RELATÓRIO DESCRITIVO

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção consiste em um dispositivo para promover a deposição por lâmina de filmes finos de diversos tipos de materiais, a partir de soluções de materiais sobre superfícies rígidas ou flexíveis de modo que o processo de deposição dos filmes possa ser reproduzido com alto grau de repetibilidade e uniformidade. Durante o funcionamento do dispositivo, a solução do material é espalhada sobre a superfície por meio de uma lâmina formando um filme fino. A área de aplicação da presente invenção é pertencente à fabricação de filmes finos com espessuras que podem variar de alguns de nanômetros a dezenas de micrômetros, mais especificamente a dispositivos que fabricam filmes finos a partir de soluções de materiais. O dispositivo promove a obtenção de filmes com distribuição uniforme de espessura sobre superfícies rígidas ou flexíveis com baixo consumo e desperdício de solução de material. Dessa forma, o dispositivo contribui para o desenvolvimento de filmes com potencial aplicação em células solares perovskitas, dispositivos eletrônicos orgânicos, eletrodos para baterias de filmes finos, biocurativos com liberação controlada de fármacos e formas farmacêuticas inovadoras de filmes finos mucoadesivos orosolúveis e adesivos transdérmicos, por exemplo.

ANTERIORIEDADES

[0002] Filmes finos de materiais com espessuras que variam de dezenas de nanômetros a dezenas de micrômetros são amplamente utilizados na indústria de semicondutores e no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos como células solares perovskitas e orgânicas, e diodos orgânicos emissores luz. Existe uma constante busca pelo desenvolvimento de métodos para obtenção dos filmes finos de maneira uniforme e a partir de soluções de materiais.

[0003] O documento US20160285021 A1 se refere a um processo para obtenção de filmes finos de perovskitas inorgânico-orgânico, envolve uma etapa de deposição de filme fino de material inorgânico seguido de um processo de tratamento com vapor de material orgânico em solução. O documento não apresenta um método específico para obtenção do filme fino inorgânico a partir de uma solução e apenas cita alguns métodos que podem ser utilizados como os métodos de spin-coating, spray-coating, dip-coating e/ou inkjet.

[0004] O documento W02018092067A1 apresenta um dispositivo para a deposição de filmes finos de materiais baseado na deposição da solução de material utilizando uma lâmina de geometria cilíndrica. O sistema de secagem é baseado em um fluxo de gás em espiral. Este sistema é fixo e localiza-se acima da amostra. O dispositivo apresentado não possibilita a utilização de vários tipos de lâmina ou múltiplas fontes de energia térmica.

[0005] Tendo em vista a necessidade de se desenvolver processos para a produção de filmes finos sobre superfícies sólidas de maneira uniforme e com alto grau de re- produtibilidade, e visto como mostrado anteriormente as lacunas existentes no estado na técnica para este fim, fez-se necessário o desenvolvimento de uma nova técnica como será revelado a seguir.

DESCRIÇÃO GERAL

[0006] Filmes finos consistem de camadas de materiais com espessuras que podem variar entre alguns nanômetros a dezenas de micrômetros, e em geral são depositados sobre superfícies rígidas ou flexíveis. Filmes finos são amplamente utilizados na indústria de semicondutores e eletrônica. Os principais métodos de deposição de filmes finos nestas indústrias são os métodos de deposição física em fase vapor (PVD) e deposição química em fase vapor (CVD). Estes métodos apresentam custo elevado, devido a necessidade da utilização de câmaras de alto vácuo (<10-7 Torr) e temperaturas elevadas.

[0007] Com o advento da eletrônica orgânica e impressa, filmes finos têm sido obtidos por meio da deposição de soluções ou tintas através de métodos de deposição que não necessitam de alto vácuo e altas temperaturas. Alguns métodos de deposição de materiais em solução são os de spin coating, impressão por jato de tinta, deposição por lâmina (ou blade coating) e slot die.

[0008] O método de deposição de filmes por lâmina (ou blade coating) é simples e não requer a utilização de equipamentos caros ou sofisticados, sendo muito utilizado nos processos de desenvolvimento e controle de qualidade na indústria de tintas e vernizes. Neste método, ilustrado na Figura 1 , a solução (A) é aplicada sobre uma superfície (B) posicionada em frente a uma lâmina (C) ajustada a certa altura desta superfície. Com a movimentação da lâmina (D) há a formação de um menisco entre a solução, a lâmina e o substrato. O menisco é arrastado formando um filme sobre o substrato. Uma placa de aquecimento (E) promove a remoção do solvente deixando um filme fino (F) sobre a superfície. A espessura final do filme, que pode variar de alguns nanômetros a dezenas de micrômetros, depende de parâmetros como o volume de solução depositado, a concentração da solução, a temperatura, a distância entre a lâmina e o substrato e a velocidade de movimentação da lâmina. Um tratamento inicial com plasma pode ser utilizado para preparação das superfícies na qual serão formados os filmes.

[0009] O método de deposição de filmes finos por lâmina apresenta características adequadas para o desenvolvimento de filmes finos de materiais em escala de laboratório com baixo custo e potencial escalonamento para escala piloto. Além das áreas onde já se tem relatos da utilização deste método como eletrônica orgânica e materiais avançados, observa-se grande potencial de aplicação deste método para a obtenção de filmes na área da saúde onde o dispositivo de deposição de filmes finos por lâmina poderá ser utilizado para o desenvolvimento de biocurativos e formas farmacêuticas inovadoras de filmes finos mucoadesivos orosolúveis e adesivos transdérmicos, por exemplo.

[0010] Nos métodos citados acima e nas anterioridades citadas fica claro a existência de lacunas no estado da técnica como: assegurar a uniformidade do filme, trabalhar com filmes de espessura nanometrica, processo de secagem adequado a estruturas laminares e secagem a baixa temperatura, possibilidade de usar lâminas com diferentes geometrias.

[0011] A presente invenção revela um dispositivo para deposição de filmes finos por lâmina que satisfaz as lacunas apresentadas acima no estado da técnica. O dispositivo é composto de 4 blocos:

[0012] 1 ) Base e conjunto mecânico de deslocamento linear

[0013] 2) Sistema de lâmina

[0014] 3) Eletrônica

[0015] 4) Sistema de secagem

[0016] A seguir fazemos uma descrição de cada um desses blocos do ponto de vista estrutural e funcional.

[0017] 1 ) Base e conjunto mecânico de deslocamento linear

[0018] A Figura 2 apresenta o dispositivo alvo desta invenção que é formado por uma base plana com aquecimento (A), um sistema de lâmina (B) que é movimentado por uma braço móvel (C) acoplado a um sistema de deslocamento linear. Na base do dispositivo há regiões com microfuros (D) para fixação da superfície na qual será depositado o filme fino. A fixação é feita por meio de vácuo gerado por uma microbomba de vácuo de diafragma inserida na caixa de controle (E) do dispositivo.

[0019] O sistema de deslocamento linear é composto por duas guias lineares, acopladas com blocos, com funções de deslizamento e amortecimento e, um fuso acoplado com uma castanha de esferas. As guias lineares e o fuso são posicionados em paralelo, perpendicularmente entre essas partes é fixado uma barra sobre os blocos, das guias lineares e o suporte da castanha, do fuso de esferas, para que todo o sistema se desloque em conjunto e de forma uniforme. As guias lineares possuem suportes que são fixados na parte inferior do equipamento. O fuso é fixado em rolamentos que por sua vez estão fixados nas paredes do equipamento. Em uma das pontas do fuso é conectado o motor através de um acoplador mecânico. O motor é fixado em uma das paredes internas do equipamento e é utilizado para movimentar o sistema de deslocamento linear.

[0020] 2) Sistema de Lâmina

[0021] A Figura 3 apresenta o sistema de lâmina que é composto por um suporte (A) onde é colocada a lâmina (B) utilizando um parafuso (C) que possibilita a troca da lâmina sem alterar o ajuste da distância entre a lâmina e a superfície que é realizado por meio de dois micrometros digitais (D). O sistema de lâmina pode ser rotacionado em 90° utilizando o parafuso (E) localizado na parte traseira do sistema de lâmina facilitando a limpeza da lâmina após a deposição dos filmes. Alternativamente o parafuso pode ser substituído por um sistema de ímãs.

[0022] 3) Eletrônica

[0023] No painel da caixa de controle ilustrado na Figura 1 , encontra-se um mostrador de informações com tela de toque (F), botões para ajuste da velocidade de deslocamento linear da lâmina (G) que permitem o aumento ou diminuição da velocidade. Há também botões (H) para ajuste da temperatura da base do dispositivo. O deslocamento da lâmina é iniciado por meio de um botão (I). Caso seja necessário, o deslocamento da lâmina pode ser interrompido através de um botão (J). Os ajustes de velocidade e temperatura também podem ser realizados por meio da tela de toque do mostrador de informações.

[0024] A eletrônica de controle do equipamento, ilustrada pelo diagrama esquemático da Figura 4, baseia-se em um minicomputador (A) que realiza o gerenciamento da interface homem-máquina e de dois microcontroladores (B e C), responsáveis pelo controle do sentido de movimento e velocidade do motor DC (D) e, do PID (Proporcional, Integral, Derivativo) da placa de aquecimento (E). [0025] O movimento do motor DC (D) é controlado por uma malha fechada realimen- tada pelos valores obtidos do encoder do motor (F). Os dados são processados por um microcontrolador (B), que realiza os cálculos em tempo real para movimentar a lâmina no eixo x, definindo o limite inferior e o limite superior de posição, controle e correção de velocidade e sentido do movimento do motor, além do sistema de proteção que desliga o motor quando as chaves de final de curso (G) detectam a presença do suporte da lâmina.

[0026] O PID (E) é utilizado para controle da placa de aquecimento através de um algoritmo alimentado por um sensor de temperatura (H), os dados são processados por um microcontrolador (C). O algoritmo verifica: a variância da temperatura do valor ajustado e o valor real da placa de aquecimento, a variação da temperatura real comparada com temperatura de ajuste e calcula o tempo para alcançar a temperatura ajustada.

[0027] 4) Sistema de secagem

[0028] Conforme mencionado anteriormente, a base do sistema apresenta aquecimento que pode variar da temperatura ambiente até 250 °C. Uma segunda fonte de energia térmica como uma lâmpada de infravermelho (A), conforme ilustra a Figura 5, é controlada por um dimmer que regula a intensidade da lâmpada, diminuindo ou aumentando a energia térmica do sistema, que varia conforme a posição do seletor do dimmer ou a posição da lâmpada no eixo y, neste caso aproximando ou afastando do superfície utilizada na deposição por lâmina.

[0029] Para a secagem dos filmes, além das fontes de energia térmica já mencionadas, pode-se adicionar ao sistema de lâmina, uma faca de ar, que cria um fluxo laminar que passa sobre a superfície onde é depositado o filme durante ou após a sua deposição. A faca de ar (A) é integrada na parte traseira do sistema de lâmina, conforme ilustra a Figura 6. MODALIDADES PREFERIDAS

[0030] Uma primeira modalidade preferida consiste na invenção implementada conforme a descrição geral.

[0031] A segunda modalidade preferida para esta invenção consiste de sua implementação conforme ilustra a Figura 2, incluindo uma faca de ar de nitrogênio para secagem dos filmes. A implementação do dispositivo com a faca de ar de nitrogênio pode ser utilizada para a obtenção de filmes finos de perovskitas de haletos para células solares que convertem energia solar em energia elétrica.

[0032] A terceira modalidade preferida para esta invenção consiste do processo de obtenção de filmes de biomateriais ou fármacos, e filmes obtidos a partir de soluções que utilizam água como solvente. Neste caso, o processo faz uso de um tratamento inicial com plasma sobre a superfície na qual será depositado o filme, garantindo a formação uniforme do filme. Esta modalidade permite a obtenção de filmes para aplicações na área da saúde, como por exemplo, filmes de biomateriais para biocurativos de regeneração tecidual ou filmes de fármacos mucoadesivos.

[0033] Uma quarta modalidade preferida é um processo de manufatura de semicondutores orgânicos que incorpora o processo de obtenção de filmes derivados desta invenção.

[0034] Uma quinta modalidade preferida consiste num processo derivado do dispositivo descrito nesta invenção sendo implementado para aumentar a eficiência de processos de detecção de marcas humanas tais como impressões digitais, depósitos de materiais contendo DNA, entre outros. Neste caso, a espessura do filme é ajustada de forma a otimizar a distribuição do material revelador sobre a superfície onde se quer fazer a revelação.

[0035] Uma sexta modalidade preferida consiste num processo derivado do dispositivo descrito nesta invenção sendo implementado na manufatura de baterias baseadas em superposição de filmes de materiais diversos como lítio, nióbio, grafeno, entre outros. [0036] Uma sétima modalidade preferida consiste num processo derivado do disposi- tivo descrito nesta invenção caracterizado por operar em velocidades abaixo ou igual a 1 mm/s produzindo o alinhamento de moléculas devido a tensão de cisalhamento. [0037] Uma oitava modalidade preferida consiste numa implementação do dispositivo objeto desta invenção dotado de uma lâmpada de infravermelho conforme a Figura 5, que permite a deposição de múltiplas camadas sucessivas assegurando que a camada inferior não será degradada pela superposição da camada superior.

[0038] Uma nona modalidade preferida consiste num processo derivado do dispositivo descrito nesta invenção sendo implementado para gravar padrões ou delimitar regiões, o que é feito por um prévio tratamento com plasma sobre as regiões da superfície que receberão o filme, desta forma a superposição do filme ficará restrita a estas regiões.