Diseño y construcción de un equipo para deposición de películas

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA DEPOSICIÓN DE PELICULAS
DELGADAS POR LA TÉCNICA DE DIP-COATING
(Películas delgadas, catalizadores, sensores ópticos)
Yessy B. Guillen Baca*, Alberto Montoya Portugal, Ernesto Palo Tejada, Ronald Pastor Rodríguez
Universidad Nacional de San Agustín Arequipa-Perú
*[email protected]
RESÚMEN
Durante los últimos años, la preparación de materiales en forma de películas delgadas ha sido objeto de un
gran número de investigaciones debido a su enorme interés tecnológico. Los enormes avances de la última
década hacen cada vez más complicado satisfacer las demandas que exige el diseño de nuevos
dispositivos. Existen procesos que finalmente determinarán la estructura, morfología y los que, a su vez,
condicionan las propiedades de las capas. Asimismo, otros aspectos tales como la interacción de la
película con el sustrato, las modificaciones sufridas por la capa debido a su exposición a la atmósfera, su
estabilidad térmica, el nivel de impurezas que incorporan o el coste del proceso de fabricación, son
aspectos que determinarán las posibles aplicaciones del material. En este proyecto se propone una forma
de obtener películas delgadas de tamaños apreciables a un bajo costo mediante la técnica de Dip Coating.
Mediante ésta técnica se pretende hacer deposiciones de películas delgadas para la fabricación de
catalizadores purificadores de aire y aguas, filtros para la fabricación de sensores, etc. El equipo de DiCoating construido tiene la característica de también cambiar su posición horizontal para ubicar el sustrato
en otro contenedor u horno para su secado o para deposición de multicapas con materiales diferentes.
1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:
Existen muchas aplicaciones, donde es necesario el uso de películas delgadas, para lo cual se necesita de
un sistema de bajo costo que nos permita hacer estudios de alto interés en nuestra región como son: la
descontaminación de aguas y aire mediante catalizadores UV, sensores de medición de intensidad de
radiación ultravioleta y de detección de contaminantes del aire, etc. En nuestro novel laboratorio de
Películas de la Escuela Profesional de Física de la UNSA no contamos con un sistema de deposición de
películas delgadas lo cual se pretende solucionar mediante el presente trabajo.
2.
DESCRIPCIONES DEL PROYECTO:
Las películas delgadas pueden ser depositadas a través de una variedad de técnicas, que pueden ser
clasificadas de acuerdo con la fase del medio con el soluto.
Figura 1: Técnicas de deposición
Algunos están relacionados con las técnicas de deposición de películas en forma sólida, a través de un
medio líquido o gaseoso. Las técnicas de deposición en fase líquida por lo general se hacen mediante la
disolución del material a depositar en un disolvente adecuado, luego la deposición en la superficie del
sustrato y la evaporación controlada del solvente y / o tratamiento térmico.
La deposición líquida tiene muchas ventajas sobre otras vías de deposición como:
1. Cantidad de elementos o semiconductores disponibles
2. Las estructuras complejas (o partículas) se puede obtener en la solución y se depositan sobre el
sustrato.
3. Los equipos necesario para el depósito son más simples y más baratos que los que son similares a la
deposición de gas (como en un proceso CVD, por ejemplo)
Uno de los más difundidos y utilizados para el desarrollos de películas delgadas en fase líquida es la
técnica de Dip-coating ".
TECNICA DE DIP-COATING: Es un proceso con una precisión controlada de inmersión y extracción
de cualquier sustrato en un depósito de líquido (solvente) con el fin de depositar una capa de material.
Figura.2 Etapas del proceso Dip-Coating:
a) Sumergiendo el sustrato.
b) Colocando la muestra en posición vertical.
c) Levantando la muestra con una velocidad opcional.
d) Controlamos el espesor de la película por velocidad y la viscosidad
Muchos productos químicos y proyectos de investigación de los nanomateriales de ingeniería hacen uso
de esta técnica.
Dip-Coating se utiliza con el método sol-gel ya que crea películas con mayor espesor, controlados con
precisión, determinada principalmente por la velocidad de deposición y viscosidad de la solución.
Muchos factores contribuyen para determinar el estado final del baño de película delgada como:
-
La superficie del sustrato inicial
-
Tiempo de inmersión
-
La velocidad de retiro
-
El número de ciclos de inmersión
-
Composición de la solución
-
La concentración y la temperatura
-
El número de soluciones en cada secuencia de inmersión
-
La humedad ambiente
Las películas con la técnica Dip-Coating pueden ser muy uniformes, de alta calidad y formas complejas.
Existe una gran variedad de equipos de Dip-Coating de acuerdo a longitudes de recorrido vertical, la
inmersión, velocidades y tipos de sustrato inicial (grandes o pequeños) para ampliar la escala de
producción. Si se desea más de un depósito de solución, también hay máquinas con carruseles de rotación
que puede albergar a muchas soluciones.
Estos equipos deben ser controlados por un software en la velocidad de inmersión, el período de
inmersión, la velocidad de la retirada, el período de secado, el número de ciclos de inmersión y de la
secuencia de rotación de los depósitos con solución múltiple. El control del motor de corriente continua
para el brazo de inmersión debe proporcionar un movimiento lineal liso del sustrato en varias velocidades
de inmersión. La velocidad más lenta posible debería ser de 0,1 mm/min. El modelo más rápido cae a una
velocidad de hasta 500 mm/min.
Para el secado y/o modificación de la estructura del material depositado se cuenta con un horno tubular
Leybold con temperatura de hasta 600 ºC.
3.
DISEÑO:
En la siguiente figura se muestra el diseño
del equipo de Dip Coating el cual tiene las
siguientes características:
- Tiene un motor de pasos, engranajes y un
tornillo para el movimiento vertical.
- Tiene un cilindro en el medio (cilindro A)
que servirá para el movimiento vertical
del
portador
del
sustrato,
para
la
deposición de películas.
- Se puede añadir otro motor de pasos y
engranajes para el movimiento horizontal
y hacer diferentes deposiciones.
Fig. 3: Diseño del Equipo en 3-D
- Tiene una altura de 56.5 cm y de ancho 70.0 cm
FOTOS:
Fig. 4 : Nos muestra
acabado
del
equipo,
el
que
consta de ejes guías para las
diferentes
direcciones
(movimientos
vertical
y
horizontal), unos engranajes,
un motor de pasos y soportes
Fig.5:
Vista
frontal
del
equipo, donde el cilindro A
tendrá el porta sustrato y
estará
encargado
deposición
de
la
de
la
Película
Delgada con el movimiento
vertical
Fig.6: Nos muestra
principal
del
vertical,
motor
la parte
movimiento
de
pasos,
engranajes,
ejes
guía
tornillos.
Cilindro
y
C,
encargado de portar el eje y
tornillo horizontal. Cilindro D,
encargado de portar el eje y
tornillo vertical
4.
CONCLUSIONES:
-
Se pudo identificar el tipo de equipo que vamos ha utilizar con las características que necesitamos
para la deposición de películas delgadas del
-
TiO2 principalmente.
Dentro de las características de nuestro equipo se ha identificado el rango de velocidades y
temperatura del horno que necesitaremos para el secado del sustrato luego de la extracción.
-
Se hizo los diseños de cada componente del equipo en 3D lo cual permitió una mejor visualización y
comprensión de su funcionamiento.
-
Se logró el ensamblado del equipo para la animación correspondiente para poder observar el
funcionamiento.
-
El equipo Dip-Coating esta en la fase de evaluación y conexión a un sistema de control
automatizado mediante computadora.
5.
BIBLIOGRAFÍA:
-
“DEPOSICIÓN DE UNA PELÍCULA
DELGADA DE TIO2 POR EL MÉTODO DE DIP-
COATING” Mansor Abdul Hamid and Ismail Ab. Rahman, School of chemical Sciences, Universiti
Saints Malaysia.
-
“UM
PROCEDIMENTO
SIMPLES
E
BARATO
PARA
A
CONSTRUÇÃO
DE
UM
EQUIPAMENTO DIP-COATING PARA DEPOSIÇÃO DE FILMES EM LABORATÓRIO”
Alfredo R. M. Oliveira e Aldo J. G. Zarbin -Departamento de Química, Universidade Federal do
Paraná
-
“PREPARATION OF TITANIUM(IV) OXIDE THIN FILM PHOTOCATALYST BY SOL–GEL
DIP COATING” R.S. Sonawane, S.G. Hegde M.K. Dongare, a Center for Materials for Electronics
Technology (C-MET), Panchwati, Pashan Road, Pune 411 008, India
-
“DESARROLLO
DE
SISTEMAS
FOTOACTIVOS
TIO2/FIBRA
ÓPTICA”
Scientia et Technica Año XIII, No 36, Septiembre 2007. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN
0122-1701