DE102016123016A1

DE102016123016A1 - Verfahren zur Herstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung, hydrophile optische Beschichtung und optisches Element mit der hydrophilen optischen Beschichtung

Info

Publication number: DE102016123016A1
Application number: DE102016123016.2A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Schulz; Christiane Weber; Heiko Knopf; Nancy Gratzke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: DE102016123016B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung angegeben, bei dem eine hydrophile Mischschicht (2) in einem Vakuumbeschichtungsprozess durch Ko-Verdampfung eines hydrophilen organischen Materials und eines anorganisches Matrixmaterials hergestellt wird, wobei die hydrophile Mischschicht (2) Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials und des anorganischen Matrixmaterials aufweist. Weiterhin werden eine mit dem Verfahren herstellbare hydrophile optische Beschichtung und ein optisches Element mit der hydrophilen optischen Beschichtung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung, insbesondere für ein optisches Element aus Glas oder Kunststoff, die mit dem Verfahren herstellbare hydrophile optische Beschichtung sowie ein optisches Element mit der hydrophilen optischen Beschichtung.
Hydrophile optische Beschichtungen haben insbesondere einen Antibeschlag-Effekt, d.h. sie verhindern das Beschlagen der Oberfläche eines optischen Elements durch Kondensation von Wasser, beispielsweise beim Übergang aus einer kalten Umgebung in eine warme Umgebung. Dieser Effekt ist beispielsweise für Brillengläser, aber auch für andere optische Elemente wünschenswert.
Als hydrophile Oberflächen werden in der Regel Oberflächen mit einem Wasserkontaktwinkel < 60° bezeichnet. In der Praxis sind zur Erzielung eines Antibeschlag-Effekts Wasserkontaktwinkel < 10° bevorzugt.
Bei der Verwendung hydrophiler Schichten auf einem optischen Element stellt sich das Problem, dass hydrophile Schichten wie beispielsweise wasseraufnehmende Lackschichten in der Regel nur eine geringe Härte aufweisen, wodurch die Langzeitstabilität beeinträchtigt wird. Weiterhin sind hydrophile Schichten nur schwer mit weiteren Funktionen wie zum Beispiel einer Entspiegelung kombinierbar, da die notwendige Schichtdickenpräzision für ein reflexionsminderndes Interferenzschichtsystem beim Aufbringen einer Lackschicht nur schwer zu erreichen ist.
Die Druckschrift US 2009/0053465 A1 beschreibt eine wasseraufnehmende Lackschicht, auf die eine Antireflexbeschichtung aufgebracht ist. Die Antireflexbeschichtung ist mit kleinen Löchern versehen, durch die Kondenswasser in die wasseraufnehmende Lackschicht abgeführt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung anzugeben, mit dem die hydrophile Beschichtung vergleichsweise einfach herstellbar ist, wobei sich die hydrophile optische Beschichtung durch eine verbesserte mechanische Stabilität auszeichnet und zusätzlich zur hydrophilen Eigenschaft eine Antireflexfunktion aufweisen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung und eine hydrophile optischen Beschichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der hydrophilen optischen Beschichtung wird eine hydrophile Mischschicht in einem Vakuumbeschichtungsprozess hergestellt. Bei dem Vakuumbeschichtungsprozess erfolgt eine Ko-Verdampfung eines hydrophilen organischen Materials und eines anorganischen Matrixmaterials. Mit anderen Worten werden das hydrophile organische Material und das anorganische Matrixmaterial gleichzeitig verdampft, um eine Mischschicht aus beiden Materialien auf einem Substrat oder einer anderen Schicht abzuscheiden. Das Verdampfen des hydrophilen organischen Materials kann insbesondere aus einem Tiegel erfolgen, der beispielsweise mit einer Widerstandsheizung über die Verdampfungstemperatur des hydrophilen organischen Materials aufgeheizt wird. Das Verdampfen des anorganischen Matrixmaterials kann beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfung erfolgen.
In der hydrophilen Mischschicht entstehen bei der Herstellung Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials und des anorganischen Matrixmaterials. Die auf diese Weise hergestellte Mischschicht vereint vorteilhaft die Härte des anorganischen Matrixmaterials mit den hydrophilen Eigenschaften des hydrophilen organischen Materials. Insbesondere wird das hydrophile organische Material bei der Ko-Verdampfung in das anorganische Matrixmaterial eingebettet und erhält so eine mechanische Festigkeit, die weitaus besser als bei einer homogenen Schicht aus dem hydrophilen organischen Material ist. Auf diese Weise wird insbesondere eine hohe Abriebfestigkeit erzielt. Die hydrophile optische Beschichtung zeichnet sich deshalb durch eine besonders gute Langzeitstabilität aus.
Die Herstellung der hydrophilen Mischschicht mit einem Vakuumbeschichtungsprozess hat außerdem den Vorteil, dass das Herstellen der hydrophilen Mischschicht vergleichsweise einfach in einen Beschichtungsvorgang eines optischen Elements integriert werden kann, bei dem noch weitere Schichten auf das optische Element aufgebracht werden. Insbesondere kann es sich bei den weiteren Schichten um Schichten eines reflexionsmindernden Schichtsystems handeln. Durch die Abscheidung der hydrophilen Mischschicht mit einem Vakuumbeschichtungsprozess kann diese vorteilhaft mit einer Schichtdickengenauigkeit von weniger als 2 nm hergestellt werden. Auf diese Weise wird eine für optische Interferenzschichtsysteme erforderliche Präzision erreicht, die beispielsweise mit einer nasschemisch aufgebrachten Lackschicht nicht ohne weiteres erreichbar wäre. Die hydrophile Mischschicht kann Bestandteil eines reflexionsmindernden Schichtsystems sein, insbesondere kann sie die oberste Schicht des reflexionsmindernden Schichtsystems sein. Die hydrophile Schicht hat in diesem Fall vorteilhaft sowohl eine Antibeschlagfunktion als auch eine Antireflexfunktion. Zusätzlich können auch eine oder mehrere weitere Schichten unterhalb der obersten Schicht des reflexionsmindernden Schichtsystems als hydrophile Mischschicht hergestellt werden.
Die Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials sind vorzugsweise in mindestens einer Raumrichtung, besonders bevorzugt in allen Raumrichtungen, im Mittel nicht größer als 5 nm. Die Materialdomänen weisen insbesondere im Mittel eine Ausdehnung zwischen 0,1 nm und 5 nm auf. Die Größe der Materialdomänen kann insbesondere durch die Aufdampfraten des hydrophilen organischen Materials und des anorganischen Matrixmaterials eingestellt werden. Wenn das Substrat der hydrophilen Beschichtung bei dem Vakuumbeschichtungsprozess auf einer rotierenden Kalotte angeordnet ist, kann die Größe der Materialdomänen alternativ oder zusätzlich durch die Drehgeschwindigkeit der Kalotte beeinflusst werden.
Für das hydrophile organische Material kommen sowohl Polymere als auch monomolekulare organische Verbindungen („small molecules“) in Frage. Das hydrophile organische Material sollte die Eigenschaft haben, dass die chemische Struktur und die daraus resultierende hydrophile Eigenschaft während der Verdampfung erhalten bleiben. Die hydrophile Mischschicht weist vorteilhaft einen Wasserkontaktwinkel von weniger als 30°, bevorzugt weniger als 20° und besonders bevorzugt von weniger als 10° auf.
Das hydrophile organische Material kann insbesondere Cellulose oder dessen Derivate wie insbesondere Celluloseacetat enthalten oder daraus bestehen. Besonders geeignete auf Cellulose basierende Verbindungen sind Celluloseacetat, Celluloseacetat-propionat, Celluloseacetatphthalat oder Celluloseacetat-butyrat. Diese Materialien sind thermisch verdampfbar und weisen vorteilhaft nach der Verdampfung die geforderte hydrophile Eigenschaft auf.
Weitere geeignete hydrophile Materialien sind Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Poly(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA) oder Poly(N-isopropylacrylamid),acrylic-acid-terminated (PNIPAM-COOH) oder Aminozucker.
Das hydrophile organische Material, insbesondere eine Celluloseverbindung wie Celluloseacet, weist vorteilhaft ein Molekulargewicht von weniger als 50000 g/mol, bevorzugt im Bereich von 600 g/mol und 30000 g/mol auf. Das geringe Molekulargewicht ist vorteilhaft für die Herstellung mittels Verdampfung. Ein größeres Molekulargewicht kann die Verdampfung des Materials erschweren.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das anorganische Matrixmaterial ein transparentes Oxid oder Fluorid. Besonders bevorzugt ist das anorganische Matrixmaterial ein Siliziumoxid, insbesondere SiO2. SiO2 zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Abrasionsbeständigkeit aus. Alternativ kann das anorganische Matrixmaterial auch andere transparente Metalloxide oder -fluoride wie zum Beispiel Al2O3, Ta2O5, CeO2, MgF2 oder eine Mischung von mindestens zwei dieser Materialien aufweisen. Weiterhin kann als anorganisches Matrixmaterial auch ein aus einem geeigneten Monomer herstellbares Plasmapolymer verwendet werden, beispielsweise SiOxR hergestellt aus Hexamethyldisiloxan oder Tetraoxysilan.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist ein Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials über die Dicke der Mischschicht konstant. Insbesondere variiert der Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials bei dieser Ausgestaltung nicht in einer senkrecht zur Mischschicht verlaufenden Richtung. Bei dieser Ausgestaltung weist die Mischschicht eine in Richtung senkrecht zu ihrer Hautebene konstante mittlere Brechzahl auf.
Bei einer alternativen Ausgestaltung nimmt ein Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials in Richtung zur Oberfläche der Mischschicht hin zu. Bei dieser Ausgestaltung nimmt der Volumenanteil des hydrophilen organischen Materials in der senkrecht zur Mischschicht verlaufenden Richtung zur Oberfläche hin zu und erreicht im Bereich der Oberfläche einen Maximalwert. An der Oberfläche der Mischschicht beträgt der Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials vorzugsweise mindestens 50 %. Auf diese Weise wird erreicht, dass an der Oberfläche der Mischschicht, welche dem Umgebungsmedium ausgesetzt ist, ein besonders hoher Anteil des hydrophilen organischen Materials vorliegt. Die Verhinderung von Beschlag durch Kondenswasser an der Oberfläche ist in diesem Fall besonders effektiv.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird nach der Herstellung der Mischschicht eine Plasmabehandlung, eine Wärmebehandlung oder eine chemische Behandlung der Oberfläche der Mischschicht durchgeführt, um das hydrophile organische Material im Bereich der Oberfläche teilweise zu entfernen und/oder eine Oberflächenrauheit der Mischschicht zu erhöhen. Durch die teilweise Entfernung des hydrophilen organischen Materials entstehen im Bereich der Oberfläche der Mischschicht vorteilhaft Mikroporen, die Wasser aufnehmen können. Alternativ oder zusätzlich kann durch die Plasmabehandlung, Wärmebehandlung oder chemische Behandlung die Oberflächenrauheit erhöht werden. Die Erhöhung der Oberflächenrauheit hat den Vorteil, dass Wasser im Fall der Benetzung noch schneller einen geschlossenen Film bilden kann.
Die mit dem Verfahren herstellbare hydrophile optische Beschichtung umfasst eine hydrophile Mischschicht, die Materialdomänen eines hydrophilen organischen Materials und eines anorganischen Matrixmaterials aufweist, wobei die Materialdomänen im Mittel in zumindest einer Raumrichtung, vorzugsweise in allen Raumrichtungen, nicht größer als 5 nm sind. Die Materialdomänen können insbesondere im Mittel eine Ausdehnung zwischen 0,1 nm und 5 nm aufweisen.
Die hydrophile Beschichtung kann insbesondere eine reflexionsmindernde Schichtenfolge aufweisen, wobei die hydrophile Mischschicht die oberste Schicht der reflexionsmindernden Schichtenfolge ist. Die reflexionsmindernde Schichtenfolge kann insbesondere mehrere abwechselnde Schichten mit hohem Brechungsindex und niedrigem Brechungsindex aufweisen. In diesem Fall ist die hydrophile Mischschicht vorzugsweise die oberste Schicht mit niedrigem Brechungsindex der reflexionsmindernden Schichtenfolge. Die Begriffe „niedriger Brechungsindex“ und „hoher Brechungsindex“ sind jeweils relativ zum Brechungsindex des anderen Schichttyps der abwechselnden Schichten zu verstehen. Unter Schichten mit niedrigem Brechungsindex werden insbesondere solche Schichten verstanden, die einen Brechungsindex n_L ≤ 1,6 aufweisen. Unter Schichten mit hohem Brechungsindex werden insbesondere solche Schichten verstanden, die einen Brechungsindex n_H > 1,6, vorzugsweise n_H > 2,0, aufweisen. Die Schichten mit niedrigem Brechungsindex weisen vorzugsweise ein Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, auf. Die Schichten mit hohem Brechungsindex enthalten beispielsweise Titandioxid, Tantalpentoxid oder Hafniumoxid. Diese Materialien weisen vorteilhaft einen vergleichsweise hohen Brechungsindex auf, sodass sich ein vorteilhaft hoher Brechungsindexkontrast zu einem niedrigbrechenden dielektrischen Material wie beispielsweise Siliziumdioxid ergibt.
Es ist außerdem möglich, dass zusätzlich zu der obersten Schicht des reflexionsmindernden Schichtsystems eine oder mehrere weitere Schichten des reflexionsmindernden Schichtsystems als hydrophile Mischschicht ausgeführt sind. Bei dieser Ausgestaltung werden eine oder mehrere der hochbrechenden oder niedrigbrechenden Schichten unterhalb der obersten Schicht durch Ko-Verdampfung eines anorganischen Matrixmaterials und eines hydrophilen organischen Materials hergestellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hydrophilen optischen Beschichtung ergeben sich aus der vorherigen Beschreibung des Verfahrens und umgekehrt.
Die hydrophile optische Beschichtung kann insbesondere auf ein optisches Element aufgebracht sein. Das optische Element kann beispielsweise ein Glas oder einen Kunststoff aufweisen. Es ist möglich, dass das optische Element eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Die hydrophile optische Beschichtung ist insbesondere vorteilhaft für alle Arten von optischen Elementen, bei denen ein Beschlag durch Kondensation von Feuchtigkeit verhindert werden soll. Das optische Element kann beispielsweise ein Brillenglas, ein Schutzschild, eine OP-Maske oder eine Displayabdeckung sein.
Die Erfindung wird im Folgenden im Zusammenhang mit den 1 bis 4 näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Darstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
4 eine schematische Darstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

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 dargestellten Ausführungsbeispiel der hydrophilen optischen Beschichtung ist eine hydrophile Mischschicht 2 auf ein Substrat 1 aufgebracht worden. Das Substrat 1 kann insbesondere ein optisches Element sein. Beispielhaft ist in 1 ein Substrat 1 mit einer ebenen Oberfläche dargestellt. Alternativ ist auch möglich, dass die Oberfläche des Substrats 1 gekrümmt ist. Beispielsweise kann das Substrat 1 ein refraktives optisches Element wie zum Beispiel eine Linse oder ein Brillenglas sein.
Die hydrophile Mischschicht 2 wird durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren auf dem Substrat 1 hergestellt, bei dem ein anorganisches Matrixmaterial und ein hydrophiles organisches Material gleichzeitig verdampft werden. Anders ausgedrückt erfolgt also eine Ko-Verdampfung des anorganischen Matrixmaterials und des hydrophilen organischen Materials. Es ist möglich, dass zum Verdampfen des hydrophilen organischen Materials und des anorganischen Matrixmaterials verschiedene Typen von Verdampfungsquellen eingesetzt werden. Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens kann das hydrophile organische Material aus einer thermischen Verdampfungsquelle, beispielsweise einem mittels einer Widerstandsheizung geheizten Tiegel, verdampft werden. Das anorganische Matrixmaterial kann beispielsweise aus einer Elektronenstrahlverdampfungsquelle verdampft werden.
Für die Herstellung der Mischschicht 2 wird insbesondere Celluloseacetat mit einem mittleren Molekulargewicht M_n von weniger als 50000 g/mol, vorzugsweise zwischen etwa 600 g/mol und etwa 30000g/mol, als hydrophiles organisches Material verwendet. Celluloseacet mit einem solchen Molekulargewicht ist gut verdampfbar und behält die hydrophilen Eigenschaften bei der Verdampfung. Als anorganisches Matrix Material wird vorzugsweise SiO2 verwendet. Alternativ können die zuvor genannten weiteren hydrophilen und/oder anorganischen Matrixmaterialien verwendet werden.
Die Verdampfungsquellen werden bei der Herstellung der Mischschicht beispielsweise derart betrieben, dass sich für beide Materialien eine Wachstumsrate im Bereich zwischen etwa 0,1 nm/s und etwa 0,4 nm/s ergibt. Die Herstellung der hydrophilen optischen Beschichtung kann beispielsweise in einer Beschichtungsanlage erfolgen, bei der das Substrat 1 auf einer Kalotte angeordnet ist, die während des Beschichtungsvorgangs eine Rotationsbewegung ausführt. Bei der Herstellung der Mischschicht 2 wird die Kalotte vorzugsweise mit etwa 20 bis 50 Umdrehungen/Minute rotiert. Mit diesen Beschichtungsparametern kann beispielsweise eine hydrophile Mischschicht 2 aus Celluloseacetat und SiO2 mit Materialdomänen erzeugt werden, deren mittlere Ausdehnung weniger als 5 nm beträgt. Die Größe der Materialdomänen kann insbesondere im Bereich zwischen 0,1 nm und 5 nm liegen.
Die hydrophile Mischschicht 2 weist vorzugsweise einen Wasserkontaktwinkel von weniger als 10° auf. Weiterhin zeichnet sich die hydrophile Mischschicht 2 durch eine gute mechanische Beständigkeit aus, da das hydrophile organische Material bei der Ko-Verdampfung in das anorganische Matrixmaterial eingebettet wird. Das wasseranziehende weichere hydrophile organische Material ist vorteilhaft in einem Netzwerk aus dem härteren anorganischen Material geschützt. Falls das hydrophile organische Material aus der Oberfläche herausgelöst wird, kann es durch Migration nachgeliefert werden. Die hydrophile optische Beschichtung zeichnet sich daher durch einen Antibeschlageffekt mit hoher Langzeitstabilität aus.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 dadurch, dass die hydrophile Mischschicht 2 in ein reflexionsminderndes Schichtsystem 5 integriert ist. Das reflexionsmindernde Schichtsystem enthält abwechselnde Schichten 4 mit hohem Brechungsindex (H) und Schichten 2, 3 mit niedrigem Brechungsindex (L). Reflexionsmindernde Schichtsysteme aus abwechselnden niedrigbrechenden und hochbrechenden Schichten sowie die Optimierung der Schichtdicken der Einzelschichten sind an sich bekannt. Die abwechselnden Schichten mit hohem Brechungsindex und niedrigem Brechungsindex können insbesondere Oxide, Nitride oder Fluoride aufweisen. Die mindestens eine Schicht 3 mit niedrigem Brechungsindex kann beispielsweise ein Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid (SiO₂), aufweisen. Die Schichten mit hohem Brechungsindex enthalten beispielsweise Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Titandioxid (TiO₂) oder Hafniumdioxid (HfO₂). Anstelle der hier beispielhaft dargestellten vier Schichten 2, 3, 4 kann das reflexionsmindernde Schichtsystem 5 eine andere Zahl von Einzelschichten aufweisen.
Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel eines reflexionsmindernden Schichtsystems 5 unterscheidet sich von herkömmlichen reflexionsmindernden Schichtsystemen dadurch, dass als oberste Schicht mit niedrigem Brechungsindex (L) die hydrophile Mischschicht 2 verwendet wird. Auf diese Weise wird eine hydrophile Beschichtung erzeugt, die vorteilhaft sowohl eine Antireflexfunktion als auch eine hydrophile Oberfläche und somit eine Antibeschlagfunktion aufweist.
Die hydrophile Mischschicht 2 zeichnet sich zudem durch eine hohe mechanische Beständigkeit, insbesondere eine hohe Abriebfestigkeit aus. Dies ist besonders vorteilhaft für optische Elemente des täglichen Gebrauchs, insbesondere für Brillengläser.
Es ist außerdem von Vorteil, dass das gesamte reflexionsmindernde Schichtsystem 5 einschließlich der hydrophilen Mischschicht 2 durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren herstellbar ist. Das Aufbringen der hydrophilen Mischschicht 2 ist somit leicht in einen Vakuumbeschichtungsprozess implementierbar, der zur Herstellung reflexionsmindernder Schichtsysteme auf optischen Elementen vorgesehen ist. Insbesondere ist kein zusätzlicher Prozessschritt außerhalb der Vakuumbeschichtungsanlage wie beispielsweise das nasschemische Aufbringen einer hydrophilen Schicht erforderlich.
Zusätzlich zu der obersten Schicht 2 des reflexionsmindernden Schichtsystems 5 können auch eine oder mehrere der weiteren Schichten 3, 4 als hydrophile Mischschicht hergestellt werden.
Bei dem in 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel der hydrophilen Beschichtung ist die hydrophile Mischschicht 2 wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Einzelschicht auf ein Substrat 1 aufgebracht worden. Die Mischschicht 2 kann wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel zum Beispiel Celluloseacetat als anorganisches Matrixmaterial und SiO2 als hydrophiles organisches Material aufweisen. Im Unterschied zum ersten Ausgangsbeispiel ist die Mischschicht 2 bei dem Ausführungsbeispiel der 3 als Gradientenschicht ausgeführt, wobei der Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials in der Richtung vom Substrat 1 zur Oberfläche der hydrophilen Mischschicht 2 zunimmt. Der Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials erreicht an der Oberfläche der hydrophilen Mischschicht 2 ein Maximum.
Bevorzugt beträgt der Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials an der Oberfläche der hydrophilen Mischschicht 2 mindestens 50 %. Insbesondere ist der Volumenanteil des hydrophilen organischen Materials mindestens in einer 50 nm dicken, an das Umgebungsmedium Luft angrenzenden Teilschicht der hydrophilen organischen Mischschicht 2 größer als 50 %. Der hydrophile Anteil ist somit an der Oberfläche, die an das Umgebungsmedium angrenzt und der Kondensation von Wasser ausgesetzt ist, vorteilhaft besonders hoch. Dies erleichtert die Aufnahme von Wasser an der Oberfläche. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Anteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials in der Mischschicht 2 ab. Auf diese Weise wird insbesondere die mechanische Festigkeit verbessert.
In 4 ist eine Abwandlung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels dargestellt, bei der die hydrophile Mischschicht 2 in ein reflexionsminderndes Schichtsystem 5 aus abwechselnden hochbrechenden Schichten (H) und niedrigbrechenden Schichten (L) integriert ist. Der Aufbau des reflexionsmindernden Schichtsystems 5 ist analog zum zweiten Ausgangsbeispiel, wobei die hydrophile Mischschicht 2 die oberste niedrigbrechende Schicht des reflexionsmindernden Schichtsystems 5 ist. Die Dicke der hydrophilen Mischschicht 2 kann beispielsweise etwa 110 nm betragen.
Der Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass nach der Herstellung der hydrophilen Mischschicht 2 eine Oberflächenbehandlung der hydrophilen Mischschicht 2 durchgeführt wurde. Die Oberflächenbehandlung kann eine chemische Behandlung, beispielsweise mit einem Lösungsmittel, eine Plasmabehandlung oder eine Wärmebehandlung sein. Im Fall einer Plasmabehandlung kann diese vorteilhaft im gleichen Vakuumprozess wie das Aufbringen der hydrophilen Mischschicht 2 und gegebenenfalls der weiteren Schichten 3, 4 erfolgen. Die Plasmabehandlung kann beispielsweise einen Ionenbeschuss der Oberfläche der hydrophilen Mischschicht 2 durch eine Plasmaionenquelle umfassen.
Durch die Oberflächenbehandlung ist an der Oberfläche der hydrophilen Mischschicht 2 eine Aufrauhung 6 erzeugt worden. Die Aufrauhung 6 kann insbesondere dadurch entstehen, dass mittels der Oberflächenbehandlung Teile des hydrophilen organischen Materials aus einem Oberflächenbereich entfernt werden. Die rms-Rauheit der Oberfläche beträgt nach der Oberflächenbehandlung vorzugsweise mindestens 3 nm. Vor der Oberflächenbehandlung kann die Oberflächenrauheit beispielsweise nur etwa 1 nm betragen. Die mittels der Oberflächenbehandlung erhöhte Rauheit hat den Vorteil, dass die Oberfläche durch Wasser leichter benetzbar ist und sich ein geschlossener Wasserfilm bilden kann.
Die Oberflächenbehandlung kann beispielsweise bewirken, dass in einem Bereich bis mindestens 5 nm Tiefe Poren in der hydrophilen Mischschicht 2 entstehen. Im Bereich der Poren ist das hydrophile organische Material aus dem anorganischen Matrixmaterial herausgelöst worden. Durch die Poren kann Wasser aufgenommen werden oder in die hydrophile Mischschicht eindringen. Die hydrophile Wirkung kann so durch die Poren verstärkt werden.
Es ist möglich, dass Merkmale der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, dass die im Zusammenhang mit der 3 beschriebene Ausführung der hydrophilen Mischschicht als Gradientenschicht auch bei einem reflexionsmindernden Schichtsystem wie bei den 2 oder 4 angewandt wird. Weiterhin kann die im Zusammenhang mit 4 beschriebene Oberflächenbehandlung für beliebige Ausführungsformen der hydrophilen Mischschicht 2 angewandt werden, insbesondere auch für Einzelschichten wie bei den 1 und 3.
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.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: hydrophile Mischschicht
3: Schicht mit niedrigem Brechungsindex
4: Schicht mit hohem Brechungsindex
5: reflexionsminderndes Schichtsystem
6: Aufrauhung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0053465 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer hydrophilen optischen Beschichtung, bei dem eine hydrophile Mischschicht (2) in einem Vakuumbeschichtungsprozess durch Ko-Verdampfung eines hydrophilen organischen Materials und eines anorganisches Matrixmaterials hergestellt wird, wobei die hydrophile Mischschicht (2) Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials und des anorganischen Matrixmaterials aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Materialdomänen im Mittel eine Ausdehnung zwischen 0,1 nm und 5 nm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das hydrophile organische Material Cellulose, Celluloseacetat, Celluloseacetat-propionat, Celluloseacetat-phalat, Celluloseacetat-butyrat oder eine andere auf Celluloseacet basierende Verbindung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das hydrophile organische Material Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Poly(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA), Poly(N-isopropylacrylamid),acrylic-acid-terminated (PNIPAM-COOH) oder einen Aminozucker aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das hydrophile organische Material ein Molekulargewicht von weniger als 50000 g/mol aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das anorganische Matrixmaterial ein transparentes Oxid oder Fluorid aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das anorganische Matrixmaterial SiO2 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das anorganische Matrixmaterial Al2O3, Ta2O5, CeO2, MgF2 oder eine Mischung von mindestens zwei dieser Materialien ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials über die Dicke der hydrophilen Mischschicht (2) konstant ist.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Volumenanteil der Materialdomänen des hydrophilen organischen Materials in Richtung zur Oberfläche der hydrophilen Mischschicht (2) hin zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach der Herstellung der hydrophilen Mischschicht (2) eine Plasmabehandlung, eine Wärmebehandlung oder eine chemische Behandlung durchgeführt wird, um eine Aufrauhung (6) der hydrophilen Mischschicht (2) zu erzeugen und/oder das hydrophile organische Material teilweise zu entfernen.
Hydrophile optische Beschichtung, die eine hydrophile Mischschicht (2) umfasst, die Materialdomänen eines hydrophilen organischen Materials und eines anorganischen Matrixmaterials aufweist, wobei die Materialdomänen im Mittel in zumindest einer Raumrichtung nicht größer als 5 nm sind.
Hydrophile optische Beschichtung nach Anspruch 12, wobei das hydrophile organische Material mindestens eines der folgenden Materialien umfasst oder daraus besteht: Celluloseacetat, Celluloseacetat-propionat, Celluloseacetat-phalat, Celluloseacetat-butyrat, Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Poly(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA) oder Poly(N-isopropylacrylamide),acrylic-acid-terminated (PNIPAM-COOH).
Hydrophile optische Beschichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die hydrophile Beschichtung eine reflexionsmindernde Schichtenfolge (5) aufweist, und wobei die hydrophile Mischschicht (2) die oberste Schicht der reflexionsmindernden Schichtenfolge (5) ist.
Hydrophile optische Beschichtung nach Anspruch 14, wobei mindestens eine weitere Schicht der reflexionsmindernden Schichtenfolge (5) eine hydrophile Mischschicht (2) ist.
Optisches Element mit einer hydrophilen optischen Beschichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15.