WO2007096082A1 - Strukturierungsverfahren und bauteil mit einer strukturierten oberfläche - Google Patents

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WO2007096082A1
WO2007096082A1 PCT/EP2007/001285 EP2007001285W WO2007096082A1 WO 2007096082 A1 WO2007096082 A1 WO 2007096082A1 EP 2007001285 W EP2007001285 W EP 2007001285W WO 2007096082 A1 WO2007096082 A1 WO 2007096082A1
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thread
projections
substance
pattern
pattern surface
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PCT/EP2007/001285
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Inventor
Joachim Spatz
Stefan GRÄTER
Original Assignee
Max-Planck-Gesellschaft Zur Förderung Der Wissenschaft E. V.
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00206—Processes for functionalising a surface, e.g. provide the surface with specific mechanical, chemical or biological properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/02—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by mechanical means, e.g. pressing
    • B29C59/022—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by mechanical means, e.g. pressing characterised by the disposition or the configuration, e.g. dimensions, of the embossments or the shaping tools therefor
    • B29C59/025—Fibrous surfaces with piles or similar fibres substantially perpendicular to the surface
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a structured surface having a plurality of thread-like projections, and a component produced by this method.
  • the photolithography and the etching process only a limited variability in the adjustment of a certain orientation or shape of the surface structures, as z. B. is of interest for the said adhesion effect. Furthermore, with the conventional techniques only limited projections with substructures, such. B. Dickengradienten, o- the predetermined material compositions are prepared.
  • DE 103 53 697 describes a casting method for producing a structured surface with columnar elevations of polymer materials. Although this method achieves an increase in the aspect ratio. However, a disadvantage is the high technical complexity of the method and the restriction to surveys with a straight shape.
  • the object of the invention is to provide an improved method for producing a structured surface, with which the disadvantages of the conventional techniques are overcome.
  • the inventive method should be feasible at low cost, even with extensive surfaces and have a wider scope. It should in particular a high variability in the adjustment of geometric, electrical, optical and / or mechanical properties of the surface structure and in particular allow structures with an increased aspect ratio.
  • the object of the invention is also to provide an improved component with a structured surface, which can be produced with reduced technical complexity and reduced costs and enables high variability in the adjustment of physical or chemical properties of the surface.
  • the invention is based on the general technical teaching to provide a surface with thread-like projections by pulling a flowable substance between a stamp surface and a pattern surface and the thread connections formed thereby are interrupted.
  • the pattern surface carries a predetermined geometric pattern of surface modifications of chemical or topographical type.
  • the pattern forms the template of the thread-like projections to be produced.
  • the stamp surface has a geometrically unstructured surface.
  • the pattern surface and the stamp surface have mutually matching shapes in such a way that, when approaching each other, both surfaces touch each other at least in partial regions which may have a planar or linear extension.
  • the flowable substance which is provided in or on one or both of the stamp and pattern surfaces, wets. is the other surface.
  • the thread connections are clamped as self-supporting liquid bridges.
  • the surface shape of the thread compounds is determined in particular by the viscosity of the substance and the surface tension of the substance in the clamped state.
  • the stamping surface is formed by a free surface (fluid surface) of the flowable substance, from which the thread connections are drawn with the pattern surface, during or after the drawing, a hardening of the flowable substance is provided. After a separation of the pattern surface and the fluid surface with an interruption of the thread connections, the desired thread-like projections remain on the fluid surface, the pattern surface or both surfaces.
  • the stamp surface is formed by a surface of a solid (solid surface), while the pattern surface carries the flowable substance.
  • the flowable substance is arranged on the pattern surface at the separate subareas (islands) with a specific geometric distribution, which is the template for the arrangement of the thread-like
  • the second embodiment of the invention has the particular advantage that it can be dispensed with the provision of a reservoir of the flowable substance.
  • all of the thread-like projections can be produced simultaneously during the withdrawal of the pattern surface and the interruption of the thread connections. This procedure is considerably simpler than the conventional ones
  • the thread-like projections can be produced with an extremely high length-diameter aspect ratio. If the viscosity is sufficiently high, the thread connections between the fluid surface and the pattern surface may have a length that is, for example, 500 times higher than the diameter of the thread connection.
  • the above-mentioned object is accordingly achieved by the general technical teaching to provide a component which has a base surface with a multiplicity of thread-like protrusions made of a flowable, hardenable substance, the thread-like protrusions being one in the flowable state due to the surface tension of the substance have formed contour (surface shape).
  • the contour of the thread-like projections corresponds at least in sections or locally to a shape which occupies the substance in the flowable state, which is defined between two surfaces.
  • the invention provides a method for producing a mass arrangement of thread-like projections on a surface.
  • the structure generally has a column, thread, needle, rod or hair shape.
  • the thread-like projections form structures with a length in the range of a few tens of nanometers (eg 100 nm) to a few centimeters (eg 3 cm) and a diameter of a few nanometers (eg 10 nm) to a few millimeters (eg 5 mm).
  • flowable substance here refers to all liquid materials that can be stretched and stretched between two bodies in a thread-like manner and maintain their shape when stretched. The flowability is given in particular at the operating temperature at which the method according to the invention is carried out.
  • a “textured surface” is a surface area of an article that carries a plurality of filamentary protrusions.
  • the pattern surface for drawing the thread connections, apart from the congruence with the fluid surface.
  • the arrangement of the thread-like projections may be random or self-organized.
  • preferred embodiments of the invention are those in which the arrangement of the thread connections and the thread-like projections is represented by a pattern of adhesion islands (first embodiment of the invention) and / or islands of the flowable substance (second embodiment of FIGS Invention) provided on the pattern surface.
  • adhesion island here refers to any locally delimited area on the pattern surface whose wettability for the flowable substance is increased in comparison to the rest of the pattern surface or where there is preferential wetting by the flowable substance.
  • adhesion contacts are formed upon contact of the fluid surface and the pattern surface between the substance and the adhesive islands. The flowable substance adheres to the adhesive islands, while the pattern area between the adhesive islands has a reduced adhesion.
  • the thread connections are localized in the separation of the fluid surface and the pattern surface of the Adphasesin-, so that the geometric distribution of the thread connections and after the breakthrough and the geometric distribution of the thread-like projections through the pattern of adhesion islands on the pattern surface is specified.
  • a particular advantage of the invention is that the arrangement of the thread-like projections can be precisely determined by the use of a pattern surface with a specific pattern of the adhesive islands or islands of the flowable substance.
  • the thread-like projections z. B. with a regular, z. B. square grid pattern can be arranged.
  • the density of the adhesive islands or islands of the flowable substance, and thus the density of the fan-shaped protrusions may vary along the pattern surface so that the structured surface may be fabricated with a surface density gradient of the thread-like protrusions.
  • the provision of the adhesive islands or the islands of the flowable substance means a pre-structuring with which the arrangement of the thread-like projections on the base surface is controlled. The pre-structuring is advantageously simple and inexpensive over a large area feasible.
  • the topographical structure preferably comprises local elevations of the pattern surface, which first touch the flowable substance upon mutual approach of the fluid surface and the pattern surface. In this case, there are advantages in terms of the exclusive wetting of the adhesive islands.
  • the surveys are preferably by a local stage formation, such. B. formed by particles or layers on the pattern surface.
  • the topographical structure may be formed by a thread-like projection or a part thereof, which according to the invention has been produced in a preparation process on the pattern surface.
  • the topographical structure alternatively comprises local depressions of the pattern surface, e.g. B. in the form of cavities which receive the flowable substance upon contact of the fluid surface and the pattern surface.
  • the adhesion islands comprise chemically modified regions of the pattern surface, there may be advantages for improving the adhesion contact between the substance and the pattern surface.
  • the chemically modified regions may be specially adapted to the substance from which the filiform protrusions are made in order to achieve good local adhesion.
  • Substances for providing chemically modified adhesion islands are preferably the materials of the protrusions or materials to be drawn, which due to their polarity or apolarity form a bond with the material of the protrusions to be drawn.
  • the adhesive islands comprise the flowable substance.
  • Examples of the second alternative are Y- (COOH) x , Y- (NH) x -NH 2 , Y- (CH 2 J x , methyl methacrylate, Y-) OH, and metals, such as. Gold and silver (Y: a functional chemical building block that combines with the material of the pattern surface, eg, thiols with an OH group to attach to Au or silane groups to reactively form an ester compound with a glass surface).
  • the adhesion islands can be formed by a topographical structure which has a chemical modification at the elevations or gradations.
  • a chemically modified, topographic structure has the particular advantage of increased flexibility in the choice of the materials involved, in particular on the one hand of the material of the sample surface and on the other hand, the flowable substance.
  • the adhesion islands form the bases of the thread connections on the side of the pattern surface.
  • the thread connections and the thread-like projections can thereby be impressed with a specific cross-sectional shape.
  • circular adhesion islands may be used to create filiform protrusions having a circular cross-sectional area.
  • the Young's modulus of the thread-like projections may alternatively be e.g. elliptical or angular adhesive islands are used.
  • the second embodiment of the invention advantageously provides a structured component in which the thread-like projections are directly connected to the pattern or stamp surface without additional topographic and / or chemical modification.
  • the following different variants can be realized.
  • the islands of the flowable substance are firmly connected to the pattern surface.
  • the flowable substance and the material of the pattern surface are chemically compatible with one another, ie miscible and / or suitable in particular in the molten state, chemical compounds, eg. B. enter through addition reactions.
  • Between the flowable substance and the pattern surface is preferably a chemical compound, for. B.
  • the flowable substance and the material of the sample surface have the same chemical composition.
  • the thread-like projections on the solid surface are formed by a chemical bond between the flowable substance and the solid surface is generated upon contact of the solid and pattern surfaces. In this case, the islands of the flowable substance with the pattern surface only have to form an adherent compound. A chemical compound is not required.
  • the chemical composition of the flowable substance and the material of the solid surface is correspondingly preferably identical.
  • the islands of the flowable substance are preferably formed by colloidal polymer particles.
  • the polymer particles are preferably made of meltable polymers, such as. As polystyrene or polyacrylates.
  • particles with a diameter in the range of 50 nm to 20 ⁇ m, in particular 100 nm to 10 ⁇ m, are preferably used.
  • a hardening of the flowable substance in the preparation of the thread-like projections is provided.
  • the term "curing" here is a solidification of the substance called, until it is dimensionally stable.
  • Curing takes place according to a first variant during the tightening of the thread connections.
  • the pulling of the thread connection is automatically terminated by a tearing of the thread connection, as soon as the substance has hardened sufficiently.
  • the hardening of the substance is provided only after the interruption of the thread connections. In this case, there may be advantages in reproducibility in adjusting the length of the thread-like projections.
  • different curing processes can be used individually or in combination.
  • the curing takes place advantageously without additional measures.
  • solidification of the substance by cooling or crosslinking of the substance can be provided.
  • the crosslinking comprises a change of the internal structure of the thread connection by a chemical or physical action, such.
  • the pattern surface which is provided with the adhesion islands and / or the islands of the flowable substance, forms a base element, from which the thread-like projections protrude.
  • a stable component is thus created, which can be used directly for further application.
  • the thread-like projections are provided on the fluid surface of the flowable substance.
  • the hardening of the substance involves not only a stabilization of the thread-like protrusions, but also a conversion of the fluid surface into a solid layer, which in this embodiment forms the base element for the thread-like protrusions.
  • the base member and the thread-like projections of the same material are provided.
  • a shaping of the thread-like projections in response to an external, physical or chemical action.
  • polymers having a temperature or pH-dependent surface tension or specific dielectric or magnetic properties can be used as the flowable substance.
  • the thread-like projections z. B. be deformed by a temperature or the provision of a specific pH in the environment or electrical and / or magnetic fields, in particular during curing.
  • Another advantage of the invention is the high flexibility in selecting a shape of the thread-like projections. Depending on the desired application of the surface structured according to the invention, for example, straight or curved thread-like projections can be formed.
  • the thread connections are stretched in a correspondingly straight manner.
  • they may be perpendicular or inclined relative to the adjacent surfaces, eg, the fluid surface or the pattern surface.
  • the straight filamentary protrusions may be cured during drawing or after.
  • the separation movement of the fluid surface and the pattern surface takes place along a straight, oblique-angled or a curved reference line, so that curved, angled or even twisted projections are produced. In this case, the curing takes place during the pulling of the thread connections.
  • a variation of the speed of winding of the thread connections is provided, advantageously an additional thickness gradient along the length of the thread-like projections can be produced. If the speed of the separation movement of the fluid surface and the pattern surface is initially small, then the thread connections initially have a greater thickness than at a later time with a higher speed of the separation movement.
  • the flowable substance according to a preferred variant of the invention comprises at least one polymer compound, such as. B. at least one organic polymer or at least one organic / inorganic composite polymer.
  • the use of at least one polymer compound has the advantage of a particularly simple control of the curing by solvent removal or tempering.
  • Preferably used polymers are polydimethylsiloxane (PDMS) (curable with additional component), polyvinylpyridine, polystyrene, polyphosphazenes and polyethylene glycol.
  • the flowable substance contains at least one type of crosslinkable monomer (with unsaturated carbon bonds), such as. As acrylates, Metac- rylates, alkenes, nitriles and other monomer mixtures of two components for a polyaddition, polycondensation o. The like ..
  • the flowable substance contains at least one additional substance, with which at least one of the chemical, dielectric, optical and magnetic properties of the thread-like projections are modifiable, there are particular advantages for the adjustment of a certain shape of the projections during the production of structured surface or in the application of the structured surface.
  • the thread-like projections contain z.
  • magnetic colloids or colloids with special dielectric properties As polyvinylpyridine can be used as an additive, which swells in aqueous-acidic solution, while it contracts in a neutral medium.
  • a tip treatment of the thread-like projections can be provided.
  • the tip treatment involves generation of thickenings at the free ends of the thread-like projections.
  • the tip treatment is provided after the interruption of the thread connections.
  • the tip treatment comprises, for example, local heating of the free ends of the thread-like projections. cracks, so that form on these spherical thickenings.
  • a coating of the thread-like projections, for. B. by a Vakuumaubamp- tion provided.
  • the thread-like protrusions can be embedded in a cover layer. In this case, can be dispensed with a suitable choice of substance on a curing of the thread-like projections.
  • Preferred applications according to the invention structured surfaces exist in the formation of adhesive surface and in the gas storage.
  • the gas storage is made possible by the dynamic-mechanical properties of the thread-like projections. By a deformation of the projections, the pressure of an external fluid can be compensated and thus a
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the first embodiment of the method according to the invention for producing a structured surface
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the second embodiment of the method according to the invention for producing a structured surface
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of an apparatus for producing a structured surface according to the invention
  • Figure 9 is a schematic illustration of the formation of a thread-like projection with a curvature
  • Figure 10 is a schematic illustration of a switchable surface structure according to the invention.
  • FIG. 11 shows different variants of adhesion islands used according to the invention.
  • FIGS. 12 to 14 are photographic representations of surface structures produced according to the invention.
  • FIG. 15 shows a schematic illustration of a further apparatus for producing a structured surface according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 show schematic, enlarged illustrations that are not to scale. It is shown in particular in Figures 1 and 2, the production of a series of only three projections, while in practice linear or surface-shaped arrangements of thread-like projections are produced with a significantly higher number. Furthermore, the projections may in practice have a different shape, in particular at the base of the projections over a small length is given a taper, while over the remaining length of the diameter of the projections is substantially constant.
  • FIG. 1A shows a preparatory step in which a flowable substance 20 and a drawing device 30 are provided with a pattern surface 31. 1 and aligned relative to one another.
  • the substance 20 is located with a free fluid surface 21.1 z. B. in a vessel.
  • the drawing device 30 (FIG. 1A) comprises a drive device and a temperature control device (not shown, see FIG. 6), with which the pattern surface 31.1 can be moved and tempered.
  • the pattern surface 31.1 points to the fluid surface 21.1. Both surfaces are flat and aligned parallel to each other, the pattern surface 31.1 carries adhesion islands 32, which serve as a template for the formation of the thread-like projections 11.
  • the sample surface 31.1 comprises, for example, a plate-shaped substrate made of an organic substance or an inorganic substance (eg plastics, in particular PDMS, polystyrene, epoxy, PMMA, acrylate, ceramic, metal, semiconductors, in particular Au, Ag, TiO 2 , ZnO 2 , Si, SiO 2 , carbon-based or reinforced composite materials).
  • the adhesion islands 31.1 comprise, for example, particles with a diameter of 4 nm, for example gold (so-called gold nanodots), down to the ⁇ m range (eg 100 ⁇ m), eg. B. from colloids of polystyrene, SiO 2 , TiO 2 .
  • the adhesion islands 31.1 may be formed by a process of self-assembly on the surface, e.g. Example of polymers from photolithographically produced and / or applied with stamping substances.
  • the flowable substance may initially still be solid.
  • the preparation step comprises heating the substance 20 with a heating device (not shown, see FIG. 6) to a temperature above the melting or softening temperature of the substance 20.
  • PVP polyvinylpyridine
  • the PVP solution is applied as a thin layer to a glass surface and dried. Subsequently, the dried PVP layer is heated to soften the polymer.
  • PVP is set to approx. Heated to 60 to 140 ° C.
  • the pattern surface 31.1 is approximated to the fluid surface 21.1 according to FIG. 1B until the adhesion islands 32 of at least part of the pattern surface 31.1 touch the substance 20.
  • a group of adhesion islands 32 touch the fluid surface 21.1 simultaneously. This group can, for. For example, all adhesion islands 32 of the pattern area 31.1 or when using a curved pattern area 31.1, for example on a roller (see FIG. 14), comprise one or more rows of adhesion islands 32.
  • the pattern surface 31. 1 can touch the fluid surface 21. 1 so that only the adhesion islands 32 are wetted by the substance 20 become.
  • the pattern surface 31.1 can also completely contact or even immerse the fluid surface 21.1, since the substance 20 adheres better to the adhesion islands 32 than in the areas lying therebetween.
  • a separation movement of the fluid surface 21.1 and the pattern surface 31.1 relative to one another takes place.
  • the pattern surface 31.1 is withdrawn, alternatively or additionally, the fluid surface 21.1 can also be moved (see arrows).
  • the movement takes place, for example, vertically or as a shearing movement (see dashed arrow and FIG. 14) relative to the plane of the fluid surface 21.1.
  • the speed is chosen depending on the material properties and the desired projection shape and is at the o. G. PVP layer z. In the range of 0.1
  • Adhesion with the flowable substance 20 is retained on the surfaces of the adhesion islands 32, so that thread connections 22 are clamped between the adhesion islands 32 and the flat surface 21.1.
  • the elevated temperature of the flowable substance 20 (PVP melt) is maintained, while the pattern surface 31.1 has room temperature or a working temperature, which is set with the tempering device of the drawing device.
  • the working temperature may differ from the room temperature.
  • the tempering device can also be provided for cooling.
  • a temperature gradient is thus given.
  • hardening of the thread connection 22 already takes place during the separation movement starting from the adhesion islands 31.1.
  • the surface tension of the material which is still flowable during drawing causes a minimum surface, which is characterized in particular by a taper of the thread connections 22 with increasing distance from the pattern surface 31.1.
  • the pattern surface 31.1 and the flowable substance 20 By pulling the pattern surface 31.1 and the flowable substance 20, this adheres to the adhesive islands 32.
  • the thread connections 22 (polymer threads) form whose starting points on the pattern surface 31.1 are predetermined by the arrangement of the adhesion islands 32 and whose orientation generally depends on the pulling direction of the pattern surface 31.1.
  • the shape, length and other properties, such. B. mechanical and optical properties, can by the pulling rate and the physical properties of the substance 20, such as.
  • Example 2 the composition, the molecular weight, the degree of crosslinking of the polymer, the viscosity or the viscoelastic properties of the substance 20 and by the rate of solidification (curing) of the substance can be determined.
  • the concretely realized operating parameters may possibly be selected or optimized by experiments. With continued separation movement occurs according to FIG ID to a severing of the thread connections, so that the thread-like projections 11 remain on the pattern surface 31.1. The elevations from the fluid surface 21. 1 sink back into the dissolved or molten substance 20.
  • FIGS. 2A to 2D show the corresponding method sequence according to the second embodiment of the invention. This differs from the first embodiment by providing the flowable substance 20 in the form of islands 36 on the pattern surface 31.2 and the formation of the opposite stamp surface as a solid surface 21.2.
  • the sequence of movements analogous to the steps described above with reference to FIGS. 1A to 1B initially involves mutual contact of the stamp surface 21.2 and the pattern surface 31.2 with the islands 36 (FIG. 2B) and then a separation movement, so that the thread connections 22 are clamped ( Figure 2C). During the separation movement, the curing of the thread connections 22 takes place, whereby an interruption takes place in the region of the smallest diameter, so that the thread-like projections 11 remain on the stamp face 21.2 and / or the pattern face 31.2.
  • the islands 36 are fixed on the pattern surface 31.2.
  • the islands 36 comprise, for example, polystyrene particles with a diameter of 200 nm, which are connected by partial dissolution to the pattern surface 31.2 of polystyrene.
  • the flowable substance 20 and the material of the pattern surface 31.2 are selected so that the melting temperature of the pattern surface 31.2 is higher than that of the flowable substance 20. This condition can advantageously be met with polymer particles in that the particulate islands 36 and the material of the pattern area 31.2 have the same chemical composition but different chain lengths of the polymers.
  • the solid surface 21.2 is made of a metal (eg, copper, steel, or an alloy of these) whose temperature is raised during contact of the pattern and stamp surfaces to liquefy the flowable substance 20.
  • the solid surface 21.2 may consist of a ceramic or glass.
  • the thread-like projections preferably arise on the pattern surface 31.2.
  • the flowable substance 20 and pattern surface 31 are chemically incompatible materials.
  • particulate islands 36 of liquefiable polymer are deposited on a metal pattern surface 31.2 (eg, copper, steel, or an alloy of these). The islands 36 adhere to the pattern surface 31.2 without being chemically bonded thereto.
  • the solid surface 21.2 consists of a material with which the flowable substance 20 can form a chemical compound.
  • the flowable substance 20 is connected to the solid surface 21.2.
  • the flowable substance 20 is heated over the pattern and / or solid surfaces.
  • the compound of the flowable substance 20 with the solid surface 21.2 includes, for example, a partial melting or a chemical
  • the component 100 according to the invention with the structured surface 10 comprises according to FIG. 3 as the base element 33 the pattern surface 31. 1 on which the thread-like projections 11 are arranged.
  • 4 to 6 illustrate further variants of the component 100 according to the invention.
  • the surface of the substance 20, eg by cooling or solvent removal is hardened while the thread connections 22 are pulled (see eg FIG that upon interruption of the thread connections thread-like projections 11 on the fixed base element 23 th form fluid surface.
  • the base member 23 is stabilized on a carrier 24.
  • the component 100 comprises the carrier 24 with the base element 23 and the thread-like projections 11.
  • Figures 5 and 6 show further processing steps after the completion of the component 100.
  • the generation of thickenings 12 at the free ends of the projections 11 is provided.
  • the projections 11 are covered with a cover layer 13.
  • This embodiment is of interest, for example, for optical applications of structured surfaces in which the projections 11 are to be protected from environmental influences.
  • a processing step after the completion of the component 100 may alternatively or additionally comprise a hardening of the projections by irradiation.
  • FIG. 7 illustrates a further variant of the invention, in which the projections 11 are formed in multiple layers.
  • the method illustrated above is performed several times, wherein the respective projections formed are used as adhesion islands for the subsequent extraction of threads.
  • the extension 14 of the projection 11 may be formed of the same material as the projection 11 or a different material.
  • FIG. 8 schematically shows an apparatus 200 for producing a structured surface 10 of which, for reasons of clarity, a variant of the pattern surface 31.1 with only a single projection 11 on the adhesion island 32 is shown.
  • the apparatus 200 comprises the drawing device 30 with the drive device 34 and the tempering device 35, a heating device 40 with a carrier or vessel 41 for receiving the flowable substance 20 and optionally one Conditioning device 50, with which the shape of the thread connections during the pulling operation and the projections 11 can be influenced.
  • the drive device 34 serves to align and move the pattern surface 31.1.
  • a stepper motor is provided.
  • the tempering device 35 and the heater 40 include z. B. resistance heaters.
  • the conditioning device 50 includes, for example, a magnet (permanent magnet or electromagnet) for generating a magnetic field under whose action a curvature of the projections 11 is formed.
  • the substance 20 contains a magnetic additive substance, such as. B. magnetic colloids.
  • an electric field for influencing the projection shape can be generated.
  • a particular advantage of the invention is that the conditioning device 50 acts on all projections simultaneously, so that a uniform shaping can be achieved on all projections.
  • the conditioning device 50 can be set up to chemically influence the shape of the projections 11.
  • the structuring process with the pulling of the thread connections 22 according to FIG. 1 or 2 does not necessarily have to take place in a gaseous environment, but may alternatively also be provided in a liquid.
  • the structuring according to the invention of a surface in a liquid has advantages compared to the process of a gaseous environment for the temperature control, the controllability of the escape of solvent from the drawn threads of the flowable substance and by the mechanical separation of the projections, in particular in projections with a high surface density.
  • FIG. 9 illustrates by way of example the generation of curved projections 11 by a pulling direction deviating from the surface normal (see arrow).
  • the separation movement takes place along a straight or curved reference line relative to the fluid surface 21.1.
  • the pulling direction can be changed during the separation movement to influence the orientation and / or shape of the projections.
  • Curved protrusions can be advantageously used for dynamically switchable surfaces, as illustrated schematically in FIG. If, for example, curved protrusions according to FIG. 9 are made of PVP in a neutral surrounding medium, they are directed by a change in the pH in an acidic medium. A corresponding switching movement can also be achieved by a temperature change. This switching may be of interest for optical or sensor applications of structured surfaces.
  • FIG. 11 shows various variants of adhesion islands in a schematic plan view.
  • base surfaces 32A, 32B in order to produce mechanical anisotropies of the structured surface, in particular base surfaces with one or more preferred directions, such as, for example, can be used.
  • Reference numeral 32E exemplifies dot-shaped adhesion islands. If the adhesion islands alternatively have bases with more than four corners, advantages for the mechanical stability of the fibers drawn according to the invention may result.
  • FIGS. 11 to 14 illustrate electron microscopic images of surface structures of polyvinylpyridine prepared according to the invention. According to FIG. 14, according to the invention, even projections with turns are produced, which in the case of FIG. 14, according to the invention, even projections with turns are produced, which in the case of FIG. 14, according to the invention, even projections with turns are produced, which in the case of FIG. 14, according to the invention, even projections with turns are
  • Curing of polymers can form during an extreme shearing motion.
  • FIG. 15 schematically shows details of a further embodiment of an apparatus 201 for producing a structured surface 10 with curved projections 11.
  • This embodiment is particularly suitable for the production of continuous material with a surface structured according to the invention.
  • the apparatus 201 includes a roller 42, which is immersed in the vessel 41 with the flowable substance 20 and outside of the vessel 41, the pattern surface 31.1 touches with the adhesive island 32.
  • the heating device for the vessel 41 and / or the roller 42 and the optional conditioning device are not shown.
  • a drive device for example a motor, not shown
  • a drive device is provided to move the pattern surface 31.1 in the direction of the arrow, thereby rotating the roller 42.
  • a layer of the flowable substance 20 is formed on its cylindrical surface, the free fluid surface facing the sample surface 31.1.
  • the adhesive island 32 relative to the fluid surface of the flowable substance 20 perform a shearing motion, with which the shape of the thread connections during the pulling process and the projections 11 (shown enlarged) can be influenced.
  • the pattern surface 31.1 can be arranged on a carrier as shown, or alternatively be guided past the roller 42 with another roller.

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Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche (10), die eine Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen (11) aufweist, umfasst die Schritte gegenseitige Berührung einer Stempelfläche (21.1, 21.2) und einer Musterfläche (31.1, 31.2), wobei wenigstens eine der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) eine fließfähige Substanz (20) aufweist, Trennungsbewegung der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) , wobei Fadenverbindungen (22) der fließfähigen Substanz (20) zwischen der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) gezogen werden, und Unterbrechung der Fadenverbindungen (22), so dass auf wenigstens einer der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) die fadenförmigen Vorsprünge (11) gebildet werden. Es werden Bauteile (100) beschrieben, die mit diesem Verfahren hergestellt werden.

Description

Strukturierungsverfahren und Bauteil mit einer strukturierten Oberfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche, die eine Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen aufweist, und ein mit diesem Verfahren hergestelltes Bauteil.
Es ist bekannt, dass Grenzflächeneigenschaften, optische Eigenschaften oder elektrische Eigenschaften von Oberflächen durch eine Oberflächenstrukturierung modifiziert werden können. Dabei sind in der Praxis insbesondere Strukturen mit ty- pischen Dimensionen im μm- bis nm-Bereich, z. B. auf Oberflächen von elektronischen oder optischen Bauelementen, Sensoren und dgl. von Interesse. Beispielsweise werden von Z. Yoshi- mitsu et al. ("Langmuir" Bd. 18, 2002, S. 5818-5812) mikrostrukturierte Oberflächen beschrieben, mit denen eine Flüs- sigkeitsbenetzung unterdrückt werden kann. Mit einer Anordnung von Säulen mit einer Dicke von 50 μm und einer Höhe von 148 μm auf einer Oberfläche kann für Wassertropfen ein Kontaktwinkel oberhalb von 150° erreicht werden. Des Weiteren ist bekannt, durch eine Strukturierung ein gegenseitiges An- haften von sich berührenden Oberflächen zu erreichen (siehe US 6 737 160 oder Arzt et al. in "Acta Biomat." Bd. 1, 2005, S. 5 - 13, DE 102 23 234) . Auch der so genannte Lotuseffekt (siehe z. B. EP 1 171 529 Bl) wird mit der Zusammenwirkung der chemischen Zusammensetzung einer Oberfläche mit deren Mikrostrukturierung erklärt.
Die Wirkungen von Oberflächenstrukturen wurden bisher meist im Rahmen von Experimenten im Laboratorium beschrieben. Eine routinemäßige Anwendung in der Praxis ist bisher jedoch nur beschränkt möglich. So hat die Erzeugung einer strukturierten Oberfläche mit einer Massenanordnung von fadenförmigen Vorsprüngen mit photolithographischen Techniken oder Ätzverfahren die folgenden Nachteile. Erstens sind die Verfahren mit einem hohen technischen Aufwand verbunden. Die Strukturierung ausgedehnter Oberflächen würde zu extrem hohen Kosten führen. Des Weiteren können mit den genannten Techniken Vorsprünge mit typischen Dimensionen im Nanometerbereich (< 1 μm) typischerweise nur geringe Aspektverhältnisse (Verhältnis Länge : Durchmesser der Vorsprünge) unterhalb von 20 erreicht werden. Für zahlreiche Anwendungen ist jedoch ein Aspektverhältnis von bis zu 100 oder darüber erwünscht. Schließlich bieten die Photolithographie und die Ätzverfahren nur eine beschränkte Variabilität bei der Einstellung einer bestimmten Orientie- rung oder Form der Oberflächenstrukturen, wie es z. B. für den genannten Anhaftungseffekt von Interesse ist. Des Weiteren können mit den herkömmlichen Techniken nur beschränkt Vorsprünge mit Substrukturen, wie z. B. Dickengradienten, o- der vorbestimmten Materialzusammensetzungen hergestellt wer- den.
In DE 103 53 697 wird ein Gießverfahren zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polymermaterialien beschrieben. Mit diesem Verfahren wird zwar eine Erhöhung des Aspektverhältnisses erzielt. Nachteilig sind jedoch der hohe technische Aufwand des Verfahrens und die Beschränkung auf Erhebungen mit einer geraden Form.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren soll mit geringen Kosten selbst bei ausgedehnten Oberflächen realisierbar sein und einen erweiterten Anwendungsbereich haben. Es soll insbesondere eine hohe Variabilität bei der Einstellung von geometrischen, elektrischen, optischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Oberflächenstruktur und insbesondere Strukturen mit einem vergrößerten Aspektverhältnis ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Bauteil mit einer strukturierten Oberfläche bereitzustellen, das mit verringertem technischen Aufwand und verringerten Kosten herstellbar ist und eine hohe Variabilität bei der Einstellung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Oberfläche ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren oder ein Bauteil mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 25 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung er- geben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Verfahrensbezogen basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, eine Oberfläche mit fadenförmigen Vorsprüngen bereitzustellen, indem eine fließfähige Substanz zwischen einer Stempelfläche und einer Musterfläche ausgezogen und die dabei gebildeten Fadenverbindungen unterbrochen werden. Die Musterfläche trägt ein vorbestimmtes geometrisches Muster von Oberflächenmodifizierungen chemischen oder topographischen Typs. Das Muster bildet die Vorlage der zu erzeugenden fadenförmigen Vorsprünge. Die Stempelfläche hat eine geometrisch unstrukturierte Oberfläche. Die Musterfläche und die Stempelfläche weisen zueinander passende Formen derart auf, dass sich beide Flächen bei gegenseitiger Annäherung zumindest in Teilbereichen berühren, die eine flächige oder linienförmige Ausdehnung haben können.
Durch eine gegenseitige Berührung der Musterfläche und der Stempelfläche benetzt die fließfähige Substanz, die in oder auf einer oder beiden der Stempel- und Musterflächen vorgese- hen ist, die jeweils andere Fläche. Wenn sich die Musterflache und die Stempelfläche relativ zueinander bewegen, so dass beide Flächen voneinander getrennt werden, werden die Fadenverbindungen als freitragende Flüssigkeitsbrücken aufge- spannt. Die Oberflächenform der Fadenverbindungen wird insbesondere durch die Viskosität der Substanz und die Oberflächenspannung der Substanz im aufgespannten Zustand bestimmt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Stempelfläche durch eine freie Oberfläche (Fluidflache) der fließfähigen Substanz gebildet, aus der mit der Musterfläche die Fadenverbindungen gezogen werden, wobei während oder nach dem Ziehen eine Aushärtung der fließfähigen Substanz vorgesehen ist. Nach einer Trennung der Musterfläche und der FIu- idfläche mit einer Unterbrechung der Fadenverbindungen bleiben auf der Fluidfläche, der Musterfläche oder beiden Flächen die gewünschten fadenförmigen Vorsprünge bestehen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Stempelfläche durch eine Oberfläche eines Festkörpers (Festkörperfläche) gebildet, während die Musterfläche die fließfähige Substanz trägt. Die fließfähige Substanz ist auf der Musterfläche an den voneinander getrennten Teilbereichen (Inseln) mit einer bestimmten geometrischen Verteilung angeord- net, welche die Vorlage für die Anordnung der fadenförmigen
Vorsprünge bildet. Bei der Berührung der Festkörperfläche und der Musterfläche haftet die fließfähige Substanz an der Festkörperfläche an, so dass bei der nachfolgenden Trennbewegung beider Flächen zunächst die Fadenverbindungen aufgespannt und bei deren Unterbrechung die fadenförmigen Vorsprünge auf einer der Festkörper- und Musterflächen gebildet werden. Die zweite Ausführungsform der Erfindung hat den besonderen Vorteil, dass auf die Bereitstellung eines Reservoirs der fließfähigen Substanz verzichtet werden kann. Vorteilhafterweise können alle fadenförmigen Vorsprünge während des Rückzugs der Musterfläche und der Unterbrechung der Fadenverbindungen gleichzeitig hergestellt werden. Dieses Verfahren ist erheblich einfacher als die herkömmlichen
Strukturierungstechniken und problemlos sogar bei ausgedehnten Flächen im dm2- bis m2-Bereich oder darüber anwendbar. Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die fadenförmigen Vorsprünge mit ei- nem extrem hohen Längen-Durchmesser-Aspektverhältnis herstellbar sind. Bei ausreichend hoher Viskosität können die Fadenverbindungen zwischen der Fluidfläche und der Musterfläche eine Länge aufweisen, die z.B. 500-fach höher als der Durchmesser der Fadenverbindung ist.
Vorrichtungsbezogen wird die oben genannte Aufgabe entsprechend durch die allgemeine technische Lehre gelöst, ein Bauteil bereitzustellen, das eine Basisfläche mit einer Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen aus einer fließfähigen, härtba- ren Substanz aufweist, wobei die fadenförmigen Vorsprünge eine durch die Oberflächenspannung der Substanz im fließfähigen Zustand gebildete Kontur (Oberflächenform) aufweisen. Die Kontur der fadenförmigen Vorsprünge entspricht wenigstens abschnittsweise oder lokal einer Form, welche die Substanz im fließfähigen, frei zwischen zwei Oberflächen aufgespannten Zustand einnimmt.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Massenanordnung von fadenförmigen Vorsprüngen auf einer Ober- fläche bereitgestellt. Mit dem Begriff "fadenförmiger Vorsprung" wird hier ein längliches Gebilde bezeichnet, das sich von einer Basisfläche zu einem freien Ende erhebt. Das Gebilde hat allgemein eine Säulen-, Faden-, Nadel-, Stab- oder Haarform. Die fadenförmigen Vorsprünge bilden Strukturen mit einer Länge im Bereich von einigen 10 Nanometern (z.B. 100 nm) bis zu einigen Zentimetern (z.B. 3 cm) und einem Durchmesser von wenigen Nanometern (z.B. 10 nm) bis zu einigen Millimetern (z.B. 5 mm). Mit dem Begriff "fließfähige Sub- stanz" werden hier alle flüssigen Materialien bezeichnet, die sich fadenförmig zwischen zwei Körpern ziehen und aufspannen lassen und im aufgespannten Zustand ihre Form erhalten. Die Fließfähigkeit ist insbesondere bei der Betriebstemperatur gegeben, bei der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Eine "strukturierte Oberfläche" ist ein Flächenbereich eines Gegenstandes, der eine Vielzahl der fadenförmigen Vorsprünge trägt.
Vorteilhafterweise werden an die Musterfläche zum Ziehen der Fadenverbindungen, abgesehen von der Kongruenz zur Fluidflä- che, keine besonderen Anforderungen gestellt. Wenn die Musterfläche zum Beispiel eine glatte Oberfläche aufweist, kann die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge zufällig oder durch Selbstorganisation erfolgen. Für eine verbesserte Kon- trolle der Positionierung der fadenförmigen Vorsprünge sind jedoch Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, bei denen die Anordnung der Fadenverbindungen und der fadenförmigen Vorsprünge durch ein Muster von Adhäsionsinseln (erste Ausführungsform der Erfindung) und/oder Inseln der fließfähigen Substanz (zweite Ausführungsform der Erfindung) bestimmt wird, die auf der Musterfläche vorgesehen sind. Mit dem Begriff "Adhäsionsinsel" wird hier jeder lokal abgegrenzte Bereich auf der Musterfläche bezeichnet, dessen Benetzbarkeit für die fließfähige Substanz im Vergleich zur übrigen Muster- fläche erhöht ist oder an dem eine bevorzugte Benetzung durch die fließfähige Substanz gegeben ist. Vorteilhafterweise werden bei der Berührung der Fluidfläche und der Musterfläche zwischen der Substanz und den Adhäsionsinseln Adhäsionskontakte gebildet. Die fließfähige Substanz haftet an den Adhä- sionsinseln bevorzugt an, während die Musterfläche zwischen den Adhäsionsinseln ein vermindertes Haftvermögen aufweist. Vorteilhafterweise werden die Fadenverbindungen bei der Trennung der Fluidfläche und der Musterfläche an den Adhäsionsin- sein lokalisiert, so dass die geometrische Verteilung der Fadenverbindungen und nach deren Durchbrechung auch die geometrische Verteilung der fadenförmigen Vorsprünge durch das Muster der Adhäsionsinseln auf der Musterfläche vorgegeben wird.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung einer Musterfläche mit einem bestimmten Muster der Adhäsionsinseln oder Inseln der fließfähigen Substanz die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge genau festgelegt werden kann. In Abhängigkeit von der Funktion der strukturierten Oberfläche oder des erfindungsgemäßen Bauteils können die fadenförmigen Vorsprünge z. B. mit einem regelmäßigen, z. B. quadratischen Gittermuster angeordnet werden. Alternativ kann sich die Dichte der Adhäsionsinseln oder Inseln der fließfähigen Substanz und damit die Dichte der fa- denförmigen Vorsprünge entlang der Musterfläche ändern, so dass die strukturierte Oberfläche mit einem Flächendichtegra- dienten der fadenförmigen Vorsprünge hergestellt werden kann. Die Bereitstellung der Adhäsionsinseln oder der Inseln der fließfähigen Substanz bedeutet eine Vorstrukturierung, mit der die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge auf der Basisfläche kontrolliert wird. Die Vorstrukturierung ist vorteilhafterweise einfach und kostengünstig großflächig realisierbar.
Ein weiterer Vorteil der ersten Ausführungsform der Erfindung besteht in der hohen Variabilität bei der Gestaltung der Adhäsionsinseln. Allgemein kann sich eine Adhäsionsinsel durch ihre Topographie und/oder ihre chemische Zusammensetzung von der unmittelbaren Umgebung unterscheiden. Wenn gemäß der ers- ten Variante die Adhäsionsinseln durch eine topographische Struktur der Musterfläche gebildet werden, ergeben sich Vorteile in Bezug auf die definierte Abgrenzung und gegenseitige Ausrichtung der Adhäsionsinseln. Die topographische Struktur umfasst vorzugsweise lokale Erhebungen der Musterfläche, welche bei der gegenseitigen Annäherung der Fluidfläche und der Musterfläche die fließfähige Substanz zuerst berühren. In diesem Fall ergeben sich Vorteile in Bezug auf die ausschließliche Benetzung der Adhäsionsinseln. Die Erhebungen werden vorzugsweise durch eine lokale Stufenbildung, wie z. B. durch Partikel oder Schichten auf der Musterfläche gebildet. Alternativ kann die topographische Struktur durch einen fadenförmigen Vorsprung oder einen Teil von diesem gebildet sein, der gemäß der Erfindung in einem Vorbereitungsprozess auf der Musterfläche erzeugt wurde. Die topographische Struktur umfasst alternativ lokale Vertiefungen der Musterfläche, z. B. in Form von Kavitäten, welche bei der Berührung der Fluidfläche und der Musterfläche die fließfähige Substanz aufnehmen.
Wenn gemäß der zweiten Variante die Adhäsionsinseln chemisch modifizierte Bereiche der Musterfläche umfassen, können sich Vorteile für eine Verbesserung des Adhäsionskontakts zwischen der Substanz und der Musterfläche ergeben. Die chemisch modi- fizierten Bereiche können speziell an die Substanz, aus der die fadenförmigen Vorsprünge hergestellt werden, angepasst sein, um eine gute lokale Anhaftung zu erreichen. Substanzen zur Bereitstellung chemisch modifizierter Adhäsionsinseln sind vorzugsweise die Materialien der zu ziehenden Vorsprünge oder Materialien, die aufgrund ihrer Polarität oder Apolari- tät eine Bindung mit dem Material der zu ziehenden Vorsprünge eingehen. Im ersten Fall umfassen die Adhäsionsinseln die fließfähige Substanz. Beispiele für die zweite Alternative sind Y-(COOH)x, Y-(NH)x-NH2, Y-(CH2Jx, Methylmethacrylate, Y- OH, und Metalle, wie z. B. Gold und Silber (Y: funktioneller chemischer Baustein, der sich mit dem Material der Musterfläche verbindet, z. B. Thiole mit einer OH-Gruppe zur Anbindung auf Au oder Silangruppen zur reaktiven Bildung einer Ester- Verbindung mit einer Glasoberfläche) .
Gemäß einer weiteren Variante können die Adhäsionsinseln durch eine topographische Struktur gebildet sein, die an den Erhebungen oder Abstufungen eine chemische Modifizierung auf- weisen. Die Bereitstellung einer chemisch modifizierten, topographischen Struktur hat den besonderen Vorteil einer erhöhten Flexibilität bei der Wahl der beteiligten Materialien, insbesondere einerseits des Materials der Musterfläche und andererseits der fließfähigen Substanz.
Die Adhäsionsinseln bilden die Grundflächen der Fadenverbindungen auf der Seite der Musterfläche. Vorteilhafterweise kann dadurch in Abhängigkeit von der Form der Adhäsionsinseln den Fadenverbindungen und den fadenförmigen Vorsprüngen eine bestimmte Querschnittsform aufgeprägt werden. Beispielsweise können kreisrunde Adhäsionsinseln verwendet werden, um fadenförmige Vorsprünge mit einer kreisrunden Querschnittsfläche zu erzeugen. Für die Bereitstellung einer Anisotropie der mechanischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge, z.B. der Young' sehen Module der fadenförmigen Vorsprünge können alternativ z.B. elliptische oder eckige Adhäsionsinseln verwendet werden.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung liefert vorteilhaft- erweise ein strukturiertes Bauteil, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge ohne eine zusätzliche topographische und/oder chemische Modifizierung unmittelbar mit der Muster- oder Stempelfläche verbunden sind. Dabei können vorteilhafterweise die folgenden verschiedenen Varianten realisiert werden. Gemäß einer ersten Variante sind die Inseln der fließfähigen Substanz mit der Musterfläche fest verbunden. Die fließfähige Substanz und das Material der Musterfläche sind zueinander chemisch kompatibel, d. h. insbesondere im geschmolzenen Zu- stand mischbar und/oder geeignet, chemische Verbindungen, z. B. durch Additionsreaktionen einzugehen. Zwischen der fließfähigen Substanz und der Musterfläche ist vorzugsweise eine chemische Verbindung, z. B. durch thermische oder photochemische, radikalische Ankopplung (z. B. über Acrylatgruppen) oder durch partielles Anlösen der fließfähigen Substanz und des Materials der Musterfläche (z. B. durch Lösungsmitteldämpfe) gegeben. Besondere Vorteile für eine zuverlässige Verbindung ergeben sich, wenn die fließfähige Substanz und das Material der Musterfläche die gleiche chemische Zusammen- setzung aufweisen. Beim Ausziehen der Inseln der fließfähigen Substanz nach der Berührung der Muster- und Stempelflächen und der anschließenden Trennungsbewegung werden die fadenförmigen Vorsprünge auf der Musterfläche gebildet. Bei der zweiten Variante werden die fadenförmigen Vorsprünge auf der Festkörperfläche gebildet, indem bei der Berührung der Festkörper- und Musterflächen eine chemische Verbindung zwischen der fließfähigen Substanz und der Festkörperfläche erzeugt wird. In diesem Fall müssen die Inseln der fließfähigen Substanz mit der Musterfläche lediglich eine adhärente Verbin- düng eingehen. Eine chemische Verbindung ist nicht erforderlich. Bei der zweiten Variante ist entsprechend vorzugsweise die chemische Zusammensetzung der fließfähigen Substanz und des Materials der Festkörperfläche identisch.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Inseln der fließfähigen Substanz vorzugsweise durch kolloide Polymerpartikel gebildet. Diese haben besondere Vorteile bei der Positionierung der fließfähigen Substanz auf der Musterfläche und der Einstellung des Fließverhaltens, z. B. in Ab- hängigkeit von einer Betriebstemperatur. Die Polymerpartikel bestehen vorzugsweise aus schmelzbaren Polymeren, wie z. B. Polystyrol oder Polyacrylaten. Für die Erzeugung von Feinstrukturen werden vorzugsweise Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 50 nm bis 20 μm, insbesondere 100 nm bis 10 μm verwendet .
Gemäß einem besonders bevorzugten Merkmal der Erfindung ist eine Aushärtung der fließfähigen Substanz bei der Herstellung der fadenförmigen Vorsprünge vorgesehen. Mit dem Begriff "Aushärtung" wird hier eine Verfestigung der Substanz bezeichnet, bis diese formstabil ist. Vorteilhafterweise kann nach der Aushärtung auf eine zusätzliche Stabilisierung der Vorsprünge z. B. durch eine Deckschicht verzichtet werden. Die Aushärtung erfolgt gemäß einer ersten Variante während des Aufspannens der Fadenverbindungen. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall das Ziehen der Fadenverbindung automatisch durch einen Abriss der Fadenverbindung beendet, sobald die Substanz ausreichend ausgehärtet ist. Gemäß einer zweiten Variante kann vorgesehen sein, dass die Aushärtung der Substanz erst nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen vorgesehen ist. In diesem Fall können sich Vorteile in Bezug auf die Reproduzierbarkeit bei der Einstellung der Länge der fadenförmigen Vorsprünge ergeben.
Vorteilhafterweise können verschiedene Aushärtungsprozesse einzeln oder in Kombination angewendet werden. Beim Verdampfen eines Lösungsmittels aus der Substanz der Fadenverbindung erfolgt die Aushärtung vorteilhafterweise ohne zusätzliche Maßnahmen. Des Weiteren kann eine Verfestigung der Substanz durch eine Abkühlung oder eine Vernetzung der Substanz vorgesehen sein. Die Vernetzung umfasst eine Veränderung der inneren Struktur der Fadenverbindung durch eine chemische oder physikalische Einwirkung, wie z. B. eine Reaktion zwischen verschiedenen Komponenten der fließfähigen Substanz, die durch eine Bestrahlung ausgelöst wird.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung bil- det die Musterfläche, die mit den Adhäsionsinseln und/oder den Inseln der fließfähigen Substanz ausgestattet ist, ein Basiselement, von dem die fadenförmigen Vorsprünge hervorragen. Vorteilhafterweise wird damit ein stabiles Bauteil geschaffen, das unmittelbar für die weitere Anwendung benutzt werden kann.
Alternativ sind die fadenförmigen Vorsprünge auf der Fluidfläche der fließfähigen Substanz vorgesehen. In diesem Fall umfasst die Aushärtung der Substanz nicht nur eine Sta- bilisierung der fadenförmigen Vorsprünge, sondern auch eine Umwandlung der Fluidfläche in eine feste Schicht, welche bei dieser Ausführungsform das Basiselement für die fadenförmigen Vorsprünge bildet. Vorteilhafterweise bestehen dabei das Basiselement und die fadenförmigen Vorsprünge aus dem selben Material.
Gemäß einer weiteren Modifizierung der Erfindung kann während der Aushärtung der Substanz, insbesondere nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen eine Formung der fadenförmigen Vorsprünge in Abhängigkeit von einer äußeren, physikalischen oder chemischen Einwirkung vorgesehen sein. Beispielsweise können als fließfähige Substanz Polymere mit einer tempera- tur- oder pH-Wert-abhängigen Oberflächenspannung oder spezifischen dielektrischen oder magnetischen Eigenschaften ver- wendet werden. In diesem Fall können die fadenförmigen Vorsprünge z. B. durch eine Temperierung oder die Bereitstellung eines bestimmten pH-Werts in der Umgebung oder elektrische und/oder magnetische Felder insbesondere während der Aushärtung deformiert werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der hohen Flexibilität bei der Auswahl einer Form der fadenförmigen Vorsprünge. In Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung der erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche können beispielsweise gerade oder gekrümmte fadenförmige Vorsprünge gebildet werden. Wenn gemäß der ersten Variante die Trennungsbewegung der Fluidfläche und der Musterfläche entlang einer geraden Bezugslinie erfolgt, werden die Fadenverbindungen entspre- chend gerade aufgespannt. Sie können beispielsweise senkrecht oder geneigt relativ zu den angrenzenden Flächen, z.B. der Fluidfläche oder der Musterfläche sein. Die geraden fadenförmigen Vorsprünge können während des Ziehens oder danach ausgehärtet werden. Für die zweite Variante erfolgt die Tren- nungsbewegung der Fluidfläche und der Musterfläche entlang einer geraden, schiefwinkeligen oder einer gekrümmten Bezugslinie, so dass gebogene, gewinkelte oder sogar verdrillte Vorsprünge erzeugt werden. In diesem Fall erfolgt die Aushärtung während des Ziehens der Fadenverbindungen.
Wenn gemäß einer weiteren Modifizierung der Erfindung eine Variation der Geschwindigkeit des Aufspannens der Fadenverbindungen vorgesehen ist, kann vorteilhafterweise ein zusätzlicher Dickengradient entlang der Länge der fadenförmigen Vorsprünge erzeugt werden. Wenn die Geschwindigkeit der Trennungsbewegung der Fluidfläche und der Musterfläche zunächst gering ist, so weisen die Fadenverbindungen zunächst eine größere Dicke auf, als zu einem späteren Zeitpunkt mit einer höheren Geschwindigkeit der Trennungsbewegung.
Die fließfähige Substanz enthält gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung wenigstens eine Polymerverbindung, wie z. B. mindestens ein organisches Polymer oder mindestens ein organisch/anorganisch zusammengesetztes Polymer. Die Verwen- dung von mindestens einer Polymerverbindung hat den Vorteil einer besonders einfachen Steuerung der Aushärtung durch Lösungsmittelentzug oder Temperierung. Bevorzugt verwendete Polymere sind Polydimethylsiloxan (PDMS) (mit Zusatzkomponente aushärtbar) , Polyvinylpyridin, Polystyrol, Polyphosphazene und Polyethylenglykol . Alternativ enthält die fließfähige Substanz mindestens einen Typ vernetzbarer Monomere (mit ungesättigten Kohlenstoffbindungen), wie z. B. Acrylate, Metac- rylate, Alkene, Nitrile und andere Monomergemische aus zwei Komponenten zur eine Polyaddition, Polykondensation o. dgl..
Wenn gemäß einer weiteren Variante der Erfindung die fließfähige Substanz mindestens eine Zusatzsubstanz enthält, mit der wenigstens eine der chemischen, dielektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge modifizierbar sind, ergeben sich besondere Vorteile für die Einstellung einer bestimmten Form der Vorsprünge während der Erzeugung der strukturierten Oberfläche oder bei der Anwendung der strukturierten Oberfläche. Erfindungsgemäß können dynami- sehe, durch externe Einwirkungen schaltbare Oberflächenstrukturen bereitgestellt werden. Als Zusatzsubstanz enthalten die fadenförmigen Vorsprünge z. B. magnetische Kolloide oder Kolloide mit besonderen dielektrischen Eigenschaften. Des Weiteren kann z. B. Polyvinylpyridin als Zusatzsubstanz verwendet werden, das in wässerig-saurer Lösung quillt, während es sich in einem neutralen Medium zusammenzieht.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann eine Spitzenbehandlung der fadenförmigen Vorsprünge vorgesehen sein. Die Spitzenbehandlung umfasst eine Erzeugung von Verdickungen an den freien Enden der fadenförmigen Vorsprünge. Die Spitzenbehandlung ist nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen vorgesehen. Die Spitzenbehandlung umfasst beispielsweise ein lokales Erwärmen der freien Enden der fadenförmigen Vor- sprünge, so dass sich an diesen kugelförmige Verdickungen bilden. Gemäß einer weiteren Variante ist eine Beschichtung der fadenförmigen Vorsprünge, z. B. durch eine Vakuumbedamp- fung, vorgesehen. Schließlich können die fadenförmigen Vor- sprünge gemäß einer weiteren Variante der Erfindung in eine Deckschicht eingebettet werden. In diesem Fall kann bei geeigneter Substanzwahl auf eine Aushärtung der fadenförmigen Vorsprünge verzichtet werden.
Bevorzugte Anwendungen erfindungsgemäß strukturierter Oberflächen bestehen bei der Bildung haftender Oberfläche und bei der Gasspeicherung. Die Gasspeicherung wird durch die dynamisch-mechanischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge ermöglicht. Durch eine Deformation der Vorsprünge kann der Druck einer äußeren Flüssigkeit ausgeglichen und damit eine
Benetzung verändert werden, so dass an erfindungsgemäß strukturierten Oberflächen Gase unter Flüssigkeitsschichten gespeichert werden können. Dieser Effekt ist als Plastron- Effekt aus der Natur bekannt und wurde z.B. an bestimmten Un- terwassertieren beobachtet (siehez. B. D. J. Crisp in "Dis- cussions of the Faraday Society London" Bd. 3, 1948, S. 210 - 220) .
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Illustration der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Er- zeugung einer strukturierten Oberfläche;
Figur 2 eine schematische Illustration der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche; Figur 3 bis 7 verschiedene Varianten von erfindungsgemäßen Bauteilen mit strukturierten Oberflächen;
Figur 8 eine schematische Illustration einer Apparatur zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche gemäß der Erfindung;
Figur 9 eine schematische Illustration der Erzeugung eines fadenförmigen Vorsprungs mit einer Krümmung;
Figur 10 eine schematische Illustration einer schaltbaren Oberflächenstruktur gemäß der Erfindung;
Figur 11 verschiedene Varianten erfindungsgemäß verwendeter Adhäsionsinseln;
Figuren 12 bis 14 photographische Darstellungen erfindungsgemäß hergestellter Oberflächenstrukturen; und
Figur 15 eine schematische Illustration einer weiteren Apparatur zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche gemäß der Erfindung.
Die Figuren zeigen schematische, vergrößerte Illustrationen, die nicht maßstabsgerecht sind. Es wird insbesondere in den Figuren 1 und 2 die Herstellung einer Reihe von nur drei Vorsprüngen gezeigt, während in der Praxis linien- oder flächen- förmige Anordnungen von fadenförmigen Vorsprüngen mit einer erheblich höheren Anzahl hergestellt werden. Des Weiteren können die Vorsprünge in der Praxis eine andere Form aufweisen, bei der insbesondere an der Basis der Vorsprünge über eine geringe Länge eine Verjüngung gegeben ist, während über die übrige Länge der Durchmesser der Vorsprünge im Wesentlichen konstant ist.
Die Figuren IA bis ID illustrieren die Erzeugung einer struk- turierten Oberfläche 10 mit einer Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen 11 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Figur IA zeigt einen Vorbereitungsschritt, bei dem eine fließfähige Substanz 20 und eine Zieheinrichtung 30 mit einer Musterfläche 31.1 bereitgestellt und relativ zueinander aus- gerichtet werden. Die Substanz 20 befindet sich mit einer freien Fluidflache 21.1 z. B. in einem Gefäß. Die Zieheinrichtung 30 (Figur IA) umfasst eine Antriebseinrichtung und eine Temperiereinrichtung (nicht dargestellt, siehe Figur 6) , mit denen die Musterfläche 31.1 beweglich und temperierbar ist. Die Musterfläche 31.1 weist zur Fluidflache 21.1. Beide Flächen sind eben und parallel zueinander ausgerichtet, die Musterfläche 31.1 trägt Adhäsionsinseln 32, die als Templat für die Bildung der fadenförmigen Vorsprünge 11 dienen.
Die Musterfläche 31.1 umfasst z.B. ein plattenförmiges Substrat aus einer organischen Substanz oder einer anorganischen Substanz (z.B. Kunststoffe, insbesondere PDMS, Polystyrol, Epoxy, PMMA, Acrylat, Keramik, Metall, Halbleiter, insbesondere Au, Ag, TiO2, ZnO2, Si, SiO2, Kohlenstoff-basierte oder - verstärkte Verbundmaterialien). Die Adhäsionsinseln 31.1 umfassen z.B. Partikel mit einem Durchmesser von 4 nm , z.B. aus Gold (so genannte Gold-Nanopunkte) , bis in den μm-Bereich (z. B. 100 μm) , z. B. aus Kolloiden aus Polystyrol, SiO2, TiO2. Die Adhäsionsinseln 31.1 können durch einen Prozess der Selbstorganisation auf der Oberfläche gebildet sein, z. B. aus Polymeren aus photolitographisch hergestellten und/oder mit Stempeln aufgetragenen Substanzen. In dem Zustand gemäß Figur IA kann die fließfähige Substanz zunächst noch fest sein. In diesem Fall umfasst der Vorbereitungsschritt eine Erwärmung der Substanz 20 mit einer Heizeinrichtung (nicht dargestellt, siehe Figur 6) auf eine Tem- peratur oberhalb der Schmelz- oder Erweichungstemperatur der Substanz 20.
Abweichend von der Illustration gemäß Figur 1 kann vorgesehen sein, dass das Gefäß oder der Träger mit der fließfähigen Substanz 20 mit einer Zieheinrichtung verbunden ist, um eine Positionierung und Bewegung der Fluidflache 21.1 relativ zur Musterfläche 31.1 auszuführen.
Die fließfähige Substanz 20 befindet sich in einem Gefäß, z. B. einer Schale, oder als dünne Schicht auf einem Träger, z. B. aus Glas oder einer Polymerfolie. Es wird beispielsweise Polyvinylpyridin (PVP) (Mw = 60.000 g/mol) mit einer Konzentration von rd. 20 Gew.-% in Ethanol gelöst. Die PVP- Lösung wird als dünne Schicht der auf eine Glasoberfläche aufgebracht und getrocknet. Anschließend wird die getrocknete PVP-Schicht erwärmt, um das Polymer zu erweichen. Beispielsweise wird PVP auf rd. 60 bis 140° C erwärmt.
Die Musterflache 31.1 wird gemäß Figur IB an die Fluidflache 21.1 angenähert, bis die Adhäsionsinseln 32 wenigstens eines Teils der Musterflache 31.1 die Substanz 20 berühren. Eine Gruppe von Adhäsionsinseln 32 berühren die Fluidflache 21.1 gleichzeitig. Diese Gruppe kann z. B. alle Adhäsionsinseln 32 der Musterfläche 31.1 oder bei Anwendung einer gekrümmten Musterfläche 31.1, zum Beispiel auf einer Walze (siehe Figur 14), eine oder mehrere Reihen von Adhäsionsinseln 32 umfassen. Da die Dicke der Adhäsionsinseln 32 z.B. 10 nm beträgt, kann die Musterfläche 31.1 die Fluidflache 21.1 so berühren, dass nur die Adhäsionsinseln 32 von der Substanz 20 benetzt werden. Alternativ kann die Musterfläche 31.1 die Fluidflache 21.1 jedoch auch komplett berühren oder sogar eintauchen, da die Substanz 20 an den Adhäsionsinseln 32 besser haftet als in den dazwischen liegenden Bereichen.
Anschließend erfolgt gemäß Figur IC eine Trennungsbewegung der Fluidflache 21.1 und der Musterfläche 31.1 relativ zueinander. In der Regel wird die Musterfläche 31.1 zurückgezogen, alternativ oder zusätzlich kann auch die Fluidflache 21.1 be- wegt werden (siehe Pfeile) . Die Bewegung erfolgt beispielsweise senkrecht oder als Scherbewegung (siehe gestrichelter Pfeil und Figur 14) relativ zu der Ebene der Fluidflache 21.1. Die Geschwindigkeit wird in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und der gewünschten Vorsprungsform gewählt und ist bei der o. g. PVP-Schicht z. B. im Bereich von 0.1
Millimeter pro Sekunde bis 10 Millimeter pro Sekunde gewählt. An den Oberflächen der Adhäsionsinseln 32 bleibt die Haftung mit der fließfähigen Substanz 20 erhalten, so dass Fadenverbindungen 22 zwischen den Adhäsionsinseln 32 und der FIu- idflache 21.1 aufgespannt werden.
Während der Trennungsbewegung wird die erhöhte Temperatur der fließfähigen Substanz 20 (PVP-Schmelze) aufrechterhalten, während die Musterfläche 31.1 Raumtemperatur oder eine Ar- beitstemperatur aufweist, die mit der Temperiereinrichtung der Zieheinrichtung eingestellt wird. Die Arbeitstemperatur kann von der Raumtemperatur abweichen. Die Temperiereinrichtung kann auch zur Kühlung vorgesehen sein. Zwischen der Musterfläche 31.1 und der Substanz 20 ist somit ein Temperatur- gradient gegeben. Entsprechend dem Verlauf des Temperaturgradienten erfolgt bereits während der Trennungsbewegung ausgehend von den Adhäsionsinseln 31.1 ein Aushärten der Fadenverbindung 22. Gleichzeitig stellt sich durch die Oberflächenspannung des beim Ziehen noch fließfähigen Materials als Kon- tur eine Minimaloberfläche ein, die sich insbesondere durch eine Verjüngung der Fadenverbindungen 22 mit zunehmendem Abstand von der Musterflache 31.1 auszeichnet.
Durch das Auseinanderziehen der Musterfläche 31.1 und der fließfähigen Substanz 20 haftet diese an den Adhäsionsinseln 32. Die Substanz 20, z. B. das Polymer PVP verfestigt sich während oder nach dem Zugvorgang durch das Verdampfen des Lösungsmittels und/oder die Abkühlung der Polymerschmelze. Es bilden sich die Fadenverbindungen 22 (Polymerfäden) , deren Ausgangspunkte an der Musterfläche 31.1 durch die Anordnung der Adhäsionsinseln 32 vorgegeben wird und deren Orientierung allgemein von der Zugrichtung der Musterfläche 31.1 abhängt. Die Form, Länge und weitere Eigenschaften, wie z. B. mechani- sehe und optische Eigenschaften, können durch die Ziehgeschwindigkeit und die physikalischen Eigenschaften der Substanz 20, wie z. B. die Zusammensetzung, das Molekulargewicht, der Vernetzungsgrad des Polymers, die Viskosität oder die viskoelastischen Eigenschaften der Substanz 20 sowie durch die Geschwindigkeit der Verfestigung (Aushärtung) der Substanz bestimmt werden. Die konkret realisierten Betriebsparameter können ggf. durch Versuche gewählt oder optimiert werden. Bei fortgesetzter Trennungsbewegung kommt es gemäß Figur ID zu einer Durchtrennung der Fadenverbindungen, so dass auf der Musterfläche 31.1 die fadenförmigen Vorsprünge 11 zurückbleiben. Die Erhebungen aus der Fluidflache 21.1 sinken in die gelöste oder geschmolzene Substanz 20 zurück.
Die Figuren 2A bis 2D zeigen den entsprechenden Verfahrensab- lauf gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Bereitstellung der fließfähigen Substanz 20 in Form von Inseln 36 auf der Musterfläche 31.2 und die Bildung der gegenüberliegenden Stempelfläche als Festkörperfläche 21.2. Mit ei- nem Bewegungsablauf analog zu den oben unter Bezug auf die Figuren IA bis ID beschriebenen Schritten erfolgt zunächst eine gegenseitige Berührung der Stempelfläche 21.2 und der Musterfläche 31.2 mit den Inseln 36 (Figur 2B) und anschlie- ßend eine Trennungsbewegung, so dass die Fadenverbindungen 22 aufgespannt werden (Figur 2C) . Während der Trennungsbewegung erfolgt das Aushärten der Fadenverbindungen 22, wobei im Bereich des geringsten Durchmessers eine Unterbrechung erfolgt, so dass die fadenförmigen Vorsprünge 11 auf der Stempelfläche 21.2 und/oder der Musterfläche 31.2 zurückbleiben.
Wenn die Musterfläche 31.2 chemisch mit der fließfähigen Substanz 20 kompatibel ist und eine chemische Verbindung eingehen kann, werden die Inseln 36 auf der Musterfläche 31.2 fi- xiert. Die Inseln 36 umfassen bspw. Polystyrol-Partikel mit einem Durchmesser von 200 nm, die durch partielles Anlösen mit der Musterfläche 31.2 aus Polystyrol verbunden sind. Allgemein werden die fließfähige Substanz 20 und das Material der Musterfläche 31.2 so gewählt, dass die Schmelztemperatur der Musterfläche 31.2 höher als die der fließfähigen Substanz 20 ist. Diese Bedingung kann vorteilhafterweise mit Polymerpartikeln erfüllt werden, indem die partikelförmigen Inseln 36 und das Material der Musterfläche 31.2 die gleiche chemische Zusammensetzung, jedoch verschiedene Kettenlängen der Polymere aufweisen. Die Festkörperfläche 21.2 besteht aus einem Metall (z. B. Kupfer, Stahl oder eine Legierung aus diesen) , dessen Temperatur während der Berührung der Muster- und Stempelflächen erhöht wird, um die fließfähige Substanz 20 zu verflüssigen. Alternativ kann die Festkörperfläche 21.2 aus einer Keramik oder Glas bestehen. Im Ergebnis der Trennungsbewegung entstehen die fadenförmigen Vorsprünge vorzugsweise auf der Musterfläche 31.2. Alternativ bestehen die fließfähige Substanz 20 und die Musterfläche 31 aus chemisch nicht kompatiblen Materialien. Beispielsweise werden partikelförmige Inseln 36 aus einem verflüssigbaren Polymer auf einer Metall-Musterfläche 31.2 (z. B. Kupfer, Stahl oder eine Legierung aus diesen) aufgebracht. Die Inseln 36 haften an der Musterfläche 31.2 an, ohne mit dieser chemisch verbunden zu sein. Die Festkörperfläche 21.2 besteht aus einem Material, mit dem die fließfähige Substanz 20 eine chemische Verbindung eingehen kann. Bei der Berührung der Muster- und Stempelflächen (Figur 2B) wird die fließfähige Substanz 20 mit der Festkörperfläche 21.2 verbunden. Gleichzeitig wird die fließfähige Substanz 20 über die Muster- und/oder Festkörperflächen erwärmt. Die Verbindung der fließfähigen Substanz 20 mit der Festkörperfläche 21.2 umfasst bspw. ein partielles Schmelzen oder eine chemische
Kopplung, z. B. eine photochemische Vernetzung. Anschließend erfolgen das Ausziehen der Fadenverbindungen und deren Unterbrechung zur Bildung der fadenförmigen Vorsprünge.
Die folgende Beschreibung von Verfahrensvarianten bezieht sich auf Beispiele gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die entsprechenden Merkmale können analog auch mit der zweiten Ausführungsform realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Bauteil 100 mit der strukturierten Oberfläche 10 umfasst gemäß Figur 3 als Basiselement 33 die Musterfläche 31.1, auf der die fadenförmigen Vorsprünge 11 angeordnet sind. Die Figuren 4 bis 6 illustrieren weitere Varianten des erfindungsgemäßen Bauteils 100. Gemäß Figur 4 wird während des Ziehens der Fadenverbindungen 22 (siehe z. B. Figur IC) auch die Oberfläche der Substanz 20, z.B. durch eine Abkühlung oder einen Lösungsmittelentzug, ausgehärtet, so dass bei der Unterbrechung der Fadenverbindungen fadenförmige Vorsprünge 11 auf der zum festen Basiselement 23 umgewandel- ten Fluidfläche bilden. Das Basiselement 23 wird auf einem Träger 24 stabilisiert. In diesem Fall umfasst das Bauteil 100 den Träger 24 mit dem Basiselement 23 und den fadenförmigen Vorsprüngen 11.
Die Figuren 5 und 6 zeigen weitere Bearbeitungsschritte nach der Fertigstellung des Bauteils 100. Gemäß Figur 5 ist die Erzeugung von Verdickungen 12 an den freien Enden der Vorsprünge 11 vorgesehen. Gemäß Figur 6 werden die Vorsprünge 11 mit einer Deckschicht 13 abgedeckt. Diese Ausführungsform ist beispielsweise für optische Anwendungen von strukturierten Oberflächen von Interesse, bei denen die Vorsprünge 11 vor Umwelteinflüssen geschützt werden sollen. Ein Bearbeitungsschritt nach der Fertigstellung des Bauteils 100 kann alter- nativ oder zusätzlich eine Aushärtung der Vorsprünge durch eine Bestrahlung umfassen.
Figur 7 illustriert eine weitere Variante der Erfindung, bei der die Vorsprünge 11 mehrschichtig gebildet sind. Hierzu wird das oben illustrierte Verfahren mehrfach durchgeführt, wobei die jeweils gebildeten Vorsprünge als Adhäsionsinseln für das anschließende Ausziehen von Fäden verwendet werden. Die Verlängerung 14 des Vorsprungs 11 kann aus dem gleichen Material wie der Vorsprung 11 oder einem unterschiedlichen Material gebildet sein.
Figur 8 zeigt schematisch eine Apparatur 200 zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche 10, von der aus Übersichtlichkeitsgründen eine Variante der Musterfläche 31.1 mit nur einem einzelnen Vorsprung 11 auf der Adhäsionsinsel 32 gezeigt ist. Die Apparatur 200 umfasst die Zieheinrichtung 30 mit der Antriebseinrichtung 34 und der Temperiereinrichtung 35, eine Heizeinrichtung 40 mit einem Träger oder Gefäß 41 zur Aufnahme der fließfähigen Substanz 20 und optional eine Konditioniereinrichtung 50, mit der die Form der Fadenverbindungen während des Zugvorgangs und der Vorsprünge 11 beeinflussbar ist.
Die Antriebseinrichtung 34 dient der Ausrichtung und Bewegung der Musterfläche 31.1. Hierzu ist beispielsweise ein Schrittmotor vorgesehen. Die Temperiereinrichtung 35 und die Heizeinrichtung 40 enthalten z. B. Widerstandsheizungen.
Die Konditioniereinrichtung 50 enthält beispielsweise einen Magneten (Permanentmagnet oder Elektromagnet) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, unter dessen Wirkung eine Krümmung der Vorsprünge 11 gebildet wird. Hierzu enthält die Substanz 20 eine magnetische Zusatzsubstanz, wie z. B. magnetische KoI- loide. Alternativ kann mit der Konditioniereinrichtung 50 ein elektrisches Feld zur Beeinflussung der Vorsprungsform erzeugt werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Konditioniereinrichtung 50 auf alle Vorsprünge gleichzeitig einwirkt, so dass eine gleichmäßige Formge- bung an allen Vorsprüngen erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Variante kann die Konditioniereinrichtung 50 für eine chemische Beeinflussung der Form der Vorsprünge 11 eingerichtet sein. Der Strukturierungsvorgang mit dem Ziehen der Fadenverbindungen 22 gemäß Figur 1 oder 2 muss nicht zwingend in einer gasförmigen Umgebung erfolgen, sondern kann alternativ auch in einer Flüssigkeit vorgesehen sein. Durch eine Einstellung des pH-Werts der Flüssigkeit nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen, jedoch vor Be- endigung der Aushärtung können ebenfalls gekrümmte Vorsprünge erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Strukturierung einer Oberfläche in einer Flüssigkeit hat im Vergleich zum Prozess einer gasförmigen Umgebung Vorteile für die Temperaturkontrolle, die Steuerbarkeit des Entweichens von Lösungsmittel aus den gezogenen Fäden der fließfähigen Substanz und durch die mechanische Trennung der Vorsprünge, insbesondere bei Vorsprüngen mit einer hohen Flächendichte.
Figur 9 illustriert beispielhaft die Erzeugung von gekrümmten Vorsprüngen 11 durch eine von der Oberflächennormalen abweichende Zugrichtung (siehe Pfeil). Die Trennungsbewegung erfolgt entlang einer geraden oder gekrümmten Bezugslinie relativ zu der Fluidflache 21.1. Die Zugrichtung kann während der Trennungsbewegung geändert werden, um die Orientierung und/oder Form der Vorsprünge zu beeinflussen.
Gekrümmte Vorsprünge können vorteilhafterweise für dynamisch schaltbare Oberflächen verwendet werden, wie dies schematisch in Figur 10 illustriert ist. Liegen beispielsweise gekrümmte Vorsprünge gemäß Figur 9 aus PVP in einem neutralen Umgebungsmedium vor, so richten sich diese durch eine Änderung des pH-Wertes in einem sauren Medium auf. Eine entsprechende Schaltbewegung kann auch durch eine Temperaturänderung er- reicht werden. Diese Umschaltung kann für optische oder sensortechnische Anwendungen von strukturierten Oberflächen von Interesse sein.
Figur 11 zeigt verschiedene Varianten von Adhäsionsinseln in schematischer Draufsicht. Alternativ zu kreisrunden oder quadratischen Grundflächen 32A, 32B können zur Erzeugung von mechanischen Anisotropien der strukturierten Oberfläche insbesondere Grundflächen mit einer oder mehreren Vorzugsrichtungen, wie z. B. elliptische Grundflächen 32C oder rhombus- förmige Grundflächen 32D, vorgesehen sein. Das Bezugszeichen 32E verweist beispielhaft auf punktförmige Adhäsionsinseln. Wenn die Adhäsionsinseln alternativ Grundflächen mit mehr als vier Ecken aufweisen, können sich Vorteile für die mechanische Stabilität der erfindungsgemäß gezogenen Fasern ergeben. Die Figuren 11 bis 14 illustrieren elektronenmikroskopische Abbildungen erfindungsgemäß hergestellter Oberflächenstrukturen aus Polyvinylpyridin. Gemäß Figur 14 werden erfindungsge- maß sogar Vorsprünge mit Windungen erzeugt, die sich beim
Aushärten von Polymeren während einer extremen Scherbewegung bilden können.
Figur 15 zeigt schematisch Einzelheiten einer weiteren Aus- führungsform einer Apparatur 201 zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche 10 mit gekrümmten Vorsprüngen 11. Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut zur Herstellung von Endlosmaterial mit einer erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche. Die Apparatur 201 enthält eine Walze 42, die in das Gefäß 41 mit der fließfähigen Substanz 20 eingetaucht ist und außerhalb des Gefäßes 41 die Musterfläche 31.1 mit den Adhäsionsinsel 32 berührt. Die Heizeinrichtung für das Gefäß 41 und/oder die Walze 42 und die optionale Konditioniereinrich- tung (siehe Figur 8) sind nicht dargestellt.
Eine Antriebseinrichtung (beispielsweise ein Motor, nicht dargestellt) ist dazu vorgesehen, die Musterfläche 31.1 in Pfeilrichtung zu bewegen und dabei die Walze 42 zu drehen. Durch die Drehung der Walze 42 wird auf deren zylinderförmi- gen Oberfläche eine Schicht der fließfähigen Substanz 20 gebildet, deren freie Fluidflache zu der Musterfläche 31.1 weist. Im Ergebnis führen die Adhäsionsinsel 32 relativ zur Fluidfläche der fließfähigen Substanz 20 eine Scherbewegung aus, mit der die Form der Fadenverbindungen während des Zug- Vorgangs und der Vorsprünge 11 (vergrößert gezeigt) beeinflussbar ist. Die Musterfläche 31.1 kann wie gezeigt auf einem Träger angeordnet sein oder alternativ mit einer weiteren Walze an der Walze 42 vorbeigeführt werden. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeu- tung sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche (10), die eine Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen (11) aufweist, gekennzeichnet: durch die Schritte:
- gegenseitige Berührung einer Stempelflache (21.1, 21.2) und einer Musterfläche (31.1, 31.2), wobei wenigstens eine der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) eine fließfähige Substanz (20) aufweist,
- Trennungsbewegung der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2), wobei Fadenverbindungen (22) der fließfähigen Substanz (20) zwischen der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) gezogen werden, und
- Unterbrechung der Fadenverbindungen (22), so dass auf wenigstens einer der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) die fadenförmigen Vorsprünge (11) gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stempelfläche durch eine Fluidflache (21.1) der fließfähigen Substanz (20) gebildet wird und die Musterfläche (31.1) Adhäsionsinseln (32) aufweist, wobei bei der Berührung der Fluidflache (21.1) und der Musterfläche (31.1) die Substanz (20) an den Adhäsionsinseln (32) anhaftet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Adhäsionsinseln (32) durch topographische Strukturen der Musterfläche (31.1) und/oder Bereiche mit einer chemischen Modifizierung gebildet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die topographische Strukturen der Musterfläche (31.1) durch lokale Stufen oder vorgeformte Fäden oder eine Kombination aus diesen gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Stufen durch eine Abscheidung von Partikeln oder Schichten auf der Musterflache
(31.1) gebildet werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) auf der Fluidflache (21.1) gebildet werden, wobei die Fluidflache
(21.1) in eine feste Basisschicht (23) umgewandelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stempelfläche durch eine Festkörperfläche (21.2) gebildet wird und die Mus- terfläche (31.2) Inseln (36) der fließfähigen Substanz (20) trägt, wobei bei der Berührung der Festkörperfläche (21.2) und der Musterfläche (31.2) die Substanz (20) an der Festkörperfläche (21) anhaftet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Inseln (36) der fließfähigen Substanz (20) mit der Musterflache (21.2) verbunden sind und die fadenförmigen Vorsprünge (11) auf der Musterfläche (21.2) gebildet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Musterfläche
(21.2) und die fließfähige Substanz (20) die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen.
10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bei der Berührung der Festkörperfläche (21.2) und der Musterfläche (31.2) die fließfähige Substanz (20) mit der Festkörperfläche (21.2) verbunden wird und die fadenförmigen Vorsprünge (11) auf der Festkörperfläche (21.2) gebildet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Festkörperfläche (21) und die fließfähige Substanz (20) die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Partikel (36) kolloide Polymerpartikel umfassen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die kolloiden Polymerpartikel einen Durchmesser im Bereich von 50 nm bis 20 μm aufweisen.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Aushärtung der Substanz (20) vorgesehen ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Aushärtung der
Substanz (20) während des Ziehens und/oder nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen (22) erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Aushär- tung der Substanz (20) wenigstens einen der Prozesse umfasst, die ein Verdampfen eines Lösungsmittels aus der Substanz (20), eine Verfestigung der Substanz (20) durch eine Abkühlung und eine Vernetzung der Substanz (20) umfassen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem während der Aushärtung der Substanz (20) eine Formung der fadenförmigen Vorsprünge (11) durch eine äußere Einwirkung vorgesehen ist.
18. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trennungsbewegung eine gerade Bewegung ist und gerade fadenförmigen Vorsprünge (11) gebildet werden.
19. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An¬ sprüche 1 bis 17, bei dem die Trennungsbewegung eine gekrümmte Bewegung ist und gekrümmte fadenförmigen Vorsprünge (11) gebildet werden.
20. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während der Trennungsbewegung die Geschwindigkeit der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) relativ zueinander variiert wird.
21. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fließfähige Substanz (20) wenigstens eines von einem organischen Polymer, einem organischanorganisch zusammengesetzten Polymer oder vernetzbaren Mono- meren umfasst.
22. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fließfähige Substanz (20) mindestens eine Zusatzsubstanz enthält, mit der die chemischen, dielektri- sehen, optischen oder magnetischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge (11) modifizierbar sind.
23. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Spitzenbehandlung der fadenförmigen Vorsprünge (11) vorgesehen ist.
24. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 23, bei dem die Adhäsionsinseln (32) oder die Partikel mit einer vorbestimmten geometrischen Verteilung angeordnet sind, die beim Ziehen den Fadenverbindungen aufgeprägt wird.
25. Bauteil (100) mit einem Basiselement (23, 33), das eine Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen (11) aufweist, die aus einer fließfähigen, aushärtbaren Substanz (20) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- die fadenförmigen Vorsprünge (11) entlang ihrer Länge wenigstens lokal eine Kontur aufweisen, die durch die Oberflä- chenspannung und die Viskosität der Substanz (20) in einem Zustand bestimmt ist, in dem die Substanz bei einem Ziehpro- zess eine freie Fadenverbindung bildet.
26. Bauteil nach Anspruch 25, bei dem die fadenförmigen Vor- sprünge (11) wenigstens eines von einem organischen Polymer, einem organisch-anorganisch zusammengesetzten Polymer oder vernetzten Monomeren umfassen.
27. Bauteil nach Anspruch 25 oder 26, bei dem die fadenför- migen Vorsprünge (11) mindestens eine Zusatzsubstanz enthalten, mit der die chemischen, dielektrischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge (11) modifiziert sind.
28. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) gerade oder gekrümmt von der Basisfläche (23, 33) abstehen.
29. Bauteil nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) entlang ihrer Länge einen
Durchmessergradienten aufweisen.
30. Bauteil nach Anspruch 29, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) an ihren Enden eine Verdickung (12) aufweisen.
31. Bauteil nach einem der Ansprüche 25 bis 30, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) in eine Deckschicht (13) eingebettet sind.
32. Bauteil nach einem der Ansprüche 25 bis 31, bei dem das Basiselement (23) und die fadenförmigen Vorsprünge (11) aus der selben Substanz bestehen.
33. Bauteil nach einem der Ansprüche 25 bis 32, bei dem das Basiselement (23) eine Musterflache (31.1) umfasst, auf der Adhäsionsinseln (32) mit einem vorbestimmten Muster angeordnet sind, wobei die fadenförmigen Vorsprünge (11) mit den Adhäsionsinseln (32) verbunden sind.
34. Bauteil nach Anspruch 33, bei dem die Adhäsionsinseln (32) eine topographische Struktur der Musterfläche (31.1) und/oder eine chemische Modifizierung der Musterfläche (31.1) umfassen.
35. Bauteil nach Anspruch 34, bei dem die topographische Struktur der Musterfläche (31.1) lokale Stufen oder vorgeformte Fäden oder eine Kombination aus diesen umfasst.
36. Bauteil nach Anspruch 35, bei dem die Stufen durch Partikel oder Schichten auf der Musterfläche gebildet werden.
37. Bauteil nach einem der Ansprüche 25 bis 32, bei dem das Basiselement (23) eine Muster- oder Stempelfläche (21.2, 31.2) umfasst, mit der die fadenförmigen Vorsprünge (11) unmittelbar verbunden sind.
38. Bauteil nach einem der Ansprüche 25 bis 37, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) mehrschichtig gebildet sind.
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