DE10057526A1 - Verfahren zur Herstellung von in ihrer Dicke strukturierten Beschichtungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von in ihrer Dicke strukturierten Beschichtungen

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DE10057526A1
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Rolf Danzebrink
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INSTITUT FUER NEUE MATERIALIEN GEM. GMBH, 66123 SAA
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SONNTAG CAROLA
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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen mittels eines Dosiersystems, welches Lösungen im Picoliterbereich dosieren kann, bei dem ein z. B. organisch-anorganisches Ausgangsmaterial in Tröpfchen auf einem Substrat abgesetzt und das Ausgangsmaterial mittels thermischer Energie, Mikrowellen oder ultravioletter Strahlung gehärtet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von in ihrer Dicke struktu­ rierten Beschichtungen, insbesondere von Mikrolinsen, welches insbesondere für die Her­ stellung von Mikrolinsenrastern mit einem Durchmesser der einzelnen Linsen von 100 µm bis 2 mm geeignet ist.
In der Beschichtungstechnik wurde bisher stets versucht, möglichst gleichmäßige, und damit optisch neutrale Beschichtungen herzustellen. Die vorliegende Erfindung hat es sich dem­ gegenüber zur Aufgabe gemacht, ein dem Beschichtungsverfahren des Standes der Technik ähnliches Verfahren anzugeben, welches jedoch keine gleichmäßige und damit optisch neutrale Beschichtung liefert, sondern eine strukturierte Beschichtung, vorzugsweise Mikrolinsen. Insbesondere eignet sich dieses Verfahren zur Herstellung ganzer Mikrolinsen­ raster.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass mittels eines Dosiersystems ein Ausgangsmaterial in Tröpfchen auf einem Substrat abgesetzt wird.
Vorzugsweise wird dabei ein Dosiersystem gewählt, welches im Pico- bis Nanoliterbereich dosieren kann.
Vorzugsweise werden dabei die Tröpfchen des Ausgangs- bzw. Hybridmaterials auf einen Durchmesser von 20 bis 200 µm eingestellt. Größere Linsen werden dann durch das Auf­ bringen mehrerer Tröpfchen dieses Durchmessers an derselben Stelle erzeugt.
Das Ausgangsmaterial ist vorzugsweise ein anorganisch-organisches Material, insbesondere ein organisch modifiziertes Silan, welches mit Säure unter Alkoholabspaltung vorhydrolisiert wird.
Vorzugsweise wird als Substrat Glas, Metall, Papier oder Kunststoff, vorzugsweise transparen­ ter Kunststoff, verwendet.
Das in Tröpfchen auf dem Substrat abgesetzte Ausgangsmaterial wird vorzugsweise ge­ härtet, wobei die Härtung vorzugsweise mittels thermischer Energie, Mikrowellen oder/und UV-Strahlung erfolgt.
Bei einer Härtung mittels thermischer Energie ist die Anwendung einer Temperatur von 80 bis 150°C für eine Dauer von 5 bis 30 Minuten bevorzugt. Dieses Härtungsverfahren benötigt den geringsten apparativen Aufwand, da hier lediglich eine Heizkammer benötigt wird.
Bei hitzeempfindlichen Substraten ist ebenfalls die Härtung mittels ultravioletter Strahlung von 70 bis 140 W/cm2 für 3 bis 15 Minuten möglich.
Als Dosiersystem dient vorzugsweise ein Dosiersystem mit einer X-Y-Verfahreinheit.
Das Dosiersystem ist dabei vorzugsweise mit einer piezogesteuerten Kapillare versehen. Der Durchmesser der Kapillare beträgt vorzugsweise 20 bis 200 µm.
Die gehärteten Tröpfchen können beispielsweise als Abstandshalter, als strukturierte Schicht oder, wenn sie teilweise ineinander verlaufen sind, als Schuppenschicht verwendet werden.
Die Tröpfchen können auch in Reihe als Linie verlaufen und dann als zylindrische Linsen ver­ wendet werden.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Tröpfchen als Mikrolinsenfeld verwendet werden.
Es können auch Tröpfchen mit leitfähigen Additiven (nanoskalige Teilchen) verwendet werden.
Vorzugsweise werden die Tröpfchen als Einheit für die Kollimation von Licht (Scannen, 3D- Bildgestaltung) verwendet.
Ebenso können die Tröpfchen bevorzugt als Antireflektionsschicht verwendet werden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert.
Erfindungsgemäß wird ein organisch-anorganisches Hybridmaterial, vorzugsweise ein orga­ nisch modifiziertes Silan, welches mit Salzsäure unter Methanolabspaltung vorhydrolysiert wird, mittels eines Dosiersystems, welches Lösungen im Picoliterbereich dosieren kann, in Tröpfchen eines Durchmessers von 20 bis 100 µm auf einem Substrat, vorzugsweise Glas oder Polycarbonat abgesetzt. Das resultierende Tropfenraster wird mittels thermischer Energie (vorzugsweise 130°C für 10 Minuten Dauer) oder mittels ultravioletter Strahlung (vorzugsweise 100 W/cm2 für 5 Minuten) gehärtet.
Die Beschichtungslösung wird vorzugsweise folgendermaßen hergestellt:
Für 100 g Beschichtungslösung werden 49 g Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (CAS-Nr. 2530- 83-8) mit 11 g Wasser und 1 g konzentrierter Salzsäure versetzt und 4 Stunden bei Raum­ temperatur gerührt. Es entsteht eine trübe Flüssigkeit, die nach etwa 2 Minuten in eine ein­ phasige Flüssigkeit übergeht. Diese Flüssigkeit wird mit 9 g Äthanol und 30 g Wasser versetzt und für weitere 2 Stunden bei Raumtemperatur gerührt.
Die Beschichtung erfolgt folgendermaßen:
In einem drop-on-demand-Dosiersystem (beispielsweise dem Druckerkopf eines handels­ üblichen Ink-jet-Druckers mit piezogesteuerter Kapillare mit einem Durchmesser von etwa 20 bis 100 µm) mit Verfahreinheit (X,Y-Positioniertisch) wird die oben genannte Beschichtungs­ lösung eingefüllt und in einem Raster auf einem gereinigten Substrat (Glas oder Poly­ carbonat), welches vorzugsweise mit einer Primerschicht vorbehandelt werden kann, abge­ setzt. Die Oberflächenspannung des Wassers bewirkt eine "schlechte" Benetzung des Sub­ strates, wodurch sich Halbkugeln bilden, die einen Kontaktwinkel des Tropfens zum Substrat von etwa 6° bis 30° (je nach Vorbehandlung des Substrates) bilden. Zur Herstellung sehr kleiner Mikrolinsen wird lediglich ein Tropfen pro Position aufgebracht. Für größere Linsen können bis zu mehreren tausend Tropfen pro Position aufgebracht werden.
Durch die Verwendung handelsüblicher Komponenten (Druckerkopf eines Ink-jet-Druckers und X,Y-Positioniertisch, beispielsweise eines Plotters) kann die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens außerordentlich kostengünstig hergestellt werden.
Die Aushärtung der Mikrolinsen erfolgt wie anschließend beschrieben:
Die Tropfen werden mittels thermischer Energie (130°C für 10 bis 30 Minuten) oder durch UV- Strahlungstrockner (etwa 100 W/cm2 für 5 Minuten, vorzugsweise in einem Durchlauftrockner mit fünf Durchläufen à 1 Minute) ausgehärtet.
Der Abstand der Mikrolinsen in dem Raster kann beliebig gewählt werden, je nachdem wie der Positioniertisch programmiert wird. Die einzige Beschränkung ist, dass der Abstand nicht weniger als 5% des Durchmessers einer Linse betragen darf. Bei geringeren Abständen be­ steht die Gefahr des Verlaufens der Tropfen.
Die Oberflächenrauigkeit der entstehenden Linsen beträgt lediglich 30 bis 40 nm (Ra-Wert).
Die Transmission des Linsenmaterials beträgt 98% in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 2,7 µm.
Der Brechwert der Linsen und somit der Focus der Linsen liegt im Bereich von herkömm­ lichem Glas und kann durch Additive (Pigmente oder organische Materialien), die im Stand der Technik bekannt sind, genau eingestellt werden. Der Focus der Linsen errechnet sich dann wie üblich aus dem Krümmungsradius der Linse und dem Brechwert des Materials. Durch entsprechende Wahl einer Primerschicht auf dem Substrat kann der Benetzungswinkel von Tangente des Tropfens und Substrat entsprechend eingestellt werden, wodurch eben­ falls der Focus der Linsen eingestellt werden kann.
Besonders bevorzugt ist es dabei gemäß der vorliegenden Erfindung, die Materialien, auf die die Beschichtung aufgetragen werden soll, vorher mit einer entsprechenden Primer­ schicht zu versehen. Man bringt also einen Überzug auf das Substrat auf, wodurch über die gesamte Substratfläche hinweg gleiche Benetzungsbedingungen geschaffen werden. Da­ durch wird eine außerordentlich gute Reproduzierbarkeit bei der Bildung der einzelnen Tröpfchen bzw. Linsen erreicht. Glas hat nämlich normalerweise Fehlstrukturen, die die Be­ netzung stören und somit die Gleichmäßigkeit des Linsenarrays erheblich verschlechtern können. Durch die Wahl einer geeigneten Primerschicht kann man darüber hinaus erreichen, dass die Benetzungswinkel in den Bereich von 100° kommen, d. h., dass die Tropfen sehr viel höher werden, teilweise sogar höher als ihr eigener Durchmesser.
Vorzugsweise wird eine Beschichtung gewählt, die ähnlich der Polyfluortetraäthylen- Schichten in Bratpfannen wirkt. Solche fluorierte Schichten haben nämlich eine sehr stark antiadhaesive Wirkung.
Für eine Maximierung der antiadhaesiven Eigenschaften des Substrats hat sich ein Überzug gemäß der folgenden Rezeptur besonders bewährt:
0,5 Gew.-% Fluorosilan, insbesondere
Tridecafluoro-1,1,2,2,-tetrahydrooclyl-1-triethoxysilan
99,5 Gew.-% organomodifizierte Silane, insbesondere
3-glycidyloxypropyltrimethoxysilan, welches mit 3 Molen (im Bezug zum Silan) Wasser mit Salzsäure als Katalysator vorhydrolysiert wurde, gemischt mit organischen Polymeren und Netzwerkbildnern als Matrix für das Fluorosilan,
gelöst in Ethanol zur Schichtapplikation (Menge je nach gewünschter Schichtdicke) Additive.
Andererseits können mit einer ähnlichen Beschichtung sehr flache Linsen erzielt werden, wenn bei der obigen Rezeptur das Fluorosilan weggelassen wird.
Insbesondere hat sich für möglichst brechstarke, also "hohe" Linsen die folgende Rezeptur bewährt:
37,8 g 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilan
8,6 g H2O
0,1 g HCl konz.
14,6 g 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan
14 g 2-Butoxyethanol
0,4 g Byk 306
0,6 g Methylimidazol
0,76 g Tridecafluoro-1,1,2,2,-tetrahydrooclyl-1-triethoxysilan (als Fluorosilan)
gelöst in etwa 1 l Ethanol, zur Schichtapplikation je nach Auftrag mittels Spin-, dip oder spray-coating (Schichtdicke etwa im Bereich 0,1 µm bis 0,5 µm, als niedermolekulare Schicht).
Es wurden bereits Mikrolinsenraster hergestellt, bei denen die einzelnen Linsen Durchmesser von 120 µm und 800 µm aufwiesen. Der Focus der Linsen mit einem Durchmesser von 120 µm betrug dabei 458 µm, der Focus der Linsen mit einem Durchmesser von 800 µm betrug dabei 2,9 mm.

Claims (21)

1. Verfahren zur Herstellung von in ihrer Dicke strukturierten Beschichtungen, insbesondere von Mikrolinsen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Dosiersystems ein Ausgangsmaterial in Tröpfchen auf einem Substrat abgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem im Pico- bis Nanoliterbereich dosieren kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tröpfchen auf einen Durchmesser von 20 bis 200 µm eingestellt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial ein anorganisch-organisches Material ist
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein organisch modifiziertes Silan, welches mit Säure unter Alkoholabspaltung vorhydrolysiert wird, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat Glas, Metall, Papier oder Kunststoff, vorzugsweise transparenter Kunst­ stoff verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in Tröpfchen auf dem Substrat abgesetzte Ausgangsmaterial gehärtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung mittels thermischer Energie, Mikrowellen oder/und UV-Strahlung erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung mittels thermischer Energie bei einer Temperatur von 80-150°C für eine Dauer von 15 bis 30 Minuten durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung mittels ultravioletter Strahlung von 70 bis 140 W/cm2 für 3 bis 15 Minuten durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Dosiersystem ein Dosiersystem mit einer X-Y-Verfahreinheit verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem mit einer piezogesteuerten Kapillare versehen ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kapillare 20 bis 200 µm beträgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärteten Tröpfchen als Abstandshalter verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärteten Tröpfchen als strukturierte Schicht verwendet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Tröpfchen teilweise ineinander verlaufen sind und als Schuppenschicht ver­ wendet werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Tröpfchen in Reihe als Linie verlaufen und als zylindrische Linsen verwendet werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Tröpfchen als Mikrolinsenfeld verwendet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Tröpfchen mit leitfähigen Additiven (nanoskalige Teilchen) verwendet werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Tröpfchen als Einheit für die Kollimation von Licht (Scannen, 3D-Bildgestaltung) verwendet werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Tröpfchen als Antireflektionsschicht verwendet werden.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2159040A1 (de) 2008-08-26 2010-03-03 Micro Resist Technology Gesellschaft für chemische Materialien spezieller Photoresistsysteme mbH Mikrooptische Artikel sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung
WO2019072324A1 (de) * 2017-10-12 2019-04-18 Docter Optics Se Verfahren zum herstellen eines mikroprojektors für ein projektionsdisplay

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