EP4189133A1 - Verfahren zur herstellung einer antimikrobiellen beschichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer antimikrobiellen beschichtung

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EP4189133A1
EP4189133A1 EP21769626.9A EP21769626A EP4189133A1 EP 4189133 A1 EP4189133 A1 EP 4189133A1 EP 21769626 A EP21769626 A EP 21769626A EP 4189133 A1 EP4189133 A1 EP 4189133A1
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EP
European Patent Office
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coating
particles
layer
metal
copper
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Pending
Application number
EP21769626.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd RÜBIG
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Ruebig & Co Kg GmbH
Original Assignee
Ruebig & Co Kg GmbH
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Publication date
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    • A61L2300/404—Biocides, antimicrobial agents, antiseptic agents

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an antimicrobial coating on a metal or plastic surface or ceramic or mineral surface, after which a copper-containing metallic layer is deposited on the metal or plastic surface or ceramic or mineral surface using a PVD method in a deposition chamber is produced, for which purpose particles are produced from a target containing copper and these are deposited on the surface to be coated, and oxygen and/or nitrogen is introduced into the deposition chamber during the deposition.
  • the invention further relates to an antimicrobial coating made of copper-containing particles deposited by means of a PVD process.
  • the invention relates to an object with a metal or plastic surface or ceramic or mineral surface that has a coating.
  • DE 10 2010 054 046 A1 discloses an antibacterial coating for an implant that contains copper holds.
  • the coating is applied using a PVD process.
  • nitrogen, oxygen or a hydrocarbon gas can be added to the working gas as a reactive gas.
  • a multi-layer structure of the coating is created with the reactive gas.
  • the object of the present invention is to provide an antimicrobial coating for a metal or plastic surface with an extended service life.
  • the object of the invention is achieved with the method mentioned at the outset, in which it is provided that the particles are oxidized on the surface to form an oxidic surface layer with Cu(I) oxide and/or a nitridic surface layer with Cu(I) nitride, the particles with a proportion of metallic copper of at least 60% by weight.
  • the object of the invention is achieved with the coating mentioned at the outset, in which the particles have an oxidic and/or nitridic surface layer of Cu(I) oxide and/or Cu(I) nitride on the surface, the particles having a proportion of metallic Have copper of at least 60% by weight.
  • the object of the invention is achieved with the object mentioned at the outset, which has the coating according to the invention.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • the coating has a relatively high hardness due to the production using a PVD method, with which the abrasion resistance of the coating can be improved.
  • the adhesive strength of the coating on the substrate surface can also be improved in this way, with which the service life of the coated object, ie the service life of the antimicrobial coating, can also be extended.
  • an etching effect is achieved on the substrate surface, which improves the adhesion of the layer to different materials.
  • the oxide or nitride layer protects the underlying copper from abrasion or, in general, from losing it too quickly due to external influences. This in turn also enables a longer service life of the antimicrobial coating.
  • the particles are produced with a proportion of metallic copper of at least 80% by weight.
  • the antimicrobial effect of the coating can be improved, which not only makes it more effective against bacteria and fungi, but also significantly improves the antiviral properties of the coating.
  • the oxidic and/or nitridic surface layer is produced on the particles with a maximum layer thickness of between 0.5 nm and 2 nm. It was found that even relatively thin surface layers bring about an improvement in the antimicrobial properties, since oxygen or nitrogen is not lost during the service life of the object or the coating, but rather the corresponding anions through the consumption of monovalent copper in the layer below the surface layer areas diffused. The relatively thin surface layer results in a significant shortening of the process and thus an improvement in economics. In addition, spalling, as is known per se from thick layers, can thus be avoided.
  • the entire surface of the particles does not have to be provided with an oxidic and/or nitridic surface layer, but that an improved service life is also achieved if, according to one embodiment of the invention, the oxidic and/or nitridic surface layer is produced with an area percentage of at least 80% of the total surface area of the particles.
  • the adhesion of the particles to the substrate surface or to one another can be improved by the residual proportion of metallic surface that remains.
  • a process simplification can also be achieved in this way, which in turn can improve the economics of the process.
  • the partial oxidation of the particles can take place on the way from the source of the particles (ie in particular the target) to the substrate surface and also on the substrate surface, with part of the oxidation preferably already taking place on the way to the particle surface. In this case, only one-sided oxidation of the particles is possible.
  • the oxidic and/or nitridic surface layer is produced exclusively as Cu(I) oxide and/or Cu(I) nitride.
  • one embodiment of the invention can provide for at least one additional metal to be deposited with the copper on the metal or plastic surface or the ceramic or mineral surface.
  • a metal from the group Al, Zn, Sn, Ti, Ce, Sn, Ni and Fe is used as the additional metal. It is thus possible to give the coating a barrier effect or better protective effect against corrosion, so that galvanic corrosion, for example due to sweat on the palms of the hands, can be (significantly) reduced or avoided. The copper of the coating can thus be better protected against premature consumption.
  • the further metal or the further metals is or are deposited with a maximum proportion or total proportion of 20% by weight on the metal or plastic surface.
  • the upper limit was chosen because it was observed during the evaluation of the coating It was found that with a (total) proportion of more than 20% by weight, the properties of the coating, which also exist in addition to the antimicrobial effect, would be influenced too greatly.
  • the coating is deposited at a temperature between 20.degree. C. and 150.degree. C. and/or that the coating is deposited at a substrate temperature between 20.degree. C. and 60.degree.
  • the process control can be simplified by reducing the coating temperature or substrate temperature, since the formation of thin surface layers is supported by the temperature reduction.
  • the coating is produced with a coating thickness that is selected from a range of 0.5 ⁇ m to 40 ⁇ m. This allows the degree of stress, abrasion resistance and corrosion resistance to be better integrated for the service life used. In particular, in the case of more complex geometries, the presence of the layer and thus the longer antiviral effect can be better guaranteed, since there are differences in layer thickness due to geometric effects caused by the process.
  • another embodiment of the invention provides for the coating to be deposited at a coating rate of between 0.5 ⁇ m layer thickness/hour and 2 ⁇ m layer thickness/hour.
  • the metal surface is nitrated before the antimicrobial coating is deposited. It is also possible, before the coating is deposited, to subject the component to be coated to case hardening or vacuum hardening or to subject it to other hardening processes.
  • the particles are produced by means of magentron sputtering or atomic beam sputtering, with which plastic surfaces in particular can be provided with the coating more easily and in a manner that is gentler on the substrate.
  • a siloxane layer is applied to the metallic surface before the coating is deposited, and/or that a siloxane layer is applied to the coating.
  • FIG. 1 shows a section of an object provided with a coating
  • the object 1 shows a detail of an object 1 which has an antimicrobial coating 2 .
  • the object 1 has at least partially a surface 3 made of metal and/or at least partially a surface 3 made of plastic and/or at least partially a ceramic or mineral surface. It can also consist entirely of at least one metal or entirely of at least one plastic.
  • the metal can, for example, be an iron alloy, such as in particular (stainless) steel or cast iron, or a copper alloy, such as brass, or die-cast zinc alloys or an aluminum alloy or titanium or a titanium alloy or magnesium or magnesium alloys.
  • iron alloy such as in particular (stainless) steel or cast iron
  • copper alloy such as brass, or die-cast zinc alloys or an aluminum alloy or titanium or a titanium alloy or magnesium or magnesium alloys.
  • other metals and metal alloys can also be used.
  • the coating 2 can be used in particular as a replacement for hard chrome-plated surfaces.
  • the plastic can be, for example, a polyolefin, such as a polyethylene, a polypropylene, or polyvinyl chloride, or polystyrene, or a polyamide and a copolymer with/from these polymers.
  • a polyolefin such as a polyethylene, a polypropylene, or polyvinyl chloride, or polystyrene, or a polyamide and a copolymer with/from these polymers.
  • Other plastics can also be used, such as polytetrafluoroethylene, acrylonitrile-butadiene-styrene block copolymer, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyether ether ketone.
  • the plastic can be fiber-reinforced, in particular with carbon fibers.
  • the object 1 can be used, for example, in a doctor's surgery or an old people's home or a care facility for the disabled or in public transport or in general in the public sector. Without claiming to be complete, only a few specific applications of item 1 are mentioned: door handles, handles, handrails, generally holding elements that people can hold on to, handles, e.g. on shopping trolleys, operating buttons on elevators, pushbuttons for ATMs and cash register systems, keyboards and control panels e.g. in the medical or food sector, objects in areas of secondary sources of smear infection, i.e.
  • virus contamination transferred to personal objects by hand contact from primary sources surfaces such as personal protective equipment for risk groups, e.g greatly expanded area of application to avoid sources of infection in public areas of life, surfaces of walking aids that come into contact with the user's hand, such as crutches, walkers and wheelchairs e, multiple usable, stable closure systems and protectors to avoid waste, etc.
  • primary sources surfaces such as personal protective equipment for risk groups, e.g greatly expanded area of application to avoid sources of infection in public areas of life, surfaces of walking aids that come into contact with the user's hand, such as crutches, walkers and wheelchairs e, multiple usable, stable closure systems and protectors to avoid waste, etc.
  • Other objects 1 can also be coated or have the coating 2 .
  • the term “antimicrobial” is to be understood in the context in such a way that it means preventing the proliferation and/or killing of bacteria, viruses and fungi or fungal spores.
  • the coating 2 is applied to the surface 3 of the object 1 by means of a PVD process, as will be described in more detail below.
  • particles 4 of copper are deposited on the surface 3 of the object 1.
  • the particles 4 have a surface layer 5 .
  • the surface layer 5 is at least partially or entirely oxidic and/or nitridic and has Cu(I) oxide (CU2O) and/or Cu(I) nitride (CusN) or consists exclusively of Cu(I) oxide and /or Cu(I) nitride.
  • the rest of the particles 4 have metallic copper in a proportion of at least 60% by weight, in particular at least 75% by weight, preferably at least 90% by weight.
  • the upper limit of the ranges is 100% by weight in each case.
  • a core 6 of the particles has between 60% by weight and 100% by weight metallic copper.
  • the core 6 is that area of the particles 4 which lies beneath the surface layer 5 and directly adjoins it.
  • the surface layer 5 does not consist exclusively of Cu(I) oxide and/or Cu(I) nitride, its/their proportion in the surface layer 5 is between 60% by weight and 99% by weight, in particular between 85% by weight % and 99% by weight.
  • Cu(II) oxide for example, can form the remainder.
  • the core 6 can also have at least one further metal which is deposited in particular together with the copper or at the same time as the copper.
  • the additional metal can be selected from a group comprising or consisting of Al, Zn, Sn, Ti, Ce, Sn, Ni and Fe. However, other metals can also be used. Furthermore, more than one additional metal can also be present, the metals preferably being selected from the group mentioned.
  • the wear/abrasion resistance and the hardness of the coating 2 can be influenced by alloying/adding these metals. However, it is also possible to set a color of the coating 2 that is different from the copper color, with which the coating 2 can be better adapted to its intended use. Furthermore, the antibacterial effect of the coating 2 can thus be prolonged. Self-healing when the coating 2 is damaged can be produced by adding cerium.
  • the one additional metal or the additional metals can be contained in a proportion or total proportion in the core 6 which results from the difference of 100% by weight minus the aforementioned proportion of metallic copper.
  • the proportion or total proportion of the further metal or the further metals is between 0% by weight and 25% by weight, in particular between 0% by weight and 15% by weight.
  • the proportion or total proportion of the further metal or the further metals can be between 1% by weight and 6% by weight.
  • the oxidic and/or nitridic surface layer 5 has a maximum layer thickness 7 of between 0.5 nm and 2 nm.
  • the maximum layer thickness 7 is considered per particle 7 .
  • An average layer thickness of the surface layer 5 can be between 0.5 nm and 1 nm. For this purpose, the average layer thickness is determined using a high-resolution scanning electron microscope on the cross section of the coating 2 .
  • the particles 4 can also have a surface layer 5 which has a layer thickness or maximum layer thickness of more than 2 nm.
  • the cores 6 of the particles 4 can be 100% surrounded by the surface layer 5 . According to one embodiment variant, however, it can also be provided that the particles 4 do not have a completely closed surface layer 5, but that the oxidic and/or nitridic surface layer 5 has a surface area of at least 80%, for example between 80% and 99%, in particular between 90%. and 95%, of the total surface area of the particles 4. This can be achieved, for example, by shortening the dwell time of the particles 4 in the oxidative zone of a deposition chamber 8 (see FIG. 2, also referred to as a process chamber) for producing the coating 2.
  • a deposition chamber 8 see FIG. 2, also referred to as a process chamber
  • the coating 2 preferably has a layer thickness 9 which is selected from a range from 0.5 ⁇ m to 40 ⁇ m, or which is selected from a range from 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, or which is selected from a range from 0.5pm to 2pm.
  • the coating 2 is produced by means of a PVD method, in particular by sputtering (cathode atomization).
  • the coating is preferably produced by means of magnetron sputtering or atomic beam sputtering. But it can other sputtering techniques can also be used, such as ion beam sputtering or DC sputtering or HF-pulsed sputtering or RF sputtering or arc evaporation.
  • the object 1 to be coated is introduced into the deposition chamber 8 and in particular placed on a substrate holder 10 .
  • the substrate holder 10 can also be designed as a turntable in order to achieve a more uniform coating of the object.
  • At least one target 11 made of the metal or metals from which the coating 2 is produced is also arranged in the deposition chamber 8 . There is therefore at least one copper target in the separation chamber 8 .
  • a plurality of targets 11 can also be arranged, each consisting of the metal to be deposited.
  • targets 11 made of metal alloys can also be used.
  • the particles 4 are generated from the target(s) 11 and subsequently deposited on the surface 3 of the object 1.
  • the deposition chamber 8 there is a specific, predefinable pressure of at least one working gas, in particular argon.
  • This working gas is fed to the deposition chamber via a gas inlet 12 .
  • the separating chamber 8 also has at least one gas outlet 13, via which, for example, the separating chamber 8 is evacuated.
  • the chamber has an inlet 14, in which a working gas stream 15 contains the reaction gas (oxidant), i.e. in particular oxygen and/or a nitrogen-containing gas is mixed in.
  • oxidant i.e. in particular oxygen and/or a nitrogen-containing gas
  • the supply of the gaseous reaction gas (oxidant) to the oxidic and/or nitridic surface layer 5 can also take place in another area of the deposition chamber 8 .
  • a siloxane layer is applied to the metallic surface before the coating 2 is deposited, and/or that a siloxane layer is applied to the coating.
  • HDMSO hexamethyldisiloxane
  • another suitable siloxane can also be used.
  • the siloxane can be applied or deposited, for example, by means of plasma-enhanced chemical vapor deposition (PACVD).
  • the siloxane layer can have a layer thickness of between 0.5 ⁇ m and 5 ⁇ m.
  • the siloxane layer preferably has a maximum layer thickness of 1 pm, so that the siloxane layer is permeable to ions and electrons, with the result that the antiviral effect is not reduced or not significantly reduced.
  • N2 01/h - 1 1/h, in particular 01/h - 0.51/h
  • Pulsed 1 sec. On /10 sec. Off to 3 sec. On / 40 sec. Off, especially 1 sec. On /20 sec. Out
  • Target pure copper / target size 6 inches / magnetron sputtering
  • Bipolar plate reactor distance between plates 15 cm - 50 cm, in particular 25 cm
  • O2 oxygen donor gas
  • N2 nitrogen donor gas
  • O2 oxygen donor gas
  • N2 nitrogen donor gas
  • gaseous reactive gases oxygen donor gas, nitrogen donor gas
  • An ion source which is used for activation, can be used to improve the adhesion of the coating 2 on the surface 3 of the object.
  • this can be the counter electrode or an anode Eayer Source ion source (AFS).
  • this can be nitrated according to one embodiment of the invention.
  • the following parameters can be used for this.
  • Pulsing HF 10 - 100 kHz (negative pulses)
  • Pulse pause 100 ps - 600 ps
  • Substrate bias pulsing 10 - 100 kHz at 0-250 V bias
  • the component with the metal surface can also be gas nitrided (temperature 380°C - 580°C, N2, H2, or NH3) or nitric-carburized (with CO2 as an additional gas).
  • the coating can be deposited at a temperature between 20.degree. C. and 150.degree. C. and/or the coating can be deposited at a substrate temperature between 20.degree. C. and 60.degree.
  • the coating 2 can take place at a coating rate of between 0.2 ⁇ m layer thickness/hour and 5 ⁇ m layer thickness/hour.
  • coating 2 can take place at a coating rate of between 1.2 ⁇ m layer thickness/hour and 3 ⁇ m layer thickness/hour.
  • the coating is carried out at a coating rate of between 0.5 ⁇ m layer thickness/hour and 2 ⁇ m layer thickness/hour.
  • Antimicrobial coatings 2 were produced on sample plates made of LDPE, PP, PVC and PA 6. For this purpose, their surfaces were cleaned and dried beforehand. The sample plates were then placed in the deposition chamber 8 of an industrial PVD coating system, the deposition chamber 8 was rinsed several times and then coatings 2 of Cu particles provided with CU2O as the surface layer 5 were deposited on the sample plates. The Cu particles were generated from a Cu target. The coatings 2 were produced using the following parameters:
  • Target pure copper / target size 6 inches / magnetron sputtering
  • Bipolar plate reactor distance between plates 25 cm
  • the coatings 2 produced had a layer thickness 9 of 1.2 ⁇ m.
  • the surface layer 5 of the particles 4 had a layer thickness 7 of between 1 nm and 3 nm, measured using a high-resolution scanning electron microscope.
  • washability test EN 60068-70 (5 N): After 2,000 washability cycles, no deterioration in the biocidal properties of the coatings 2 of more than 10% could be observed.
  • Chemical resistance / cleanability After exposure in a climate chamber for three weeks and analysis of the chemical resistance to commercially available cleaning agents (typical alkaline and acidic household cleaning agents) based on ⁇ NORM EN 12720, there was no deterioration in the biocidal properties of the coatings 2 of more than 10% to be observed.
  • cleaning agents typically alkaline and acidic household cleaning agents
  • the coatings 2 were produced using the above parameters:
  • the coatings 2 produced had a layer thickness 9 of 1.3 ⁇ m.
  • the surface layer 5 of the particles 4 had a layer thickness 7 of between 0.9 nm and 2.9 nm, measured using a high-resolution scanning electron microscope.
  • washability test EN 60068-70 (5 N): After 2,000 washability cycles, no deterioration in the biocidal properties of the coatings 2 of more than 10% could be observed.
  • Chemical resistance / cleanability After exposure in a climate chamber for three weeks and analysis of the chemical resistance to commercially available cleaning agents (typical alkaline and acidic household cleaning agents) based on ⁇ NORM EN 12720, there was no deterioration in the biocidal properties of the coatings 2 of more than 10% to be observed.
  • cleaning agents typically alkaline and acidic household cleaning agents
  • Example 2 was repeated, but before the production of the antimicrobial coating 2 on a stainless steel rod, its surface was nitrated using the following parameters:
  • Pulsing HF 10 - 270 kHz (negative pulses)
  • Pulse pause 300 ps - 800 ps
  • Substrate bias pulsing 10 - 100 kHz at 0-250 V bias
  • N 2 flow 1 1/h - 100 1/h
  • the testing of the adhesion of the coating 2 on the stainless steel bar was carried out using the Rockwell C test.
  • the adhesive strength was improved from HF4 to HF1.
  • a thin HMDSO layer (max Ipm) can prevent this and at the same time is permeable to ions and electrons. In other words, the antiviral effect is not negatively influenced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer antimikrobiellen Beschichtung (2) auf einer Metall- oder Kunststoffoberfläche oder keramischen oder mineralischen Oberfläche, wonach auf diese Oberfläche eine Kupfer enthaltende metallische Schicht mittels eines PVD-Verfahrens in einer Abscheidekammer (8) abgeschieden wird, wozu aus einem Kupfer enthaltenden Target (11) Teilchen (4) erzeugt und diese auf der zu beschichtende Oberfläche (3) abgeschieden werden, und wobei während der Abscheidung Sauerstoff und/oder Stickstoff in die Ab Scheidekammer (8) eingeleitet wird, sodass die Teilchen (4) oberflächlich zu einer oxidischen Oberflächenschicht (5) mit Cu(I)-Oxid und/oder nitridischen Oberflächenschicht (5) mit Cu(I)-Nitrid oxidiert werden, wobei die Teilchen (4) mit einem Anteil an metallischem Kupfer von mindestens 60 Gew.-% hergestellt werden.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ANTIMIKROBIELLEN BESCHICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer antimikrobiellen Beschichtung auf einer Metall- oder Kunststoff Oberfläche oder keramischen oder mineralischen Oberfläche, wonach auf die Metall- oder Kunststoff Oberfläche oder keramischen oder mineralischen Oberfläche eine Kupfer enthaltende metallische Schicht mittels eines PVD- Verfahrens in einer Abscheidekammer abgeschieden wird, wozu aus einem Kupfer enthaltenden Target Teilchen erzeugt und diese auf der zu beschichtende Oberfläche abgeschieden werden, und wobei während der Abscheidung Sauer-stoff und/oder Stickstoff in die Abscheidekammer eingeleitet wird.
Weiter betrifft die Erfindung eine antimikrobielle Beschichtung aus mittels einem PVD-Ver- fahren abgeschiedenen, Kupfer enthaltenden Teilchen.
Zudem betrifft die Erfindung einen Gegenstand mit einer Metall- oder Kunststoff Oberfläche oder keramischen oder mineralischen Oberfläche, die eine Beschichtung aufweist.
Die Reduzierung von Schmierinfektionen in Bereichen, in welchen kontinuierliche Handhygi- ene/-desinfektion sowie das Tragen von Schutzhandschuhen schwierig bis - bei kognitiver Beeinträchtigung- nahezu unmöglich ist, ist problematisch. So stellen beispielsweise Oberflächen im öffentlichen Raum mit hoher Frequenz und nur kurzzeitigem Kontakt sowie eingeschränkter Reinigungsmöglichkeit vor allem Personen aus Risikogruppen ein hohes Risiko für die Übertragung von Krankheiten dar. Gerade derartige „oft berührte“ Oberflächen tragen laut einschlägigen Studien in nicht unerheblichen Ausmaß zu Erkrankung an grippalen Atemwegs-Infekten bei. Ähnliches gilt neben Rhino- und Influenza-Viren auch für Rota-/Noro- bzw. MERS-/SARS-Corona-Viren. 10 % bis 20% der COVID-19-Erkrankungen vor allem von Risikopatienten sind nach dem Robert-Koch-Institut auf Schmierinfektionen zurückzuführen.
Es ist bekannt, dass Kupferoberflächen antibakteriell wirken. Beispielsweise ist aus der DE 10 2010 054 046 Al eine antibakterielle Beschichtung für ein Implantat bekannt, die Kupfer ent- hält. Die Beschichtung wird mittels eines PVD- Verfahrens aufgebracht. Zudem kann dem Arbeitsgas Stickstoff, Sauerstoff bzw. ein Kohlenwasserstoffgas als Reaktivgas zugesetzt werden. Mit dem Reaktivgas wird ein mehrschichtiger Aufbau der Beschichtung erzeugt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine antimikrobielle Beschichtung für eine Metall- oder Kunststoffoberfläche mit eine verlängerten Nutzungsdauer bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, bei dem vorgesehen ist, dass die Teilchen oberflächlich zu einer oxidischen Oberflächenschicht mit Cu(I)- Oxid und/oder nitridischen Oberflächenschicht mit Cu(I)-Nitrid oxidiert werden, wobei die Teilchen mit einem Anteil an metallischem Kupfer von mindestens 60 Gew.-% hergestellt werden.
Es sei bereits an dieser Stelle erwähnt, dass die Formulierung „zu einer oxidischen Oberflächenschicht mit Cu(I)-Oxid und/oder nitridischen Oberflächenschicht mit Cu(I)-Nitrid oxidiert werden“ im Sinne der Erfindung nicht so zu verstehen ist, dass die Oberfläche zu 100 % aus Cu(I)- Verbindungen bestehen muss. Zumindest 50 % der Oberfläche der Teilchen wird jedoch durch zumindest ein Cu(I)- Verbindung gebildet.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit der eingangs genannten Beschichtung gelöst, bei der die Teilchen oberflächlich eine oxidischen und/oder nitridische Oberflächenschicht aus Cu(I)-Oxid und/oder Cu(I)-Nitrid aufweisen, wobei die Teilchen einen Anteil an metallischem Kupfer von mindestens 60 Gew.-% aufweisen.
Zudem wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Gegenstand gelöst, der die Beschichtung nach der Erfindung aufweist.
Durch den Einsatz von Reaktiv sputtern zur Herstellung der Beschichtung werden aus dem Kupfer Teilchen erzeugt, die oberflächlich eine Oxid- oder Nitridschicht aufweisen. Dabei ist von Vorteil, dass die PVD-Schichtabscheidung (PVD = Physical Vapor Deposition) eine sehr breite Variation der Beschichtungsparameter im Industriemaßstab erlaubt, womit sich der Sauerstoff- Anteil bzw. Sauerstoff-Überschuss bzw. der Stickstoff-Anteil bzw. Stickstoff- Überschuss sehr gut und einfach steuern lässt. Es ist damit möglich, dass das Kupfer (ein An- teil von zumindest 50 Gew.-% des Kupfers) in der Oberflächenschicht als einfach positiv geladenes Ion vorliegt. Damit wird der Beschichtung eine im Vergleich zu zweiwertigen Kupfe- rionen deutlich bessere antimikrobielle Wirkung verliehen. Als Nebeneffekt weist die Beschichtung aufgrund der Herstellung mittels einer PVD-Methode eine relativ hohe Härte auf, womit die Abriebbeständigkeit der Beschichtung verbessert werden kann. Zudem kann damit auch die Haftfestigkeit der Beschichtung auf der Substratoberfläche verbessert werden, womit ebenfalls die Nutzungsdauer des beschichteten Gegenstandes, d.h. die Nutzungsdauer der antimikrobiellen Beschichtung verlängert werden kann. Durch das Beschießen der Oberfläche mit geladenen Teilchen einer lonenquelle wird ein Ätz-Effekt auf der Substratoberfläche erreicht, der die Haftung der Schicht auf unterschiedlichen Werkstoffen verbessert. Darüber hinaus schützt die Oxid- oder Nitridschicht das darunter liegende Kupfer vor Abrieb bzw. generell dem zu schnellen Verlust aufgrund von äußeren Einflüssen. Dies wiederum ermöglicht ebenfalls eine längere Gebrauchsdauer der mit der antimikrobiellen Beschichtung.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Teilchen mit einem Anteil an metallischem Kupfer von mindestens 80 Gew.-% her-gestellt werden. Durch die Steigerung des Metallanteils in den Teilchen kann eine Verbesserung der antimikrobiellen Wirkung der Beschichtung erreicht werden, womit diese nicht nur besser gegen Bakterien und Pilze wirksam ist, sondern damit auch die antiviralen Schichteigenschaften deutlich verbessert werden können.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die oxidische und/oder nitridische Oberflächenschicht auf den Teilchen mit einer maximalen Schichtdicke zwischen 0,5 nm und 2 nm hergestellt wird. Es konnte festgestellt werden, dass bereits relativ dünne Oberflächenschichten eine Verbesserung der antimikrobiellen Eigenschaften bewirken, da Sauerstoff bzw. Stickstoff während der Gebrauchsdauer des Gegenstandes bzw. der Beschichtung nicht verlorengeht, sondern die entsprechenden Anionen durch den Verbrauch von einwertigem Kupfer in die unter der Oberflächenschicht liegende Bereiche diffundiert. Die relativ dünnen Oberflächenschicht bewirkt eine deutliche Verkürzung des Verfahrens und damit eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Zudem können damit Abplatzungen, wie sie von dicken Schichten an sich bekannt sind, vermieden werden. Es hat sich im Rahmen von Test weiter herausgestellt, dass nicht die gesamte Oberfläche der Teilchen mit oxidischen und/oder nitridischen Oberflächenschicht versehen sein muss, sondern dass eine verbesserte Nutzungsdauer auch schon erreicht wird, wenn nach einer Ausführungsvariante der Erfindung die oxidische und/oder nitridische Oberflächenschicht mit einem Flächenanteil von zumindest 80 % der Gesamtoberfläche der Teilchen hergestellt wird. Durch den verbleidenden Restanteil an metallischer Oberfläche kann die Haftung der Teilchen an der Substratoberfläche bzw. untereinander verbessert werden. Zudem ist damit auch eine Verfahrensvereinfachung erreichbar, die wiederum die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessern kann. Generell kann die teilweise Oxidation der Teilchen auf dem Weg von der Quelle der Teilchen (also insbesondere dem Target) zur Substratoberfläche und auch noch an der Substratoberfläche stattfinden, wobei ein Teil der Oxidation bevorzugt bereits auf dem Weg zur Teilchenoberfläche stattfindet. Es ist dabei auch nur eine einseitige Oxidation der Teilchen möglich.
Aus den voranstehend genannten Gründen betreffend die einwertigen Kupferionen ist es gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung von Vorteil, wenn die oxidische und/oder nitridische Oberflächenschicht ausschließlich als Cu(I)-Oxid und/oder Cu(I)-Nitrid hergestellt wird.
Zur weiteren Verbesserung der Nutzungsdauer des beschichteten Gegenstandes bzw. der Beschichtung an sich kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen werden, dass mit dem Kupfer zumindest ein weiteres Metall auf der Metall- oder Kunststoff Oberfläche oder der keramischen oder mineralischen Oberfläche abgeschieden wird.
Dabei ist gemäß einer Ausführungsvariante dazu von Vorteil, wenn als weiteres Metall ein Metall aus der Gruppe Al, Zn, Sn, Ti, Ce, Sn, Ni, und Fe verwendet wird. Es ist damit möglich, der Beschichtung einer Barrierewirkung bzw. bessere Schutzwirkung gegen Korrosion zu verleihen, sodass eine galvanische Korrosion, beispielsweise aufgrund von Schweiß auf den Handflächen, (signifikant) reduziert bzw. vermieden werden kann. Das Kupfer der Beschichtung kann damit also besser vor vorzeitigem Verbrauch geschützt werden.
Dabei kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung dazu vorgesehen sein, dass das weitere Metall oder die weiteren Metalle mit einem maximalen Anteil oder Summenanteil von 20 Gew.-% auf der Metall- oder Kunststoffoberfläche abgeschieden wird oder werden. Die Obergrenze wurde gewählt, da im Zuge der Evaluierung der Beschichtung beobachtet wurde, dass mit einem (Summen)Anteil von mehr als 20 Gew.-% die neben der antimikrobiellen Wirkung weiters vorhandenen Eigenschaften der Beschichtung zu stark beeinflusst würden.
Nach weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die Abscheidung der Beschichtung bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 150 °C durchgeführt wird und/oder dass die Abscheidung der Beschichtung bei einer Substrattemperatur zwischen 20 °C und 60 °C durchgeführt wird. Durch die Reduktion der Beschichtungstemperatur bzw. Substrattemperatur kann die Verfahrens Steuerung vereinfacht werden, da die Bildung von dünnen Oberflächenschichten durch die Temperaturreduktion unterstützt wird.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die Beschichtung mit einer Beschichtungsdicke hergestellt wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,5 pm bis 40 pm. Damit kann der Beanspruchungsgrad, die Abriebbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit für die genutzte Lebensdauer besser integriert werden. Insbesondere kann bei komplexeren Geometrien das Vorhandensein der Schicht und damit die längere antivirale Wirkung besser gewährleistet werden, da es durch geometrische Effekte verfahrensbedingt zu Schichtdickenunterschieden kommt.
Zur weiteren Verbesserung der Haftfestigkeit der Beschichtung auf der Substratoberfläche durch verbesserten Schichtaufbau kann gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen werden, dass die Beschichtung mit einer Beschichtungsrate zwischen 0,5 pm Schichtdicke / Stunde und 2 pm Schichtdicke / Stunde abgeschieden wird.
Ebenfalls zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Beschichtung auf metallischen Oberflächen, insbesondere eisenbasierten metallischen Oberflächen, kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen werden, dass die Metalloberfläche vor der Abscheidung der antimikrobiellen Beschichtung nitriert wird. Es ist weiter möglich, vor der Abscheidung der Beschichtung das zu beschichtenden Bauteil einer Einsatzhärtung oder Vakuumhärtung zur unterziehen bzw. anderen Härtungsverfahren zu unterziehen.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Teilchen mittels Magentronsputtem oder Atomstrahlsputtem erzeugt werden, womit insbesondere Kunststoffoberflächen einfacher und substratschonender mit der Beschichtung versehen werden können. Gemäß weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung kann vorgesehen sein, dass vor der Abscheidung der Beschichtung auf die metallischen Oberfläche eine Siloxanschicht aufgebracht wird, und/oder dass auf die Beschichtung eine Siloxanschicht aufgebracht wird. Durch die Abscheidung einer Siloxanschicht auf dem Substrat kann dieses besser vor negativen Einflüssen durch die oder aufgrund der Beschichtung, wie z.B. Korrosionsprobleme oder das Aufweichen des Substrats im beschichteten Bereich, geschützt werden. Durch eine Siloxanschicht auf der Beschichtung kann diese wiederum unempfindlicher gegenüber Fingerabdrücken ausgebildet werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 Einen Ausschnitt aus einem mit einer Beschichtung besehenen Gegenstand;
Fig. 2 Einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Herstellung des beschichteten Gegenstandes.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein Gegenstand 1 dargestellt, der eine antimikrobielle Beschichtung 2 aufweist. Der Gegenstand 1 hat zumindest teilweise eine Oberfläche 3 aus einem Metall und/oder zumindest teilweise eine Oberfläche 3 aus einem Kunststoff und/oder zumindest teilweise eine keramische oder mineralische Oberfläche. Er kann auch zur Gänze aus zumindest einem Metall oder zur Gänze aus zumindest einem Kunststoff bestehen.
Das Metall kann beispielsweise eine Eisenlegierung, wie insbesondere (rostfreier) Stahl oder Gusseisen, oder eine Kupferlegierung, wie beispielsweise Messing, oder Zink-Druckgussle- gierungen oder eine Aluminiumlegierung oder Titan oder eine Titanlegierung oder Magnesium oder Magnesiumlegierungen sein. Es sind aber auch andere Metalle und Metalllegierungen verwendbar.
Die Beschichtung 2 kann insbesondere als Ersatz für hartverchromte Oberflächen dienen.
Der Kunststoff kann beispielsweise ein Polyolefin, wie z.B. ein Polyethylen, ein Polypropylen, oder Polyvinylchlorid, oder Polystyrol, oder ein Polyamid sowie ein Copolymer mit/von diesen Poylmeren sein. Es sind auch andere Kunststoffe, wie z.B. Polytetrafluorethylen, Ac- rylnitril-Butadien-Styrol-Blockcopolymer, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat, Polyetheretherketon, einsetzbar. Der Kunststoff kann faserverstärkt sein, insbesondere mit Kohlefa- sem.
Der Gegenstand 1 kann beispielsweise in einer Arztpraxis oder einem Altenheim oder eine Behindertenbetreuungseinrichtung oder einem öffentlichen Verkehrsmittel bzw. generell im öffentlichen Bereich eingesetzt werden bzw. sein. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben seinen nur einige konkrete Anwendungen des Gegenstandes 1 genannt: Türdrücker, Handgriffe, Handläufe, generell Halteelemente an denen sich Personen anhalten können, Griffe, z.B. an Einkaufswägen, Bedientasten von Fahrstühlen, Drucktasten für Bankomaten und Kassensysteme, Tastaturen und Bedienpaneele, beispielsweise für Medizinbereich oder Lebensmittelbereich, Gegenstände in Bereichen der Sekundär-Schmierinfektionsquellen, d.h. über die Handberührung von Primärquellen Oberflächen auf persönliche Gegenstände übertragene Virenkontamination, wie z.B. von persönlicher Schutzausrüstung für Risikogruppen, z.B. von Ventilverschlüssen von mobiler Sauerstoffversorgung mit oftmaliger Betätigung zur Regulierung der Sauerstoffmenge mit stark erweitertem Anwendungsbereich zur Vermeidung von Infektionsquellen in öffentlichen Lebensbereichen, mit der Hand des Nutzers in Kontakt kommende Oberflächen von Gehbehelfen, wie z.B. Krücken, Rollatoren und Rollstühle, vielfach nutzbare, stabile Verschlusssysteme und Protektoren zur Abfallvermeidung von, etc. Diese Anwendungsfälle stellen nur Beispiele dar. Es können auch andere Gegenstände 1 beschichtet werden bzw. die Beschichtung 2 aufweisen.
Der Begriff „antimikrobiell“ ist im Rahmen so zu verstehen, dass damit die Verhinderung der Vermehrung und/oder die Abtötung von Bakterien, Viren und Pilzen bzw. Pilzsporen gemeint ist. Die Beschichtung 2 wird mittels eines PVD-Verfahrens auf die Oberfläche 3 des Gegenstandes 1 aufgebracht, wie dies im Nachfolgenden noch näher beschrieben wird. Dazu werden Teilchen 4 aus Kupfer auf der Oberfläche 3 des Gegenstandes 1 abgeschieden. Die Teilchen 4 weisen eine Oberflächenschicht 5 auf. Die Oberflächenschicht 5 ist zumindest teilweise oder zur Gänze oxidisch und/oder nitridisch und weist Cu(I)-Oxid (CU2O) und/oder Cu(I)-Nitrid (CusN) auf bzw. besteht ausschließlich aus Cu(I)-Oxid und/oder Cu(I)-Nitrid. Der Rest der Teilchen 4 weist metallisches Kupfer in einem Anteil von zumindest 60 Gew.-%, insbesondere zumindest 75 Gew.-%, bevorzugt zumindest 90 Gew.-%, auf. Die obere Grenze der Bereiche bildet jeweils 100 Gew.-%. Mit anderen Worten weist also ein Kem 6 der Teilchen zwischen 60 Gew.-% und 100 Gew.-% metallisches Kupfer auf. Der Kem 6 ist jener Bereich der Teilchen 4, der unterhalb der Oberflächenschicht 5 liegt und unmittelbar an diese anschließt.
Sofern die Oberflächenschicht 5 nicht ausschließlich aus Cu(I)-Oxid und/oder Cu(I)-Nitrid besteht, ist dessen/deren Anteil an der Oberflächenschicht 5 zwischen 60 Gew.-% und 99 Gew.-%, insbesondere zwischen 85 Gew.-% und 99 Gew.-%. Den Rest kann z.B. Cu(II)-Oxid bilden.
Neben metallischem Kupfer kann der Kern 6 gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung auch zumindest ein weiteres Metall aufweisen, das insbesondere zusammen mit dem Kupfer oder gleichzeitig mit dem Kupfer abgeschieden wird. Das weitere Metall kann ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Al, Zn, Sn, Ti, Ce, Sn, Ni, und Fe. Es können aber auch andere Metalle eingesetzt werden. Weiter kann auch mehr als ein zusätzliches Metall enthalten sein, wobei die Metalle bevorzugt aus der genannten Gmppe ausgewählt werden. Durch das Zulegieren/Zugeben dieser Metalle kann die Verschleiß-/ Abriebbeständigkeit und die Härte der Beschichtung 2 beeinflusst werden. Es kann damit aber auch eine zur Kupferfarbe verschiedene Farbe der Beschichtung 2 eingestellt werden, womit die Beschichtung 2 besser an deren Einsatzzweck angepasst werden kann. Weiter kann damit die antibakterielle Wirkung der Beschichtung 2 verlängert werden können. Eine Selbstheilung bei Beschädigung der Beschichtung 2 kann durch die Beimengung von Cer erzeugt werden.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass anstelle eines (ausschließlichen) metallischen Kems 6 es auch möglich ist, dass im Kem 6 ebenfalls Cu(I)-Oxid und oder Cu(I)-Nitrid vorhanden sein kann. Das eine weitere Metall oder die weiteren Metalle kann/können in einem Anteil bzw. Summenanteil im Kern 6 enthalten sein, der sich aus der Differenz von 100 Gew.-% abzüglich des voranstehend genannten Anteils an metallischem Kupfer ergibt. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung beträgt der Anteil oder Summenanteil an dem weiteren Metall oder den weiteren Metallen zwischen 0 Gew.-% und 25 Gew.-%, insbesondere zwischen 0 Gew.-% und 15 Gew.-%. Beispielsweise kann der Anteil oder Summenanteil an dem weiteren Metall oder den weiteren Metallen zwischen 1 Gew.-% und 6 Gew.-% betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist die oxidische und/oder nitridische Oberflächenschicht 5 eine maximalen Schichtdicke 7 zwischen 0,5 nm und 2 nm auf. Die maximale Schichtdicke 7 wird dabei pro Teilchen 7 betrachtet. Eine mittlere Schichtdicke der Oberflächenschicht 5 kann zwischen 0,5 nm und 1 nm betragen. Die mittlere Schichtdicke wird dazu mit einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop am Querschnitt der Beschichtung 2 bestimmt.
Prinzipiell können die Teilchen 4 (oder einzelne der Teilchen 4) aber auch eine Oberflächenschicht 5 aufweisen, die eine Schichtdicke oder maximale Schichtdicke von mehr als 2 nm aufweist.
Die Kerne 6 der Teilchen 4 können zu 100 % von der Oberflächenschicht 5 umgeben sein. Nach einer Ausführungsvariante dazu kann aber auch vorgesehen sein, dass die Teilchen 4 keine vollständig geschlossene Oberflächenschicht 5 aufweisen, sondern dass die oxidische und/oder nitridische Oberflächenschicht 5 einen Flächenanteil von zumindest 80 %, beispielsweise zwischen 80 % und 99 %, insbesondere zwischen 90 % und 95 %, der Gesamtoberflä- che der Teilchen 4, aufweist. Erreicht kann dies z.B. werden durch eine Verkürzung der Verweilzeit der Teilchen 4 in der oxidativen Zone einer Abscheidekammer 8 (siehe Fig. 2, auch als Prozesskammer bezeichenbar) zur Herstellung der Beschichtung 2.
Bevorzugt weist die Beschichtung 2 eine Schichtdicke 9 auf die ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,5 pm bis 40 pm, bzw. die ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,5 pm bis 5 pm, bzw. die ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,5 pm bis 2 pm.
Wie bereits voranstehend erwähnt, wird die Beschichtung 2 mittels eines PVD- Verfahrens hergestellt, insbesondere durch Sputtern (Kathodenzerstäubung). Vorzugsweise wird die Beschichtung mittels Magnetronsputtem oder Atomstrahlsputtem hergestellt. Es können aber auch andere Sputtertechniken eingesetzt werden, wie beispielsweise das lonenstrahlsputtern oder das DC-Sputtern oder das HF-gepulste Sputtern oder das RF-Sputtem oder das Lichtbogenverdampfen.
In Fig. 2 ist vereinfacht die Abscheidekammer 8 zur Herstellung der Beschichtung 2 dargestellt. Da die Sputtertechnik an sich bekannt ist, sei dazu zur Vermeidung von Wiederholungen auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
Der zu beschichtende Gegenstand 1 wird in die Abscheidekammer 8 eingebracht, und insbesondere auf einem Substrathalter 10 abgelegt. Der Substrathalter 10 kann auch als Drehteller ausgebildet sein, um eine gleichmäßigere Beschichtung des Gegenstandes zu erreichen.
Weiter ist in der Abscheidekammer 8 zumindest ein Target 11 aus dem Metall oder den Metallen angeordnet, aus denen die Beschichtung 2 hergestellt wird. Es ist also zumindest ein Kupfertarget in der Ab Scheidekammer 8 vorhanden. Für die Abscheidung von mehreren Metallen, können auch mehrere Targets 11 angeordnet sein, die jeweils aus dem abzuscheidenden Metall bestehen. Alternativ dazu können auch Targets 11 aus Metalllegierungen eingesetzt werden.
Durch Beschuss des oder der Targets 11 mit Teilchen, z.B. geladenen Argonteilchen, werden aus dem/den Target(s) 11 die Teilchen 4 erzeugt, die in der Folge auf der Oberfläche 3 des Gegenstandes 1 abgeschieden werden.
In der Abscheidekammer 8 herrscht ein bestimmter, vordefinierbarer Druck an zumindest einem Arbeitsgas, insbesondere Argon. Dieses Arbeitsgas wird der Abscheidekammer über einen Gaseinlass 12 zugeführt.
Die Ab Scheidekammer 8 weist auch zumindest einen Gasauslass 13 auf, über den z.B. die Evakuierung der Abscheidekammer 8 erfolgt.
Für die Ausbildung der Oberflächenschicht 5 auf den Teilchen 4 während des Weges vom Target 11 zur Oberfläche 3 des Gegenstandes 1 weist die Kammer einen Einlass 14 auf, in dem einem Arbeitsgasstrom 15 das Reaktionsgas (Oxidationsmittel), also insbesondere Sauerstoff und/oder ein Stickstoff enthaltendes Gas zugemischt wird. Die Zuführung des gasförmigen Reaktionsgases (Oxidationsmittels) zur oxidischen und/oder nitridischen Oberflächen schicht 5 kann aber auch in einem anderen Bereich der Abscheidekammer 8 erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung kann vorgesehen sein, dass vor der Abscheidung der Beschichtung 2 auf die metallischen Oberfläche eine Siloxanschicht aufgebracht wird, und/oder dass auf die Beschichtung eine Siloxanschicht aufgebracht wird. Als Siloxan kann insbesondere HDMSO (Hexamethyldisiloxan) verwendet werden. Es kann aber auch ein anderes geeignetes Siloxan eingesetzt werden. Das Siloxan kann beispielsweise mittels plasmaunterstützter chemische Gasphasenabscheidung (PACVD) aufgebracht bzw. abgeschieden werden. Die Siloxanschicht kann eine Schichtdicke zwischen 0,5 pm bis 5 pm aufweisen. Im Fall der Abscheidung der Siloxanschicht auf der Beschichtung 2 weist die Siloxanschicht vorzugsweise eine Schichtdicke von maximal Ipm auf, sodass die Siloxanschicht durchlässig gegen Ionen und Elektronen ist, womit die Antivirale Wirkung nicht bzw. nicht wesentlich reduziert wird.
Generell können zur Durchführung des Verfahrens folgende Parameter angewandt werden.
Leistung: 450 W - 4000 W, insbesondere 500 W - 3.500 W
Frequenz: 10 MHz - 15 MHz, insbesondere 13,56MHz
Druck: 0,009 mbar - 0,012 mbar, insbesondere 0,009 mbar -
0,012 mbar
Temperatur: 20 °C - 150 °C, insbesondere 20 °C - 60 °C
Ar: 2 1/h - 6 1/h, insbesondere 3 1/h - 4 1/h
O2: 01/h - 1 1/h, insbesondere 01/h - 0,51/h
N2: 01/h - 1 1/h, insbesondere 01/h - 0,51/h
Gepulst: 1 sek. Ein /10 sek. Aus bis 3 sek. Ein / 40 sek. Aus, insbesondere 1 sek. Ein /20 sek. Aus
Target: Reinkupfer / Targetgröße 6 Zoll / Magnetronsputtem
Bipolarplattenreaktor: Abststand Platten 15 cm - 50 cm, insbesondere 25 cm Betreffend die Angabe 0 1/h in Hinblick auf O2 und N2sei angemerkt, dass Sauerstoffzufuhr bzw. Stickstoffzufuhr nicht zwingend ständig erfolgt. Die Sauer Stoffzufuhr kann in Intervallen mehrmals erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Sauer Stoffzufuhr in nur einem einzigen Schritt durchzuführen. Weiter steht die Abkürzung O2 für eine Sauerstoffspendergas und die Abkürzung N2 für ein Stickstoffspendergas. Anstelle der Zuführung von gasförmigen Reaktivgasen (Sauerstoffspendergas, Stickstoffspendergas) besteht auch die Möglichkeit diese in der Behandlungskammer aus einem Feststoff zu erzeugen (z.B. thermisch oder durch Be- schuss mit (geladenen)Teilchen). Für den Fall, dass weitere Metalle eingesetzt werden, können diese in Form von jeweils eigenen Targets oder als Eegierungstargets eingesetzt werden.
Für die Verbesserung der Haftung der Beschichtung 2 auf der Oberfläche 3 des Gegenstandes kann eine lonenquelle eingesetzt werden, die zur Aktivierung genutzt wird. Beispielsweise kann dies die Gegenelektrode oder eine Anode Eayer Source lonenquelle (AFS) sein.
Zur Verbesserung der Haftung auf einer metallischen Oberfläche 3 kann diese gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung nitriert werden. Dazu können folgende Paramater angewandt werden.
Plasmanitrierung :
Leistungsdichte am Target: 1-10 W/cm2
Pulsung HF: 10 - 100 kHz (negative Pulse)
Spannung: 350 V - 700 V
Pulspause: 100 ps - 600 ps
Pulsung Substrat-Bias: 10 - 100 kHz bei 0-250 V Bias
Druck: 8 x 1E-4 mbar bis 1 x 1E-2 mbar
O2 : Ar-sccm-Verhältnis: 1 : 5 bis 4 : 5 (seem = standard cubic centimeters per minut)
H2 Fluss: 301/h - 300 1/h
N2 Fluss: 1 1/h - 140 1/h
Ar Fluss: 1 1/h - 301/h
Temperatur: 400 °C - 600 °C Anstelle des Plasmanitirierens kann das die Metalloberfläche aufweisende Bauteil auch gasnitriert werden (Temperatur 38O°C - 580°C, N2 , H2, oder NH3 oder nitricarburiert werden (mit CO2 als zusätzliches Gas).
Nach weiteren bevorzugten Verfahrensvarianten kann die Abscheidung der Beschichtung bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 150 °C durchgeführt werden und/oder die Abscheidung der Beschichtung bei einer Substrattemperatur zwischen 20 °C und 60 °C durchgeführt werden. Durch die Einhaltung zumindest eines dieser Temperaturbereiche kann eine thermische Beeinflussung des Substrates zumindest im zu beschichtenden Oberflächenbereich weitestgehend vermieden werden.
Generell kann die Beschichtung 2 mit einer Beschichtungsrate zwischen 0,2 pm Schichtdicke / Stunde und 5 pm Schichtdicke / Stunde erfolgen. Beispielsweise kann Beschichtung 2 mit einer Beschichtungsrate zwischen 1,2 pm Schichtdicke / Stunde und 3 pm Schichtdicke / Stunde erfolgen. Gemäß einer Ausführungsvariante der Verfahrens wird die Beschichtung aber mit einer Beschichtungsrate zwischen 0,5 pm Schichtdicke / Stunde und 2 pm Schichtdicke / Stunde durchgeführt.
Zur Evaluierung der Eigenschaften der Beschichtung wurden folgende Beispiele und Tests durchgeführt.
Beispiel 1:
Es wurden antimikrobielle Beschichtungen 2 auf Musterplatten aus LDPE, PP, PVC und PA 6 hergestellt. Dazu wurden deren Oberflächen vorab gereinigt und getrocknet. Die die Musterplatten wurden anschließend in der Abscheidekammer 8 einer industrieüblichen PVD-Be- schichtungsanlage platziert, die Abscheidekammer 8 mehrmals gespült und danach Beschichtungen 2 aus mit CU2O als Oberflächenschicht 5 versehenen Cu-Teilchen auf den Musterplatten niedergeschlagen. Die Cu-Teilchen wurden aus einem Cu-Target erzeugt. Die Beschichtungen 2 wurden unter Anwendung folgender Parameter erzeugt:
Leistung: 500 W - 3.500 W
Frequenz: 13,56MHz
Druck: 0,009 mbar - 0,012 mbar Temperatur: 20 °C
Ar: 3 1/h - 4 1/h
O2: 01/h - 0,51/h
Gepulst: 1 sek. Ein /20 sek. Aus
Target: Reinkupfer / Targetgröße 6 Zoll / Magnetronsputtem
Bipolarplattenreaktor: Abststand Platten 25 cm
Die hergestellten Beschichtungen 2 hatten eine Schichtdicke 9 von 1,2 pm. Die Oberflächenschicht 5 der Teilchen 4 hatten eine Schichtdicke 7 zwischen 1 nm und 3 nm, gemessen mit einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop.
Zur Evaluierung der Schichteigenschaften wurden folgende Test durchgeführt:
Biozide Eigenschaften: direkter Kontakt (ISO 22196):
Es wurde bei allen beschichteten Musterplatten eine Reduktion von Corona-Viren (bzw. Bakteriophagen als Testspezies), Staph, aureus und E. coli ausgehend von 1E5 Spezies/cm2 in weniger als 15 Minuten um Faktor 1E3 und in 60 Minuten um einen Faktor 1E5 (= vollständige Abtötung pathogener Spezies) erreicht.
Nach Washability-Test EN 60068-70 (5 N): Nach 2.000 Washability-Zyklen konnte keine Verschlechterung der bioziden Eigenschaften der Beschichtungen 2 von meher als 10% beobachtet werden.
Schicht-Haftfestigkeit: Gitterschnitttest ISO 2409: Alle Beschichtungen konnte in der Klasse 0 klassifiziert werden.
Chemische Beständigkeit / Reinigbarkeit: Nach einer Auslagerung im Klimaschrank über drei Wochen und Analyse der chemischen Beständigkeit gegenüber handelsüblichen Reinigungsmitteln (typische basische und saure Haushalts-Reinigungsmittel) in Anlehnung an ÖNORM EN 12720 konnte keine Verschlechterung der bioziden Eigenschaften der Beschichtungen 2 von mehr als 10% beobachtet werden.
Bei durchgeführten Kontakttests mit Auslagerungszeit (DIN 68861) konnte keine Rissbildung bzw. Einschränkung der bioziden Eigenschaften beobachtet werden. Beispiel 2:
In Anlehnung an die voranstehende Verfahrensweise wurde handelsübliche Türgriffe aus Edelstahl beschichtet.
Die Beschichtungen 2 wurden unter Anwendung der voranstehend genannten Parameter erzeugt:
Die hergestellten Beschichtungen 2 hatten eine Schichtdicke 9 von 1,3 pm Die Oberflächenschicht 5 der Teilchen 4 hatten eine Schichtdicke 7 zwischen 0,9 nm und 2,9 nm, gemessen mit einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop.
Zur Evaluierung der Schichteigenschaften wurden folgende Test durchgeführt:
Biozide Eigenschaften: direkter Kontakt (ISO 22196):
Es wurde bei allen beschichteten Türgriffen eine Reduktion von Corona-Viren (bzw. Bakteriophagen als Testspezies), Staph, aureus und E. coli ausgehend von 105 Spezies/cm2 in weniger als 15 Minuten um Faktor 103 und in 60 Minuten um einen Faktor 105 (= vollständige Abtötung pathogener Spezies) erreicht.
Nach Washability-Test EN 60068-70 (5 N): Nach 2.000 Washability-Zyklen konnte keine Verschlechterung der bioziden Eigenschaften der Beschichtungen 2 von meher als 10% beobachtet werden.
Schicht-Haftfestigkeit: Gitterschnitttest ISO 2409: Alle Beschichtungen konnte in der Klasse 0 klassifiziert werden.
Chemische Beständigkeit / Reinigbarkeit: Nach einer Auslagerung im Klimaschrank über drei Wochen und Analyse der chemischen Beständigkeit gegenüber handelsüblichen Reinigungsmitteln (typische basische und saure Haushalts-Reinigungsmittel) in Anlehnung an ÖNORM EN 12720 konnte keine Verschlechterung der bioziden Eigenschaften der Beschichtungen 2 von mehr als 10% beobachtet werden.
Bei durchgeführten Kontakttests mit Auslagerungszeit (DIN 68861) konnte keine Rissbildung bzw. Einschränkung der bioziden Eigenschaften beobachtet werden. Korrosionsbeständigkeit: Salz-Sprühnebel-Tests nach DIN EN 50 021
Es wurden keine Abplatzungen bzw. korrosionsgeschädigten Stellen beobachtet.
Beispiel 3
Das Beispiel 2 wurde wiederholt, wobei vor der Herstellung der antimikrobiellen Beschichtung 2 auf einer Edelstahlstange deren Oberfläche unter Anwendung folgender Parameter nitriert wurde:
Leistungsdichte am Target: 1-10 W/cm2
Pulsung HF: 10 - 270 kHz (negative Pulse)
Spannung: 350 V - 700 V
Pulspause: 300 ps - 800 ps
Pulsung Substrat-Bias: 10 - 100 kHz bei 0-250 V Bias
Druck: 8 x 1E-4 mbar bis 1 x 1E-2 mbar
H2 Fluss: 301/h - 300 1/h
N2 Fluss: 1 1/h - 100 1/h
Ar Fluss: 1 1/h - 301/h
Temperatur: 400 °C - 600 °C
Die Prüfung der Haftfestigkeit der Beschichtung 2 auf der Edelstahlstange wurde mittels Rockwell C Test durchgeführt. Es wurde dabei erreicht die Haftfestigkeit von HF4 auf HF1 verbessert.
Beispiel 4:
Es wurden antimikrobielle Beschichtungen 2 auf PP- und Messingoberflächen entsprechend den Ausführungen in Beispiel 1 bzw. 2 erzeugt. Die Teilchen 4 wiesen jedoch nur eine Oberflächenbelegung mit der Beschichtung zwischen 81 % und 86 % auf. Es konnte dabei keine Verschlechterung der bioziden Eigenschaften der Beschichtungen 2 beobachtet werden. Beim Beschichten von Substratoberflächen mit Kupfer kann es zu negativen Beeinflussungen des Substrates durch z.B. Korrosion oder Aufweichung kommen. Durch das Aufbringen von einer HMDSO Schicht mittels PACVD Technologie kann dies verhindert werden (HMDSO = Hexamethyldisiloxan).
Weiters ist eine Kupferoxid Schicht zwar gut korrosionsbeständig, jedoch sieht man auf der Oberfläche Fingerabdrücke. Eine dünne HMDSO Schicht (max Ipm) kann das verhindern und ist gleichzeitig durchlässig gegen Ionen und Elektronen. Sprich die Antivirale Wirkung wird dadurch nicht negativ beeinflusst.
Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Beschichtung 2 bzw. des Gegenstandes 1 bzw. der Abscheidekammer 8 diese nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt wurden.
Bezugszeichenaufstellung
Gegenstand
Beschichtung
Oberfläche
Teilchen
Oberflächenschicht
Kem
Schichtdicke
Abscheidekammer
Schichtdicke
Substrathalter
Target
Gaseinlass
Gasauslass
Einlass
Arbeitsgasstrom

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung einer antimikrobiellen Beschichtung (2) auf einer Metall- oder Kunststoffoberfläche oder keramischen oder mineralischen Oberfläche, wonach auf die Metall- oder Kunststoffoberfläche der keramischen oder mineralischen Oberfläche eine Kupfer enthaltende metallische Schicht mittels eines PVD- Verfahrens in einer Abscheidekammer (8) abgeschieden wird, wozu aus einem Kupfer enthaltenden Target (11) Teilchen (4) erzeugt und diese auf der zu beschichtende Oberfläche (3) abgeschieden werden, und wobei während der Abscheidung Sauerstoff und/oder Stickstoff in die Ab Scheidekammer (8) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (4) oberflächlich zu einer oxidischen Oberflächenschicht (5) mit Cu(I)-Oxid und/oder nitridischen Oberflächenschicht (5) mit Cu(I)-Nitrid oxidiert werden, wobei die Teilchen (4) mit einem Anteil an metallischem Kupfer von mindestens 60 Gew.-% hergestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (4) mit einem Anteil an metallischem Kupfer von mindestens 80 Gew.-% hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische und/oder nitridische Oberflächenschicht (5) mit einer maximalen Schichtdicke (7) zwischen 0,5 nm und 2 nm hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische und/oder nitridische Oberflächenschicht (5) mit einem Flächenanteil von zumindest 80 % der Gesamtoberfläche der Teilchen (4) hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische und/oder nitridische Oberflächenschicht (5) ausschließlich als Cu(I)-Oxid und/oder Cu(I)-Nitrid hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kupfer zumindest ein weiteres Metall auf der Metall- oder Kunststoffoberfläche oder der keramischen oder mineralischen Oberfläche abgeschieden wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Metall ein Metall aus der Gruppe Al, Zn, Sn, Ti, Ce, Sn, Ni, Fe verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall oder die weiteren Metalle mit einem maximalen Anteil oder Summenanteil von 20 Gew.- % auf der Metall- oder Kunststoffoberfläche abgeschieden werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Beschichtung (2) bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 150 °C durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Beschichtung (2) bei einer Substrattemperatur zwischen 20 °C und 60 °C durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) mit einer Schichtdicke (9) hergestellt wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,2 pm bis 40 pm.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) mit einer Beschichtungsrate zwischen 0,5 pm Schichtdicke / Stunde und 2 pm Schichtdicke / Stunde abgeschieden wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche vor der Abscheidung der antimikrobiellen Beschichtung (2) nitriert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (4) mittels Magentronsputtem oder Atomstrahlsputtem erzeugt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Beschichtung (2) auf die metallischen Oberfläche eine Siloxanschicht aufgebracht wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Beschichtung (2) eine Siloxanschicht aufgebracht wird.
17. Antimikrobielle Beschichtung (2) aus mittels einem PVD-Verfahren abgeschiedenen, Kupfer enthaltenden Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (4) oberflächlich eine oxidischen und/oder nitridische Oberflächenschicht (5) aus Cu(I)-Oxid und/oder Cu(I)-Nitrid aufweisen, wobei die Teilchen (4) einen Anteil an metallischem Kupfer von mindestens 60 Gew.-%, insbesondere mindestens 90 Gew.-%, aufweisen.
18. Gegenstand (1) mit einer Metall- oder Kunststoff Oberfläche oder einer keramischen oder mineralischen Oberfläche, die eine antibakterielle Beschichtung (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die antibakterielle Beschichtung (2) gemäß Anspruch 17 ausgebildet ist.
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