DE2164340B2 - Verfahren zur Bildung einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Schicht - Google Patents

Verfahren zur Bildung einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Schicht

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Description

Die Erfindung betrifft e;n Verfahren zur Herstellung einer flexiblen elektrisch leitenden Schicht durch Aufdampfen eines elektrisch leitenden Materials im Vakuum auf die Oberfläche einer im elektrischen Feld deformierbaren Kunststoffschicht.
Es ist bereits bekannt, Bilder auf thermoplastischen Flächen durch Reliefbildung zu erzeugen, indem diese Flächen in bildmäßiger Verteilung deformiert werden. Die Bilderzeugung erfolgt dabei durch Bildung von Erhebungen und Vertiefungen auf der thermoplastischen Fläche. An der verformten Fläche reflektiertes oder durch sie hindurchgelassenes Licht kann das aufgezeichnete Bild sichtbar machen, da das Licht durch die Verformungen gestreut oder gebrochen wird. Man unterscheidet drei verschiedene Arten der Reliefbilderzeugung auf thermoplastischen Flächen.
Die erste Bilderzeugungsart ist das sogenannte »Mattierungsverfahren«, das in den US-Patentschriften 31 96 009, 31 96 011, 32 58 336 und 31 96 008 beschrieben ist. Die Mattierungsbilderzeugung wurde bisher so durchgeführt, daß an einer dünnen, isolierenden, thermoplastischen Schicht ein Spannungsmuster erzeugt wurde. Dieses Spannungsmuster wird normalerweise mit einer benachbarten Schicht eines fotoleitfähigen Materials erzeugt, jedoch kann auch die thermoplastische Schicht selbst fotoleitfähig sein. Das elektrische Feld wird an der Schichtanordnung aus thermoplastischer und fotoleitfähiger Schicht oder an der fotoleitfähigen thermoplastischen Schicht erzeugt. Das Lichtintensitätsmuster des auf das fotoleitfähige Material einwirkenden Bildes erzeugt ein veränderliches elektrostatisches Feld.
Es wurde festgestellt, daß eine dünne, flüssige Schicht, an der ein starkes elektrisches Feld erzeugt wird, vorzugsweise in einem Muster deformiert wird, das genau den räumlichen Frequenzänderungen dieses Feldes angepaßt ist, wenn die Änderungen vornehmlich aus räumlichen Frequenzen im Bereich der charakteristischen oder Resonanzfrequenz der Schicht liegen. Für mittlere elektrische Feldstärkewerte hat diese Frequenz normalerweise den Wert 1/2 T, wobei T die Dicke der flüssigen Schicht ist. Ändert sich das Feldmuster langsamer, so werden auf der Oberfläche der Schicht Runzeln oder regellose Deformationen gebildet, die charakteristische räumliche Frequenzen im Bereich von V2 T haben und als Mattierung bezeichnet werden. Bilder mit Raumfrequenzen innerhalb des Bereichs der Resonanzfrequenz der deformierbaren Oberfläche werden durch eine derartige Deformation sehr gut reproduziert Bilder mit Raumfrequenzen, die niedriger als diese Resonanzfrequenz liegen, erzeugen Mattierungen in den Bereichen stärkerer Beleuchtung. In Verbindung mit einem optischen Schlieren-System oder einer anderen geeigneten Anordnung können aus den Mattierungsdeformationen Bilder guter Qualität rekonstruiert werden. Das Eigenrauschen des Mattierungsbildes wirkt sich jedoch für einige Anwendungsfälle nachteilig aus.
Die zweite Bilderzeugungsart wird auch als »Rastermattierung« bezeichnet und ist durch die US-Patentschriften 3196 012 und 34 36 216 bekannt. Dieses Abbildungsverfahren ermöglicht die Aufzeichnung von Deformationsbildern mit Raumfrequenzen, die viel niedriger als die Resonanzfrequenz der deformierbaren Schicht sind. Es wurde gezeigt, daß durch ein Linien-Absorptionsraster mit einer Raumfrequenz nahe der Resonanzfrequenz der deformierbaren Fläche zwischen dem projizierten Bild auf dem Fotoleiter und dem Fotoleiter selbst eine Deformation erzeugt werden kann, die in den beleuchteten Bereichen des Fotoleiters keine Mattierung zeigt. Die durchgehenden Bildflächenteile, d. h. Bereiche mit niedriger Raumfrequenz, sind dabei mit Mattierungen angefüllt, wobei jedoch noch Reste des Rasters vorhanden sind. Wenn diese nicht erwünscht sind, so können sie durch nachfolgendes räumliches Filtern oder durch andere bekannte Verfahren ent/ernt werden.
Die dritte Bilderzeugungsart ist eine Variante der beiden erstgenannten, jedoch wird sie wegen ihrer Wichtigkeit besonders erläutert. Sie ermöglicht das Aufzeichnen von Hologrammen auf einer deformierbaren Schicht und wurde von C a t h e y für gebleichte Gelatineemulsionen und von Urbach für eine Schichtanordnung aus einer thermoplastischen und einer fotoleitfähigen Schicht beschrieben. Ein Hologramm ist eine Aufzeichnung des Interferenzmusters zweier Lichtstrahlen, die miteinander kohärent sind. Ein Lichtstrahl enthält normalerweise Informationen eines Objekts, der andere ist ein Bezugsstrahl mit im allgemeinen einfacher Struktur. Das Interferenzmuster hat normalerweise die Erscheinung eines in gewisser Weise verstümmelten Bildes auf einem Bildträger. Nähert sich die Raumfrequenz des Bildträgers der Resonanzfrequenz der dünnen, flüssigen Schicht an, so deformiert sich die Oberfläche längs der Struktur des Interferenzmusters, und es wird ein nur geringes Rauschen erzeugt.
Alle vorstehend genannten Bilderzeugungsarten arbeiten mit Deformation einer dünnen Plastikschicht, die durch Wärmeeinwirkung oder Lösungsmitteldämpfe erweichbar ist. Sie können prinzipiell wiederholt durchgeführt werden, indem Wärme oder Lösungsmitteldämpfe zur Erweichung des Kunststoffs zur Einwirkung gebracht werden und das jeweils aufgezeichnete Bild gelöscht wird. Normalerweise kann sich dann die Oberfläche wieder verfestigen, indem sie gekühlt oder
einem Ventilationsgerät ausgesetzt wird. Dann kann ein weiteres Bild erzeugt werden. Diese Verfahren können jedoch nicht sehr schnell zyklisch durchgeführt werden. Ferner erfordert eine zyklische Durchführung den Aufwand von Lösungsmitteln oder großer Eingangsleistungen. Ferner wurde wiederholt beobachtet, daß die technischen Kunststoffe nicht völlig gelöscht werden können, da mit dem Entwicklungsverfahren chemische Änderungen verbunden sind. Deshalb kann mit diesen Stoffen eine nur begrenzte Anzahl Bilderzeugungszyklen durchgeführt werden. Es besteht daher der Bedarf für ein verbessertes Reproduktionsverfahren, das wiederholt und schnell sowie wirtschaftlich zyklisch durchgeführt werden kann und einen geringen Leistungsbedarf verursacht
Es wurde bereits ein die vorstehend aufgezeigten Nachteile vermeidendes elektrophotographisches Reproduktionsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein Aufzeichnungsträger mit einer elektrisch isolierenden, elastomeren Schicht verwendet wird und die Bestrahlung bis zu einer dem Licht-Schatten-Muster entsprechenden Verformung dieser Schicht durchgeführt wird.
Aus der DT-OS 14 97 202 ist ein Verfahren zur Herstellung einer flexiblen elektrisch leitenden Schicht durch Aufdampfen eines elektrisch leitenden Materials im Vakuum auf die Oberfläche einer im elektrischen Feld deformierbaren Kunststoffschicht bekannt. Dieses bekannte Verfahren weist jedoch ebenfalls den Nachteil auf, daß die verwendete thermoplastische Schicht nicht leicht regenerierbar ist und deshalb das bekannte in Verfahrensprodukt nicht für ein schnelles zyklisches Reproduktionsverfahren geeignet ist. Hinzu kommt, daß beim Aufdampfen einer Metallschicht als elektrisch leitenden Schicht das aufgedampfte Metall beim Abkühlen zur Schrumpfung, & h. zum Zusammenziehen, π neigt. Bei einem gewissen Wärmeenergiezustand ergibt sich Rißbildung, so daß die Metallschicht unregelmäßig wird. Dieses Zerbrechen der als elektrisch leitenden Schicht aufgebrachten Metallschicht wird im folgenden auch als »Krustenrißbildung« bezeichnet, da die Erscheinungsform solcher Schichten nach der Schrumpfung den Eindruck einer zerrissenen Schlammkruste vermittelt. Eine solche gerissene Metallschicht eignet sich ebenfalls nicht für ein zyklisches Reproduktionsverfahren.
Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren der eingangs genannten Art, wobei man eine elektrisch leitende Schicht aufbringt, die ein schnelles, wirtschaftliches zyklisches Reproduktionsverfahren erlaubt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der genannten Gattung gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf eine elastomere Kunststoffschicht zwei Materialien mit unterschiedlichem Schmelzpunkt aufgedampft werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im v> folgenden für die Herstellung eines Aufzeichnungsträgers mit elastomerer Schicht beschrieben. Die Bezeichnung »elastomer« betrifft im folgenden ein normalerweise amorphes Material, welches bei Auftreten einer Deformation eine Rückbildungskraft hat. Ein solches <·,ο Material deformiert sich alio unter einer Krafteinwirkung und neigt zu einer Rückbildung seiner Form durch Volumen- und Oberflächenkräfte, so daß es wieder die Form annimmt, die es vor der Krafteinwirkung hatte.
Bei dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel ist ein < ~. Aufzeichnungsträger mit einer Unterlage vorgesehen, die je nach Verwendungszweck durchsichtig oder undurchsichtig sein kann. Ist die Unterlage nicht leitfähig, so ist sie mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen. Wenn sie transparent ist, so kann die elektrisch leitfähige Schicht gleichfalls transparent sein. Auf der elektrisch leitfähigen Schicht oder auf der gegebenenfalls leitfähigen Unterlage, ist eine fotoleitfähige Schicht angeordnet. Über der fotoleitfähigen Schicht befindet sich eine elastomere Schicht, die durch ein elektrostatisches Ladungsbild auf der fotoleitfähigen Schicht deformierbar ist Eine dünne, elektrisch leitende Schicht liegt auf der elastomeren Schicht und muß so flexibel sein, daß sie den Deformationen der elastomeren Schicht folgt Wenn die dünne, elektrisch leitende Schicht undurchsichtig ist, beispielsweise ein dünner Metallfilm, so muß die Unterlage und ihre leitende Schicht transparent sein, damit die Bildinformationen die fotoleitfähige Schicht erreichen. In diesem Falle können die Bildinformationen kontinuierlich gelesen werden, wenn das dazu verwendete Licht von der richtigen Seite her einfällt. Wenn die dünne, elektrisch leitende Schicht transparent ist, kann das Licht an ihrer Oberfläche reflektiert werden oder die Anordnung wird bei Durchleuchtung verwendet, wenn die Unterlage und ihre leitende Schicht transparent sind.
Die flexible, elektrisch leitende Schicht kann eine dünne Schicht aus Gold und aus Indium sein; es können auch geeignete andere Metallschichten vorgesehen sein. Die Dicke der Metallschichten liegt normalerweise zwischen ca. 5 πιμ, und einigen Hundert πιμ was von der gewünschten Flexibilität und der erforderlichen Leitfähigkeit abhängt. Eine transparente und leitende Schicht kann auch verwendet werden; beispielsweise enthält diese einen elektrisch leitenden Kunststoff.
Andere leitende Schichten, wie sie dem Fachmann bekannt sind, können gleichfalls beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden. Zur Erzeugung und Blockierung des Deformationsbildes wird eine Spannung zwischen der Unterlage und der leitenden Schicht angewendet, die ungefähr zwischen 1 und 25 000 Volt liegt, was von der Dicke und den anderen Eigenschaften des Elastomers abhängt.
An die dünne, leitende Schicht sind folgende Anforderungen zu stellen: ausreichende Leitfähigkeit zur Bildung einer Äquipotentialfläche bei Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle, ausreichende Flexibilität zur Anpassung an die Deformationen des Elastomers, ausreichende Alterungsfestigkeit gegenüber zahlreichen und schnellen Bildungen und Löschungen von Oberflächendeformationen und in einigen Fällen hohe Undurchlässigkeit und Reflexionsfähigkeit, wenn die Informationen durch eine hochintensive Lichtquelle gelesen v/erden, für die die fotoleitfähige Schicht empfindlich ist.
Vorzugsweise werden für die dünne, elektrisch leitende Schicht Gold und Indium verwendet. Die Schicht wird dadurch gebildet, daß die Stoffe durch Aufdampfung auf den Elastomer aufgebracht werden. Hierzu wird ein Material auf oder über seinen Schmelzpunkt erhitzt, die Dämpfe werden auf der gewünschten Fläche kondensiert.
Das hier beschriebene Verfahren sieht ferner die Aufdampfung einer zweiten Metallschicht auf die erste vor, bevor die erste Schicht einer Rißbildung unterworfen ist. Die beiden Stoffe können gleichzeitig aufgebracht werden. Das zweite Metall ist so ausgewählt, daß es einen niedrigeren Schmelzpunkt als das erste hat. Das Endprodukt ist eine kontinuierliche Schicht, die die oben angegebenen Erfordernisse erfüllt und dabei innerhalb großer Temperaturbereiche keine Krustenrisse zeigt.
Die Schicht kann Teile aufweisen, in denen die beiden Metalle (oder andere geeignete Stoffe) schichtartig übereinanderliegen, jedoch auch solche Teile, wo die beiden Metalle makroskopisch und mikroskopisch (d. h. in Form einer Legierung) miteinander vermischt sind. Ferner können solche Teile vorliegen, wo die beiden Anteile nebeneinanderliegen. Es können auch zusätzliche Stoffe vorgesehen sein, die bestimmte Eigenschaften verbessern oder unterdrücken.
Eine Theorie, die die Erfindung jedoch nicht einschränken soll, erklärt die Unterdrückung der Krustenrißbildung bei der nach der Erfindung gebildeten Schicht. Sie bezieht sich auf die relative Beweglichkeit der Atome an den Oberflächen unterschiedlicher Stoffe. Die Atome von Stoffen mit hohem Schmelzpunkt haben normalerweise eine geringe Oberflächenbeweglichkeit, die zu einer Krustenrißbildung führt, wenn die Metalle als Schicht auf ein elastomeres Material aufgebracht werden. Die Atome von Stoffen mit geringerem Schmelzpunkt zeigen eine vergleichsweise viel größere Oberflächenbeweglichkeit, ihr Vorhandensein schwächt die Auswirkungen der in dem Material mit hohem Schmelzpunkt erzeugten Spannungen ab.
Die vorzugsweise verwendeten Stoffe Gold und Indium haben einen hohen bzw. niedrigen Schmelzpunkt. Eine Krustenrißbildung wird normalerweise bei aufgedampften Goldschichten innerhalb von Minuten nach Abkühlung auf Raumtemperatur beobachtet. Deshalb steht normalerweise eine ausreichende Zeit zur Aufdampfung des Indiums auf die Goldschicht zur Verfügung. Ein Beispiel einer sehr guten Schichtbildung ergibt sich bei Ablagerung von 5 bis einigen Hundert ιτιμ Gold und darauf folgende Ablagerung von 5 bis einigen Hundert ΐημ Indium auf die Goldschicht. Die erhaltene Schicht ist kontinuierlich und zeigt keine Krustenrißbildung innerhalb eines großen Temperaturbereiches. Das Indium ist besonders deshalb vorteilhaft, weil es die Undurchsichtigkeit der gebildeten Schicht erhöht und infolge seines silbrigen Aussehens die Reflexionsfähigkeit der Schicht verbessert
Es sei bemerkt, daß Indium selbst ein nicht sehr wirksames Material für die dünne, elektrisch leitende Schicht ist, da es eine schlechte Leitfähigkeit hat. Diese schlechte Leitfähigkeit ist eine Eigenschaft der Stoffe mit geringem Schmelzpunkt, da sie während der Kondensation Inseln bilden, die sich nicht zu einer kontinuierlichen Schicht wesentlicher Dicke verbinden. Entsprechend kann man beobachten, daß Aufdampfungen einzelner Stoffe (oder deren Legierungen) mit hohem oder niedrigem Schmelzpunkt Schichten ergeben, die weniger zufriedenstellend arbeiten als solche Schichten, die aus Stoffen mit hohem Schmelzpunkt und aus Stoffen mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet sind.
Weitere geeignete Stoffe mit hohem Schmelzpunkt außer Gold sind Aluminium, Silber, Magnesium, Kupfer, Kobalt, Eisen, Chrom, Nickel und andere. Aluminium hat die weitere günstige Eigenschaft, daß es stark korrosionsbeständig ist. Geeignete Stoffe mit niedrigem Schmelzpunkt außer Indium sind Gallium, Cadmium, Quecksilber, Blei und andere. Cadmium hat für sich bereits eine sehr geringe Neigung zur Rißbildung.
Die vorstehenden Probleme der Rißbildung und der Inselbildung können nicht auftreten, wenn die leitende Schicht durch chemische Reaktion, Ausfällung aus einer Lösung, Elektrophorese, Elektrolyse und/oder andere Verfahren gebildet wird.
Auf der elektrisch leitfähigen Schicht kann zusätzlich eine transparente Uolierstoffschicht aus öl aufgebracht werden. Ihre Aufgabe besteht darin, die Herstellungserfordernisse für die Schichtanordnung weniger stark einzuschränken. Das Vorhandensein von winzigen
r. Löchern in der elastomeren Schicht kann Kurzschlüsse hervorrufen. Die zusätzliche ölschicht verhindert solche Kurzschlüsse, da das isolierende öl in die Löcher hineinfließt.
Die ölschicht hat auch eine weitere wichtige
in Funktion, wenn sie einen gegenüber Luft unterschiedlichen Brechungsindex hat Das Vorhandensein des Öls auf der leitfähigen Schicht bewirkt, daß von einer Seite her einfallendes Licht stärker moduliert wird, als dies der Fall wäre^jaenn juir Luft-an ^er Grenzfläche—
Γι vorhanden wäre. Der Grund besteht darin, daß für denselben Grad der Oberflächendeformation die Änderungen des optischen Weges proportional dem Brechungsindex des Mediums sind, welches an die Schichtoberfläche angrenzt
Das auf einem erfindungsgemäß hergestellten Aufzeichnungsträger erzeugte Bild kann gelöscht werden, indem das elektrische Feld an dem Aufzeichnungsträger entfernt oder umgekehrt wird. Ein weiteres Verfahren zur Löschung der Oberflächendeformationen besteht
r· darin, an der Unterlage eine Lichtquelle anzuordnen und die fotoleitfähige Schicht zu beleuchten, so daß das modulierte Muster, welches durch das Bilderzeugungslicht gebildet wurde, gelöscht wird. Dies kann durchgeführt werden, solange die Felder an der
iii elastomeren Schicht einen Wert haben, der noch keine Blockierung der Oberflächendeformationen bewirkt.
Im allgemeinen sollen die elastomeren Stoffe gute Isolatoren sein und einen spezifischen Volumenwiderstand von mehr als 104Q cm besitzen. Vorzugsweise
r> wird ein Elastomer verwendet der eine transparente Zusammensetzung aus einem elastomeren Dimethylpolysiloxansilicongel ist, hergestellt durch Zusammenbringen von ca. 1 Teil einer härtenden Siliconharzverbindung und von 0 bis ca. 30 Teilen Dimethylpolysiloxansiliconöl. Geeignete Harze sind transparente, flexible Organosilonanharze der in der US-Patentschrift 32 84 406 beschriebenen Art, bei denen ein größerer Anteil der organischen Gruppen an dem Silizium Methylradikale sind.
4ϊ Die Deformation des Elastomers ist unterschiedlich gegenüber derjenigen thermoplastischer Stoffe, denn sie sind unabhängig von jeglichem Entwicklungsschritt, beispielsweise von einer Erweichung durch Erwärmung und/oder Lösungsmittel, wie sie bei thermoplastischen
")0 Stoffen erforderlich ist Ein weiterer Unterschied zwischen elastomeren und thermoplastischen Stoffen besteht darin, daß die elastomeren Deformationen einen bestimmten Grenzwert für ein vorgegebenes elektrisches Feld erreichen, da elastische Kräfte der η Deformation entgegenwirken. Die thermoplastischen Deformationen zeigen keinen derartigen Grenzwert für eine gegebene Feldstärke, solange der thermoplastische Stoff in einem erweichten Zustand gehalten wird.
Wie auch bereits vorgeschlagen wurde, ist es möglich,
in ein Bild auf einer undurchsichtigen Schichtanordnung mit Licht zu erzeugen, welches durch die Unterlage geleitet wird, oder gleichzeitig das Bild mit Licht zu rekonstruieren, welches von der anderen Seite her zugeführt wird. Die beiden Lichtstrahlen können
' ■· unterschiedliche Wellenlängen und/oder Intensitäten haben. Es hat sich nun gezeigt, daß ein Lichtstrahl kohärent, der andere nicht kohärent sein kann. Das Rekonstruktionslicht kann beispielsweise kohärent und
durch einen Laser erzeugt sein, so daß die Bildverarbeitungsschritte auf dem Oberflächendeformationsbild durchgeführt werden können, welches mit nicht kohärentem Licht durch die Unterlage hindurch erzeugt wird. Andererseits kann das zur Urzeugung der Deformationen verwendete Licht kohärent sein, während das Rekonstruktionslicht nicht kohärent ist. Dieser F'all ist insofern günstig, als nicht kohärentes Licht dem menschlichen Auge angenehmer erscheint und die üblichen Generatoren für kohärentes Licht nur innerhalb schmaler Wellenlängenbänder arbeiten, d. h. sie erzeugen nur eine Farbe, z. B. Rot. Ein Grund zur
Anwendung kohärenten Lichtes für die Erzeugung dei Oberflächendeformationeti ergibt sich, wenn diese; Licht das Rekonstruktionslieht zur Erzeugung voi Bildern mit Hologrammen ist. Daher kann eine nach dei Erfindung hergestellte Aufzeichnungsanordnung mi einem Oberfläehendeformationsbild durch ein proji/ier tes, holografisch rekonstruiertes Bild versehen werden wobei dieses neue Bild mit nicht kohärentem I ich wesentlich grölierer Intensität betrachtet werden k.inn Dadurch ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten be grollen Sichtfeldern und Anzeigevorrichtungen.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer flexiblen elektrisch leitenden Schicht durch Aufdampfen eines ■-, elektrisch leitenden Materials im Vakuum auf die Oberfläche einer im elektrischen Feld deformierbaren Kunststoffschicht, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine elastomere Kunststoffschicht zwei Materialien mit unterschiedlichem u> Schmelzpunkt aufgedampft werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das Material mit dem höheren Schmelzpunkt und dann das Material mit dem niedrigeren Schmelzpunkt aufgedampft wird. ι r>
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit dem niedrigeren Schmelzpunkt vor der Bildung von Rissen in dem Material mit dem höheren Schmelzpunkt aufgedampft wird. 2(i
4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß beide Materialien gleichzeitig aufgedampft werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit dem höheren Schmelzpunkt Gold und als Material mit dem niedrigeren Schmelzpunkt Indium verwendet wird.
DE2164340A 1970-12-28 1971-12-23 Verfahren zur Bildung einer flexiblen, elektrisch leitenden Schicht Expired DE2164340C3 (de)

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