasi-periodisch oder nicht-periodisch ausgebildet sein. Die Art der Periodizität hat einen großen Einfluss auf die zu erreichenden Eigenschaften der Oberfläche, insbesondere auf die optischen Eigenschaften.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können tiefere Strukturtiefen dadurch erzeugt werden, dass eine mehrfache Bestrahlung von bereits bestehenden
Oberflachenunebenheiten, beispielsweise rillenförmigen Vertiefungen, erfolgt. Bei
Linienstrukturen werden die Strukturtiefen tiefer, also größer, je stärker der Überlapp, insbesondere der Interferenzpixel-zu-Interferenzpixel Überlapp (hierin auch nur kurz als "Pixel-zu-Pixel Überlapp“ oder „Überlapp der Interferenzpixel“ oder bei Applikation mittels
Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere mittels Laserinterferenzstrukturierung als „Puls-zu-Puls Überlapp“ bezeichnet), insbesondere der Puls-zu-Puls-Uberlapp, also der
Überlapp der Interferenzpixel, in Linienrichtung ist. Dabei kann nach einer vorteilhaften white ip | patent & legal PatGmbH
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Ausgestaltung der Überlapp beliebig eingestellt werden, um dennoch tiefe Strukturen zu LU103057 erzeugen.
Vorzugsweise erfolgt ein Überlapp quer zur Linienrichtung, was ebenfalls zu tieferen
Strukturen führt.
Bei Punktstrukturen ist der Überlapp vorzugsweise so angepasst, dass der Abstand zwischen den Interferenzpixeln gerade einem Vielfachen der Interferenzperiode entspricht.
So können auch hier sehr tiefe Strukturen erzeugt werden.
Ein Pixel-zu-Pixel Überlapp ist im Sinne der Erfindung eine Überlagerung von
Interferenzpixeln, bei der ein erstes Interferenzpixel zu einem zweiten und/oder weiteren
Interferenzpixel derart versetzt zueinander angeordnet werden kann, dass bspw. wenigstens 50% der versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixel einen Überlapp von wenigstens 95%, bevorzugt von wenigstens 97%, besonders bevorzugt von wenigstens 99%, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 99,5% mit einem benachbarten Interferenzpixel, vorzugsweise mit mehreren benachbarten Interferenzpixeln aufweisen.
Ein Pixel-zu-Pixel-Überlapp wird auch als „Überlapp der Interferenzpixel“ bezeichnet und wird dabei als eine räumliche Überlappung zweier Interferenzpixel verstanden, also die
Fläche, die zwei überlappende Interferenzpixel gemeinsam aufweisen verglichen mit der
Fläche, die ein einzelnes der beiden Interferenzpixel beinhaltet. Da jedes Interferenzpixel bei der Applikation mittels Laserinterferenzstrukturierung durch einen Puls gebildet wird, wird dieser Überlapp der Interferenzpixel auch als Puls-zu-Puls-Überlapp bezeichnet. Ein
Interferenzpixel weist dabei eine Fläche auf, welche durch einen Kreis definiert wird, welcher durch die äußeren Ränder der Oberflächenunebenheiten definiert wird. Dieser Kreis ist der größte Kreis, der dabei gerade noch eine der enthaltenen Oberflächenunebenheiten berührt oder tangiert. Die Größe des Überlapps ist im Zweifel auf das Interferenzpixel mit der kleineren Fläche bezogen.
Die überlappenden Interferenzpixel können dabei die gleichen periodischen Strukturen aus jeweils wenigstens drei Oberflächenunebenheiten, insbesondere in Form von inversen
Zapfen, Zapfen, rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, aufweisen oder sich in ihren periodischen Strukturen voneinander unterscheiden. Der strukturierte Bereich kann somit in einer Ausführungsform mehrere versetzt zueinander angeordnete erste
Interferenzpixel oder erste und zweite Interferenzpixel aufweisen, wobei die periodischen
Strukturen der zweiten Interferenzpixel von den periodischen Strukturen der ersten white ip | patent & legal PatGmbH
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Interferenzpixel abweichen. Ebenso können dritte oder weitere Interferenzpixel mit ebenfalls LU103057 abweichenden periodischen Strukturen versetzt zu den ersten und/oder zweiten
Interferenzpixeln angeordnet sein.
Die repetitiv nebeneinander angeordneten Interferenzpixel werden dabei zunächst entlang einer ersten Reihe erzeugt. Daraufhin wird eine versetzt dazu angeordnete weitere Reihe erzeugt. Der Pixel-zu-Pixel Überlapp, insbesondere der Puls-zu-Puls-Überlapp, ist vorzugsweise sehr hoch innerhalb einer Reihe, also vorzugsweise wenigstens 90%, vorzugsweise wenigstens 95 %, während der Überlapp zwischen den Reihen gering ist. So können definierte Strukturen schnell und effektiv erzeugt werden.
Ein hoher Pixel-zu-Pixel Überlapp kann aber auch dadurch erzeugt werden, dass eine erste
Reihe von Interferenzpixeln so erzeugt wird, dass ein geringerer Überlapp, beispielsweise im
Bereich von 10 % bis 20 %, oder auch kein Überlapp gegeben ist, wobei daraufhin die Reihe erneut erzeugt wird, wobei die Position der erneut erzeugten Reihe einen großen Überlapp von wenigstens 90 %, vorzugsweise wenigstens 95 %, zu der zuvor erzeugten Reihe aufweist. Dabei kann der Überlapp also durch ein mehrfaches Rastern einer Reihe erzeugt werden.
Die Strukturierung mittels Puls-zu-Puls Uberlapp hat den Vorteil, dass zumindest einzelne erzeugte Strukturelemente innerhalb eines ersten, zweiten und/oder weiteren
Interferenzpixels mehrfach bestrahlt werden. Hierdurch kann durch
Selbstorganisationsprozesse eine der periodischen Punktstruktur überlagerte quasi- periodische Linienstruktur als Wellenstruktur, insbesondere sog. LIPSS, ausgebildet werden.
Vorteilhaft sind so hierarchische Strukturen auf der Oberfläche des Substrats schnell und somit effektiv erzeugbar, wodurch die Oberflächenrauheit der Wandung einer periodischen
Punktstruktur insbesondere im Nano- und/oder Submikrometerbereich, insbesondere im
Nanometerbereich, erhöht werden kann, was eine Vergrößerung der Oberfläche zur Folge hat.
Da die Strukturtiefe einen starken Einfluss auf das Verhältnis der Fläche der Oberfläche zur projizierten Oberfläche hat, kann durch eine hohe Strukturtiefe zu einem erhöhten
Wärmeübergangskoeffizienten führen. Dadurch werden also die
Wärmeübergangseigenschaften verbessert.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des oberflächenstrukturierten Substrats weist der
Wärmeübergangsbereich, insbesondere der strukturierte Bereich, weiterhin eine zweite white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung periodische Struktur mit einer zweiten Interferenzperiode (p2) im Mikro- oder LU103057
Submikrobereich auf, welche als periodische Punktstruktur oder als periodische
Linienstruktur ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist der strukturierte Bereich der Oberfläche des Substrates weiterhin eine zweite periodische Punktstruktur, auf, wobei die zweite periodische Struktur aus zumindest einem zweiten Interferenzpixel (11) mit einer zweiten Interferenzperiode (p2) gebildet ist. Dabei weist das zweite Interferenzpixel (11) zur Bildung einer zweiten periodischen Punktstruktur ein periodisches Gitter von zumindest drei Zapfen oder inversen
Zapfen mit einer zweiten Interferenzperiode (p2) auf. Der strukturierte Bereich, also die
Global-Struktur, wird somit aus einer Überlagerung aus einer ersten periodischen Punkt- oder Linienstruktur und zumindest einer zweiten periodischen Punktstruktur gebildet.
Optional weist der strukturierte Bereich eine zweite periodische Linienstruktur mit einer zweiten Interferenzperiode im Mikro oder Submikrometerbereich auf. Vorzugsweise ist die zweite periodische Linienstruktur aus wenigstens einem zweiten Interferenzpixel mit einer zweiten Interferenzperiode (p2) gebildet. Zur Bildung einer zweiten periodischen
Linienstruktur weist das zweite Interferenzpixel wenigstens drei parallel verlaufende rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen auf.
Es liegt dann eine Global-Struktur vor, die eine Überlagerung aus einer ersten periodischen
Punkt- oder Linienstruktur und einer zweiten periodischen Linienstruktur ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der strukturierte Bereich zwei überlagerte
Linienstrukturen auf, welche sich im Verlauf in der Richtung unterscheiden. Es liegt also ein erstes Interferenzpixel aus rillenförmigen Vertiefungen und/oder Erhöhungen sowie ein zweites Interferenzpixel aus rillenförmigen Vertiefungen und/oder Erhöhungen überlagert vor. Die erste Interferenzperiode und die zweite Interferenzperiode können dabei identisch oder aber auch unterschiedlich sein. Vorzugsweise sind mehrere erste und mehrere zweite
Interferenzpixel mit linienförmigen Oberflächenunebenheiten derart überlagert, dass die linienférmigen Oberflächenunebenheiten der ersten Interferenzpixel sämtlich in eine
Richtung weisen und dass die linienförmigen Oberflächenunebenheiten der zweiten
Interferenzpixel sämtlich in eine Richtung weisen, also maximal einen Winkel von 5°, vorzugsweise von 1° einschließen. Die repetitiv nebeneinander angeordneten ersten
Interferenzpixel und auch die zweiten Interferenzpixel werden folglich nicht bzw. kaum verdreht zueinander angeordnet. white ip | patent & legal PatGmbH
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Die linienfôrmigen Oberflächenunebenheiten der ersten Interferenzpixel und die LU103057 linienférmigen Oberflächenunebenheiten der zweiten Interferenzpixel sind dabei bevorzugt orthogonal zueinander angeordnet und schließen vorzugsweise einen Winkel von 30° bis 150°, bevorzugt von 45° bis 135°, besonders bevorzugt von 60° bis 120°, ganz besonders bevorzugt von 80° bis 100°, insbesondere von 85° bis 95° ein. So können zweidimensionale
Änderungen der Oberfläche erzeugt werden. Dadurch kann die Wärmeübertragung weiter verbessert werden, insbesondere der Wärmeübergangskoeffizient erhöht werden. Vorteilhaft sind Linienstrukturen schneller und einfacher mit nur zwei Laser-Teilstrahlen erzeugbar, sodass eine effiziente Verbesserung der Wärmeübertragung an der Oberfläche bzw.
Grenzfläche erreicht wird.
Vorzugsweise liegen im Wärmeübertragungsbereich zweidimensionale Anderungen der
Oberfläche, also zweidimensionale Oberflächenunebenheiten vor. Dies schließt sowohl die
Punktstrukturen, also die Zapfen oder inversen Zapfen, als auch die oben beschriebenen
Üüberlagerten und einen Winkel im Bereich von 30° bis 150° einschlieBenden Linienstrukturen mit ein. Durch die zweidimensionale Änderung der Oberfläche kann eine gute
Oberflächenrauigkeit, also ein gutes Verhältnis der realen Oberfläche zur projizierten
Oberflache von wenigstens 120 %, vorzugsweise mehr, insbesondere wenigstens 150 %, bevorzugt wenigstens 250 %, besonders bevorzugt von wenigsten 300 %, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 350 %, erreicht werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Substrats ist der
Wärmeübertragungskoeffizient des Wärmeübertragungsbereiches um wenigstens 10%, bevorzugt um wenigstens 17%, besonders bevorzugt um wenigstens 22%, ganz besonders bevorzugt um wenigstens 29 %, gegenüber dem VWärmeübertragungskoeffizienten einer
Oberfläche ohne Strukturierung also ohne Oberflächenunebenheiten, insbesondere also
Teilbereichen des unstrukturierten Bereichs, erhöht. Dadurch kann eine effizientere
Wärmeübertragung erreicht werden. Die Wärmeleitung pro Zeiteinheit kann an dem
Wärmeübertragungsbereich deutlich gegenüber einem nicht strukturierten Bereich erhöht werden.
Die Strukturtiefe der ersten periodischen Struktur, also die Tiefe oder Höhe der
Oberflächenunebenheiten bezogen auf die unstrukturierte Oberfläche auf der ersten äußeren
Oberfläche liegt vorzugsweise im Bereich von 0,3 um bis 60 um, bevorzugt im Bereich von 0,5 um bis 40 um, besonders bevorzugt im Bereich von 1 um bis 35 um, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 5 um bis 30 um, insbesondere im Bereich von 10 um bis 20 um.
Besonders geeignet ist dabei der Bereich ab 1 um . white ip | patent & legal PatGmbH
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Um derartige Strukturtiefen zu erreichen, liegt vorzugsweise ein großer Pixel-zu-Pixel
Überlapp der benachbarten Interferenzpixel von vorzugsweise wenigstens 95 % für wenigstens 50 % der Interferenzpixel vor.
Strukturiertes Bauelement
Die Erfindung betrifft auch ein strukturiertes Bauelement, insbesondere ein laserstrukturiertes Bauelement, welches wenigstens eine weitere, an das Substrat angrenzende Schicht aufweist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet die den Wärmeübertragungsbereich aufweisende erste äußere Oberfläche eine Grenzfläche zwischen dem Substrat und der angrenzenden Schicht. Dadurch wird die Grenzfläche im Wärmeübertragungsbereich zwischen den Schichten erhöht und es kann vorteilhaft eine erhöhte Wärmeübertragung zwischen den beiden angrenzenden Schichten, insbesondere zwischen dem Substrat und der weiteren Schicht, realisiert werden.
Die den Wärmeübertragungsbereich aufweisende erste äußere Oberfläche des Substrates kann aber auch den Abschluss gegenüber der Umwelt bilden. Der
Wärmeübertragungsbereich ist dabei dann an einer äußeren Oberfläche des strukturierten
Bauelements angeordnet. Eine vergrößerte Oberfläche in dem nach außen weisenden
Wärmeübertragungsbereich führt dann zu einer erhöhten Wärmeübertragung vom
Bauelement zu der das Bauelement umgebenden Umwelt. Insbesondere kann so eine
Wärmeableitung vom Bauelement weg, insbesondere an ein das umgebende Bauelement angrenzendes Fluid, wie beispielsweise Luft oder Wasser, erhöht und somit vorteilhaft verbessert werden.
Optional ist zwischen dem erfindungsgemäßen oberflächenstrukturierten Substrat und der angrenzenden Schicht des Bauelements innerhalb des Wärmeübertragungsbereiches eine
Wärmestromdichte (auch als Wärmeflussdichte bezeichnet) von über 200 W/m?, vorzugsweise über 1000 W/m?, erreichbar. So kann vorteilhaft eine besonders gute
Wärmeleitung zwischen den Schichten realisiert werden. Dies kann beim Erhitzen aber auch bei einer Wärmeableitung zum Kühlen besonders vorteilhaft sein.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist für aneinander angrenzende
Schichten, deren Oberflächen aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet sind, vorgesehen, dass die Grenzfläche derart strukturiert ist, dass eine, der beiden white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung zueinander angrenzenden, Schichten inverse Zapfen aufweist, wohingegen die daran LU103057 angrenzende Schicht Zapfen aufweist. Vorzugsweise sind die Zapfen der einen Schicht dabei komplementär zu den inversen Zapfen der angrenzenden Schicht ausgebildet, besonders bevorzugt derart komplementär zu den inversen Zapfen der angrenzenden
Schicht ausgebildet, dass jeder Zapfen der einen Oberfläche in einem inversen Zapfen der anderen Oberfläche angeordnet ist (sog. „Lego-Prinzip“). Ein derartig komplementär angeordneter Schichtstapel aus zumindest zwei Schichten, insbesondere einem erfindungsgemäßen Substrat und einer angrenzenden Schicht, hat darüber hinaus den
Vorteil, dass die benachbart zueinander angeordneten Schichten ineinandergreifen, was zu einer Verzahnung der Schichten untereinander und somit zu einer erhöhten Stabilität des
Schichtaufbaus führt. Anders als bei (periodisch zueinander angeordneten) Linien- oder
Wellenstrukturen hat dies den großen Vorteil, dass sich die Schichten nicht gegenseitig zueinander in einer Raumrichtung verschieben lassen und/oder nicht über große Strecken, insbesondere über die Breite/Länge einer Schicht über lediglich einen Steg, der durch die
Linien- oder Wellenstruktur gebildet wird, miteinander verbunden sind.
Außerdem ist die Grenzfläche, in der die beiden Schichten aneinander anliegen deutlich vergrößert, da die Zapfen und inversen Zapfen eine deutlich vergrößerte Oberfläche gegenüber der projizierten Grenzfläche, also der Grenzfläche ohne
Oberflachenunebenheiten aufweist. Dies kann allgemein durch zahnartig ineinandergreifende Oberflächenunebenheiten erreicht werden, also auch wenn rillenförmige
Erhöhungen einer Schicht in rillenförmige Vertiefungen der angrenzenden Schicht eingreifen.
Vorteilhaft kann so der Wärmeübergang verbessert werden, insbesondere der
Wärmeübergangskoeffizient erhöht werden.
Oberflächenunebenheiten können auch dadurch in eine Oberfläche, insbesondere in eine erste äußere Oberfläche, eingebracht werden, dass zunächst in eine Art Stempelsubstrat
Strukturen eingebracht werden. Durch die Strukturierung des Stempelsubstrats wird auf dessen Oberfläche eine periodische Struktur im Mikro- und/oder Submikrometerbereich, vorzugsweise eine erste periodische Struktur, erzeugt, welche dann als Negativ fungieren kann. Insbesondere kann eine solche Struktur als Stempel genutzt werden, um die
Struktureigenschaften auf ein gewünschtes weiteres Substrat zu übertragen. Als Materialien für ein solches Stempelsubstrat eignen sich insbesondere Metalle (z.B. Silizium, Aluminium,
Kupfer, Gold), metallische Legierungen (z.B. Stahl, Messing), mit Emaille beschichtete
Metalle oder Gläser und keramische Materialien (z.B. Zirkonoxid, Titandioxid, Zirkondioxid) sowie Kombinationen davon. Beispielsweise eignet sich ein derart strukturiertes Substrat als white ip | patent & legal PatGmbH
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Negativform zur indirekten Aufbringung oder Erzeugung von Strukturen auf einem anderen | LU103057
Substrat.
Vorteilhaft kann dieser Prozess bei einem Erzeugen von Bauelementen mit mehreren
Schichten verwendet werden. Um einen Wärmeübertragungsbereich an einer Grenzflache zweier benachbarter Schichten zu erzeugen bzw. zu optimieren kann dabei in eine der angrenzenden Oberflächen eine erfindungsgemäBer VWärmeübertragungsbereich mit erfindungsgemafen Oberflächenunebenheiten eingebracht werden und daraufhin wird diese dann durch eine Kraft auf die andere angrenzende Oberfläche übertragen. Dadurch kann das Erzeugen des Wärmeübertragungsbereiches an einer Grenzflache schneller und somit vorteilhaft effektiver und kostengünstiger generiert werden, da hierbei auf eine Strukturierung beider angrenzender Oberflächen verzichtet werden kann.
Zu erreichende weitere Effekte
Es können sowohl innerhalb des Wärmeübertragungsbereiches als auch in weiteren
Bereichen der Oberfläche des Substrates andere Eigenschaften erzeugt werden. Dafür wird die Strukturierung innerhalb und/oder außerhalb des Wärmeübertragungsbereiches entsprechend eingestellt, sodass aufgrund der eingebrachten Oberflächenunebenheiten die entsprechenden Eigenschaften generiert werden.
Optische Effekte:
Antireflexion
Die Erfindung umfasst weiterhin ein oberflächenstrukturiertes Bauteil, welches _Antireflexionseffekte, insbesondere innerhalb des Wärmeübertragungsbereiches aufweist.
Im Sinne der Erfindung beziehen sich Antireflexionseigenschaften hierin insbesondere auf das vermehrte Transmittieren, bzw. Beugen von einfallender elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im für den Menschen optisch sichtbaren Spektralbereich, insbesondere 380 bis 780 nm, oder im Bereich von Ultraviolettstrahlung (insbesondere 100 bis 380 nm) oder Infrarotstrahlung (insbesondere 780 bis 10.000 nm), sodass die elektromagnetische
Strahlung nicht reflektiert, sondern vorzugsweise durch das Substrat absorbiert wird.
Für die Erzeugung einer Oberfläche, die Antireflexionseigenschaften aufweist, weisen die
Vertiefungen, insbesondere die Zapfen oder inversen Zapfen oder die rillenförmigen white ip | patent & legal PatGmbH
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Vertiefungen oder die rillenférmigen Erhöhungen, eines Interferenzpixels nach einer LU103057 bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw.
Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 5 nm bis 10 um, insbesondere im Bereich von 10 nm bis 5 um, besonders bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 800 nm, ganz besonders bevorzugt von 100 nm bis 500 nm auf. Die Strukturtiefe der inversen Zapfen eines Interferenzpixels wird im Allgemeinen durch die mittlere Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Zapfen mit einer bestimmten
Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert.
Bevorzugt werden Antireflexionseigenschaften auf einer Oberfläche dadurch erreicht, dass der strukturierte Bereich durch eine periodische Struktur, vorzugsweise durch eine periodische Punktstruktur, im Nanobereich (Submikrometerbereich) aus Vertiefungen, vorzugsweise inversen Zapfen oder Zapfen, mit mittleren Abmessungen im
Submikrometerbereich gebildet ist oder eine solche periodische Punktstruktur im
Nanobereich wenigstens aufweist. Die periodische Punktstruktur eines Interferenzpixels weist insbesondere eine Interferenzperiode von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt 200 nm bis 700 nm, ganz besonders bevorzugt von 200 nm bis 450 nm.
Die hierin definierten Strukturparameter zur Erzeugung einer Oberfläche, die
Antireflexionseigenschaften aufweist, wie die Interferenzperiode und Strukturtiefe, insbesondere die Interferenzperiode, erlauben es vorteilhaft, den Anteil reflektierter
Strahlung an einer Grenzfläche eines Substrates, vorzugsweise innerhalb des
Wärmeübertragungsbereiches, um zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 70%, besonders bevorzugt zumindest 80%, ganz besonders bevorzugt zumindest 90%, insbesondere zumindest 95% zu reduzieren.
Die Antireflexionseigenschaften für sichtbares Licht kommen insbesondere zustande, wenn die Abmessungen der erzeugten Struktur, also die Interferenzperiode und Abmessung der
Vertiefungen, insbesondere der einzelnen Zapfen oder inversen Zapfen, in Bereichen kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegen, also vorzugsweise unterhalb von 700 nm.
Unter Reflexion versteht man in der Physik das Zurückwerfen von einer elektromagnetischen
Welle an einer Grenzfläche von Materialien unterschiedlichen Brechungsindizes. Der
Reflexionswinkel und der Transmissionswinkel von Licht in transparenten Substraten können allgemein über das Snelliussche Brechungsgesetz berechnet werden zu
M Siné, = n,sind, white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung berechnet, wobei ns und na den Brechungsindex des Umgebungsmediums, beispielsweise von Luft, und dem Material der Deckschicht oder Grundschicht angeben und 54 und 5, jeweils die Winkel des einfallenden und des reflektierten Strahls angeben.
Durch die periodische Struktur, insbesondere periodische Punktstruktur, auf der äußeren
Oberfläche der Deck- oder Grundschicht verändert sich der Brechungsindex der Deck- oder
Grundschicht im Bereich der Oberfläche oder Grenzflache in der Form, dass sich ein gradueller Brechungsindex ergibt. Das hat zur Folge, dass Licht mit Wellenlängen größer der
Interferenzperiode (pn) der periodischen Punktstruktur vermehrt transmittiert wird. Licht mit
Wellenlängen kleiner oder gleich der periodischen Struktur, vorzugsweise der periodischen
Punktstruktur, wird an der Oberfläche gebeugt.
Antireflexionseigenschaften bezeichnen im Sinne der Erfindung Strukturen, vorzugsweise
Punktstrukturen, aber auch Linienstrukturen, deren Abmessungen im Bereich der einfallenden elektromagnetischen Welle liegen, sodass der Brechungsindexunterschied „aufgeweicht“ wird, wodurch eine Einkopplung der einfallenden Welle in die entsprechende
Schicht erfolgt. Dabei kann auch ein Teil der einfallenden elektromagnetischen Welle leicht vom Betrachter weggebeugt werden.
Zusätzlich umfasst der Begriff Antireflexionseigenschaften im Sinne der Erfindung auch, dass der Brechungsindex an der Grenze zwischen dem ersten Medium, zum Beispiel Luft, und dem Substrat, graduell ist, sodass für die einfallende elektromagnetische Welle kein klarer Ubergang von einem Medium zum anderen vorhanden ist und die einfallende elektromagnetische Welle vermehrt transmittiert wird. Vorzugsweise ist eine Anti-
Reflexionseigenschaft dabei bzgl. Sichtbarem Licht zu verstehen.
Der Brechungsindex des strukturierten Substrats ist dabei durch die erzeugte periodische
Punktstruktur graduell. Er nimmt über die Höhe der Struktur hinweg ab, sodass kein klarer
Medium-Medium-Ubergang existiert. Dadurch kommt es zur erhöhten Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge größer als die
Interferenzperiode der erzeugten Struktur, vorzugsweise Punktstruktur, und zur Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge im Bereich der
Interferenzperiode der erzeugten Struktur in die Deck- oder Grundschicht.
Im Sinne der Erfindung beschreibt ein oberflachenstrukturiertes Substrat mit
Antireflexionseigenschaften ein solches Substrat, welches einen strukturierten Bereich white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung aufweist, der aus sich überlagernden Strukturen besteht, wobei also der ersten LU103057 periodischen Struktur eine weitere Struktur überlagert ist, wobei mindestens eine Struktur
Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich aufweist, und wobei zumindest eine
Struktur aus Vertiefungen, insbesondere aus Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen (wie hierin definiert), gebildet ist, welche insbesondere durch interferierende Laserstrahlen erzeugbar sind. Vorzugsweise ist die weitere Struktur eine Linienstruktur aus rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen
Erhöhungen oder eine weitere periodische Punktstruktur aus Zapfen oder inversen Zapfen.
So können vorteilhaft mehrere Eigenschaften der Oberfläche gleichzeitig eingestellt werden.
Beispielsweise kann der strukturierte Bereich, insbesondere die Struktur, aus sich überlagernden periodischen Strukturen, bei dem Einsatz von interferierenden Laserstrahlen durch entsprechende Ausgestaltung der Parameter, insbesondere der Verfahrensparameter, (Auswahl der Laserstrahlungsquelle, Anordnung der optischen Elemente) an die
Anforderungen der jeweiligen Anwendung optimal angepasst werden.
Nach einer möglichen Ausgestaltung weist ein oberflächenstrukturiertes Substrat mit einer ersten äußeren Oberfläche mit anti-reflektierenden Eigenschaften eine periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode auf, die den strukturierten Bereich bildet. Vorteilhaft können die Anti-Reflexionseigenschaften dadurch sehr zuverlässig und gut reproduzierbar eingestellt werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zur Beeinflussung der Oberflächen- oder
Grenzflächen-Eigenschaften (bspw. Ätzen, Sandstrahlen, Polymerbeschichtungen) ist es bei
Verwendung von Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten
Laserinterferenzstrukturierung nicht erforderlich, dass die gesamte Oberfläche strukturiert werden muss. Der Anteil der strukturierten Oberfläche (Bedeckungsgrad an Vertiefungen, insbesondere inversen Zapfen, pro Flächeneinheit, der durch die Anzahl und den
Durchmesser bzw. die Breite der Vertiefungen, vorzugsweise der inversen Zapfen, bedingt ist), d.h. der Anteil des strukturierten Bereiches der Oberfläche beträgt vorzugsweise 3 % bis 99 %, besonders bevorzugt 5 % bis 80 %, ganz besonders bevorzugt 7 % bis 70 %, insbesondere 10 % bis 50 %. Dies erlaubt nicht nur eine bessere Nachweisbarkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Strukturierung/Beschichtung von Oberflächen, sondern hat diesen gegenüber den Vorteil, dass weniger Defekte oder anfälligere Strukturen indie Ebene der Oberfläche und/oder Grenzfläche eingebracht werden, um die hierin definierten Eigenschaften zu erzielen. white ip | patent & legal PatGmbH
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Reduzierte Reflexion aufgrund des Falleneffektes LU103057
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Oberflächenunebenheiten als inverse Zapfen und/oder rillenfôrmige Vertiefungen ausgebildet. Somit trifft ein Teil der an der Oberfläche reflektierten Strahlen erneut auf einen Punkt innerhalb derselben Oberflächenunebenheit und es wird erneut ein Teil der elektromagnetischen Strahlung in das Substrat transmittiert.
Dadurch kann vorteilhaft der Anteil der in das Substrat transmittierten und dort absorbierten elektromagnetischen Strahlung erhöht und so die Reflektion vermindert werden. Dieses
Phänomen wird im Sinne der Erfindung als reduzierte Reflektion aufgrund des Falleneffektes bezeichnet.
Die Reduzierung der Reflexion aufgrund des Falleneffektes (wie hierin definiert) durch die
Ausbildung geeigneter strukturierter und unstrukturierter Bereiche auf der ersten äußeren
Oberfläche eines Substrates ist führt insbesondere auch zu reduzierten Blendeffekten und es kann ganz allgemein der optische Eindruck durch einen matten Eindruck verbessert werden.
Die Reduzierung der Reflexion aufgrund des Falleneffektes (wie hierin definiert) durch die
Ausbildung geeigneter strukturierter und unstrukturierter Bereiche auf der äußeren
Oberfläche und/oder inneren Oberfläche eines Substrates ist von großer Bedeutung zur
Reduktion von allgemeiner Reflexion, insbesondere auch zur Reduzierung von gerichteter
Reflektion. Dabei sind die Oberflächenunebenheiten so tief ausgebildet, dass ein innerhalb einer Oberflächenunebenheit reflektierter Lichtstrahl erneut auf eine Stelle innerhalb der
Oberflachenunebenheit trifft und dadurch dort wiederum ein Teil in das Substrat eindringen kann, wobei es zu Transmission, aber auch zu Absorption kommt. In jedem Fall wird durch derart tiefe Strukturen die Reflektion reduziert.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die strukturierten Bereiche, die zu einer Reduzierung der Reflexion aufgrund des Falleneffektes innerhalb der strukturierten
Bereiche derart angeordnet, dass bezogen auf die Einfallsrichtung elektromagnetischer
Strahlung, vorzugsweise Licht, an dieser Grenzfläche, in die das Licht eintritt, inverse Zapfen und/oder rillenförmige Vertiefungen derart angeordnet sind, dass diese in das Substrat, hin ausgebildet sind.
Es kann eine solche Struktur zur Reduzierung der Reflektion aufgrund des Falleneffektes auch durch die Ausbildung eines geeigneten strukturierten und unstrukturierten Bereiches,
Insbesondere eines strukturierten Bereiches, auf der äußeren Oberfläche und/oder inneren
Oberfläche einer optoelektronisch aktiven Schicht erzeugt werden. Gerade auch an einer white ip | patent & legal PatGmbH
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Grenzflache zur optoelektronisch aktiven Schicht ist eine Reduktion der Reflektion LU103057 besonders relevant.
Die Mantelfläche der Zapfen oder inversen Zapfen dient bei der Ausnutzung des
Falleneffekts als Spiegelfläche, vorzugsweise quasi-homogene Spiegelfläche, die den Anteil reflektierter einfallender elektromagnetischer Strahlung innerhalb der Zapfen und/oder inversen Zapfen, insbesondere inversen Zapfen, bis zum Sattelpunkt reflektiert, wobei an jedem weiteren Reflexionspunkt innerhalb der Mantelfläche ein Anteil (verbleibender) elektromagnetischer in das Substrat, dessen äußere Oberfläche und/oder innere Oberfläche aus einem derartigen strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, einkoppelt. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Mantelfläche der
Zapfen oder inversen Zapfen glatt ausgebildet.
Anti-Glare
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann auf dem Substrat, insbesondere im
Wärmeübertragungsbereich, eine Strukturierung erzeugt werden, die Anti-Glare
Eigenschaften aufweist.
Mit Hilfe einer hierin beschriebenen Strukturierung, insbesondere Anti-Glare-Strukturierung der Oberflächen können Blendeffekte reduziert werden. Eine Anti-Glare Struktur streut auftreffende elektromagnetische Strahlung, bspw. Licht an einer Ebene des Substrates, insbesondere der Oberfläche des Substrates, so dass eine Spiegelung dieser elektromagnetischen Strahlung deutlich reduziert werden kann.
Unter Glare (Blendung) versteht man im Sinne der Erfindung die Reflexion des Lichts einer
Lichtquellequelle (z. B. der Sonne) auf einem Substrat, bspw. einer Glasscheibe oder auch auf einem Metallelement.
Mit Hilfe einer Anti-Glare-Behandlung der Oberflächen (im Stand der Technik typischerweise durch Beschichtungen erzeugt) können diese Blendeffekte reduziert werden. Eine Anti-Glare
Struktur streut auftreffendes Licht an der Oberfläche, so dass eine Spiegelung deutlich reduziert werden kann. Die Oberfläche wirkt in diesem Bereich dann vorteilhaft matt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Interferenzperioden der
Punktstruktur des ersten Interferenzpixels und die Periode des zweiten Interferenzpixels identisch. white ip | patent & legal PatGmbH
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren nach Schritt b) das Applizieren zumindest einer weiteren Art eines Interferenzpixel mit einer weiteren Interferenzperiode (pn), bspw. ein drittes Interferenzpixel (12) mit einer dritten
Interferenzperiode (ps) auf die in Schritt b) bearbeitete Oberfläche des Substrates, insbesondere mittels Laserablation, wobei das weitere, bspw. das dritte Interferenzpixel (12) entsprechend der hierin definierten Merkmale zu dem ersten Interferenzpixel (10) und zweiten Interferenzpixel (11) überlagert angeordnet wird. Dabei liegt das Verhältnis der weiteren Interferenzperiode (pn) zu den anderen Interferenzperioden im vorzugsweise im
Bereich von 20:1 bis 1:20, vorzugsweise im Bereich von 10:1 bis 1:10, besonders bevorzugt im Bereich von 5:1 bis 1:5, insbesondere 3:1 bis 1:3, wodurch die hierin definierten
Eigenschaften, insbesondere die Anti-Glare-Eigenschaften oder die Reduktion der Reflexion aufgrund des Falleneffektes innerhalb des Wärmeübertragungsbereiches optimiert werden können.
Dabei sind die so innerhalb eines Interferenzpixels erzeugten periodischen Strukturen, vorzugsweise periodischen Punktstrukturen, in Form als periodisch angeordnete
Vertiefungen, vorzugsweise Zapfen oder inverse Zapfen, ausgebildet. Dabei liegt die
Interferenzperiode (d.h. der Abstand zwischen den Vertiefungen, vorzugsweise der Abstand zwischen den Scheitelpunkten zweier benachbarter inverser Zapfen — bzw. der
Höhenmittelpunkte bezogen auf Zapfen- oder der Mittellinien der rillenförmigen Vertiefungen oder der Mittellinien der rillenförmigen Erhöhungen) einer periodischen Struktur, vorzugsweise einer ersten periodischen Struktur, insbesondere auf einer Oberfläche der
Deck- oder Grundschicht, die Anti-Glare-Eigenschaften aufweist, im statistischen Mittel im
Bereich von 1 um bis 50 um, bevorzugt im Bereich von 5 um bis 50 um, besonders bevorzugt im Bereich von 10 um bis 30 um.
Vorteilhaft können die einzelnen Pixel einer Art eines Interferenzpixels, also mit derselben
Interferenzperiode und mittleren Strukturtiefe, bspw. eines ersten Interferenzpixels, eines zweiten Interferenzpixels und/oder eines weiteren Interferenzpixels, die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet sind, global (d.h. über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene) wahlweise eine periodische oder eine nicht-periodische Struktur, vorzugsweise eine periodische oder nicht-periodische Punktstruktur, ausbilden. Eine vollperiodische Punktstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn der vorhergehende Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines Interferenzpixels jeweils um ein ganzes Vielfaches (bspw. 2, 3, 4, 5) der Interferenzperiode (pn) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind. Es ergibt sich dadurch über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene ein white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung vollperiodisches Muster, dessen Periode der Interferenzperiode (pn) entspricht. Eine quasi- | LU103057 periodische Punktstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn der vorhergehende Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines Interferenzpixels jeweils um ein gleiches, von einem ganzen Vielfachen abweichendem, Vielfachen (bspw. 0,5; 1,3; 2,6) der Interferenzperiode (pn) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind.
Demgegenüber wird eine nicht-periodische Punktstruktur erzeugt bzw. liegt vor, wenn die
Interferenzperiode des nachfolgenden Pixels zum benachbarten, vorhergehenden Pixel variiert wird und/oder benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnete Pixel verdreht, bspw. Sukzessive verdreht appliziert werden.
Kennzeichnend dabei ist, dass der strukturierte Bereich aus einer Überlagerung mehrerer periodischer Strukturen gebildet ist. Dabei werden insbesondere mehrere Interferenzpixel derart repetitiv aneinander angrenzend angeordnet, sodass die erzeugte Global-Struktur, also die Struktur, die den strukturierten Bereich bildet, vorzugsweise nicht periodisch ist.
Dadurch entstehen vorzugsweise viele Streuzentren an der Oberfläche, die aufgrund ihrer
Unregelmäßigkeit die elektromagnetische Strahlung, also das Licht, in unterschiedliche
Richtungen streuen. Dadurch werden vorteilhaft starke Reflektionen in einzelne Richtungen vermieden. Weiterhin können so vorteilhaft Effekte vermieden oder wenigstens reduziert werden, welche durch Refraktionseffekte aufgrund einer Periodizität wie ein regenbogenartiger Schimmereffekt wirken.
Um eine solche nicht-periodische Struktur zu erzeugen, weisen vorzugsweise wenigstens 70 %, bevorzugt wenigstens 90%, besonders bevorzugt wenigstens 98 %, der benachbarten
Interferenzpixel unterschiedliche Strukturparameter, also wenigstens einen unterschiedlichen
Strukturparameter oder wenigstens zwei unterschiedliche Strukturparameter ausgewählt aus der Interferenzperiode, der Strukturtiefe bzw. mittleren Strukturtiefe, und der Anordnung der
Zapfen oder inversen Zapfen innerhalb eines Interferenzpixels, auf. Dabei kann beispielsweise die Position der Vertiefungen, insbesondere der Zapfen oder inversen Zapfen geändert werden, um eine nicht-periodische Global-Struktur zu erhalten. Vorteilhaft kann dadurch bei hoher Prozessgeschwindigkeit eine geeignete Global-Struktur mit geringer
Periodizität erhalten werden, wodurch vorteilhaft der Moire-Effekt sowie Beugungseffekte vermieden werden können. Bevorzugt erfolgt die Änderung des oder der Strukturparameter nach einer zufälligen Verteilung, insbesondere mittels eines stochastischen Verfahrens. white ip | patent & legal PatGmbH
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Punktstruktur, die LU103057 durch benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnete Pixel einer Art eines
Interferenzpixels ausgebildet ist, eine vollperiodische Punktstruktur oder eine quasi- periodische Punktstruktur (jeweils wie vorstehend definiert).
Für die Erzeugung einer Oberfläche, die Anti-Glare-Eigenschaften aufweist, weisen die
Vertiefungen, vorzugsweise die Zapfen oder inversen Zapfen, eines Interferenzpixels nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 5 nm bis 20 um, besonders bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 10 um, ganz besonders bevorzugt von 100 nm bis bis 5 um, noch mehr bevorzugt 200 nm bis 2 um, auf. Die Strukturtiefe der inversen Zapfen eines Interferenzpixels wird im Allgemeinen durch die mittleren Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Zapfen mit einer bestimmten Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass zueinander benachbart angeordnete erste
Interferenzpixel und/oder zweite Interferenzpixel wenigstens zu einem hohen Anteil von wenigstens 70 %, vorzugsweise wenigstens 90 %, bevorzugt zu wenigstens 98 %, variierende Strukturparameter, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend die
Interferenzperiode des Interferenzpixels, die Strukturtiefe der Vertiefungen, vorzugsweise der inversen Zapfen, den Durchmesser der Zapfen oder inversen Zapfen, die Breite der rilenfôrmigen Vertiefungen oder der rillenférmigen Erhöhungen, die Form der Zapfen oder inversen Zapfen und die Größe der Zapfen oder inversen Zapfen, aufweisen. Vorzugsweise ist ein weiterer möglicher Strukturparameter die Anordnung bzw. die Position der
Vertiefungen, vorzugsweise der Zapfen oder inversen Zapfen. Hierdurch kann vorteilhaft global, vorzugsweise auch lokal, ein hoher Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen
Strukturen erzeugt werden, wodurch unerwünschte oder störende optische Effekte, wie
Moire-Effekte oder Farbeffekte, die durch Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, minimiert oder verhindert werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Interferenzperiode der
Punktstruktur zumindest eines jeden weiteren Interferenzpixels einer Art, bspw. jedes
Interferenzpixel eines ersten Interferenzpixels, jedes Interferenzpixel eines zweiten
Interferenzpixels und/oder jedes Interferenzpixel eines dritten Interferenzpixels, im
Wesentlichen identisch, d.h. differieren maximal um 0% bis 2,0%, besonders bevorzugt um maximal 0 bis 1,0%. Ganz besonders bevorzugt sind die Interferenzperioden identisch. white ip | patent & legal PatGmbH
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Hierdurch können die Parameter der Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere der LU103057
Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zum Applizieren der Interferenzpixel auf die
Ebene des Substrates konstant gehalten werden, was den Aufwand und das Entstehen von
Fehlstrukturen minimiert.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixel einer Art, bspw. das erste
Interferenzpixel, das zweite Interferenzpixel und/oder das dritte Interferenzpixel sukzessive zum vorhergehenden Interferenzpixel dieser einen Art um eine innerhalb des
Interferenzpixels angeordnete (vorzugsweise um eine zentrische) Drehachse (d.h. eine
Normale zur Ebene) verdreht, bspw. alternierend oder sukzessive im Verhältnis zum vor- vorhergehenden verdreht. Vorzugsweise wird das nachfolgende Interferenzpixel im
Verhältnis zum vorhergehenden Interferenzpixel der Interferenzpixel einer Art im Bereich um 51° bis 90°, weiterhin im Bereich um 3° bis 85°, besonders bevorzugt um 5° bis 80° 10° bis 75°, ganz besonders bevorzugt um 10° bis 75°, insbesondere im Bereich um 15° bis 60° verdreht. Hierdurch wird global über eine Ebene des Substrates, die durch eine Oberfläche des Substrates aufgespannt wird oder innerhalb des Volumens des Substrates, ein hoher
Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen Strukturen erzeugt, wodurch ebenfalls unerwünschte oder stôrende optische Effekte, wie Moiré-Effekte oder Farbeffekte, die durch — Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, minimiert oder verhindert werden.
Allgemein wird zur Erzeugung geeigneter Anti-Glare-Eigenschaften angestrebt, durch die konkrete Auswahl der Strukturparameter der ersten und zweiten Interferenzpixel und jeder weiteren Art eines Interferenzpixels eine Punktstruktur mit gebrochener Periodizität, also ohne resultierende Periodizität, zu generieren. Bevorzugt sind die erzeugten Punktstrukturen folglich nicht-periodisch angeordnet, wobei vorzugsweise die Interferenzperioden der ersten und der zweiten Interferenzpixel bzw. jeder weiteren Art eines Interferenzpixels verschieden (nicht identisch) zueinander sind. Periodische Effekte, welche das resultierende Bild stôren, können so vorteilhaft vermieden werden.
Aus einer Überlagerung von ersten und zweiten Interferenzpixeln, welche identische
Interferenzperioden aufweisen, können periodische Punktstrukturen resultieren, bei denen der unerwünschte Moire-Effekt auftritt.
Auch eine nachteilige Änderung des Farbverhaltens wie sie aufgrund von Beugungseffekten an den eingeführten Strukturen auftreten können, werden durch einen hohen Grad an
Unordnung vermieden. white ip | patent & legal PatGmbH
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Die vorhandene Punktstruktur führt zu einem Streuungsverhalten des auftreffenden Lichtes, wobei es sich um eine Vielzahl von minimalen Ablenkungsprozessen der Photonen an den eingebrachten Punktstrukturen handelt. Eine vorhandene Periodizitat der Punktstrukturen kann somit eine Verstärkung von Ablenkungen der Photonen, also des Lichtes, in bestimmte
Richtungen führen, wodurch ein Flitter oder Glitzer-Effekt erzeugt würde. Während dieser
Effekt für bestimmte Anwendungen gewünscht ist, so soll er doch für viele weitere
Anwendungen vermieden werden. Die Generierung von nicht-periodischen Strukturen führt hier vorteilhaft zu einer Reduzierung bzw. Vermeidung dieser Glitzereffekte.
Im vorgenannten Fall liegt der Versatz zwischen dem Interferenzpixel einer ersten Art und dem Interferenzpixel einer zweiten Art, bspw. dem zweiten Interferenzpixel und dem ersten
Interferenzpixel im Bereich von 5% < x < 50%, vorzugsweise im Bereich von 10% < x < 50%, insbesondere im Bereich von 20% < x < 50%, besonders bevorzugt im Bereich von 25% < x <45% der Interferenzperiode. Ist die periodische Punktstruktur derart ausgebildet, dass ein
Interferenzpixel einer weiteren Art vorgesehen ist, zumindest ein drittes Interferenzpixel, so ist dieses zu dem Interferenzpixel der vorhergehenden Art derart überlagert angeordnet, dass der Versatz zwischen dem Interferenzpixel der weiteren Art, bspw. dem dritten
Interferenzpixel und dem zweiten Interferenzpixel im Bereich von 5% < x < 50%, vorzugsweise im Bereich von 10% <= x < 50%, insbesondere im Bereich von 20% =< x < 50%, besonders bevorzugt im Bereich von 25% < x < 45% der Interferenzperiode liegt. Ein
Versatz, welcher unterhalb der Interferenzperiode liegt, führt zu einer Erhöhung der
Strukturdichte bzw. Dichte der Punktstruktur, woraus also ein erhöhter Streuquerschnitt und vorteilhaft ein größerer Streueffekt bzw. eine stärkere Verminderung der gerichteten
Reflexion resultiert.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das strukturierte
Substrat, insbesondere die auf der Oberfläche des Substrates applizierte Punktstruktur zumindest eine weitere Art eines Interferenzpixel mit einer weiteren Interferenzperiode, bspw. ein drittes Interferenzpixel mit einer dritten Interferenzperiode auf, wobei das weitere, bspw. das dritte Interferenzpixel entsprechend der vorgenannten Ansprüche zu dem ersten
Interferenzpixel und zweiten Interferenzpixel überlagert angeordnet ist. Hierdurch können in der Ebene des zu strukturierenden Substrates vorteilhaft weitere Defekte (d.h.
Punktstrukturen im Mikro- und Submikrometerbereich) erzeugt werden. Eine höhere Anzahl an inversen Zapfen erhöht die Anzahl der Streuzentren und reduziert die gerichtete
Reflektion. Vorteilhaft kann hierdurch auch der Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen
Strukturen erhöht werden, wodurch unerwünschte oder störende optische Effekte, wie Moiré- white ip | patent & legal PatGmbH
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Effekte oder Farbeffekte, die durch Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, LU103057 minimiert oder verhindert werden. Darüber hinaus reduziert oder vermeidet dies beispielsweise bei dem Einsatz von Displays das Auftreten eines Glitzer- bzw. Glitter-
Effektes, der in Folge von Oberflächenstrukturen größer oder gleich von Displaypixeln auftritt. Bei einem Glitzer- bzw. Glitter-Effekt leuchtet ein Displaypixel nur einen Teil des
Oberflachenmerkmals aus, so dass Streueffekte entstehen, die man makroskopisch als periodisches Muster wahrnimmt.
Vorzugsweise handelt es sich bei der hierin definierten Struktur zur Erzeugung von Anti-
Glare-Eigenschaften, vorzugsweise Punktstruktur, um eine nicht periodische
Punktstruktur aus Zapfen oder inversen Zapfen mit mittleren Abmessungen im
Mikrometerbereich, wobei die Struktur eines Interferenzpixels insbesondere einen mittleren
Abstand bezogen auf den jeweiligen Sattelpunkt bzw. Hôhenmittelpunkt zweier benachbarter
Zapfen eines Interferenzpixels von 1 um bis 50 um, besonders bevorzugt 5 um bis 50 um, ganz besonders bevorzugt von 10 um bis 30 um aufweist. Dieser bevorzugt anti- periodischen Punktstruktur im Mikrometerbereich kann eine weitere Struktur im
Nanometerbereich überlagert sein, wobei die mittlere Abmessung der Üüberlagernden
Struktur bevorzugt Abmessungen im Bereich der Laserwellenlänge A, bzw. M2, insbesondere von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt von 200 nm bis 500 nm aufweist. Im Sinne der Erfindung wird eine solche Struktur auch als hierarchische Struktur bezeichnet.
Die Erfindung umfasst auch ein oberflächenstrukturiertes Substrat mit Anti-Glare-
Eigenschaften, wobei eine erste äußere Oberfläche Anti-Glare-Eigenschaften aufweist.
Vorzugsweise weist eine solche Oberfläche weiterhin eine zweite periodische Struktur, vorzugsweise zweite periodische Punktstruktur, mit einer zweiten Interferenzperiode auf.
Dabei kann einerseits eine Variation der Interferenzperiode die Periodizität der Struktur, insbesondere der Global-Struktur reduzieren, wodurch der Anti-Glare-Effekt verbessert wird.
Weiterhin kann eine zweite periodische Struktur aber auch weitere Eigenschaften erzeugen.
So umfasst die Erfindung auch ein oberflächenstrukturiertes Substrat mit Anti-Glare-
Eigenschaften, wobei eine erste äußere Oberfläche, insbesondere innerhalb des
Wärmeübergangsbereiches, Anti-Glare-Eigenschaften und auch weitere Eigenschaften, wie beispielsweise ein erhöhter Wärmeübergangskoeffizient an der Oberfläche und/oder Anti-
Icing-Eigenschaften aufweist. Die überlagerten Strukturen werden dabei so erzeugt, wie in den entsprechenden Abschnitten zu den konkreten Eigenschaften beschrieben. white ip | patent & legal PatGmbH
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Anti-Icing LU103057
Die Erfinder haben einen Zusammenhang zwischen der Oberflächenbeschaffenheit eines
Substrats und der Eisbildung an dessen Oberfläche festgestellt. Insbesondere können demgemäß sog. Anti-Icing Eigenschaften, beispielsweise auf der äußeren Oberfläche einer außen liegenden Schicht, erzeugt werden, wenn die Strukturgröße an der Oberfläche eines
Substrates hinreichend klein ist. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass ein Substrat mit superhydrophoben Eigenschaften (vorzugsweise wie hierin definiert) auch Anti-Icing
Eigenschaften aufweisen kann.
Unter Anti-Icing Eigenschaften ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass an der
Oberfläche eines Substrates kein oder nur sehr wenig Wasser gefriert, wobei diese
Eigenschaft auf die Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Oberflächenrauigkeit zurückzuführen ist.
Ein solches Substrat kann vorteilhaft im Bereich der Luft- und Raumfahrt, bei Windturbinen, im Bereich von Automobilkomponenten oder auch Telekommunikations- und
Antennentechnik verwendet werden, um exponierte Bestandteile vor Vereisen zu schützen.
Dadurch kann vorteilhaft die Enteisungseffizienz verbessert werden. Gerade die Kombination aus verbesserter Wärmeübertragung an der Oberfläche sowie einer Anti-Icing eigenschaft der Oberfläche führt zu einem Synergieeffekt, der die notwendige Energie reduziert, welche für eine Enteisung notwendig ist. Dadurch kann eine enorme Energieeinsparung erreicht werden. Gerade die Synergie zwischen der Oberfläche mit Anti-lceing-Eigenschaften und den veränderten Wärmeübertragungseigenschaften der strukturierten Oberfläche des Substrates kann die effektive, also gegen die Vereisung wirkende Oberfläche vervielfachen, was zu einer Veränderung der Wärmestromdichte um mehrere zehn Prozent führt.
Hydrophobe Eigenschaften hängen sowohl von der chemischen als auch von der
Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere der Oberflächenrauigkeit, eines Substrats ab. Die
Erfinder haben nun überraschend herausgefunden, dass sich durch das erfindungsgemäße
Verfahren insbesondere hydrophobe Substrate durch das Einbringen von Strukturierungen im Mikrometer- und Submikrometerbereich, insbesondere sich überlagernden Strukturen (wie hierin definiert) Substratoberflächen erhalten werden, die superhydrophobe und selbstreinigende Eigenschaften aufweisen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei
Substraten mit superhydrophoben Eigenschaften um Substrate mit einer hierarchischen
Oberflächenstrukturierung. Unter einer hierarchischen Oberflächenstrukturierung ist hierin zu verstehen, dass es sich um eine Oberfläche handelt, auf der sich regelmäßige Strukturen mit
Abmessungen im Mikrometerbereich befinden, welche wiederum ihrerseits an ihrer white ip | patent & legal PatGmbH
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Oberfläche eine Strukturierung mit Abmessungen im Submikrometerbereich aufweisen. Eine LU103057 solche hierarchische Strukturierung kann zu einer hohen Oberflächenrauigkeit führen.
Die Erfinder haben zudem herausgefunden, dass sich Substrate, die vornehmlich durch eine hierin offenbarte Vorrichtung oder ein hierin offenbartes Verfahren strukturiert wurden, durch ausgeprägte hydrophobe Eigenschaften an der Oberfläche eines Substrats auszeichnen.
Mittels der hierin offenbarten Vorrichtung und des Verfahrens zur Erzeugung von
Punktstrukturen mit Abmessungen im Mikro- und/oder Submikrometerbereich ist auch eine
Strukturierung zur Erzeugung von einer Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere einer
Oberflächenrauigkeit auf der Oberfläche eines Substrats möglich, welche dazu führt, dass das Substrat hydrophobe oder superhydrophobe Eigenschaften aufweist. Hydrophobe
Materialeigenschaften können erzeugt werden, indem mittels der direkten
Laserinterferenzstrukturierung eine Struktur mit Abmessungen im Mikro- und/oder
Submikrometerbereich erzeugt wird. In einer bevorzugten Ausführung wird zunächst eine
Struktur mit Abmessungen im Mikrometerbereich an der Oberfläche erzeugt. Danach wird durch Verschieben des Strahlteilerelements im Strahlengang des Lasers eine Struktur mit
Abmessungen im Submikrometerbereich auf der Oberfläche der ersten Struktur generiert, wobei vorzugsweise eine Mehrfachbestrahlung des Substrats erfolgt. Die so erzeugte hierarchische Struktur hat hydrophobe oder superhydrophobe Eigenschaften.
Zum Erzeugen eines Substrates mit hydrophoben Eigenschaften ist es ebenfalls denkbar, dass lediglich eine Punktstruktur mit Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich erzeugt wird, ohne dass das Strahlteilerelement in einem Zwischenschritt bewegt wird. Die genannten Abmessungen beziehen sich dabei auf die Interferenzperioden oder die Größe der zwischenliegenden unstrukturierten Abschnitte.
Vorteilhaft können somit mittels desselben Verfahrens und auf Basis derselben Vorrichtung in technisch leicht realisierbarer Art und Weise optoelektronische Bauelemente mit hydrophoben und/oder superhydrophoben Eigenschaften erzeugt werden, indem eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich und/oder eine periodische
Punktstruktur mit hierarchischer Struktur im Mikro- und Submikrometerbereich erzeugt wird.
Durch das Verschieben des Strahlteilerelements ist eine zumindest zweifache, aber auch eine beliebige Anzahl an weiterer Strukturierung auf der Oberfläche des Substrates ohne weitere Veränderung des Aufbaus, bspw. ohne den Austausch von optischen Elementen oder Verschieben des Substrats, realisierbar. Dadurch ist sowohl die Präzision in der
Ausrichtung der Strukturen als auch die Geschwindigkeit des Prozesses gesteigert gegenüber herkömmlichen Verfahren oder Vorrichtungen. white ip | patent & legal PatGmbH
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Für die Erzeugung einer Oberfläche, welche im Wärmeübertragungsbereich auch Anti-Icing- eigenschaften aufweist, weisen die Oberflächenunebenheiten vorzugsweise eine mittlere
Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 0,05 um bis 200 um, bevorzugt im Bereich von 0,5 um bis 50 um, besonders bevorzugt von 1,0 um bis 20 um, ganz besonders bevorzugt von 2,0 um bis 10,0 um auf. Die Strukturtiefe der inversen Zapfen eines Interferenzpixels wird im Allgemeinen durch die mittlere Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Zapfen mit einer bestimmten
Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert.
Geeignete Interferenzperioden liegen vorzugsweise im Bereich von von 0,05 um bis 200 um, bevorzugt im Bereich von 0,5 um bis 50 um, besonders bevorzugt von 1,0 um bis 20 um, ganz besonders bevorzugt von 2,0 um bis 10,0 um.
Darüber hinaus zeichnen sich diese Strukturtiefen dadurch aus, dass die Mantelfläche der
Zapfen oder inversen Zapfen wie bei der Ausnutzung des Falleneffekts als Spiegelfläche, vorzugsweise quasi-homogene Spiegelfläche, dient, die den Anteil reflektierter einfallender elektromagnetischer Strahlung innerhalb der Zapfen und/oder inversen Zapfen, insbesondere inversen Zapfen, bis zum Sattelpunkt reflektiert, wobei an jedem weiteren
Reflexionspunkt innerhalb der Mantelfläche ein Anteil (verbleibender) elektromagnetischer in das Substrat, dessen äußere Oberfläche und/oder innere Oberfläche aus einem derartigen strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, einkoppelt . Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Mantelfläche der Zapfen oder inversen
Zapfen glatt ausgebildet. So kann vorteilhaft zusätzlich eine Reduktion der Reflexion erreicht werden.
VERFAHREN
Von der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenstrukturierten Substrats, wie hierin definiert, bei das oberflächenstrukturierte
Substrat wenigstens eine erste äußere Oberfläche mit einem Wärmeübertragungsbereich aufweist, wobei der Wärmeübertragungsbereich die erste äußere Oberfläche durch einen strukturierten Bereich und einen unstrukturierten Bereich gebildet ist, mitumfasst. Das
Verfahren zum Erzeugung eines strukturierten Substrates (wie hierin definiert), insbesondere eines Substrats mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit umfasst vorzugsweise die folgenden
Schritte: white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung a) Bereitstellen eines zu strukturierenden Substrates, wobei das zu strukturierende LU103057
Substrat eine Grenzflache aufweist, wobei die Grenzflâche als direkte Kontaktfläche zwischen der zu strukturierenden Oberfläche des zu strukturierenden Substrats und einem daran angrenzenden Medium, bspw. ein Gas oder eine Hilfsschicht, ausgebildet ist, wobei das zu strukturierende Substrat oder das daran angrenzende
Medium ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/(m-K), vorzugsweise zumindest 50 W/(m-K), bevorzugt zumindest 100 W/(m-K), besonders bevorzugt zumindest 200 W/(m-K), gemessen bei 20 °C, aufweist oder daraus besteht, b) Applizieren eines strukturierten Bereichs auf die zu strukturierende Oberfläche, insbesondere auf einer ersten äußeren Oberfläche, des zu strukturierenden
Substrates, insbesondere mittels Laserablation (wie hierin definiert), wodurch ein
Wärmeübertragungsbereich auf der zu strukturierenden Oberfläche erzeugt wird, wobei der strukturierte Bereich zumindest ein erstes Interferenzpixel mit einer ersten
Interferenzperiode (p41) aufweist, wobei das erste Interferenzpixel aus einer ersten periodischen Struktur aus wenigstens drei Oberflächenunebenheiten gebildet wird, wobei die
Oberflächenunebenheiten insbesondere als eine einzelne Linienstruktur, eine einzelne Punktstruktur, mehrere überlagerte Linienstrukturen, mehrere überlagerte
Punktstrukturen oder auch überlagerte Punkt- und Linienstrukturen ausgebildet sein können, wobei der Abstand zweier benachbarter Oberflächenunebenheiten eine erste
Interferenzperiode (p41) beträgt, wobei die erste Interferenzperiode (p1) im Bereich von 50 nm bis 200 um, vorzugsweise von 1 um bis 45 um liegt, wobei der Wärmeübertragungsbereich ein Verhältnis der realen Oberfläche zur projizierten Oberfläche von wenigstens 120%, aufweist, und wobei der Wärmeübertragungskoeffizient des Warmeubertragungsbereiches vorzugsweise um wenigstens 10 % gegenüber dem
Wärmeübertragungskoeffizienten des unstrukturierten Bereichs gleichen Materials erhöht ist, vorzugsweise bestimmt bei 20°C.
Besonders vorteilhaft kann hierdurch auf dem Substrat eine Oberflachenstrukturierung erzeugt werden, die eine gegenüber dem unstrukturierten Bereich eines Substrats verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist. white ip | patent & legal PatGmbH
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Dabei liegt die erste Interferenzperiode (p1) im Bereich von 50 nm bis 200 um, vorzugsweise von 1 um bis 45 um liegt, bevorzugt von 5 bis 40 um, besonders bevorzugt von 10 bis 35 um, ganz besonders bevorzugt von 15 bis 30 um.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der strukturierte Bereich direkt auf einer zu strukturierenden Oberfläche des zu strukturierenden Substrates, insbesondere in Form als periodische Strukturen, insbesondere als periodische Punktstruktur und/oder periodische
Linienstruktur, bspw. durch benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneter Pixel einer
Art eines Interferenzpixels, ausgebildet. In diesem Fall weist die zu strukturierende
Oberfläche des zu strukturierenden Substrats ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/(m-K), vorzugsweise zumindest 50 W/(m-K), bevorzugt zumindest 100
W/(m-K), besonders bevorzugt zumindest 200 W/(m-K), gemessen bei 20 °C, auf oder besteht aus diesem. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das zu strukturierende Substrat aus dem vorgenannten Material gebildet. Das an das zu strukturierende Substrat angrenzende Medium ist vorzugsweise ein Gas, bspw. Luft,
Stickstoff, Edelgas oder ein Gemisch daraus.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird der strukturierte Bereich auf einer Oberfläche des Substrates zumindest durch überlagertes Applizieren mehrerer erster Interferenzpixel mit einer ersten Interferenzperiode (p+) auf der ersten äußeren Oberfläche des Substrates gebildet, wodurch ein Interferenzpixel-zu-Interferenzpixel Überlapp (hierin auch nur kurz als "Pixel-zu-Pixel Überlapp“ oder ,Uberlapp der Interferenzpixel“ oder bei Applikation mittels
Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere mittels Laserinterferenzstrukturierung als „Puls-zu-Puls Überlapp“ bezeichnet). Dies bedeutet, dass ein erstes Interferenzpixel zu zumindest einem weiteren ersten Interferenzpixel mit der ersten Interferenzperiode (p1) und/oder einem zweiten Interferenzpixel mit einer zweiten Interferenzperiode (pz) und/oder einem weiteren Interferenzpixel mit einer weiteren Interferenzperiode (pn) derart versetzt zueinander angeordnet werden kann, dass bspw. wenigstens 50% der versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixel einen Uberlapp von wenigstens 95%, bevorzugt von wenigstens 97%, besonders bevorzugt von wenigstens 99%, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 99,5%, noch mehr bevorzugt von wenigstens 99,8% mit einem benachbarten
Interferenzpixel, vorzugsweise mit mehreren benachbarten Interferenzpixeln aufweisen.
Vorteilhaft wird durch das sehr enge Anordnen von benachbart zueinander angeordneter periodischer Strukturen, insbesondere periodischer Punktstrukturen und/oder
Linienstrukturen, bspw. durch benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneter Pixel einer Art eines Interferenzpixels, die Oberfläche im strukturierten Bereich des Substrates white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung noch stärker im Verhältnis zur projizierten Oberfläche vergrößert, insbesondere auf LU103057 wenigstens 200%, besonders bevorzugt auf wenigstens 250% vergrößert, wodurch vorteilhaft die Wärmeübertragungseigenschaften verbessert, insbesondere der
Wärmeübergangskoeffizient erhöht wird. Somit kann eine bessere Wärmeabfuhr von einem
Substrat oder Element, bspw. einem Bauelement, erzielt werden.
Bevorzugt erfolgt das Strukturieren der Oberfläche eines Substrates, d.h. das Applizieren der strukturierten Bereiche umfassend ein erstes, zweites, drittes und/oder weiteres
Interferenzpixel durch ein mechanisches Verfahren, mittels chemischer (Nach-)Behandlung und/oder durch ein Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere mittels
Laserinterferenzstrukturierung.
Zur Herstellung von Substraten, deren äußere Oberfläche zumindest teilweise aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, kann als mechanisches
Verfahren beispielsweise Lithographie, insbesondere Photolithographie oder Imprint-
Lithographie, wie Nano-Imprint-Lithographie, verwendet werden. Bei der Lithographie wird in der Regel auf der zu strukturierenden Oberfläche des Substrates eine Opferschicht angeordnet. Die Opferschicht dient einer Maskierung der zu strukturierenden Oberfläche und kann nach der Lithographie, insbesondere vollständig, entfernt werden. Beispielsweise kann die Opferschicht auf der zu strukturierenden Oberfläche aufgebracht und nachfolgend strukturiert werden. Die laterale Struktur der Opferschicht kann dann, insbesondere mittels eines Ätzverfahren, auf die Oberfläche des Substrates übertragen werden.
Bei der Photolithographie ist die Opferschicht meist eine photosensitive Lackschicht, dessen chemische Eigenschaften mittels Bestrahlung durch eine entsprechend strukturierte Maske, etwa eine Metallmaske, hindurch, lokal modifiziert werden, was ein Ausbilden der strukturierten Bereiche in der Opferschicht ermöglicht. Mit diesem Verfahren kann eine
Strukturierung von Flächen mit Strukturgrößen von wenigen Mikrometern in lateraler
Richtung erzielt werden. Sowohl regelmäßige als auch unregelmäßige Strukturen können so hergestellt werden.
Die Imprint-Lithographie, bspw. der Nanoprägelithografie (engl. Nano-Imprint-Lithography) ist ein Mikroformverfahren bzw. ein Kontaktstrukturierungsverfahren bei dem die Strukturierung der Oberfläche eines Substrates, bspw. der Opferschicht mittels eines Formwerkzeugs erfolgt, das geeignet strukturiert ist. Dieses Formwerkzeug, etwa ein entsprechend strukturierter Stempel, wird in die Oberfläche des zu strukturierenden Substrats eingedrückt.
Das zu strukturierende Substrat kann hierbei beispielsweise ein thermoplastisches Polymer white ip | patent & legal PatGmbH
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(Thermoplastic Nano Imprint Lithography, T-NIL) oder ein photosensitives Material (Photo | LU103057
Nano Imprint Lithography, P-NIL) enthalten. Das zu strukturierende Substrat kann allerdings auch ein zumindest teilweise erweichtes Metall und/oder eine Legierung umfassen oder daraus bestehen. Als Metalle eignen sich hierfür insbesondere Metalle mit einem geringen
Schmelzpunkt bzw. Erweichungspunkt, wie bspw. Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Zinn (Sn), Blei (Pb), Zink (Zn), Aluminium (Al) oder Mischungen bzw. Legierungen, wie bspw.
Kupferlegierungen mit Zinn, Zink, Nickel du/oder Blei, daraus. Mittels Nano-Imprint-
Lithographie können Oberflächen auf besonders einfache Weise strukturiert werden.
Insbesondere können besonders kleine laterale Strukturgrößen, also Strukturen unterhalb von 1 um bis in den Bereich unterhalb von 10 nm hergestellt werden. Die Nano-Imprint-
Lithographie ist deshalb für die Herstellung von Strukturgrößen, die in der Größenordnung der Wellenlänge von Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich liegen, etwa für die Herstellung von Strukturen für ein photonisches Gitter, besonders geeignet. Ein derartiges Verfahren eignet sich insbesondere, wenn die strukturierten
Bereiche der Oberfläche des Substrates eine periodische Punktstruktur (wie hierin definiert) aufweisen sollen, die aus Zapfen und/oder inversen Zapfen gebildet sind. Zur Herstellung des Formwerkzeuges bietet es sich dabei an, das Negativ der gewünschten periodischen
Punktstruktur auf der zu strukturierenden Oberfläche des Substrats, insbesondere ein
Negativ mit einer entsprechend komplementären periodischen Struktur, die entsprechend aus inversen Zapfen und/oder Zapfen gebildet ist, zur indirekten Aufbringung oder
Erzeugung von Strukturen auf einem anderen Substrat zu applizieren, bspw. durch
Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten
Laserinterferenzstrukturierung, und dieses Negativ auf die zu strukturierende Oberfläche des
Substrates zu übertragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Strukturieren der Oberfläche des
Substrates mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten
Laserinterferenzstrukturierung erfolgen. Dabei geschieht die Erzeugung einer periodischen
Intensitätsverteilung auf der Oberfläche des Substrates oder in dessen Volumen durch
Interferenz von gepulsten Laserstrahlen durch Aufspalten des ursprünglichen Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen und durch anschließendes Übereinanderführen dieser Teilstrahlen in einem beliebigen festen Punkt (Fokussierpunkt) auf der Oberfläche des Substrates oder im
Volumen des Substrates.
Ein strukturierter Bereich auf einer äußeren Oberfläche eines zu strukturierenden Substrats kann dabei folgendermaßen erzeugt werden: white ip | patent & legal PatGmbH
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Es wird ein zu strukturierendes Substrat, bevorzugt auf zumindest einer Seite flächig LU103057 ausgebildeten Substrat, bereitgestellt, welches sich auf einer Haltevorrichtung befindet. Von einer Laserstrahlungsquelle wird ein Laserstrahl emittiert. Dieser Laserstrahl wird durch ein
Strahlteilerelement, das auch als optisches Strahlteilerelement bezeichnet werden kann, in zumindest drei, besonders bevorzugt zumindest vier Teilstrahlen geteilt. Die so erzeugten
Teilstrahlen treffen auf ein Fokussierelement auf, welches die zumindest drei, besonders bevorzugt vier Teilstrahlen auf der Oberfläche des Substrats, bevorzugt auf zumindest einer
Seite flächig ausgebildeten Substrat, fokussiert (bündelt), sodass die Teilstrahlen auf der
Oberfläche des Substrats konstruktiv und destruktiv interferieren. Somit wird eine periodische Punktstruktur im Mikro- und/oder Submikrometerbereich auf der Oberfläche des
Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, durch
Laserinterferenzbearbeitung erzeugt. Dabei werden die zumindest drei Teilstrahlen so überlagert, dass ein 2D-Muster entsteht.
Die periodische Punktstruktur wird nach einer Variante des Verfahrens innerhalb eines
Interferenzpixels mittels eines einzelnen Laserpulses, hierin als Einfachbestrahlung bezeichnet, auf der äußeren Oberfläche des zu strukturierenden Substrats erzeugt. Eine
Einfachbestrahlung bedeutet dabei, dass der Interferenzpixel innerhalb eines
Bearbeitungsschrittes vorzugsweise nur einmal mittels eines einzelnen Laserpulses belichtet wird. Es wird also eine Punktstruktur mit einer Interferenzperiode innerhalb eines
Interferenzpixels durch die Belichtung mit nur einem Laserpuls erzeugt. Dabei überlappen nebeneinander angeordnete Interferenzpixel vorzugsweise nicht, sodass ein entstandener inverser Zapfen nicht erneut beleuchtet wird. Die maximale Laserpulsenergie ist dabei von der PixelgrôBe sowie vom Material abhängig. Vorzugsweise liegt die minimale Pulsenergie im Bereich von 50 uJ bis 20 mJ, besonders bevorzugt im Bereich von 300 uJ bis 800 pJ.
Vorteilhaft ist somit eine hohe Prozessgeschwindigkeit erreichbar. Zusätzlich kann das
Verwenden einer Einfachbestrahlung das Auftreten von quasi-periodischen
Wellenstrukturen, sog. LIPSS, durch unkontrollierte Selbstorganisationsprozesse, welche die optischen Eigenschaften der Substratoberfläche dahingehend verändern, verhindern.
Folglich kann durch eine Einfachbestrahlung ein Auftreten der LIPSS-Strukturen verhindert werden. Dadurch kann eine deutlich präzisere Prozesskontrolle erreicht und zuverlässig eine die gewünschte Eigenschaft des Wärmeübertragungsbereichs erzeugt werden.
Dass die periodische Punktstruktur innerhalb eines Interferenzpixels durch Applizieren eines einzelnen Laserpulses mittels Einfachbestrahlung erzeugt wird, hat darüber hinaus den
Vorteil, dass sehr geringe Strukturtiefen erzeugt werden kônnen, was insbesondere bei dünnen Substraten von Vorteil ist. white ip | patent & legal PatGmbH
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Vorzugsweise werden durch Einfachbestrahlung geringe Strukturtiefen, die entsprechend des Materials bzw. der Materialzusammensetzung des Substrats eingestellt werden können.
Beispielsweise lassen sich hierdurch Strukturtiefen im Bereich von 0,05 um bis 2 um, bevorzugt von 0,1 um bis 1 um erreichen. Beispielsweise können hierdurch auch
Strukturierungen von Substraten erzielt werden, die sich zudem durch
Antireflexionseigenschaften auszeichnen, wobei die Strukturtiefen im Bereich von 5 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 150 nm, ganz besonders bevorzugt nm bis 100 nm liegen. Durch das Verwenden eines einzelnen Laserpulses wird 10 gewährleistet, dass die Strukturtiefen der periodischen Punktstruktur eine geringe
Ausprägung haben. Vorteilhaft wird so erreicht, dass die optischen Eigenschaften des
Substrats gegenüber dem unstrukturierten Substrat nicht verschlechtert sind.
Ungeachtet dessen kann auch bei der Strukturierung mittels Einfachbestrahlung vorgesehen sein, dass ein Puls-zu-Puls Überlapp eingestellt wird. Dies bedeutet, dass ein erstes
Interferenzpixel zu einem zweiten und/oder weiteren Interferenzpixel derart versetzt zueinander angeordnet werden kann, dass bspw. wenigstens 50% der versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixel einen Überlapp von wenigstens 95%, bevorzugt von wenigstens 97%, besonders bevorzugt von wenigstens 99%, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 99,5% mit einem benachbarten Interferenzpixel, vorzugsweise mit mehreren benachbarten Interferenzpixeln aufweisen. Die Strukturierung mittels Puls-zu-Puls Überlapp hat den Vorteil, dass zumindest einzelne erzeugte Strukturelemente innerhalb eines ersten, zweiten und/oder weiteren Interferenzpixels mehrfach bestrahlt werden. Hierdurch kann durch Selbstorganisationsprozesse eine der periodischen Punktstruktur überlagerte quasi- periodische Linienstruktur als Wellenstruktur, insbesondere sog. LIPSS, ausgebildet werden. Vorteilhaft sind so hierarchische Strukturen auf der Oberfläche des Substrats schnell und somit effektiv erzeugbar, wodurch die Oberflächenrauheit der Wandung einer periodischen Punktstruktur insbesondere im Nano- und/oder Submikrometerbereich, insbesondere im Nanometerbereich, erhöht werden kann, was eine Vergrößerung der
Oberfläche zur Folge hat.
Insbesondere ist das Erreichen der gewünschten Interferenzperioden der durch die
Selbstorganisationsprozesse erzeugten LIPSS von den Materialeigenschaften des zu strukturierenden Substrats und den Eigenschaften des zur Strukturierung verwendeten
Laserstrahls abhängig, insbesondere von der Wellenlänge des Laserstrahls. Eine gewünschte Interferenzperiode ist also über eine geeignete Auswahl der
Laserstrahlungsquelle einstellbar. white ip | patent & legal PatGmbH
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird derselbe Interferenzpixel mittels mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse durch eine Mehrfachbestrahlung bearbeitet.
Mehrfachbestrahlung bedeutet dabei, dass derselbe zu strukturierende Bereich des
Substrats durch mehrere aufeinanderfolgende Laserpulse bearbeitet wird, wobei das durch die Überlagerung von Teilstrahlen erzeugte 2D-Muster eines ersten Pulses gegenüber einem zweiten und/oder weiteren Pulses deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich (d.h., mit einer topologischen Verschiebung von weniger als 1,0%, vorzugsweise von weniger als 0,5%) ist. Es wird also eine Punktstruktur mit einer Interferenzperiode innerhalb eines Interferenzpixels mehrmals belichtet, wobei ein entstandener inverser Zapfen erneut einmal oder mehrmals belichtet wird. Die Pulslange ist dabei durch den Nutzer einstellbar.
Insbesondere wird bei diesem Verfahren derselbe Interferenzpixel mittels
Mehrfachbestrahlung bearbeitet. Somit bildet sich in Folge der aufeinanderfolgenden
Mehrfachbestrahlung, insbesondere zumindest drei, besonders bevorzugt zumindest vier aufeinanderfolgende Pulse mit identischen Verfahrensparametern eines Interferenzpixels durch Selbstorganisationsprozesse eine der periodischen Punktstruktur überlagerte quasi- periodische Linienstruktur als Wellenstruktur aus. Unter Verfahrensparametern sind im
Sinne der Erfindung bspw. die Einstellung des Abstands des Strahlteilerelements zum
Fokussierelement, die Laserpulsdauer, die Laserpulsenergie, die Laserwellenlänge und/oder die Position des Interferenzbereichs auf dem Substrat zu verstehen.
Selbstorganisationsprozesse bezeichnen insbesondere sog. LIPSS, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. LIPSS treten in Folge eines teilweisen Erwärmens der
Substratoberfläche und dem anschließenden Erstarren derselben in Form von regelmäßigen, quasi-periodischen (wie hierin definierten) Wellenstrukturen auf. Vorteilhaft sind so hierarchische Strukturen auf der Oberfläche des Substrats schnell und somit effektiv erzeugbar, wodurch die Oberflächenrauheit der Wandung einer periodischen Punktstruktur erhôht werden kann, was eine VergrôBerung der Oberfläche zur Folge hat. Eine
Neueinstellung der Laserinterferenzvorrichtung und/oder eine Neuausrichtung des Substrats ist dafür nicht notwendig. Zusätzlich sind die Strukturparameter der periodischen
Punktstruktur, insbesondere die Strukturtiefe somit ebenfalls einstellbar. Vorzugsweise wird eine geringe Strukturtiefe hierbei dadurch erreicht, dass die Prozessparameter, inspesondere die Laserpulsenergie, derart angepasst werden, dass der Energieeintrag durch die Mehrfachbestrahlung pro Interferenzpixel môglichst gering bleibt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird durch Mehrfachbestrahlung mit zueinander abweichenden Verfahrensparametern eine weitere periodische Punktstruktur white ip | patent & legal PatGmbH
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Struktur, der zweiten periodischen Struktur und/oder einer weiteren periodischen Struktur verschiedenen Interferenzperioden auf das Substrat aufgebracht. Dabei betreffen die abweichenden Verfahrensparameter insbesondere den Abstand des Strahlteilerelements zum Fokussierelement, wodurch die Interferenzperiode der weiteren periodischen
Punktstruktur oder Linienstruktur im Vergleich zur ersten periodischen Punktstruktur verändert wird. Aber auch eine zusätzliche Veränderung der Laserpulsdauer und/oder - energie ist möglich. Somit kann vorteilhaft eine flexible zweite Struktur mit Abmessungen im
Mikro- und/oder Submikrometerbereich auf das Substrat aufgebracht werden, die von der ersten periodischen Punktstruktur unabhängig ist. Dadurch ist eine einfache Ausrichtung der
Interferenzpixel auf dem Substrat gewährleistet. Zusätzlich ist so der Anteil der strukturierten
Fläche auf der Substratoberflache erhöht, sodass bestimmte Eigenschaften, wie beispielsweise der Falleneffekt zur Reduzierung der Reflexion eine größere Rolle spielt.
Die Laserpulsdauer liegt vorzugsweise im Bereich von 50 fs bis 100 ns, bevorzugt im
Bereich von 500 fs bis 50 ns, besonders bevorzugt im Bereich von 800 fs - 20 ns, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1 ps bis 10 ns liegt. Dadurch kann die Energie vorteilhaft so begrenzt werden, dass definierte Strukturen erzeugbar sind. Durch diese kurzen Laserpulsdauer kann ein unerwünschtes und/oder unkontrolliertes Aufschmelzen des
Substrates (bspw. in Form einer strukturellen oder chemischen Umwandlung), insbesondere in Folge lokaler Überhitzung bspw. durch einen zu hohen Energieeintrag, unterbunden oder zumindest minimiert werden. Dies ist insbesondere bei den hierin eingesetzten „empfindlichen“ Materialien die die Substrate aufweisen oder aus denen die die Substrate bestehen vorteilhaft.
Die Laserstrahlungsquelle ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Wellenlängen im Bereich von 100 nm bis 15 um (bspw. CO2-Laser im Bereich von 10,6 um), ganz besonders bevorzugt im
Bereich von 266 nm bis 1.064 nm zu emittieren. Als Laserstrahlungsquelle eignen sich beispielsweise UV-Laserstrahlquellen (155 nm bis 355 nm), Laserstrahlquellen, die grünes
Licht (532 nm) emittieren, Diodenlaser (typischerweise 800 nm bis 1000 nm) oder
Laserstrahlquellen, die im nahen infrarot (typischerweise 1064 nm) Strahlung emittieren, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 200 nm bis 650 nm Wellenlänge. Für die
Mikroverarbeitung geeignete Laser sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise HeNe-Laser, HeAg-Laser (ca. 224 nm), NeCu-Laser (ca. 249 nm), Nd:YAG
Laser (ca. 355 nm), YAG-Laser (ca. 532 nm), InGaN-Laser (ca. 532 nm). white ip | patent & legal PatGmbH
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Die Laserpulsenergie beträgt vorzugsweise 50 uJ bis 20 mJ, bevorzugt 300 pJ bis 800 uJ, | LU103057 besonders bevorzugt 500 bis 800 uJ. Durch diese geringe Laserpulsenergie pro Laserpuls kann ein unerwünschtes und/oder unkontrolliertes Aufschmelzen des Substrates (bspw. in
Form einer strukturellen oder chemischen Umwandlung), insbesondere in Folge lokaler
Überhitzung bspw. durch einen zu hohen Energieeintrag, unterbunden oder zumindest minimiert werden. Dies ist insbesondere bei den hierin eingesetzten „empfindlichen“
Materialien die die Substrate aufweisen oder aus denen die die Substrate bestehen vorteilhaft.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden Pulse im ps-Bereich verwendet. Dadurch kann der Energieeintrag verringert und so auch die
Warmediffusionslange reduziert werden. Da eine reduzierte Pulsdauer zu einer geringeren
Warmediffusionslénge führt können so vorteilhaft auch kleinere Strukturen definiert erzeugt werden. Das ermöglicht so auch ein Erzeugen von definierten Strukturen auch bei
Materialien mit hohen Wärmeleitfähigkeiten, wobei die Wärmediffusionslänge mit größerer
Wärmeleitfähigkeit zunimmt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Interferenzperioden der periodischen Struktur des ersten Interferenzpixels (p1) und die Interferenzperioden des zweiten Interferenzpixels (pz) und/oder jedes weiteren Interferenzpixels (pn) identisch.
Verfahren unter Verwendung einer Hilfsschicht
Nach einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens erfolgt das Applizieren zumindest eines strukturierten Bereichs auf einer zu strukturierenden Oberfläche, insbesondere auf einer ersten äußeren Oberfläche, des zu strukturierenden Substrats indirekt, insbesondere in Form als periodische Strukturen, insbesondere als periodische Punktstruktur und/oder periodische
Linienstruktur, bspw. durch benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneter Pixel einer
Art eines Interferenzpixels, wobei eine Hilfsschicht durch eine transparente Grundschicht hindurch strukturiert wird, wobei die transparente Grundschicht als das zu strukturierende
Substrat ausgebildet ist und wobei die Hilfsschicht als an das zu strukturierende Substrat angrenzende Medium ausgebildet ist. In diesem Fall weist das an das zu strukturierende
Substrat angrenzende Medium zumindest im Bereich der zu strukturierenden Oberfläche des zu strukturierenden Substrats ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20
W/(m-K), vorzugsweise zumindest 50 W/(m-K), mehr bevorzugt zumindest 75 W/(m-K), bevorzugt zumindest 100 W/(m-K), weiter zumindest 150 W/(m-K), besonders bevorzugt zumindest 200 W/(m-K), gemessen bei 20 °C, auf oder besteht aus diesem. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das angrenzende Medium aus dem vorgenannten white ip | patent & legal PatGmbH
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Material gebildet. Dabei werden die Laserstrahlen, insbesondere die Laserteilstrahlen, durch LU103057 die transparente Grundschicht geleitet und auf die Grenzfläche zwischen Grundschicht und
Hilfsschicht, welche vorzugsweise aus einem Material, wie hierin definiert, insbesondere einem Metall ausgebildet ist, insbesondere auf die Oberfläche der Hilfsschicht, fokussiert.
Das Material der Hilfsschicht ist dabei so ausgewählt, dass es im Gegensatz zur
Grundschicht das Licht des Lasers besonders gut absorbiert. Dadurch kommt es zu einer lokalen Überhitzung in dem Material der Hilfsschicht, vorzugsweise in dem Metall, sowie zu einem partiellen Aufschmelzen der Hilfsschicht, insbesondere an der Oberfläche der
Hilfsschicht, an der Grenzfläche zur Grundschicht. Es kann dadurch eine Struktur auf der
Grundschicht erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher vor dem
Schritt des Applizierens zumindest eines strukturierten Bereichs an einer Grenzfläche, insbesondere auf der Oberfläche des zu strukturierenden Substrates, auch das Bereitstellen einer Hilfsschicht.
Vorzugsweise ist die zu strukturierende Oberfläche des zu strukturierenden Substrates und die daran angrenzende Oberfläche der Hilfsschicht komplementär (d.h., deckungsgleich) zueinander, vorzugsweise jeweils planar, insbesondere planparallel zueinander, ausgebildet, was es erlaubt, die zu strukturierende Oberfläche des zu strukturierenden Substrates in
Deckung mit der angrenzenden Oberfläche der Hilfsschicht zu bringen.
Durch das Applizieren zumindest eines strukturierten Bereichs an einer Grenzfläche der transparente Grundschicht zu der Hilfsschicht wird durch einen Materialübertrag von der
Hilfsschicht auf die zu strukturierende transparente Grundschicht ein strukturierter Bereich durch Oberflächenunebenheiten aus dem Material der Hilfsschicht ausgebildet. In einer
Ausführungsform verbleibt die Hilfsschicht im Anschluss an Schritt (b) auf der transparenten
Grundschicht, wobei die transparenten Grundschicht bspw. als Deckschicht auf der
Hilfsschicht, die bspw. in einem Bauelement eine andere Funktion übernimmt, ausgebildet ist. Im Anschluss an Schritt (b) kann die Hilfsschicht von der Grundschicht entfernt werden, wodurch eine Deckschicht an der Grundschicht verbleibt. Vorteilhaft kann so eine gute
Wärmeableitung auch auf transparenten Materialien erreicht werden.
Vorzugsweise weist die Grundschicht ein transparentes Material (wie hierin in Bezug auf die
Teiltransparenz oder Transluzenz definiert), vorzugweise Glas (z.B. Borosilikatgläser,
Quarzgläser, Alkali-Erdalkali-Silikatgläser (bspw. Kalknatronglas), Alumosilikatgläser, metallische Gläser), aber auch feste Polymere (z.B. Polycarbonate, wie Makrolon® und
Apec®; Polycarbonatblends, wie Polycarbonatpolyester (Makroblend®) und Bayblen®;
Polymethylmethacrylat, wie Plexiglas®; Polyester; 10 Polyethylenterephthalat, Polypropylen, white ip | patent & legal PatGmbH
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Polyethylen) sowie transparente Keramiken (bspw. Spinell-Keramiken, wie Mg-Al-Spinell, LU103057
Aluminiumoxynitrid (ALON), Aluminiumoxid, Yttriumaluminiumgranat, Yttriumoxid oder
Zirkonoxid) oder Mischungen daraus, aufweist oder aus einem transparenten Material, vorzugweise Glas, gebildet ist. Ein geeignetes Material für die transparente Grundschicht ist dabei Glas, welches eine geeignete Transparenz bzw. Transluzenz (jeweils wie hierin definiert), insbesondere im Bereich des sichtbaren Lichtes aufweist.
Das Material der Grundschicht weist erfindungsgemäß einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 20 W/(m-K) auf.
Kennzeichnend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass die Strukturierung also immer an einer Schicht aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 20 W/(m-K), vorzugsweise zumindest 50 W/(m-K), mehr bevorzugt zumindest 75 W/(m-K), bevorzugt zumindest 100 W/(m-K), besonders bevorzugt zumindest 200 W/(m-K), gemessen bei20 °C, eingebracht wird. Entweder wird die Strukturierung direkt auf die Oberfläche eines zu strukturierenden Substrats aus einem solchen Material eingebracht oder aber es wird indirekt eine Hilfsschicht aus einem solchen Material derart bereitgestellt und bearbeitet, dass die Strukturierung auf der Oberfläche des zu strukturierenden Substrats aus dem
Material der Hilfsschicht erzeugt wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung behält das transparente Substrat, insbesondere die transparente Grundschicht, und deren Oberfläche, insbesondere dessen
Wärmeübergangsbereich auf der ersten äußeren Oberfläche, aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, nach dessen Strukturierung (d.h. nach
Applikation einer ersten, zweiten und/oder weiteren Linien- und/oder Punktstruktur, wie hierin definiert) weiterhin wenigstens teilweise seine Transparenz, sodass es weiterhin transparent oder zumindest teiltransparent ist.
Anti-Glare
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines laseroberflächenstrukturierten Substrats, welches Anti-Glare-Eigenschaften aufweist, vorzugsweise mittels Laserinterferenzstrukturierung, aufweisend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Substrates, b) Applizieren von zumindest einem ersten Interferenzpixel mit einer ersten
Interferenzperiode (p1) auf einer ersten äußeren Oberfläche des Substrates, white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung wobei jedes der ersten Interferenzpixel eine periodische Struktur von zumindest drei LU103057
Oberflächenunebenheiten, vorzugsweise Zapfen oder inverse Zapfen oder rillenförmige
Vertiefungen oder rillenférmige Erhöhungen, mit einer ersten Interferenzperiode (p+) aufweist, wobei der strukturierte Bereich durch überlagertes Applizieren der ersten Interferenzpixel auf der ersten äußeren Oberfläche des Substrates gebildet wird.
Eine geeignete Möglichkeit zum Generieren von Anti-Glare-Eigenschaften ist dabei das
Erzeugen von hierarchischen Strukturen, bei denen die Interferenzperiode und/oder mittlere
Strukturtiefe sich um wenigstens einen Faktor 10 unterscheidet. Besonders bevorzugt werden hierarchische Strukturen so erzeugt, dass mittels Mehrfachbestrahlung
Selbstorganisationsprozesse effektiv quasi-periodische Strukturen, insbesondere quasiperiodische Linienstrukturen, erzeugen. Dadurch kann vorteilhaft die
Oberflächenrauheit erhöht und die Dichte der Vertiefungen einfach erhöht werden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine hohe Prozessgeschwindigkeit.
Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine periodische Struktur zunächst mittels eines Laserinterferenzverfahrens auf einer Negativform erzeugt und mittels der Negativform auf der Deckschicht aufgebracht wird.
Alternativ nutzt das Verfahren zur Erzeugung der Strukturen nur eine Einfachbestrahlung oder wenigstens eine maximal 2-fache oder maximal drei-fache Bestrahlung, bei der LIPSS-
Strukturen vermieden werden können. So können sehr zuverlässig reproduzierbare
Strukturen erzeugt werden.
Nach einer vorteilhaften Variante zur Erzeugung einer nicht-periodischen Global-Struktur unterscheidet sich beim Erzeugen von benachbarten Interferenzpixeln zu einem hohen Anteil von wenigstens 70 %, vorzugsweise wenigstens 90 %, bevorzugt wenigstens 98 %, wenigstens einer der Strukturparameter.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixel einer Art, bspw. das erste Interferenzpixel, das zweite Interferenzpixel und/oder das dritte Interferenzpixel mittels einem
Laserinterferenzverfahren erzeugt und sukzessive zum vorhergehenden Interferenzpixel dieser einen Art dadurch modifiziert, dass eine Phasenverschiebung in wenigstens einem der wenigstens zwei für das Laserinterferenzverfahren verwendeten Teilstrahlen zu einer
Änderung der Position der Vertiefungen innerhalb eines Interferenzpixels führt. white ip | patent & legal PatGmbH
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Dafür wird vorzugsweise die Polarisation eines für Interferenzstrukturierung verwendeten LU103057
Teilstrahls variiert. Dadurch kann die Phasenverschiebung zu einer Anderung der
Strukturparameter, insbesondere der Position der Vertiefungen, führen.
Die Erfinder haben überdies herausgefunden, dass eine Modifikation der Strukturparameter ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Interferenzperiode des Interferenzpixels, die
Strukturtiefe der inversen Zapfen, den Durchmesser der inversen Zapfen, die Form der inversen Zapfen und die Größe der inversen Zapfen zu einer hierin bevorzugten Asymmetrie (Nicht-Periodizität) innerhalb der globalen Punktstruktur und somit zu einer erwünschten
Asymmetrie der aufgerauten Struktur beiträgt. So kann vorgesehen sein, dass die vorgenannten Strukturparameter einzelner, benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneter Pixel einer Art eines Interferenzpixels, bspw. die Pixel des ersten
Interferenzpixels alternierend oder sukzessive, bspw. graduell modifiziert werden. So bietet es sich beispielsweise an, die Strukturtiefe eines jeden nachfolgenden Pixels zum benachbarten, vorhergehenden Pixel graduell zu erhöhen und ab einem anderen Pixel graduell wieder zu verringern. Hierzu eignet sich im Verfahren, dass ein jedes nachfolgendes
Pixel mit einer variierenden, bspw. graduell ansteigenden Pulsenergie (im Bereich wie hierin definiert) und/oder einer graduell ansteigenden Pulsdauer bzw. Pulsweite (wie hierin definiert) auf der Oberfläche des Substrates oder im Volumen des Substrates appliziert wird.
Auch kann vorgesehen sein, dass ein einzelner Strukturparameter beim Applizieren eines
Pixels einer Art eines Interferenzpixels innerhalb eines Bereichs stochastisch variiert wird.
Beispielsweise kann in dem Verfahren das Verdrehen eines nachfolgenden Pixels zum benachbarten, vorhergehenden Pixel nicht sukzessiv (also gleichfôrmig erfolgt), sondern innerhalb des hierin definierten Winkelbereichs alternierend erfolgen, bspw. zunächst in eine
Richtung und dann in eine andere oder dieselbe Richtung jeweils mit der gleichen oder einer anderen Winkelverschiebung.
Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass einer oder mehrere
Strukturparameter zufällig oder nach einem stochastischen Verfahren auf die unterschiedlichen Interferenzpixel verteilt sind, sodass die meisten benachbarten
Interferenzpixel keine identischen Strukturparameter aufweisen.
LA SERINTERFERENZSTRUKTURIERUNGSVORRICHTUNG
Als Beispiel für eine Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zur Erzeugung eines strukturierten Substrates, insbesondere eines Substrats mit einem
Wärmeübertragungsbereich betrifft die vorliegende Erfindung auch eine white ip | patent & legal PatGmbH
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Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung eines LU103057
Substrats, beispielhaft sind hierin flächige und/oder transparente Substrate zu nennen, umfassend - eine Laserstrahlungsquelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls, - ein Strahlteilerelement (2), das im Strahlengang (3) des Laserstrahls, insbesondere im Strahlengang (3) des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls, angeordnet ist, - ein Fokussierelement (4), das derart eingerichtet ist, dass dieses die Teilstrahlen derart durchlaufen, dass die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Volumen eines
Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats (5) in einem
Interferenzbereich interferierbar sind, wobei der Strahlteiler (2) entlang seiner optischen Achse im Strahlengang (3) frei beweglich ist, und wobei der Strahlteiler (2) dazu eingerichtet ist, den einfallenden Laserstrahl, der von der Laserstrahlungsquelle (1) ausgesandt wird, in zumindest 3, vorzugsweise zumindest 4
Teilstrahlen, insbesondere 4 bis 8, also 4, 5, 6, 7, oder 8 Teilstrahlen, aufzuteilen.
Besonders bevorzugt ist der Strahlteiler (2) derart eingerichtet, dass dieser den einfallenden
Laserstrahl in ein geradzahliges Vielfaches, d.h. 4, 6 oder 8 Teilstrahlen, ganz besonders bevorzugt 4 Teilstrahlen aufteilt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann ein Strahlteilerelement (2) derart vorgesehen sein, dass dieser einen ersten Strahlteiler und zumindest einen, dem ersten Strahlteiler nachgeordneten weiteren Strahlteiler umfasst, wobei der erste Strahlteiler den einfallenden
Laserstrahl in zumindest 2 Teilstrahlen aufteilt und der weitere Strahlteiler in zumindest einem Strahlengang eines Teilstrahls angeordnet ist und diesen Teilstrahl beim Durchlaufen in zumindest 2 Teilstrahlen aufteilt.
Zur Laserinterferenzstrukturierung des Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, wird hierbei der von der Laserstrahlungsquelle emittierte
Laserstrahl durch das Strahlteilerelement (2) in zumindest 3, bevorzugt zumindest 4
Teilstrahlen aufgeteilt. Aus dem Stand der Technik sind lediglich Zweistrahlinterferenzen (d.h. Strukturierung mittels Interferenz von zwei Teilstrahlen) bekannt. Derartige
Zweistrahlinterferenzen erzeugen jedoch nur Linienstrukturen auf dem Substrat. white ip | patent & legal PatGmbH
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Im Anschluss werden die Teilstrahlen durch das Fokussierelement (4) so umgelenkt, dass LU103057 sie auf der Oberfläche oder im Inneren eines Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, in einem Interferenzbereich interferieren. _ Dadurch kann eine zweidimensionale, periodische Punktstruktur mit Abmessungen im Mikro- und Submikrometerbereich erzeugt werden, deren Strukturperiode durch die Verschiebung des Strahlteilerelements (2) entlang seiner optischen Achse frei einstellbar ist. Eine flächige
Bearbeitung eines Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, ist möglich.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Strahlteilerelement um ein einzelnes optisches Element, insbesondere ein diffraktives oder refraktives optisches
Element, welches derart aufgebaut ist, dass die Unterteilung des einfallenden Laserstrahls auf den optischen Eigenschaften des Strahlteilerelements basiert. Somit ist vorteilhaft gewährleistet, dass gegenüber einem mehrteiligen Strahlteilerelement, welches aus mehreren optischen Elementen (bspw. Spiegel, Prismen, etc.) besteht, ein einfacher optischer Aufbau realisierbar ist. Die gewünschte Strahlaufteilung ist erreichbar, ohne dass ein Kalibrieren, bzw. Anpassen der Anordnung von mehreren optischen Elementen zueinander notwendig ist. Auch ist die Beweglichkeit des Strahlteilerelements im
Strahlenganz einfach zu realisieren, da nur das Bewegen eines einzelnen optischen
Elements durchzuführen ist. Zudem ergeben sich durch das Verwenden eines einteiligen
Strahlteilerelements weniger verschleißanfällige Komponenten, welche ggf. auszutauschen sind.
Als Vorteil der hierin definierten Vorrichtung kann genannt werden, dass durch diese
Vorrichtung und dem mit ihrer Hilfe realisierbaren Verfahren bei der Strukturierung von
Substraten, insbesondere bei der Erzeugung einer Struktur mit verbesserten
Wärmeübertragungseigenschaften, insbesondere mit einem erhöhten
Wärmeübergangskoeffizienten, auf die Verwendung von Chemikalien und deren aufwändige
Entsorgung verzichtet werden kann. Darüber hinaus kann somit auch auf die Aufreinigung der Substrate verzichtet werden.
Des Weiteren können eine breite Anzahl von Substraten, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substraten, insbesondere transparente Materialien mit der Vorrichtung bearbeitet werden. Da das Verfahren nicht vom Brechungsindex oder der Haftung bestimmter Beschichtungsmaterialien auf dem Substrat abhängig ist, ist dieses Verfahren also flexibler als herkömmliche chemische Verfahren. white ip | patent & legal PatGmbH
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Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, wie bspw. der WO 2019/166836 A1 ist die
Bearbeitungszeit nach diesem Verfahren deutlich geringer, da die Periodizität der Strukturen durch die Interferenz der einfallenden, zumindest 3, vorzugsweise zumindest 4 Teilstrahlen in einem Interferenzbereich gewährleistet wird, und nicht durch zeitintensivere
Selbstorganisationsprozesse zustande kommt. Zudem ist gegenüber herkömmlichen
Verfahren von Vorteil, dass die Form (strukturelle Ausgestaltung; Geometrie) der erzeugten
Mikro-/Nanostrukturen kontrolliert werden kann. Durch die Anzahl der interferierenden (Teil-)Strahlen, deren Polarisation, sowie durch die Einstellung der Prozessparameter, können die Strukturen in der Geometrie gesteuert werden und dadurch die
Wärmeübertragungseigenschaften, insbesondere den Wärmeübergangskoeffizienten, gezielt beeinflusst werden.
Ferner ist die Stabilität der so erzeugten Punktstruktur zu erwähnen, die im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungen beständiger ist, da sie sich nicht über die Zeit und die einsatzbedingte Materialbeanspruchung vom zu beschichtenden Substrat lösen kann.
Wird die Strukturierung im Volumen, d.h. im Inneren des Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, insbesondere in dem transparenten Material vorgenommen, so ist die entstandene Strukturierung (d.h. die Punktstruktur des strukturierten Substrates) unempfindlicher gegen Stöße und Abrieb als herkömmliche
Beschichtungen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Strukturierung (hierin auch als Texturierung bezeichnet) im Inneren des Materials (d.h. unterhalb der Oberfläche) nicht zwingend Antireflexionseigenschaften erzeugt. Die Texturierung im Inneren des Materials ist jedoch für andere Anwendungsgebiete interessant, wie Produktschutz, optische
Datenspeicherung, Dekoration, usw.
Von besonderem Vorteil ist, dass durch den hierin offenbarten Aufbau der Vorrichtung bzw. die Anordnung der optischen Komponente Substrate mit sehr hohen Strukturierungsraten von bis zu 4,0 m?/min, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 4,0 m?/min, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 3,5 m?/min, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 3,0 m?/min strukturiert werden können. Dies ist dadurch gewährleistet, dass der Bereich, in dem die zumindest drei Teilstrahlen überlagert werden, durch eine bevorzugte Auswahl optischer Elemente aufgeweitet werden kann, wodurch in einem Bearbeitungsschritt eine große Fläche bestrahlt werden kann. Im Gegensatz zu dem Fachmann bekannten Verfahren wie dem direkten Laserschreiben ist keine starke Fokussierung zum Erzeugen von hochauflösenden Merkmalen notwendig. white ip | patent & legal PatGmbH
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VERWENDUNG
Die Erfindung umfasst auch eine Verwendung eines oberflächenstrukturierten Substrates sowie eines erfindungsgemäß strukturierten Bauelementes in einer elektronischen Schaltung und auch allgemein im Bereich der Mikroelektronik, insbesondere auch in oder an einem
Halbleiterbauelement, zur Warmeableitung. Dadurch kann vorteilhaft die Betriebstemperatur auch bei großen Rechenleistungen reduziert und angepasst werden. Vorteilhaft können durch die Verwendung eines erfindungsgemäBen oberflachenstrukturierten Substrates die notwendigen Größen der Bauelemente reduziert werden.
Weiterhin können solche oberflächenstrukturierten Substrate auch im Bereich der Enteisung verwendet werden, wobei Wärme an bestimmte Oberflächen übertragen werden muss. Auch dieser Vorgang kann dabei schnell und effizient gestaltet werden, wobei insbesondere bei einer Kombination mit Anti-Icing-Eigenschaften der Oberfläche eine Reduktion der notwendigen Energie erreicht werden kann. Dadurch kann vorteilhaft die Enteisungseffizienz verbessert werden. Gerade die Kombination white ip | patent & legal PatGmbH
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE LU103057
Anhand folgender Figuren und Ausführungsbeispiele wird die vorliegende Erfindung näher erläutert, ohne die Erfindung auf diese zu beschränken.
Dabei zeigt
Fig. 1: ein Ausschnitt durch ein oberflächenstrukturierten Substrat mit einer periodischen
Punktstruktur
Fig. 2: ein Ausschnitt durch ein nstrukturiertes Bauelement mit einer periodischen
Punktstruktur
Fig. 3: ein oberflächenstrukturiertes Bauelement mit einer periodischen Struktur, welche als periodische Linienstruktur ausgebildet ist.
Fig. 4: Ein oberflächenstrukturiertes Substrat mit Linienstrukturen, die in zwei Richtungen verlaufen zum Erzeugen von zweidimensionalen Oberflächenunebenheiten
Fig. 5: Die Erzeugung von Zapfen mittels einer Hilfsschicht.
Fig. 6: eine rillenférmige Vertiefung.
Fig. 7A: eine schematische Darstellung eines inversen Zapfens.
Fig. 7B: eine schematische Darstellung einer zapfenähnlichen Vertiefung mit kreisférmiger
Grundflache.
Fig. 7C: eine schematische Darstellung einer zapfenahnlichen Vertiefung mit unregelmäfiger Grundfläche.
Fig. 8: einen kumulativen Aufbau der Punktstruktur aus einer Überlagerung mehrerer
Interferenzpixel,
Fig. 9: eine Punktstruktur, welche aus der Überlagerung von mehreren ersten und zweiten Interferenzpixeln gebildet ist,
Fig. 10: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 11: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Umlenkelement (6) zur Parallelisierung der Teilstrahlen enthält.
Fig. 12: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Umlenkelement (7) zur Aufweitung des Winkels der Teilstrahlen zur optischen Achse des Strahlengangs (3) enthält.
Fig. 13A: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die optische Elemente (6) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, die die
Teilstrahlen auf das Fokussierelement (4) umlenken, enthält. white ip | patent & legal PatGmbH
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Fig. 13B: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäfen Vorrichtung, LU103057 die als optisches Element zur Strahlformung einen Galvo-Spiegel (9) umfasst, was eine ortsfeste Positionierung des zu strukturierenden Substrats während des
Prozesses der Strukturierung erlaubt.
Fig. 14: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäBen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ein Polarisationselement (8), welches den Phasenverlauf der Teilstrahlen zueinander verschiebt, enthält, wobei
A) das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah an der
Laserstrahlungsquelle (1) positioniert ist.
B) das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah am Umlenkelement (7) positioniert ist.
Fig. 15: eine schematische Ansicht der sich auf der Oberfläche oder im Inneren des
Substrats ergebenden Interferenzpixel mit der Weite D, und die Verteilung der einzelnen Interferenzpixel auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, wobei die Interferenzpixel zueinander verschoben sind mit der Pixeldichte Pd.
Fig. 16: eine schematische perspektivische Ansicht des strukturierten Substrats (5) mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen Zapfen, mit
Abmessungen im Mikro- und Submikrometerbereich, und symbolisch die
Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen größer als die Interferenzperiode der erzeugten Strukturen, sowie die Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im Bereich oder kleiner der erzeugten Strukturen.
Fig. 17: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als optisches Element einen Galvospiegel (9) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, die die Teilstrahlen auf das Fokussierelement (4) umlenken, sowie ein Polygonrad (91) enthält.
Fig. 18: eine grafische Darstellung des Diffraktionswinkels von einfallendem Licht über der
Wellenlänge des einfallenden Lichts für strukturierte Substrate mit drei unterschiedlichen Strukturweiten.
Fig. 19: eine schematische perspektivische Ansicht des strukturierten Substrats (5) mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen Zapfen, mit
Abmessungen im Mikrometerbereich, der eine periodische Wellenstruktur im
Submikrometerbereich überlagert ist.
Fig. 20: eine schematische
A) Draufsicht und white ip | patent & legal PatGmbH
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B) eine Schnittansicht LU103057 einer quasi-periodischen Wellenstruktur im Submikrometerbereich.
Fig. 21 eine schematische Darstellung eines strukturierten Bauelementes zur
Visualisierung des Falleneffektes.
In Fig. 1 ist ein Abschnitt eines Substrates 5 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
Das Substrat 5 weist eine erste äußere Oberfläche 32 auf. Die erste äußere Oberfläche 32 ist in der Regel der Umwelt, also insbesondere der Luft, dem Wasser oder einem anderen
Fluid zugewandt. Bei Einbau in ein Bauelement, kann die erste äußere Oberfläche aber auch als eine Grenzfläche innerhalb des Bauelementes ausgebildet sein.
Die erste äußere Oberfläche 32 ist aus einem strukturierten Bereich 28 und einem unstrukturierten Bereich 29 gebildet. Der hier dargestellte strukturierte Bereich 28 ist aus einer periodischen Struktur aus Oberflächenunebenheiten 34 gebildet. Nach einer alternativen Ausgestaltung kann der strukturierte Bereich 28 auch aus einer Uberlagerung mehrerer periodischer Strukturen gebildet sein, sodass die Uberlagerte Struktur, auch als
Globalstruktur, bei Punktstrukturen auch als Global-Punktstruktur bezeichnet, nicht periodisch, insbesondere nicht vollperiodisch, sein muss. Die Oberflächenunebenheiten 34 sind hier als inverse Zapfen 14 ausgebildet, wobei die periodische Struktur eine periodische
Punktstruktur ist.
Ein Abschnitt eines oberflächenstrukturierten Bauelementes 30 aus einer an das Substrat angrenzenden weiteren Schicht 35 und einem darüber angeordneten Substrat 5 ist in Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung dargestellt.
Auch hier ist die erste äußere Oberfläche 32 des Substrates 5 aus einem strukturierten
Bereich 28 und einem unstrukturierten Bereich 29 gebildet. Dabei bildet in der hier dargestellten Variante die Gesamtheit der inversen Zapfen 14 den strukturierten Bereich 28.
Fig. 3 zeigt ein oberflächenstrukturiertes Bauelement 30 mit einer periodischen Struktur, welche als periodische Linienstruktur ausgebildet ist. Hier sind die auf der ersten äußeren
Oberfläche 32 des Substrates 5 angeordnete Oberflächenunebenheiten 34, aus denen der strukturierte Bereich 28 gebildet ist, als rillenférmige Vertiefungen 36 mit einer großen
Ausdehnung in einer ersten Dimension Dim1 ausgebildet. Die Ausdehnung der rillenfôrmigen
Vertiefungen 36 in einer zweiten Dimension Dim2 und in einer dritten Dimension Dim3 ist deutlich geringer.
Die Periodizitat der Struktur ergibt sich aus der Wiederholung der rillenférmigen
Vertiefungen 36 mit gleichmäfBigem Abstand, sodass die Interferenzperiode p, insbesondere white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung die erste Interferenzperiode p1, von einem bestimmten Punkt der rillenfôrmigen LU103057
Vertiefung 36, beispielsweise dem tiefsten Punkt, zu dem diesem Punkt entsprechenden
Punkt der daneben angeordneten rillenfôrmigen Vertiefung 36 reicht.
In Fig. 4 ist ein Substrat 5 dargestellt, bei dem erste und zweite rillenförmige (linienfôrmige)
Vertiefungen 36A, 36 B als Oberflächenunebenheiten 34 dargestellt sind, deren erste
Dimensionen Dim 1A und Dim1B in unterschiedlichen Richtungen verlaufen. Dadurch bilden die verbleibenden unstrukturierten Bereiche 29 zweidimensionale Änderungen der
Oberfläche. Der strukturierte Bereich wird hier durch die rillenförmigen Vertiefungen 36A, 36B gebildet. Die unterschiedlichen Richtungen Dim1A und Dim1B schließen dabei einen orthogonalen Winkel ein.
In Fig. 5 werden Zapfen 43 auf einem Substrat 5 dadurch erzeugt, dass eine Hilfsschicht 31 auf einer transparenten Grundschicht 37 aufgelegt wird. Ein Laserstrahl 3 wird dabei durch das für die Wellenlänge des Laserlichtes transparente Grundschicht 37 bis zur
Hilfsschicht 31 geleitet. Die Oberfläche der Grundschicht 37, die zur Hilfsschicht 31 weist wird dabei abgerastert, sodass Zapfen 43 entstehen. Daraufhin wird die Hilfsschicht 31 entfernt und es verbleiben lediglich die Zapfen 43 aus dem Material der Hilfsschicht 31.
In Fig. 6 ist eine als rillenförmige Vertiefung 36 ausgebildete Oberflächenunebenheit 34 schematisch dargestellt. Die tiefste Linie ist bei einer solchen symmetrischen Struktur die
Mittellinie 39.
Der Bereich des Schnittes der rillenförmigen Vertiefung 36 mit der entsprechenden
Oberfläche wird als Grundfläche 40 der Oberflächenunebenheit bezeichnet. Die
Grundfläche 40 bildet dann den Abschnitt des strukturierten Bereiches der Oberfläche, welcher dieser Oberflächenunebenheit zugeordnet werden kann. Die Seitenflächen 41 sind hier glatt ausgebildet. Eine rillenförmige Vertiefung kann aber auch mit einer quasi- periodischen Linienstruktur überlagert sein. Die Breite b der rillenförmigen Vertiefung 36 ist bei diesem Ausführungsbeispiel geringer ausgebildet als die Strukturtiefe x.
In Fig. 7A ist eine schematische Darstellung eines mittels eines Laserinterferenzverfahrens erzeugten inversen Zapfens 14, welcher die Strukturtiefe x aufweist, dargestellt. Die
Grundfläche 40 des inversen Zapfens 14 ist hier kreisförmig mit einem Durchmesser d ausgebildet. Die Seitenflächen 41 sind glatt ausgebildet. white ip | patent & legal PatGmbH
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Eine schematische Darstellung einer zapfenähnlichen Vertiefung 42, wie sie beispielsweise | LU103057 mittels eines Atzprozesses unter Verwendung einer, hier nicht dargestellten Maske mit kreisfôrmigen Öffnungen, generiert werden kann, ist in Fig. 7B gezeigt. Die dargestellte
Grundfläche 40 ist zwar kreisfôrmig, aber die Seitenflächen 41 sind unregelmäßig ausgebildet.
In Fig. 7C ist schematische Darstellung einer zapfenähnlichen Vertiefung 42 mit unregelmäßiger Grundfläche 40 und unregelmäßiger, völlig variabler Seitenfläche 41 dargestellt. Eine derartige Vertiefung wird beispielsweise beim Ätzen ohne Maske generiert.
Fig. 8 visualisiert den kumulativen Aufbau der Punktstruktur aus einer Überlagerung mehrerer Interferenzpixel (10, 11, 12, 13). Jedes Interferenzpixel (10, 11, 12, 13) besteht aus mehreren mittels Laserinterferenzstrukturierung in das Substrat eingebrachten inversen
Zapfen (14).
In Teilbild (A) ist das erste Interferenzpixel (10) gezeigt, welches mehrere inverse Zapfen (14, 14.1) aufweist. Teilbild (B) visualisiert eine Überlagerung aus dem ersten
Interferenzpixel (10) und dem zweiten Interferenzpixel (11), wobei diese Überlagerung aus inversen Zapfen (14.1) des ersten Interferenzpixels (10) und aus inversen Zapfen (14.2) des zweiten Interferenzpixels (11) besteht.
Dabei besteht ein Versatz (15) zwischen dem ersten Interferenzpixel (10) und dem zweiten
Interferenzpixel (11), wodurch die inversen Zapfen (14.2) des zweiten Interferenzpixels (11) um diesen Versatz (15) gegenüber den inversen Zapfen (14.1) des ersten Interferenzpixels (10) verschoben sind.
Teilfigur (C) visualisiert eine Überlagerung, bei der zusätzlich ein drittes Interferenzpixel (12) mit den ersten beiden Interferenzpixeln (10, 11) überlagert ist. Die überlagerte Struktur in
Teilbild (C) weist somit inverse Zapfen (14.1) des ersten Interferenzpixels (10), inverse
Zapfen (14.2) des zweiten Interferenzpixels (11) sowie inverse Zapfen (14.3) des dritten
Interferenzpixels (12) auf. Das dritte Interferenzpixel (12) ist in diesem Ausführungsbeispiel zum zweiten Interferenzpixel (11) in derselben Raumrichtung entlang der x-Achse verschoben, wie das zweite Interferenzpixel (11) zum ersten Interferenzpixel (10).
Teilbild (D) zeigt eine Überlagerung, bei der weiterhin ein viertes Interferenzpixel (13) überlagert ist, wobei dies gegenüber dem dritten Interferenzpixel (12) in einer anderen
Raumrichtung entlang der y-Achse verschoben ist. Somit weist der Ausschnitt in Teilbild (D) eine Punktstruktur aus einer Überlagerung aus vier Interferenzpixeln (10, 11, 12, 13) auf. white ip | patent & legal PatGmbH
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Die Graphen, welche unterhalb der Interferenzpixel (10, 11, 12, 13) angeordnet sind, dienen LU103057 der Visualisierung der periodischen Strukturen innerhalb eines Interferenzpixels (10, 11, 12, 13). Aufgrund der Entstehung der Interferenzpixel (10, 11, 12, 13) über den Prozess der
Laserinterferenzstrukturierung, also entsprechend des Interferenzbildes der Laser(teil- strahlen), weist jedes einzelne Interferenzpixel (10, 11, 12, 13), welches innerhalb eines
Beleuchtungs- oder Bestrahlungsprozesses innerhalb einer ausgewählten Pulsdauer entstanden ist, eine periodische Anordnung der inversen Zapfen (14) auf. Der Abstand der inversen Zapfen (14.1) des ersten Interferenzpixels (10), der aus dem Abstand der
Intensitätsmaxima des das erste Interferenzpixel (10) erzeugenden Interferenzbildes resultiert, stellt die Interferenzperiode (p1) dar. Die Intensität entspricht dabei der zur
Erzeugung der inversen Zapfen (14.1) notwendigen Intensität im Interferenzmuster der
Laser(teil-)strahlen. Somit entspricht der Abstand der Intensitätsmaxima des
Interferenzbildes der Interferenzperiode (p1). Das zweite Interferenzpixel (11) weist dabei eine zweite Interferenzperiode (p2) auf.
Fig. 9 zeigt eine Punktstruktur (16), welche aus der Überlagerung von mehreren ersten
Interferenzpixeln (10) mit einer ersten Interferenzperiode (p1) und mehreren zweiten
Interferenzpixeln (11) mit einer zweiten Interferenzperiode (p2) gebildet ist. Die ersten
Interferenzpixel (10) weisen dabei inverse Zapfen (14.1) auf, welche hier mit einer vertikalen
Musterflllung dargestellt sind. Die zweiten Interferenzpixel (11) weisen inverse Zapfen (14.2) auf, welche mit einer horizontalen Musterfüllung dargestellt sind. Die Interferenzperiode (p1) des ersten Interferenzpixels (10) ist kleiner als die zweite Interferenzperiode (p2) des zweiten
Interferenzpixels (11).
In einer optionalen Einstellung der Interferenzpixel (10, 11) derart, dass die Anzahl der inversen Zapfen (14.1, 14.2) innerhalb der Interferenzpixel (10, 11) identisch ist, variiert folglich die Fläche der Interferenzpixel (10, 11), was hier durch die Kreise visualisiert ist.
Eines der ersten Interferenzpixel (10) ist hier durch sämtliche inverse Zapfen (14.1) mit vertikaler Musterfüllung innerhalb des kleineren Kreises schematisch dargestellt. Eines der zweiten Interferenzpixel ist wiederum durch die inversen Zapfen (14.2), die mit einer horizontalen Musterstrukturierung dargestellt sind, innerhalb des größeren Kreises visualisiert.
Dabei sind die mehreren ersten Interferenzpixel (10) benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet und die mehreren ersten Interferenzpixel (10) bilden dadurch ein Muster mit der
Interferenzperiode (p1). Weiterhin sind die mehreren der zweiten Interferenzpixel (11) _ benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet und die mehreren der zweiten white ip | patent & legal PatGmbH
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Interferenzpixel (11) bilden somit ein Muster mit der sich von der ersten Interferenzperiode LU103057 (p1) unterscheidenden zweiten Interferenzperiode (p2).
Der unterhalb der Punktstruktur (16) angeordnete Graph visualisiert die Anordnung der inversen Zapfen (14.1, 14.2) entlang einer Linie durch die Punktstruktur (16). Die Maxima der
Intensität entsprechen dabei dem Mittelpunkt der inversen Zapfen (14.1, 14.2). Wie in Fig. 8 dient dieser Graph der Darstellung des Prinzips. Die Intensität entspricht dabei dem zur
Erzeugung der inversen Zapfen (14.1, 14.2) notwendigen Intensität im Interferenzmuster der
Laser(teil )strahlen.
Fig. 10 visualisiert in einem ersten Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Vorrichtung, umfassend eine Laserstrahlungsquelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls. Im
Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter der Laserstrahlungsquelle (1) angeordnet, befindet sich ein Strahlteilerelement (2), welches im Strahlengang (3) beweglich angeordnet ist. Im
Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter dem Strahlteilerelement (2) angeordnet, befindet sich ein Fokussierelement (4). Im Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter dem
Fokussierelement (4) angeordnet, befindet sich eine Haltevorrichtung, auf der ein Substrat (5), bevorzugt flächiges und/oder transparentes Substrat, gelagert ist.
In dieser Ausgestaltung emittiert die Laserstrahlungsquelle (1) einen gepulsten Laserstrahl.
Es handelt sich hier bei der Laserstrahlungsquelle um einen UV Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm Wellenlänge und einer Pulsdauer von 12 ps. Das Strahlungsprofil der
Laserstrahlungsquelle entspricht in dieser Ausführungsform einem Top-Hat-Profil.
In diesem Ausführungsbeispiel entspricht das Strahlteilerelement (2) einem diffraktiven
Strahlteilerelement. Ein diffraktives Strahlteilerelement ist hier ein Strahlteilerelement, welches Mikro- oder Nanostrukturen enthält. Das Strahlteilerelement (2) unterteilt den
Laserstrahl in 4 Teilstrahlen.
Das Fokussierelement (4) entspricht in diesem Ausführungsbeispiel einer refraktiven, sphärischen Linse, die die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Teilstrahlen so auf das Substrat (5), bevorzugt flächige und/oder transparente Substrat, lenkt, dass sie dort in einem Interferenzbereich interferieren. Der Interferenzwinkel entspricht in dieser
Ausgestaltung 27,2°, woraus eine Interferenzperiode von 550 nm für die periodische
Punktstruktur bei dem gleichen Polarisationszustand resultiert.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das flächige Substrat einmal bestrahlt, sodass sich eine Bearbeitungsdauer pro Struktureinheit, d. h. pro Interferenzpixel, von 12 ps ergibt. white ip | patent & legal PatGmbH
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Bei dem Substrat (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, handelt es sich LU103057 um ein Glas, ganz speziell ein Quarzglas, welches auf einer Haltevorrichtung gelagert ist, sodass es in der xy-Ebene, senkrecht zum Strahlengang des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls beweglich ist.
Fig. 11 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Vorrichtung wie in Fig. 10 beschrieben, zusätzlich umfassend ein Umlenkelement (6), welches sich im Strahlengang (3) des Lasers nach dem Strahlteilerelement (2) und dem Fokussierelement (4) befindet.
In dieser Ausgestaltung ist das Umlenkelement eine konventionelle, refraktive, konvexe
Linse, Die Teilstrahlen treffen derart auf das Umlenkelement (6) auf, dass sie nach
Durchlaufen des Umlenkelements im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dadurch lässt sich der Punkt, in dem die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des
Substrats interferieren, einstellen.
Fig. 12 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung basierend auf dem in Fig. 10 und Fig. 11 gezeigten Aufbau. Zusätzlich umfasst dieser Aufbau ein weiteres
Umlenkelement (7), welches im Strahlengang (3) des Lasers zwischen dem
Strahlteilerelement (2) und dem Umlenkelement (6) angeordnet ist.
In dieser Ausgestaltung ist das weitere Umlenkelement (7) eine konventionelle, refraktive, _ konkave Linse. Die Teilstrahlen treffen derart auf das weitere Umlenkelement auf, sodass ihr
Winkel zur optischen Achse des Strahlengangs aufgeweitet wird. Dadurch lässt sich der
Interferenzwinkel, mit dem die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des
Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, interferieren, verändern.
In dieser Ausgestaltung sind alle optischen Elemente abgesehen vom Strahlteilerelement (2) entlang der optischen Achse des Strahlengangs (3) fixiert. Der Interferenzwinkel der
Teilstrahlen auf dem Substrat wird über eine Verschiebung des Strahlteilerelements (2) entlang der optischen Achse des Strahlengangs eingestellt.
Fig. 13A zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung wie in Fig. 12, umfassend die optischen Elemente (6) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, die derart eingerichtet sind, dass sie die Teilstrahlen auf das Fokussierelement (4) umlenken.
In dieser Ausgestaltung werden die zumindest drei Teilstrahlen durch Verschiebung der optischen Elemente (6) in einem bevorzugten Winkel auf das Substrat gelenkt. Dadurch white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung kann auf ein Umlenkelement in Form einer Linse (Bezugszeichen (6) in Fig. 12) verzichtet LU103057 werden.
Fig. 13 B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäBen
Vorrichtung, die als optisches Element zur Strahlformung einen Galvo-Spiegel (9) umfasst, was eine ortsfeste Positionierung des zu strukturierenden Substrats 5 während des
Prozesses der Strukturierung erlaubt.
Fig. 14 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung wie in Fig. 10, zusätzlich umfassend je ein Polarisationselement (8) pro Teilstrahl, welche im Strahlengang (3) des Laserstrahls zwischen dem Umlenkelement (6) und dem Fokussierelement (4) angeordnet sind.
Das Polarisationselement ist derart angeordnet, dass es die Polarisierung der einzelnen
Teilstrahlen zueinander so verändert, dass sich eine Veränderung des Interferenzmusters ergibt.
Diese Ausgestaltung ist in zwei unterschiedlichen Konfigurationen dargestellt. In Fig. 14A ist das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah an der Laserstrahlungsquelle (1) positioniert. In Fig. 14 B ist das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah am
Umlenkelement (7) positioniert. Auf diese Weise lässt sich das Interferenzmuster der — interferierenden Teilstrahlen auf der Oberfläche des Substrats (5) stufenlos einstellen, ohne dass die anderen optischen Elemente im Aufbau oder das Substrat bewegt werden müssen.
Zusätzlich wäre es auch denkbar, dass die Anordnung ein zusätzliches optisches Element zur Strahlformung enthält, das im Strahlengang (3) des Laserstrahls der
Laserstrahlungsquelle (1) nachgeordnet ist. In dieser Ausgestaltung entspricht das
Strahlungsprofil der Laserstrahlungsquelle einem Gauf-Profil. Das optische Element zur
Strahlformung wandelt dieses Profil in ein Top-Hat-Profil um.
Fig. 15 enthält eine schematische Ansicht der sich auf der Oberfläche oder im Inneren des
Substrats ergebenden Interferenzpixel mit der Weite D, und die Verteilung der einzelnen
Interferenzpixel auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, wobei die Interferenzpixel zueinander verschoben sind mit der Pixeldichte Pd.
In dieser Ausgestaltung ist die Pixeldichte Pd kleiner als die Weite eines Interferenzpixels, D.
Dadurch kann durch Bewegen des Substrats (5) mittels eines gepulsten Laserstrahls eine white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung flächige homogene periodische Punktstruktur auf der Oberfläche oder im Inneren eines LU103057
Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, erzeugt werden.
Vorzugsweise werden die nacheinander aufgebrachten Interferenzpixel nebeneinander angeordnet. In dieser Ausgestaltung existiert ein Überlapp zwischen zwei nebeneinander angeordneten Interferenzpixeln. Aufgrund der Mehrfachbestrahlung werden so bevorzugt
Selbstorganisationsprozesse innerhalb des strukturierten Bereiches, also innerhalb der inversen Zapfen 14, angeregt. Dadurch kann effizient eine hierarchische Struktur erzeugt werden.
Fig. 16 visualisiert das durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte strukturierte
Substrat (5) mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen
Zapfen, mit Abmessungen im Mikro- und Submikrometerbereich. Es wird zudem symbolisch die Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen größer als die Interferenzperiode der erzeugten Strukturen, sowie die Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im Bereich oder kleiner der erzeugten
Strukturen verdeutlicht.
Fig. 17 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung wie in Fig. 13B, umfassend das optische Element (91) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, wobei es sich um ein Polygonrad handelt, welches derart eingerichtet ist, dass es um eine eingezeichnete Achse rotiert. Dabei werden die einfallenden Teilstrahlen derart abgelenkt, dass sie auf einen Galvospiegel (9) treffen, welcher die Strahlen über ein
Fokussierelement (4) auf das Substrat lenkt. Die Rotation des Polygonrads bewirkt dabei, dass der Punkt, in dem die Strahlen auf dem Substrat gebündelt werden während des
Belichtungsprozesses entlang einer Linie beweglich ist. Die Teilstrahlen scannen also das
Substrat, was zu einer erhöhten Prozessgeschwindigkeit führt.
Fig. 18 zeigt in einer grafischen Darstellung die Transmissions- bzw. Beugungsfähigkeit von einem strukturierten Substrat abhängig von der Strukturweite auf. Dabei wird der
Diffraktionswinkel von Licht in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge für Strukturen mit drei unterschiedlichen Strukturweiten gezeigt. Ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts größer als die Strukturweite, so wird das Licht vollständig transmittiert. Bei Wellenlängen im Bereich der Strukturweite oder kleiner kommt es zur Diffraktion. Die Diffraktionswinkel können aus der Grafik entnommen werden. white ip | patent & legal PatGmbH
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Fig. 19 visualisiert das durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte strukturierte LU103057
Substrat (5) mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen
Zapfen, mit Abmessungen im Mikrometerbereich. Dieser periodischen Punktstruktur im
Mikrometerbereich überlagert ist eine periodische Wellenstruktur im Submikrometerbereich, welche ebenfalls durch das hierin beschriebene erfindungsgemäße Verfahren in einem
Produktionsschritt erzeugbar ist.
Fig. 20A visualisiert eine quasi-periodische Wellenstruktur (19) in einer Draufsicht und
Fig. 20B in einer Schnittansicht, wie sie ein strukturiertes Substrat aufweist, welches durch ein hierin offenbartes Verfahren, insbesondere durch eine Mehrfachbestrahlung oder durch eine Einfachbestrahlung mit hoher Intensität, erzeugt werden kann. Dabei stellt die
Schnittansicht der Fig. 11B einen Querschnitt durch die in Fig. 11A dargestellte Struktur etwa entlang der Schnittlinie A-A dar. In den Materialien auftretende Selbstorganisationsprozesse führen dazu, dass wellenförmige Strukturen mit Wellenbergen (20) und Wellentälern (21) innerhalb eines derart bestrahlten Bereiches entstehen. Die entstehenden Strukturen weisen dabei grundsätzlich eine gewisse Periodizität auf, wobei allerdings auch Defekte (22), also
Unregelmäßigkeiten, auftreten. Somit weist eine derartige Struktur im Gegensatz zu einer echt periodischen Struktur sowohl Abweichungen in den Strukturabmessungen, insbesondere bei den Abständen der Wellenberge zu den Wellentälern, als auch Defekte auf, sodass die erzeugte Wellenstruktur nicht homogen ausfällt.
Eine schematische Schnittdarstellung eines strukturierten Bauelementes ist in Fig. 21 zur
Visualisierung der Reduktion der Reflektion aufgrund des Falleneffektes gezeigt. Dabei ist nach oben weisend ein Substrat 5 dargestellt. Unterhalb des Substrates ist eine weitere
Schicht gezeigt.
Es sind an dem Substrat inverse Zapfen 14 angeordnet, wobei die Schnittdarstellung gerade in einer Reihe inverser Zapfen 14 liegt. Auf die inversen Zapfen 14 auftreffendes Licht 44 trifft dabei zum Teil auch auf einen innerhalb eines inversen Zapfens 14 angeordneten
Grenzflächenpunkt 45. Dabei wird ein Teil des Lichtes 44 an diesem Grenzflächenpunkt 45 bereits durch die Grenzfläche in das innere des Substrates 5 transmittiert. Ein weiterer Anteil des Lichtes 44 wird jedoch reflektiert und trifft auf einen weiteren innerhalb eines inversen
Zapfens 14 angeordneten Grenzflächenpunkt 45. Auch dort wird ein Anteil des Lichtes 44 durch die Grenzfläche zwischen Luft und Substrat transmittiert und ein wiederum geringerer
Teil reflektiert. Auch dieser reflektierte Teil gelangt in dieser Darstellung auf einen weiteren
Grenzflächenpunkt 45, wo wiederum ein Teil des Lichtes 44 transmittiert wird. Dadurch kann white ip | patent & legal PatGmbH
Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung die Gesamtmenge des durch die Grenzflache transmittierten Lichtes 44.1 gegenüber einer LU103057
Oberfläche ohne inverse Zapfen 14 deutlich erhöht werden. white ip | patent & legal PatGmbH
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BEZUGSZEICHENLISTE LU103057 1 Laserstrahlungsquelle 2 Strahlteilerelement 3 Strahlengang, Laserstrahl 4 Fokussierelement 5 Substrat 6 weiteres Umlenkelement 7 Umlenkelement 8 Polarisationselement 9 Fokussierspiegel bzw. Galvo-Spiegel 91 Polygonrad 10 erstes Interferenzpixel 11 zweites Interferenzpixel 12 drittes Interferenzpixel 13 viertes Interferenzpixel 14 inverse Zapfen 14.1 inverse Zapfen des ersten Interferenzpixels 14.2 inverse Zapfen des zweiten Interferenzpixels 14.3 inverse Zapfen des dritten Interferenzpixels 14.4 inverse Zapfen des vierten Interferenzpixels 15 Versatz 16 Punktstruktur p1 erste Interferenzperiode p zweite Interferenzperiode 19 quasiperiodische Wellenstruktur 20 Wellenberg 21 Wellental 22 Defekt 23 Wasserkontaktwinkel 24 Wassertropfen 25 Gasphase 26 Tangente
A-A Schnittlinie 28 strukturierter Bereich 29 unstrukturierter Bereich 30 Oberflächenstrukturiertes Bauteil white ip | patent & legal PatGmbH
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31 Hilfsschicht LU103057 32 Erste äußere Oberfläche 33 Zweite äußere Oberfläche 34 Oberflächenunebenheit 35 An das Substrat angrenzende weitere Schicht 36 Rillenförmige Vertiefungen 36A Erste rillenförmige Vertiefungen 36B Zweite rillenförmige Vertiefungen 37 Grundschicht 39 Mittellinie 40 Grundflache 41 Seitenflâäche 42 Zapfenähnliche Vertiefung 43 Zapfen 44 Einfallendes Licht 44.1 Transmittiertes Licht 45 Grenzflachenpunkt
Dim1 erste Dimension
Dim2 zweite Dimension
Dim3 dritte Dimension
Dim1A erste Dimension einer ersten rillenférmigen Vertiefung
Dim1B erste Dimension einer zweiten rillenférmigen Vertiefung
D Weite des Interferenzpixels
Pd Pixeldichte?
D Durchmesser b Breite
X Strukturtiefe white ip | patent & legal PatGmbH
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Claims (30)
1. Oberflachenstrukturiertes Substrat (5), wobei das oberflächenstrukturierte Substrat (5) wenigstens eine erste äußere Oberfläche (32) mit einem Wärmeübertragungsbereich aufweist, wobei der Wärmeübertragungsbereich durch einen strukturierten Bereich (28) und einen unstrukturierten Bereich (29) gebildet ist, wobei der strukturierte Bereich (28) ein erstes Interferenzpixel (10) aufweist, wobei das erste Interferenzpixel (10) aus einer ersten periodischen Struktur aus wenigstens drei Oberflächenunebenheiten (34) gebildet wird, wobei der Abstand zweier benachbarter Oberflächenunebenheiten (34) eine erste Interferenzperiode (p1) beträgt, wobei die erste Interfererenzperiode (p1) im Bereich von 50 nm bis 200 um, vorzugsweise von 1 um bis 45 um liegt, wobei der Wärmeübertragungsbereich ein Verhältnis der realen Oberfläche zur projizierten Oberfläche von wenigstens 120%, aufweist, wobei das Material des oberflächenstrukturierten Substrats (5) eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest W/(m-K) aufweist. 20
2. Oberflachenstrukturiertes Substrat (5) nach Anspruch 1, wobei der Wärmeübertragungskoeffizient des WarmeuUbertragungsbereiches um wenigstens 10 % gegenüber dem VVärmeübertragungskoeffizienten des unstrukturierten Bereichs (29) erhöht ist.
3. Oberflachenstrukturiertes Substrat (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material des oberflächenstrukturierten Substrats (5) wenigstens ein Metall, vorzugsweise Kupfer und/oder Aluminium, eine Legierung und/oder einen Halbleiter, vorzugsweise Silizium, aufweist, vorzugsweise daraus besteht.
4. Oberflachenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material des oberflächenstrukturierten Substrats (5) einen Schmelzpunkt von weniger als 1.400°C aufweist.
5. Oberflachenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, white ip | patent & legal PatGmbH Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung wobei das erste Interferenzpixel (10) ein periodisches Gitter von zumindest drei LU103057 Zapfen (43) oder inversen Zapfen (14) aufweist.
6. Oberflächenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Interferenzpixel (10) eine erste periodische Linienstruktur aus wenigstens drei nebeneinander angeordneten, parallel zueinander verlaufenden, äquidistant angeordneten rillenförmigen Vertiefungen (36) oder rillenförmigen Erhöhungen ausgebildet ist.
7. Oberflächenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der strukturierte Bereich (28) aus der ersten periodischen Punktstruktur oder aus der ersten periodischen Linienstruktur gebildet ist, wobei die erste periodische Punktstruktur oder die erste periodische Linienstruktur aus einem oder mehreren versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixeln mit der ersten Interferenzperiode (p41) besteht.
8. Oberflächenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der strukturierte Bereich (28) weiterhin eine zweite periodische Struktur mit einer zweiten Interferenzperiode (p2) im Mikro- oder Submikrobereich aufweist, welche als periodische Punktstruktur oder als periodische Linienstruktur ausgebildet ist.
9. Oberflachenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das oberflächenstrukturierte Substrat (5), auf der der ersten äußeren Oberfläche (32) abgewandten Seite, eine zweite äußere Oberfläche (33) aufweist, wobei die zweite äußere Oberfläche (33) aus einem strukturierten Bereich (28) und einem unstrukturierten Bereich (29) gebildet ist, wobei der strukturierte Bereich (28) eine periodische Punkt- und/oder Linienstruktur aufweist.
10. Oberflächenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Strukturtiefe (x) der ersten periodischen Struktur auf der ersten äußeren Oberfläche im Bereich von 0,3 um bis 60 um, vorzugsweise im Bereich von 0,5 um bis 40 um liegt.
11. Oberflächenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Seitenflächen (41) der Oberflächenunebenheiten (34) der ersten periodischen Struktur eine glatte Oberfläche aufweisen.
12. Oberflächenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat (5) eine Grundschicht (37) und eine an die Grundschicht (37) angrenzend white ip | patent & legal PatGmbH Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung ausgebildete Hilfsschicht (31) aufweist, wobei die Grundschicht (37) aus einem LU103057 transparenten Material ausgebildet ist, wobei die Oberflächenunebenheiten (34) aus dem Material der Hilfsschicht (31) ausgebildet sind.
13. Verfahren zur Herstellung eines laseroberflächenstrukturierten Substrats (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, vorzugsweise mittels Laserinterferenzstrukturierung, aufweisend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines zu strukturierenden Substrates (5), wobei das zu strukturierende Substrat (5) eine Grenzflache aufweist, wobei die Grenzflache als direkte Kontaktfläche zwischen der zu strukturierenden Oberfläche des zu strukturierenden Substrats (5) und einem daran angrenzenden Medium ausgebildet ist, wobei das zu strukturierende Substrat (5) oder das daran angrenzende Medium ein Material mit einer Warmeleitfahigkeit von zumindest 20 W/(m-K) aufweist, b) Applizieren eines strukturierten Bereichs (28) auf die zu strukturierende Oberfläche des zu strukturierenden Substrates (5), wodurch ein VWVärmeübertragungsbereich auf der zu strukturierenden Oberfläche erzeugt wird, wobei der strukturierte Bereich (28) zumindest ein erstes Interferenzpixel (10) mit einer ersten Interferenzperiode (p1) aufweist, wobei das erste Interferenzpixel (10) aus einer ersten periodischen Struktur aus wenigstens drei Oberflächenunebenheiten (34) gebildet wird, wobei der Abstand zweier benachbarter Oberflächenunebenheiten (34) eine erste Interferenzperiode (p41) beträgt, wobei die erste Interferenzperiode (p1) im Bereich von 50 nm bis 200 um liegt, wobei der Wärmeübertragungsbereich ein Verhältnis der realen Oberfläche zur projizierten Oberfläche von wenigstens 120%, aufweist, und wobei der Wärmeübertragungskoeffizient des Wärmeübertragungsbereiches vorzugsweise um wenigstens 10 % gegenüber dem Wärmeübertragungskoeffizienten des unstrukturierten Bereichs (29) gleichen Materials erhôht ist, vorzugsweise bestimmt bei 20°C.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der strukturierte Bereich (28) durch Uberlagertes Applizieren der ersten Interferenzpixel (10) auf der ersten äußeren Oberfläche (32) des Substrates (5) gebildet wird. white ip | patent & legal PatGmbH Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das zu strukturierende Substrat (5) als eine LU103057 Grundschicht und das an das zu strukturierende Substrat (5) angrenzende Medium als eine Hilfsschicht (31) mit einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/(m-K) ausgebildet ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Hilfsschicht (31) im Anschluss an Schritt (b) von der Grundschicht entfernt wird, wodurch eine an die Grundschicht angrenzende Deckschicht verbleibt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Grundschicht ein transparentes Material, vorzugweise Glas, aufweist oder aus einem transparenten Material, vorzugweise Glas, gebildet ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei Material mit einer Warmeleitfahigkeit von zumindest 20 W/(m-K) wenigstens ein Metall, vorzugsweise Kupfer und/oder Aluminium, wenigstens eine Legierung oder wenigstens einen Halbleiter, vorzugsweise Silizium, aufweist oder daraus gebildet ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die erste Interferenzperiode (p+) im Bereich von 50 nm bis 200 um, vorzugsweise von 1 um bis 45 um, ausgebildet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei das Applizieren gemäß Schritt (b) mittels Laserinterferenzverfahren erfolgt, wobei vorzugsweise bei dem Laserinterferenzverfahren Teilstrahlen mittels eines Strahlteilerelementes (2) erzeugt werden und die Interferenzperiode (p) eines Interferenzpixels, vorzugsweise die erste Interferenzperiode (p41) des ersten Interferenzpixels (10), mittels eines Verschiebens des Strahlteilerelementes (2) stufenlos eingestellt wird, wobei vorzugsweise die weiteren optischen Elemente in ihrer räumlichen Anordnung fixiert sind.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die periodische Struktur zunächst mittels eines Laserinterferenzverfahrens auf einer Negativform erzeugt und mittels der Negativform auf die Oberfläche des zu strukturierenden Substrats (5) aufgebracht wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei die periodische Struktur innerhalb eines Interferenzpixels durch Applizieren eines einzelnen Laserpulses mittels Einfachbestrahlung erzeugt wird. white ip | patent & legal PatGmbH Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei mittels einer Mehrfachbestrahlung LU103057 eines Interferenzpixels mit identischen Verfahrensparametern eine hierarchische Struktur mit einer in den Vertiefungen angeordneten Punkt- und/oder Linienstruktur erzeugt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei eine der ersten periodischen Struktur Uberlagerte, periodische Linien- und/ oder Punktstruktur mit variierten Verfahrensparametern erzeugt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Laserpulsdauer im Bereich von 50 fs bis 100 ns, vorzugsweise im Bereich von 500 fs bis 50 ns, bevorzugt im Bereich von 800 fs - 20 ns, besonders bevorzugt im Bereich von 1 ps bis 10 ns liegt.
26. Strukturiertes Bauelement (30), aufweisend wenigstens ein oberflächenstrukturiertes Substrat (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und wenigstens eine weitere an das Substrat angrenzende Schicht (35).
27. Strukturiertes Bauelement (30) nach Anspruch 26, wobei die den Wärmeübertragungsbereich aufweisende erste äußere Oberfläche (32) eine Grenzflache zwischen dem oberflächenstrukturierten Substrat (5) und der angrenzenden Schicht (35) bildet.
28. Strukturiertes Bauelement (30) nach Anspruch 25 oder 27, wobei die den Wärmeübertragungsbereich aufweisende erste äußere Oberfläche (32) einen Abschluss gegenuber der Umwelt bildet.
29. Strukturiertes Bauelement (30) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei zwischen dem oberflächenstrukturierten Substrat (5) und der angrenzenden Schicht innerhalb des Wärmeübertragungsbereiches eine Warmestromdichte von wenigstens 200 W/m? erreichbar ist.
30. Verwendung eines oberflachenstrukturierten Substrates (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eines strukturierten Bauelements (30) nach einem der Ansprüche 26 bis 29 zur Wärmeableitung in einer elektronischen Schaltung. white ip | patent & legal PatGmbH Unser Zeichen: FUBI-0016-P-LU 5. Januar 2023 Luxemburgische Patentanmeldung
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| LU103057A LU103057B1 (de) | 2023-01-05 | 2023-01-05 | Oberflächenstrukturiertes substrat mit verbesserter wärmeübertragung |
| PCT/EP2024/050245 WO2024146963A1 (de) | 2023-01-05 | 2024-01-05 | Oberflächenstrukturiertes substrat mit verbesserter wärmeübertragung |
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|---|---|---|---|
| LU103057A LU103057B1 (de) | 2023-01-05 | 2023-01-05 | Oberflächenstrukturiertes substrat mit verbesserter wärmeübertragung |
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Citations (4)
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| US20100219506A1 (en) * | 2005-12-21 | 2010-09-02 | University Of Virginia Patent Foundation | Systems and Methods of Laser Texturing and Crystallization of Material Surfaces |
| EP2431120A1 (de) * | 2010-09-16 | 2012-03-21 | Valstybinis moksliniu tyrimu institutas Fiziniu ir technologijos mokslu centras | Verfahren zur Erzeugung periodischer Strukturen in dünnen Schichten unter Verwendung interferierender Laserstrahlen |
| WO2019166836A1 (en) | 2018-02-28 | 2019-09-06 | Foundation For Research And Technology Hellas | Using lasers to reduce reflection of transparent solids, coatings and devices employing transparent solids |
| WO2023280793A2 (de) * | 2021-07-03 | 2023-01-12 | Fusion Bionic Gmbh | Vorrichtung und verfahren zur laserinterferenzstrukturierung von substraten mit periodischen punktstrukturen für antireflexionseigenschaften |
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2023
- 2023-01-05 LU LU103057A patent/LU103057B1/de active IP Right Grant
-
2024
- 2024-01-05 WO PCT/EP2024/050245 patent/WO2024146963A1/de unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100219506A1 (en) * | 2005-12-21 | 2010-09-02 | University Of Virginia Patent Foundation | Systems and Methods of Laser Texturing and Crystallization of Material Surfaces |
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| WO2019166836A1 (en) | 2018-02-28 | 2019-09-06 | Foundation For Research And Technology Hellas | Using lasers to reduce reflection of transparent solids, coatings and devices employing transparent solids |
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Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| ALAMRI ET AL., INCREASING HEAT TRANSFER OF METALS THROUGH PERIODICAL MICROSTRUCTURES USING DIRECT LASER INTERFERENCE PATTERNING, 2019 |
| JONES ET AL., THE INFLUENCE OF SURFACE ROUGHNESS ON NUCLEATE POOL BOILING HEAT TRANSFER, 2009 |
| VENTOLA ET AL., ROUGH SURFACES WITH ENHANCED HEAT TRANSFER FOR ELECTRONICS COOLING BY DIRECT METAL LASER SINTERING, 2014 |
| VON VOROBYEV ET AL., BRIGHTER LIGHT SOURCES FROM BLACK METAL: SIGNIFICANT INCREASE IN EMISSION EFFICIENCY OF INCANDESCENT LIGHT SOURCES, 2009 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024146963A1 (de) | 2024-07-11 |
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