DE102004019951A1

DE102004019951A1 - Device with a scratch-resistant and optimized wetting properties having technical surface and method for producing the device

Info

Publication number: DE102004019951A1
Application number: DE102004019951A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Kleer; Rainer Dr. Kübler; Frank Dr. Burmeister; Ellen Dipl.-Phys. Schäffer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-03
Also published as: ATE504362T1; EP1729893A1; WO2005105324A1; DE502005011217D1; EP1729893B1

Abstract

The invention relates to a device with a scratch-resistant technical surface, which has optimized wetting properties, and to a method for producing this device. The invention is characterized in that the technical surface has structural elements distributed across the surface that have structural dimensions on the scale of micrometers and/or sub-micrometers and extend lateral and normal to the surface. In addition, at least surface areas between two adjacent structural element maxima are covered at least in part by a material layer that influences the wetting properties.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen sowie über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche sowie ein diesbezügliches Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.The The invention relates to a device with a scratch-resistant as well as optimized Wetting properties technical surface as well as a related matter Method of manufacturing the device.

Vorrichtungen der vorstehend genannten Gattung finden Anwendung in unterschiedlichsten technischen Gebieten, in denen der technischen Funktion der Oberfläche eines Körpers oder einer Komponente eine besondere Bedeutung zukommt. Beispielsweise Oberflächen, die zum Schutz vor Medien aller Art dienen, wie bspw. Abdeckungen, optische Sicht- und Schutzfenster etc., sollen einerseits über eine hohe mechanische Robustheit verfügen, um möglichst verschleißfrei äußeren auf die Oberfläche gerichteten mechanischen Einwirkungen zu widerstehen, und andererseits in einem möglichst geringen Maße mit einem auf die jeweilige Oberfläche auftretendem Medium in dauerhaften Kontakt zu treten, um zu vermeiden, dass die technische Funktionalität der Oberfläche durch die Benetzung mit einem Medium in Mitleidenschaft gezogen wird.devices The above-mentioned genus find application in a wide variety of technical Areas where the technical function of the surface of a body or a component is of particular importance. For example Surfaces, which serve to protect against media of all kinds, such as covers, optical viewing and protection windows, etc., on the one hand on a have high mechanical robustness to preferably wear-free outer the surface resist mechanical actions and on the other hand in one possible small dimensions with a medium occurring on the respective surface to make permanent contact, to avoid the technical functionality the surface affected by wetting with a medium becomes.

In vielen technischen Anwendungsfällen gilt es die Beschaffenheit von Oberflächen gerade so zu wählen, dass die an der Oberfläche vorherrschende Mikrostruktur und Oberflächenenergie zu einer möglichst geringen Benetzung mit einem mit der Oberfläche in Kontakt tretenden Fluid oder Flüssigkeit führt, d. h. der sich bei Kontakt mit einem Fluid ausbildende Benetzungswinkel zwischen einem Fluidtropfen und der benetzten Oberfläche sollte möglichst groß, möglichst > 90°, vorzugsweise > 120° sein. In diesem Fall verfügt die Oberfläche über schmutz- bzw. fluidabweisende Eigenschaften.In many technical applications It is important to choose the texture of surfaces just so that the on the surface predominant microstructure and surface energy to one as possible low wetting with a surface-contacting fluid or liquid leads, d. H. the wetting angle formed upon contact with a fluid between a fluid drop and the wetted surface should preferably large, preferably> 90 °, preferably> 120 °. In this case has the surface over dirt or fluid-repellent properties.

Ebenso sind technische Anwendungsfälle denkbar, bei denen Flüssigkeiten oder Fluide mit einen möglichst hohen Benetzungsgrad mit einer Oberfläche in Kontakt treten sollen. Hierzu ist es erforderlich, die zwischen der Oberfläche und dem Fluid herrschende Grenzflächenspannung derart zu wählen, dass sich ein möglichst geringer Benetzungswinkel einstellt. Derart konditionierte Oberflächen führen zur gezielten Spreitung des Fluids, das sich unter Ausbildung eines dünnen Fluidfilmes die Oberfläche überdeckt. Beispiel: Antibeschlagmittel für BrillengläserAs well are technical applications conceivable, where liquids or fluids with one as possible high degree of wetting with a surface to contact. For this it is necessary that between the surface and the fluid-dominating interfacial tension to choose such that one as possible setting low wetting angle. Such conditioned surfaces lead to targeted spreading of the fluid, resulting in formation of a thin Fluid film covers the surface. Example: Anti-fogging agent for lenses

Die im Weiteren beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das zur Herstellung der Vorrichtung geeignete Verfahren sieht Oberflächen mit mechanisch robusten, d. h. kratzfesten, Eigenschaften sowie mit gezielt optimierten Benetzungseigenschaften vor, die sich je nach Einsatzzweck entweder durch einen möglichst geringen Benetzungsgrad oder durch eine möglichst gute Benetzbarkeit mit Medien, insbesondere Flüssigkeiten und Fluide, auszeichnen. Ohne den Erfindungsgedanken auf eine der beiden Alternativen einzuschränken, beschäftigen sich die weiteren Ausführungen vornehmlich mit technischen Oberflächen, die über möglichst reduzierte Benetzungseigenschaften vertilgen.The hereinafter described apparatus according to the invention and the Making the device suitable method provides surfaces with mechanical robust, d. H. Scratch-resistant properties and with specifically optimized Wetting properties before, depending on the application either by one possible low degree of wetting or by the best possible wettability with Media, especially liquids and fluids. Without the idea of the invention on one of to restrict both alternatives, employ the further remarks primarily with technical surfaces that have the lowest possible wetting properties destroy.

Zur Verbesserung der mechanischen Beanspruchung technischer Oberflächen, die selbst aus einem nicht weiter kratzbeständigem Material bestehen, werden in an sich bekannter Weise Schichtmaterialien auf die zu schützenden Oberflächen aufgebracht, die in Form von Hartstoffschichten in erster Linie als Schutz gegenüber äußeren mechanischen Einwirkungen dienen. Zwar verfügen derartige Hartstoffschichten über eine hohe Abriebbeständigkeit, doch weisen sie aufgrund ihres Bindungstyps häufig auch hohe Oberflächenenergien auf, die insbesondere zu einem verstärkten Anhaften von festen oder flüssigen Medien führen, wodurch die Oberflächen derartiger Hartstoffschichten leicht verschmutzen. Insbesondere organische oder biologische Materialien, die selbst über niedrige Oberflächenspannungen verfügen, vermögen dauerhaft unter Ausbildung eines innigen Kontaktes an der Hartstoffoberfläche anzuhaften.to Improvement of mechanical stress on technical surfaces, which themselves from a material that is not scratch-resistant in a conventional manner, layer materials on the protected surfaces applied in the form of hard coatings in the first place as protection against external mechanical influences serve. Although dispose Such hard coatings on a high abrasion resistance, however Due to their type of bond, they frequently also have high surface energies in particular, to an increased adhesion of solid or liquid media to lead, whereby the surfaces of such Slightly contaminate hard coatings. In particular organic or biological materials that themselves have low surface tensions feature, capital permanently adhering to the hard material surface to form an intimate contact.

Maßnahmen zur Reduzierung der Anhaftung vorstehender Materialien bestehen darin, Substanzen auf die Oberfläche aufzutragen, die selbst über nur geringe Oberflächenenergien verfügen. Derartige Substanzen sind bspw. Fluor- oder Alkylsubstituierte organische Bausteine und/oder Polymere, durch die die Oberfläche der Hartstoffschicht in Hinblick ihrer Benetzungsfähigkeit regelrecht passivierbar ist. Nachteilhaft ist jedoch, dass derartige Materialien nur über eine geringe Resistenz gegenüber abrasiv wirkenden äußeren Einflüssen verfügen, so dass diese Materialien verhältnismäßig leicht aus dem Oberflächenverbund ausgelöst werden können. Auch vermögen Reiberscheinungen durch Inkontakttreten mit härteren Reibpartnern die Materialien leicht aus dem Oberflächenverbund herauszulösen.activities to reduce the adhesion of protruding materials in it, substances on the surface to apply that yourself over only low surface energies feature. Such substances are, for example, fluorine or alkyl-substituted organic Building blocks and / or polymers through which the surface of the Hard material layer in terms of wetting ability downright passable is. The disadvantage, however, is that such materials only over a low resistance to have abrasive external influences, so that these materials are relatively light from the surface composite triggered can be. Also able Rubbing phenomena by contact with harder friction partners the materials easy from the surface composite extract.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügende technische Oberfläche derart auszubilden, dass die in Rede stehende Oberfläche sowohl über eine hohe Kratzbeständigkeit als auch über eine hinreichend benetzungsoptimierte Funktion mit hoher Langzeitbeständigkeit verfügen soll. Insbesondere soll es möglich sein, Vorrichtungen und Komponenten mit einer kratzbeständigen und benetzungsoptimierten Oberfläche in einer möglichst einfachen und kostengünstigen Weise herzustellen. Je nach Einsatzzweck soll es darüber hinaus möglich sein, die Benetzungseigenschaften zweck- und anwendungsorientiert gezielt einzustellen.The invention has for its object to form a device with a scratch-resistant and optimized wetting properties possessing technical surface such that the surface in question should have both a high scratch resistance and a sufficiently wetting-optimized function with high long-term stability. In particular, it should be possible to produce devices and components with a scratch-resistant and wetting-optimized surface in a simple and inexpensive manner. Depending on the intended use, it should also be possible to set the wetting properties purposefully and application-oriented targeted.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 13 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren der Vorrichtung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution the object underlying the invention is specified in claim 1. Subject matter of claim 13 is a method according to the invention the device. The concept of the invention advantageously further Features are the subject of the dependent claims and the description in particular of the embodiments refer to.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche derart weitergebildet, dass die technische Oberfläche flächig verteilte Strukturelemente mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im μm- und/oder sub-μm-Bereich aufweist, und dass zumindest Oberflächenbereiche zwischen zwei benachbarten Strukturelementmaxima wenigstens teilweise mit einer die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialschicht überdeckt sind.According to the invention is a Device with a scratch-resistant and over optimized wetting properties possessing technical surface such further developed that the technical surface area distributed structural elements with structural dimensions extending laterally as well as normal to the surface in μm and / or sub-micron range has, and that at least surface areas between two neighboring Strukturelementmaxima at least partially with a The wetting properties affecting material layer covered are.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee liegt im Zusammenwirken der vorzugsweise aus mechanisch robusten Hartstoff bestehenden Strukturelementen, deren Strukturmaxima die in den Vertiefungen der Mikrostruktur befindliche Materialschicht überragen, und eben der die Benetzungseigenschaften der Oberfläche bestimmenden Materialschicht selbst. Die die Materialschicht überhöhenden Strukturelemente dienen vornehmlich zum Schutz vor unmittelbaren Reibkontakt an der Materialschicht mit möglichen Reibpartnern. In Fällen, in denen Reibpartner beliebiger Art in Kontakt mit der erfindungsgemäß gestalteten Oberfläche treten, sorgen die Strukturelemente für eine sichere Beabstandung der Reibpartner von der in den Vertiefungen der Mikrostruktur befindlichen Materialschicht. Lediglich die oberen Bereiche der Strukturelemente treten in diesen Fällen in Kontakt mit einem jeweiligen Reibpartner, wodurch jedoch die Strukturelemente durch ihre mechanische Robustheit und Härte gegen Beschädigungen extrem widerstandsfähig sind. Die ausgewählte Härte des Materials, aus dem die Strukturelemente gefertigt sind, ist somit entscheidend für die von der Oberfläche geforderten Kratzbeständigkeit.The The idea underlying the invention lies in the interaction of preferably made of mechanically robust hard material structural elements, the structure maxima of which are located in the depressions of the microstructure Overhang material layer, and just the wetting properties of the surface determining Material layer itself. The material layer of the overlying structural elements serve primarily for protection against direct frictional contact with the material layer with possible Friction partners. In cases, in which friction partners of any kind in contact with the inventively designed surface occur, provide the structural elements for a safe spacing the friction partner of the located in the wells of the microstructure Material layer. Only the upper areas of the structural elements occur in these cases in contact with a respective friction partner, whereby, however, the Structural elements by their mechanical robustness and hardness against damage extremely resistant are. The selected Hardness of Material from which the structural elements are made is thus crucial for from the surface required scratch resistance.

Besonders vorteilhaft in Hinblick auf eine erwünschte hohe Kratzbeständigkeit in Kombination mit einer optimierten Benetzbarkeit erweisen sich Strukturelemente mit lateralen Strukturdimensionen zwischen 50 nm und 150 μm sowie mit vertikalen Abmessungen, d. h. normal zur Oberfläche orientierte Strukturdimensionen, im Bereich zwischen 20 nm und 150 μm.Especially advantageous in view of a desired high scratch resistance in combination with an optimized wettability, structural elements prove to be with lateral structure dimensions between 50 nm and 150 μm as well as with vertical dimensions, d. H. normal to surface oriented structural dimensions, in the range between 20 nm and 150 μm.

In einem einfachsten Ausführungsbeispiel ist die mikrostrukturierte technische Oberfläche unmittelbar in die Materialoberfläche eines Körpers oder einer Komponente eingearbeitet. Die Ausbildung der Mikrostrukturierung erfolgt in vorteilhafter Weise mit Hilfe formgebender Prägewerkzeuge, mit denen die Oberfläche der jeweiligen Vorrichtung bzw. Komponente bearbeitet wird. Im einfachsten Fall dient zur Herstellung der die Mikrostruktur bildenden Strukturelemente ein die Negativform der Mikrostruktur aufweisendes, formgebendes Prägewerkzeug, das druckbeaufschlagt auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Komponente gepresst wird.In a simplest embodiment is the microstructured technical surface directly into the material surface of a body or a component incorporated. The training of microstructuring takes place in an advantageous manner with the aid of shaping embossing tools, with which the surface the respective device or component is processed. In the simplest Case is used to produce the structure forming the microstructure a shaping of the negative form of the microstructure Embossing tool the pressure applied to the surface of the component to be processed is pressed.

In einem an den Abformvorgang anschließenden Verfahrensschritt gilt es, eine die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht auf die vorstrukturierte Komponentenoberfläche abzuscheiden. Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, die Materialschicht lediglich zwischen den Strukturelementmaxima abzuscheiden, vielmehr kann aufgrund erwünschter Prozessökonomie die vorstrukturierte Oberfläche ganzflächig mit einer geeignet ausgewählten Materialschicht überdeckt werden. Für diesen Vorgang bieten sich an sich bekannte Abscheidetechniken an, wie bspw. die Benetzung der vorstrukturierten Oberfläche mittels Tauchtechnik, das Aufbringen der Materialschicht im Wege mechanischer Auftragetechniken, bspw. unter mittels Pinsel- oder Stempeltechnik, das Aufspinnen, Aufsprühen, Aufdampfen oder das plasmagestützte Auftragen. Auch sind beliebige Kombinationen der vorstehenden Beschichtungstechniken möglich. In allen Fällen wird die, die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht mit einer Schichtdicke auf die vorstrukturierte Oberfläche abgeschieden, bei der sämtliche Strukturelementmaxima vorzugsweise mit einer einheitlichen Materialschichtdicke überdeckt werden. Vorzugsweise sollte die, die Strukturelementmaxima überhöhende Materialschichtdicke 0,5 mm nicht überschreiten.In a subsequent to the molding process step applies it, a material layer influencing the wetting properties to deposit the pre-structured component surface. Not necessarily It is necessary, the material layer only between the To deposit structure element maxima, but can due to desired procedural economy the pre-structured surface the whole area with a suitably selected one Covered material layer become. For this Operation offer itself to known deposition techniques, such as For example, the wetting of the prestructured surface by means of dipping, the Application of the material layer by means of mechanical application techniques, For example, by means of brush or stamping technique, the spinning, spraying, Vaporizing or the plasma-assisted Instruct. Also, any combinations of the above coating techniques possible. In all cases becomes the material layer affecting wetting properties deposited with a layer thickness on the prestructured surface, at the all Structure element maxima are preferably covered with a uniform material layer thickness. Preferably, the, the Strukturelementmaxima excessive material layer thickness 0.5 mm.

Da wie im Weiteren noch ausgeführt wird, das die Benetzungseigenschaften bestimmende Material über eine weit geringere mechanische Robustheit bzw. Festigkeit verfügt als jenes Material, aus dem die Strukturelement bestehen, erfolgt in aller Regel ein durch den bestimmungsgemäßen Einsatz und Gebrauch der jeweiligen Komponente bedingter Materialabtrag, durch den die auf die Mikrostruktur aufgebrachte Materialschicht bis zu einer Materialrestschichtdicke abgetragen wird, die im Bereich der maximalen Strukturelementhöhe sowie darunter liegt. Ein weiterer durch äußere Einwirkungen hervorgerufener Materialabtrag an der Materialschicht unterbleibt selbst unter abrasiv wirkenden Umgebungsbedingungen, zumal die in den Zwischenbereichen zwischen den Strukturelementen befindliche Materialschicht durch die Strukturüberhöhungen vor weiterem Materialabtrag geschützt werden.Since, as will be explained below, the material determining the wetting properties has far less mechanical robustness or strength than the material of which the structural elements consist, as a rule a material removal caused by the intended use and use of the respective component occurs. by which the material layer applied to the microstructure is removed up to a material residual layer thickness which lies in the region of the maximum structural element height and below. Another material removal caused by external influences on the material layer does not occur even under abrasive surroundings conditions, especially since the material layer located in the intermediate areas between the structural elements are protected by the structure elevations from further material removal.

Zur Einstellung der Benetzungseigenschaften der erfindungsgemäß ausgebildeten Oberfläche spielt die Materialwahl für die zwischen den einzelnen Strukturelementen abzuscheidende Materialschicht eine zentrale Rolle. Gilt es, wie eingangs erwähnt, eine kratzfeste Oberfläche zu schaffen, auf der bspw. Flüssigkeiten oder Fluide die Tendenz des Spreitens zeigen sollen, so sind Materialien auszuwählen, an denen Flüssigkeiten oder Fluide einen sehr kleinen Kontaktwinkel annehmen, vorzugsweise einen Kontaktwinkel von 0° annehmen, d. h. der Flüssigkeits- oder Fluidtropfen breitet sich als dünner Film über die gesamte Oberfläche aus. Soll hingegen die Oberfläche eine möglichst geringe Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten oder Fluiden aufweisen, so sind Materialien für die Materialschicht zu wählen, die bei Kontakt mit Flüssigkeiten einen möglichst großen Kontaktwinkel, vorzugsweise > 90° hervorrufen. Derartige Materialschichtoberflächen wirken stark hydrophob bzw. material- oder schmutzabweisend. Derartige Materialien stellen vorzugsweise Moleküle, Molekülbausteine oder Polymerbausteine dar, die wenigstens anteilig von Fluor-, Silan- und/oder Alkylgruppen tragende Moleküle gebildet werden. Ebenso eigenen sich Materialien, die wenigstens anteilig Fluorgruppen, Silangruppen oder Alkylgruppen tragende Molekülbausteine oder Polymerbausteine enthalten. Insbesondere eignen sich hierzu Moleküle, Molekülbausteine oder Polymerbausteine, die wenigstens anteilig Fluorverbindungen, wie bspw. Fluorsilane, Fluorsilanhydrosilate, Fluorcarbonharze oder Fluoracrylate enthalten. Gleichsam eignen sich Materialien mit Komponenten auf Siliconbasis. Weitere geeignete Stoffgruppen betreffen organische Oligomere, Polymere bzw. Copolymere mit polaren Gruppen, wie bspw. Hydroxyethylacrylsäureester, Hydroxyethylmethacrylsäureester, Polyurethan, Polyethylenglycol oder Hydroxyethylcellulose. Die Reihe geeigneter Materialien lässt sich in an sich bekannter Weise fortsetzen.to Adjustment of the wetting properties of the inventively designed Surface plays the choice of material for the material layer to be deposited between the individual structural elements a central role. Is it, as mentioned above, to create a scratch-resistant surface, on the example. Liquids or fluids should show the tendency of spreading, so are materials select where liquids or fluids adopt a very small contact angle, preferably one Assume contact angle of 0 °, d. H. the liquid or fluid drops spread as a thin film over the entire surface. Should, however, the surface one possible low wettability with liquids or fluids, materials should be selected for the material layer, the in contact with liquids one possible huge Contact angle, preferably> 90 ° cause. Such material layer surfaces act strongly hydrophobic or material or dirt repellent. such Materials are preferably molecules, molecular building blocks or polymer building blocks which is at least partly of fluorine, silane and / or alkyl groups carrying molecules be formed. Equally suitable materials, at least Proportionally fluorine groups, silane groups or alkyl-bearing molecular building blocks or contain polymer blocks. In particular, suitable for this purpose molecules molecular building blocks or polymer building blocks which at least partly contain fluorine compounds, such as fluorosilanes, Fluorsilanhydrosilate, fluorocarbon resins or Contain fluoroacrylates. Likewise, materials are suitable with components silicone-based. Other suitable groups of substances concern organic Oligomers, polymers or copolymers with polar groups, such as. hydroxyethyl acrylate, Hydroxyethylmethacrylsäureester, Polyurethane, polyethylene glycol or hydroxyethyl cellulose. The series suitable materials continue in a conventional manner.

In einer weiteren vorteilhaften Weise können die benetzungssteuernden bzw. die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialien zur Erzielung einer bakteriellen, antibakteriellen sowie zellaktiven Wirkung wenigstens anteilig Metalle oder Metallionen enthalten, wie bspw. Silber oder Kupfer.In In a further advantageous manner, the wetting-controlling or the wetting properties influencing materials for Obtaining a bacterial, antibacterial and cell-active Contain at least a proportion of metals or metal ions, such as silver or copper.

Als besonders vorteilhaft hat sich für eine geeignete Materialschichtdicke der sich in den Vertiefungen der Mikrostruktur anzuordnenden Materialschicht die Ausbildung von etwa 30 oder mehr Moleküllagen aus den vorstehend beschriebenen Molekülen, Molekülbausteinen und/oder Polymerbausteinen erwiesen.When has been particularly beneficial for a suitable material layer thickness in the wells the microstructure to be arranged material layer the formation of about 30 or more molecule layers from the above-described molecules, molecular building blocks and / or polymer building blocks proved.

Die vorstehend beschriebene Mikrostruktur ist mittels Abform- oder Prägetechnik in die Materialoberfläche einer Komponente oder Vorrichtung eingearbeitet worden, so dass die einzelnen Strukturelemente aus dem gleichen Material bestehen wie die Komponente selbst, bzw. Teile der Komponente selbst. Alternativ hierzu ist es ebenso möglich, die Strukturelemente im Rahmen einer extra auf der Komponentenoberfläche abzuscheidenden Materialschicht auszubilden. Besonders eignet sich hierzu das PVD-Abscheideverfahren mit dem Hartstoffschichten auf eine Komponentenoberfläche abzuscheiden sind, wobei sich die Strukturelemente in selbst organisierender Weise auszubilden vermögen. Als Hartstoffschichtmaterialien eignen sich Materialsysteme auf Basis nitridischer und/oder oxidischer Hartstoffe nach folgender Stoffzusammensetzung: Me:O_x/N_y, unter Verwendung eines der nachfolgenden Metalle Ti, Zr, Al, W, Mo, Si, Cr. Derartige Hartstoffmaterialien verfügen über die für die gewünschte Kratzbeständigkeit erforderliche Materialhärte und vermögen die, die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht vor äußeren mechanischen sowie auch abrasiv wirkenden Einflüssen dauerhaft zu schützen.The microstructure described above has been incorporated into the material surface of a component or device by means of an impression or embossing technique so that the individual structural elements consist of the same material as the component itself or parts of the component itself. Alternatively, it is also possible to use the Structure elements in the context of an extra deposited on the component surface material layer. Particularly suitable for this purpose is the PVD deposition process with the hard material layers to be deposited on a component surface, wherein the structural elements are able to form in a self-organizing manner. Suitable hard material layer materials are material systems based on nitridic and / or oxidic hard materials of the following composition: Me: O _x / N _y , using one of the following metals: Ti, Zr, Al, W, Mo, Si, Cr. Hard materials of this type have the material hardness required for the desired scratch resistance and are able to permanently protect the material layer influencing the wetting properties from external mechanical as well as abrasive influences.

Ebenso denkbar ist die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Oberflächenaufbaus, mit einem strukturierten Grundsubstrat, das in Art einer Folie ausgebildet ist, deren eine Oberseite in der vorstehend beschriebenen Weise mikrostrukturiert ist.As well conceivable is the formation of a surface structure according to the invention, with a structured Base substrate, which is formed in the manner of a film, one of them Microstructured top in the manner described above is.

Zumindest in den durch benachbarte Strukturelemente begrenzten Vertiefungen ist eine die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht abgeschieden, deren Schichtoberfläche jeweils, zumindest von den höchsten Erhebungen der Strukturelemente überragt wird. Das folienartig ausgebildete Grundsubstrat kann entsprechend über eine, an der der strukturierten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche vorgesehenen adhäsiv wirkenden Haftvermittlerschicht auf beliebige Komponenten und Vorrichtung aufgebracht werden. Beispielsweise können entsprechend konfektionierte Folien, die über optisch transparente Eigenschaften verfügen, auf Fensterscheiben aufgeklebt werden, wodurch den insbesondere äußeren Witterungserscheinungen ausgesetzten Fensterflächen eine kratzbeständige sowie wasser- und schmutzaufweisende Oberflächenwirkung verliehen wird.At least in the limited by adjacent structural elements depressions is a wetting properties determining material layer deposited, the layer surface respectively, at least of the highest Elevations of the structural elements dominates becomes. The film-like base substrate can accordingly over a, at the textured surface opposite surface provided adhesive acting adhesion promoter layer on any components and device be applied. For example, can be prepared accordingly Slides that look over optically have transparent properties, be glued to windows, which exposed to the particular external weather conditions windows a scratch resistant as well water- and dirt-bearing surface effect is awarded.

Kurze Beschreibung der ErfindungShort description of invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The Invention will be described below without limiting the general inventive concept of exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawings. It demonstrate:

1a, 1b Komponente mit strukturierter Oberfläche sowie 1a . 1b Component with structuring ter surface as well

2 Komponente mit zusätzlicher mikrostrukturierter PVD-Schicht. 2 Component with additional microstructured PVD layer.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to execute the Invention, industrial applicability

In den 1a und 1b sind jeweils schematisierte Querschnittsbilder durch den Oberflächenbereich einer Komponente 3 dargestellt, die vorzugsweise aus einem Hartstoffmaterial gefertigt ist, das über eine ausreichende Materialhärte verfügt. Die Oberfläche der Komponente 3 weist eine Mikrostrukturierung mit stochastisch ausgebildeten und angeordneten Strukturelementen 1 auf. Ebenso denkbar ist eine periodische Anordnung von Strukturelementen oder eine Mischung von stochastisch und periodisch angeordnete Strukturelementen 1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1a weisen die Strukturelemente 1 jeweils laterale Abstände zwischen 50 nm – 150 μm auf. Durchschnittliche vertikale Strukturdimensionen liegen in der Größenordnung zwischen 20 nm und 100 μm.In the 1a and 1b are each schematic cross-sectional images through the surface area of a component 3 represented, which is preferably made of a hard material which has a sufficient material hardness. The surface of the component 3 has a microstructure with stochastically formed and arranged structural elements 1 on. Also conceivable is a periodic arrangement of structural elements or a mixture of stochastically and periodically arranged structural elements 1 , In the illustrated embodiment according to 1a have the structural elements 1 each lateral distances between 50 nm - 150 microns on. Average vertical structure dimensions are on the order of 20 nm to 100 μm.

Zur Herstellung der in die Oberfläche der Komponente 3 eingebrachte Mikrostruktur können an sich bekannte Präge- sowie Abformprozesse eingesetzt werden, bspw. mittels Presskontakt zwischen einem Prägewerkzeug bzw. -stempel und der zu strukturierenden Materialoberfläche.For the preparation of the surface of the component 3 introduced microstructure can be used per se known embossing and molding processes, for example. By means of press contact between a stamping tool or die and the material surface to be structured.

Ferner weist die technisch funktional ausgebildete Oberfläche eine die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht 7 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1a die Strukturelemente 1 vollständig überdeckt. Die Überdeckung rührt von der Art ihrer Herstellungsweise her, bei der die Materialschicht 7 im Wege eines konventionellen Materialauftragevorganges auf die vorstrukturierte Oberfläche abgeschieden wird. Bspw. eignen sich mechanische Auftragungstechniken bspw. mit Hilfe von Pinsel oder das Benetzen der mikrostrukturierten Oberfläche durch Eintauchen der Mikrostruktur in ein Tauchbad, ebenso kann die Materialschicht 7 mittels Aufspinnen, Aufsprühen, Aufdampfen oder mittels plasmagestützten Auftragen abgeschieden werden.Furthermore, the technically functional surface has a wetting properties determining material layer 7 on, in the embodiment shown in accordance with 1a the structural elements 1 completely covered. The overlap stems from the nature of their manufacturing process, in which the material layer 7 is deposited on the pre-structured surface by way of a conventional material application process. For example. For example, with the help of brush or the wetting of the microstructured surface by immersing the microstructure in a dipping bath, mechanical application techniques are suitable, as can the material layer 7 by means of spinning, spraying, vapor deposition or by means of plasma-assisted deposition.

Je nach Anwendungszweck werden Materialien für die Schicht 7 gewählt, die über bestimmte Oberflächenenergien verfügen und entweder zu einem Spreiten von auf der Materialschichtoberfläche 7 in Kontakt tretenden Flüssigkeiten oder Fluiden führen oder zu ihrer entsprechenden Abweisung. Letztere Eigenschaft dient insbesondere für technisch funktionale Oberflächen mit schmutz- und wasserabweisenden Oberflächeneigenschaften. Zur Auswahl geeigneter Materialien stehen dem Fachmann an sich bekannte Materialien, wie vorstehend erwähnt, zur Verfügung.Depending on the application, materials for the layer 7 which have certain surface energies and either spread on the material layer surface 7 lead in contact with liquids or fluids or their corresponding rejection. The latter property is particularly useful for technically functional surfaces with dirt and water repellent surface properties. For selecting suitable materials, materials known per se to those skilled in the art, as mentioned above, are available.

Typischerweise ist die Materialschicht 7 im Vergleich zum Material, aus dem die Komponente 3 besteht, weit weniger mechanisch robust, so dass durch äußere mechanische Einwirkungen, bspw. durch Reibung, ein entsprechender Materialabtrag an den die Strukturelemente 1 überragenden Materialschichtbereichen auftritt. Bspw. durch den bestimmungsgemäßen Gebrauch der erfindungsgemäß ausgebildeten Oberfläche kommt es zu einem Materialabtrag bis zu einem Zustand der in 1b dargestellt ist. Ebenso kann der Materialabtrag technisch gezielt vorgenommen werden.Typically, the material layer 7 compared to the material that makes up the component 3 exists, far less mechanically robust, so that by external mechanical effects, for example by friction, a corresponding removal of material to the structural elements 1 protruding material layer areas occurs. For example. due to the intended use of the surface formed according to the invention, there is a material removal up to a state of in 1b is shown. Likewise, the material removal can be made technically targeted.

In 1b ist die Materialschicht 7 durch entsprechenden Materialabtrag soweit dickenreduziert, dass die Materialschicht 7 ausschließlich jene Oberflächenbereiche überdeckt, die jeweils zwischen zwei Strukturelementmaxima liegen. Die Strukturelementmaxima, die sich senkrecht über die Bereiche der innerhalb der Vertiefungen befindlichen Materialschicht 7 erheben, dienen einerseits als Schutz vor weiterem durch Abrieb bedingten Materialabtrag an der Materialschicht 7 und zudem verleihen sie der gesamten Oberfläche ihre Kratzfestigkeit, zumal sie bevorzugt aus hartem Material bestehen, wie bspw. aus nitridischen oder oxidischen Hartstoffen. Die zwischen den einzelnen Strukturelementmaxima befindlichen Materialschichtbereiche 7 bestimmen die Benetzungseigenschaften der strukturierten Oberfläche. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass der Volumenanteil der Materialschicht 7 innerhalb eines sog. Rauhigkeitsbereiches 6, der durch eine obere Begrenzungsebene OB, die das absolute Maximum 5 aller Strukturelemente enthält, sowie durch die untere Begrenzungsebene UB, die das absolute Minimum 4 aller Strukturelemente enthält, begrenzt wird, bis zu 30%, vorzugsweise zwischen 10 und 20% beträgt.In 1b is the material layer 7 by appropriate material removal as far as reduced in thickness that the material layer 7 covers only those surface areas that lie between two structural element maxima. The structural element maxima extending perpendicularly over the regions of the material layer located within the depressions 7 On the one hand, they serve as protection against further abrasion of material on the material layer 7 In addition, they give the entire surface their scratch resistance, especially since they are preferably made of hard material, such as, for example, from nitridic or oxidic hard materials. The material layer areas located between the individual structural element maxima 7 determine the wetting properties of the structured surface. It has proved to be particularly advantageous that the volume fraction of the material layer 7 within a so-called roughness range 6 passing through an upper bound OB, which is the absolute maximum 5 contains all structural elements, as well as through the lower boundary plane UB, which is the absolute minimum 4 of all structural elements is limited, up to 30%, preferably between 10 and 20%.

In 2 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die mikrostrukturierte Oberfläche nicht wie im vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar in die Oberfläche einer Materialkomponente 3 eingearbeitet ist, sondern in Form einer zusätzlich PVD-Schicht 8 auf einer Oberfläche der Komponente 3 abgeschieden ist. Zur Herstellung der mikrostrukturierten PVD-Schicht bedient man sich in vorteilhafter Weise einer selbstorganisierenden Strukturbildung, die im Rahmen des PVD-Abscheideverfahrens herstellbar ist. Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Strukturelemente 1 stochastisch ausgebildet und verteilt angeordnet. In den Vertiefungen zwischen den die Oberfläche überragenden Strukturelement 1 ist die, die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht 7, wie vorstehend beschrieben, abgeschieden. Wieder ereignet sich zur Ausbildung der Strukturelemente die Verwendung nitridischer und/oder oxidischer Hartstoffe gemäß nachfolgender Stoffstruktur: Me:O_x/N_y mit den Metallen Titan, Zirkonium, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Silizium oder Chrom.In 2 a further alternative embodiment is shown in which the microstructured surface does not directly into the surface of a material component as in the embodiment illustrated above 3 is incorporated, but in the form of an additional PVD layer 8th on a surface of the component 3 is deposited. To produce the microstructured PVD layer, use is advantageously made of a self-organizing structure formation that can be produced in the context of the PVD deposition process. Also in the embodiment according to 2 are the structural elements 1 stochastically trained and distributed. In the recesses between the structural element which projects beyond the surface 1 is the material layer that determines wetting properties 7 as described above divorced. Again, to form the structural elements, the use of nitridic and / or oxidic hard materials according to the following substance structure occurs: Me: O _x / N _y with the metals titanium, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, silicon or chromium.

11: Strukturelementestructural elements
22: Vertiefungenwells
33: Material, KomponenteMaterial, component
44: Absolutes Minimumabsolute minimum
55: Absolutes Maximumabsolute maximum
66: Rauhigkeitsbereichroughness range
77: Materialschichtmaterial layer
88th: PVD-SchichtPVD-layer
OBIF: Obere BegrenzungsebeneUpper limiting plane
UBUB: Untere BegrenzungsebeneLower limiting plane

Claims

Device with a scratch-resistant and optimized wetting properties possessing technical surface, characterized in that the technical surface has surface-distributed structural elements having laterally and normal to the surface extending structural dimensions in the micron and / or sub-micron range, and that at least surface areas between two adjacent Strukturelementmaxima are at least partially covered with a wetting properties affecting material layer.

Device according to claim 1, characterized in that the structural elements are distributed stochastically and / or periodically are arranged and lateral structural dimensions between 50 nm and 150 μm and normal to the surface oriented structural dimensions between 20 nm and 150 microns have.

Apparatus according to claim 1 or 2, thereby characterized in that the structural elements each have a Structure maximum and have a structural minimum, that a roughness area is given by an upper and lower boundary plane, wherein the upper bounding plane is the absolute maximum and the lower bounding plane contains the absolute minimum of all structure elements and both boundary planes are largely oriented parallel to the lateral extent of the technical surface, and that the volume fraction of the wetting properties influencing material layer within the roughness range up to 70%, preferably between 20% and 60%.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized that the material properties influencing the wetting properties from wetting-controlling molecules, Molecule building blocks and / or Consists of polymer blocks.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized that the material properties influencing the wetting properties at least proportionally fluoro, silane and / or alkyl groups bearing molecules or at least proportionally fluorine groups, silane groups and / or alkyl groups carrying molecular building blocks and / or polymer building blocks.

Device according to claim 5, characterized in that that the material properties influencing the wetting properties at least proportionally a fluorine compound, such as fluorosilane, Fluorsilanhydrosylat, Fluorocarbon resin, fluoroacrylate and / or at least one material component contains silicone-based.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the wetting properties affecting material layer at least partially organic molecules, molecular building blocks, oligomers and / or polymers or copolymers having polar groups, preferably COH, COOH, COONH, SO ₃ H.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized that the material properties influencing the wetting properties for purposes of bacterial, antibacterial and / or cell-active Proportion of metal or metal ions, preferably Ta, Ag or Contains Cu.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized that the material properties influencing the wetting properties a layer thickness of up to 30 molecule layers of wetting-controlling molecules Molecule building blocks and / or Having polymer blocks.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized that the technical surface at least part of a surface a base substrate is that the structural elements in one piece are made of the base substrate.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized that the structural elements of the technical surface in the form of at least one Additional layer are applied to a base substrate.

Apparatus according to claim 11, characterized in that the additional layer is a nitridic and / or oxidic hard material layer consisting of a metal compound of the following type: Me: O _x / N _y , with metals such as Ti, Zr, Al, W, Mo, Si, Cr.

Device according to claim 11, characterized in that that the additional layer is a metallic layer, preferably consisting of precious metals, such as Ag, Au, Cu.

Device according to one of claims 1 to 13, characterized that the wetting properties affecting material layer the Wetting properties specifically increased or reduced.

Method for producing a device with a scratch resistant and over optimized wetting properties, having technical surface marked by the following process steps: - Structuring a surface of a Basic substrate for the formation of structural elements with lateral as well as normal to the surface extending structural dimensions in the μm and / or sub-μm range, or - Separate an additional layer on a surface of a base substrate below Formation of structural elements with lateral and normal to the surface extending Structural dimensions in μm and / or sub-micron range, - Separate one influencing the wetting properties of the technical surface Material layer at least in surface areas between two adjacent structural element maxima.

Method according to claim 15, characterized in that that the structuring of the base substrate by a molding or embossing process or by means of a lithographic process.

Method according to claim 15, characterized in that that the deposition of the additional layer by means of a PVD deposition process he follows.

Method according to claim 17, characterized in that that the formation of the structural elements in the context of the PVD deposition process takes place in the form of a self-organizing structure formation.

Method according to one of claims 15 to 18, characterized that the deposition of the wetting properties of the technical surface influencing Material layer using at least one of the following deposition methods he follows: Immersion bath, mechanical application, spinning, spraying, vapor deposition, and / or plasma assisted Instruct.

Use of the device as a cover, optical Element, such as viewing windows, or handling or decorative parts.