DE3490033T1 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements und ein nach diesem Verfahren hergestelltes optisches Bauelement - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements und ein nach diesem Verfahren hergestelltes optisches BauelementInfo
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Description
SPAFAX HOLDINGS PLC .£,
Corsham
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.
":./-...: 349 Q O
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-
_5
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-
■*. 8-
wandt werden. Der Kunststoff wird dann zu einem geeigneten Montagebock in einem Verfahrens-Vakuumgefäß
gebracht, was unter strikter Einhaltung der Reinheitsbedingungen erfolgen muß.
5
5
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:
-5
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
•35
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 (26)
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.
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