DE3490033T1

DE3490033T1 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements und ein nach diesem Verfahren hergestelltes optisches Bauelement

Info

Publication number: DE3490033T1
Application number: DE19843490033
Authority: DE
Inventors: Dennis William Dr. Upper South Wraxall Bradford on Avon Wiltshire Robinson
Original assignee: Spafax Holdings PLC
Current assignee: Spafax Holdings PLC
Priority date: 1983-01-26
Filing date: 1984-01-25
Publication date: 1986-03-13
Also published as: ZA84518B; GR81664B; CA1246370A; FR2539881A1; PH23007A; DK458684D0; JPS60500502A; PT78009A; SE453737B; GB8302165D0; DK161754B; DK161754C; IT8419314A0; GB2152703B; FR2539881B1; IT1173135B; DK458684A; IE840138L; WO1984002875A1; NO843782L

Description

SPAFAX HOLDINGS PLC .£,
Corsham

Wiltshire, England

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements und ein nach diesem Verfahren hergestelltes optisches Bauelement

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements und ein nach diesem Verfahren hergestelltes optisches Bauelement.

Es ist bekannt, synthetische Kunststoffe als Material für optische Bauelemente zu verwenden, die gegenüber üblichem Glas eine Reihe von Vorteilen besitzen, wie beispielsweise thermo- und mechanische Schockbeständigkeit, geringere Herstellungskosten, geringeres Gewicht und größere Formgestaltungsmöglichkeit. Derartige optische Bauelemente aus Kunststoff sind jedoch auf der Oberfläche durch Abrieb, Kratzen und Umweltbedingungen verletzbar, wodurch oft deren Funktion verschlechtert wird.

Es ist auch bekannt, daß auf die Oberfläche des Kunststoffes kratzfeste Schichten durch Tauchbeschichtung, Ultraviolettbestrahlungs-Polymerisation und Lackieren aufgebracht werden können. Hierdurch ergeben sich aber zusätzliche Verfahrensschritte und Probleme bei den End-

produkten, wie mangelnde Gleichmäßigkeit der Dicke, unterschiedliche Haftung auf der Kunststoffunterlage während des Gelierens beim Härten der Beschichtung und es ist auch im allgemeinen zu teuer, um noch mit einem wirtschaftlich annehmbarem Wirkungsgrad zu produzieren. Die Beschichtung selbst ist dabei noch sehr von der einzelnen Kunststoffart abhängig. Darüber hinaus ist es problematisch, die Beschichtung unmittelbar auf eine metallisch reflektierende Oberflächenbeschaffenheit auf dem Kunststoff aufzubringen.

Es gibt viele optische Anwendungen, bei denen es erwünscht ist, eine verschleißfeste, spiegelnd reflektierende Oberflächengüte auf dem Kunststoffkörper zu er- !5 zeugen.

Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden, einschließlich eines elektrochemischen Niederschlages eines stark reflektierenden Metalls, wie beispielsweise Chrom oder Nickel auf der Vorderseite eines durchsichtigen oder opaken Kunststoffes, üblicherweise eines Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymers.

Diese Methode ist sehr teuer und führt oft zu Schwierigkeiten bei der Herstellung. Sie führt auch nur zu einem spiegelähnlichen Erzeugnis mit einem geringeren Reflexionsgrad als er mit üblichen Silber- oder Aluminiumoberflächen erreicht werden kann. Trotz der Verwendung von relativ inertem Kunststoff als Grundlage für den Spiegel kann ein Vielmetallschicht-Elektroplattierverfahren auch zu störenden elektrolytischen Problemen führen, wenn der Spiegel ungünstigen Umweltbedingungen ausgesetzt ist.

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Eine weitere bekannte Technik verwendet die thermische Verdampfung von Aluminium auf der Rückseite eines bereits beschichteten durchsichtigen Kunststoffes, dessen Beschichtung in einem bestimmten Grad verschleißfest ist, die vorher durch ein separates und teueres, nasses chemisches Verfahren niedergeschlagen wurde. Gegenstände, die nach dieser Technik hergestellt werden, sind in der Größe, Form und Anordnung des beschichteten Kunststoffsubstrats üblicherweise auf eine Blattform beschränkt und sie sind infolge des verwendeten Mehrstufenverfahrens teuer.

Weiterhin ist es bekannt, eine unterstützende Vakuum-Metallbeschichtung auf dem unbehandelten Kunststoff und dann einen nassen chemischen Beschichtungsprozeß durchzuführen, um die Verschleißfestigkeit zu erzielen. Aber auch dieses Verfahren ist teuer und es neigt zu optischen Fehlern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der vorliegenden Erfindung erhält der Kunststoff eine verschleißfeste Schicht, auf der die reflektierende Schicht nicht nur gut haftet, sondern vor allem auch gegen Verschleiß geschützt ist, da eine harte Grundschicht vorhanden ist.

Der Kunststoff wird vorzugsweise zunächst einem Entfettungsverfahren unterworfen, bevor die Oberflächenbeschichtung vorgenommen wird und die Entfettung kann so durchgeführt werden, daß der Kunststoff in einem Fluor-

kohlenstofflösungsmittel dampfentfettet und anschließend in ein mit Ultraschall in Schwingungen versetztes Lösungsmittel, das dasselbe sein kann, wie oben ausgeführt, gebracht wird. Als geeignetes Mittel hat sich beispielsweise 1,1,2 Trichlor-1,2,2 Triflisioräthan (CCl₂F-CClF₂) erwiesen.

Vorzugsweise wird nach der Entfettung auch ein MoIekular-Reinigungsprozeß in einem Vakuumgefäß durchgeführt. Anschließend kann die Oberflächenschicht durch Aufbringen einer Unterlageschicht aus Oxiden desjenigen Materials gebildet werden, das für das spiegelnd reflektierende Material verwendet wird. Diese Unterlageschicht kann durch einen Gleich- oder Wechselstrom-Sputter-Prozeß in einem Vakuumgefäß in einer Sauerstoff-Argon- Atmosphäre bei einem Druck im Bereich von 2 χ 10"^ mbar aufgebracht werden. Beim Wechselstrom-Sputtern wird eine Magnetron-Sputtereinrichtung verwendet.

Zum Aufbringen der Unterlageschicht kann unmittelbar nach dem Molekular-Reinigungsprozeß der Druck im Vakuum-

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gefäß auf 1 χ 10 mbar reduziert werden, wonach Argongas eingelassen wird, bis der Druck 5 x 10 mbar erreicht, worauf Sauerstoff dazugegeben wird bis der Druck 2 χ 10"^ mbar erreicht.

Die Unterlageschicht wird unmittelbar anschließend durch einen Sputter-Prozeß erhalten, wobei als Target insbesondere dasjenige Metall verwendet wird, das auf die Unterlageschicht aufgebracht werden soll. Die Unterlageschicht besitzt vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 - 1,0 pm (θ,5 bis 1,0 microns).

Die Schicht aus reflektierendem Material kann dann direkt auf die Unterlageschicht aufgebracht werden und in diesem Fall kann das reflektierende Material auch

durch einen Gleichstrom Sputter-Prozeß aufgebracht werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel besteht das spiegelnd reflektierende Material aus Chrom und in diesem Fall besteht die Unterlageschicht vorzugsweise aus einer dünnen Schicht aus Chromoxid mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 1,0 pm(0,5 bis 1,0 microns).

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel besteht die spiegelnd reflektierende Schicht aus Aluminium, wobei die Unterlageschicht vorzugsweise aus einer dünnen, etwa 0,5 bis 1,0 μΐη(0,5 bis 1,0 microns)dicken Schicht von Oxiden des Aluminiums besteht.

Gemäß einer anderen Ausführungsart der Erfindung kann die Oberflächenschicht durch eine in-situ-Glasherstellung erzeugt werden, indem unter ein Plasma anregenden Bedingungen typische, chemische Glasbestandteile, wie Calziumkarbonat, Natriumkarbonat und Oxide des Siliziums zusammen zur Reaktion gebracht werden. Derartige chemische Bestandteile können durch ein Bombardement mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl in einen reaktiven Zustand gebracht werden.

Die Erfindung umfaßt daher gemäß einem weiteren Vorschlag auch ein optisches Bauelement mit spiegelnd reflektierenden Eigenschaften aus einem Kunststoff mit einer Unterlageschicht aus Glas, insbesondere Hartglas, oder mit einer Substanz mit glasähnlichen, insbesondere hartglasähnlichen Eigenschaften und mit einer auf dieser aufgebrachten spiegelnden Schicht aus reflektierendem Material.

Die oben genannten Oxide von Chrom und Aluminium sind dabei den hartglasähnlichen Substanzen gleichzusetzen.

-τ-

Diese und andere Metalloxide, wie beispielsweise Siliziumoxid sind an sich Verbindungen, die in keramischen Versätzen oder Glasfritten Anwendung finden. Sie eignen sich jedoch gut für die Unterlage, da sie auch als dünne Schichten hartglasähnliche Eigenschaften besitzen. Unter hartglasähnlichen Substanzen sind also auch keramische Substanzen oder Versätze zu verstehen. Diese besitzen in der Regel eine große Härte und bilden auch einen guten Haftgrund für die anschließend aufzubringende Schicht aus spiegelnd reflektierendem Material.

Die Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden, wovon nachfolgend eins besondere Ausführungsart beispielhaft beschrieben wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält das Kunststoffgrundmaterial ein Polymer eines Polycondensats, das durch Reaktion einer Polyhydroxy-Verbindung mit einem Karbonsäurederivat gebildet ist, typischerweise das Reaktionsprodukt von Bisphenol-A mit entweder Phosgen oder Diphenylkarbonat, das im Handel als Polykarbonat unter dem Warenzeichen "Lexan" von der Firma General Electric Co., USA hergestellt wird. Eine geeignete Form und Größe kann entweder durch das bekannte Thermo-Spritzguß -Verfahren oder durch Ausschneiden eines vorgegebenen gewünschten Profils aus einem präzisionsgefertigten, extrudierten Blatt hergestellt werden.

Das Grundmaterial wird 3 Minuten in einem Fluorkarbonlösungsmittel, wie beispielsweise "Arklon" P (Trichlortrifluoräth^n) der Firma ICI dampfentfettet, dann zur Reinigung weitere 3 Minuten in eine durch Ultraschall in Schwingungen versetzte erhitzte Lösung des gleichen Lösungsmittels gebracht. Eine weitere dreiminütige abschließende Dampfentfettung kann noch ange-

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wandt werden. Der Kunststoff wird dann zu einem geeigneten Montagebock in einem Verfahrens-Vakuumgefäß gebracht, was unter strikter Einhaltung der Reinheitsbedingungen erfolgen muß.
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Das Vakuumgefäß wird dann dicht geschlossen und auf einen Druck 1 χ 10 mbar ausgepumpt. Anschließend wird Argon eingefüllt bis der Druck 1 χ 10 mbar erreicht. Hierauf wird eine Wechselspannung von 1,5 kV an Elektroden angelegt, die im Vakuumgefäß in geringem Abstand zur zu behandelnden Oberfläche des Kunststoffbasismaterials angeordnet sind. Die so eingeleitete Glimmentladung wird über eine Zeitspanne von 20 Minuten aufrechterhalten, während der die Oberfläche des Kunststoffs eine "molekulare Reinigung" erfährt. Diese Behandlung bewirkt, obwohl sie in ihrer Wirkung als Reinigung bezeichnet wird, auch eine Oberflächenbehandlung, die sie besser geeignet macht, die nachfolgend beschriebene Unterlageschicht aufzunehmen, d.h.,daß dadurch die Haftfestigkeit derselben verbessert wird.

Nach der molekularen Reinigung wird ein reaktiver Oxidationsprozeß zur Erzeugung der Unterlageschicht auf der Oberfläche wie folgt durchgeführt:

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Das Vakuumgefäß wird auf 1 χ 10 ^ mbar ausgepumpt und Argongas eingelassen, bis ein Druck von 5 x 10 mbar erreicht ist. Dann wird zusätzlich, ohne den Argonzustrom zu unterbrechen, Sauerstoff

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Druck 2 χ 10 ^J mbar erreicht hat.

strom zu unterbrechen, Sauerstoff zugeleitet, bis der 30

Hierauf wird in der Vakuumkammer ein an sich bekannter Sputter-Prozeß unter Verwendung eines Chromtargets eingeleitet. Dabei reagieren die geladenen Chromatome mit dem Sauerstoff, so daß sich eine Unterlageschicht aus Chromoxiden auf der Oberfläche des benachbarten

Polykarbonats abscheidet. Diese Schicht besteht aus

einem oder mehreren Oxiden von Chrom und möglicherweise auch von metallischem Chrom selbst. Die Schichtdicke beträgt etwa 0,5 bis 1,0 jim(O,5 bis 1,0 microns). 5

Die Sauerstoffzufuhr wird dann unterbrochen und ein übliches Gleichstrom-Sputtern von Chrom in einem Bereich einer Target-Leistungsdichte, die allmählich von 4 W/cm bis 12 W/cm ansteigen kann, durchgeführt. Die dabei auftretende zunehmende Abscheidung von Chrom auf das Chromoxid der Unterlageschicht stellt sicher, daß eine spannungsfreie dünne Schicht niedergeschlagen •wird. Es ist allgemein bekannt, daß dünne Chromschichten sowohl gegen Druck- als auch gegen Dehnungsspannungen anfällig sind, so daß bei dieser Verfahrensstufe besondere Sorgfalt erforderlich ist. Vorzugsweise wird eine Schichtdicke der reflektierenden Schicht von etwa 0,5 bis 5 um(0,5 bis 5,0 nicrons)aufgebracht.

Obwohl die Erfindung bezüglich eines Vielschichtsystems aus Chromoxiden und Chrom beschrieben wurde, ist sie nicht hierauf beschränkt.

Beispielsweise kann in entsprechender Weise ein besser reflektierender Aluminiumspiegel mit einer reaktiv gesputterten Aluminiumschicht hergestellt werden, die ähnlich der Chromschicht sein würde und die aus einer Schicht aus Aluminiumoxiden und möglicherweise metallischem Aluminium und einer darauf folgenden Schicht Q₀ aus Aluminium als Metall besteht. Im Falle der Verwendung eines weicheren Metalls, wie dieses (Aluminium), kann es notwendig sein, eine harte, verschleißfeste Deckschicht aus einem dielektrischen Oxid, wie beispielsweise einem Siliziumoxid entweder durch Sputtern unter Zuhilfenahme eines Hochfrequenzfeldes oder durch Elektro-

nenstrahlverdampfung aufzubringen. Beide Techniken sind als solche bestens bekannt. Ein typischer Dickenbereich für diese Deckschicht könnte 0,5 bis 5,0 pm (0,5 bis 5,0 microns ) betragen.

In einem anderen Fall können auch die Glas- oder glasähnlichen Deckschichten auf verschiedene Weise hergestellt werden, beispielsweise durch einen in-situ-Glasherstellprozeß durch Reaktion von typischen chemischen Glasbestandteilen, wie Kalziumkarbonat, Natriumkarbonat und Siliziumoxiden unter plasmaaktivierenden Bedingungen (Glimmentladung). Auf diese Weise kann ein übliches Kalzium-Natrium-Silizium-Glas auf der Oberfläche des . Kunststoffs gebildet werden. Auf ähnliche Art kann eine

!5 Aluminium-Silizium-Glasschicht und können auch Bleiglasschichten hergestellt werden. Ein anderes Verfahren, eine Glasschicht aufzubringen, ist die unmittelbare Vakuumverdampfung eines bereits vorgefertigten Glases, beispielsweise eines Borsilikatglases durch Elektronenstrahlen oder konventionelle elektrische Erhitzung von Vorrichtungen, die die Verdampfung bewirken.

Es ist auch möglich, sogenannte gefüllte Kunststoffe, beispielsweise solche auf Polypropylenbasis, zu verwenden, beispielsweise mit Glas, Talk oder Kreide oder mit anderen Mineralien gefüllte Kunststoffe. Obwohl diese Füllstoffe in erster Linie dazu dienen, die Kosten von Kunststoffen zu reduzieren und die Eigenschaften derselben zu verbessern, kann die Füllstoffkomponente

O₀ zusammen mit den anderen Substanzen in einer Vakuumkammer zur Reaktion gebracht werden, um die Haftfestigkeit der Glasverankerungsschicht zu verbessern.

Claims

SPAFAX HOLDINGS PLC Corsham Wiltshire, England Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements mit spiegelnd reflektierenden Eigenschaften aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Kunststoffes eine Unterlage schicht aus Hartglas oder einem Material, das hartglasähnliche Eigenschaften besitzt, und anschließend auf diese eine weitere Schicht aus spiegelnd reflektierendem Material aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff vor dem Aufbringen der Unterlageschicht einem Entfettungsprozeß unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet. daß der Kunststoff zum Entfetten einer Dampfentfettung in einem Fluorkohlenstofflösungsmittel (Fluorocarbon) ausgesetzt wird und anschließend der Kunststoff in ein mit Ultraschall angeregtes, erhitztes Medium des gleichen Lösungsmittels gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff anschließend an die Entfettung einem Molekularreinigungsprozeß ausgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Molekularreinigungsprozeß die Oberfläche mit einer Unterlage.schicht aus Oxiden, insbesondere desjenigen Materials versehen wird, das anschließend auf diese aus spiegelnd reflektierendem Material aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage schicht durch Sputtern in einem Vakuumgefäß in einer Sauerstoff und Argon enthaltenden Atmosphäre bei einem Druck von etwa 2 χ 10~^ mbar erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem in einem Vakuumgefäß durchgeführten Molekularreinigungsprozeß der Druck auf etwa 1 χ 1O""*^? mbar gebracht und Argon zugeführt wird, bis der Druck etwa 5 x 10 mbar erreicht und dann ohne Unterbrechung der Argonzufuhr Sauerstoff dazugegi

reicht.

dazugegeben wird, bis der Druck etwa 2 x10 mbar er-

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Sputtern das Target aus einem Metall besteht, aus dem die Unterlageschicht hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlageschicht in einer Dicke von etwa 0,5 bis 1,0 μπι (0,5 bis 1.0 microns) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnd reflektierende Schicht unmittelbar auf die Unterlageschicht aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnd reflektierende Schicht durch einen Gleichstrom-Sputterprozeß aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die spiegelnd reflektierende Schicht Chrom verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlageschicht eine solche aus Oxiden von Chrom und gegebenenfalls zusätzlich metallischem Chrom mit einer Schichtdicke von etwa 0,5 bis 1,0 Jim (0,5 bis 1,0 microns) verwendet wird.

14·· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die spiegelnd reflektierende Schicht Aluminium verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlageschicht eine solche aus Oxiden von Aluminium und gegebenenfalls zusätzlich metallischem Aluminium mit einer Schichtdicke von etwa 0,5 bis 1,0 pm (0,5 bis 1.0 microns)verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf die spiegelnd reflektierende Schicht, insbesondere Aluminium, eine harte, verschleißfeste Deckschicht aufgebracht wird.

AU-

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die Deckschicht eine Schicht aus einem dielektrischen Oxid mit einer Schichtdicke von etwa 0,5 bis 5,0 pm (0,5 bis 5,0 microns)verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß für die Deckschicht Glas verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlageschicht und/ oder Deckschicht Glas verwendet wird und das Glas durch Koreaktion von glasbildenden Bestandteilen unter plasmaaktivierenden Bedingungen gebildet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als glasbildende Bestandteile Kalziumkarbonat, Natriumkarbonat und Siliziumoxide verwendet werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlageschicht und/oder als Deckschicht Glas verwendet wird und diese durch direkte Vakuumverdampfung des vorgefertigten Glasmaterials unter Verwendung von Elektronenstrahlen oder einer elektrischen Heizeinrichtung, die eine Verdampfung gewährleistet, erzeugt wird bzw. werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff ein mit mineralischen Bestandteilen gefüllter Kunststoff verwendet wird.

23. Optisches Bauelement, gekennzeichnet durch die Herstellung nach einem der Verfahrensschritte gemäß den Ansprüchen 1 bis 22.

24. Optisches Bauelement nach Anspruch 23 mit spiegelnd reflektierenden Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Kunststoff besteht, dessen Oberfläche eine erste Schicht aus Glas oder aus Material

mit glasähnlichen Eigenschaften und eine auf diese

aufgebrachte zweite spiegelnde Schicht aus reflektierendem Material aufweist.

25. Optisches Bauelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß auf der spiegelnd reflektierenden Schicht eine harte Deckschicht vorgesehen ist.

26. Optisches Bauelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus Glas oder glasähnlichem Material besteht.