DE102014112133A1 - Beschichtung für eine Glasoberfläche, Verfahren zu deren Herstellung und Glaselement - Google Patents

Abstract

Es wird eine Beschichtung für eine Glasoberfläche beschrieben, umfassend eine auf die Glasoberfläche aufgebrachte transparente anorganische Schicht (2), welche an einer von der Glasoberfläche abgewandten Oberfläche eine Nanostruktur (3) aufweist, und eine auf die Nanostruktur (3) aufgebrachte anorganische Schutzschicht (4), wobei die Schutzschicht (4) ein Siliziumoxid aufweist. Weiterhin werden ein Glaselement mit der Beschichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtung angegeben.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für eine Glasoberfläche, ein Glaselement mit einer Glasoberfläche, auf welche die Beschichtung aufgebracht ist, und ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtung auf einer Glasoberfläche.
• Die Anforderungen an Glasoberflächen mit multifunktionalen Eigenschaften sind komplex. Im optischen Bereich sollen Funktionsflächen neben ihrer eigentlichen Hauptfunktion, wie beispielsweise ein spezielles Benetzungsverhalten, gleichzeitig auch eine ausgezeichnete optische Qualität aufweisen.
• In der Praxis müssen solche Funktionsflächen auch Forderungen nach Langzeitstabilität bzw. mechanischer Stabilität gerecht werden. Neben den Materialeigenschaften stellt dabei die Rauheitsstruktur einen entscheidenden Faktor dar. Letztere muss derart realisiert sein, dass die teilweise stark miteinander konkurrierenden Funktionen den einzelnen Anforderungen gerecht werden. Dies bedeutet zum Beispiel, dass eine bestimmte Oberflächenrauheit für die gewünschte Funktionalität erforderlich ist, diese sich aber gleichzeitig negativ sowohl auf die optischen, als auch auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Im Hinblick auf optische Anforderungen, d.h. geringe Streulichtverluste im sichtbaren Wellenlängenbereich, erfüllen nur Nanostrukturen diese komplexen Ansprüche. Problematisch dabei ist aber, dass Strukturen im Nanometerbereich hinsichtlich der mechanischen Stabilität im Vergleich zu Oberflächenstrukturen im Mikro- oder Makrometerbereich deutlich empfindlicher sind, d.h. eine mechanische Stabilität ist nicht gegeben, wodurch ein Funktionsverlust bereits nach minimaler mechanischer Belastung (Abrieb) auftritt. Für fast alle Anwendungen, wie beispielsweise bei Brillengläsern oder Visieren, bei Gebrauchs- oder Schmuckglas, oder im Schiffs- und Fahrzeugbau, ist neben der Hauptfunktion der Oberfläche eine bestimmte mechanische Stabilität unabdingbar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung für eine Glasoberfläche und ein Glaselement mit einer beschichteten Glasoberfläche anzugeben, wobei sich die Beschichtung durch mittels einer Nanostruktur erzielte funktionale Eigenschaft und gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität sowie eine hohe optische Qualität auszeichnet. Weiterhin soll ein vorteilhaftes Verfahren angegeben werden, mit dem sich die Beschichtung mit geringem Herstellungsaufwand herstellen lässt.
• Diese Aufgaben werden durch eine Beschichtung für eine Glasoberfläche, ein Glaselement und ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einer Glasoberfläche gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst die Beschichtung für eine Glasoberfläche eine auf die Glasoberfläche aufgebrachte transparente anorganische Schicht, welche an einer von der Glasoberfläche abgewandten Oberfläche eine Nanostruktur aufweist. Die anorganische Schicht ist vorzugsweise eine dielektrische Schicht, insbesondere eine Oxidschicht wie zum Beispiel eine Al₂O₃-Schicht. Auf die Nanostruktur ist eine anorganische Schutzschicht aufgebracht, die vorzugsweise ein Siliziumoxid wie zum Beispiel SiO₂ aufweist. Für die mechanische Stabilität und insbesondere die Temperaturstabilität der Beschichtung ist es von Vorteil, dass die auf die Glasoberfläche aufgebrachte Schicht, in welcher die Nanostruktur erzeugt wird, und die darauf angeordnete Schutzschicht jeweils anorganische Schichten sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung ausschließlich anorganische Schichten aufweist.
• Durch die Nanostruktur an der von der Glasoberfläche abgewandten Oberfläche der anorganischen Schicht können die funktionalen Eigenschaften der Beschichtung, insbesondere die Benetzungseigenschaften und/oder die optischen Eigenschaften, vorteilhaft gezielt eingestellt werden. Durch eine gezielte Einstellung der Rauheit der nanostrukturierten Oberfläche in Kombination mit den intrinsischen Materialeigenschaften der anorganischen Schicht kann die Beschichtung insbesondere mit einer hydrophoben, superhydrophoben (selbstreinigend), superhydrophilen (antibeschlagend) oder reflexionsmindernden Eigenschaft versehen werden.
• Die Nanostruktur ist vorzugsweise eine stochastische Nanostruktur, die durch eine Vielzahl von statistisch verteilten Erhebungen und Vertiefungen an der Oberfläche der anorganischen Schicht gebildet ist. Zur Herstellung einer solchen stochastischen Nanostruktur wird vorzugsweise ein Verfahren eingesetzt, bei dem keine Maskenschicht verwendet wird, wie dies beispielsweise bei der Erzeugung von periodischen Nanostrukturen der Fall ist. Eine stochastische Nanostruktur ist aufgrund des nicht erforderlichen Aufbringens und Strukturierens einer Maskenschicht vorteilhaft mit einem geringeren Herstellungsaufwand als eine periodische Maskenstruktur herstellbar.
• Durch die auf die Nanostruktur aufgebrachte anorganische Schutzschicht, die ein Siliziumoxid aufweist, wird erreicht, dass sich die mechanische Stabilität der Nanostruktur wesentlich verbessert. Insbesondere wird die Stabilität der Nanostruktur gegenüber Abrieb im Vergleich zu einer ungeschützten Nanostruktur durch die Schutzschicht aus einem Siliziumoxid wesentlich verbessert.
• Die auf die Nanostruktur aufgebrachte Schutzschicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen einschließlich 40 nm und einschließlich 50 nm auf. Es hat sich herausgestellt, dass eine Schutzschicht mit einer Dicke in diesem Bereich dem Schichtsystem eine ausreichende mechanische Stabilität verleiht, ohne die funktionalen Eigenschaften der Nanostruktur, insbesondere die Benetzungseigenschaften und die optischen Eigenschaften, wesentlich zu beeinträchtigen. Insbesondere wurde herausgefunden, dass eine zu geringe Schichtdicke von deutlich weniger als 40 nm dem Schichtsystem keinen ausreichenden Schutz gegenüber äußeren mechanischen Einwirkungen bieten würde. Andererseits würde eine zu große Schichtdicke von deutlich mehr als 50 nm die Funktionalität der Nanostruktur, beispielsweise im Hinblick auf die Benetzungseigenschaften, aber auch im Hinblick auf die optischen Eigenschaften, nachteilig beeinflussen. Dies ist insbesondere dadurch zu erklären, dass die Vertiefungen der Nanostruktur bei einer zu dicken Schutzschicht zumindest teilweise von der Schutzschicht eingeebnet würden.
• Die Schutzschicht bedeckt die Nanostruktur vorzugsweise konform, d.h. die Oberfläche der Schutzschicht weist im wesentlichen die gleiche Nanostruktur wie die darunterliegende anorganische Schicht auf und ebnet diese insbesondere nicht ein. Dies wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass die Schutzschicht eine Dicke in dem bevorzugten Dickenbereich zwischen einschließlich 40 nm und einschließlich 50 nm aufweist.
• Die anorganische Schicht der Beschichtung ist vorzugsweise eine Aluminiumoxidschicht, insbesondere eine Al₂O₃-Schicht. Eine Aluminiumoxidschicht ist vorteilhaft in einem großen Wellenlängenbereich, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich, transparent und kann durch eine Vielzahl von Verfahren, beispielsweise PVD-, CVD- oder nasschemische Verfahren aufgebracht werden. Weiterhin zeigt sich, dass in einer Aluminiumoxidschicht eine geeignete Nanostruktur auf vergleichsweise einfache Weise durch eine thermische Behandlung erzeugt werden kann.
• Zur Strukturuntersuchung der Nanostruktur wird vorteilhaft ein weiter Ortsfrequenzbereich messtechnisch erfasst, wozu verschiedene Messverfahren eingesetzt und ggf. kombiniert werden können. Eine quantitative Beschreibung der messtechnisch erfassten Nanostruktur ermöglicht insbesondere die spektrale Leistungsdichtefunktion (PSD). Die PSD-Funktion beinhaltet sowohl die vertikale, als auch die laterale Stärke der Rauheitsanteile als Funktion der Ortsfrequenz und ergibt sich aus dem Betragsquadrat der Fouriertransformierten der Höhenwerte der Oberfläche. Aus der PSD-Funktion lässt sich ein dimensionsloser strukturabhängiger Benetzungsparameter ableiten, welcher zur Vorhersage des Benetzungsverhaltens einer Oberfläche dient. Die PSD-Funktion bzw. die Ableitung des Benetzungsparameters aus der PSD-Funktion sind an sich aus den Druckschriften A. Duparré, J. Ferre-Borrull, S. Gliech, G. Notni, J. Steinert, J. M. Bennett: "Surface characterization techniques for determining the root-meansquare roughness and power spectral densities of optical components", Applied Optics 41, 154–171 (2002) und A. Duparré, M. Flemming, J. Steinert, K. Reihs: "Optical Coatings with Enhanced Roughness for Ultrahydrophobic, Low-Scatter Applications", Applied Optics 41, 3294–3298 (2002) bekannt, deren Inhalt diesbezüglich hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
• Die Nanostruktur weist vorzugsweise einen Benetzungsparameter κ_B ≥ 0,3 auf. Besonders bevorzugt beträgt der Benetzungsparameter κ_B ≥ 0,4. Auf diese Weise kann in Kombination mit einer hydrophoben Deckschicht erreicht werden, dass die Nanostruktur superhydrophobe Eigenschaften und vorzugsweise ein selbstreinigendes Verhalten aufweist. Ein selbstreinigendes Verhalten bedeutet hierbei, dass die Oberfläche einen so großen makroskopischen Kontaktwinkel gegenüber Wasser aufweist, dass bei einer Neigung der Oberfläche eine Abrollbewegung von nahezu perfekt sphärisch geformten Wassertropfen von der Oberfläche beobachtet werden kann.
• Die Nanostruktur weist vorzugsweise eine rms-Rauheit von mindestens 10 nm, besonders bevorzugt von mindestens 15 nm in einem 1 × 1 µm² großen Messbereich auf. Die rms-Rauheit der Oberfläche kann beispielsweise aus dem Höhenprofil der Oberfläche mittels Atomic Force Microscopy (AFM) ermittelt werden.
• Die Schutzschicht aus einem Siliziumoxid hat die für einige Anwendungen vorteilhafte Eigenschaft, dass sie eine hohe spezifische Oberflächenenergie aufweist und somit intrinsisch hydrophil ist. Die Oberfläche der Siliziumoxid-Schutzschicht auf der Nanostruktur weist daher ein hydrophiles Verhalten auf, wobei vorteilhaft unmittelbar eine vollständige Benetzung erfolgt und sich ein statischer Kontaktwinkel von weniger als 5° einstellt.
• Bei einer Ausgestaltung der Beschichtung ist auf die Schutzschicht eine hydrophobe Deckschicht aufgebracht. Vorzugsweise wird als hydrophobe Deckschicht ein transparentes Material mit einer niedrigen spezifischen Oberflächenenergie verwendet, wobei insbesondere Fluoralkylsilane als hydrophobes Material geeignet sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Oberfläche hydrophobe oder sogar superhydrophobe Eigenschaften aufweist.
• Es wird weiterhin ein Glaselement angegeben, das eine Glasoberfläche mit einer Beschichtung gemäß den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen aufweist. Das Glaselement kann insbesondere eine Glasscheibe oder ein optisches Element sein. Beispielsweise kann das Glaselement eine Architekturglasscheibe, eine Glasscheibe für eine Duschabtrennung, ein Brillenglas, ein Visier oder eine Linse sein. Die Beschichtung für eine Glasoberfläche kann in verschiedenen technischen Einsatzgebieten verwendet werden, bei denen eine Glasoberfläche mit einem gewünschten Benetzungsverhalten und hoher optischer Qualität, insbesondere geringem Streulicht, bei gleichzeitiger hoher mechanischer Stabilität erwünscht ist.
• Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer Beschichtung auf einer Glasoberfläche wird eine anorganische Schicht auf die Glasoberfläche aufgebracht und an der Oberfläche der anorganischen Schicht eine Nanostruktur hergestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Schutzschicht auf die Nanostruktur aufgebracht, wobei die Schutzschicht ein Siliziumoxid, insbesondere SiO₂, aufweist. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine abriebstabile optische Beschichtung erzielt. Die Beschichtung kann insbesondere funktionale superhydrophobe oder -hydrophile Eigenschaften aufweisen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der vorherigen Beschreibung der Beschichtung und umgekehrt.
• Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung der Beschichtung wird die anorganische Schicht und/oder die anorganische Schutzschicht durch ein nasschemisches Beschichtungsverfahren aufgebracht. Besonders bevorzugt werden sowohl die anorganische Schicht als auch die Schutzschicht jeweils durch ein nasschemisches Beschichtungsverfahren aufgebracht. Das Aufbringen der anorganischen Schicht und/oder der Schutzschicht durch ein nasschemisches Beschichtungsverfahren hat gegenüber dem alternativ möglichen Aufbringen durch ein Vakuumverfahren wie beispielsweise einem PVD- oder CVD-Verfahren den Vorteil, dass der Herstellungsaufwand vergleichsweise gering ist. Die Beschichtung kann daher vergleichsweise einfach und kostengünstig aufgebracht werden.
• Zum Aufbringen der anorganischen Schicht und/oder der Schutzschicht wird vorzugsweise ein Tauchbeschichtungsverfahren eingesetzt, wozu beispielsweise mittels einer Sol-Gel-Synthese eine Lösung für die Tauchbeschichtung hergestellt wird.
• Vorzugsweise wird zum Aufbringen der anorganischen Schicht und/oder der Schutzschicht kein Vakuumbeschichtungsverfahren eingesetzt. Insbesondere wird weder zum Aufbringen der anorganischen Schicht noch zum Aufbringen der Schutzschicht ein Vakuumbeschichtungsverfahren eingesetzt, um den Herstellungsaufwand möglichst gering zu halten.
• Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die stochastische Nanostruktur durch eine thermische Behandlung erzeugt. Bei dieser Ausgestaltung ist die anorganische Schicht vorteilhaft eine Aluminiumoxidschicht, die zum Beispiel durch eine thermische Behandlung in kochendem Wasser mit einer Nanostruktur versehen werden kann. Hierbei lässt sich in Abhängigkeit von der Behandlungszeit die Rauheit der Schicht gezielt abstufen, wobei zum Beispiel eine rms-Rauheit im Bereich von 0,3 nm bis zu 30 nm in einem 1 × 1 µm² großen Messbereich erzielt werden kann. Vorzugsweise erfolgt die thermische Behandlung im kochenden Wasser für eine Behandlungszeit von mindestens 120 Sekunden. Besonders bevorzugt wird die thermische Behandlung mindestens 600 Sekunden lang durchgeführt. Bei der thermischen Behandlung wird die Aluminiumoxidschicht durch eine chemische Reaktion zumindest an der Oberfläche in ein poröses Böhmit (AlO(OH)) umgewandelt, wobei sich eine charakteristische Rauheitsstruktur im Nanometerbereich ausbildet.
• Durch die thermische Behandlung ist die Nanostruktur im Vergleich zu Plasmaätzverfahren, die in einer Vakuumumgebung durchgeführt werden müssen, vergleichsweise einfach herstellbar. Um den Herstellungsaufwand zu vereinfachen, wird bei dem Verfahren zur Erzeugung der Nanostruktur kein Vakuumverfahren wie beispielsweise ein Plasmaätzverfahren eingesetzt.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird nach dem Aufbringen der Schutzschicht eine hydrophobe Deckschicht aufgebracht. Zur Vereinfachung der Herstellung wird die hydrophobe Deckschicht vorzugsweise durch ein nasschemisches Verfahren wie beispielsweise Tauchbeschichtung, Sprühen oder Aufreiben aufgebracht. Wie bei dem Aufbringen der anorganischen Schicht und der Schutzschicht wird auch zum Aufbringen der hydrophoben Deckschicht vorzugsweise kein Vakuumverfahren eingesetzt.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Herstellung einer Beschichtung auf einer Glasoberfläche anhand von Zwischenschritten,
• 2 eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichtefunktion PSD in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz f für ein Ausführungsbeispiel der Beschichtung und eine nicht erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel einer Beschichtung ohne Schutzschicht, und
• 3 eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichtefunktion in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz f für eine Beschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die Beschichtung nach einem Abriebtest mit 32 Zyklen, die Beschichtung nach einem Abriebtest mit 150 Zyklen und für ein nicht erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel einer Beschichtung ohne Schutzschicht nach einem Abriebtest mit 2 Zyklen.
• Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
• Bei dem in 1 schematisch dargestellten Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einer Glasoberfläche wird ein Glassubstrat 1 bereitgestellt, bei dem es sich zum Beispiel um eine Glasscheibe oder ein optisches Element handeln kann. Das Glassubstrat 1 kann ein ebenes oder ein gekrümmtes Substrat sein. Beispielsweise kann das Glassubstrat 1 eine Glasscheibe, ein Brillenglas, ein Visier oder eine Linse sein. Das verwendete Glassubstrat 1 sollte vorzugsweise eine geringe rms-Rauheit σ_RMS ≤ 0,3 nm aufweisen. Die rms-Rauheit kann beispielsweise durch Raster-Kraftmikroskopie (AFM) bestimmt werden, wobei der Messbereich zum Beispiel 1 µm × 1 µm beträgt. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde in einem Messbereich 1 µm × 1 µm eine rms-Rauheit σ_RMS = 0,22 nm an der Oberfläche des Glassubstrats 1 gemessen.
• In einem ersten Zwischenschritt wird auf die Glasoberfläche des Glassubstrats 1 eine anorganische Schicht 2 aufgebracht. Die anorganische Schicht 2 ist bevorzugt eine Aluminiumoxidschicht, insbesondere eine Al₂O₃-Schicht. Das Aufbringen der Al₂O₃-Schicht 2 erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel nasschemisch mittels Sol-Gel-Synthese mit anschließender Tauchbeschichtung. Dieses Verfahren hat
• insbesondere den Vorteil, dass die anorganische Schicht 2 im Vergleich zu anderen möglichen Beschichtungsverfahren wie zum Beispiel Sputtern oder Aufdampfen vergleichsweise schnell und kostengünstig hergestellt werden kann.
• Zur Herstellung der Al₂O₃-Schicht 2 kann zum Beispiel eine Al₂O₃-Sol-Lösung eingesetzt werden, wobei als Metallalkoholat Aluminiumtri-sec-Butanolat eingesetzt wird. Die Tauchbeschichtung in der Al₂O₃-Sol-Lösung kann beispielsweise durch einen Tauchzyklus mit einer Ziehgeschwindigkeit von 1 mm/s erfolgen. Auf diese Weise wird eine Schichtdicke von etwa 250 nm erreicht, die für die nachfolgende Ausbildung einer Nanostruktur 3 in der Schicht 2 geeignet ist. Nach der Tauchbeschichtung erfolgt vorzugsweise ein Ausheizen der Al₂O₃-Schicht 2, zum Beispiel für etwa 15 Minuten bei einer Temperatur von 400 °C.
• Mit diesen Parametern konnte bei dem Ausführungsbeispiel eine transparente glatte Al₂O₃-Schicht 2 hergestellt werden, die eine rms-Rauheit σ_RMS = 0,27 nm in einem 1 µm × 1 µm großen Messbereich aufweist, so dass die rms-Rauheit der Al₂O₃-Schicht 2 nach der Herstellung nur geringfügig höher ist als die Rauheit des unbeschichteten Glassubstrats 1.
• Zur Ausbildung der für die funktionale Wirkung der Beschichtung wesentlichen Nanostruktur 3 an der Oberfläche der Al₂O₃-Schicht 2 wird diese in einem weiteren Verfahrensschritt durch eine Behandlung im kochenden destillierten Wasser aufgeraut. Die Behandlungszeit beträgt dabei mindestens 120 Sekunden, bevorzugt etwa 600 Sekunden. Durch die thermische Behandlung wird die Al₂O₃-Schicht 2 mittels chemischer Reaktion zumindest an der Oberfläche in eine poröse Böhmit-Schicht (AlO(OH)) umgewandelt, so dass sich die Nanostruktur 3 ausbildet.
• Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Al₂O₃-Schicht 2 eine Nanostruktur an der Oberfläche mit einer rms-Rauheit von mehr als 10 nm, bevorzugt mehr als 15 nm, in einem 1 × 1 µm² großen Messbereich aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde eine rms-Rauheit σ_RMS = 29 nm in einem 1 µm × 1 µm großen Messbereich der Nanostruktur 3 ermittelt. Die auf diese Weise hergestellte nanoraue, transparente Al₂O₃-Schicht weist einen Benetzungsparameter κ_B > 0,8 auf. Eine solche Nanostruktur 3 erfüllt das Kriterium für Superhydrophobie, wobei im Falle einer intrinsischen Hydrophobie ein Selbstreinigungseffekt erzielt wird. Die nach diesem Zwischenschritt hergestellte funktionale Al₂O₃-Schicht 2 mit der Nanostruktur 3 würde allerdings in der Praxis mechanischen Belastungen kaum standhalten und wäre damit nicht ohne weiteres einsetzbar.
• Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität wird aus diesem Grund in einem weiteren Verfahrensschritt eine dünne transparente Schutzschicht 4 aus einem Siliziumoxid, insbesondere SiO₂, auf die zuvor hergestellte Nanostruktur 3 aufgebracht.
• Für die Funktion der Schutzschicht 4 hat deren Schichtdicke eine entscheidende Rolle. Eine zu große Schichtdicke (>> 50 nm) würde die Täler der Nanostruktur 3 in der Al₂O₃-Schicht 2 zum Teil einebnen, so dass die für die Funktion notwendige Rauheitscharakteristik nicht erhalten bleiben würde. Eine zu niedrig gewählte Schichtdicke (<< 40 nm) hingegen hat keine ausreichende Schutzwirkung. Bevorzugt wird die SiO₂-Schicht 4 deshalb mit einer Schichtdicke zwischen einschließlich 40 nm und einschließlich 50 nm hergestellt.
• Die SiO₂-Schutzschicht 4 kann wie die zuvor hergestellte Al₂O₃-Schicht 2 mittels einer Sol-Gel-Tauchbeschichtung aufgebracht werden. Bei der Herstellung mittels Tauchbeschichtung wird die Schichtdicke der SiO₂-Schicht 4 gemäß der Landau-Levich-Beziehung insbesondere von der Viskosität der Sol-Lösung und dementsprechend dem Feststoffanteil in der Lösung sowie der Ziehgeschwindigkeit beim Tauchvorgang bestimmt. Es hat sich herausgestellt, dass beispielsweise mit einem SiO₂-Feststoffgehalt von 5,4 Gewichts-% und einer Ziehgeschwindigkeit von 1 mm/s bei einem Tauchzyklus die gewünschte Schichtdicke zwischen 40 nm und 50 nm erreicht werden kann. Die SiO₂-Sol-Lösung kann zum Beispiel aus einem Gemisch von Tetraethylorthosilikat, Ethanol, 1-molarer Salzsäure und destilliertem Wasser hergestellt werden. Um den schützenden Effekt zu erzielen, sollte die Schichtherstellung vorteilhaft auf Salzsäure-statt auf Essigsäurebasis erfolgen. Nach der Herstellung der SiO₂-Schutzschicht 4 erfolgt vorteilhaft ein Ausheizen, zum Beispiel für 10 Minuten bei etwa 300 °C.
• Auf diese Weise kann eine dünne SiO₂-Schicht 4 mit einer Schichtdicke zwischen 40 nm und 50 nm ausgebildet werden, die einen ausreichenden mechanischen Schutz für die Nanostruktur 3 bietet und gleichzeitig die Rauheitsstruktur im Wesentlichen nicht beeinflusst, so dass die funktionale Wirkung der Nanostruktur nicht wesentlich vermindert wird. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde nach dem Aufbringen der SiO2-Schutzschicht 4 eine rms-Rauheit σ_RMS = 26 nm in einem 1 µm × 1 µm großen Messbereich ermittelt. Die Rauheit ist also nach dem Aufbringen der SiO₂-Schutzschicht 4 nur unwesentlich kleiner als unmittelbar nach der Herstellung der Nanostruktur 3.
• In einem in 1 dargestellten optionalen weiteren Verfahrensschritt kann auf die SiO₂-Schutzschicht 4 eine hydrophobe Deckschicht 5 aufgebracht werden, beispielsweise eine Schicht aus einem Fluoralkylsilan, wobei diese die Nanostruktur konform bedeckt.
• Die 2 verdeutlicht, dass die Rauheitsstruktur der Nanostruktur 3 an der Oberfläche der Al₂O₃-Schicht 2 durch das Aufbringen der SiO₂-Schutzschicht kaum beeinflusst wird, sodass die funktionale Wirkung der Beschichtung nicht vermindert wird. Dargestellt ist die PSD-Funktion der Al₂O₃-Schicht 2 nach der Herstellung der Nanostruktur 3 im Vergleich zur PSD-Funktion der fertiggestellten Beschichtung bestehend aus der Al₂O₃-Schicht 2 und der SiO₂-Schutzschicht 4 als Funktion der Ortsfrequenz f. Über den messtechnisch erfassten Ortsfrequenzbereich sind keine signifikanten Unterschiede in den PSD-Funktionswerten zu sehen. Der aus der PSD-Funktion berechnete Benetzungsparameter κ_B der Beschichtung, als Indikator für hydrophobes Benetzungsverhalten, liegt bei κ_B = 0,8 und erfüllt das theoretische Kriterium für ein superhydrophobes Verhalten.
• Zur Überprüfung der signifikanten Zunahme der mechanischen Stabilität der Beschichtung im Vergleich zu einer nanorauen Al₂O₃-Einfachschicht wurde eine genormte mechanische Abriebprüfung (nach DIN EN 60068-2-70) durchgeführt. Diese Untersuchung simuliert unter normgerechten Prüfablauf den Schaden, der einer Oberfläche durch Handabrieb zugefügt wird. Die Abriebuntersuchungen wurden mit einem Reibzylinder von 20 mm Durchmesser und einem fusselfreien Polyester-Tuch, welches zur Reinigung von optischen Komponenten eingesetzt wird, durchgeführt. Für die Prüfung wurden eine Kraft von 1 N und ein Reibweg von 15 mm gewählt.
• Bei der Prüfung zeigte sich, dass die nanoraue Al₂O₃-Einfachschicht bereits nach zwei Prüfzyklen soweit abgerieben wird, dass die für die funktionale Wirkung der Schicht notwendige Rauheitsstruktur verloren geht. Während die Al₂O₃-Einfachschicht nach der Herstellung in einem Messbereich von 1 µm × 1 µm eine rms-Rauheit σ_RMS = 29 nm und einen Benetzungsparameter κ_B = 0,9 aufweist, wurde nach 2 Zyklen nur noch σ_RMS = 12,5 nm und κ_B = 0,28 ermittelt. Demnach wird das Kriterium für Superhydrophobie nach bereits zwei Prüfzyklen unterschritten, d.h. die notwendigen definierten Rauheitsstrukturen werden abgerieben. Wird die Zyklenanzahl weiter erhöht, so werden die Nanostrukturen vollkommen zerstört. So konnte nach 32 Zyklen nur noch κ_B = 0,1 ermittelt werden. Anhand von AFM-Aufnahmen der Oberfläche war zu erkennen, dass die Schicht der mechanischen Belastung nicht Stand hält.
• Im Gegensatz dazu zeigt die Beschichtung aus der Al₂O₃-Schicht und der SiO₂-Schutzschicht eine hohe mechanische Stabilität. Die Zerstörung der Nanostruktur, die bei einer Al₂O₃-Einfachschicht bereits nach 2 Zyklen auftritt, wird bei dem Schichtsystem erst nach 150 Zyklen erreicht. Wird hingegen das Schichtsystem mit 2 Zyklen mechanisch belastet, so wird die Rauheitscharakteristik im Gegensatz zur Al₂O₃-Einfachschicht beibehalten. In AFM-Aufnahmen hat sich gezeigt, dass die Spitzen der Nanostrukturen des Schichtsystems nur leicht abgerundet werden, die rms-Rauheit und die Charakteristik der Strukturen (Aspektverhältnis) werden hingegen nicht wesentlich beeinflusst.
• Auch nach 50 Prüfzyklen bei einer Kraft von 1 N sind die typischen Nanostrukturen noch erhalten, obwohl die rms-Rauheit auf σ_RMS = 18 nm sinkt. Die nach 50 Zyklen noch vorhandenen Nanostrukturen sind zudem noch ausreichend, um eine funktionale Wirkung des Schichtsystems zu erzielen. Der berechnete Benetzungsparameter κ_B aus der PSD-Funktion beträgt κ_B = 0,5 und liegt dementsprechend über dem für superhydrophobes Verhalten geforderten Wert κ_B > 0,4. Erst nach 100 bzw. 150 Prüfzyklen tritt ein deutlicher Verschleiß der Schichtstruktur auf, sodass die gewünschten funktionalen Eigenschaften nach theoretischen Kriterien infolge des Abriebes verloren gehen werden. So wurde nach 100 und 150 Prüfzyklen jeweils nur noch ein Benetzungsparameter κ_B = 0,3 ermittelt.
• In 3 wird dies anhand der PSD-Funktionen weiter veranschaulicht. Die PSD-Funktion der Beschichtung vor dem Abrieb zeigt keine großen Unterschiede zu der PSD-Funktion nach einem Abrieb mit 32 Zyklen. Erst nach 150 Zyklen ist ein deutliches Absenken der Funktionswerte im hochfrequenten Ortsfrequenzbereich zu beobachten. Dies ist bei der rauen Al₂O₃-Einfachschicht bereits nach 2 Zyklen der Fall. Der Anstieg der PSD-Funktionswerte der Al₂O₃-Einfachschicht im niederfrequenten Ortsfrequenzbereich zeigt zusätzlich die hohe mechanische Beschädigung der Probe, die sich in Form von tiefen Kratzern äußert.
• Die aufgezeigten Ergebnisse verdeutlichen, dass die Beschichtung im Vergleich zur nanorauen Einfachschicht einer mechanischen Belastung von 1 N um bis zu l00fach länger Stand hält. Insbesondere ist zu erwähnen, dass die Kraft von 1 N eine deutlich höhere Belastung darstellt als die Beanspruchung der Beschichtung in der Praxis. Als Vergleichswert ist beispielsweise das Reinigen von beschichteten Brillengläsern mit einem Tuch zu nennen – hierbei werden lediglich Kräfte im mN-Bereich aufgewandt.
• Es konnte beispielhaft gezeigt werden, dass mit den beschriebenen Herstellungsschritten mittels der Sol-Gel-Tauchbeschichtung auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung von einem nanorauen Schichtsystem möglich ist, welches einerseits die strukturellen Eigenschaften für eine funktionale Wirkung erfüllt und zudem eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, um in der Praxis eingesetzt zu werden. Da die Dimensionen der Rauheitsstrukturen im Nanometerbereich liegen, ist dies des Weiteren nicht störend in Hinblick auf die Streulichteigenschaften im zukünftigen Anwendungsbereich, sodass die Beschichtung insbesondere in optischen Komponenten eingesetzt werden kann.
• Zur quantitativen Bewertung der optischen Eigenschaften der vorgestellten Beschichtung wurden winkelaufgelöste Streulichtmessungen bei einer Wellenlänge von 532 nm durchgeführt und daraus das Totale Streulicht in Reflexionsrichtung TS_B berechnet. Ein Vergleich mit einem Toleranzwerte für Architekturglas (TS_B ≤ 1,7·10^–3) zeigt, dass der Streulichtwert der Beschichtung mit TS_B = 5,3·10^–4 unterhalb der tolerierten Grenze liegt. Somit wird das Streulicht der Beschichtung durch die funktionsrelevanten Nanostrukturen nicht erheblich erhöht.
• In der beschriebenen Konstellation weist die abriebstabile Beschichtung hydrophiles Verhalten aufgrund der Kombination aus definierter Rauheitsstruktur (κ_B > 0,4) und intrinsisch hydrophiler SiO₂-Deckschicht (hohe spezifische Oberflächenenergie) auf. In diesem Fall erfolgt die vollständige Benetzung unmittelbar, wobei sich ein statischer Kontaktwinkel < 5° einstellt. Eine zusätzliche transparente Deckschicht aus einem hydrophoben Material mit niedriger spezifischer Oberflächenenergie (bspw. Fluoralkylsilane) kann diese Oberfläche hydrophobieren, sodass superhydrophobes Verhalten ermöglicht wird. Die dünne Deckschicht lässt sich auch auf einfache Weise entweder mittels Tauchbeschichtung, aber auch durch Aufreiben oder Sprühen auf das vorhandene Schichtsystem aufbringen. Damit erreicht die Oberfläche Fortschreitekontaktwinkel von 155°, Rückzugkontaktwinkel von 145° sowie Abrollwinkel von 3° und weist dementsprechend superhydrophobes Verhalten bzw. einen Selbstreinigungseffekt auf.
• Der Vorteil der beschriebenen Beschichtung aus einer nanostrukturierten anorganischen Schicht kombiniert mit einer dünnen SiO₂-Schutzschicht besteht insbesondere darin, den Abrieb der für die Funktion erforderlichen Nanostruktur signifikant zu reduzieren und dementsprechend die mechanische Stabilität im Vergleich zu einer ungeschützten nanorauen Einfachschicht deutlich zu erhöhen.
• Dies ermöglicht eine effektive Herstellung von abriebstabilen praxistauglichen nanorauen Schichten auf Glasoberflächen mit funktionalen Eigenschaften und gleichzeitig hoher optischer Qualität. Mit der Herstellung langlebiger funktionaler Schichten kann die Belastung der Umwelt durch Reinigungsmittel deutlich reduziert werden sowie Ressourcen effizient eingespart werden.
• Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• A. Duparré, J. Ferre-Borrull, S. Gliech, G. Notni, J. Steinert, J. M. Bennett: "Surface characterization techniques for determining the root-meansquare roughness and power spectral densities of optical components", Applied Optics 41, 154–171 (2002) [0013]
• A. Duparré, M. Flemming, J. Steinert, K. Reihs: "Optical Coatings with Enhanced Roughness for Ultrahydrophobic, Low-Scatter Applications", Applied Optics 41, 3294–3298 (2002) [0013]
• DIN EN 60068-2-70 [0045]

Claims (15)

1. Beschichtung für eine Glasoberfläche, umfassend eine auf die Glasoberfläche aufgebrachte transparente anorganische Schicht (2), welche an einer von der Glasoberfläche abgewandten Oberfläche eine Nanostruktur (3) aufweist, und eine auf die Nanostruktur (3) aufgebrachte anorganische Schutzschicht (4), wobei die Schutzschicht (4) ein Siliziumoxid aufweist.
2. Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Nanostruktur (3) der anorganischen Schicht (2) stochastisch rau ist und eine rms-Rauheit von mindestens 10 nm in einem 1 × 1 µm² großen Messbereich aufweist.
3. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (4) die Nanostruktur (3) der anorganischen Schicht (2) konform bedeckt.
4. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (4) eine Dicke zwischen einschließlich 40 nm und einschließlich 50 nm aufweist.
5. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nanostruktur (3) einen Benetzungsparameter κ_B ≥ 0,3 aufweist.
6. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anorganische Schicht (2) eine Aluminiumoxidschicht ist.
7. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die Schutzschicht (4) eine hydrophobe Deckschicht (5) aufgebracht ist.
8. Glaselement, umfassend eine Glasoberfläche mit einer Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Glaselement nach Anspruch 7, wobei das Glaselement eine Glasscheibe oder ein optisches Element ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einer Glasoberfläche, umfassend die Schritte: – Aufbringen einer anorganischen Schicht (2) auf die Glasoberfläche, – Herstellen einer stochastischen Nanostruktur (3) an der Oberfläche der anorganischen Schicht (2), und – Aufbringen einer Schutzschicht (4) auf die Nanostruktur(3), wobei die Schutzschicht (4) ein Siliziumoxid aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schutzschicht (4) eine Dicke zwischen einschließlich 40 nm und einschließlich 50 nm aufweist und die Nanostruktur (3) der anorganischen Schicht (2) konform bedeckt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Aufbringen der anorganischen Schicht (2) und/oder der anorganischen Schutzschicht (4) durch ein nasschemisches Beschichtungsverfahren erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die anorganische Schicht eine Al₂O₃-Schicht ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die stochastische Nanostruktur (3) durch eine thermische Behandlung erzeugt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei nach dem Aufbringen der Schutzschicht (4) eine hydrophobe Deckschicht (5) aufgebracht wird.

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