DE10154756C1 - Verwendung einer anodisch oxidierten Oberflächenschicht - Google Patents

Abstract

Es wird die Verwendung einer anodisch oxidierten Oberflächenschicht vorgeschlagen. Ein einfaches, kostengünstiges Strukturieren einer Oberfläche im Nanometerbereich wird dadurch ermöglicht, daß eine Oberflächenschicht mit durch anodische Oxidation vorlagenfrei gebildeten Hohlräumen abgeformt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Unter Nanometerbereich sind bei der vorliegenden Erfindung Profilierungen bzw. Strukturierungen mit Strukturbreiten < 1000 nm, insbesondere < 500 nm, zu verste­ hen. Die Strukturbreite bezeichnet das Maß, mit dem sich einzelne Strukturelemente, wie Erhebungen, wiederholen, d. h. also beispielsweise den Mittenabstand voneinan­ der benachbarter Erhebungen oder voneinander benachbarter Vertiefungen.

Im Nanometerbereich sind lithographische Verfahren zur Strukturierung nur sehr be­ dingt einsetzbar. Hier ist zu berücksichtigen, daß allein die Wellenlänge des sichtbaren Lichts bereits 400 bis 750 nm beträgt. In jedem Fall sind die lithographischen Verfah­ ren sehr aufwendig.

Aus der nachveröffentlichten DE 100 20 877 C1 ist die Verwendung einer Oberflä­ chenschicht mit durch anodische Oxidation gebildeten Hohlräumen als Matritze beim Prägen bekannt.

Aus der CH 251 451 ist der Einsatz von anodisch oxidierten Oberflächenschichten aus Aluminium oder Magnesium bei Gießformen bekannt. Die Ausbildung von Hohlräu­ men durch die Oxidation zur Strukturierung eines Gußteils ist nicht offenbart.

Die Ausbildung von Hohlräumen bei der anodischen Oxidation von Aluminium ist beispielsweise in der EP 0 931 859 A1 beschrieben, die den Ausgangspunkt der vor­ liegenden Erfindung bildet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung einer mit offenen Hohlräumen durch anodische Oxidation versehenen Oberflächenschicht an­ zugeben, wobei auf einfache, kostengünstige Weise eine Strukturierung einer Oberflä­ che eines Gußteils bzw. Werkstücks im Nanometerbereich ermöglicht wird.

Die obige Aufgabe wird durch eine Verwendung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine poröse Oxidschicht und zwar eine Oberflächenschicht mit offenen Hohlräumen, die durch anodische Oxidation unmittelbar bzw. vorlagenfrei, also unabhängig von einer Katodenform, gebildet werden, als Formfläche bzw. Innenfläche einer Gießform einzusetzen. Dies führt zu mehreren Vortei­ len.

Erstens, eine Oxidschicht, insbesondere das vorzugsweise vorgesehene Alu­ miniumoxid, ist verhältnismäßig hart. Dies ist im Hinblick auf die oftmals sehr hohen Belastungen beim Gießen bzw. Abformen vorteilhaft, um Werkstücke verschiedenster Materialien herstellen zu können und um eine hohe Standzeit der Gießform zu erreichen.

Zweitens, die vorlagenfreie Oxidation ist sehr einfach und kostengünstig reali­ sierbar. Insbesondere ist die Erzeugung der Hohlräume (quasi) unabhängig von der Form und Anordnung der verwendeten Katode, also eine Vorlage bzw. Negativform nicht erforderlich.

Drittens, die vorgesehene vorlagenfreie Ausbildung von offenen Hohlräumen durch anodische Oxidierung ermöglicht auf sehr einfache, kostengünstige Weise die Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich. Insbesondere werden Strukturbreiten von 500 nm und weniger, sogar von 100 nm und we­ niger ermöglicht.

Viertens, je nach Wahl der Verfahrensbedingungen kann die Anordnung - re­ gelmäßig oder unregelmäßig - und die Flächendichte der Hohlräume bedarfs­ gerecht variiert werden.

Fünftens, ebenfalls durch einfache Variation der Verfahrensbedingungen - insbesondere durch Variation der Spannung bei der Anodisierung - kann die Form der Hohlräume und damit der Struktur der Formfläche eingestellt und variiert werden.

Sechstens, die anodisch oxidierte Oberflächenschicht kann direkt, also ohne weiteres Abformen, als Formfläche einer Gießform eingesetzt werden.

Weitere Vorteile, Eigenschaften, Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt

eine sehr schematische Teilschnittdarstellung einer vorschlagsge­ mäßen Gießform und eines damit strukturierten Werkstücks.

Die Figur zeigt in einer sehr schematischen Teilschnittdarstellung eine vor­ schlagsgemäße Gießform 1 mit einer zumindest bereichsweise strukturierten, also profilierten bzw. reliefartigen Innenfläche bzw. Formfläche 2. Die Fläche 2 ist durch eine Ober- bzw. Flachseite einer Oberflächenschicht 3 gebildet, die mit offenen, durch anodische Oxidation erzeugten Hohlräumen 4 versehen ist.

Beim Darstellungsbeispiel ist die Oberflächenschicht 3 auf einen Träger 5 der Gießform 1 aufgebracht. Beispielsweise ist die Oberflächenschicht 3 durch Plasmabeschichtung auf den Träger 5 aufgebracht. Jedoch kann die Ober­ flächenschicht 3 auch unmittelbar von dem Träger 5 gebildet, also ein Ober­ flächenbereich des Trägers 5 sein.

Selbstverständlich kann die Oberflächenschicht 3 auch durch andere Verfah­ ren auf dem Träger 5 abgeschieden werden.

Beim Darstellungsbeispiel besteht die Oberflächenschicht 3 vorzugsweise aus Aluminium, das insbesondere durch Plasmabeschichten auf den Träger 5 auf­ gebracht wird und auf dem vorzugsweise aus Metall, insbesondere Eisen oder Stahl, bestehenden Träger 5 sehr gut haftet.

Die Oberflächenschicht 3 ist zumindest teilweise, beim Darstellungsbeispiel bis zur Tiefe einer Deckschicht 6 anodisch oxidiert, wodurch die Hohlräume 4 in der Oberflächenschicht 3 bzw. Deckschicht 6 unmittelbar gebildet sind. Die Hohlräume 4 werden unmittelbar bzw. vorlagenfrei gebildet, d. h. die Anord­ nung, Verteilung, Form u. dgl. der Hohlräume 4 ist - im Gegensatz zum Ely­ sieren - also zumindest im wesentlichen unabhängig von der Oberflächenform und Nähe der beim Oxidieren verwendeten (nicht dargestellten) Katode. Vielmehr wird erfindungsgemäß der "Ventileffekt", nämlich die beim Oxi­ dieren bzw. Anodisieren der Oberflächenschicht 3 - zumindest insbesondere bei den sogenannten Ventilmetallen - auftretende, selbständige Bildung der Hohlräume 4 ausgenutzt. Diese unmittelbare bzw. vorlagenfreie Erzeugung der Hohlräume 4 schließt eine zusätzliche (vorherige oder spätere) Formung bzw. Strukturierung der Fläche 2 bzw. der Hohlräume 4 durch eine Negativ­ form jedoch nicht aus.

Je nachdem, wie vollständig bzw. wie tief die Oberflächenschicht 3 oxidiert ist oder ob die Oberflächenschicht 3 unmittelbar vom Träger 5 gebildet ist, kann die Oberflächenschicht 3 der oxidierten Deckschicht 6 entsprechen. In diesem Fall kann beispielsweise die beim Darstellungsbeispiel aus Aluminium bestehende Zwischenschicht 7, die eine sehr gute Haftung zwischen der Deckschicht 6 und dem Träger 5 vermittelt, entfallen.

Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsalternative der unbeschichtete Träger 5 auf seiner die Fläche 2 bildenden Oberfläche unter Bildung einer porösen Oxidschicht bzw. von Hohlräumen 4 anodisch oxidiert sein. Dies ist beispielsweise bei einem Träger 5 aus Eisen oder Stahl, insbesondere Edel­ stahl, möglich. In diesem Fall entspricht dann die Oberflächenschicht 3 der Deckschicht 6, also der oxidierten Schicht.

Aluminium und Eisen bzw. Stahl, insbesondere Edelstahl, wurden bereits als besonders bevorzugtes Material genannt, das zumindest im wesentlichen zur Bildung der anodisch oxidierten Oberflächenschicht 3 bzw. der Deckschicht 6 verwendet wird. Jedoch können beispielsweise auch Silizium und Titan sowie sonstige Ventilmetalle eingesetzt werden.

Beim Darstellungsbeispiel sind die Größenverhältnisse nicht maßstabsgetreu dargestellt.

Die Fläche 2 weist vorzugsweise eine Strukturbreite S im Nanometerbereich auf, insbesondere von 30 bis 600 nm und vorzugsweise von 50 bis 200 nm.

Die Hohlräume 4 bzw. deren Öffnungen weisen einen mittleren Durchmesser D von im wesentlichen 10 bis 500 nm, vorzugsweise von 15 bis 200 nm und insbesondere von 20 bis 100 nm, auf.

Die Hohlräume 4 sind beim Darstellungsbeispiel im wesentlich länglich aus­ gebildet, wobei ihre Tiefe T vorzugsweise mindestens etwa das 0,5-fache des vorgenannten, mittleren Durchmessers D und insbesondere etwa das 1,0- bis 10-fache des Durchmessers D beträgt.

Die Hohlräume 4 sind hier zumindest im wesentlichen gleichförmig ausgebil­ det. Insbesondere sind die Hohlräume 4 im wesentlichen zylindrisch ausge­ bildet. Jedoch können die Hohlräume 4 auch eine davon abweichende Form aufweisen, beispielsweise im wesentlichen konisch ausgebildet sein.

Generell können die Hohlräume 4 auch einen über ihre Tiefe T in Form und/oder Durchmesser variierenden Querschnitt aufweisen. Darüber hinaus können die Hohlräume 4 als Grobstruktur beispielsweise jeweils im wesentli­ chen konisch ausgebildet sein und zur Bildung einer Feinstruktur entlang ihrer Wandungen jeweils beispielsweise mit vielen feinen Vertiefungen (kleinen Hohlräumen) versehen sein.

Vorzugsweise sind die Hohlräume 4 zumindest im wesentlichen regelmäßig über die Oberfläche der Oberflächenschicht 3 bzw. über die Fläche 2 verteilt angeordnet. Jedoch kommt auch eine unregelmäßige Verteilung in Betracht.

Vorzugsweise sind die Hohlräume bzw. deren Öffnungen mit einer Flächen­ dichte von 10⁹ bis 10¹¹/cm² über die Fläche 2 verteilt. Beim Darstellungsbei­ spiel ist die Flächendichte über die Fläche 2 im wesentlichen konstant. Jedoch kann die Flächendichte je nach Bedarf auch bereichsweise auf der Fläche 2 variieren.

Die Fläche der Öffnungen der Hohlräume 4 beträgt vorzugsweise höchstens 50% der Ausdehnungsfläche der Fläche 2. Hierdurch wird eine ausreichend hohe Stabilität bzw. Belastbarkeit der Fläche 2 bzw. der Oberflächenschicht 3 /Deckschicht 6 im Hinblick auf die teilweise hohen beim Abfomen bzw. Gießen auftretenden Beanspruchungen erreicht.

Generell kann die Form, Anordnung, Flächendichte und dergleichen der Hohl­ räume 4 durch entsprechende Wahl der Verfahrensbedingungen beim anodi­ schen Oxidieren gesteuert werden. Beispielsweise wird bei der Oxidation von Aluminium unter potentiostatischen Bedingungen - also bei zumindest im wesentlichen konstanter Spannung - ein zumindest im wesentlichen gleich­ mäßiger Querschnitt der Hohlräume 4 über deren Tiefe T hinweg, also eine zumindest im wesentlichen zylindrische Form erzielt. Entsprechend kann durch Variation der Spannung die Form der Hohlräume 4 beeinflußt werden. Beispielsweise führt eine galvanostatische Oxidierung - d. h. bei zumindest im wesentlichen konstantem Strom - zu einer etwa konusförmigen oder hü­ gelartigen Form der Hohlräume 4, so daß auf diese Weise eine Art "Motten­ augenstruktur" o. dgl. gebildet werden kann. Weiter hängt die Flächendichte der Hohlräume 4, d. h. die Anzahl der Hohlräume 4 pro Flächeneinheit auf der Fläche 2, u. a. von der Spannung und dem Strom beim Anodisieren ab.

Die Hohlräume 4 können bedarfsweise in ihrer Form, Tiefe und/oder Flä­ chendichte über die Fläche 2, insbesondere bereichsweise, variieren und/oder nur bereichsweise auf der Fläche 2 ausgebildet sein.

Bedarfsweise kann die Fläche 2 auch vor und/oder nach dem Oxidieren - also Erzeugen der Hohlräume 4 - beispielsweise durch lithographische Verfahren, Ätzen und/oder sonstige, vorzugsweise materialabtragende Verfahren mo­ difiziert sein, um beispielsweise eine Grobstruktur in Form von Bahnen, Ste­ gen, Bereichen mit oder ohne Hohlräume 4, großflächigen Erhebungen oder Vertiefungen und dergleichen auf der Fläche 2 zu erzeugen.

Zur Modifikation der Fläche 2 bzw. der Hohlräume 4 kann auch eine mecha­ nische Bearbeitung und/oder chemische Aufweitung, insbesondere durch teil­ weises Wegätzen von Oxidmaterial, erfolgen. Auf diese Weise kann das Flä­ chenverhältnis der Öffnungsflächen der Hohlräume 4 zu der Erstreckungs­ fläche der Fläche 2 variiert bzw. vergrößert werden. Selbstverständlich sind hierdurch auch andere Modifikationen der Fläche 2 bzw. der Hohlräume 4 - je nach Einwirkzeit und Intensität - möglich.

Ein besonderer Vorteil der vorschlagsgemäßen Lösung liegt darin, daß die Fläche 2 praktisch jede beliebige Form aufweisen kann.

Die Figur zeigt ferner ein Gußstück bzw. Werkstück 8, ebenfalls in einer stark vereinfachten, nicht maßstabsgetreuen Schnittdarstellung, im bereits fertigen Zustand, also nach dem Gießen mit einer durch die Gießform 1 bereits strukturierten Oberfläche 9.

Die vorschlagsgemäße Gießform 1 gestattet eine sehr feine Strukturierung des Werkstücks 8 bzw. dessen Oberfläche 9. Es ist beispielsweise möglich, auf der Oberfläche 9 verhältnismäßig große Erhebungen im Bereich von 0,1 bis 50 µm mit jeweils mehreren, relativ kleinen Vorsprüngen, beispielsweise im Bereich von 10 bis 400 nm, auf der Oberfläche 9 des Werkstücks 8 zu er­ zeugen.

Die vorschlagsgemäße Lösung ermöglicht auf sehr einfache, kostengünstige Weise ein sehr feines Strukturieren der Oberfläche 9. Dementsprechend findet sich ein sehr breiter Anwendungsbereich. Beispielsweise ist eine solche, ins­ besondere sehr feine Strukturierung bei Antireflex-Schichten, zur Verände­ rung der Strahlungsemission strukturierter Oberflächen, bei der Sensorik, bei der Katalyse, bei selbstreinigenden Oberflächen, bei der Verbesserung der Oberflächenbenetzbarkeit und dergleichen verwendbar bzw. einsetzbar.

Insbesondere kann die vorschlagsgemäße Lösung für das Gießen mit einem quasi beliebigen Material eingesetzt werden, da insbesondere Aluminiumoxid mechanisch, thermisch und/oder chemisch sehr beständig ist.

Allgemein ausgedrückt liegt ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung darin, eine Oberflächenschicht mit durch anodische Oxidation unmittel­ bar bzw. vorlagenfrei gebildeten Hohlräumen abzugießen bzw. abzuformen, um eine Oberflächenstrukturierung im Nanometerbereich zu ermöglichen.

Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Gießform 1 im en­ geren Sinne beschränkt. Vielmehr ist die Oberflächenschicht 3 oder Deck­ schicht 6 als Vorlage für eine generelle Strukturierung einer Oberfläche, eines Werkzeugs, eins Werkstücks oder dergleichen im Nanometerbereich zu ver­ sehen. Insbesondere kann ein beliebiges Abformen der Vorlage erfolgen. Ins­ besondere ist nicht ein Umformen beim Abformen erforderlich. Bei­ spielsweise kann die Struktur durch Gießen oder dergleichen abgeformt wer­ den. Beispielsweise kann es sich dann bei dem herzustellenden Werkstück 8 mit der strukturierten Oberfläche 9 um ein Gußteil handeln, wobei die Struk­ turierung der Oberfläche 9 durch das Gießen bzw. Ausgießen oder ein sonsti­ ges Abformen der Gießform 1 erfolgt.

Claims (12)

1. Verwendung einer mit offenen Hohlräumen (4) durch anodische Oxida­ tion unmittelbar, vorlagenfrei versehenen Oberflächenschicht (3) oder Deckschicht (6), insbesondere einer Gießform (1) zur Strukturierung ei­ ner Oberfläche (9) eines Gußteils bzw. Werkstücks (8), dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) bzw. Deckschicht (6) mit den Hohlräu­ men (4) als Formfläche (2) durch Gießen abgeformt wird.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ flächenschicht (3) bzw. Deckschicht (6) zumindest im wesentlichen aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Eisenoxid, oxidiertem Stahl und/oder Titandioxid gebildet ist.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strukturierung der Oberfläche (9) im Nanometerbereich erfolgt.

4. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlräume (4) Öffnungsflächen mit einem mittle­ ren, vorzugsweise zumindest im wesentlichen einheitlichen Durchmesser (D) von 10 bis 500 nm, vorzugsweise von 15 bis 200 nm und insbeson­ dere von 20 bis 100 nm, aufweisen.

5. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strukturbreite (S) der Formfläche (2) im wesentli­ chen 30 bis 600 nm, insbesondere 50 bis 200 nm, beträgt.

6. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlräume (4) eine Tiefe (T) aufweisen, die min­ destens das 0,5-fache des mittleren Durchmessers (D) der Hohlräume (4) beträgt und insbesondere größer als der mittlere Durchmesser (D) der Hohlräume (4) ist.

7. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlräume (4) zumindest im wesentlichen ko­ nisch ausgebildet sind.

8. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlräume (4) in ihrer Form, Tiefe und/oder Flä­ chendichte über die Formfläche (2), insbesondere bereichsweise, variie­ ren und/oder nur bereichsweise auf der Formfläche (2) ausgebildet sind.

9. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Formfläche (2) sowohl eine Fein- als auch eine Grobstruktur aufweist.

10. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Formfläche (2) gekrümmt, vorzugsweise gewölbt ist.

11. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) bzw. Deckschicht (6) po­ tentiostatisch oder mit variierender Spannung, insbesondere galvanosta­ tisch, oxidiert wird.

12. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Formfläche (2) vor und/oder nach dem Oxidieren, insbesondere zur Erzeugung einer Grobstruktur, modifiziert wird, insbe­ sondere durch lithographische Verfahren, Ätzen und/oder sonstige, vor­ zugsweise materialabtragende Verfahren.