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WO 2005/100632 PCT/FR2005/000798
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Procédés de revêtement d'un substrat et de formation d'un film coloré et
dispositif associé
La présente invention concerne des procédés de revêtement d'un substrat et de
formation d'un film coloré et un dispositif associé.
L'invention s'applique plus particulièrement au revêtement d'un substrat en
plastique
ou en verre, par exemple pour l'industrie automobile, ophtaimologique ou du
verre.
On connaît déjà dans l'état de la technique un procédé de revêtement d'un
substrat
du type dans lequel :
- on place le substrat dans une enceinte sous vide,
- on introduit un gaz dans l'enceinte, et
- on décompose le gaz pour former au moins une première couche mince sur le
substrat.
Il est connu de créer le gaz dans l'enceinte en y chauffant un composant
solide, par
exemple du fil d'aluminium, jusqu'à ce que le composant s'évapore. La vapeur
qui se
dépose sur le substrat forme alors la couche mince désirée. Néanmoins, ce
procédé n'est
pas économiquement optimal, puisqu'il requiert un chauffage important (par
exemple,
dans le cas du fil d'aluminium, il est nécessaire de chauffer à 1100 C).
Il est également connu que le gaz introduit dans l'enceinte soit un composant
provenant d'un récipient dans lequel il est stocké sous pression en phase
liquide. Le
composant liquide est détendu pour être introduit en phase gazeuse dans
l'enceinte. Un
tel composant est délicat à manipuler du fait notamment de sa toxicité et des
problèmes
d'étanchéité qu'il pose.
Il est enfin connu d'introduire le gaz dans l'enceinte par évaporation d'un
composant
liquide à température ambiante et à pression atmosphérique. Il n'y a
pratiquement pas de
composant liquide perdu lors de ce procédé de revêtement et le maniement du
composant liquide est aisé. Toutefois, la couche mince obtenue par évaporation
du
composant liquide est généralement peu dure et fragile.
Après dépôt du revêtement, le substrat est habituellement sorti de l'enceinte
pour
être recouvert d'une couche protectrice par pulvérisation d'un vernis sous
pression
atmosphérique.
En général, ces deux étapes sont précédées d'une étape de revêtement du
substrat
par une couche de lissage de la surface du substrat et/ou une couche
d'accrochage des
couches suivantes. Les couches de cette étape optionnelle sont également
obtenues par
la pulvérisation d'un vernis sous pression atmosphérique.
Ainsi, certains bouchons en plastique pour flacons de parfum sont revêtus de
manière classique par trois couches : une couche de vernis d'accrochage, une
couche
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mince de métallisation déposée sous vide à partir, par exemple, du fil
d'aluminium, et une
couche de vernis de protection contre l'oxydation.
L'invention a notamment pour but de réduire le coût du procédé de revêtement
décrit précédemment et d'optimiser la mise en oeuvre du procédé.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de revêtement d'un substrat,
du type
dans lequel :
- on place le substrat dans une enceinte sous vide,
- on forme un gaz par évaporation d'un composant qui est liquide à pression
atmosphérique et à température ambiante,
- on introduit le gaz dans l'enceinte, et
- on décompose le gaz,
caractérisé en ce qu'on introduit dans l'enceinte un gaz de complément destiné
à réagir
avec le gaz décomposé, pour former au moins une couche mince, dite couche
mince A,
sur le substrat.
Le composant gazeux résultant de la réaction du gaz décomposé et du gaz de
complément forme sur Le substrat une couche mince ayant la propriété d'être
relativement
dure.
De façon optionnelle, un procédé de revêtement d'un substrat selon l'invention
comprend une étape de formation par dépôt sous vide dans l'enceinte d'une
autre couche
mince, dite couche mince B, sur le substrat, avant ou après la formation de la
couche
mince A.
La couche mince A est relativement dure et possède des propriétés
équivalentes, et
parfois meilleures, à celles des couches épaisses de vernis utilisées
auparavant. Ainsi, le
dépôt de la couche mince A selon l'invention permet la pose et/ou la
protection de la
couche mince B, dite "utile", en remplaçant la couche de vernis de lissage,
d'accrochage
ou de protection de l'état de la technique.
Un procédé de revêtement d'un substrat selon l'invention peut en outre
comporter
l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le composant est formé de groupements organiques et inorganiques, par
exemple
du silicone ;
- le gaz de complément est mono moléculaire à au moins 90%;
- le gaz de complément comporte majoritairement soit du dioxygène, soit de
l'argon,
soit du diazote, soit du dihydrogène, soit de l'acétylène ;
- on décompose le gaz à l'aide de moyens électriques de création de plasma ;
- on forme les couches minces A et B sans sortir le substrat de l'enceinte
entre
chaque formation de couche ;
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- la couche mince A est formée après la couche mince B de façon à recouvrir
cette
couche mince B, notamment pour la protéger mécaniquement et/ou
chimiquement ;
- la couche mince B est formée après la couche mince A de façon à ce que cette
couche mince A favorise le lissage du substrat et/ou l'accrochage de la couche
mince B ;
- la couche mince B est une couche de métallisation ;
- la couche de métallisation est formée par évaporation d'un composant solide
;
- la couche de métallisation est formée par évaporation d'un composant
organométallique qui est en phase liquide à température ambiante et à pression
atmosphérique.
L'invention a également pour objet un procédé de formation d'un film coloré
sur un
substrat, dans lequel on dépose sur le substrat au moins deux couches minces
d'indices
de réfraction différents, caractérisé en ce que l'une au moins des couches
minces est
obtenue par un procédé de revêtement selon l'invention.
L'invention a encore pour objet un dispositif pour la mise en uvre d'un
procédé de
revêtement d'un substrat tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il
comprend :
- une enceinte de logement du substrat,
- un réservoir, externe à l'enceinte, destiné à contenir un composant liquide,
- des premiers moyens d'admission d'un gaz dans l'enceinte, comprenant des
moyens de raccordement de l'enceinte à une partie du réservoir contenant une
phase vapeur du liquide formant le gaz,
- des moyens de décomposition du gaz,
- des seconds moyens d'admission d'un gaz de complément destiné à réagir avec
le gaz décomposé.
Un dispositif de revêtement selon l'invention peut en outre comporter l'une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes :
- les moyens d'admission comprennent des moyens de réglage du débit
d'admission du gaz ;
- les moyens de décomposition du gaz sont des moyens électriques de génération
d'un plasma dans l'enceinte à partir du gaz ; et
- le dispositif comprend des moyens de création du vide dans l'enceinte.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre,
donnée
uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique
représentant
schématiquement un dispositif de revêtement de substrats mettant en oeuvre un
procédé
selon l'invention.
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On a représenté sur la figure unique un dispositif 10 selon l'invention pour
le
revêtement sous vide de substrats 12.
Les substrats 12 sont habituellement des pièces en matière plastique ou en
verre,
par exemple, de manière non limitative :
- des bouchons pour flacon de parfum,
- des poignées de porte,
- des phares de véhicule automobile,
- des verres de lunette.
Le dispositif 10 comporte une enceinte étanche 14, dans laquelle les substrats
12
sont placés.
Des moyens classiques 16 permettent de créer et, le cas échéant de mesurer, le
vide dans l'enceinte 14. Ces moyens 16 permettent d'abaisser la pression dans
l'enceinte
à une valeur habituelle de 1 à 10"2 Pascal (vide secondaire). Les moyens de
création du
vide 16 comprennent dans cet exemple une pompe à diffusion connue en soi, ou
tout
autre pompe (turbomoléculaitre, cryogénique) assurant un vide secondaire.
Le dispositif 10 comprend en outre des premiers moyens 18 d'admission d'un gaz
dans l'enceinte 14.
Les premiers moyens d'admission 18 comportent une première vanne tout-ou-rien
raccordée en série à une première vanne à fuite réglable, par exemple du type
à
20 aiguille 22, cette dernière formant des moyens de réglage du débit de gaz
introduit dans
l'enceinte 14.
Les premiers moyens d'admission 18 comportent en outre un conduit 24 formant
moyens de raccordement à un réservoir 26 externe à l'enceinte 14. Plus
précisément, le
conduit 24 raccorde l'enceinte 14 à une partie du réservoir 26 contenant une
phase
vapeur du liquide formant le gaz.
Le réservoir 26 est destiné à contenir un composant liquide 28, qui peut être
chauffé
par l'intermédiaire de moyens de chauffage 30, par exemple des moyens
électriques
résistifs.
On entend par composant liquide 28 un composant sous forme liquide à pression
atmosphérique et à température ambiante, c'est à dire entre 15 C et 30 C.
On notera que le conduit 24 raccorde l'enceinte 14 à une partie du réservoir
26
destinée à contenir une phase vapeur du composant 28 formant le gaz.
Le dispositif 10 comprend également des seconds moyens 32 d'admission d'un gaz
de complément dans l'enceinte 14. Plus précisément, le gaz de complément est
un gaz
mono moléculaire à au moins 90%.
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Les seconds moyens d'admission 32 comportent une seconde vanne tout-ou-rien 34
raccordée en série à une seconde vanne à fuite réglable, par exemple du type à
aiguille
36, cette dernière formant des moyens de réglage du débit de gaz de complément
introduit dans l'enceinte 14, destiné à réagir avec le gaz décomposé.
En variante, le gaz mono moléculaire peut être remplacé par de l'air. Dans ce
cas, la
vanne tout-ou-rien 34 est elle même raccordée à l'air libre par
l'intermédiaire d'un filtre à
air 38.
Le dispositif 10 comprend encore des moyens de génération d'un plasma dans
l'enceinte à partir du gaz, les moyens de génération d'un plasma formant
moyens de
décomposition du gaz. Dans l'exemple décrit, ces moyens de génération de
plasma
comprennent une barre d'effluvage classique 40, logée dans l'enceinte 14,
destinée à être
portée à une haute tension continue comprise habituellement entre 1 et 10
kiloVoits. En
variante, la barre peut être portée à une tension alternative, par exemple de
400 Volts, de
haute à ultra haute fréquence.
Un exemple de procédé selon l'invention mis en uvre par le dispositif
illustré sur la
figure est décrit ci-dessous. On notera que cet exemple ne limite pas la
portée de
l'invention.
Pour revêtir un substrat 12 destiné à former un bouchon pour flacon de parfum,
on
forme sur ce substrat 12 une première couche mince (Si02), une deuxième couche
mince
de métallisation (AI) recouvrant la première et enfin une troisième couche
mince (Si02)
recouvrant la deuxième.
La première couche mince favorise le lissage du substrat et l'accrochage de la
deuxième couche mince. La troisième couche mince protège mécaniquement et/ou
chimiquement la deuxième couche de métallisation.
Ces trois couches minces sont formées au cours de trois séquences qui seront
décrites ci-dessous, ceci sans sortir le substrat 12 de l'enceinte 14 entre
chaque formation
de couche.
La première séquence de dépôt de la première couche mince de Si02 est la
suivante. On place le substrat dans l'enceinte 14 et on vide l'enceinte 14 de
son
atmosphère par l'intermédiaire de la pompe à diffusion 16, la pression dans
l'enceinte
atteignant alors 10"2 Pascal. Les vannes 20 et 34 sont fermées.
Le réservoir 26, raccordé aux moyens d'admission 18, est rempli du composant
28
formé de préférence de groupements organiques et inorganiques. Dans l'exemple
décrit,
le composant est du silicone, plus particulièrement du méthyl siloxane formé
de
grouperrients organiques méthyl et de groupements inorganiques à base de
silice, par
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exemple du silicone commercialisé par la société Dow Corning sous le nom
commercial
DC-200.
On chauffe ce dernier par l'intermédiaire des moyens de chauffage 30, afin de
former un gaz et on introduit le gaz dans l'enceinte 14 en ouvrant la vanne 20
et en
réglant le débit au moyen de la vanne à aiguille 22. Le raccordement du
réservoir 26 à
l'enceinte sous vide provoque en effet l'évaporation du methyl siloxane et son
admission
dans l'enceinte 26. Un brise jet 42 permet de répartir uniformément le gaz
dans l'enceinte.
Ensuite, on décompose le gaz pour former un plasma. Ce plasma est obtenu par
décomposition des molécules du gaz par excitation électrique, par exemple en
soumettant
ce gaz à une haute tension créée dans ce cas en portant la barre d'effluvage
40 à une
tension de 3 kiloVolts.
En ouvrant les vannes 34 et 36, on introduit dans l'enceinte 14 du dioxygène
formant le gaz de complément destiné à réagir avec le gaz décomposé, c'est-à-
dire avec
le plasma.
Le dioxygène réagit avec le plasma, plus particulièrement avec le composé non
stcechiométrique SiOy, pour former la première couche de composé
stoechiométrique
Si02 sur le substrat 12.
En variante, on peut introduire à la place du dioxygène de l'air ou un gaz de
complément comportant majoritairement l'un des composants de la liste suivante
non
exhaustive : argon, diazote, dihydrogène, acétylène, chaque composant donnant
lieu à la
formation d'une couche mince à base d'un groupement SiOX.
La deuxième séquence de dépôt de la deuxième couche mince de métallisation est
la suivante.
On forme la seconde couche mince de métallisation à partir du dépôt de la
forme
gazeuse d'un composant solide comprenant dans cet exemple du fil d'aluminium
44 qui
est logé dans l'enceinte 14. La forme gazeuse du composant 44 est obtenue en
chauffant
ce composant 44, par exemple par effet joule ou au moyen d'un canon à
électrons.
En variante, on peut utiliser pour la formation de cette couche de
métallisation une
séquence analogue à celle de la première séquence, en utilisant comme
composant
liquide un organométallique, et sans utiliser de gaz de complément.
La troisième séquence de dépôt de la troisième couche mince de Si02 est
analogue
à celle du dépôt de la première couche.
Si on désire colorer le substrat 12, avant le dépôt de la troisième couche
mince
décrite précédemment, on revêt le substrat 12 d'un film coloré comprenant au
moins deux
couches minces d'iridices de réfraction différents, l'une au moins des couches
minces
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étant obtenue suivant d'une séquence analogue à la première séquence du
procédé, au
composant liquide près.
Ainsi, le film coloré comprend généralement une quinzaine de couches minces
toutes formées suivant une séquence analogue à la première séquence du
procédé, en
alternant des couches formées à partir de méthyl siloxane et à partir
d'isopropoxide de
titane. Le choix de l'épaisseur des couches permet de donner au substrat la
couleur
désirée, par absorption de certaines fréquences d'ondes lumineuses incidentes
par le film
multicouches.
La dernière couche de cet empilement, obtenue de préférence à partir de méthyl
siloxane, forme la troisième couche protectrice.
De préférence, on nettoie l'enceinte entre chaque dépôt de couche mince en
recréant un vide secondaire dans l'enceinte. En variante, on peut nettoyer
l'enceinte par
effet de chasse en pompant les gaz contenus dans l'enceinte tout en
introduisant un gaz
neutre dans cette enceinte.
On notera que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit.
En particulier, d'autres composants liquides et gazeux peuvent être utilisés.
