DE10201492A1

DE10201492A1 - Optisches Schichtsystem und Verfahren zur haftfesten Beschichtung mit einem optischen Schichtsystem

Info

Publication number: DE10201492A1
Application number: DE10201492A
Authority: DE
Inventors: Norbert Kaiser; Peter Munzert; Michael Scheler; Ulrike Schulz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: DE10201492B4

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Schichtsystem und ein Verfahren zur Beschichtung mit einem optischen Schichtsystem, bei dem eine optische Beschichtung auf ein strahlungsempfindliches Kunststoffsubstrat aufgebracht wird.

Es sind im Stand der Technik verschiedene Verfahren zum Aufbringen einer optischen Beschichtung auf strahlungsempfindliche Kunststoffe, wie z. B. PNMA bekannt. Diese optische Beschichtung wird beispielsweise durch Abscheiden im PVD-Verfahren auf das Kunststoffsubstrat aufgebracht. Es hat sich gezeigt, daß die strahlungsempfindlichen Polymermaterialien ohne eine besondere Plasmavorbehandlung nicht mit den erwähnten hochwertigen optischen Funktionsschichten haftfest beschichtet werden können. Daher sind verschiedene Verfahren zur Vorbehandlung mit dem Ziel der Verbesserung der Haftung von Funktionsschichten auf z. B. PMMA bekannt. Die DE 32 42 649 C1 und die DE 36 24 467 A1 beschreiben eine Ionenbehandlung des strahlungsempfindlichen Polymermaterials, in der US 5 346 728 ist eine Plasmabehandlung offenbart und aus der DE 41 07 945 A1 sind elektrische Koronaentladungen zur Verbesserung der Haftfestigkeit bekannt. Es werden auch UV-Bestrahlungen verwendet und es können chemische Reaktionen mit der Polymermatrix vorgesehen werden, bei denen Copolymere entstehen. Schließlich ist aus der DE 40 09 624 A1 eine Aktivierung der Polymermaterialien durch Behandlung mit Siliziumtetrachlorid bekannt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die mit den bekannten Verfahren erreichbare Beschichtungsqualität, insbesondere hinsichtlich der Klimastabilität der beschichteten Bauteile, nicht die Anforderungen industrieller Anwender erfüllt. Durch eine Vorbehandlung wird die Kunststoffoberfläche modifiziert und oft bis in einige 100 nm Tiefe strukturell verändert, wodurch die Festigkeit der Oberfläche reduziert wird. Üblicherweise werden dieletrisches oder metallisches Schichtmaterial in PVD-Anlagen verdampft und auf Kunststoffsubstrate abgeschieden, wobei die thermische Energie zum Verdampfen durch Widerstandsverdampfer oder Elektronenstrahlverdampfer erzeugt wird. Es werden im allgemeinen Elektronenstrahlverdampfer in Kombination mit Ionenguellen verwendet, wobei der Ionenbeschuss während des Aufdampfens zur Verdichtung der Schichten dient. Die von Elektronenstrahlverdampfern und Ionenquellen emittierte kurzwellige Strahlung induziert aber in vielen Fällen Polymerabbaureaktionen und ist die Ursache für mangelnde Schichthaftung. Mit Widerstandsverdampfung können sehr hochschmelzende Materialien nicht verdampft werden und ohne Ionenstützung erzeugte dielektrische Schichten auf ungeheiztem Substrat haben eine lockere Schichtstruktur und demzufolge schlechte optische und mechanische Eigenschaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Schichtsystem sowie ein Verfahren zur Beschichtung mit einem optischen Schichtsystem zu schaffen, bei denen die Klimastabilität der Beschichtung verbessert wird und insgesamt eine bessere Haftfestigkeit der Beschichtung erreicht wird, ohne dass die Oberflächenstruktur des Substrates beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des optischen Schichtsystems nach dem Hauptanspruch und durch das Verfahren entsprechend dem Nebenanspruch gelöst. Dadurch, daß eine Schutzschicht aus einem Schichtmaterial mit hohem Absorptionskoeffizienten im Spektralbereich unterhalb von 250 nm, d. h. in diesem Spektralbereich kommt es zu einer vollständigen Absorption der Strahlung, durch Widerstandsverdampfung auf ein strahlungsempfindliches Kunststoffsubstrat aufgedampft wird, ist es möglich, ohne Vorbehandlung im PVD-Verfahren haftfest optische Schichtsysteme abzuscheiden, wobei die Klimastabilität der Beschichtung besser als bei den Verfahren nach dem Stand der Technik ist. Es kann eine konventionelle Vakuumbedampfungsanlage, die zur Kunststoffbeschichtung geeignet ist, ohne aufwendige zusätzliche Einbauten verwendet werden. Im Gegensatz zu einer Vorbehandlung, die immer gezielt auf einen Kunststofftyp optimiert werden muß, können entsprechend der Erfindung auch verschiedene Polymere in einem Prozeß haftfest beschichtet werden. Insgesamt entsteht ein mechanisch stabiles Schichtsystem mit guten optischen Eigenschaften.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Ein Schichtsystem nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in den nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines optischen Schichtsystems und

Fig. 2 ein Reflexionsspektrum eines Ausführungsbeispiels des Schichtsystems nach der Erfindung.

Entsprechend Fig. 1, die ein optisches Schichtsystem darstellt, ist auf ein strahlungsempfindliches Kunststoffsubstrat 1 eine Schutzschicht 2 aufgebracht, auf der wiederum eine oder mehrere Interferenzschichten 3 abgeschieden sind. Das strahlungsempfindliche Kunststoffsubstrat ist beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), wobei auch andere Materialien wie Polyacrylimid-Copolymere (PMMI) und Acrylnitril- Methylmethacrylat-Copolymere (AMMA) vorgesehen werden.

Die Schutzschicht 2 besteht aus einem Oxidmaterial, das hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften eine hohe Absorption im Spektralbereich unter 250 nm aufweist. Diese Schutzschicht 2 wird auf das Substrat 1 unter Vermeidung von Plasma- und UV-Strahlung aufgebracht. Die Vermeidung der kurzwelligen Strahlung hat zum Ziel, eine Degradation der strahlungsempfindlichen Polymeroberflächen zu vermeiden, die eine haftfeste Anbindung der Schicht verhindern würde. Als Verfahren zum Aufbringen der Schutzschicht 2 ist die Widerstandsverdampfung in einer konventionellen PVD- Anlage geeignet. Die mindestens eine Interferenzschicht 3 wird entsprechend dem Stand der Technik mittels Elektronenstrahlverdampfung und Ionenbeschuß abgeschieden, wobei ebenso andere aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtungsverfahren, z. B. die Plasmapolymerisation (PECVD) oder ein Sputterverfahren, eingesetzt werden können. Die Schutzschicht 2 dient dazu, die Transmission der bei der Elektronenstrahlverdampfung erzeugten UV-Strahlung zu vermeiden. Dies wird durch den hohen Absorptionsgrad der Schutzschicht 2 erreicht, wobei die Dicke der Schutzschicht 2 abhängig vom Absorptionsgrad so gewählt werden muß, daß die bei der Abscheidung der Interferenzschicht 3 auftretende Strahlung, wie oben erwähnt, nicht bis zur Oberfläche des Substrats 1 gelangt. Die Schichtdicke ist dabei vom verwendeten Material und dessen Absorptionskoeffizienten abhängig. Bei einer Beschichtung mit LaTiO₃ sind bspw. Schichtdicken von etwa 250 nm für eine ausreichende Haftfestigkeit der Schutzschicht am Substrat ausreichend.

Für die Herstellung des Schichtsystems nach Fig. 1 wird das strahlungsempfindliche Kunststoffsubstrat 1 in eine PVD-Beschichtungsanlage eingebracht, die sowohl einen Widerstandsverdampfer als auch einen Elektronenstrahlverdampfer und eine Plasmaionenguelle aufweist. Die erste Schicht, d. h. die Schutzschicht 2, wird mittels des Widerstandsverdampfers im Hochvakuum aufgedampft. Auf dieser ersten widerstandsverdampften Schutzschicht 2 wird dann mit dem für optisch hochwertige Beschichtungen üblichen Prozeß der Elektronenstrahlverdampfung mit Plasmaionenstützung die restliche Schichtanordnung 3 abgeschieden, wobei die Schutzschicht 2 die vom Elektronenstrahlverdampfer und der Plasmaionenquelle emittierte Strahlung vollständig absorbiert. Auf diese Weise wird der Vorteil der Ionenstützung, dichte Schichtstrukturen mit konstanten optischen Eigenschaften zu erreichen ausgenutzt.

Als Oxidmaterial für die Schutzschicht 2 ist z. B. Lanthantitanat (LaTiO₃) sowie M3 (Merck KgaA) geeignet. Das Schichtmaterial für die Schutzschicht 2 sollte im sichtbaren Wellenlängenbereich (400-800 nm) möglichst keine Absorption haben, d. h. hochtransparent sein, da die Schutzschicht 2 die optischen Eigenschaften des gesamten Schichtsystems nicht stören soll. Die angegebenen Materialien weisen neben dem hohen Absorptionskoeffizienten im kurzwelligen Bereich (< 250 nm) keine Absorption im sichtbaren Wellenlängenbereich auf. Grundsätzlich sind auch gebräuchliche hochbrechende Schichtsubstanzen, wie z. B. Ta₂O₅ auch geeignet, kurzwellige Strahlung zu absorbieren, sie zeigen aber bei widerstandsverdampften Schichten ohne Plasmaionenstützung Absorption im sichtbaren Spektralbereich, so daß sie nur in Sonderfällen verwendet werden.

Beispiel

Die Funktionalität und Gebrauchseigenschaften von Optiken, die strahlungsempfindliche Kunststoffmaterialien verwenden, können durch die Vergütung der Oberflächen mit dielektrischen Schichten wesentlich verbessert werden. Dazu ist die Entspiegelung der Oberflächen im sichtbaren Spektralbereich wichtig bzw. notwendig. Es wird somit ein Antireflexschichtsystem auf einem strahlungsempfindlichen Kunststoffsubstrat angegeben. Als Kunststoffsubstrat wird PMMA gewählt, das aufgrund seiner ausgezeichneten optischen Eigenschaften und des günstigen Verhaltens bei der Formgebung im Spritzgießprozeß für präzisionsoptische Anwendungen besonders geeignet ist.
Die Beschichtung wird mit einer Anlage APS 904 der Leybold AG durchgeführt. Spitzgegossene Proben aus PMMA werden unmittelbar nach der Herstellung in die Anlage eingebaut. Es wird auf 7 × 10^-6 mbar gepumpt und mittels Widerstandsverdampfung eine 250 nm dicke Schicht des Schichtmaterials H4 von Merck (LaTiO₃) aufgedampft. Danach wird ein Wechselschichtsystem aus SiO₂ und Ta₂O₅ aus den beiden Elektronenstrahlverdampfern der Anlage aufgebracht. Alternativ können auch andere Schichtmaterialien als optische Funktionsschichten aufgetragen werden. Während des Elektronenstrahlverdampfens werden die aufwachsenden Schichten durch den Beschuß mit energiereichen Argonionen aus der Plasmaionenguelle APS der Leybold AG verdichtet. Das entstandene Interferenzschichtsystem wurde so entworfen, daß es die Reflexion einer PMMA-Oberfläche im Wellenlängenbereich von 420 nm bis 550 nm bis auf etwa 0,5% vermindert. Fig. 2 zeigt die Reflexion einer einseitig beschichteten PMMA-Probe im Vergleich zu einer unbeschichteten Probe. Dabei beträgt die Gesamtschichtdicke des Systems, bezogen auf die Schutzschicht und das darauf aufgebrachte Schichtsystem etwa 1 µm. Die beschichteten Proben bestanden den Haftfestigkeitstest nach ISO 9211-4-02 (Tapetest snap) sowie die Klimatests nach ISO 9022-12-07 (feuchte Wärme 55°, ISO 9022-11-05 (trockene Wärme 7000) und ISO 9022-10-05 (Kälte -25°C) ohne Defektbildung und Schichtablösung.

Claims

1. Optisches Schichtsystem für strahlungsempfindilche Kunststoffsubstrate (1) aus einer auf dem Kunststoffsubstrat aufgebrachten Schutzschicht (2) aus einem Cxidmaterial mit hohem Absorptionskoeffizienten im Spektralbereich unterhalb 250 nm sowie mindestens einer auf der Schutzschicht abgeschiedenen optischen Funktionsschicht (3).

2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidmaterial der Schutzschicht (2) im sichtbaren Spektralbereich absorptionsfrei ist.

3. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche Kunststoffsubstrat ein Acrylatpolymerisat und/oder ein Acrylatcopolymerisat ist.

4. Schichtsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffsubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyacrylimid-Copolymere (PNNI) und Acrylnitril-Methylmethacrylat- Copolymeren (AMMA).

5. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine widerstandsverdampfte Schicht ist.

6. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine Schichtdicke von über 200 nm, bevorzugt von über 250 nm besitzt.

7. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (2) aus Lanthantitanat (LaTiO₃) besteht.

8. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Interferenzschicht (3) ein elektronenstrahlverdampftes und durch Ionenbeschuß verdichtetes Wechselschichtsystem ist.

9. Schichtsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselschichtsystem aus SiO₂ und Ta₂O₅ besteht.

10. Verfahren zur haftfesten Beschichtung eines strahlungsempfindlichen Kunststoffsubstrats mit einem optischen Schichtsystem unter Verwendung des PVD-Verfahrens mit folgenden Schritten:
Aufdampfen einer Schutzschicht aus einem Cxidmaterial mit hohem Absorptionskoeffizienten im Spektralbereich unterhalb 250 nm durch Widerstandsverdampfung auf ein strahlungsempfindliches Kunststoffsubstrat,
Abscheiden von mindestens einer optischen Funktionsschicht auf der Schutzschicht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der mindestens einen optischen Funktionsschicht mittels Elektronenstrahlverdampfung und Ionenbeschuß, mittels Plasmapolymerisation und/oder mittels Sputterverfahren erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Schichtsystem eine Antireflexschicht auf einem PMNA-Substrat ist, gekennzeichnet durch Aufdampfen einer LaTiO₃-Schutzschicht, Abscheiden eines Wechselschichtsystems aus SiO₂ und Ta₂O₅, wobei während des Elektronenstrahlverdampfens die aufwachsenden Schichten durch Beschuß mit Argonionen aus einer Plasmaionenquelle verdichtet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die LaO₃Ti-Schutzschicht zu einer Schichtdicke von über 200 nm, bevorzugt 250 nm aufgedampft wird.