DE102019119692A1 - Process for the production of environmentally stable aluminum mirrors on plastic - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Spiegels auf einem Kunststoffsubstrat. Das Verfahren umfasst die Schritte:- Bereitstellen eines Kunststoffsubstrats mit Oberfläche- Beschichten des Kunststoffsubstrats mit einer Haftschicht- Beschichten mit einer Aluminium Legierung- Beschichten mit einem dielektrischen Schichtsystem das zumindest zwei Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex umfasst.Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Chromanteil von mindestens 0.5 at% und maximal 5 at% umfasst.The present invention relates to a method for producing a mirror on a plastic substrate. The method comprises the steps: - Providing a plastic substrate with surface - Coating the plastic substrate with an adhesive layer - Coating with an aluminum alloy - Coating with a dielectric layer system comprising at least two layers with different refractive indices. The method is characterized in that the aluminum alloy has a Chromium content of at least 0.5 at% and a maximum of 5 at%.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von umweltstabilen Aluminium Spiegeln durch kombiniertes Sputtern von Haftschichten, Al:Cr, dielektrischen Schutzschichten und vorzugsweise Aufdampfen von organischen Schutzschichten. Besonders bevorzugt wird das Verfahren in einem Beschichtungs-Batch durchgeführt.The present invention relates to a method for producing environmentally stable aluminum mirrors by combined sputtering of adhesive layers, Al: Cr, dielectric protective layers and, preferably, vapor deposition of organic protective layers. The process is particularly preferably carried out in a coating batch.
Aluminium Spiegel sind die am weitesten verbreiteten Metallspiegel. Aufgrund der hohen Reflexion über einen breiten Spektralbereich, können AI Spiegel für den sichtbaren (VIS) wie auch den nahen Infrarot (NIR) Bereich ausgelegt werden. AI Spiegel werden typischerweise mittels Physical vapor deposition (PVD) Verfahren abgeschieden (vorwiegend Aufdampfen oder Sputtern).Aluminum mirrors are the most widely used metal mirrors. Due to the high reflection over a wide spectral range, AI mirrors can be designed for the visible (VIS) as well as the near infrared (NIR) range. AI mirrors are typically deposited using physical vapor deposition (PVD) processes (primarily vapor deposition or sputtering).
Die Umweltstabilität reiner AI Schichten ist nicht sonderlich hoch, da Aluminium aufgrund von Verunreinigungen in der Umgebungsluft zur Korrosion neigt. Des Weiteren haben reine Al Schichten eine geringe Abriebfestigkeit. Daher werden AI Spiegel zur Steigerung der Umweltstabilität mit dielektrischen [z.B.
Die dielektrischen Schutzschichten dienen zusätzlich zur Erhöhung der Reflexion der AI Spiegel in einem definierten Spektralbereich. Die Grenzen des Spektralbereichs mit gesteigerter Reflexion werden durch die Abfolge und Dicke der dielektrischen Schutzschichten mit tiefem (L) und hohem (H) Brechungsindex bestimmt.The dielectric protective layers also serve to increase the reflection of the AI mirrors in a defined spectral range. The limits of the spectral range with increased reflection are determined by the sequence and thickness of the dielectric protective layers with low (L) and high (H) refractive index.
Ein mögliches Anwendungsfeld für AI Spiegel liegt im Automobilbereich bei der Spiegelkomponente für Head-up-Displays (HUD), wo die Al Spiegelschichten direkt auf Kunststoffsubstrate (z.B. Topas COC) abgeschieden werden. Die Beständigkeit solcher AI Spiegel wird im Automobilbereich durch verschiedene beschleunigte Alterungs-Tests überprüft: Tabelle 1 zeigt solche typischen beschleunigten Alterungstests für Aluminiumspiegel.A possible field of application for AI mirrors is in the automotive sector in the mirror component for head-up displays (HUD), where the Al mirror layers are deposited directly on plastic substrates (e.g. Topas COC). The resistance of such AI mirrors is checked in the automotive sector by various accelerated aging tests: Table 1 shows such typical accelerated aging tests for aluminum mirrors.
Um eine genügend grosse Umweltbeständigkeit auf Kunststoffsubstraten zu erzielen, sind verschiedene Massnahmen notwendig. Ein wichtiger Schritt ist dabei die Aufbringung einer Haftschicht zwischen dem Polymer Substrat und der Al Spiegelschicht [
Die Funktionalität der Haftschicht basiert auf verschiedenen Faktoren:
- · Die Haftschicht verbessert die Adhesion des Schichtstapels aufgrund einer besseren chemischen Bindung des Haftlayermaterials zur Substratoberfläche im Vergleich zu AI.
- · Die Haftschicht dient als Diffusions-Barriere, die den Transport von Wasser zur Substratoberfläche einschränkt, was ein Aufschwellen der Kunststoffoberfläche verhindert oder vermindert.
- · Die Haftschicht schützt die Al Schicht vor korrosiven Medien, die am interface zur Kunststoffoberfläche eindringen können.
- · Mit der Haftschicht kann die intrinsische Schichtspannung des gesamten Schichtstapels beeinflusst werden.
- · The adhesive layer improves the adhesion of the layer stack due to a better chemical bond between the adhesive layer material and the substrate surface compared to Al.
- · The adhesive layer serves as a diffusion barrier which restricts the transport of water to the substrate surface, which prevents or reduces swelling of the plastic surface.
- · The adhesive layer protects the Al layer from corrosive media that can penetrate at the interface to the plastic surface.
- · The intrinsic layer tension of the entire layer stack can be influenced with the adhesive layer.
Ohne Haftschicht kann es zur vollständigen oder lokalen Delamination (Pinholes) des Spiegel-Schichtstapels während den Umwelttests kommen.Without an adhesive layer, complete or local delamination (pinholes) of the mirror layer stack can occur during the environmental tests.
Wie bereits oben dargestellt können auf der substratfernen Seite der Al Schicht zur weiteren Steigerung der Umweltbeständigkeit dielektrische Schutzschichten (H/L Stapel) abgeschieden werden. Die Reflexion erhöht sich bei der Design-Wellenlänge als Funktion der Anzahl dielektrischen Schutzschichten (L/H). Soll der Spiegel auf Polymersubstrate aufgebracht werden, so ist aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient zwischen den Polymersubstraten und den dielektrischen Schichten darauf zu achten, dass die Anzahl der dielektrischen Schutzschichten auf den Polymersubstraten nicht zu hoch gewählt werden, da es ansonsten zu Delamination aufgrund zu hoher Schichtspannung kommt.As already shown above, dielectric protective layers (H / L stacks) can be deposited on the side of the Al layer remote from the substrate to further increase the environmental resistance. The reflection increases with the design wavelength as a function of the number of dielectric protective layers (L / H). If the mirror is to be applied to polymer substrates, due to the different coefficient of thermal expansion between the polymer substrates and the dielectric layers, care must be taken that the number of dielectric protective layers on the polymer substrates is not selected too high, otherwise delamination due to excessive layer tension comes.
Die Herausforderung besteht nun darin, kostengünstige Al Spiegel auf Kunststoff Substraten abzuscheiden, die die im Automobil-Bereich gängigen Umwelttests bestehen (Tabelle 1).The challenge now is to deposit inexpensive aluminum mirrors on plastic substrates that pass the environmental tests common in the automotive sector (Table 1).
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Spiegel gemäss Anspruch 9 gelöst. Dieser kann durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 hergestellt werden. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.According to the invention, the object is achieved by a mirror according to
Erfindungsgemäss umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Oberfläche die Schritte:
- - Aufbringen einer Haftschicht
- - Aufbringen einer Al-Cr Legierung mittels Zerstäubung (Sputtern)
- - Aufbringen dielektrischer Schutzschichten mittels physikalischer Abscheidung aus der Gasphase
- - Aufdampfen einer hydrophoben organischen Schutzschicht
- - Application of an adhesive layer
- - Application of an Al-Cr alloy by means of atomization (sputtering)
- - Application of dielectric protective layers by means of physical deposition from the gas phase
- - Vapor deposition of a hydrophobic organic protective layer
Bevorzugt wird das Sputtern, die physikalische Abscheidung aus der Gasphase und das Aufdampfen aus derselben Beschichtungskammer heraus durchgeführt. Besonders bevorzugt wird auch die Haftschicht mittels physikalischer Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht, wobei idealer Weise ebenfalls dieselbe Kammer verwendet wird.The sputtering, the physical deposition from the gas phase and the vapor deposition are preferably carried out from the same coating chamber. Particularly preferably, the adhesive layer is also applied by means of physical deposition from the gas phase, ideally also using the same chamber.
Die Erfindung wird nun anhand konkreter Beispiele und mit Hilfe der Figuren im Detail erläutert.The invention will now be explained in detail on the basis of specific examples and with the aid of the figures.
Tabelle 1 zeigt typische beschleunigte Alterungstests für Al Spiegel
Tabelle 2 zeigt das Resultat von Alterungstests für 3 unterschiedliche Designs wie unten definiert.
-
1a zeigt die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge für Al-Spiegel mit unterschiedlichen Cr-Konzentrationen (Einfallswinkel = 45°, unpolarisiertes Licht). -
1b zeigt die über drei Beschichtungs-Chargen gemittelte Reflexion in Abhängigkeit der Cr-Konzentration bei unterschiedlichen Wellenlängen (Einfallswinkel = 45°, unpolarisiertes Licht). -
2 zeigt den schematischen Schichtaufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Design 2) -
3 zeigt die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge vonDesign 2 für zwei unterschiedliche Substrate (Einfallswinkel = 45°, unpolarisiertes Licht). -
4 zeigt den schematischen Schichtaufbau einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Design 3) -
5 zeigt die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge von Design 3 (Einfallswinkel = 45°, unpolarisiertes Licht).
Table 2 shows the result of aging tests for 3 different designs as defined below.
-
1a shows the reflection as a function of the wavelength for Al mirrors with different Cr concentrations (angle of incidence = 45 °, unpolarized light). -
1b shows the reflection averaged over three coating batches as a function of the Cr concentration at different wavelengths (angle of incidence = 45 °, unpolarized light). -
2 shows the schematic layer structure of a first embodiment of the present invention (design 2) -
3 shows the reflection as a function of the wavelength ofdesign 2 for two different substrates (angle of incidence = 45 °, unpolarized light). -
4th shows the schematic layer structure of a second embodiment of the present invention (design 3) -
5 shows the reflection as a function of the wavelength of design 3 (angle of incidence = 45 °, unpolarized light).
In einem ersten Schritt erfolgt das Aufbringen einer Haftschicht auf ein Kunststoffsubstrat (hier Topas) mittels Magnetron Sputtern in einer Trommelanlage. Das Grundkonzept einer solchen Beschichtungsanlage ist zum Beispiel in
Das Legieren mit geringen Mengen Cr (erfindungsgemäss ≤5 at.%) erhöht sich die Umweltstabilität der Al-Schichten. Al:Cr kann beispielsweise entweder durch Co-Sputtern eines Al und Cr Targets oder durch Sputtern eines legierten Al:Cr Targets erzielt werden. Die Reflexion sinkt pro legiertes at.% Cr um leicht mehr als 1 abs.%, wie
Mit 1 at.% Cr wird schon eine signifikante Verbesserung der Umweltstabilität erzielt (Tabelle 2), während die Reduktion der Reflexion für viele Anwendungen noch akzeptabel ist. Daher liegt die Zusammensetzung des legierten Targets vorzugsweise bei ca. AI0.99Cr0.01.With 1 at.% Cr, a significant improvement in environmental stability is achieved (Table 2), while the reduction in reflection is still acceptable for many applications. The composition of the alloyed target is therefore preferably around Al0.99Cr0.01.
Im vorliegenden Beispiel wurde eine 85nm dicke Al0.99Cr0.01 Schicht aufgebrachtIn the present example, an 85 nm thick Al 0.99 Cr 0.01 layer was applied
Anschliessend wurde ebenfalls mittels Sputtern auf die AlCr Schicht eine dielektrische tiefbrechende SiO2 Schicht mit einer Dicke von 90nm aufgebracht. Auf diese wurde eine dielektrische Nb2O5 Schicht mit einer Dicke von 57nm aufgebracht. Das so entstandene entsprechende Schichtsystem ist schematisch in
Gemäss einer zweiten Variante wurden 5 dielektrischen Schutzschichten mittels Sputtern aufgebracht. Dies waren 2 Nb2O5 Schichten als hochbrechendes Material (H) die zwischen 3 SiO2 Schichten als tiefbrechendes Material (L) angeordnet wurden. Die dielektrischen Schutzschichten hatten die folgenden Dicken: 90nm SiO2 - 57nm Nb2O5 - 95nm SiO2 - 50nm Nb2O5 - 40nm SiO2.According to a second variant, 5 dielectric protective layers were applied by means of sputtering. These were 2 Nb2O5 layers as high-index material (H), which were arranged between 3 SiO2 layers as deep-index material (L). The dielectric protective layers had the following thicknesses: 90nm SiO2 - 57nm Nb2O5 - 95nm SiO2 - 50nm Nb2O5 - 40nm SiO2.
Anschliessend erfolgte in dieser Variante zur weiteren Verbesserung der Umweltbeständigkeit in feuchter Umgebung (Festklima, Salznebel, Kondenswasser), das Aufdampfen einer hydrophoben Schutzschicht. Im vorliegenden Fall war dies ein Fluoropolymer, nämlich Perfluorpolyether mit Ankergruppe (Dicke = 1 Monolayer). Die hydrophobe Schutzschicht verbessert aufgrund des tiefen Reibungskoeffizienten auch die Abriebbeständigkeit in signifikanter Weise. Das entsprechende Schichtsystem ist schematisch in
Im vorliegenden Beispiel wurden die Haftschicht, die AlCr-Schicht und auch die dielektrischen Schutzschichten gesputtert während die hydrophobe Schutzschicht aufgedampft wurde. Hierzu wurde die Trommelbeschichtungsanlage mit zusätzlichen Verdampferschiffchen ausgestattet. Die Schiffchen sind mit einer Platte mit vielen kleinen Öffnungslöchern abgedeckt. Die Schiffchen sind in der Nähe der Kammerwand in einem Abstand von ca. 13cm zu der Substrataussenseite montiert und zeigen mit den Öffnungslöchern in Richtung der Substrate. Für eine homogene Beschichtung der Substrate sind mehrere Schiffchen nötig, die in einem Abstand von ca. 20cm zueinander montiert sind. Die Schiffchen werden mit Tabletten, die das hydrophobe Material enthalten, gefüllt und das hydrophobe Material wird bei einer elektrischen Leistung von ca. 300-500W verdampft. Da alle Schichten in der gleichen Trommelanlage aufgebracht wurden, musste lediglich einmal die Kammer belegt und ein Vakuum aufgebaut werden. Hierdurch konnte die Prozessdauer erheblich reduziert werden.In the present example, the adhesive layer, the AlCr layer and also the dielectric protective layers were sputtered while the hydrophobic protective layer was vapor-deposited. For this purpose, the drum coating system was equipped with additional evaporation boats. The shuttles are covered with a plate with many small opening holes. The boats are mounted near the chamber wall at a distance of approx. 13 cm from the outside of the substrate and point with the opening holes in the direction of the substrates. For a homogeneous coating of the substrates several boats are necessary, which are mounted at a distance of approx. 20 cm from one another. The boats are filled with tablets containing the hydrophobic material and the hydrophobic material is evaporated at an electrical power of approx. 300-500W. Since all layers were applied in the same drum system, the chamber only had to be occupied once and a vacuum built up. This enabled the process time to be reduced considerably.
Wie bereits beschrieben verbessert das Sputtern von legiertem AlCr die Umweltbeständigkeit signifikant im Vergleich zu etablierten Lösungen, bei denen nur reines Al verwendet wird. Durch die Kombination von gesputterten, dichten dielektrischen Schutzschichten und aufgedampfter organischer Schutzschicht wird die Umwelttestbeständigkeit weiter verbessert. Um eine kostengünstige Lösung sicherzustellen, werden die metallischen, dielektrischen und organischen Schichten in der gleichen Kammer gesputtert/verdampft. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass bis anhin die organische Schicht nicht gesputtert werden kann, da es beim Sputtern eines Fluoropolymers zur Zersetzung der Moleküle käme. Das Auftragen der organischen Schutzschicht (Brechungsindex n = 1.3) führt zu einer geringfügigen Verschiebung des spektralen Bereichs mit maximaler Reflexion. Das kann aber im Design des dielektrischen Schichtaufbaus berücksichtigt werden.As already described, the sputtering of alloyed AlCr improves the environmental resistance significantly compared to established solutions in which only pure Al is used. The combination of sputtered, dense dielectric protective layers and vapor-deposited organic protective layers further improve the environmental test resistance. To ensure a cost-effective solution, the metallic, dielectric and organic layers are sputtered / evaporated in the same chamber. It should be pointed out that up to now the organic layer cannot be sputtered because the molecules would decompose if a fluoropolymer were sputtered. The application of the organic protective layer (refractive index n = 1.3) leads to a slight shift in the spectral range with maximum reflection. However, this can be taken into account in the design of the dielectric layer structure.
Zu Vergleichszwecken wurde auch noch ein Schichtaufbau mit einem reinen Aluminiumspiegel hergestellt. D.h. auf ein Topas Substrat wurde eine SiO2 Haftschicht aufgebracht, anschliessend eine Aluminiumschicht gesputtert und dann noch dielektrische Schutzschichten aufgetragen. Die so entstandene Referenz wird im Folgenden Design 1 genannt. Design 1 unterscheidet sich von Design 2 und Design 3 in der spiegelnden Metallschicht insofern, dass die Metallschicht eine Aluminiumschicht ohne Chromzusatz ist.For comparison purposes, a layer structure with a pure aluminum mirror was also produced. This means that an SiO2 adhesive layer was applied to a Topas substrate, then an aluminum layer was sputtered and then dielectric protective layers were applied. The reference created in this way is called
An den verschiedenen Designs des Al Spiegel Schichtstapels wurden nun Umwelttests durchgeführt. Die entsprechenden Resultate sind in der Tabelle 2 aufgelistet. Als bestanden gilt, wenn die folgenden Faktoren erfüllt sind: Reflexionsverlust <1 abs.% nach Umwelttest und visuelle Inspektion ok. Als bestanden markiert wurde mit einem Haken. Als durchgefallen markiert wurde mit einem Kreuz. Dabei ist deutlich zu sehen, dass Design 1 in der Mehrzahl der Tests durchfällt und Design 2 in der Mehrzahl der Tests besteht. Demgegenüber hat Design 3 alle Tests bestanden.Environmental tests have now been carried out on the various designs of the Al Spiegel layer stack. The corresponding results are listed in Table 2. It is considered passed if the following factors are met: Reflection loss <1 abs.% After environmental test and visual inspection ok. It was marked as passed with a tick. It was marked as failed with a cross. It can be clearly seen that
Es wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Spiegels auf einem Kunststoffsubstrat, offenbart, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Kunststoffsubstrats mit Oberfläche
- - Beschichten des Kunststoffsubstrats mit einer Haftschicht
- - Beschichten mit einer Aluminium Legierung
- - Beschichten mit einem dielektrischen Schichtsystem das zumindest zwei Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex umfasst.
- - Providing a plastic substrate with a surface
- - Coating the plastic substrate with an adhesive layer
- - Coating with an aluminum alloy
- Coating with a dielectric layer system which comprises at least two layers with different refractive indices.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Chromanteil von mindestens 0.5 at% und maximal 5 at% umfasst.The method is characterized in that the aluminum alloy has a chromium content of at least 0.5 at% and a maximum of 5 at%.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass die Aluminium Legierung abgesehen von Verunreinigungen keine Metalle ausser Aluminium und Chrom umfasst.The method can be carried out in such a way that the aluminum alloy, apart from impurities, does not contain any metals except aluminum and chromium.
Verfahren kann so durchgeführt werden, dass die Haftschicht und/oder die Aluminium Legierung und/oder das dielektrische Schichtsystem mittels Sputtern aufgebracht wird.The method can be carried out in such a way that the adhesive layer and / or the aluminum alloy and / or the dielectric layer system is applied by means of sputtering.
Verfahren kann so durchgeführt werden, dass es einen Schritt umfasst in dem mindestens eine hydrophobe Schicht aufgebracht wird, vorzugsweise auf das dielektrische Schichtsystem.The method can be carried out in such a way that it comprises a step in which at least one hydrophobic layer is applied, preferably onto the dielectric layer system.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass die hydrophobe Schicht eine organische Schicht und bevorzugt ein Fluorpolymer und besonders bevorzugt ein Perfluorpolyether mit Ankergruppe umfasst.The method can be carried out in such a way that the hydrophobic layer comprises an organic layer and preferably a fluoropolymer and particularly preferably a perfluoropolyether with an anchor group.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass hydrophobe Schicht eine organische Schicht und bevorzugt ein Fluorpolymer und besonders bevorzugt ein Perfluorpolyether mit Ankergruppe ist.The method can be carried out such that the hydrophobic layer is an organic layer and preferably a fluoropolymer and particularly preferably a perfluoropolyether with an anchor group.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass die hydrophobe Schicht mittels Verdampfen im Vakuum aufgebracht wird.The method can be carried out in such a way that the hydrophobic layer is applied by means of evaporation in a vacuum.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass alle Schichten in derselben Beschichtungskammer aufgebracht werden und dementsprechend die Beschichtungskammer vom Beschichten der ersten, nämlich der Haftschicht bis zur letzten, nämlich der hydrophoben Schicht nicht geöffnet werden muss, so dass das Vakuum nicht gebrochen werden muss.The method can be carried out in such a way that all layers are applied in the same coating chamber and accordingly the coating chamber does not have to be opened from coating the first, namely the adhesive layer, to the last, namely the hydrophobic layer, so that the vacuum does not have to be broken.
Es wurde Kunststoffsubstrat offenbart, dessen Oberfläche zumindest teilweise eine Verspiegelung umfasst, wobei die Verspiegelung eine Haftschicht, eine Aluminiumlegierung und ein dielektrisches Schichtsystem als Schutzschicht umfasst, und die Aluminiumlegierung einen Chromanteil von mindestens 0.5 at% und maximal 5 at% umfasst.A plastic substrate was disclosed, the surface of which at least partially comprises a mirror coating, the mirror coating including an adhesive layer, an aluminum alloy and a dielectric layer system as a protective layer, and the aluminum alloy having a chromium content of at least 0.5 at% and a maximum of 5 at%.
Die Verspiegelung des Kunststoffsubstrats kann eine hydrophobe Schicht umfassen, wobei die hydrophobe Schicht bevorzugt ein Fluorpolymer und besonders bevorzugt ein Perfluorpolyether mit Ankergruppe umfasst
Tabelle 1
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