Procédé de revêtement du verre en ligne

La technologie CVD pour l'industrie du verre

Les revêtements permettent de conférer au verre des propriétés et des fonctions qui ne peuvent être assurées par le verre nu. Les revêtements obtenus par pyrolyse, également appelés hard coating, permettent d'améliorer encore ces propriétés dans le domaine de l'efficacité énergétique, de la durabilité et de leur facilité de mise en oeuvre. Elles permettent également de se différencier sur le marché des produits revêtus et de travailler avec de meilleures marges de profit. La principale technologie de revêtement en ligne est le dépôt chimique en phase vapeur par pyrolyse (CVD) et a été utilisée, dans l'industrie du verre, depuis de nombreuses années. Cette technologie a significativement progressée depuis les débuts de sa mise en oeuvre industrielle. Jusqu'à récemment, cette technologie n'était accessible qu'aux grands groupes verriers ayant les capacités de la développer en interne. Stewart Engineers en collaboration avec ses partenaires industriels, a développé le premier système disponible clé en main de dépôt chimique en phase vapeur par pyrolyse, le système AcuraCoat^®.

Choix de la technologie de revêtement

Les fabricants de verre plat ont deux options pour revêtir le verre produit par leur usine de float. Il peut être revêtu « off-line » par dépôt sous vide en phase vapeur, par pulvérisation cathodique, en utilisant un dispositif à magnétron (PVD ou sputter) ou « on-line » avec un systéme de pyrolyse CVD. Les revêtements PVD sont généralement décrits comme des "soft coatings", des couches tendres, par opposition aux couches obtenues par CVD qui sont appelés "hard coatings" ou couches dures. Dans le procédé CVD effectué dans le bain d'étain à haute température, la vapeur réagit au contact de la surface du verre chaud pour former un revêtement céramique très dur et fortement lié à la surface du verre. Ces deux types de revêtement offrent leurs propres avantages et inconvénients. Voir le lien ci-dessous pour consulter le tableau comparatif des procédés CVD et PVD.

Revêtements pour le verre

Histoire des CVD pour l'industrie verrière

Les premières générations de technologie de pyrolyse CVD ne pouvaient rivaliser avec les couches obtenues par PVD qui offraient davantage de possibilités et des revêtements plus performants. Toutefois, au cours des 10 à 15 dernières années, les procédés de dépôt par pyrolyse CVD par et leurs chimies ont fortement progressé pour atteindre maintenant des performances analogues celles obtenues par les PVD.

Les revêtements appliqués en ligne par pyrolyse CVD sont communément appelés couches pyrolytiques ou "dures". Le dépôt en phase vapeur nécessite l'utilisation d'un gaz précurseur qui réagit avec la surface chaude du verre. À la suite de cette réaction chimique, la surface du verre prend une nouvelle structure chimique. Ce revêtement est considéré comme une couche "dure" parce qu’il devient partie intégrante de la surface du verre et donc est plus durable que les revêtements pulvérisés. Les réactions doivent avoir lieu très rapidement pour éviter de ralentir la production de verre et le CVD ne provoque pas de perturbation de celle-ci.

Les précurseurs utilisés sont entièrement vaporisés avant d'être envoyés dans la tête de déposition. Cette technologie est la plus employée actuellement dans les usines de fabrication de verre flotté.

Les étapes de développement des CVD de première, deuxième et troisième génération sont illustrées ci-dessous de façon chronologique en mettant en évidence leurs caractéristiques distinctives:

• écoulement laminaire ou turbulent
• pré-mélange ou séparation des précurseurs chimiques
• position dans le bain ou l'étenderie

Génération 1: Technologie laminaire unidirectionnelle

Ce type de tête de déposition de première génération est l'un des premiers modèles à écoulement laminaire, datant de la fin des années 1970. Il est normalement situé dans le bain et a une tête refroidie à l'eau comme le montre la Figure 1. La conception et l'exploitation sont simples, mais ce système ne peut fonctionner qu'avec qu'un nombre limité de précurseurs. Ces systèmes ont été utilisés pour le dépôt de silice, de silicium et de silicium + oxydes de carbone (SiCO).

Figure 1: Tête de déposition de conception unidirectionnelle.

Génération 2: Technologie à écoulement turbulent

Cette génération utilise la technologie du flux turbulent. Dans cette technologie, les précurseurs ne peuvent être mélangés en raison d'un niveau trop élevé de pré-réaction en phase gazeuse, il est donc nécessaire de les amener séparément dans la zone de réaction, comme le montre la Figure 2. Pour cela, la tête de dépôt qui se trouve dans l'étenderie possède deux fentes d'écoulement distinctes. Un mélange rapide des gaz est essentiel et un régime d'écoulement turbulent est donc employé. Le système est refroidi à l'eau. Ce type de conception de la tête de dépôt et les chimies employées sont capables des plus hauts taux de croissance des couches, jusqu'à des taux supérieurs à 100 nm/s. La conséquence de l'écoulement turbulent est, néanmoins, son faible rendement d'utilisation des précurseurs (généralement inférieur à 10%) et les très grands débits de gaz nécessaires entraînant un surcoût d'utilisation et d'épuration des gaz. Ce manque d'efficacité conduit à la hausse des coûts de revient de l'ensemble par rapport à un système dernière génération. Ce type de système a été utilisé pour déposer de l'oxyde d'étain dopé au fluor (SnO2:F).

Figure 2: Tête de dépôt à écoulement turbulent.

Génération 3: Technologie à flux laminaire multidirectionnel

Cette technologie a été introduite au milieu des années 1980. Elle fonctionne suivant un régime d'écoulement laminaire avec pré-mélange des précurseurs. Ces gaz pré-mélangés sont scindés en flux amont et aval, comme le montre la figure 3. Cette approche permet une excellente homogénéité de la couche produite et un très bon rendement de dépôt. En combinaison avec un système de chauffage et de refroidissement à fluide caloporteur, cette technologie permet le plus vaste choix des précurseurs et des propriétés des couches. Ce système, situé dans le bain d'étain, nécessite une bonne maîtrise des processus de production. De nombreuses variantes de cette conception de base ont été proposées - en particulier pour parvenir à une meilleure maîtrise de la réaction chimique et pour augmenter les taux de croissance. Des conceptions associant de multiples entrées de précurseurs et d'échappements de gaz ont également été testées. Cependant une trop grande complexité peut conduire à des difficultés pour assurer le contrôle du processus et, par conséquent, à un rendement acceptable.

Figure 3: Technologie multidirectionelle.

Il est intéressant de noter que les technologies de tête de dépôt continuent à coexister en fonctionnement industriel. Dans de nombreux cas, différentes générations sont utilisées en tandem pour produire un produit multicouche.

Points clés de la conception du procédé CVD

En dehors de conception de la tête de dépôt, un certain nombre de questions liées à l'ingénierie du process doivent être résolues, notamment pour obtenir une production élevée:

1. Choix d'un système de précurseurs appropriés
2. Contrôle du débit des précurseurs (gestion et vaporisation des produits chimiques)
3. Contrôle en temps réel de la température des têtes de déposition
4. Contrôle de la distribution des gaz et maintien d'un régime d'écoulement des gaz compatible avec la réalisation des objectifs d'uniformité du revêtement.
5. Bonne intégration dans le bain
6. Traitement des gaz résiduels
7. Contrôle du procédé (Un rendement de déposition élevé est essentiel pour éviter des pertes de production sur la ligne float)

Le fonctionnement du procédé CVD AcuraCoat^® est caractérisé par une combinaison optimale de différentes technologies permettant d'atteindre l'ensemble de ces critères.

Intégration du CVD dans le bain

Pour intégrer correctement un système de revêtement CVD AcuraCoat^® dans une ligne de production de verre flotté, de nombreuses difficultés doivent être résolues. La vitesse de la ligne peut aller jusqu'à 1000 m/h, le ruban de verre mesure habituellement plus de trois mètres de largeur et l'épaisseur requise du film peut dépasser plusieurs centaines de nanomètres (nm). Ces épaisseurs de films, à certaines vitesses de ligne, exigent des taux de croissance de plusieurs dizaines de nm/s, et peuvent atteindre 100 nm/s. Dans certains cas, plus d'une tête de revêtement sera nécessaire pour atteindre l'objectif final d'épaisseur du film, même pour une seule couche.

La sélection de la position d'intégration du système dans la ligne float est une décision essentielle, comme le montre la figure 4. En règle générale, plus cela est fait en amont (et donc plus le verre est chaud), plus la couche est dure et durable et plus le taux de croissance est élevé. Toutefois, des températures plus hautes se traduisent par d'importantes difficultés pour la conception et la gestion des précurseurs chimiques. La plupart des revêtements CVD sont effectués dans l'extrémité étroite du bain flottant.

Figure 4: :Possibilités d'insertion d'un système de revêtement CVD dans une ligne de production de verre flotté.

Développements récents

La complexité et la nature multidisciplinaire des CVD ont été des obstacles majeurs à l'élaboration d'un système complet clés en main et à une plus large diffusion de la technologie de pyrolyse CVD en-ligne. Le lancement du système AcuraCoat^® permet enfin l'accès à cette technologie.

Stewart Engineers et ses partenaires industriels ont développé AcuraCoat^®, le système de pyrolyse CVD en ligne le plus avancé disponible pour la fabrication du verre float. Il s'agit d'un système de troisième génération, multidirectionnel, à écoulement laminaire, refroidi à l'huile et situé dans le bain d'étain.

Principales fonctionnalités

Caractéristiques de la ligne:

• Largeur du verre: ≥ 3.4m (typique)
• Largeur de revêtement:> 3,0 m (typique)
• Vitesse: 300 - 1000m/hr

Spécifications du système:

• Durée de fonctionnement entre nettoyages: moyenne 8 heures, > 12 heures possible
• Revêtement de sortie:> 20% de la production totale
• Rendement du processus de revêtement:> 80%
• Démarrage: 30 minutes
• Arrêt: immédiat

Figure 5: Schéma fluide AcuraCoat^®.

Le système se trouve sur un chariot qui peut être facilement inséré et retiré du bain StewartFloat^®. Il est possible d'intégrer le système dans une ligne nouvelle ou dans le cadre d'une modification.

Figure 6: Section transversale du système AcuraCoat^® montrant le chariot de transport et les structures.

Cette conception de pointe permet de produire une large gamme de produits et de caractéristiques. Le système AcuraCoat^® de Stewart Engineers permet de fabriquer des vitrages à hautes performances énergétiques qui répondent ou dépassent les exigences des réglementations en vigueur. Il peut produire des vitrages réflectifs, Low-E, autonettoyants, pour contrôle solaire et pour applications photovoltaïques. La technologie AcuraCoat^® a le potentiel de catalyser et de soutenir la diffusion de la technologie du revêtement CVD en ligne pour toute l'industrie du verre flotté.