EP1729893A1 - Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte benetzungseigenschaften verfügenden technischen oberfläche sowie verfahren zur herstellung der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte benetzungseigenschaften verfügenden technischen oberfläche sowie verfahren zur herstellung der vorrichtung

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EP1729893A1
EP1729893A1 EP05715378A EP05715378A EP1729893A1 EP 1729893 A1 EP1729893 A1 EP 1729893A1 EP 05715378 A EP05715378 A EP 05715378A EP 05715378 A EP05715378 A EP 05715378A EP 1729893 A1 EP1729893 A1 EP 1729893A1
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EP
European Patent Office
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material layer
wetting properties
structural elements
influencing
building blocks
Prior art date
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Granted
Application number
EP05715378A
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English (en)
French (fr)
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EP1729893B1 (de
Inventor
Günter KLEER
Rainer Kübler
Frank Burmeister
Ellen SCHÄFFER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication of EP1729893B1 publication Critical patent/EP1729893B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
    • B05D5/08—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures to obtain an anti-friction or anti-adhesive surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/12—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by mechanical means

Definitions

  • the invention relates to a device with a scratch-resistant technical surface that has optimized wetting properties and a related method for producing the device.
  • Devices of the aforementioned type are used in a wide variety of technical fields in which the technical function of the surface of a body or a component is of particular importance.
  • surfaces that serve to protect against all types of media such as covers, optical viewing and protective windows, etc., should have a high level of mechanical robustness on the one hand in order to withstand external mechanical impacts on the surface with as little wear as possible, and on the other hand in to have as little contact as possible with a medium occurring on the respective surface in order to avoid the technical functionality of the surface being affected by wetting with a medium.
  • the surface has dirt and fluid repellent properties.
  • the device according to the invention described below and the method suitable for producing the device see surfaces with mechanically robust, ie. H. scratch-resistant, properties and with specifically optimized wetting properties which, depending on the intended use, are characterized either by the lowest possible degree of wetting or by the best possible wettability with media, in particular liquids and fluids.
  • the further explanations deal primarily with technical surfaces which have the lowest possible wetting properties.
  • layer materials are applied to the surfaces to be protected in a manner known per se, which primarily serve as protection against external mechanical influences in the form of hard material layers.
  • hard material layers have a high abrasion resistance, they often also have high surface energies due to their binding type, which in particular increases lead to an increased adherence of solid or liquid media, whereby the surfaces of such hard material layers easily become dirty.
  • Organic or biological materials in particular, which themselves have low surface tensions, are able to adhere permanently to the hard material surface with intimate contact.
  • Measures to reduce the adherence of the above materials consist in applying substances to the surface which themselves have only low surface energies.
  • substances are, for example, fluorine- or alkyl-substituted organic building blocks and / or polymers, through which the surface of the hard material layer can be passivated with regard to its wettability.
  • the invention is based on the object of designing a device with a scratch-resistant technical surface which has optimized wetting properties in such a way that the surface in question should have both a high scratch resistance and a sufficiently wetting-optimized function with high long-term stability.
  • a device with a scratch-resistant technical surface that has optimized wetting properties is developed in such a way that the technical surface has structurally distributed structural elements with structural dimensions in the ⁇ m and / or sub- ⁇ m range that extend laterally and normally to the surface, and that at least or only surface areas between two adjacent structural element maxima are at least partially covered with a material layer influencing the wetting properties.
  • the idea on which the invention is based lies in the interaction of the structural elements, which preferably consist of mechanically robust hard material, the structural maxima of which protrude above the material layer located in the recesses of the microstructure, and precisely the material layer itself which determines the wetting properties of the surface.
  • the structural elements which elevate the material layer serve primarily for protection before direct frictional contact with the material layer with possible friction partners.
  • the structural elements ensure a safe spacing of the friction partners from the material layer located in the recesses of the microstructure. In these cases, only the upper areas of the structural elements come into contact with a respective friction partner, which however makes the structural elements extremely resistant to damage due to their mechanical robustness and hardness.
  • the selected hardness of the material from which the structural elements are made is therefore decisive for the scratch resistance required by the surface.
  • Structural elements with lateral structural dimensions between 50 nm and 150 ⁇ m and with vertical ones have proven particularly advantageous with regard to a desired high scratch resistance in combination with optimized wettability Dimensions, ie structure dimensions oriented normal to the surface, in the range between 20 nm and 150 ⁇ m.
  • the microstructured technical surface is incorporated directly into the material surface of a body or a component.
  • the microstructuring is advantageously carried out with the aid of shaping embossing tools with which the surface of the respective device or component is processed.
  • the structural elements forming the microstructure are produced using a shaping embossing tool which has the negative shape of the microstructure and which is pressed under pressure onto the surface of the component to be machined.
  • the pre-structured surface can be covered over the entire area with a suitably selected material layer.
  • known deposition techniques are available, such as, for example, wetting the pre-structured surface by means of immersion technology, applying the material layer by means of mechanical application techniques, for example using brush or stamp technology, spinning, spraying, vapor deposition or plasma-assisted application , Any combinations of the above coating techniques are also possible.
  • the material layer influencing the wetting properties is deposited with a layer thickness on the pre-structured surface, in which all structure element maxima are preferably covered with a uniform material layer thickness.
  • the material layer thickness exceeding the structure element maxima should preferably not exceed 0.5 mm. Since, as will be explained further below, the material determining the wetting properties has a far lower mechanical robustness or strength than the material from which the structural element is made, as a rule there is material removal due to the intended use and use of the respective component, through which the material layer applied to the microstructure is removed to a material residual layer thickness which is in the range of the maximum structural element height and below.
  • a further material removal on the material layer caused by external influences does not take place even under abrasive environmental conditions, especially since the material layer located in the intermediate areas between the structural elements is protected from further material removal by the structural elevations.
  • a technically controlled material removal process can also be carried out after the material separation process in order to obtain the desired material layer deposition between the structure element maxima.
  • the choice of material for the material layer to be deposited between the individual structural elements plays a central role. If, as mentioned at the beginning, it is necessary to create a scratch-resistant surface on which, for example, liquids or fluids should show the tendency of spreading, materials should be selected on which liquids or fluids have a very small contact angle, preferably a contact angle of 0 ° , ie the liquid or fluid drop spreads as a thin film over the entire surface. On the other hand, if the surface should have the lowest possible wettability with liquids or fluids, materials should be selected for the material layer which, when in contact with liquids, produce the largest possible contact angle, preferably> 90 °.
  • Such material layer surfaces have a highly hydrophobic or material or dirt-repellent effect.
  • Such materials are preferably molecules, molecular building blocks or polymer building blocks which are formed at least in part by molecules carrying fluorine, silane and / or alkyl groups.
  • Molecules, molecular building blocks or polymer building blocks which at least partially contain fluorine compounds, such as, for example, fluorosilanes, fluorosilane hydrosilates, fluorocarbon resins or fluoroacrylates, are particularly suitable for this purpose. Materials with silicone-based components are equally suitable.
  • suitable groups of substances relate to organic oligomers, polymers or copolymers with polar groups, such as, for example, hydroxyethyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, polyurethane, polyethylene glycol or hydroxyethyl cellulose.
  • polar groups such as, for example, hydroxyethyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, polyurethane, polyethylene glycol or hydroxyethyl cellulose.
  • suitable materials can be continued in a manner known per se.
  • the materials which control the wetting or influence the wetting properties can at least partially contain metals or metal ions, for example silver or copper, in order to achieve a bacterial, antibacterial and cell-active action.
  • a suitable material layer thickness of the material layer to be arranged in the depressions of the microstructure to form about 30 or more molecular layers from the molecules, molecular building blocks and / or polymer building blocks described above.
  • the microstructure described above has been incorporated into the material surface of a component or device by means of molding or embossing technology, so that the individual structural elements consist of the same material as the component itself or parts of the component itself.
  • the PVD deposition method with which hard material layers are to be deposited on a component surface is particularly suitable for this purpose, the structural elements being able to form in a self-organizing manner.
  • Hard material layer materials Me: O x / N y , using one of the following metals Ti, Zr, Al, W, Mo, Si, Cr.
  • Such hard materials have the material hardness required for the desired scratch resistance and are able to permanently protect the material layer influencing the wetting properties from external mechanical and abrasive influences.
  • a surface structure according to the invention with a structured base substrate which is designed in the manner of a film, the top surface of which is microstructured in the manner described above. At least in the depressions delimited by adjacent structural elements, a material layer determining the wetting properties is deposited, the layer surface of which is in each case at least surmounted by the highest elevations of the structural elements.
  • the film-like base substrate can accordingly be applied to any components and device via an adhesive layer provided on the surface opposite the structured surface.
  • suitably made-up foils that have optically transparent properties can be glued to window panes, which gives the window surfaces, which are particularly exposed to external weather, a scratch-resistant, water- and dirt-resistant surface effect.
  • Fig. 2 component with additional microstructured PVD layer. WAYS OF IMPLEMENTING THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY
  • FIGS. 1a and b each show schematic cross-sectional images through the surface area of a component 3, which is preferably made of a hard material that has sufficient material hardness.
  • the surface of component 3 has a microstructuring with stochastically designed and arranged structural elements 1.
  • a periodic arrangement of structural elements or a mixture of stochastically and periodically arranged structural elements 1 is also conceivable.
  • the structural elements 1 each have lateral distances between 50 nm-150 ⁇ m.
  • Average vertical structure dimensions are in the range between 20 nm and 100 ⁇ m.
  • Known embossing and molding processes can be used to produce the microstructure introduced into the surface of component 3, for example by means of press contact between an embossing tool or stamp and the material surface to be structured.
  • the technically functional surface has a material layer 7 which determines the wetting properties and which in the exemplary embodiment shown according to FIG. 1a completely covers the structural elements 1.
  • the overlap stems from the way in which they are produced, in which the material layer 7 is deposited onto the pre-structured surface by means of a conventional material application process.
  • Mechanical application techniques are suitable, for example, using a brush or wetting the microstructured surface by immersing the microstructure in an immersion bath, and the material layer 7 can also be deposited by means of spinning, spraying, vapor deposition or by means of plasma-assisted application.
  • materials for the layer 7 are selected which have certain surface energies and either lead to the spreading of liquids or fluids coming into contact on the material layer surface 7 or to their corresponding rejection.
  • the latter property serves especially for technically functional surfaces with dirt and water repellent surface properties.
  • Materials known per se to those skilled in the art are available for selecting suitable materials, as mentioned above.
  • the material layer 7 is far less mechanically robust than the material from which the component 3 is made, so that external mechanical effects, for example due to friction, result in a corresponding removal of material from the material layer regions projecting beyond the structural elements 1.
  • the intended use of the surface designed according to the invention leads to material removal up to a state which is shown in FIG. 1b. Material removal can also be carried out in a technically targeted manner
  • the material layer 7 is reduced in thickness by appropriate material removal so that the material layer 7 covers only those surface areas which are each between two structure element maxima.
  • the structural element maxima which rise vertically above the areas of the material layer 7 located within the depressions, serve on the one hand to protect against further material abrasion due to abrasion on the material layer 7 and, moreover, give the entire surface its scratch resistance, especially since they preferably consist of hard material, such as from nitridic or oxidic hard materials.
  • the material layer regions 7 located between the individual structure element maxima determine the wetting properties of the structured surface.
  • FIG. 2 shows a further alternative exemplary embodiment, in which the microstructured surface is not worked directly into the surface of a material component 3 as in the exemplary embodiment shown above, but is deposited in the form of an additional PVD layer 8 on a surface of component 3.
  • self-organizing structure formation is advantageously used, which can be produced in the context of the PVD deposition process.
  • the structural elements 1 are stochastically designed and distributed.
  • the material layer 7, which determines the wetting properties, is deposited in the recesses between the structural element 1 projecting above the surface, as described above.
  • nitridic and / or oxidic hard materials according to the following material structure occurs to form the structural elements: Me: O x / N y with the metals titanium, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, silicon or chromium.

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Description

Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche sowie Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen sowie über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche sowie ein diesbezügliches Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Vorrichtungen der vorstehend genannten Gattung finden Anwendung in unterschiedlichsten technischen Gebieten, in denen der technischen Funktion der Oberfläche eines Körpers oder einer Komponente eine besondere Bedeutung zukommt. Beispielsweise Oberflächen, die zum Schutz vor Medien aller Art dienen, wie bspw. Abdeckungen, optische Sicht- und Schutzfenster etc., sollen einerseits über eine hohe mechanische Robustheit verfügen, um möglichst verschleißfrei äußeren auf die Oberfläche gerichteten mechanischen Einwirkungen zu widerstehen, und andererseits in einem möglichst geringen Maße mit einem auf die jeweilige Oberfläche auftretendem Medium in dauerhaften Kontakt zu treten, um zu vermeiden, dass die technische Funktionalität der Oberfläche durch die Benetzung mit einem Medium in Mitleidenschaft gezogen wird.
In vielen technischen Anwendungsfällen gilt es die Beschaffenheit von Oberflächen gerade so zu wählen, dass die an der Oberfläche vorherrschende MikroStruktur und Oberflächenenergie zu einer möglichst geringen Benetzung mit einem mit der Oberfläche in Kontakt tretenden Fluid oder Flüssigkeit führt, d. h. der sich bei Kontakt mit einem Fluid ausbildende Benetzungswinkel zwischen einem Fluidtropfen und der benetzten Oberfläche sollte möglichst groß, möglichst > 90°, vorzugsweise > 120° sein. In diesem Fall verfügt die Oberfläche über schmutz- bzw. fluidabweisende Eigenschaften.
Ebenso sind technische Anwendungsfälle denkbar, bei denen Flüssigkeiten oder Fluide mit einen möglichst hohen Benetzungsgrad mit einer Oberfläche in Kontakt treten sollen. Hierzu ist es erforderlich, die zwischen der Oberfläche und dem Fluid herrschende Grenzflächenspannung derart zu wählen, dass sich ein möglichst geringer Benetzungswinkel einstellt. Derart konditionierte Oberflächen führen zur gezielten Spreitung des Fluids, das sich unter Ausbildung eines dünnen Fluidfilmes die Oberfläche überdeckt. Beispiel: Antibeschlagmittel für Brillengläser
Die im Weiteren beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das zur Herstellung der Vorrichtung geeignete Verfahren sieht Oberflächen mit mechanisch robusten, d. h. kratzfesten, Eigenschaften sowie mit gezielt optimierten Benetzungseigenschaften vor, die sich je nach Einsatzzweck entweder durch einen möglichst geringen Benetzungsgrad oder durch eine möglichst gute Benetzbarkeit mit Medien, insbesondere Flüssigkeiten und Fluide, auszeichnen. Ohne den Erfindungsgedanken auf eine der beiden Alternativen einzuschränken, beschäftigen sich die weiteren Ausführungen vornehmlich mit technischen Oberflächen, die über möglichst reduzierte Benetzungseigenschaften verfügen.
Stand der Technik
Zur Verbesserung der mechanischen Beanspruchung technischer Oberflächen, die selbst aus einem nicht weiter kratzbeständigem Material bestehen, werden in an sich bekannter Weise Schichtmaterialien auf die zu schützenden Oberflächen aufgebracht, die in Form von Hartstoffschichten in erster Linie als Schutz gegenüber äußeren mechanischen Einwirkungen dienen. Zwar verfügen derartige Hartstoffschichten über eine hohe Abriebbeständigkeit, doch weisen sie aufgrund ihres Bindungstyps häufig auch hohe Oberflächenenergien auf, die insbesondere zu einem verstärkten Anhaften von festen oder flüssigen Medien führen, wodurch die Oberflächen derartiger Hartstoffschichten leicht verschmutzen. Insbesondere organische oder biologische Materialien, die selbst über niedrige Oberflächenspannungen verfügen, vermögen dauerhaft unter Ausbildung eines innigen Kontaktes an der Hartstoffoberfläche anzuhaften.
Maßnahmen zur Reduzierung der Anhaftung vorstehender Materialien bestehen darin, Substanzen auf die Oberfläche aufzutragen, die selbst über nur geringe Oberflächenenergien verfügen. Derartige Substanzen sind bspw. Fluor- oder Alkyl- substituierte organische Bausteine und/oder Polymere, durch die die Oberfläche der Hartstoffschicht in Hinblick ihrer Benetzungsfähigkeit regelrecht passivierbar ist. Nachteilhaft ist jedoch, dass derartige Materialien nur über eine geringe Resistenz gegenüber abrasiv wirkenden äußeren Einflüssen verfügen, so dass diese Materialien verhältnismäßig leicht aus dem Oberflächenverbund ausgelöst werden können. Auch vermögen Reiberscheinungen durch Inkontakttreten mit härteren Reibpartnern die Materialien leicht aus dem Oberflächenverbund herauszulösen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügende technische Oberfläche derart auszubilden, dass die in Rede stehende Oberfläche sowohl über eine hohe Kratzbeständigkeit als auch über eine hinreichend benetzungsoptimierte Funktion mit hoher Langzeitbeständigkeit verfügen soll. Insbesondere soll es möglich sein, Vorrichtungen und Komponenten mit einer kratzbeständigen und benetzungsoptimierten Oberfläche in einer möglichst einfachen und kostengünstigen Weise herzustellen. Je nach Einsatzzweck soll es darüber hinaus möglich sein, die Benetzungseigenschaften zweck- und anwendungsorientiert gezielt einzustellen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 13 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren der Vorrichtung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche derart weitergebildet, dass die technische Oberfläche flächig verteilte Strukturelemente mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im μm- und/oder sub-μm-Bereich aufweist, und dass zumindest oder ausschießlich Oberflächenbereiche zwischen zwei benachbarten Strukturelementmaxima wenigstens teilweise mit einer die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialschicht überdeckt sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee liegt im Zusammenwirken der vorzugsweise aus mechanisch robusten Hartstoff bestehenden Strukturelementen, deren Strukturmaxima die in den Vertiefungen der MikroStruktur befindliche Materialschicht überragen, und eben der die Benetzungseigenschaften der Oberfläche bestimmenden Materialschicht selbst. Die die Materialschicht überhöhenden Strukturelemente dienen vornehmlich zum Schutz vor unmittelbaren Reibkontakt an der Materialschicht mit möglichen Reibpartnern. In Fällen, in denen Reibpartner beliebiger Art in Kontakt mit der erfindungsgemäß gestalteten Oberfläche treten, sorgen die Strukturelemente für eine sichere Beabstandung der Reibpartner von der in den Vertiefungen der MikroStruktur befindlichen Materialschicht. Lediglich die oberen Bereiche der Strukturelemente treten in diesen Fällen in Kontakt mit einem jeweiligen Reibpartner, wodurch jedoch die Strukturelemente durch ihre mechanische Robustheit und Härte gegen Beschädigungen extrem widerstandsfähig sind. Die ausgewählte Härte des Materials, aus dem die Strukturelemente gefertigt sind, ist somit entscheidend für die von der Oberfläche geforderten Kratzbeständigkeit.
Besonders vorteilhaft in Hinblick auf eine erwünschte hohe Kratzbeständigkeit in Kombination mit einer optimierten Benetzbarkeit erweisen sich Strukturelemente mit lateralen Strukturdimensionen zwischen 50 nm und 150 μm sowie mit vertikalen Abmessungen, d. h. normal zur Oberfläche orientierte Strukturdimensionen, im Bereich zwischen 20 nm und 150 μm.
In einem einfachsten Ausführungsbeispiel ist die mikrostrukturierte technische Oberfläche unmittelbar in die Materialoberfläche eines Körpers oder einer Komponente eingearbeitet. Die Ausbildung der Mikrostrukturierung erfolgt in vorteilhafter Weise mit Hilfe formgebender Prägewerkzeuge, mit denen die Oberfläche der jeweiligen Vorrichtung bzw. Komponente bearbeitet wird. Im einfachsten Fall dient zur Herstellung der die Mikrostruktur bildenden Strukturelemente ein die Negativform der Mikrostruktur aufweisendes, formgebendes Prägewerkzeug, das druckbeaufschlagt auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Komponente gepresst wird.
In einem an den Abformvorgang anschließenden Verfahrensschritt gilt es, eine die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht auf die vorstrukturierte Komponentenoberfläche abzuscheiden. Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, die Materialschicht ausschließlich zwischen den Strukturelementmaxima abzuscheiden, vielmehr kann aufgrund erwünschter Prozessökonomie die vorstrukturierte Oberfläche ganzflächig mit einer geeignet ausgewählten Materialschicht überdeckt werden. Für diesen Vorgang bieten sich an sich bekannte Abscheidetechniken an, wie bspw. die Benetzung der vorstrukturierten Oberfläche mittels Tauchtechnik, das Aufbringen der Materialschicht im Wege mechanischer Auftragetechniken, bspw. unter mittels Pinsel- oder Stempeltechnik, das Aufspinnen, Aufsprühen, Aufdampfen oder das plasmagestützte Auftragen. Auch sind beliebige Kombinationen der vorstehenden Beschichtungstechniken möglich. In allen Fällen wird die, die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht mit einer Schichtdicke auf die vorstrukturierte Oberfläche abgeschieden, bei der sämtliche Strukturelementmaxima vorzugsweise mit einer einheitlichen Materialschichtdicke überdeckt werden. Vorzugsweise sollte die, die Strukturelementmaxima überhöhende Materialschichtdicke 0,5 mm nicht überschreiten. Da wie im Weiteren noch ausgeführt wird, das die Benetzungseigenschaften bestimmende Material über eine weit geringere mechanische Robustheit bzw. Festigkeit verfügt als jenes Material, aus dem die Strukturelement bestehen, erfolgt in aller Regel ein durch den bestimmungsgemäßen Einsatz und Gebrauch der jeweiligen Komponente bedingter Materialabtrag, durch den die auf die Mikrostruktur aufgebrachte Materialschicht bis zu einer Materialrestschichtdicke abgetragen wird, die im Bereich der maximalen Strukturelementhöhe sowie darunter liegt. Ein weiterer durch äußere Einwirkungen hervorgerufener Materialabtrag an der Materialschicht unterbleibt selbst unter abrasiv wirkenden Umgebungsbedingungen, zumal die in den Zwischenbereichen zwischen den Strukturelementen befindliche Materialschicht durch die Strukturüberhöhungen vor weiterem Materialabtrag geschützt werden. Auch kann dem Materialabscheidevorgang ein technisch geregelter Materialabtragevorgang nachgeschaltet werden, um die erwünschte Materialschichtablagerung zwischen den Strukturelementmaxima zu erhalten.
Zur Einstellung der Benetzungseigenschaften der erfindungsgemäß ausgebildeten Oberfläche spielt die Materialwahl für die zwischen den einzelnen Strukturelementen abzuscheidende Materialschicht eine zentrale Rolle. Gilt es, wie eingangs erwähnt, eine kratzfeste Oberfläche zu schaffen, auf der bspw. Flüssigkeiten oder Fluide die Tendenz des Spreitens zeigen sollen, so sind Materialien auszuwählen, an denen Flüssigkeiten oder Fluide einen sehr kleinen Kontaktwinkel annehmen, vorzugsweise einen Kontaktwinkel von 0° annehmen, d. h. der Flüssigkeits- oder Fluidtropfen breitet sich als dünner Film über die gesamte Oberfläche aus. Soll hingegen die Oberfläche eine möglichst geringe Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten oder Fluiden aufweisen, so sind Materialien für die Materialschicht zu wählen, die bei Kontakt mit Flüssigkeiten einen möglichst großen Kontaktwinkel, vorzugsweise > 90° hervorrufen. Derartige Materialschichtoberflächen wirken stark hydrophob bzw. material- oder schmutzabweisend. Derartige Materialien stellen vorzugsweise Moleküle, Molekülbausteine oder Polymerbausteine dar, die wenigstens anteilig von Fluor-, Silan- und/oder Alkylgruppen tragende Moleküle gebildet werden. Ebenso eigenen sich Materialien, die wenigstens anteilig Fluorgruppen, Silangruppen oder Alkylgruppen tragende Molekülbausteine oder Polymerbausteine enthalten. Insbesondere eignen sich hierzu Moleküle, Molekülbausteine oder Polymerbausteine, die wenigstens anteilig Fluorverbindungen, wie bspw. Fluorsilane, Fluorsilanhydrosilate, Fluorcarbonharze oder Fluoracrylate enthalten. Gleichsam eignen sich Materialien mit Komponenten auf Siliconbasis. Weitere geeignete Stoffgruppen betreffen organische Oligomere, Polymere bzw. Copolymere mit polaren Gruppen, wie bspw. Hydroxyethylacrylsäureester, Hydroxyethylmethacrylsäureester, Polyurethan, Polyethylenglycol oder Hydroxyethylcellulose. Die Reihe geeigneter Materialien lässt sich in an sich bekannterWeise fortsetzen.
In einerweiteren vorteilhaften Weise können die benetzungssteuemden bzw. die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialien zur Erzielung einer bakteriellen, antibakteriellen sowie zellaktiven Wirkung wenigstens anteilig Metalle oder Metallionen enthalten, wie bspw. Silber oder Kupfer.
Als besonders vorteilhaft hat sich für eine geeignete Materialschichtdicke der sich in den Vertiefungen der Mikrostruktur anzuordnenden Materialschicht die Ausbildung von etwa 30 oder mehr Moleküllagen aus den vorstehend beschriebenen Molekülen, Molekülbausteinen und/oder Polymerbausteinen erwiesen.
Die vorstehend beschriebene Mikrostruktur ist mittels Abform- oder Prägetechnik in die Materialoberfläche einer Komponente oder Vorrichtung eingearbeitet worden, so dass die einzelnen Strukturelemente aus dem gleichen Material bestehen wie die Komponente selbst, bzw. Teile der Komponente selbst. Alternativ hierzu ist es ebenso möglich, die Strukturelemente im Rahmen einer extra auf der Komponentenoberfläche abzuscheidenden Materialschicht auszubilden. Besonders eignet sich hierzu das PVD-Abscheideverfahren mit dem Hartstoffschichten auf eine Komponentenoberfläche abzuscheiden sind, wobei sich die Strukturelemente in selbst organisierender Weise auszubilden vermögen. Als Hartstoffschichtmaterialien eignen sich Materialsysteme auf Basis nitridischer und/oder oxidischer Hartstoffe nach folgender Stoffzusammensetzung: Me:Ox/Ny, unter Verwendung eines der nachfolgenden Metalle Ti, Zr, AI, W, Mo, Si, Cr. Derartige Hartstoffmaterialien verfügen über die für die gewünschte Kratzbeständigkeit erforderliche Materialhärte und vermögen die, die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht vor äußeren mechanischen sowie auch abrasiv wirkenden Einflüssen dauerhaft zu schützen.
Ebenso denkbar ist die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Oberflächenaufbaus, mit einem strukturierten Grundsubstrat, das in Art einer Folie ausgebildet ist, deren eine Oberseite in der vorstehend beschriebenen Weise mikrostrukturiert ist. Zumindest in den durch benachbarte Strukturelemente begrenzten Vertiefungen ist eine die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht abgeschieden, deren Schichtoberfläche jeweils, zumindest von den höchsten Erhebungen der Strukturelemente überragt wird. Das folienartig ausgebildete Grundsubstrat kann entsprechend über eine, an der der strukturierten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche vorgesehenen adhäsiv wirkenden Haftvermittlerschicht auf beliebige Komponenten und Vorrichtung aufgebracht werden. Beispielsweise können entsprechend konfektionierte Folien, die über optisch transparente Eigenschaften verfügen, auf Fensterscheiben aufgeklebt werden, wodurch den insbesondere äußeren Witterungserscheinungen ausgesetzten Fensterflächen eine kratzbeständige sowie wasser- und schmutzaufweisende Oberflächenwirkung verliehen wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a, b Komponente mit strukturierter Oberfläche sowie
Fig. 2 Komponente mit zusätzlicher mikrostrukturierter PVD-Schicht. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In den Figuren 1a und b sind jeweils schematisierte Querschnittsbilder durch den Oberflächenbereich einer Komponente 3 dargestellt, die vorzugsweise aus einem Hartstoffmaterial gefertigt ist, das über eine ausreichende Materialhärte verfügt. Die Oberfläche der Komponente 3 weist eine Mikrostrukturierung mit stochastisch ausgebildeten und angeordneten Strukturelementen 1 auf. Ebenso denkbar ist eine periodische Anordnung von Strukturelementen oder eine Mischung von stochastisch und periodisch angeordnete Strukturelementen 1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a weisen die Strukturelemente 1 jeweils laterale Abstände zwischen 50 nm - 150 μm auf. Durchschnittliche vertikale Strukturdimensionen liegen in der Größenordnung zwischen 20 nm und 100 μm.
Zur Herstellung der in die Oberfläche der Komponente 3 eingebrachte Mikrostruktur können an sich bekannte Präge- sowie Abformprozesse eingesetzt werden, bspw. mittels Presskontakt zwischen einem Prägewerkzeug bzw. -Stempel und der zu strukturierenden Materialoberfläche.
Ferner weist die technisch funktional ausgebildete Oberfläche eine die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht 7 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a die Strukturelemente 1 vollständig überdeckt. Die Überdeckung rührt von der Art ihrer Herstellungsweise her, bei der die Materialschicht 7 im Wege eines konventionellen Materialauftragevorganges auf die vorstrukturierte Oberfläche abgeschieden wird. Bspw. eignen sich mechanische Auftragungstechniken bspw. mit Hilfe von Pinsel oder das Benetzen der mikrostrukturierten Oberfläche durch Eintauchen der Mikrostruktur in ein Tauchbad, ebenso kann die Materialschicht 7 mittels Aufspinnen, Aufsprühen, Aufdampfen oder mittels plasmagestützten Auftragen abgeschieden werden.
Je nach Anwendungszweck werden Materialien für die Schicht 7 gewählt, die über bestimmte Oberflächenenergien verfügen und entweder zu einem Spreiten von auf der Materialschichtoberfläche 7 in Kontakt tretenden Flüssigkeiten oder Fluiden führen oder zu ihrer entsprechenden Abweisung. Letztere Eigenschaft dient insbesondere für technisch funktionale Oberflächen mit schmutz- und wasserabweisenden Oberflächeneigenschaften. Zur Auswahl geeigneter Materialien stehen dem Fachmann an sich bekannte Materialien, wie vorstehend erwähnt, zur Verfügung.
Typischerweise ist die Materialschicht 7 im Vergleich zum Material, aus dem die Komponente 3 besteht, weit weniger mechanisch robust, so dass durch äußere mechanische Einwirkungen, bspw. durch Reibung, ein entsprechender Materialabtrag an den die Strukturelemente 1 überragenden Materialschichtbereichen auftritt. Bspw. durch den bestimmungsgemäßen Gebrauch der erfindungsgemäß ausgebildeten Oberfläche kommt es zu einem Materialabtrag bis zu einem Zustand der in Figur 1 b dargestellt ist. Ebenso kann der Materialabtrag technisch gezielt vorgenommen werden
In Figur 1b ist die Materialschicht 7 durch entsprechenden Materialabtrag soweit dickenreduziert, dass die Materialschicht 7 ausschließlich jene Oberflächenbereiche überdeckt, die jeweils zwischen zwei Strukturelementmaxima liegen. Die Strukturelementmaxima, die sich senkrecht über die Bereiche der innerhalb der Vertiefungen befindlichen Materialschicht 7 erheben, dienen einerseits als Schutz vor weiterem durch Abrieb bedingten Materialabtrag an der Materialschicht 7 und zudem verleihen sie der gesamten Oberfläche ihre Kratzfestigkeit, zumal sie bevorzugt aus hartem Material bestehen, wie bspw. aus nitridischen oder oxidischen Hartstoffen. Die zwischen den einzelnen Strukturelementmaxima befindlichen Materialschichtbereiche 7 bestimmen die Benetzungseigenschaften der strukturierten Oberfläche. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass der Volumenanteil der Materialschicht 7 innerhalb eines sog. Rauhigkeitsbereiches 6, der durch eine obere Begrenzungsebene OB, die das absolute Maximum 5 aller Strukturelemente enthält, sowie durch die untere Begrenzungsebene ÜB, die das absolute Minimum 4 aller Strukturelemente enthält, begrenzt wird, bis zu 30 %, vorzugsweise zwischen 10 und 20 % beträgt. In Figur 2 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die mikrostrukturierte Oberfläche nicht wie im vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar in die Oberfläche einer Materialkomponente 3 eingearbeitet ist, sondern in Form einer zusätzlich PVD-Schicht 8 auf einer Oberfläche der Komponente 3 abgeschieden ist. Zur Herstellung der mikrostrukturierten PVD-Schicht bedient man sich in vorteilhafter Weise einer selbstorganisierenden Strukturbildung, die im Rahmen des PVD- Abscheideverfahrens herstellbar ist. Auch im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind die Strukturelemente 1 stochastisch ausgebildet und verteilt angeordnet. In den Vertiefungen zwischen den die Oberfläche überragenden Strukturelement 1 ist die, die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht 7, wie vorstehend beschrieben, abgeschieden. Wieder ereignet sich zur Ausbildung der Strukturelemente die Verwendung nitridischer und/oder oxidischer Hartstoffe gemäß nachfolgender Stoffstruktur: Me:Ox/Ny mit den Metallen Titan, Zirkonium, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Silizium oder Chrom.
Bezugszeichenliste
1 Strukturelemente
2 Vertiefungen
3 Material, Komponente
4 Absolutes Minimum
5 Absolutes Maximum
6 Rauhigkeitsbereich
7 Materialschicht
8 PVD-Schicht
OB Obere Begrenzungsebene
ÜB Untere Begrenzungsebene

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Oberfläche flächig verteilte Strukturelemente mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im μm- und/oder sub-μm-Bereich aufweist, und dass zumindest Oberflächenbereiche zwischen zwei benachbarten Strukturelementmaxima wenigstens teilweise mit einer die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialschicht überdeckt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente stochastisch und/oder periodisch verteilt angeordnet sind und laterale Strukturdimensionen zwischen 50 nm und 150 μm und normal zur Oberfläche orientierte Strukturdimensionen zwischen 20 nm und 150 μm aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente jeweils über ein
Strukturmaximum und eine Strukturminimum verfügen, dass ein Rauhigkeitsbereich durch eine obere und untere Begrenzungsebene gegeben ist, wobei die obere Begrenzungsebene das absolute Maximum und die untere Begrenzungsebene das absolute Minimum aller Strukturelemente enthält und beide Begrenzungsebenen weitgehend parallel zur lateralen Erstreckung der technischen Oberfläche orientiert sind, und dass der Volumenanteil der die Benetzungseigenschaften beeinflussenden
Materialschicht innerhalb des Rauhigkeitsbereiches bis zu 70% beträgt, vorzugsweise zwischen 20% und 60% liegt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht aus benetzungssteuemden Molekülen, Molekülbausteinen und/oder Polymerbausteinen besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht wenigstens anteilig Fluor-, Silan- und/oder Alkygruppen tragende Moleküle oder wenigstens anteilig Fluorgruppen, Silangruppen und/oder Alkylgruppen tragende Molekülbausteine und/oder Polymerbausteine enthält.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht wenigstens anteilig eine Fluorverbindung, wie Fluorsilan, Fluorsilanhydrosylat, Fluorcarbonharz, Fluoracrylat und/oder wenigstens eine Materialkomponente auf Silikonbasis enthält.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht wenigstens anteilig organische Moleküle, Molekülbausteine, Oligomere und/oder Polymere oder Copolymere mit polaren Gruppen, vorzugsweise COH, COOH, COONH, S03H aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht zu Zwecken einer bakteriellen, antibakteriellen und/oder zellaktiven Wirkung anteilig Metall oder Metallionen, vorzugsweise Ta, Ag oder Cu enthält.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht eine Schichtdicke mit bis zu 30 Moleküllagen aus benetzungssteuemden Molekülen, Molekülbausteinen und/oder Polymerbausteinen aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Oberfläche wenigstens ein Teil einer
Oberfläche eines Grundsubstrates ist, dass die Strukturelemente einstückig aus dem Grundsubstrat gefertigt sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der technischen Oberfläche in Form wenigstens einer Zusatzschicht auf einem Grundsubstrat aufgebracht sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschicht eine nitridische und/oder oxidische Hartstoffschicht ist, bestehend aus einer Metallverbindung der folgenden Art: Me:Ox/Ny, mit Metallen wie Ti, Zr, AI, W, Mo, Si, Cr.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschicht eine metallische Schicht ist, bevorzugt bestehend aus Edelmetallen, wie Ag, Au, Cu.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht die Benetzungseigenschaften gezielt erhöht oder reduziert.
15. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Strukturieren einer Oberfläche eines Grundsubstrates zur Ausbildung von Strukturelementen mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im μm- und/oder sub-μm-Bereich, oder Abscheiden einer Zusatzschicht auf einer Oberfläche eines Grundsubstrates unter Ausbildung von Strukturelementen mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im μm- und/oder sub-μm-Bereich, Abscheiden einer die Benetzungseigenschaften der technischen Oberfläche beeinflussenden Materialschicht zumindest in Oberflächenbereichen zwischen zwei benachbarten Strukturelementmaxima.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Grundsubstrates durch einen Abform- oder Prägevorgang oder mittels eines lithographischen Verfahrens erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Zusatzschicht mittels eines PVD-Abscheideverfahrens erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Strukturelemente im Rahmen des PVD-Abscheideverfahrens in Form einer selbstorganisierenden Strukturbildung erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der die Benetzungseigenschaften der technischen Oberfläche beeinflussenden Materialschicht unter Anwendung wenigstens eines der folgenden Abscheideverfahren erfolgt: Tauchbad, mechanisches Auftragen, Aufspinnen, Aufsprühen, Aufdampfen, und/oder plasmagestütztes Auftragen.
20. Verwendung der Vorrichtung als Abdeckelement, optisches Element, wie Sichtfenster, oder Handhabungs- oder Dekorteile.
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