WO2024061938A1

WO2024061938A1 - Keramikelement

Info

Publication number: WO2024061938A1
Application number: PCT/EP2023/075862
Authority: WO
Inventors: Sabri Alamri; Tim Kunze
Original assignee: Fusion Bionic Gmbh
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2023-09-19
Publication date: 2024-03-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Keramikelement, insbesondere eine Fliese oder Badkeramik, aufweisend wenigstens eine Deckschicht mit wenigstens einer ersten äußeren Oberfläche, wobei die erste äußere Oberfläche durch einen strukturierten und einen unstrukturierten Bereich gebildet ist, wobei der strukturierte Bereich eine erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode aufweist. Durch eine solche Struktur können haptische, optische und Benetzungseigenschaften des Keramikelementes vorteilhaft gezielt eingestellt werden. So ist es insbesondere möglich die Oberfläche des Keramikelementes mit Anti-Rutscheigenschaften und/oder Anti-Schmutzeigenschaften zu versehen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Modul aus Keramikelementen, ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelementes sowie die Verwendung einer Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zur Erzeugung einer periodischen Struktur auf einer Oberfläche eines Keramikelementes.

Description

KERAMIKELEMENT

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Keramikelement, bspw. ein rutschhemmendes Keramikelement, aufweisend wenigstens eine Deckschicht mit wenigstens einer ersten äußeren Oberfläche, die durch einen strukturierten Bereich und einen un strukturierten Bereich gebildet ist. Dabei weist der strukturierte Bereich eine aus Vertiefungen gebildete erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode auf. Durch eine solche Struktur können vorteilhaft optische Eigenschaften, haptische Eigenschaften und Benetzungseigenschaften des Keramikelementes vorteilhaft gezielt eingestellt werden.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Modul mit mehreren Keramikelementen, ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelementes sowie die Verwendung einer Laserstrukturierungsvorrichtung zur Erzeugung von Strukturen an einem Keramikelement.

STAND DER TECHNIK

Keramikelemente, bspw. Kacheln, Hohlkörper, Rohre, Fliesen oder auch Badkeramiken werden in vielen Bereichen eingesetzt. Dabei spielen deren optische Eigenschaften, deren Benetzungseigenschaften, aber auch deren haptische Eigenschaften, eine wichtige Rolle für die möglichen Einsatzzwecke.

Optische Eigenschaften, wie beispielweise die Transparenz der Keramikelemente oder aber auch deren Reflexionseigenschaften sind besonders relevant für deren Einsatzgebiet aber auch den optischen Eindruck eines Betrachters und beeinflussen die Gestaltungsmöglichkeiten immens.

Die haptischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Rutschhemmungseigenschaften, sind besonders bei begehbaren Keramikelementen relevant, da es aufgrund von rutschigen Oberflächen leicht zu Stürzen kommen kann, welche schwerwiegende Folgen haben können und die nicht selten hohe Kosten, insbesondere Behandlungskosten, verursachen.

Um rutschige Oberflächen zu vermeiden, sind unterschiedliche Arten der Oberflächenbehandlung bekannt, welche die rutschhemmenden Eigenschaften einer äußeren Oberfläche des Keramikelementes verbessern sollen. Aus dem Stand der Technik sind mehrere Verfahren zur Erzeugung von Rutschhemmungseigenschaften bekannt. Übliche Verfahren zur Einstellung einer bspw. normgerechten Rutschhemmung sind mechanische Verfahren wie Schleifen, Fräsen oder Strahlen. Derartige, insbesondere mechanische, Verfahren sind in der ES 2 338 399 B1 beschrieben. Bei einem Einsatz derartiger Verfahren entstehen nachteilig gesundheitsgefährdende Stäube. Die Rutschhemmung der Oberflächen wird zwar dauerhaft erhöht, allerdings verschlechtern sich die Reinigungseigenschaften der behandelten Oberfläche, da Schmutzpartikel an den rauen Oberflächen stark haften.

Darüber hinaus kommen chemische Verfahren zur Erhöhung der Rutschhemmung in Frage. Beim Abstumpfen, also dem Herstellen einer Rauheit mittels Ätzprozessen, des Bodenbelags mittels Flusssäure oder Kieselsäure leidet die Hochglanzpolitur polierter Fliesen, also insbesondere deren optischer Eindruck, und die Schmutzempfindlichkeit der behandelten Oberfläche kann erhöht werden. Darüber hinaus ist das Handling von Flusssäure mit starker Gesundheitsgefährdung für den Menschen sowie mit ökologischen Problemen, besonders wegen enthaltener Fluoride, verbunden.

Ein weiteres bekanntes chemisches Verfahren verwendet ein Mittel, aufweisend eine Ammoniumverbindung, welche die Oberflächenstruktur einer Fliese im mikroskopischen Bereich verändert und den Reibungskoeffizienten, insbesondere bei Nässe, also bei einer Benetzung mit Wasser erhöht. Nachteilig sind die erzeugten rutschhemmenden Eigenschaften nicht ausreichend.

Eine weitere Möglichkeit stellt das Anbringen bzw. Bekleben von Antirutsch-Streifen bspw. auf Fliesen in Duschkabinen, an Schwimmbeckenrändern oder auf Treppenstufen dar. In die Antirutschstreifen ist dabei bspw. ein Kunststoffgranulat oder eine mineralische Körnung eingearbeitet. Die Beklebung neigt zu Beschädigungen und Ablösen, weshalb die Beklebung nicht dauerhaft beständig ist.

Darüber hinaus ist in DE 198 16 442 A1 ein Verfahren zur Oberflächenstrukturierung von verlegten Fußbodenbelägen beschrieben. Mittels eines Laserstrahls werden Mikrokrater in die Steinoberfläche von bspw. polierten Natursteinfußböden aus Granit eingebracht und somit eine rutschhemmende Struktur erzeugt, wobei gleichzeitig der Glanz sowie die Farbintensität der Oberfläche erhalten bleiben. Die verwendete Strukturperiode beträgt dabei 0,4 mm sowie die Kraterdurchmesser 100 - 400 pm, wobei die Tiefe der erzeugten Struktur maximal halb so groß ist wie der Kraterdurchmesser. Nachteilig ist dieses Verfahren vergleichsweise langsam, was die Prozessgeschwindigkeit stark limitiert. Dadurch ist ein solches Verfahren sehr aufwändig und dadurch kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil ist die mangelnde Anpassbarkeit, insbesondere Skalierbarkeit, der Strukturierung, wodurch die Strukturierung nicht flexibel an die vorgegebenen Eigenschaften angepasst werden können. Die entstehenden Sacklöcher neigen weiterhin zu Verschmutzungen. Nachteilig ändert sich zudem der optische Eindruck der Oberfläche.

In der US 6,167,879 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines rutschfesten Bodenbelags beschrieben sowie ein rutschfester Bodenbelag vorgestellt, welcher aus mineralischen Werkstoffen, insbesondere aus Stein und Granit, hergestellt sein kann. Zur

Herstellung einer Rutschfestigkeit sind linsenförmige, scharfkantige flache Vertiefungen auf der Oberfläche angeordnet, welche den Glanz der Oberfläche weitestgehend erhalten. Dafür werden mittels Impulslaserbeschuss inhomogen verteilte, für das menschliche Auge unsichtbare Mikrokrater in die hochglanzpolierte Oberfläche eingebracht. Nachteilig ist dies ein sehr langsames Verfahren und durch die verfahrensbedingte Inhomogenität können die optischen Eigenschaften nicht gezielt eingestellt werden.

AUFGABE

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, ein Keramikelement mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere rutschhemmende Eigenschaften, Anti-Reflexionseigenschaften und verbesserte Benetzungseigenschaften, welches über ein einfaches Verfahren erzeugt werden kann.

Dabei ist es darüber hinaus Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Eigenschaften bereitzustellen, wobei die Oberfläche des Keramikelementes robust, insbesondere gegenüber äußeren Einflüssen, wie Umwelt, Witterung ausgebildet ist und die Degradation der Materialien mit der Zeit nur gering ausgeprägt ist.

Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem derartige Keramikelemente gezielt und zuverlässig reproduzierbar mit vorgegebenen Eigenschaften hergestellt werden können.

LÖSUNG

Die Aufgabe wird durch ein Keramikelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Modul und ein Verfahren sowie eine Verwendung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche erfüllt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein gezieltes Aufrauen einer äußeren und/oder inneren Oberfläche, vorzugsweise einer äußeren Oberfläche. Dabei ist das Aspektverhältnis der ersten periodischen Struktur, insbesondere einer ersten periodischen Punkt- oder Linienstruktur, oder einer zweiten periodischen Struktur vorzugsweise wenigstens 0,05, bevorzugt wenigstens 0,5, besonders bevorzugt wenigstens 0,75, ganz besonders bevorzugt wenigstens 1 ,0. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich ein hohes Aspektverhältnis bei strukturierten Oberflächen vorteilhaft auf deren Eigenschaften auswirken. So spielen diese periodischen Strukturen mit dem vorbezeichneten Aspektverhältnis eine zentrale Rolle in verschiedenen technologischen Anwendungen, da sie beispielsweise Licht effektiv manipulieren können, was zu einer geringeren Reflexion (Antireflexions-eigenschaften oder auch Anti-Glare Effekt) und einer verbesserten optischen Absorption führt. Darüber hinaus ermöglicht ihre Fähigkeit, die Oberflächenbenetzbarkeit fein einzustellen, die Schaffung superhydrophober oder superhydrophiler Oberflächen, was die Bereitstellung von selbstreinigenden, keramischen Oberflächen und mikrofluidischen Vorrichtungen ermöglicht. Periodische Strukturen mit einem hierin beschriebenen hohen Aspektverhältnis können die Effizienz der Wärmeübertragung durch eine größere Oberfläche und einen geringeren Wärmewiderstand verbessern. Dies ist beispielsweise für Kühltechnologien, hitzeresistenten Keramik- Elementen und die Mikroelektronik von großem Nutzen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erfinder herausgefunden haben, dass die hierin definierten hohen Aspektverhältnisse in periodisch strukturierten Oberflächen als grundlegender Baustein für eine Vielzahl von Anwendungen dienen und Fortschritte in der Materialwissenschaft und - technologie vorantreiben. Von besonderem Vorteil ist, dass das hierin definierte höhere Aspektverhältnis eine größere Widerstandsfähigkeit der derart strukturierten Oberfläche bietet, vorzugsweise einer Außenfläche mit einer periodischen Struktur, gegenüber mechanischem, chemischem und biologischem Verschleiß bewirken. Durch flächige Abrasionseffekte können die periodischen Strukturen langsamer abgetragen werden, und durch chemische oder biologische Korrosion muss mehr Material von der Oberfläche abgetragen werden, bevor die Strukturierung nicht mehr von einer rauen Oberfläche zu unterscheiden ist, so dass die technische Wirkung über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt. Ein hohes Aspektverhältnis (AV) von vorzugsweise wenigstens 0,5, bevorzugt von wenigstens 1 ,0 bei periodischen Strukturen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt durch eine Laserstrukturierung erreicht und erfordert eine präzise Steuerung der Parameter, wobei der Schwerpunkt auf der Anpassung der Pulsenergie und der Pulsüberlappung liegt. Ein höheres Aspektverhältnis verbessert weiterhin die Rutschfestigkeit, da es die Griffigkeit der Oberfläche erhöht, insbesondere in feuchten oder nassen Bereichen wie Badebereichen, Badezimmern, Eingangsbereichen. Daher sorgt die spezielle Ausgestaltung und Strukturierung für eine erhöhte Sicherheit in feuchten oder nassen Bereichen und bietet gleichzeitig eine hohe Flexibilität in Design und Anwendung.

Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Keramikelement, vorzugsweise in Form einer Stange, einer Platte, einer Tafel, eines Paneels, einer Kachel, einer Fliese oder eines Hohlkörpers, bspw. ein Rohr oder eine Wanne, besonders bevorzugt eine Fliese oder eine Badkeramik, gelöst, welches folgendes aufweist: eine Deckschicht, welche wenigstens eine erste äußere Oberfläche aufweist.

Erfindungsgemäß ist die erste äußere Oberfläche des Keramikelements, vorzugsweise eine Stange, eine Platte, eine Kachel, eine Fliese oder ein Hohlkörper, bspw. ein Rohr oder eine Wanne, durch einen strukturierten und einen unstrukturierten Bereich gebildet. Dabei weist der strukturierte Bereich eine erste periodische Struktur mit einer ersten Strukturperiode auf, wobei die erste periodische Struktur aus Vertiefungen gebildet ist.

Der strukturierte Bereich wird dabei durch die unterschiedlichen, aufgebrachten Strukturen gebildet. Diese können eine einzelne Linienstruktur, eine einzelne Punktstruktur, mehrere überlagerte Linienstrukturen, mehrere überlagerte Punktstrukturen oder auch überlagerte Punkt- und Linienstrukturen sein. Auch wenn der strukturierte Bereich aus mehreren, nicht zwingend miteinander verbundenen, einzelnen strukturierten Teilbereichen, wie beispielsweise einzelnen Zapfen, inversen Zapfen oder einzelnen rillenförmigen Vertiefungen, besteht, so wird im Sinne der Erfindung doch der gesamte Anteil der Oberfläche, der strukturiert ist, dessen Oberfläche sich folglich aufgrund einer Behandlung mittels eines Laserstrukturierungsverfahrens, bspw. eines Laserinterferenzverfahrens geändert hat, als ein strukturierter Bereich angesehen. Es kann also jede Oberfläche lediglich einen strukturierten Bereich aufweisen.

Jeglicher Teil der Oberfläche, der nicht dem strukturierten Bereich zuzuordnen ist, gilt dann als zum unstrukturierten Bereich gehörend.

Eine Vertiefung kann im Sinne der Erfindung eine rillenförmige Vertiefung, eine rillenförmige Erhöhung, ein Zapfen oder ein inverser Zapfen sein. Dabei weist eine rillenförmige Vertiefung oder eine rillenförmige Erhöhung eine Ausdehnung in einer ersten Dimension auf, die deutlich größer, bevorzugt wenigstens 10-fach größer, ist als die Ausdehnung in den beiden anderen Dimensionen. Die rillenförmige Vertiefung oder die rillenförmige Erhöhung verlaufen dabei parallel zur Oberfläche, welche den strukturierten Bereich aufweist, insbesondere parallel zur ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht.

Erfindungsgemäß liegt die erste Interferenzperiode, also die Periode der ersten periodischen Struktur bzw. der Abstand von einem Mittelpunkt oder einer Mittellinie einer Vertiefung zu einer in einer Periodenrichtung benachbart angeordneten Vertiefung, im Bereich von 50 nm bis 200 pm, vorzugsweise 100 nm bis 100 pm, bevorzugt 1 pm bis 70 pm, besonders bevorzugt 5 pm bis 50 pm, ganz besonders bevorzugt 10 pm bis 50 pm.

Die Periode der Struktur, also die Strukturperiode, wird für periodische Punktstrukturen oder für periodische Linienstrukturen im Sinne der Erfindung als Interferenzperiode (p_n) bezeichnet. Sie ist im Allgemeinen abhängig von der Strukturierung einer Maske, dem Negativ der gewünschten periodischen Punkt- oder Linienstruktur auf einem Formwerkzeug oder der Wellenlänge der interferierenden Laserstrahlen, dem Einfallswinkel der interferierenden Laserstrahlen und der Anzahl der interferierenden Laserstrahlen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Keramikelement als rutschhemmendes Keramikelement, vorzugsweise eine rutschhemmende Fliese oder eine rutschhemmende Badkeramik, ausgebildet. Das Keramikelement weist also eine rutschhemmende Oberfläche auf. Dabei ist das Keramikelement bevorzugt geeignet eine Bewertungsgruppe gemäß der DIN 51097, bevorzugt wenigstens Bewertungsgruppe B oder Bewertungsgruppe C zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Eigenschaften, insbesondere die rutschhemmenden Eigenschaften, einer Oberfläche durch ein Aufbringen eines strukturierten Bereiches positiv beeinflusst werden können und dass dadurch, ohne die Notwendigkeit eine zusätzliche Schicht aufbringen zu müssen, die Rutschsicherheit eines Keramikelementes, insbesondere einer Platte oder einer Fliese, verbessert werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

ALLGEMEINE VORTEILE

Mit Hilfe einer hierin beschriebenen Strukturierung von Oberflächen und/oder Grenzflächen von Substraten, insbesondere einer Deckschicht und/oder einer Grundschicht von Keramikelementen, können vorteilhaft die haptischen Eigenschaften, die optischen Eigenschaften der Oberfläche oder Grenzfläche bzw. die Eigenschaften der Oberfläche beim Benetzen mit Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, oder auch bezüglich kleiner Partikel oder auch bezüglich weiterer Schichten gezielt beeinflusst werden.

Die Einstellung der Strukturparameter des strukturierten Bereiches an einer Oberfläche und/oder Grenzfläche führt zu einer gezielten Einstellung der Oberflächen- und/oder Grenzflächeneigenschaften. Strukturparameter sind dabei die Eigenschaften der Struktur auf der Oberfläche, insbesondere die Interferenzperiode einer periodischen Struktur und auch die mittlere Strukturtiefe einer periodischen Struktur sowie auch der mittlere Abstand der Vertiefungen, die den strukturierten Bereich bilden, und ferner die mittlere Strukturtiefe der den strukturierten Bereich bildenden Vertiefungen und auch das sich daraus ergebende Aspektverhältnis, also der Quotient aus der mittleren Strukturtiefe der den strukturierten Bereich bildenden Vertiefungen und dem mittleren Abstand der Vertiefungen, die den strukturierten Bereich bilden.

Vorteilhaft können die haptischen Eigenschaften einer Oberfläche so beeinflusst werden, dass die Oberfläche eine verbesserte, also erhöhte, Rutschhemmung aufweist. Die erfindungsgemäße Badkeramik kann vorteilhaft derart strukturiert ausgebildet sein, dass die erste äußere Oberfläche der Deckschicht besonders bei Benetzen mit Wasser einen hohen Gleitreibkoeffizienten aufweist.

Weiterhin können vorteilhaft die Benetzungseigenschaften der Oberfläche eingestellt werden, sodass hydrophile oder superhydrophile oder auch hydrophobe oder superhydrophobe Eigenschaften der Oberfläche generiert werden. Dadurch können auf der Oberfläche der Deckschicht beispielsweise Anti-Fogging-Effekte, bei hydrophilen und superhydrophilen Oberflächen, also Anti-Beschlagseffekte, sowie Anti-Schmutz-Effekte generiert werden. Weiterhin können durch eine angepasste Strukturierung der Oberfläche die Halte- bzw. Stickingeigenschaften der Oberfläche angepasst werden. So kann die Oberflächenstrukturierung gezielt so generiert werden, dass die Haftung von Festpartikeln an der Oberfläche reduziert ist. In Verbindung mit den optimierten Benetzungseigenschaften werden Schmutzpartikel somit schneller abgewaschen.

Ferner können die Eigenschaften der Oberfläche aufgrund der Strukturierung dahingehend beeinflusst werden, dass eine verbesserte antibakterielle Wirkung generiert wird.

Zudem können die optischen Eigenschaften derart beeinflusst werden, dass ein größerer Anteil der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, bspw. des sichtbaren Lichtes an einer Ebene des Substrates, insbesondere der Oberfläche des Substrates bzw. der Oberfläche einer Deckschicht oder einer Grundschicht eines Keramikelementes, durch diese Ebene hindurch gelangt. Somit kann der Anteil, der diese Oberfläche durchquerenden elektromagnetischen Strahlung erhöht werden. Eine mögliche Strukturierung erhöht diesen Anteil dabei aufgrund eines veränderten, vorzugsweise graduellen, Brechungsindex des Substrates, welcher die Reflexion an der Oberfläche reduziert.

Darüber hinaus lassen sich durch die hierin definierten Strukturparameter der Wärmeaustausch bzw. der Wärmetransfer der Keramikelemente einstellen. Durch die hierin definierten Strukturparameter (bspw. die Interferenzperiode, die Strukturtiefe, die Durchmesser, die Form und die Größe der Vertiefungen, insbesondere der inversen Zapfen oder der rillenförmigen Vertiefungen) kann die Oberfläche der Deckschicht und/oder eine Teildeckschicht der mehreren Teildeckschichten einer Deckschicht, welche einen strukturierten Bereich aufweist, vorzugsweise die äußere Teildeckschicht, gezielt vergrößert werden, sodass die Oberfläche, die für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung zur Verfügung steht, gegenüber einer unstrukturierten Oberfläche vergrößert ist. Derart strukturierte Keramikelemente kommen insbesondere bei Hochtemperaturbelastungen, wie bspw. in der Raumfahrt zum Einsatz. So erlaubt es die Strukturierung der Oberflächen mit den hierin definierten Strukturparametern vorzugsweise den Einsatz preiswerterer, originär weniger wärmebeständiger Keramikelemente, die mit einer Deckschicht beschichtet sind, die ein keramisches und/oder glaskeramisches Material und/oder Metall-Keramik- Verbundmaterial und/oder ein technisches Email aufweist oder aus diesem gebildet ist.

Weiterhin kann ein Keramikelement mit einer auf einer Grenzfläche zwischen zwei einzelnen Schichten positionierte Strukturierung vorteilhaft die Haftungseigenschaften der beiden Schichten verbessern.

Des Weiteren kann die Struktur direkt (d.h. ohne das Erfordernis, die Struktur zwingend über eine weitere Schicht indirekt aufzubringen) auf eine Oberfläche einer Deckschicht eines Keramikelementes appliziert/erzeugt werden. Da die Strukturierung nicht vom Brechungsindex oder der Haftung bestimmter Beschichtungsmaterialien auf dem Keramikelement abhängig ist, ist diese Struktur also flexibler einsetzbar als herkömmliche chemische Strukturierungen oder Nanostrukturierungen, bei denen Metallgitter auf die Anordnungen aufgebracht werden müssen.

Auch ist die Stabilität und Robustheit der erzeugten Strukturen vorteilhaft, da diese im Vergleich zu anderen Verfahren, insbesondere gegenüber Beschichtungen, verbessert ist. Somit wird die Beständigkeit des Keramikelementes mit gezielt eingestellten Oberflächeneigenschaften optimiert. Der Hintergrund ist hier, dass die Strukturen direkt auf die Oberfläche einer Deckschicht eines Keramikelementes aufgebracht und/oder in das Keramikelement eingebracht sind und sich nicht über die Zeit und der einsatzbedingten Materialbeanspruchung, insbesondere mechanischen Materialbeanspruchung von der Oberfläche (ab)lösen können. Darüber hinaus sind die Strukturen chemikalienbeständig gegenüber Lösungsmitteln und Glasreinigern.

Wird die Strukturierung im Volumen, d.h. im Inneren eines Substrats des Keramikelementes, insbesondere in einer transparenten oder teiltransparenten oder transluzenten Deckschicht vorgenommen, so ist die entstandene Strukturierung (d.h. die Punktstruktur und/ oder die Linienstruktur des strukturierten Substrates) unempfindlicher gegen Stöße und Abrieb als herkömmliche Beschichtungen. Die Texturierung, also das Einfügen einer Struktur, im Inneren des Materials ist für Anwendungsgebiete interessant, wie Produktschutz, optische Datenspeicherung, Dekoration, usw. Auch wenn eine Strukturierung im Inneren eines Bauelementes oder im Inneren einer Schicht nicht zu einer Verbesserung der rutschhemmenden Eigenschaften, des Anti-Fogging oder der Anti-Schmutz-Eigenschaften führt, so kann dennoch aufgrund der Wechselwirkung des Lichtes mit der Struktur im Inneren die Beugungseffizienz erhöht werden. So kann auch eine Antireflexionseigenschaft einer Schicht, insbesondere einer Deckschicht, erreicht werden.

Entgegen herkömmlicher Methoden (wie beim Ätzen, Sandstrahlen, Polymerbeschichtungen) zum Auf-/Einbringen einer Struktur (bspw. Rauigkeit) auf einem Substrat besteht ein weiterer Vorteil des hierin definierten Keramikelementes mit strukturierter Deckschicht bzw. des Applikationsverfahrens darin, dass ohne großen Aufwand lediglich gewisse Ausschnitte/Bereiche einer Ebene einer Deckschicht zielgerichtet und/oder partiell strukturiert werden können. So kann bspw. auch auf das aufwendige Anfertigen und Anordnen einer Maske zum Anbringen auf einer zu strukturierenden Oberfläche, die bspw. gewisse Bereiche der Oberfläche vor der Behandlung abschirmt/schützt, verzichtet werden. Zudem lassen sich die Strukturparameter (bspw. die Interferenzperiode, die Strukturtiefe, die Durchmesser, die Form und die Größe der Vertiefungen, insbesondere der inversen Zapfen oder der rillenförmigen Vertiefungen) und somit auch die damit verbundenen Eigenschaften zielgerichtet und maßgeschneidert anpassen.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit mehrere der vorteilhaften Eigenschaften gleichzeitig auf einer Oberfläche oder wenigstens an einem Keramikelement zu erzielen. Dafür werden entweder verschiedene Strukturen, insbesondere periodische Punktstrukturen und/oder periodische Linienstrukturen auf einer Oberfläche überlagert angeordnet und/oder es können auch verschiedenen Oberflächen oder Grenzflächen eines Keramikelementes strukturiert werden.

Vorteilhaft können durch die deutlich geringeren Interferenzperioden von unter 200 pm, welche vorzugsweise im Bereich von unter 80 pm liegen, sowie der geringen Durchmesser bzw. Breiten der Vertiefungen von unter 100 pm und den geringen Strukturtiefen von weniger als 50 pm Strukturen erzeugt werden, die mit dem Auge nicht wahrnehmbar sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Keramikelement

Ein Keramikelement ist im Sinne der Erfindung ein geformtes Element, also ein Element einer bestimmten äußeren Form, welches in der Regel aufgrund eines Trocken- und/oder Brennprozesses in einen härteren, dauerhafteren Endzustand gebracht wird, wobei ein solches Keramikelement in der Regel wenigstens ein mineralisches Material, vorzugsweise ein Metalloxid, insbesondere ein keramisches Material und/oder ein glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial, aufweist, wobei die mineralischen Materialien bevorzugt eine Grundlage eines solchen Keramikelementes bilden. Dabei ist ein Keramikelement nicht auf mineralische Materialien beschränkt, sondern bezeichnet Elemente, wie beispielsweise Fliesen oder Badkeramik, die eine vorzugsweise glatte und bevorzugt harte Oberfläche bereitstellen, wobei das Keramikelement keine Wasserdurchdringung erlaubt. Bevorzugt ist die Oberfläche des Keramikelementes wasserdicht. Eine glatte Oberfläche weist dabei eine geringe Oberflächenrauheit auf, wobei also der Mittenrauwert (R_a) gemäß DIN EN ISO 4287:2010 kleiner ist als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 200 pm, bevorzugt kleiner als 10 pm, mit nicht zwingend planer Form.

Eine Oberfläche gilt im Sinne der Erfindung als hart, wenn eine Oberfläche einen mechanischen Widerstand gegenüber einem Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt, der wenigstens einem Wert von 2 auf der Härteskala nach Mohs, vorzugsweise einen Härtegrad von 3, bevorzugt einen Härtegrad von 4, besonders bevorzugt einen Härtegrad von 5, aufweist.

Die Wasseraufnahme der Keramikelemente liegt dabei vorzugsweise nach DIN EN ISO 10545 - 3 bei maximal 6 %, bevorzugt bei maximal 3,5 %, besonders bevorzugt bei weniger als 0,5 %, noch mehr bevorzugt bei >0 % liegt. Ein positiver Wert wird beispielsweise bei glasierten Fliesen erreicht.

Ein Keramikelement kann im Sinne dieser Erfindung kann eine Stange, eine Platte, eine Tafel, ein Paneel, eine Kachel, eine Fliese oder ein Hohlkörper, bspw. ein Rohr, oder eine Wanne sein. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Keramikelement eine Platte, eine Tafel, eine Kachel oder eine Fliese.

Eine Fliese ist im Sinne der Erfindung ein plattenförmiges Element, welches bei bestimmungsgemäßem Gebrauch als Belag für Wände, Böden, Arbeitsplatten oder Fenstersimse, aber auch für andere Bereiche verwendet wird. Fliesen sind vorzugsweise aus keramischen Materialien ausgebildet.

Für die Herstellung eines Keramikelements, insbesondere Platten, Kacheln oder Fliesen, werden als Materialien vorzugsweise keramische und/oder glaskeramische Ausgangsmaterialien (als Vorstufen keramischer Materialien) und/oder Metall-Keramik- Verbundmaterial, wie Feldspate, Quarze, Kreide, Kaoline, Talkum und Ton, eingesetzt. Es kann vorgesehen sein, dass diese Materialien lediglich als Grundschicht, bzw. als Formling, insbesondere als formgebender Grundkörper des Keramikelements, insbesondere der Fliese oder Platte, dienen, die vor dem Brennen beispielsweise getrocknet wird und/oder mit einer Deckschicht, bspw. einer farbgebenden Deckschicht oder einer glaskeramischen Deckschicht oder einer Deckschicht aus technischem Email überzogen wird.

Im Sinne der Erfindung umfasst ein Keramikelement auch eine Grundschicht, bzw. einen Formling, insbesondere einen formgebenden Grundkörper aus einem anderen Material, beispielsweise Stahl, die mit einer Deckschicht beschichtet ist, die ein keramisches und/oder glaskeramisches Material und/oder Metall-Keramik-Verbundmaterial und/oder ein technisches Email aufweist oder aus diesem gebildet ist.

Deckschicht

Das Keramikelement weist zumindest eine Deckschicht auf oder besteht aus dieser.

Im Sinne der Erfindung ist eine „Deckschicht“ ein Substrat, vorzugsweise ein teiltransparentes Substrat, welches bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zum Abschließen des Keramikelement gegenüber der Umwelt ausgebildet ist. Dabei begrenzt die Deckschicht das Keramikelement in wenigstens einer Raumrichtung und stellt den Abschluss des Keramikelementes vorzugsweise direkt gegenüber dem das Keramikelement umgebenden Medium, vorzugsweise Luft oder Wasser, dar.

Eine Deckschicht weist eine erste äußere Oberfläche auf, welche das Keramikelement bei bestimmungsgemäßem Gebrauch nach außen, also gegenüber der Umwelt, abschließt, wobei die erste äußere Oberfläche der Deckschicht die Grenzfläche zwischen der Deckschicht und der Umgebung definiert. Beispielsweise ist die, das Keramikelement umgebende, Umwelt Luft.

Die Deckschicht weist eine zweite äußere Oberfläche auf, die auf der der ersten äußeren Oberfläche abgewandten Seite der Deckschicht angeordnet ist. Dabei kann die zweite äußere Oberfläche einen Abschluss des Keramikelementes zur Umwelt bilden oder aber als Grenzfläche zu einer Grundschicht, vorzugsweise aus einem Trägermaterial, wie einem formgebenden Grundkörper, ausgebildet sein.

Im Sinne der Erfindung wird die zur Umwelt weisende Normale der ersten äußeren Oberfläche als Stapelrichtung oder als Beschichtungsrichtung bezeichnet.

Die Deckschicht ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Beschichtung, welche in Stapelrichtung auf die Grundschicht aufgebracht wird. Die Grundschicht ist dann also mit der Deckschicht beschichtet.

Dabei kann die Deckschicht auch als Schichtstapel aus mehreren Teildeckschichten ausgebildet sein, wobei die erfindungsgemäßen Vertiefungen des strukturierten Bereiches der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht mehrere der Teildeckschichten durchdringen oder wenigstens in diese Hineinreichen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Deckschicht eine „erste Deckschicht“ und eine „zweite Deckschicht“ umfassen, wobei a) die „erste Deckschicht“ in Stapelrichtung (S) vorzugsweise der Grundschicht nachgelagert und der zweiten Deckschicht vorgelagert angeordnet ist und vorzugsweise der optional vorhandenen Grundschicht nachgelagert ist, und b) die „zweite Deckschicht“ in Stapelrichtung (S) der ersten Deckschicht nachgelagert angeordnet ist und vorzugsweise den direkten Abschluss des Keramikelementes in Stapelrichtung gegenüber der Umwelt darstellt. Sowohl die erste Deckschicht als auch die zweite Deckschicht weisen eine erste äußere Oberfläche und eine zweite äußere Oberfläche auf. So kann vorgesehen sein, dass die erste äußere Oberfläche und/oder die zweite äußere Oberfläche der ersten Deckschicht und/oder die erste äußere Oberfläche und/oder die zweite äußere Oberfläche der zweiten Deckschicht aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich (wie hierin definiert) gebildet ist.

Die zweite äußere Oberfläche einer Deckschicht ist die Oberfläche der Deckschicht, die der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht abgewandt ist. Optional kann die zweite äußere Oberfläche der Grundschicht zugewandt oder sogar an diese angrenzend sein.

Eine Beschichtung kann die Eigenschaften einer ursprünglich wasserdurchlässigen Grundschicht derart beeinflussen, dass ein derart beschichtetes Keramikelement eine Wasserdurchdringung verhindert. Dabei bildet die Beschichtung bevorzugt die Deckschicht oder die erste Deckschicht oder die zweite Deckschicht.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung bildet die Deckschicht das Keramikelement.

Die Deckschicht, vorzugsweise die Teildeckschicht, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Keramikelement unmittelbar zur Umgebung abgrenzt, kann ein keramisches Material und/oder ein glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial, bspw. einen Stahl-Keramik-Verbundguss, aufweisen oder daraus gebildet sein. Dabei weist diese Deckschicht bzw. Teildeckschicht bevorzugt die erste äußere Oberfläche mit einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich auf.

Nach einer möglichen Ausgestaltung des Keramikelementes weist wenigstens eine Deckschicht der optional mehreren Deckschichten und/oder eine Teildeckschicht der mehreren Teildeckschichten einer Deckschicht, welche einen strukturierten Bereich aufweist, ein keramisches Material und/oder ein glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial, bspw. einen Stahl-Keramik-Verbundguss, auf oder ist daraus gebildet.

Dabei weist eine der Teildeckschichten auch dann einen strukturierten Bereich auf, wenn ein strukturierter Bereich, der aus Vertiefungen, insbesondere aus Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, gebildet ist, wenigstens auch in diese Teildeckschicht hineinreicht.

Es kann auch eine Grundschicht des Keramikelementes, welche eine Oberfläche aufweist, die aus einem strukturierten und einem un strukturierten Bereich gebildet ist, ein keramisches Material und/oder ein glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial, bspw. einen Stahl-Keramik-Verbundguss, aufweisen oder daraus gebildet sein. Kennzeichnend dabei ist jeweils, dass in einer Schicht oder Teilschicht des Keramikelementes, welche ein keramisches Material und/oder ein glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial, bspw. einen Stahl-Keramik-Verbundguss, aufweist oder daraus gebildet ist, einen strukturierten Bereich aufweist bzw. der strukturierte Bereich wenigstens in eine solche Teilschicht hineinreicht.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Deckschicht, vorzugsweise die Teildeckschicht, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Keramikelement unmittelbar zur Umgebung abgrenzt, ein keramisches Material und/oder ein glaskeramisches Material auf oder besteht vorzugsweise daraus, wobei das keramische Material oder das glaskeramische Material vorzugsweise aus Materialien wie hierin definiert oder Mischungen daraus ausgewählt sind. Im Falle, dass die Teildeckschicht, die das Keramikelement unmittelbar zur Umgebung abgrenzt, aus dem keramischen Material un/oder dem glaskeramischen Material gebildet ist, bildet das keramische Material und/oder das glaskeramische Material den direkten Abschluss zur Umgebung. Die Formulierung „keramisches Material und/oder glaskeramisches Material“ bezeichnet in diesem Zusammenhang im Sinne der Erfindung, dass das Material ein keramisches Material oder ein glaskeramisches Material sein kann oder, dass es sich um eine Mischung aus einem keramischen Material und einem glaskeramischen Material handeln kann.

Anders als bspw. bei Glas oder Metallen, welche beim Abkühlen erstarren, ohne zu kristallisieren, kann insbesondere bei keramischen und/oder glaskeramischen Materialien die Herausforderung darin bestehen, dass diese - anders als Glas - kristalline/polykristalline Bereiche und glasige Bereiche aufweisen. Die Stabilität keramischer und glaskeramischer Materialien wird sowohl durch die Korngröße als auch durch Kornform der Kristalle beeinflusst. So können Kristalle in der Kristallphase mittlere Korngrößen von bis zu 10 pm aufweisen und liegen somit in den Größenbereichen der hierin definierten Strukturierungsparameter, insbesondere der Strukturtiefe, der Interferenzperiode und/oder des Durchmessers der Strukturen. Bei gepressten keramischen und/oder glaskeramischen Materialien kann die Korngröße gar bis zu 50 pm betragen. Entscheidend für die Stabilität keramischer und/oder glaskeramischer Materialien ist jedoch nicht nur die Korngröße, sondern auch die Kornform. Je runder die Körner sind, desto geringer ist die Festigkeit des Endprodukts. Dabei haben herkömmliche Bearbeitungsverfahren den Nachteil, dass diese zur Strukturierung der Oberfläche von keramischen oder glaskeramischen Materialien einen zu hohen Energieeintrag auf das Material ausüben und/oder zu große Strukturparameter im Material erzeugen, sodass es bei der Bearbeitung zum Herausplatzen der Kristalle bzw. Kristallkörner kommen kann. Derartige „Verletzungen“ können zur Bildung von Rissen führen und/oder dienen als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen, die das Material schneller altern lassen, sodass die derart behandelten Keramikelemente schneller ausgetauscht werden müssen. Darüber hinaus kann es beim Einsatz herkömmlicher Bearbeitungsverfahren, insbesondere unter dem Einsatz von Chemikalien, wie bspw. das Ätzen, oder zu hohem Energieeintrag, bspw. bei dem Einsatz von Lasern, zu einem unkontrollierten Aufrauen der Grund- und Seitenflächen der so erzeugten Strukturen kommen, sodass sich Lücken im Kristallgitter bilden, die die bearbeiteten keramischen und/oder glaskeramischen Materialsysteme ebenfalls anfällig für Materialdegradationen machen. So können bspw. Wassermoleküle eindringen, mit dem Metalloxidverbund reagieren und zu einer unerwünschten Phasenumwandlung führen.

Um die vorgenannten Nachteile zu überwinden, zeichnen sich die hierin vorgeschlagene Strukturierung bzw. die Strukturen, bspw. eines Zapfens oder inversen Zapfens oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, daher vorzugsweise durch kleine Strukturparameter, insbesondere Strukturtiefen, Interferenzperioden und/oder Durchmesser (jeweils wie hierin definiert) aus.

Durch die Strukturierung keramischer und/oder glaskeramischer Materialien mittels Laser (Laserstrukturierung), insbesondere mittels Laserinterferenzstrukturierug zeichnen sich die hierin offenbarten Strukturen, bspw. Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, zudem vorzugsweise durch eine glatte Seitenfläche aus. Es kann hierfür vorteilhaft sein, darauf zu achten, dass der Energieeintrag auf die zu strukturierende Oberfläche nicht zu hoch gewählt wird, um die Bildung von „Verletzungen“ (bspw. Strukturdefekte durch Herausplatzen von Kristallkörnern oder Lücken im Kristallgitter) zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Dies kann durch geringe Laserpulsdauern und/oder eine geringe Laserpulsenergie (jeweils wie hierin definiert) erfolgen. Gleichwohl oder alternativ kann dies bspw. dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Vertiefungen bei der Strukturierung mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung nicht mehr als viermal, insbesondere nicht mehr als dreimal, besonders bevorzugt nicht mehr als zweimal, ganz besonders bevorzugt nur einmal bestrahlt werden. Der Einsatz von Laserstrukturierungsverfahren mit geringem Energieeintrag unterstützt das Ausheilen der Strukturen ohne, dass es zu lokalen Überhitzungen kommt, die die Ausbildung von Defektstrukturen (bspw. LIPSS) fördern. Keramische Materialien bezeichnet in der Fachsprache eine Vielzahl anorganischer nichtmetallischer Werkstoffe, die grob in die Typen Irdengut, Steingut, Sintergut (Steinzeug und Porzellan) und keramische Sondermassen unterteilt werden können. Typische Beispiele für keramische Materialien, die hierin verwendet werden können, sind Feldspate, Quarze, Kreide, Kaoline, Talkum und Ton.

Beispiele für silikatbasierte, keramische Materialien, bei denen [SiO4]⁴'-Tetraeder in die Krista II Struktur eingebaut sind, umfassen Tone, insbesondere Tonminerale (wasserhaltige Alumosilikate) und deren Gemische. Die Hauptbestandteile sind lllit, Montmorillonit und Kaolinit. Die Korngrößen liegen hierbei im pm-Bereich.

Weitere Beispiele für keramische Materialien (bzw. die als Vorstufen keramischer Materialien eingesetzt werden können), sind Feldspate, Quarze, Kreide, Kaoline, Talkum, Ton und Mischungen daraus. Es kann vorgesehen sein, dass diese keramischen Materialien lediglich als Grundschicht, bzw. als Formling insbesondere als formgebender Grundkörper dienen, der vor dem Brennen beispielsweise getrocknet wird und/oder mit einer Deckschicht, bspw. einer farbgebenden Deckschicht oder einer glaskeramischen Deckschicht überzogen wird.

Beispiele für keramische Sondermassen sind (hochgesinterte) Oxidkeramiken, wie Aluminiumoxid (AI2O3), Zirconiumdioxid (ZrÜ2), Magnesiumoxid (MgO), Dialuminiummagnesiumtetraoxid (AhMgO4), Berylliumoxid (BeO), Titandioxid (TiÜ2), Zinkoxid (ZnO) und weitere Oxide, die vorzugsweise frei von Siliziumdioxid (SiÜ2) sind. Darüber hinaus gibt es Nichtoxidkeramiken als keramische Sondermassen, zu denen bspw. Siliziumcarbid (SiC), Siliziumnitrid (SisN₄), Bornitrid (BN), Borcarbide (B4C), Aluminiumnitrid (AIN), Wolframcarbid (WC), Boride und Silizide, wie bspw. Molybdändisilicid (MoSi2, MosSi und MosSis).

Ein weiteres Beispiel für keramische Materialien, insbesondere eine keramische Sondermasse sind Spinell-Keramiken, wie Mg-Al-Spinell, insbesondere feinkristallinen Spinell-Keramiken, wobei sich letztere durch eine nahezu dickenunabhängig hoher Lichttransmission für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im für den Menschen optisch sichtbaren Spektralbereich, im Bereich von Ultraviolettstrahlung, und/oder Infrarotstrahlung auszeichnen. Spinell-Keramiken können durch Einlagerung von Metallionen, wie bspw. Eisen, Chrom, Zink, Cobalt und/oder Mangan, Mischkristalle ausbilden. In der Regel weisen traditionelle Spinell-Keramiken sehr grobe Gefüge von Kristallkörnern auf. Demgegenüber weisen feinkristalline Spinell-Keramiken sehr kleine Gefügekorngröße kleiner 1 pm auf, sodass sie sich durch eine hohe Transmission über einen weiten Wellenlängenbereich von UV- bis IR-Strahlung und zugleich hohe Härten auszeichnen. Aufgrund der sehr guten Transmissionseigenschaften und der sehr kleinen Gefügekorngrößen bietet es sich an, auf der Oberfläche und/oder im Volumen einer Schicht, insbesondere einer Deckschicht, besonders bevorzugt der äußeren Teildeckschicht, die eine Spinell-Keramik, insbesondere eine feinkristalline Spinell-Keramik aufweist oder aus dieser besteht, Strukturen mit Strukturparametern zu applizieren, die die hierin definierten optischen Effekte, insbesondere Antireflexionseigenschaften einstellen. Gleichwohl können i Abhängigkeit der Anwendung auch andere Strukturen auf der Oberfläche und/oder im Volumen dieser Schicht appliziert werden, die die anderen hierin definierten Effekte einstellen.

Darüber hinaus existieren keramische Verbundwerkstoffe, wie bspw. Keramikbeschichtungen als auch Faserverbundwerkstoffe mit Keramikfasern oder mit keramischer Matrix.

Glaskeramische Materialien sind nichtmetallische, anorganische Werkstoffe, die aus einer polykristallinen und einer glasigen Phase gebildet sind und in ihrer chemischen Zusammensetzung Glas oder Sinterkeramik sehr ähnlich sind, bei deren Herstellung man jedoch den - bei der Glasherstellung ungewünschten Effekt - des Kristallwachstums in der Glasschmelze fördert. Es existieren viele unterschiedliche glaskeramische Materialsysteme. Einige der wichtigsten sind das MgO x AI2O3 x nSiO2-System (MAS-System), das ZnO x AI2O3 x nSiO2-System (ZAS-System), U2O x AI2O3 x nSiO2-System (LAS-System), glaskeramische Materialien aus Lithium-Disilikat und glaskeramische Materialien mit Phlogopit als Grundsystem. Der Fachmann weiß, dass der Vorstufe eines glaskeramischen Materials (glaskeramisches Ausgangsmaterial) Farbpigmente zugemischt werden können, durch welche bspw. die Farbgebung des resultierenden glaskeramischen Materials eingestellt werden kann. Glaskeramische Materialien bzw. glaskeramische Ausgangsmaterialien werden vorzugweise zur Ausbildung einer Deckschicht, bspw. in Form einer Glasur eingesetzt.

Glaskeramische Materialien können als transparente oder zumindest teiltransparente Substrate (wie hierin definiert) ausgebildet sein. Es bietet sich daher an, die Oberfläche und/oder das Volumen transparenter oder zumindest teiltransparenter, glaskeramischer Materialien zu strukturieren, insbesondere, wenn die hierin definierten optischen Effekte erzielt werden sollen. Bei einem Metall-Keramik-Verbundmaterial, bspw. einem Stahl-Keramik-Verbundguss, handelt es sich um ein vorzugsweise homogenes Gemisch aus zumindest einem Metall, vorzugsweise Stahl und einem keramischen Material (wie hierin definiert). Hierdurch wird die hohe Härte von keramischen Materialien durch die Einbindung in eine zähe Metallmatrix so kombiniert, dass sich hinreichend hohe Bruchzähigkeiten bei erhöhten Festigkeiten einstellen lassen. Anwendungsgebiete hierfür finden sich bspw. als Sicherheitsbauteile in Automobilen sowie für Verschleißteile im Maschinenbau. Zur Herstellung eines Metall- Keramik-Verbundmaterials wird ein Gemisch aus zumindest einem Metall und einem keramischen Material, vorzugsweise ein Pulvergemisch beider Komponenten, mit Hilfe spezieller Formgebungsverfahren zu verschiedenen geometrischen Strukturen wie Schaum-, Waben-, Kugel- oder Spaghettiformen verarbeitet. Ihre endgültige Festigkeit erhalten die Werkstoffe durch Sintern. Dabei wird das Pulvergemisch beider Komponenten bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur zu kompakten Bauteilen verdichtet. Eine zweite Variante zum Herstellen einer formbaren Masse ist das Befüllen keramischer Formkörper mit Metallschmelzen, bspw. Stahlschmelzen.

Die Härte der Deckschicht, bspw. in Form einer Glasur wirkt sich zudem positiv auf die Abriebfestigkeit des Keramikelements aus. Daher können den keramischen und/oder den glaskeramischen Materialien Zuschlagsstoffe, wie Titandioxid (TiÜ2), Zirconiumdioxid (ZrÜ2), zugesetzt werden.

Beispiele für Glasuren sind dünne glaskeramische Überzüge oder Glasüberzüge, die poröse keramische Materialien nahezu wasserdicht. Zudem ermöglichen Glasuren eine abwechslungsreiche, dekorative Gestaltung der Keramiken, da diesen Farbpigmente beigemisch werden können. Glasuren können farbig, transparent oder deckend (opak), glänzend, halbmatt oder matt sein. Bei Glasuren auf Glasbasis kann man nach ihrer chemischen Zusammensetzung bspw. zwischen Borosilikat-, Feldspat-, Salz-, Gold- und bleihaltigen Glasuren unterscheiden. Glasuren auf Glasbasis werden in der Herstellung von Keramikelementen vorzugsweise erst nach dem Brennen des Keramikelements aufgebracht (bspw. durch Tauchen, Spritzen, Pinseln, Stempeln) und in einem erneuten Brennprozess (Glattbrand) verglast.

Als Material für die Deckschicht und/oder eine Teildeckschicht der mehreren Teildeckschichten einer Deckschicht, welche einen strukturierten Bereich aufweist, vorzugsweise die äußere Teildeckschicht, kommen auch technische Emails, insbesondere teilkristalline Emails, zum Einsatz, bei denen in einer Glasmatrix kristalline Ausscheidungen eingelagert sind, oder partikuläre Stoffe und/oder Hartstoffe (bspw. Karbide) eingelagert sind, welche bspw. die Verschleißfestigkeit der Email gegenüber konventionellen Emails erhöhen. Technische Emails sind vom Prinzip her Gläser, allerdings dient die Glasmatrix bei technischen Emails nur noch als Träger für darin eingebettete Kristalle bzw. partikuläre Stoffe, die zum Einstellen bestimmter Eigenschaften, bspw. Temperaturwechselbeständigkeit, Schlagfestigkeit, Verschleißfestigkeit, elektrischer Leitfähigkeit, anti-bakterieller Eigenschaften dienen. Durch den Einschluss partikulärer Stoffe, stellen sich bei der Bearbeitung solcher technischen Emails dieselben Herausforderungen wie bei keramischen und/oder glaskeramischen Materialien (wie hierin definiert), die kristalline Bereiche aufweisen. Im Sinne der Erfindung ist daher unter dem Begriff Keramikelement (wie hierin definiert) auch eine Grundschicht, bzw. ein Formling, insbesondere ein formgebender Grundkörper zu verstehen, die mit einer Deckschicht und/oder einer Teildeckschicht der mehreren Teildeckschichten einer Deckschicht, welche einen strukturierten Bereich aufweist, vorzugsweise die äußere Teildeckschicht, beschichtet ist, die ein technisches Email aufweist oder aus diesem gebildet ist. Um Doppelungen zu vermeiden, werden Emails, sofern nicht explizit separat ausgewiesen, synonym zu keramischen und/oder glaskeramischen Materialien verwendet, sodass dieselben Strukturparameter und Ausgestaltungen gelten. Auf die Ausführungen zu den jeweiligen Effekten und die bevorzugten Strukturparameter (jeweils wie hierin beschrieben) wird hierin Bezug genommen. Es kommen auch elektrisch ableitfähige Emails zum Einsatz, wobei in der Glasmatrix (die ein elektrischer Isolator ist), metallische Partikel, die elektrisch leitfähig sind (bspw. Platin, Silber oder Gold), verteilt eingebracht sind. Es existieren auch antibakteriell wirksame Emails, bei denen anti-bakterielle Stoffe (bspw. Silberpartikel) eingelagert sind. Die Wirkung von Silber als bakterienabtötender Stoff steht als hochwertige Oberflächen-Emailbeschichtung für spezielle Anwendungen in der Biotechnologie und anderen Bereichen zur Verfügung, bei denen Kontaminationsrisiken durch Viren und Mikroorganismen verringert werden sollen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Keramikelement eine emaillierte Tafel, die bspw. in der Architektur zum Verkleiden von Wänden verwendet werden. In der Regel weist ein solches Keramikelement ein Metall oder eine Metalllegierung, bspw. ein Blech als Grundschicht, insbesondere formgebenden Grundkörper auf, auf dessen Oberfläche zumindest eine Deckschicht aus einem Email (wie hierin definiert) aufgebracht ist. Das Email kann durch Siebdruck, Digitaldruck, Rollercoating oder andere Verfahren als formgebenden Prozess auf die Grundschicht aufgebracht werden. Eine weitere Möglichkeit besteht im Aufträgen des Emailschlickers mittels Sprühpistole oder Pinsel als formgebenden Prozess. Anschließend wird das Bauteil gebrannt. Eine Anwendung ist die Verkleidung von Straßentunnel-Wänden mit emaillierten Tafeln, wobei die einfache Reinigung sowie die Unbrennbarkeit des Werkstoffs den Anwendungsnutzen bilden.

In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Keramikelement ein Sanitärelement, bspw. eine Bade- und Duschwannen oder ein Waschbecken, wobei eine Grundschicht, insbesondere ein formgebender Grundkörper, bspw. aus einem Metall oder einer Metalllegierung, auf die zumindest eine Deckschicht aus einer Email, bspw. umfassend Glas, Quarz, Borax, Soda, Titandioxidpartikel, aufgebracht wird. Vorzugsweise wird der Schlicker aufgespritzt oder getaucht, getrocknet und eingebrannt.

Grundschicht/Grundkörper

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Keramikelement eine Grundschicht, die vorzugsweise für die Deckschicht als formgebender Grundkörper ausgebildet ist, auf deren Oberfläche die Deckschicht zumindest teilweise angeordnet ist. Insbesondere wenn die Grundschicht als formgebender Grundkörper ausgebildet ist, ist die Deckschicht auf diesem aufgebracht.

Die Grundschicht ist im Sinne dieser Erfindung ein Substrat, welches formgebend für das Keramikelement ist, wobei daran angrenzend wenigstens eine Deckschicht bzw.

Teildeckschicht, wie beispielsweise eine Schicht aus einem keramischen und/oder glaskeramischen Material, einem Metall-Keramik-Verbundmaterial und/oder eine Glasurschicht angeordnet ist.

Der Begriff „formgebender Grundkörper“ bezeichnet im Sinne der Erfindung einen Gegenstand von konstruktiver Gestalt dem diese aktiv gegeben wurde, und der z.B. durch spanlose Formung (z.B. durch Pressen, Pressspritzen oder Spritzgießen) in allseitig geschlossenen Werkzeugen hergestellt worden ist. Alternativ dazu ist der Formkörper ein gewollt geformter Körper/Gegenstand in Form von Rohlingen, wie Rohren, Stangen, Platten, Kacheln oder Wannen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die äußere Oberfläche der Grundschicht strukturiert. Hierdurch kann beispielsweise die Haftvermittlung der Deckschicht auf der äußeren Oberfläche der Grundschicht verbessert werden. Vorzugsweise weist die Grundschicht hierzu eine hierin definierte periodische Struktur auf.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Grundschicht, insbesondere der formgebende Grundkörper aus einem keramischen und/oder glaskeramischen Material (wie hierin definiert, einem Metall oder einer Metalllegierung, einem Kunststoff und/oder einem Verbundwerkstoff gebildet.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist der formgebende Grundkörper aus einem Metall oder einer Legierung daraus gebildet. Ein typisches Beispiel für eine Legierung ist Stahl oder Stahlguss, bspw. Edelstahle nach EN 10020, wie legierte Stähle, umfassend neben Eisen Legierungselemente ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium, Silizium, Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Niob, Wolfram, Vanadium, Cobalt und Mischungen daraus, bspw. V2A-Stahl; V4A-Stahl; Cr-Stahl; CrNi-Stahl; CrNiMo-Stahl; WStE 26 bis 36; WStE 39 bis 51; 15 MnNi 53; 20 MnMoNi 55; 19 Mn 5; 15 Mo 3; 13 CrMo 44; 10 CrMo 9 10; 14 MoV 6 3. Ein typisches Beispiel für ein Keramikelement umfassend zumindest oder bestehend aus eine(r) Grundschicht und eine(r) Deckschicht ist Stahl-Emaille, bspw. für Sanitär.

Die Grundschicht, insbesondere der formgebende Grundkörper kann auch aus einem Metall- Keramik-Verbundmaterial, bspw. einem Stahl-Keramik-Verbundguss gebildet sein. Hierbei wird die hohe Härte von Keramiken durch die Einbindung in eine zähe Metallmatrix so kombiniert, dass sich hinreichend hohe Bruchzähigkeiten bei erhöhten Festigkeiten einstellen lassen.

Das Material, welches die Grundschicht oder den formgebenden Grundkörper bildet, kann auch aus der Gruppe der Kunststoffe, insbesondere der thermoplastischen Kunststoffe, wie Polymethylmethacrylat (bspw. für Acryl-Sanitär und Einrichtungsbauteile); oder Verbundwerkstoffe, wie Sheet Molding Compounds (SMCs), bspw. umfassend (vernetzungsfähiges) Harz (wie duroplastische Reaktionsharze, insbesondere Polyesteroder Vinylesterharze), mineralische Füllstoffe, Glasfasern; oder Mineralguss, ein Polymerbeton bzw. Reaktionsharzbeton, der aus mineralischen Füllstoffen wie Quarzkies, Quarzsand und Gesteinsmehl und einem geringen Anteil Epoxid-Binder besteht.

Es kann vorgesehen sein, dass der formgebende Grundkörper ein Rohling oder ein Formling, bspw. eine Platte für eine Fliese (ein Einbrand oder Zweibrand) ist, wobei der formgebende Grundkörper ein keramisches und/oder glaskeramisches Material und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweist oder daraus besteht.

Polieren

Vorzugsweise ist die erste oder zweite äußere Oberfläche der Deckschicht oder die Oberfläche der Grundschicht, welche der Deckschicht zugewandt ist, eine glatte Oberfläche. Da verschiedene Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise Steingut, in der Regel eine hohe Rauheit aufweisen, kann die entsprechende Oberfläche poliert worden sein.

Im Sinne der Erfindung wird als Polieren das Glätten einer Oberfläche der Deckschicht, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche und/oder zweiten äußere Oberfläche der Deckschicht, oder einer Oberfläche der Grundschicht, also das Herbeiführen einer glatten Oberfläche mit einem Mittenrauwert Ra <1 mm, bevorzugt Ra <500 pm, besonders bevorzugt Ra <100 pm, ganz besonders bevorzugt Ra <1 pm, noch mehr bevorzugt Ra <100 nm, bezeichnet.

Der Zweck des Polierens ist dabei einerseits das Erzeugen einer gleichmäßigen, glatten Oberfläche, die das Strukturieren erlaubt bzw. einen geeigneten Ausgangspunkt zum Erzeugen der durch die Strukturen zu generierenden Eigenschaften bereitet.

Vorteilhaft kann so auch durch das Erzeugen einer glatten Oberfläche, die einfallendes Licht gleichmäßig reflektiert, ein Glanz und somit ein vorteilhafter optischer Eindruck erzeugt werden.

Eine Möglichkeit des Polierens stellen die Verfahren der (Fein-)Bearbeitung aus der Gruppe der spanenden Fertigungsverfahren gemäß DIN 8589, beispielsweise Schleifen oder Läppen, dar, bei denen durch geringes Abtragen von Material die gewünschte Oberfläche, durch plastische oder teilplastische Verformung oder durch eine Ebnung der Rauhigkeitsspitzen der Oberflächenstruktur erzielt wird.

Ferner kann darüber hinaus das Polieren, also Erzeugen einer glatten Oberfläche der Deckschicht mit Ra <1 mm, bevorzugt Ra <500 pm, besonders bevorzugt Ra <100 pm, ganz besonders bevorzugt Ra <1 pm, durch das Umschmelzen einer dünnen Randschicht (<100 pm) der Deckschicht mit Laserstrahlung (Laserpolieren), beispielsweise bei thermoplastischen Werkstoffen sowie Gläsern, erfolgen.

Das Polieren umfasst im Sinne der Erfindung auch das Erzeugen einer glatten Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit Ra <1 mm, bevorzugt Ra <500 pm, besonders bevorzugt Ra <100 pm, ganz besonders bevorzugt Ra <1 pm, noch mehr bevorzugt Ra <100 nm, durch das Aufbringen einer Deckschicht auf eine Oberfläche. Das Aufbringen einer Deckschicht auf eine Oberfläche, um diese Oberfläche zu polieren, also deren Rauheit zu begrenzen wird auch als beschichten bezeichnet Modul

Die Erfindung umfasst auch ein Modul, aufweisend wenigstens zwei erfindungsgemäße Keramikelemente. Dabei sind zwei benachbarte Keramikelemente über Verbindungsmittel verbunden. So ist an der Rückseite der Keramikelemente, welche also der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht abgewandt ist, nach einer vorteilhaften Ausführung ein überspannendes Netz angeordnet. Eine weitere Ausführung sieht vor, dass zwischen benachbarten Keramikelementen Fugen angeordnet sind.

Zur Herstellung eines solchen Moduls können die Keramikelemente entweder zunächst strukturiert werden, wobei danach der Schritt des Zusammenfügens erfolgt. Vorteilhaft kann ein solches Modul aber auch zunächst aus einzelnen Keramikelementen zusammengefügt werden, wobei der Schritt des Strukturierens auf der äußeren Oberfläche nachfolgend vorgenommen wird. Vorteilhaft ist so auch ein nachträgliches Erzeugen solcher Eigenschaften möglich.

Substrat

Im Sinne der Erfindung bezieht sich der Begriff Substrat auf ein Material oder eine Materialzusammensetzung aus der die Deckschicht oder Grundschicht gebildet ist und dessen Oberfläche eine Ausdehnung in mehrere Raumrichtungen hat. Es kann sich bei einem Substrat, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, um ein planares Substrat oder ein gekrümmtes Substrat, beispielsweise ein parabolisches Substrat handeln. Unter flächig ist im Sinne der Erfindung ferner zu verstehen, dass die Ausdehnung eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, beispielsweise eines planaren Substrates in x und y Richtung, beziehungsweise die Ausdehnung eines gekrümmten Substrates entlang seines Krümmungsradius größer ist als die Ausdehnung des Bereichs, in dem die zumindest drei Teilstrahlen miteinander interferieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Substrat um ein Substrat, dessen Ausdehnung in x und y Richtung, beziehungsweise dessen Ausdehnung entlang eines Krümmungsradius kleiner oder gleich der Ausdehnung des Bereichs ist, in dem die zumindest drei Teilstrahlen miteinander interferieren. Eine homogene Strukturierung des Substrats ist in einem Bearbeitungsschritt (während eines Laserpulses) möglich.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Substrat um ein flächiges Substrat, dessen Ausdehnung in x und y Richtung, beziehungsweise dessen Ausdehnung entlang eines Krümmungsradius größer der Ausdehnung des Bereichs ist, in dem die zumindest drei Teilstrahlen miteinander interferieren. Durch Bewegen des Substrats in der x- und y-Ebene ist eine flächige, homogene Strukturierung des Substrats in mehreren Bearbeitungsschritten (mit mehreren Laserpulsen) möglich. Die Bewegung des Substrats kann hierbei durch Rotation oder Translation erfolgen.

Hinsichtlich der Substrate, die durch die Applizierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere mittels Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens mit einer hierin definierten Punktstruktur und/oder Linienstruktur, insbesondere mit rutschhemmenden Eigenschaften, antireflektierenden Eigenschaften, Anti-Glare-Eigenschaften, antibakteriellen Eigenschaften und/oder Anti-Schmutzeigenschaften bearbeitet werden können, besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine breite Auswahlmöglichkeit an Materialien.

Vorzugsweise ist das Substrat ein flächiges und/oder transparentes Substrat. Dabei ist ein Substrat flächig, insbesondere plattenförmig, wenn dessen Ausdehnung in zwei Richtungen deutlich größer, vorzugsweise wenigstens 10-fach, ist als in einer dritten Dimension.

Transparenz

Vorzugsweise besteht das Substrat, insbesondere die Deckschicht, aus einem transparenten Material. Ein Material bzw. Substrat ist im Sinne der vorliegenden Erfindung transparent, wenn es eine hohe Durchlässigkeit für zumindest einen Teilbereich des Spektrums elektromagnetischer Strahlung zwischen 1 nm und 10 m aufweist, vorzugsweise für Licht, dass für das menschliche Auge sichtbar ist oder Licht im Bereich von Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung. Derartige Teilbereiche sind beispielsweise elektromagnetische Strahlung im Bereich des ultravioletten (UV) Lichtes von 100 nm bis 380 nm, insbesondere UV-A von 315 nm bis 380 nm oder UV-B von 280 nm bis 315 nm oder UV-C von 100 nm bis 280 nm, des sichtbaren Lichts von 380 nm bis 780 nm oder in einem Bereich, der auch infrarotes Licht umfasst, von 780 nm bis 5.000 nm oder in einem Bereich des infraroten Lichtes (Wärmestrahlung) oder in einem Bereich der Mikrowellenstrahlung, insbesondere Radarstrahlen im Wellenlängenbereich von 1 mm bis 10 m, oder auch ein anderer Teilbereich, der entsprechend der gewünschten Anwendung, insbesondere an die Wellenlänge der Laserquelle, angepasst ist. Ein solcher Teilbereich hat bevorzugt wenigstens eine Breite von 10 % oder von 50 % der Wellenlänge, welche die untere Grenze des Teilbereiches bildet. Eine hohe Durchlässigkeit in einem Teilbereich ist im Sinne der Erfindung ein Transmissionsgrad von wenigstens 50 % oder vorzugsweise wenigstens 70 % oder besonders bevorzugt wenigstens 80 % oder wenigstens 90 % für jede Wellenlänge in dem Teilbereich, also für das gesamte Spektrum in dem Teilbereich. Im Gegensatz dazu wird ein Substrat als teiltransparent bezeichnet, wenn es wenigstens eine gewissen Transmissionsgrad aufweist, vorzugsweise wenigstens 20 % für jede Wellenlänge in dem Teilbereich, also für das gesamte Spektrum in einem hierin beschriebenen Teilbereich, aufweist.

Vorzugsweise ist das Substrat, insbesondere die Deckschicht, transparent, weist also in einem Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums, vorzugsweise im Bereich des sichtbaren Lichtes oder des nahinfraroten Lichtes oder des UV-Bereiches, insbesondere UV- A und/oder UV-B und/oder UV-C, einen Transmissionsgrad von wenigstens 50 %, vorzugsweise wenigstens 70 %, besonders bevorzugt wenigstens 80 %, wenigstens 90 % für jede Wellenlänge in dem Teilbereich auf.

Als ein transparentes Substrat kann aber auch ein Substrat bezeichnet werden, welches selektiv für bestimmte Wellenlängenbereiche im Bereich des sichtbaren Lichts eine hohe Durchlässigkeit aufweist, bspw. Hat das Substrat eine hohe Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 500 nm bis 800 nm. Dabei kann der Transmissionsgrad über den Wellenlängenbereich, welcher transmittiert wird, variieren, bspw. Für Wellenlängen im Bereich von 380 nm bis 500 nm nicht weniger als 70 % betragen, und im Bereich von 500 nm bis 750 nm nicht weniger als 90 % betragen. Beispielsweise transmittiert das Substrat Strahlung mit Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm. Besonders hohe Transmission, bspw. Einen Transmissionsgrad von 90% weist es bei Wellenlängen von 450 nm bis 690 nm auf; der Transmissionsgrad bei den Wellenlängen darunter und darüber beträgt bspw. 70 %.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das transparente Substrat, dessen äußere Oberfläche und/oder innere Oberfläche aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, nach dessen Strukturierung (d.h. nach Applikation einer ersten, zweiten und/oder weiteren Linien- oder Punktstruktur, wie hierin definiert) weiterhin transparent oder zumindest teiltransparent ist, insbesondere seine transparenten Eigenschaften beibehält.

Die Schwierigkeit liegt dabei darin, dass transparente oder teiltransparente Substrate in der Regel nicht oder zumindest wenig im Wellenlängenbereich des Laserlichts absorbieren. Diese Herausforderung stellt sich grundsätzlich bei transparenten oder teiltransparenten Substraten.

Es ist folglich eine große Herausforderung eine präzise, insbesondere eine zuverlässig reproduzierbare Materialveränderung auf der Oberfläche oder im Volumen des Substrates zu erzeugen. Um dennoch einen Energieeintrag in das Substrat zu gewährleisten, ist es zielführend, nichtlinear optische Effekte, wie beispielsweise Frequenzverdopplung, auszunutzen, weshalb die erfindungsgemäßen Substrate unter hohem Energieeintrag bei sehr kurzen Laserpulsdauern (jeweils insbesondere wie hierin definiert) erzeugt werden.

Eine präzise Fokussierung auf transparenten oder teiltransparenten Substraten ist eine weitere Herausforderung. Es wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch gelöst, dass ein Strahlteilerelement entlang des optischen Weges des Anregungslasers verschiebbar ausgebildet ist, sodass dadurch die Interferenzperiode anpassbar ist, wobei die restlichen optischen Elemente fixiert sind.

Alternativ dazu kann das Substrat auch ein intransparentes Material umfassen. Beispielsweise eignet sich ein solches strukturiertes Substrat als Negativform zur indirekten Aufbringung oder Erzeugung von Strukturen auf einem anderen, vorzugsweise transparenten oder transluzenten, Substrat.

Punktförmige Struktur/Interferenzmuster

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste periodische Struktur als eine erste periodische Punktstruktur aus wenigstens einem Interferenzpixel mit der ersten Interferenzperiode ausgebildet. Dabei weist das Interferenzpixel ein periodisches Gitter aus zumindest drei, vorzugsweise zumindest sieben, bevorzugt wenigstens dreizehn, besonders bevorzugt wenigstens 19, Zapfen oder inversen Zapfen auf oder das Interferenzpixel ist aus einem periodischen Gitter aus drei, vorzugsweise sieben, bevorzugt dreizehn, besonders bevorzugt 19, Zapfen oder inversen Zapfen gebildet.

Der Begriff „inverser Zapfen“ bezieht sich im Sinne dieser Erfindung auf Strukturen mit einer kreisförmigen, elliptischen, mehreckigen, wie bspw. Achteckigen, sechseckigen, fünfeckigen, dreieckigen oder im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche (bezogen auf die Oberfläche des Substrates), insbesondere mit einer kreisförmigen oder elliptischen Grundfläche, die in vertikaler Richtung zur Oberfläche des Substrates kegelförmig oder pyramidenförmig, insbesondere kegelförmig in das Substrat zulaufen und in deren Sattelpunkt über eine abgerundete Kegelspitze oder einen Kegelstumpf, insbesondere eine abgerundete Kegelspitze, verfügen. Bevorzugt erfolgt das Strukturieren der Oberfläche eines Substrates mit inversen Zapfen, d.h. das Applizieren der strukturierten Bereiche umfassend ein erstes, zweites, drittes und/oder weiteres Interferenzpixel, insbesondere auf der Deckschicht oder auf der ersten Deckschicht und/oder auf der zweiten Deckschicht, durch ein mechanisches Verfahren, Laserstrukturapplikationsverfahren und/oder mittels chemischer (Nach-)Behandlung. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die inversen Zapfen vorzugsweise während des Strukturierungsprozesses mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten Laserinterferenzstrukturierung erzeugt, d.h. beim Auftreffen eines Laserpulses als Folge des Auftreffens eines Bereiches hoher Intensität in das zu strukturierende Substrat ausgebildet, wobei die Bereiche zwischen den inversen Zapfen auf bzw. innerhalb des Substrates idealerweise durch destruktive Interferenz deren Intensität Null, insbesondere unterhalb einer materialabhängigen Intensitätsschwelle, ist, im Wesentlichen unstrukturiert verbleiben. Folglich wird durch die Fokussierung der Laser(teil)strahlen auf bzw. innerhalb des Substrats das Negativ von dem, was die Intensitätsverteilung vorgibt, ausgebildet. Die beschriebene Form der inversen Zapfen bezieht sich auf Punktstrukturen, welche an der Oberfläche des Substrates angeordnet sind. Eine Anordnung der Punktstrukturen in einer oder entlang einer Ebene innerhalb des Volumens führt zu einer Form welche symmetrischer, also eher nach der Form eines Ellipsoids, ausgebildet ist. Im Sinne der Erfindung sind auch die mittels Laserinterferenzstrukturierung innerhalb eines Volumens generierten Punktstrukturen als inverse Zapfen bezeichnet.

Inverse Zapfen mit einer elliptischen Grundfläche können in einem Strukturierungsprozess mittels Laserstrukturapplikationsverfahren beispielsweise durch Neigung des Substrates im Verhältnis zum Einfallswinkel des bzw. der fokussierten Laser(teil)strahlen erzeugt werden.

Als „Zapfen“ werden im Sinne dieser Erfindung Strukturen mit einer kreisförmigen, elliptischen, dreieckigen oder im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche, insbesondere mit einer kreisförmigen Grundfläche, bezeichnet, die in vertikaler Richtung kegelförmig aus dem Substrat herausragen und in deren Sattelpunkt über eine abgerundete Kegelspitze oder einen Kegelstumpf, insbesondere eine abgerundete Kegelspitze, verfügen. Zapfen können durch ein Aufbringen einer Negativform, die inverse Zapfen aufweist, in eine Oberfläche ein- bzw. auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Hierfür eignen sich bspw. Die Imprint- Lithographie, bspw. Der Nanoprägelithografie (wie hierin definiert).

Die hierin definierten periodischen Punktstrukturen, die vorzugsweise aus Zapfen und/oder inversen Zapfen (entsprechend der Ausrichtung zu einer äußeren Oberfläche einer Deckschicht bzw. in Richtung der Stapel- oder Beschichtungsrichtung) gebildet sind, haben gegenüber (periodischen) Linien- oder Wellenstrukturen den Vorteil, dass die einzelnen Vertiefungen bzw. Erhebungen eine Mantelfläche aufspannen, die sich vorzugsweise radial über den Zapfenquerschnitt (Durchmesser der Grundfläche des Zapfens oder inversen Zapfens) bis zum Sattelpunkt erstreckt. Dies ermöglicht es, dass die hierin definierten optischen Effekte, wie die Antireflexionseigenschaften und Benetzungseffekte unabhängig von der Ausrichtung der jeweiligen Deckschicht des Keramikelementes im Raum eingestellt werden können.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist für aneinander angrenzende Schichten, deren Oberflächen aus einem strukturierten und einem un strukturierten Bereich gebildet sind, vorgesehen, dass die Grenzfläche derart strukturiert ist, dass eine, der beiden zueinander angrenzenden, Schichten inverse Zapfen aufweist, wohingegen die daran angrenzende Schicht Zapfen aufweist. Vorzugsweise sind die Zapfen der einen Schicht dabei komplementär zu den inversen Zapfen der angrenzenden Schicht ausgebildet, besonders bevorzugt derart komplementär zu den inversen Zapfen der angrenzenden Schicht ausgebildet, dass jeder Zapfen der einen Oberfläche in einem inversen Zapfen der anderen Oberfläche angeordnet ist (sog. „Lego-Prinzip“). Ein derartig komplementär angeordneter Schichtstapel aus zumindest zwei Schichten, insbesondere einer ersten Deckschicht und einer zweiten Deckschicht oder einer Deckschicht und einer Grundschicht, hat darüber hinaus den Vorteil, dass die benachbart zueinander angeordneten Schichten ineinandergreifen, was zu einer Verzahnung der Schichten untereinander und somit zu einer erhöhten Stabilität des Schichtaufbaus führt. Anders als bei (periodisch zueinander angeordneten) Linien- oder Wellenstrukturen hat dies den großen Vorteil, dass sich die Schichten nicht gegenseitig zueinander in einer Raumrichtung verschieben lassen und/oder nicht über große Strecken, insbesondere über die Breite/Länge einer Schicht über lediglich einen Steg, der durch die Linien- oder Wellenstruktur gebildet wird, miteinander verbunden sind.

Der Begriff „Interferenzpixel“, bspw. Erstes, zweites, drittes und/oder weiteres Interferenzpixel bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung ein periodisches Muster bzw. Gitter von zumindest drei Zapfen oder inversen Zapfen, vorzugsweise von zumindest sieben Zapfen oder inversen Zapfen, ganz besonders bevorzugt zumindest 19 Zapfen oder inversen Zapfen auf der Oberfläche eines Substrates, die sich innerhalb eines Interferenzpixels ausbilden (vgl. Fig. 15). Dabei zeichnet sich ein Interferenzpixel, welches aus Zapfen oder inversen Zapfen gebildet ist, vorzugsweise dadurch aus, dass die Zapfen oder inversen Zapfen derart repetitiv zueinander ausgerichtet sind, dass bei dem Vorliegen von drei Zapfen bzw. inversen Zapfen diese so zueinander ausgerichtet sind, dass deren Scheitelpunkte (bei Zapfen deren Höhenmittelpunkte oder bei inversen Zapfen deren Zentren der Vertiefungen) zueinander den gleichen Abstand aufweisen (sog. Interferenzperiode). Bei dem Vorliegen von sieben Zapfen bzw. inversen Zapfen sind diese so zueinander ausgerichtet, dass ein Zapfen bzw. inverser Zapfen zentral im Gitter angeordnet ist, wohingegen die sechs verbleibenden Zapfen bzw. inverser Zapfen um das Zentrum derart angeordnet sind, dass jeder der Scheitelpunkte (bei Zapfen deren Höhenmittelpunkte oder bei inversen Zapfen deren Zentren der Vertiefungen) der sechs verbleibenden Zapfen bzw. inverser Zapfen zu dem Zapfen bzw. inverser Zapfen im Zentrum und zumindest zu weiteren zwei seiner benachbarten Zapfen bzw. inversen Zapfen den gleichen Abstand aufweist (sog. Interferenzperiode).

Vorzugsweise wird das periodische Muster bzw. Gitter des Interferenzpixels, insbesondere umfassend inverse Zapfen, durch mechanische Verfahren, Laserstrukturapplikationsverfahren und/oder mittels chemischer (Nach-)Behandlung, insbesondere durch direkte Laserinterferenzstrukturierung hergestellt. Im Falle der direkten Laserinterferenzstrukturierung wird das periodische Muster bzw. Gitter vorzugsweise durch das Überlagern von zumindest drei, besonders bevorzugt von zumindest vier Laser(teil-)strahlen infolge des Fokussierens (Bündelns) dieser Laser(teil-)strahlen auf die Oberfläche oder in das Innere des Substrats erzeugt, wodurch die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats konstruktiv und destruktiv interferieren.

Der Einsatz von Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten Laserinterferenzstrukturierung zur direkten Herstellung oder indirekten Herstellung (bspw. Im Falle der Imprint-Lithographie, insbesondere der Nanoprägelithografie) zur Herstellung strukturierter und unstrukturierter Bereiche auf der Oberfläche eines Substrates hat den Vorteil, dass die Zapfen oder inversen Zapfen einer periodischen Punktstrukturen innerhalb einer Art eines Interferenzpixels identische oder nahezu identische Abmessungen aufweisen. Vorzugsweise beträgt der Variationskoeffizient, also der Wert, der sich aus dem Quotienten aus Standardabweichung und Durchschnittswert ergibt, des Zapfenquerschnitts (Durchmesser der Grundfläche des Zapfens oder inversen Zapfens) max. 15,0 % oder weniger, mehr bevorzugt max. 10,0 % oder weniger, noch mehr bevorzugt max. 5,0 % oder weniger, insbesondere max. 2,5 % oder weniger, noch bevorzugter max. 1 ,0 % oder weniger aufweisen. Es lassen sich somit Zapfen oder inverse Zapfen herstellen, die zueinander in der Ausformung nahezu identisch sind. Dies erlaubt zudem eine bessere Nachweisbarkeit des erfindungsgemäß strukturierten Substrates gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Strukturierung/Beschichtung von Substraten (bspw. Ätzen, Partikelstrahlen, Polymerbeschichtung).

Dabei sind die so innerhalb eines Interferenzpixels erzeugten Punktstrukturen in Form als periodisch angeordnete, Zapfen oder inverse Zapfen ausgebildet, wobei zur Erzeugung einer Struktur auf einer Oberfläche des Substrates die Interferenzperiode, das heißt der Abstand zwischen den Scheitelpunkten zweier benachbarter Zapfen oder inverser Zapfen - also deren Höhenmittelpunkte oder Zentren der Vertiefungen, bezogen auf Zapfen, die durch ein Interferenzpixel gebildet sind, im statistischen Mittel im Bereich von 50 nm bis 200 pm, bevorzugt im Bereich von 500 nm bis 100 pm, mehr bevorzugt im Bereich von 1 pm bis 70 pm, besonders bevorzugt 5 pm bis 50 pm, ganz besonders bevorzugt 10 pm bis 20 pm. Vorzugsweise sind die Interferenzperioden kleiner als 700 nm, bevorzugt kleiner als 500 nm, und/oder größer als 15 pm. Vorteilhaft können dadurch gezielte Oberflächen-Eigenschaften erzeugt werden, wobei dennoch ungewollte Schimmereffekte auf der Oberfläche vermieden werden. Solche Schimmereffekte resultieren daraus, dass an den periodischen Strukturen, insbesondere an den periodischen Gitterstrukturen Beugungseffekte auftreten. Bei bestimmten Gitterperioden, also Interferenzperioden, kommt hierdurch im Bereich des sichtbaren Lichts zu einem Auftreten von regenbogenartigem Schimmer, der in der Regel unerwünscht ist. Die genannten Interferenzperioden können solche Effekte verhindern und trotzdem die gewünschten Eigenschaften der ersten äußeren Oberfläche eines Keramikelementes, erreichen.

Linienstruktur oder linienförmige Struktur

Die erste periodische Struktur ist nach einer möglichen Ausgestaltung als erste periodische Linienstruktur ausgebildet, die aus wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 7, parallel verlaufenden rillenförmigen Vertiefungen ausgebildet ist. Die rillenförmigen Vertiefungen sind derart angeordnet, dass der Abstand von einer rillenförmigen Vertiefung zu einer innerhalb der periodischen Linienstruktur benachbart angeordneten rillenförmigen Vertiefung immer identisch ist. Die einzelnen rillenförmigen Vertiefungen innerhalb der ersten periodischen Linienstruktur sind also äquidistant angeordnet. Die sich ergebende Periode der periodischen Linienstruktur, also die Strukturperiode, wird im Sinne der Erfindung als Interferenzperiode (p_n) bezeichnet. Dabei ist die Interferenzperiode der kürzeste Abstand von einem Punkt einer rillenförmigen Vertiefung zu einem analogen Punkt der innerhalb der periodischen Linienstruktur benachbart angeordneten rillenförmigen Vertiefung. So entspricht die Interferenzperiode beispielsweise dem kürzesten Weg zwischen zwei Mittellinien oder tiefsten Linien einer rillenförmigen Vertiefung. Die tiefsten Linien einer rillenförmigen Vertiefung sind dabei die Mittellinien, an denen das meiste Material abgetragen wurde. Tiefe gilt hier gegenüber der entsprechenden Oberfläche, insbesondere gegenüber dem unstrukturierten Bereich der Oberfläche.

Das gilt analog für rillenförmige Erhöhungen, wobei die tiefste Linie dann die höchste Linie ist. Rillenförmige Erhöhungen sind dabei im Sinne der Erfindung Strukturen, die sich formgleich zu einer Rille bzw. zu einer rillenförmigen Vertiefung aus der Oberfläche erheben. Eine Möglichkeit solche rillenförmigen Erhöhungen zu erzeugen ist das Aufbringen von rillenförmigen Vertiefungen auf eine Negativform und das anschließende Übertragen dieser Struktur auf die Deckschicht.

Analog zu den Punkstrukturen, also den Zapfen oder inversen Zapfen, können auch die rillenförmigen Vertiefungen und die rillenförmigen Erhöhungen innerhalb eines Interferenzpixels angeordnet sein. Dabei weist ein Interferenzpixel wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens fünf, bevorzugt wenigstens sieben parallel verlaufende, äquidistant angeordnete rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen auf.

Es können repetitiv nebeneinander angeordnete Interferenzpixel entweder eine periodische oder eine nicht-periodische Global-Struktur bilden. Die Freiheitsgrade sind dabei die gewählte Interferenzperiode, die Richtung der ersten Dimension, entlang derer die größte Ausdehnung der rillenförmigen Vertiefungen oder der rillenförmigen Erhöhungen ausgebildet ist, die Strukturtiefe sowie auch der Abstand bzw. Versatz der einzelnen Interferenzpixel. Dabei bildet die Globalstruktur den strukturierten Bereich.

Das Erzeugen der rillenförmigen Vertiefungen erfolgt bevorzugt mittels eines mechanischen Verfahrens, eines Laserstrukturapplikationsverfahrens und/oder mittels chemischer (Nach-)Behandlung.

Die Struktur, insbesondere auch deren Interferenzperiode ist im Allgemeinen abhängig von der Strukturierung einer Maske, dem Negativ der gewünschten periodischen Punktstruktur auf einem Formwerkzeug oder der Wellenlänge der interferierenden Laserstrahlen, dem Einfallswinkel der interferierenden Laserstrahlen und der Anzahl der interferierenden Laserstrahlen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die rillenförmigen Vertiefungen vorzugsweise während des Strukturierungsprozesses mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten Laserinterferenzstrukturierung erzeugt, d.h. beim Auftreffen eines Laserpulses als Folge des Auftreffens eines Bereiches hoher Intensität in das zu strukturierende Substrat ausgebildet, wobei die Bereiche zwischen den rillenförmigen Vertiefungen auf bzw. innerhalb des Substrates idealerweise durch destruktive Interferenz deren Intensität unterhalb einer materialabhängigen Intensitätsschwelle ist, im Wesentlichen unstrukturiert verbleiben. Folglich wird durch die Fokussierung der Laser(teil)strahlen auf bzw. innerhalb des Substrats das Negativ von dem, was die Intensitätsverteilung vorgibt, ausgebildet. Im Falle des Erzeugens der Vertiefungen, insbesondere der rillenförmigen Vertiefungen, durch direkte Laserinterferenzstrukturierung wird die periodische Struktur vorzugsweise durch das Überlagern von zumindest zwei, bevorzugt von genau zwei, Laser(teil-)strahlen infolge des Fokussierens (Bündelns) dieser Laser(teil-)strahlen auf die Oberfläche oder in das Innere des Substrats erzeugt, wodurch die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats konstruktiv und destruktiv interferieren.

Der Einsatz von Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten Laserinterferenzstrukturierung zur direkten Herstellung oder indirekten Herstellung (bspw. Im Falle der Imprint-Lithographie, insbesondere der Nanoprägelithografie) zur Herstellung strukturierter und unstrukturierter Bereiche auf der Oberfläche eines Substrates hat den Vorteil, dass die Vertiefungen, insbesondere die rillenförmigen Vertiefungen oder die rillenförmigen Erhöhungen, einer periodischen Punktstrukturen innerhalb einer Art einer periodischen Struktur, insbesondere periodischen Linienstruktur, identische oder nahezu identische Abmessungen aufweisen. Vorzugsweise beträgt der Variationskoeffizient, also der Wert, der sich aus dem Quotienten aus Standardabweichung und Durchschnittswert ergibt, der Rillenbreite (Breite der rillenförmigen Vertiefung oder Breite der rillenförmigen Erhöhung, ermittelt an der Oberfläche, also bevorzugt an der Grenze zu dem unstrukturierten Bereich) max. 15,0 % oder weniger, mehr bevorzugt max. 10,0 % oder weniger, noch mehr bevorzugt max. 5,0 % oder weniger, insbesondere max. 2,5 % oder weniger, noch bevorzugter max. 1,0 % oder weniger aufweisen. Es lassen sich somit rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen erzeugen, die zueinander in der Ausformung nahezu identisch sind. Dies erlaubt zudem eine bessere Nachweisbarkeit des erfindungsgemäß strukturierten Substrates gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Strukturierung/Beschichtung von Substraten (bspw. Ätzen, Partikelstrahlen, Polymerbeschichtung).

Dabei sind die so innerhalb einer periodischen Linienstruktur erzeugten Vertiefungen, in Form von periodisch angeordneten, rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, ausgebildet. Dabei liegt die Interferenzperiode der periodischen Linienstruktur, also der Abstand zwischen den Mittellinien zweier benachbarter rillenförmiger Vertiefungen oder rillenförmiger Erhöhungen im statistischen Mittel im Bereich von 50 nm bis 200 pm, bevorzugt im Bereich von 500 nm bis 100 pm, mehr bevorzugt im Bereich von 1 pm bis 70 pm, besonders bevorzugt 5 pm bis 50 pm, ganz besonders bevorzugt 10 pm bis 20 pm. Vorzugsweise sind die Interferenzperioden kleiner als 700 nm, bevorzugt kleiner als 500 nm, und/oder größer als 15 pm. Vorteilhaft können dadurch gezielte Oberflächen-Eigenschaften erzeugt werden, wobei dennoch ungewollte Schimmereffekte auf der Oberfläche vermieden werden. Solche Schimmereffekte resultieren daraus, dass an den periodischen Strukturen, insbesondere an den periodischen Gitterstrukturen Beugungseffekte auftreten. Bei bestimmten Gitterperioden, also Interferenzperioden, kommt hierdurch im Bereich des sichtbaren Lichts zu einem Auftreten von regenbogenartigem Schimmer, der in der Regel unerwünscht ist. Die genannten Interferenzperioden können solche Effekte verhindern und trotzdem die gewünschten Eigenschaften der ersten äußeren Oberfläche eines Keramikelementes, erreichen.

Rastern

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann durch das Bewegen des Substrats, insbesondere des gesamten Keramikelementes, in Relation zum Fokussierpunkt, welcher das Interferenzpixel mit einer periodischen Punktstruktur oder einer periodischen Linienstruktur erzeugt, in Kombination mit gepulsten Laser(teil-)strahlen somit eine flächige, optional homogene und periodische, Punkt- oder Linienstruktur auf der Oberfläche oder im Inneren eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, erzeugt werden.

Alternativ zum Bewegen des Substrats in Relation zum Fokussierpunkt kann auch der Fokussierpunkt (bspw. Durch scannerbasierte Methoden) über die Probe bzw. das Substrat geführt werden.

Eine Verschiebung des zu strukturierenden Substrates, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, im Laserstrahl kann aufgrund der relativ großen dabei bewegten Massen vergleichsweise aufwändig und langsam sein. Es ist daher vorteilhaft das Substrat, bevorzugt flächige und/oder transparente Substrat während der Bearbeitung ortsfest vorzusehen und die flächige Strukturierung des Substrates dadurch zu realisieren, dass die Fokussierung der Teilstrahlen auf die Oberfläche oder das Volumen des Substrats durch Manipulation der Laserteilstrahlen mit optischen Elementen (Fokussierspiegel bzw. Galvo- Spiegel (Laserscanner)) in Strahlrichtung bewirkt wird. Da die dabei bewegten Massen relativ klein sind, ist dies mit weit geringerem Aufwand bzw. viel schneller möglich. Vorzugsweise ist das Substrat während des Verfahrens ortsfest angeordnet. Es ist auch möglich zwischen einem Bewegen des Substrates und einem Führen des Fokussierpunktes über das Substrat zu wechseln, wodurch große Substrate, beispielsweise größer als 200 mm x 200 mm, effizient und dennoch definiert und reproduzierbar strukturiert werden können. Global-Struktur, insbesondere Global-Punktstruktur

Vorteilhaft können die einzelnen Pixel einer Art eines Interferenzpixels, bspw. Eines ersten Interferenzpixels, eines zweiten Interferenzpixels und/oder eines weiteren Interferenzpixels, die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet sind, global (d.h. über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene/Oberfläche) wahlweise eine periodische oder eine nicht-periodische Global-Punktstruktur, welche also den strukturierten Bereich bildet, ausbilden. Dabei ist eine periodische Global-Punktstruktur entweder eine vollperiodische Global-Punktstruktur oder eine quasi-periodische Global-Punktstruktur. Eine vollperiodische Global-Punktstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn der vorhergehende Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines Interferenzpixels jeweils um ein ganzes Vielfaches (bspw. 2, 3, 4, 5) der Interferenzperiode (p_n) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind. Es ergibt sich dadurch über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene ein vollperiodisches Muster, dessen Periode der Interferenzperiode (p_n) entspricht. Dieses vollperiodische Muster ist dann die erste periodische Struktur. Ein vollperiodisches Muster, dessen Periode der ersten Interferenzperiode (pi) entspricht, kann auch durch ein einzelnes Interferenzpixel gebildet werden.

Eine quasi-periodische Global-Punktstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn der vorhergehende Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines Interferenzpixels jeweils um ein gleiches, von einem ganzen Vielfachen abweichendem, Vielfachen (bspw. 0,5; 1 ,3; 2,6) der Interferenzperiode (p_n) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind. Dem gegenüber wird eine nicht-periodische Global-Punktstruktur erzeugt bzw. liegt vor, wenn die Interferenzperiode des nachfolgenden Pixels zum benachbarten, vorhergehenden Pixel variiert wird und/oder benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnete Pixel verdreht, bspw. Sukzessive verdreht appliziert werden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Global- Punktstruktur, die durch benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnete Pixel einer Art eines Interferenzpixels ausgebildet ist, eine vollperiodische Global-Punktstruktur oder eine quasi-periodische Global-Punktstruktur (jeweils wie vorstehend definiert).

Analog dazu kann eine Global-Linienstruktur erzeugt werden, bei der die Global- Linienstruktur den strukturierten Bereich bildet. Je nach Art der Strukturierung, insbesondere nach Wahl der Interferenzperiode sowie der exakten Positionierung des eine periodische Linienstruktur erzeugenden Interferenzpixels bzw. der repetitiv versetzt zueinander angeordneten eine periodische Linienstruktur erzeugender Interferenzpixel entsteht dabei eine Global-Linienstruktur, welche vollperiodisch oder quasi-periodisch oder nicht periodisch ausgebildet ist.

Im Sinne der Erfindung beschreibt eine Global-Struktur eine den strukturierten Bereich bildende Struktur aus beliebigen Vertiefungen, vorzugsweise aus inversen Zapfen und/oder rillenförmigen Vertiefungen oder gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung aus Zapfen und/oder rillenförmigen Erhöhungen. Eine solche Global-Struktur kann vollperiodisch, wobei dies vorzugsweise nur eine Art der Vertiefung erlaubt, oder quasiperiodisch oder nicht-periodisch ausgebildet sein. Die Art der Periodizität hat einen großen Einfluss auf die zu erreichenden Eigenschaften der Oberfläche, insbesondere auf die optischen Eigenschaften.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können tiefere Strukturtiefen dadurch erzeugt werden, dass eine Mehrfachbestrahlung von bereits bestehenden Vertiefungen, beispielsweise rillenförmiger Vertiefungen, erfolgt. Bei Linienstrukturen werden die Strukturtiefen tiefer, also größer, je stärker der Überlapp, insbesondere der Pulsüberlapp, also der Überlapp der Interferenzpixel, in Linienrichtung ist. Vorzugsweise erfolgt ein Überlapp quer zur Linienrichtung, was ebenfalls zu tieferen Strukturen führt.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben darüber hinaus herausgefunden, dass neben der Periodizität auch die Strukturtiefe (d.h. die Tiefe der inversen Zapfen, gemessen von deren Sattelpunkt der Vertiefung bis zum Scheitelpunkt) einen Einfluss auf die optischen Eigenschaften (wie hierin definiert) und die Benetzungseigenschaften und die haptischen Eigenschaften haben.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auch ein Keramikelement mit einem strukturierten Substrat, insbesondere mit einer Deckschicht umfasst, wobei die Oberfläche aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich besteht, wobei der strukturierte Bereich durch eine erste periodische Punktstruktur mit einer ersten Interferenzperiode oder durch eine erste periodische Linienstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich gebildet ist. Dabei ist die periodische Punktstruktur aus Zapfen oder inversen Zapfen oder die periodische Linienstruktur aus rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen gebildet, welche periodisch mit einem Abstand bezogen auf deren jeweiligen Sattelpunkt bzw. Höhenmittelpunkt (kreisförmige Grundfläche der Zapfen oder inversen Zapfen) bzw. bezogen auf die entsprechenden Mittellinien entsprechend der jeweils anzupassenden haptischen oder optischen Eigenschaft oder des zu erzielenden Benetzungseffekts im Bereich wie jeweils hierin definiert zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise besteht die erste periodische Punktstruktur oder die erste periodische Linienstruktur dabei aus einem oder mehreren versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixeln mit der ersten Interferenzperiode (pi).

Ein derart strukturiertes Substrat zeichnet sich dadurch aus, dass es über genau eine periodische Struktur (Punkt- oder Linienstruktur) mit genau einer Interferenzperiode verfügt. Es sind dabei keine überlagerten periodischen Strukturen vorhanden, welche eine zweite Interferenzperiode und/oder eine andere Art der Vertiefungen aufweisen. Somit ergibt sich eine präzisere Kontrolle der Substrateigenschaften, insbesondere der Transparenz des Substrats, welche aufgrund geringer Strukturtiefen, welche daraus resultieren, dass jedes Interferenzpixel gerade nur einmal bestrahlt wird, nicht durch die Strukturierung beeinträchtigt wird.

Vorzugsweise weist der strukturierte Bereich der Oberfläche des Substrates weiterhin eine zweite periodische Punktstruktur, auf, wobei die zweite periodische Struktur aus zumindest einem zweiten Interferenzpixel (11) mit einer zweiten Interferenzperiode (P2) gebildet ist. Dabei weist das zweite Interferenzpixel (11) zur Bildung einer zweiten periodischen Punktstruktur ein periodisches Gitter von zumindest drei Zapfen oder inversen Zapfen mit einer zweiten Interferenzperiode (P2) auf. Der strukturierte Bereich, also die Global-Struktur, wird somit aus einer Überlagerung aus einer ersten periodischen Punktoder Linienstruktur und zumindest einer zweiten periodischen Punktstruktur gebildet.

Optional weist der strukturierte Bereich eine zweite periodische Punktstruktur oder Linienstruktur mit einer zweiten Interferenzperiode im Mikro oder Submikrometerbereich auf. Vorzugsweise ist die zweite periodische Punktstruktur oder Linienstruktur aus wenigstens einem zweiten Interferenzpixel mit einer zweiten Interferenzperiode (P2) gebildet. Zur Bildung einer zweiten periodischen Punktstruktur oder Linienstruktur weist das zweite Interferenzpixel wenigstens drei inverse Zapfen oder drei parallel verlaufende rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen auf. Es liegt dann eine Global-Struktur vor, die eine Überlagerung aus einer ersten periodischen Punkt- oder Linienstruktur und einer zweiten periodischen Punkt- oder Linienstruktur ist. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis der ersten Interferenzperiode (pi) zur zweiten Interferenzperiode (P2) im Bereich von 20:1 bis 1:20, vorzugsweise im Bereich von 10:1 bis 1:10, besonders bevorzugt im Bereich von 5:1 bis 1:5, insbesondere 3:1 bis 1 :3. Besonders vorteilhaft kann hierdurch auf dem Substrat, insbesondere auf einer Deckschicht, vorzugweise einer zumindest teiltransparenten Deckschicht eines Keramikelements, eine Strukturierung erzeugt werden, die Anti-Glare Eigenschaften und/oder den hierin definierten Falleneffekt aufweist.

Nach einer möglichen Ausführungsform weisen die Zapfen oder inversen Zapfen oder die rillenförmigen Vertiefungen oder die rillenförmigen Erhöhungen des strukturierten Bereiches eines Substrates Seitenflächen auf. Dabei weisen die Seitenflächen eine überlagerte quasiperiodische oder periodische Linienstruktur oder eine glatte Seitenfläche auf. Die überlagerte quasi-periodische Linienstruktur wird bevorzugt durch LIPSS erzeugt. Alternativ dazu kann die überlagerte quasi-periodische oder periodische Linienstruktur auch durch ein nachgelagertes Strukturieren der Oberfläche des Substrates, bspw. Durch ein weiteres Abrastern der Oberfläche des Substrates mit einem Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten Laserinterferenzstrukturierung erzeugt werden, wobei die Strukturparameter der überlagernden quasi-periodischen oder periodischen Linienstruktur kleiner gewählt ist, als die der Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen.

Eine glatte Seitenfläche (Mantelfläche) der Vertiefungen, also der Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, wird dabei vorzugsweise dadurch erreicht, dass die einzelnen Vertiefungen bei der Strukturierung mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung nicht mehr als viermal, insbesondere nicht mehr als dreimal, besonders bevorzugt nicht mehr als zweimal, ganz besonders bevorzugt nur einmal bestrahlt werden. Dabei erfolgt die Erzeugung jedes Interferenzpixels vorzugsweise durch Einfach bestrahlung.

Im Sinne der Erfindung gilt eine Seitenfläche einer Struktur, bspw. eines Zapfens oder inversen Zapfens oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, als glatt, wenn der Mittenrauwert (R_a) gemäß DIN EN ISO 4287:2010 kleiner ist als 200 nm, vorzugsweise kleiner als 50 nm, besonders bevorzugt kleiner als 20 nm, ganz besonders bevorzugt kleiner als 5 nm.

Eine glatte Seitenfläche, auch als Mantelfläche bezeichnet, der Vertiefungen, also der Zapfen und/oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, hat gegenüber einer rauen Oberfläche den Vorteil, dass insbesondere bei Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung diese nicht diffus an der Oberfläche zurückgestreut wird bzw. werden kann. Die Seitenfläche der Vertiefungen dient somit bspw. bei der Einstellung von gewünschten optischen Eigenschaften. Bspw. dient die Mantelfläche der Zapfen oder inversen Zapfen somit bei der Ausnutzung des Falleneffekts als quasihomogene Spiegelfläche, die den Anteil reflektierter einfallender elektromagnetischer Strahlung innerhalb der Zapfen und/oder inversen Zapfen, insbesondere inversen Zapfen, bis zum Sattelpunkt reflektiert, wobei an jedem weiteren Reflexionspunkt innerhalb der Mantelfläche ein Anteil (verbleibender) elektromagnetischer in das Substrat, dessen äußere Oberfläche und/oder innere Oberfläche aus einem derartigen strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, einkoppelt (siehe bspw. Fig. 23).

So kann beispielsweise ein innerhalb der Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen auftretender Falleneffekt verbessert und so die Durchlässigkeit des Lichtes durch diese Grenzfläche erhöht werden, da die Seitenfläche als quasi-homogene Spiegelfläche dient, die den Anteil reflektierter einfallender elektromagnetischer Strahlung innerhalb der Vertiefungen, insbesondere der inversen Zapfen, bis zum Sattelpunkt reflektiert, wobei an jedem weiteren Reflexionspunkt innerhalb der Mantelfläche ein Anteil (verbleibender) elektromagnetischer Strahlung in das Substrat, dessen erste äußere Oberfläche aus einem derartigen strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, einkoppelt.

Dabei ist eine Seitenfläche oder Mantelfläche einer Vertiefung vorzugsweise auch dann glatt im Sinne der Erfindung, wenn die Struktur der Seitenfläche durch eine weitere überlagerte Struktur unterbrochen wird. Auch wenn der begrenzte Mittenrauwert an der Stelle des Überlapps aufgelöst ist, so ist dabei entscheidend, dass die einzelnen Strukturen für sich betrachtet glatt in diesem Sinne sind. Dies kann durch eine Erzeugung mittels Laserinterferenzstrukturierung erreicht werden.

Nach einer möglichen Ausgestaltung sind eine erste periodische Struktur und eine zweite periodische Punkt- oder Linienstruktur auf der ersten äußeren Oberfläche oder auf einer anderen Oberfläche des Keramikelementes überlagert angeordnet. Dabei weisen optional sowohl die erste periodische Struktur als auch die zweite periodische Punkt- oder Linienstruktur eine glatte Oberfläche auf. Dadurch können sowohl die Vorteile der glatten Seitenfläche erreicht werden als auch die Vorteile der überlagerten Strukturen ausgenutzt werden.

Nach einer weiteren möglichen Ausgestaltung weist die erste periodische Struktur und/oder die zweite periodische Punkt- oder Linienstruktur hierarchische Strukturen auf, bei denen sich die Interferenzperiode und/oder mittlere Strukturtiefe vorzugsweise um wenigstens einen Faktor 10 gegenüber der ersten periodischen Struktur bzw. der zweiten periodischen Punkt- oder Linienstruktur unterscheidet. Die Kombination derart unterschiedlicher

Strukturparameter erlaubt vorteilhaft eine gute Anpassung an die jeweiligen Anforderungen.

Vorzugsweise wird auf einen Überlapp eventuell vorhandener mehrerer Interferenzpixel einer Art verzichtet. Es tritt dann also kein Pulsüberlapp auf. Wenn doch ein Überlapp der Interferenzpixel, auch als Pulsüberlapp bezeichnet, auftritt, so wird dennoch vorzugsweise ein mehrfaches Bestrahlen desselben inversen Zapfens oder derselben rillenförmigen Vertiefung vermieden, sodass die Vertiefungen des überlappenden, nachfolgend aufgebrachten Interferenzpixels in den Bereichen zwischen den vorhergehend erzeugten inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen, insbesondere inversen Zapfen, also im unstrukturierten Bereich, generiert werden. (Wie in Fig. 8 visualisiert.) Dadurch kann eine überlagerte Struktur aus mehreren periodischen Strukturen, insbesondere mehreren periodischen Punktstrukturen, ohne ein Auftreten der LIPSS erreicht werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Generierung der vorgegebenen Eigenschaften aufgrund einer erhöhten Reproduzierbarkeit des Prozesses. Dies kann beispielsweise realisiert werden, in dem eine um 30 % der Interferenzperiode verschobene Struktur mit derselben Interferenzperiode aufgebracht wird. Dabei kann dann eine Mehrfachbestrahlung der inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen vermieden werden, obwohl es einen Überlapp der Interferenzpixel gibt.

Vorzugsweise ist die Grundfläche des Zapfens oder des inversen Zapfens kreisförmig oder elliptisch ausgebildet. Die Kreislinie weist dann also keine Unebenheiten auf, wie sie in der Regel beim Ätzen durch eine Maske mit kreisförmigen oder elliptischen Öffnungen auftreten.

Ein durch das hierin offenbarte Verfahren und die hierin offenbarte Vorrichtung erzeugtes Keramikelement eignet sich darüber hinaus zum weiteren Bearbeiten mittels eines Beschichtungsprozesses, wobei das Keramikelement eine physikalische und/oder chemische Beschichtung erhalten kann. Durch eine solche Beschichtung können die Eigenschaften des strukturierten Substrats, beispielsweise die Antireflexionseigenschaften und/oder hydrophile und/oder hydrophobe Eigenschaften verstärkt werden. Denkbar ist das Aufbringen einer chemischen Sprühbeschichtung und/oder das Aufbringen einer Beschichtung mittels chemical vapor deposition und/oder Sputtern.

Die Erfindung umfasst somit auch ein Keramikelement, welches eine Deckschicht mit einer Beschichtung aufweist. Dabei ist auf der strukturierten Oberfläche der Deckschicht eine Beschichtung, vorzugsweise eine Schutzbeschichtung, bevorzugt eine transparente Schutzbeschichtung, angeordnet. Eine solche Beschichtung, vorzugsweise Schutzbeschichtung, bevorzugt transparente Schutzbeschichtung, ist vorzugsweise sehr dünn ausgebildet und weist beispielsweise eine Dicke von 1 nm bis 5 pm auf. Dadurch bleibt die Struktur der strukturierten Oberfläche im Wesentlichen erhalten. Bevorzugt weist die Beschichtung, vorzugsweise Schutzbeschichtung, eine hohe Härte auf, wodurch die Langlebigkeit der strukturierten Oberfläche der Deckschicht, insbesondere der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht, bzw. des Keramikelementes erhöht und damit verbessert wird. Relevant ist hier, dass das unterliegende Substrat bereits eine strukturierte Oberfläche aufweist, also nicht nur die Beschichtung strukturiert ist. Durch die Kombination aus einer strukturierten Deckschicht, insbesondere der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht, und einer dünnen darauf angeordneten Beschichtung können durch die Oberflächenveränderung in Kombination mit den Eigenschaften der Materialien besondere Eigenschaften der Oberfläche, insbesondere spezielle Benetzungseigenschaften der resultierenden strukturierten Oberfläche, generiert werden.

Dabei ist die Beschichtung derart an dem Keramikelement auf der strukturierten Deckschicht angeordnet, dass die erste Punktstruktur in der Beschichtung ausgebildet ist und auch in der an die Beschichtung angrenzenden, unterliegenden Schicht, insbesondere der Deckschicht, ausgebildet ist.

Durch die Materialwahl der Beschichtung kann vorteilhaft der Wasserkontaktwinkel der Oberfläche definiert eingestellt werden. Die Oberflächenspannung wird dabei durch funktionale Endgruppen innerhalb der Beschichtung modifiziert, sodass entweder hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften entstehen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Material für die Beschichtung hydrophobe Benetzungseigenschaften auf. Dadurch kann eine super-hydrophobe Eigenschaft auch auf einem darunter liegenden hydrophilen Material, wie beispielsweise Glas, erreicht werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Material für die Beschichtung hydrophile Benetzungseigenschaften auf. Dadurch kann eine besonders langlebige und stabile superhydrophile Oberfläche erreicht werden.

Geeignete Materialien für eine hydrophobe Beschichtung sind dabei (Nano-)Beschichtungen auf Siliziumdioxidbasis, Fluorierte Silane und Fluorpolymerbeschichtungen, Manganoxid- Polystyrol (MnO2/PS)-Nanokomposite, Zinkoxid-Polystyrol (ZnO/PS)-Nanokomposite, Beschichtungen auf Basis von Kalziumkarbonat und auch Kohlenstoff- Nanoröhrenstrukturbeschichtungen, also eine Beschichtung welche Kohlenstoffnanoröhrchen aufweist , bevorzugt transparente Kohlenstoff- Nanoröhrenstrukturbeschichtungen.

Geeignete Materialien für eine hydrophile Beschichtung sind dabei beispielsweise keramische Materialien, wie BeO-basierte, MgO-basierte, TiO2-basierte, AI2O3-basierte, ZrO2-basierte, ZnO-basierte, SnO-basierte, SiO2-basierte, Alumosilikat-basierte Beschichtungen, Silikat-basierte Beschichtungen, Spinell-Keramiken, wie Mg-Al-Spinell, Aluminiumoxynitrid (ALON), Yttriumaluminiumgranat, Yttriumoxid-basierte Beschichtungen, Mischoxidkeramiken wie ATZ / ZTA, Siliciumcarbid (SiC), Wolframcarbid (WC), Alumosilikate, (Schicht)Silikatmatierialien sowie Kombinationen davonTiO2-basierte Beschichtungen, Hydrogele / Sol-Gel-Beschichtungen, Polymere auf Acrylatbasis / Acrylamid-Copolymere, Beschichtungen auf Polyurethan-Basis oder auch Polyalkoholdiepoxid.

Vorteilhaft sind Beschichtungen wie Hydrogele, Polymere auf Acrylatbasis sowie Beschichtungen auf Siliziumdioxidbasis und auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei geringer Dicke, insbesondere bis zu 5 pm, transparent, weisen also eine hohe Transmission auf. Dadurch können Deckschichten mit einer Beschichtung erzeugt werden, welche eine hohe Transmission (wie hierin beschrieben) aufweisen bzw. es kann vorteilhaft der optische Eindruck des Keramikelementes erhalten bleiben.

Zu den vorteilhaften Modifikationen der Oberfläche gehört die Bereitstellung hydrophober Polymere, wie Alkylketten und/oder Alkylsilan- und/oder fluorierte Alkylketten, die bevorzugt als Polymerbürsten ausgeführt sind. Polymerbürsten im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dichte Schichten von Polymerketten, die an eine Oberfläche gebunden oder gepfropft sind, häufig an einem Ende der Ketten. Die Methoden, mit denen Oberflächen modifiziert werden, um chemische Befestigungspunkte für die Ketten zu schaffen, sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise Biokonjugation, radikalische/anionische/katonische Kettenpolymerisation, besonders bevorzugt lebende Kettenpolymerisation und/oder oberflächeninduzierte Polymerisation (SIP). Dadurch lassen sich die Oberflächeneigenschaften wie Benetzbarkeit und Haftung nach Strukturierungs- und Verarbeitungsprozessen nachträglich verbessern. Bevorzugt weisen diese Schichten eine Schichtdicke von 10 bis 250 nm, bevorzugter von 20 bis 150 nm auf. Diese Schichten sind bevorzugt transparent und erlauben es, physikalische Eigenschaften wie die Hydrophobie zu beeinflussen, während die optischen Eigenschaften nicht beeinflusst werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Beschichtungen vorteilhaft so gestaltet, dass eine Änderung der Bedingungen, wie Temperatur oder pH-Wert, die Oberflächeneigenschaften beeinflusst. So kann die Hydrophobie des Materials gesteuert werden, z. B. durch Erhöhung der Temperatur. Vorteilshaft ermöglicht dies die Steuerung der Benetzbarkeit und Adhäsion erlauben.

Schichtdicken können mittels eines Rasterkraftmikroskops (atomic force microscopy, AFM) und/oder durch Ellipsometrie im UV/Vis Bereich bestimmt werden.

Zu erreichende Effekte

Ziel der Erfindung ist es strukturierte Bereiche auf Oberflächen von Deckschichten von Keramikelementen bereitzustellen, und dadurch die Rutschhemmung und/oder die optischen Effekte und/oder die Benetzungseffekte, insbesondere die Anti-Schmutzeigenschaften, dieser Keramikelemente einzustellen.

Haptischer Effekt oder Rutschhemmung:

Keramikelemente werden häufig auch in Bereichen eingesetzt, in denen sie als Bodenbeläge fungieren. So werden Keramikelemente beispielsweise als Bodenfliesen oder als Duschwannen genutzt. Insbesondere auch im Zusammenspiel mit Wasser, welches die Oberflächen der Keramikelemente benetzt, kommt es nachteilig häufig zu mangelnder Rutschhemmung bzw. einem zu geringen Gleitreibwert dieser Oberflächen.

Ein Gleitreibwert ist dabei im Sinne der Erfindung eine Kraft, welche bei zwei aneinander anliegenden Schichten oder Elementen, die gegeneinander verschoben werden, die Bewegung hemmt, also bremst und somit entgegen die Bewegungskraft wirkt. Dafür kann ein Gleitreibungskoeffizient definiert werden, welcher ein Maß für die Eigenschaften einer Oberfläche ist, also wie leicht ein Körper oder eine Schicht, an der den Gleitreibungskoeffizienten aufweisenden Oberfläche entlang gleiten kann. Eine Oberfläche mit einem geringen Gleitreibungskoeffizienten wird dabei als rutschig empfunden, während eine rutschhemmende Eigenschaft mit einem hohen Gleitreibungskoeffizienten korreliert ist.

Da rutschige Oberflächen häufig dazu führen, dass Personen, welche diese Oberflächen begehen, ausrutschen, bergen rutschige Oberflächen ein hohes Unfallpotential. Aus diesem Grund sind Anti-Rutscheigenschaften, insbesondere auf Bodenbelägen, sehr sicherheitsrelevant. Um die einzelnen Arten der Oberflächen diesbezüglich zu bewerten und zu unterscheiden, wurden verschiedene Normen entwickelt, welche Oberflächen und Beläge nach unterschiedlichen Kriterien einteilen.

Um rutschige Oberflächen zu vermeiden und Stürze möglichst zu verhindern gibt es insbesondere im gewerblichen Bereich eine Reihe von Normen und Richtlinien, die festlegen, welche Anforderungen an eine Rutschhemmung entsprechende Oberflächen erfüllen müssen.

So werden nach der DIN 51130 das zu prüfende Element, beispielsweise der Bodenbelag, zum Testen auf einem Gestell angebracht, sodass eine einstellbare Neigung des zu testenden Elementes möglich ist. Für den Test werden 200 ml eines festgelegten Motoröls pro Quadratmeter der zu testenden Oberfläche des Elementes aufgebracht. Eine Prüfperson geht mit einem definierten Arbeitsschuh über den Belag, während dieser langsam angehoben, also im Neigungswinkel verändert, wird. So geht die Prüfperson in einem immer steiler werdenden Winkel auf dem Bodenbelag. Entscheidend ist der Moment, in dem die Prüfperson ausrutscht oder eine unzureichende Trittsicherheit verspürt. Der dabei erreichte Grenzneigungswinkel des Elementes wird gemessen und für eine Einteilung in verschiedene Rutschsicherheitsklassen R1 bis R13 verwendet. Dabei gilt eine Rutschsicherheit nach DIN 51130 gemäß R9 bei einem Grenzneigungswinkel von 3° bis 10°, gemäß R10 bei einem Grenzneigungswinkel von 10° bis 19°, gemäß R11 bei einem Grenzneigungswinkel von 19° bis 27°, gemäß R12 bei einem Grenzneigungswinkel von 27° bis 35°, und gemäß R13 bei einem Grenzneigungswinkel von über 35°.

Eine weitere Art der Einteilung von rutschhemmenden Oberflächen in Bewertungsgruppen der Rutschsicherheit regelt DIN 51097 für öffentliche Barfußbereiche, wie beispielsweise von Schwimmbädern, Saunen oder Duschen. Die Einteilung erfolgt dabei in die drei Bewertungsgruppen für nassbelastete Barfußbereiche A (geringste Anforderung), B und C (höchste Anforderung). Die Oberfläche der zu prüfenden Oberfläche ist nach DIN 51097 gleichmäßig mit netzmittelhaltigem Leitungswasser zu besprühen. Eine barfüßige Prüfperson begeht die zu prüfende Oberfläche vor- sowie rückwärts und der Neigungswinkel der schiefen Ebene wird stufenweise gesteigert. Als Maß für die Rutschhemmung und die Gruppeneinteilung wird der Neigungswinkel (im Folgenden auch Grenz-Winkel), bei dem die Prüfperson die Grenze des sicheren Gehens erreicht, herangezogen. Beträgt dieser Grenz- Winkel mindestens 12° fällt die geprüfte Oberfläche gemäß DIN 51097 in die Bewertungsklasse A, ab einem Grenz-Winkel von 18° in Bewertungsklasse B sowie ab Grenz-Winkel 24° in Bewertungsklasse C. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein gezieltes Aufrauen einer äußeren und/oder inneren Oberfläche, vorzugsweise einer äußeren Oberfläche. Dabei ist das Aspektverhältnis der ersten periodischen Struktur, insbesondere einer ersten periodischen Punkt- oder Linienstruktur, oder einer zweiten periodischen Struktur vorzugsweise wenigstens 0,05, bevorzugt mehr als 0,4, wie wenigstens 0,45 oder 0,50, mehr bevorzugt wenigstens 0,5, wie wenigstens 0,55, 0,60, 0,65, 0,70, besonders bevorzugt wenigstens 0,75, ganz besonders bevorzugt wenigstens 1,0. Ein höheres Aspektverhältnis verbessert die Rutschfestigkeit, da es die Griffigkeit der Oberfläche erhöht, insbesondere in feuchten oder nassen Bereichen wie Badebereichen, Badezimmern, Eingangsbereichen. Zusammenfassend sorgt die spezielle Ausgestaltung und Strukturierung für eine erhöhte Sicherheit in feuchten oder nassen Bereichen und bietet gleichzeitig eine hohe Flexibilität in Design und Anwendung.

Die Erfindung umfasst auch ein Keramikelement mit Anti-Rutscheigenschaften, also mit rutschhemmenden Eigenschaften, insbesondere eine Fliese mit Anti-Rutscheigenschaften oder eine Badkeramik mit rutschhemmenden Eigenschaften, wobei das Keramikelement wenigstens eine Deckschicht zum Abschluss des Keramikelementes gegenüber der Umwelt aufweist, wobei die Deckschicht eine erste äußere Oberfläche aufweist, welche zur Umwelt, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zu einem im wesentlichen fluiden Medium, beispielsweise Luft oder Wasser, weist. Dabei wird die erste äußere Oberfläche durch einen strukturierten und einen unstrukturierten Bereich gebildet.

Der strukturierte Bereich weist wenigstens eine erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode auf. Die periodische Struktur ist dabei aus Vertiefungen gebildet. Diese Vertiefungen können dabei Zapfen, inverse Zapfen, rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen sein.

Die Eigenschaften der Oberfläche werden dabei wesentlich von den verschiedenen Strukturparametern beeinflusst. So können über die Art der Vertiefungen sowie die entsprechenden Strukturparameter die zu erzielenden Eigenschaften eingestellt werden.

Bevorzugt werden rutschhemmende Eigenschaften auf einer Oberfläche dadurch erreicht, dass der strukturierte Bereich eine periodische Punkt- oder Linienstruktur im Mikro- oder Nanobereich (Submikrometerbereich) aus inversen Zapfen oder Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen mit mittleren Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich aufweist. Die erste periodische Punkt- oder Linienstruktur eines Interferenzpixels weist insbesondere eine Interferenzperiode, d.h. einen mittleren Abstand bezogen auf den jeweiligen Sattelpunkt bzw. Höhenmittelpunkt bzw. Mittellinie zweier benachbarter inverser Zapfen bzw. Zapfen bzw. rillenförmigen Vertiefungen bzw. rillenförmigen Erhöhungen eines Interferenzpixels, von 50 nm bis 200 pm, vorzugsweise 500 nm bis 100 pm, besonders bevorzugt 1 pm bis 70 pm, ganz besonders bevorzugt von 5 pm bis 50 pm, noch mehr 10 mm bis 20 pm oder 20 pm bis 50 pm, auf. Vorzugsweise beträgt die mittlere Strukturbreite oder der Zapfendurchmesser maximal die Hälfte der Interferenzperiode, bevorzugt maximal ein Drittel der Interferenzperiode.

Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturgrößen, insbesondere die Breiten der rillenförmigen Vertiefungen oder der rillenförmigen Erhöhungen bzw. die Durchmesser Zapfen oder inversen Zapfen, auch bezeichnet als Zapfendurchmesser, darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Für die Erzeugung einer ersten äußeren Oberfläche, die rutschhemmende Eigenschaften aufweist, vorzugsweise wenigstens derart, dass eine Sicherheitsklasse R11 erreicht wird, weisen die Vertiefungen eines Interferenzpixels, insbesondere die inversen Zapfen oder Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 50 nm bis 20 pm, insbesondere im Bereich von 100 nm bis 10 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 5 pm, noch mehr bevorzugt maximal 2 pm, auf. Die Strukturtiefe der Vertiefungen, insbesondere die inversen Zapfen eines Interferenzpixels wird im Allgemeinen durch die mittlere Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Vertiefungen, insbesondere Zapfen mit einer bestimmten Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert. Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturtiefen darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten. Als Strukturtiefe wird entsprechend auch die mittlere Strukturhöhe der Vertiefungen, insbesondere der Zapfen oder rillenförmigen Erhöhungen bezeichnet.

Für die Erzeugung einer ersten äußeren Oberfläche, die rutschhemmende Eigenschaften aufweist, vorzugsweise wenigstens derart, dass eine Sicherheitsklasse R11 erreicht wird, weisen die Vertiefungen eines Interferenzpixels, insbesondere die inversen Zapfen oder Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturbreite oder Zapfendurchmesser von 20 nm bis 20 pm, vorzugsweise von 50 nm bis 10 pm, bevorzugt 1 pm bis 20 pm auf. Vorzugsweise beträgt die mittlere Strukturbreite oder der Zapfendurchmesser maximal die Hälfte der Interferenzperiode, bevorzugt maximal ein Drittel der Interferenzperiode.

Die geringen Strukturtiefen ermöglichen vorteilhaft zusätzlich zu den Anti- Rutscheigenschaften auch das Erhalten der optischen Eigenschaften, insbesondere der originären Transparenz des unstrukturierten Substrats, da die eingebrachten periodischen Strukturen aufgrund der geringen Strukturtiefe nicht „störend“ wirken. Dabei weicht die Transparenz des strukturierten Substrats gegenüber dem unstrukturierten Substrat gleichen Aufbaus um maximal 10 %, vorzugsweise um maximal 5 % oder 2 %, ab, wobei die Transparenz des strukturierten Substrates bevorzugt geringer ist als die des unstrukturierten Substrates gleichen Materials und Aufbaus. Insbesondere sind diese geringen Strukturtiefen durch eine Einfachbestrahlung mittels eines Laserpulses erzeugbar, bei der das Erzeugen von LIPSS-Strukturen vermieden wird. Dies ist beispielsweise bei einer Strukturierung von Keramikelementen relevant, bei denen die Deckschicht eine Glasur ist, die ein unterliegendes Muster oder eine Zeichnung bedeckt. Eine erste äußere Oberfläche mit einem strukturierten Bereich, welcher wenigstens eine periodische Punkt- oder Linienstruktur mit einer ersten Interferenzperiode aufweist, kann vorteilhaft verbesserte haptische Eigenschaften, insbesondere eine verbesserte Rutschhemmung der ersten äußeren Oberfläche aufweisen. Das Keramikelement, dessen erste äußere Oberfläche verbesserte rutschhemmende Eigenschaften aufweist wird dabei im Sinne der Erfindung als rutschhemmendes Keramikelement bezeichnet.

Ein rutschhemmendes Keramikelement kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung als Bodenbelag, insbesondere als rutschhemmende Fliese oder als rutschhemmende Badkeramik ausgebildet sein. Der Begriff der rutschhemmenden Badkeramik bezeichnet dabei insbesondere rutschhemmende Badewannen oder rutschhemmende Duschen, ist aber nicht auf diese beschränkt. Rutschhemmende Badkeramik bezeichnet dabei insbesondere auch andere Einrichtungen oder Elemente, bei denen rutschhemmende Eigenschaften zum Begehen im nassen Zustand relevant, insbesondere sicherheitsrelevant, sind.

Dabei werden im Sinne der Erfindung auch weitere Einrichtungen, wie beispielsweise Schwimmbecken, also Becken, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch einen Wasserstand aufweisen, der eine Fortbewegung durch gehen und/oder laufen ermöglicht, vorzugsweise bis zu 1,50 m, bevorzugt 0,80 m, Wasserstand, als Badkeramik angesehen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung erreicht ein Keramikelement wenigstens die Rutschsicherheitsklasse R10, bevorzugt wenigstens R11 , besonders bevorzugt wenigstens R12, ganz besonders bevorzugt wenigstens R13, wobei die Rutschsicherheitsklassen nach der DIN 51130 bestimmt wurden. Da gerade Ölfilme auf Keramikelementen sehr rutschig sein können, ist eine rutschhemmende Wirkung nach der DIN 51130 ein zuverlässiges Maß. Dabei schützen insbesondere die Rutschsicherheitsklassen R11 und höher besonders gut vor einem Ausrutschen und daraus resultierenden Verletzungen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung erreicht die erste äußere Oberfläche des Keramikelementes wenigstens die Bewertungsgruppe B, vorzugsweise die Bewertungsgruppe C, wobei diese Bewertungsgruppen entsprechend der DIN 51097 zu ermitteln sind. Ein Erreichen dieser Bewertungsgruppen ist besonders vorteilhaft, da ein Benetzen mit Wasser eine typische Gefahrenquelle auf Keramikelementen ist. So ist auf Oberflächen in Dusch- oder Badebereichen oft ein Wasserfilm auf dem Bodenbereich. Weiterhin kann geschmolzener Schnee im Winter oder Regen bei wärmerem Wetter zu einer verminderten Reibung führen. Wenn die Bewertungsgruppe B oder C erreicht wird, so bedeutet das einen zuverlässige Reibwirkung bei Nässe. Das rutschhemmende Keramikelement, also das Keramikelement mit Anti- Rutscheigenschaften, weist an der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht vorzugsweise einen Verdrängungsraum unter der Gehebene zum Abfluss von Wasser von wenigstens 4 cm³/dm³, bevorzugt von 6 cm³/dm³, besonders bevorzugt von 8 cm³/dm³, noch mehr bevorzugt von 10 cm³/dm³. Um solche guten Werte der Verdrängung zu erreichen, werden bevorzugt Linienstrukturen verwendet, bevorzugt wird die Global-Struktur dabei aus einer periodischen Linienstruktur gebildet. Die Vertiefungen können dabei entweder als rillenförmige Vertiefungen oder als rillenförmige Erhöhungen ausgebildet sein. Es sind aber auch Punktstrukturen geeignet, um hohe Verdrängungsräume zu erzeugen, vorzugsweise sind die Vertiefungen dann als Zapfen ausgebildet.

Vorteilhaft kann durch die Verdrängungsräume das Wasser gut abgeleitet werden. Dadurch können solche Keramikelemente vorteilhaft auch in Arbeitsräumen und Produktionsstätten eingesetzt werden, in denen gleitfördernde Stoffe, wie beispielsweise Fette, anfallen.

Bevorzugt weist die erste äußere Oberfläche der Deckschicht des rutschhemmenden Keramikelements einen Gleitreibwert, bevorzugt bei einer Benetzung mit Wasser, auf, der wenigstens 0,2 beträgt. Bevorzugt ist dieser Gleitreibwert wenigstens 0,3, besonders bevorzugt wenigstens 0,45. Vorteilhafterweise kann eine erhöhte Reibung die Gefahr des Ausrutschens minimieren. Die Gleitreibwerte beziehen sich dabei auf eine Ermittlung mittels eines Gleitreibungsmessgerätes, insbesondere mittels Gleitreibungsmessgerät GMG 100 / 200 nach DIN 51 131. Dabei wird ein Körper, der mit Gleitern ausgerüstet ist (Gleitkörper), mit konstanter Geschwindigkeit über den Bodenbelag gezogen und die hierzu erforderliche Kraft gemessen. Zur Berechnung des Gleitreibungskoeffizienten wird die gemessene Kraft durch die Gewichtskraft des Körpers dividiert. Als Standardgleitmittel wird NaLS Wasser und ein SBR Gleiter als standardisierter Gleiter (Gummi-Material) verwendet. Der Gleitreibwert wird dabei im Neuzustand bestimmt (Nullmessung).

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Gleitreibwert bei einer Benetzung mit Wasser maximal 1 ,5. Dadurch wird eine zu große Reibung zwischen der Oberfläche und den diese Oberfläche begehenden vorteilhaft vermieden. Somit wird das Risiko des Stolperns durch zu große Reibung minimiert.

Rutschhemmende Eigenschaften können auch durch Überlagerungen verschiedener periodischer Strukturen erreicht werden. So können beispielsweise Punkt- und Linienstrukturen miteinander kombiniert werden und es können auch periodische Strukturen mit unterschiedlichen Strukturparametern, insbesondere Interferenzperioden, miteinander auf der ersten äußeren Oberfläche kombiniert werden und so den strukturierten Bereich bilden.

Dadurch können vorzugsweise Keramikelemente mit einer Deckschicht erzielt werden, deren erste äußere Oberfläche sowohl rutschhemmende als auch Anti-Schmutzeigenschaften aufweisen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Keramikelement mit einer ersten äußeren Oberfläche mit rutschhemmenden Eigenschaften auch antibakterielle Eigenschaften auf.

Eine weitere Ausbildung eines Keramikelementes weist eine Deckschicht auf, deren erste äußere Oberfläche verbesserte optische Eigenschaften, beispielsweise Antireflexionseigenschaften oder Anti-Glare-Eigenschaften auf.

Bei einer Ausbildung eines Keramikelementes mit Anti-Rutscheigenschaften, mit einer Deckschicht und einer Grundschicht oder einem Grundkörper können auch die Grenzschichten, also die Oberfläche der Grundschicht bzw. des Grundkörpers oder die der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht abgewandte Seite der Deckschicht, einen strukturierten Bereich aufweisen. Derartige Strukturierungen auf den Grenzschichten können dabei zu verbesserten optischen Eigenschaften und/oder verbesserten Hafteigenschaften zwischen den Schichten führen.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelementes einer vorgegebenen äußeren Form mit Anti-Rutscheigenschaften, aufweisend folgende Schritte: a1) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials in Form von Ausgangsmaterialpulver oder einer Ausgangsmaterialmasse a2) Vorzugsweise Ausgeben eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Dispenser-Einheit, c) Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials d) Brennen des geformten und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials zu einem Keramikelement wobei vorhergehend zu Schritt c) oder nachfolgend zu Schritt c) ein strukturierter Bereich auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird, wobei dadurch Anti-Rutscheigenschaften erzeugt werden.

Eine geeignete Möglichkeit ist dabei das Erzeugen von hierarchischen Strukturen, bei denen die Interferenzperiode und/oder mittlere Strukturtiefe sich um wenigstens einen Faktor 10 unterscheidet. Besonders bevorzugt werden hierarchische Strukturen so erzeugt, dass mittels Mehrfachbestrahlung Selbstorganisationsprozesse effektiv quasi-periodische Strukturen, insbesondere quasiperiodische Linienstrukturen, erzeugen. Dadurch kann vorteilhaft die Oberflächenrauheit erhöht und die Dichte der Vertiefungen einfach erhöht werden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine hohe Prozessgeschwindigkeit. Weiterhin können so effektiv weitere Eigenschaften, insbesondere optische Eigenschaften, auf der Oberfläche erzeugt werden.

Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine periodische Struktur zunächst mittels eines Laserinterferenzverfahrens auf einer Negativform erzeugt und mittels der Negativform auf der Deckschicht aufgebracht wird. So können effektiv zu den auf der Negativform erzeugten Strukturen inverse bzw. korrespondierende Strukturen nach Art eines Stempels in einem verformbaren Material erzeugt werden.

Alternativ nutzt das Verfahren zur Erzeugung der Strukturen nur eine Einfachbestrahlung oder wenigstens eine maximal 2-fache oder maximal drei-fache Bestrahlung, bei der LIPSS- Strukturen aufgrund von Selbstorganisationsprozessen vermieden werden können. So können sehr zuverlässig reproduzierbare Strukturen erzeugt werden.

Anti-Schmutz

Keramikelemente neigen bei einem Einsatz in zahlreichen Anwendungsbereichen stark zum Verschmutzen. So werden Keramikelemente beispielsweise in Schwimmhallen eingesetzt, in denen sie stark beansprucht werden. Weiterhin werden Keramikelemente auch im Außenbereich, beispielsweise in Freibädern sowohl im Bereich der Schwimmbecken, als auch im Bereich um die Schwimmbecken herum eingesetzt. Dadurch sind derartig eingesetzte Keramikelemente stark dem Einfluss der Umwelt ausgesetzt und die Oberflächen, welche das Keramikelement zur Umwelt hin abschließen, neigen dazu, dass sich Wasser, auch in Form von Nebel oder Kondenswasser an den Oberflächen ablagert und die Oberflächen durch enthaltene Schmutzpartikel, welche an den Oberflächen haften, verschmutzen. Besonders relevant sind diese Verschmutzungseffekte bei rauen Oberflächen, welche oft eingesetzt werden, um eine geeignete Rutschhemmung im Laufbereich zu erzielen.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich ein hohes Aspektverhältnis von bevorzugt mindestens 0,5, bevorzugter von mindestens 1,0, bei strukturierten Oberflächen vorteilhaft auf deren Eigenschaften auswirken. Ihre Fähigkeit die Oberflächenbenetzbarkeit fein einzustellen, ermöglicht die Schaffung superhydrophober oder superhydrophiler Oberflächen, was die Bereitstellung von selbstreinigenden, keramischen Oberflächen und mikrofluidischen Vorrichtungen ermöglicht. Dies erlaubt die vereinfachte Reinigung der Flächen.

Folglich ist es ein Ziel der Erfindung ein Keramikelement bereitzustellen, dessen äußere Oberfläche derart modifiziert ist, dass die Benetzungseigenschaften der Oberfläche optimiert werden, wodurch eine Verbesserung der daraus resultierenden Anti-Fogging-Eigenschaften und/oder Anti-Schmutzeigenschaften erreicht werden kann.

Aufgrund der erzeugbaren, sehr geringen Strukturabmessungen eignen sich die hierin offenbarte Vorrichtung und das hierin offenbarte Verfahren auch zum Erzeugen von Oberflächen mit hydrophoben und/oder superhydrophoben sowie hydrophilen und/oder superhydrophilen Eigenschaften. Dabei ist es vorteilhaft, dass durch Applikation einer periodischen Struktur auf die Oberfläche des Substrates (wie hierin definiert), insbesondere der periodischen Punktstrukturen oder periodischen Linienstrukturen, die optischen Eigenschaften, insbesondere die originäre Transparenz des Substrates, insbesondere bei Applikation auf die äußere Oberfläche einer Deckschicht nicht bzw. kaum beeinträchtigt werden.

Die Erfindung umfasst auch ein Keramikelement mit Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften, insbesondere eine Fliese mit Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften oder eine Badkeramik mit Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften, wobei das Keramikelement wenigstens eine Deckschicht zum Abschluss des Keramikelementes gegenüber der Umwelt aufweist, wobei die Deckschicht eine erste äußere Oberfläche aufweist, welche zur Umwelt, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zu einem im wesentlichen fluiden Medium, beispielsweise Luft oder Wasser, weist. Dabei wird die erste äußere Oberfläche durch einen strukturierten und einen unstrukturierten Bereich gebildet. Der strukturierte Bereich weist wenigstens eine erste periodische Struktur, insbesondere eine Punktstruktur oder eine Linienstruktur, mit einer ersten Interferenzperiode auf. Die periodische Struktur ist dabei aus Vertiefungen gebildet. Diese Vertiefungen können dabei Zapfen, inverse Zapfen, rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen sein.

Um ein Auftreten von Anti-Fogging-Eigenschaften auf einer Oberfläche eines Keramikelementes zu erzielen, wird die Oberfläche derart modifiziert, dass es zu einem Vermeiden von Tröpfchenbildung kommt, sodass ein Beschlagen der Oberfläche mit feinsten Wassertröpfchen vermieden wird. Dies kann durch eine hydrophile, bevorzugt durch eine super-hydrophile, Oberfläche erreicht werden.

Eine Oberfläche mit Anti-Fogging-Eigenschaften führt vorteilhaft dazu, dass auf die Oberfläche auftreffendes Wasser, beispielsweise im Außenbereich durch Regen oder aber im Innenbereich durch einen Wasserstrahl, sich derart gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt, dass vorteilhaft ein Abtragen von anhaftenden Schmutzpartikeln auf einer solchen Oberfläche erleichtert wird. Die Eigenschaft, die Anzahl von anhaftenden Schmutzpartikeln an der Oberfläche zu reduzieren, wird auch als Anti-Schmutzeigenschaft bezeichnet.

Eine Oberfläche mit Anti-Schmutzeigenschaften kann aber auch dadurch erreicht werden, dass eine hydrophobe, bevorzugt super-hydrophobe, Oberfläche an einem Keramikelement generiert wird. Bei einer hydrophoben Oberfläche liegt der (unten definierte) Wasserkontaktwinkel bei über 90°, bei einer super-hydrophoben Oberfläche sogar bei deutlich über 90°. Die dabei auftretende starke Tröpfchenbildung an einer solchen Oberfläche, bei der die Flüssigkeitstropfen nahezu kugelförmig ausgebildet sind und nur wenig entlang der Oberfläche verlaufen, führt bei einem Auftreffen einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, ebenfalls dazu, dass anhaftende Sch mutz- Partikel von der Flüssigkeit abgetragen werden und so die Anzahl anhaftender Partikel an dieser Oberfläche - verglichen mit einer Oberfläche ohne diese Eigenschaften - reduziert werden.

Oberflächen mit Anti-Schmutzeigenschaften sind somit gerade dadurch charakterisiert, dass sie entweder stark hydrophobe oder stark hydrophile Eigenschaften aufweisen. Der Grad der Hydrophobie oder Hydrophilie einer Oberfläche kann dabei mittels des Wasserkontaktwinkels einer mit Wasser benetzten Oberfläche bestimmt werden. Ein

Wasserkontaktwinkel von weniger als 90° wird dabei als hydrophil und ein

Wasserkontaktwinkel von mehr als 90° wird dabei als hydrophob bezeichnet.

Im Sinne der Erfindung hat eine Oberfläche eine Anti-Schmutzeigenschaft wenn sie bei Benetzen mit Wasser einen Wasserkontaktwinkel von kleiner als 20° oder größer als 130°, bevorzugt kleiner als 10° oder größer als 140°, besonders bevorzugt kleiner als 5° oder größer als 150° aufweist.

Der Wasserkontaktwinkel einer Oberfläche wird mittels Tropfenkonturanalyse ermittelt. Diese Bildanalysemethode nutzt das Schattenbild eines auf der Oberfläche angeordneten bzw. liegenden Tropfens, wobei dessen Form auf der Oberfläche analysiert wird. Es wird dabei ein Tropfen von 2 pl deionisiertem Wasser auf der Oberfläche des Substrats verwendet. Die Umgebungstemperatur beträgt 22°C.

Ein weiterer Effekt, der an den strukturierten Oberflächen erreicht werden kann, ist eine Anti- Stickingeigenschaft, also eine reduzierte Halteeigenschaft bzw. eine reduzierte Hafteigenschaft, von festen Partikeln, insbesondere Schmutz- und Staubpartikeln. Dadurch bleibt ein geringerer Anteil an festen Partikeln an der Oberfläche haften. Vorteilhaft führt eine solche an einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht aufgebrachte Strukturierung zu einer saubereren ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht und bei Materialien, die zumindest teiltransparent, bevorzugt transparent, ausgebildet sind, auch zu einer besseren Transparenz der Deckschicht, da Schmutz- und Staubpartikel auch einen Teil des Lichtes absorbieren oder reflektieren. Vorzugsweise wird die Interferenzperiode kleiner gewählt als die mittlere Partikelgröße der Partikel deren Anhaften reduziert werden soll. Dadurch ist ein Anhaften gestört bzw. kann stark verringert werden. Dieser Effekt wird auch als Anti-Soiling- Effekt bezeichnet.

Gerade für Keramikelemente, bei denen die Transparenz der Oberflächen sehr relevant ist, ist es sehr problematisch, dass Partikel, insbesondere besonders kleine Partikel wie Staub, sehr stark an einer Oberfläche haften. Dies gilt ganz besonders für Staubpartikel mit einem Durchmesser von 0,2 pm bis 100 pm, besonders relevant sind auch Staubpartikel mit einem Durchmesser von 0,5 bis 20 pm, ganz besonders relevant sind Durchmesser von 1 bis 10 pm. Diese Partikel verschmutzen die Keramikelemente, was zu unerwünschtem Reibungsverhalten auf der Oberfläche oder auch einem unerwünschten optischen Eindruck führen kann. Zudem wird die Transparenz der Oberfläche reduziert, wodurch der optische Eindruck weiter verändert wird. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste periodische Punktstruktur oder eine Linienstruktur, bevorzugt eine überlagerte Linienstruktur, Interferenzperioden von kleiner als 100 pm, bevorzugt kleiner als 20 pm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 10 pm auf. Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung liegen die Interferenzperioden in einem Bereich von 50 nm bis 5 pm. Durch den an der Oberfläche gegenüber Staubpartikeln mit größeren Durchmessern als die jeweilige Interferenzperiode auftretenden Anti-Soiling-Effekt werden dann die zwischen den Staubpartikeln und der Oberfläche der Deckschicht wirkenden Van-der- Waals- Kräfte durch die Strukturierung reduziert. Dies führt zu einer Reduzierung der Haftung des Staubs bzw. der Partikel, insbesondere der Schmutzpartikel, an der Oberfläche der Deckschicht, aufgrund der reduzierten Kontaktfläche zwischen den Staubpartikeln und der Oberfläche.

Die Struktur wird dabei so gewählt, dass die funktionale Laserstruktur gerade kleiner ist als die mittlere Partikelverteilung. Je größer die Abweichung von der mittleren Partikelgröße, desto stärker ist der Anti-Soiling-Effekt.

Vorzugsweise ist die Strukturtiefe, insbesondere die mittlere Strukturtiefe im statistischen Mittel dso , der ersten periodischen Punktstruktur und/oder der überlagerten Linienstruktur dabei, also in Kombination mit den oben genannten Interferenzperioden zur Optimierung des Anti-Soiling-Effektes, im Bereich von 10 nm bis 20 pm, vorzugsweise bei 20 nm bis 1 pm, bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 200 nm. Vorteilhaft kann dabei der Anti-Soiling-Effekt erreicht werden, ohne die Transparenz wesentlich zu reduzieren. Vorteilhaft sieht das menschliche Auge die Strukturierung nicht, wobei der Staub bzw. Schmutz aber dennoch darauf durch geringeres Anhaften reagiert. Derart geringe Strukturtiefen erfordern auch nur geringe Laserpulsenergien bzw. Laserpulsleistungen, sodass die Prozessgeschwindigkeit vorteilhaft sehr hoch mit Flächengeschwindigkeiten von 0,01 m²/min und höher sein kann.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird auf einer Oberfläche der „Fakir- Effekt“ durch ein gezieltes Aufrauen einer äußeren und/oder inneren Oberfläche, vorzugsweise einer äußeren Oberfläche, erzeugt. Dabei ist das Aspektverhältnis der ersten periodischen Struktur, insbesondere einer ersten periodischen Punkt- oder Linienstruktur, oder einer zweiten periodischen Struktur vorzugsweise wenigstens 0,05, bevorzugt wenigstens 0,5, besonders bevorzugt wenigstens 1 ,0.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt das Aspektverhältnis maximal 0,1 und insbesondere nur 0,005. Dies kann beispielsweise durch eine Interferenzperiode von 20 pm und eine Strukturtiefe von 100 nm erreicht werden. Dadurch kann vorteilhaft das Haften von Staubpartikeln, aber auch von weiteren Partikeln, insbesondere von Wüsten-Sand, reduziert werden. Das Aspektverhältnis ist dabei im Sinne der Erfindung der Quotient aus Strukturtiefe, insbesondere mittlerer Strukturtiefe, und Interferenzperiode. Nach einer vorteilhaften Variante kann bei einer hierarchischen Strukturierung auch nur eine Art der Strukturierung, also mit einer bestimmten Interferenzperiode, ein solches Aspektverhältnis aufweisen. Dabei werden jeweils die Parameter dieser Art der Strukturierung also dieser periodischen Struktur zur Ermittlung des Aspektverhältnisses berücksichtigt.

Dieser "Fakir“-Effekt ist auch mit hohen Rauheiten bei nicht-periodischen Strukturen korreliert. Dabei ist die mittlere arithmetische Höhe SA, also die mittlere Rauheit eines jeden Punkts im Vergleich zum arithmetischen Mittel der Oberfläche, optional wenigstens 0,001 pm, vorzugsweise wenigstens 0,05 pm, bevorzugt wenigstens 0,2 pm, besonders bevorzugt wenigstens 1 ,0.

Dadurch, dass somit die ausgebildeten Strukturen vergleichsweise tief im Verhältnis zu einer vorgegebenen Interferenzperiode sind, wird die Kontaktfläche reduziert und es kann so ein Anhaften von Flüssigkeiten und Partikeln, wie beispielsweise Schmutzpartikeln, reduziert werden.

Die Erfindung umfasst auch ein Keramikelement mit Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften, insbesondere eine Fliese mit Anti- Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften oder eine Badkeramik mit Anti- Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften, wobei das Keramikelement wenigstens eine Deckschicht zum Abschluss des Keramikelementes gegenüber der Umwelt aufweist, wobei die Deckschicht eine erste äußere Oberfläche aufweist, welche zur Umwelt, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zu einem im wesentlichen fluiden Medium, beispielsweise Luft oder Wasser, weist. Dabei wird die erste äußere Oberfläche durch einen strukturierten und einen unstrukturierten Bereich gebildet.

Bei Benetzen mit Wasser ist der erreichte Wasserkontaktwinkel der ersten äußeren

Oberfläche der Deckschicht des Keramikelementes zur Erreichung der Anti- Schmutzeigenschaften dabei kleiner als 20° oder größer als 130°, bevorzugt kleiner als 10' oder größer als 140°, besonders bevorzugt kleiner als 5° oder größer als 150°.

Zum Erreichen der Anti-Fogging-Eigenschaften ist der erreichte Wasserkontaktwinkel der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht des Keramikelementes bei Benetzen mit Wasser dabei kleiner als 20°, bevorzugt kleiner als 10°, besonders bevorzugt kleiner als 5°.

Bevorzugt werden Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften auf einer Oberfläche dadurch erreicht, dass der strukturierte Bereich eine periodische Punktoder Linienstruktur im Mikro- oder Nanobereich (Submikrometerbereich) aus inversen Zapfen oder Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen mit mittleren Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich aufweist. Die erste periodische Punkt- oder Linienstruktur eines Interferenzpixels weist insbesondere eine Interferenzperiode, d.h. einen mittleren Abstand bezogen auf den jeweiligen Sattelpunkt bzw. Höhenmittelpunkt bzw. Mittellinie zweier benachbarter inverser Zapfen bzw. Zapfen bzw. rillenförmigen Vertiefungen bzw. rillenförmigen Erhöhungen eines Interferenzpixels, von 200 nm bis 50 pm, vorzugsweise 200 nm bis 20 pm, besonders bevorzugt 200 nm bis 10 pm, ganz besonders bevorzugt von 200 nm bis 500 nm, auf.

Vorzugsweise beträgt die mittlere Strukturbreite oder der Zapfendurchmesser maximal die Hälfte der Interferenzperiode, bevorzugt maximal ein Drittel der Interferenzperiode. Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturgrößen, insbesondere die Breiten der rillenförmigen Vertiefungen oder der rillenförmigen Erhöhungen bzw. die Durchmesser Zapfen oder inversen Zapfen, auch bezeichnet als Zapfendurchmesser, darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Dieser Struktur, vorzugsweise im Mikrometerbereich, kann eine weitere Struktur, bevorzugt im Nanometerbereich, überlagert sein, wobei die mittlere Abmessung der überlagernden Struktur bevorzugt Abmessungen im Bereich der Laserwellenlänge A, bzw. A/2, insbesondere von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt von 200 nm bis 500 nm aufweist. So kann eine solche Überlagerung beispielsweise als hierarchische Struktur, also als Überlagerung aus großen und kleinen Strukturen, ausgebildet sein. Beispielsweise können an den Vertiefungen der ersten Struktur dabei Linienstrukturen, insbesondere quasi-periodische Linienstrukturen, angeordnet sein.

Die Strukturen im Mikrometer oder Submikrometerbereich weisen bevorzugt Interferenzperioden von 50 nm bis 700 nm und/oder von 10 pm bis 50 pm, bevorzugt von 100 nm bis 500 nm und/oder von 15 pm bis 50 pm auf. Vorteilhaft können dadurch effektiv Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften erzeugt werden, wobei dennoch ungewollte Schimmereffekte auf der Oberfläche vermieden werden. Solche Schimmereffekte resultieren daraus, dass an den periodischen Strukturen, insbesondere an den periodischen Gitterstrukturen Beugungseffekte auftreten. Bei bestimmten Gitterperioden, also Interferenzperioden, kommt es im Bereich des sichtbaren Lichts zu einem Auftreten von regenbogenartigem Schimmer, der in der Regel unerwünscht ist. Die genannten Interferenzperioden können solche Effekte verhindern und trotzdem die gewünschten Eigenschaften, insbesondere Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging- Eigenschaften, erreichen.

Die Grundfläche der Vertiefungen, vorzugsweise der inversen Zapfen, beträgt vorzugsweise 10 % bis 40 % der Interferenzperiode der periodischen Punktstruktur.

Für die Erzeugung eines Keramikelementes, aufweisend eine Deckschichtmit einer ersten äußeren Oberfläche, die Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften aufweist, weisen die Vertiefungen, vorzugsweise eines Interferenzpixels, nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 0,05 pm bis 20 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 pm bis 10 pm, ganz besonders bevorzugt von 0,05 pm bis 5 pm, insbesondere von 0,05 pm bis 2 pm, mehr bevorzugt im Bereich von 0,1 pm bis 1 pm, ganz besonders bevorzugt von 0,5 pm bis 800 nm auf. Die Strukturtiefe der Vertiefungen, insbesondere der inversen Zapfen eines Interferenzpixels, wird im Allgemeinen durch die mittlere Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Vertiefungen, insbesondere Zapfen mit einer bestimmten Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert. Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturtiefen darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Die geringen Strukturtiefen ermöglichen vorteilhaft zusätzlich zu den Anti- Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften auch das Erhalten der optischen Eigenschaften, insbesondere der originären Transparenz des unstrukturierten Substrats, da die eingebrachten periodischen Strukturen aufgrund der geringen Strukturtiefe nicht „störend“ wirken. Dabei weicht die Transparenz des strukturierten Substrats gegenüber dem unstrukturierten Substrat gleichen Aufbaus um maximal 10 %, vorzugsweise um maximal 5 % oder 2 %, ab, wobei die Transparenz des strukturierten Substrates bevorzugt geringer ist als die des unstrukturierten Substrates gleichen Materials und Aufbaus. Insbesondere sind diese geringen Strukturtiefen durch eine Einfachbestrahlung mittels eines Laserpulses erzeugbar, bei der das Erzeugen von LIPSS-Strukturen vermieden wird. Dies ist beispielsweise bei einer Strukturierung von Keramikelementen relevant, bei denen die Deckschicht eine Glasur ist, die ein unterliegendes Muster oder eine Zeichnung bedeckt.

Von der vorliegenden Erfindung ist auch ein Keramikelement, aufweisend eine Deckschicht mit einer ersten äußeren Oberfläche mit antibakteriellen Eigenschaften umfasst, wobei die Oberfläche aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich besteht, wobei der strukturierte Bereich durch eine erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode im Mikro- oder Submikrometerbereich gebildet ist. Dabei ist die periodische Struktur aus Vertiefungen, insbesondere aus Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, gebildet, wobei die Vertiefungen periodisch mit einer ersten Interferenzperiode pi im Bereich von 50 nm bis 50 pm zueinander angeordnet sind. Ein derart strukturiertes Substrat zeichnet sich dadurch aus, dass es über eine periodische Struktur mit genau einer Interferenzperiode verfügt. Es sind keine überlagerten periodischen Strukturen vorhanden, welche eine zweite Interferenzperiode aufweisen. Somit ergibt sich eine präzisere Kontrolle der Substrateigenschaften, insbesondere der Transparenz des Substrats, welche aufgrund geringer Strukturtiefen, welche daraus resultieren, dass jedes Interferenzpixel, also auch jede Vertiefung, nur wenig, vorzugsweise maximal dreimal oder maximal zweimal, bevorzugt gerade nur einmal bestrahlt wird, nicht durch die Strukturierung beeinträchtigt wird. Zusätzlich bietet ein solches Keramikelement eine gute Kontrolle der hydrophilen Eigenschaften der Deckschicht, da zuverlässig ein spezifischer Wasserkontaktwinkel an der ersten äußeren Oberfläche erzeugt werden kann.

Eine Oberfläche, bei der eine einzelne periodische Struktur den strukturierten Bereich bildet, kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass potenziell auftretende LIPSS-Strukturen dadurch vermieden werden, dass eine Einfachbestrahlung, also ein einzelner Laserpuls zum Erzeugen der periodischen Punktstruktur, genutzt wird. Einfachbestrahlung verhindert das Auftreten von unkontrollierten Selbstorganisationsprozessen, welche zu LIPSS-Strukturen, im Sinne der Erfindung auch als quasi-periodische Wellenstrukturen bezeichnet, führen. Vorteilhaft ist dabei die zuverlässige Reproduzierbarkeit des Wasserkontaktwinkels.

Der periodischen Struktur zur Erzeugung der Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti- Fogging-Eigenschaften kann aber auch eine weitere Struktur, insbesondere eine Punktstruktur und/oder Linienstruktur, zur Beeinflussung weiterer Eigenschaften, wie beispielsweise der optischen oder der rutschhemmenden Eigenschaften, überlagert sein. Die resultierende Global-Struktur, welche also den strukturierten Bereich bildet, kann dann vollperiodisch oder quasi-periodisch oder nicht periodisch ausgebildet sein.

Vorzugsweise kann ein strukturiertes Substrat mit Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti- Fogging-Eigenschaften auch aus mehreren überlagerten, vorzugsweise hierarchischen Strukturen gebildet sein, aufweisend zumindest eine erste Struktur mit einer Interferenzperiode im Mikro- und/oder Submikrometerbereich und eine zweite Struktur mit einer Interferenzperiode im Mikro- und/oder Submikrometerbereich, wobei die erste Struktur Interferenzperioden aufweist, die deutlich größer sind als die der zweiten Struktur, und wobei zumindest eine Struktur aus inversen Zapfen (wie hierin definiert) gebildet ist, welche insbesondere durch interferierende Laserstrahlen erzeugbar sind. Bevorzugt weist die zweite Struktur Interferenzperioden mit Abmessungen im Bereich von 1 % bis 30 %, insbesondere von 5 % bis 20 %, bevorzugt von 5 % bis 15 % der Abmessungen der Interferenzperiode der ersten Punktstruktur auf. Vorteilhaft können durch hierarchische Strukturen die Anti- Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften eines Substrats zusätzlich verstärkt werden, da ein höherer Grad an Hydrophilie oder Hydrophobie erreicht werden kann. Dieser ist darauf zurückzuführen, dass hierarchische Strukturen im Vergleich zu herkömmlichen Strukturierungen im Mikro- oder Submikrometerbereich eine deutliche Erhöhung der Oberflächenrauigkeit erzielen. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Erzeugung von hydrophoben oder hydrophilen, bevorzugt mit super-hydrophoben oder super-hydrophilen Eigenschaften, auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht eines Keramikelementes. Somit ist ein Verfahren zur Erzeugung von Keramikelementen mit einer ersten äußeren Oberfläche mit Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften von der Erfindung umfasst, bei dem zur Herstellung eines Keramikelementes einer vorgegebenen äußeren Form mit Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Foggingeigenschaften, folgende Schritte durchzuführen sind: a1) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials in Form von Ausgangsmaterialpulver oder einer Ausgangsmaterialmasse a2) Vorzugsweise Ausgeben eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Dispenser-Einheit, c)Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials d) Brennen des geformten keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials zu einem Keramikelement wobei vorhergehend zu Schritt c) oder nachfolgend zu Schritt c) ein strukturierter Bereich auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird, wobei dadurch Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging- Eigenschaften erzeugt werden.

Hydrophobe Eigenschaften und auch hydrophile Eigenschaften hängen von der Materialbeschaffenheit, sowohl von der chemischen und/oder physikalischen Materialbeschaffenheit, als auch von der Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere der Oberflächenrauigkeit, eines Substrats ab.

Die Erfinder haben nun überraschend herausgefunden, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere hydrophobe oder hydrophile Substrate durch das Einbringen von Strukturierungen im Mikrometer- und Submikrometerbereich, insbesondere sich überlagernden Strukturen (wie hierin definiert) Substratoberflächen erhalten werden, die superhydrophobe oder super hydrophile und selbstreinigende Eigenschaften aufweisen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei Substraten mit superhydrophoben oder superhydrophilen Eigenschaften um Substrate mit einer hierarchischen

Oberflächenstrukturierung. Unter einer hierarchischen Oberflächenstrukturierung ist hierin zu verstehen, dass es sich um eine Oberfläche handelt, auf der sich eine erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode und einer ersten mittleren Strukturtiefe und eine zweite periodische Struktur mit einer zweiten Interferenzperiode und einer zweiten mittleren Strukturtiefe befindet, wobei die erste Interferenzperiode und/oder die erste mittlere Strukturtiefe wenigstens das 10-fache der zweiten Interferenzperiode und/ oder mittleren Strukturtiefe ist. Vorzugsweise sind auf der Oberfläche regelmäßige Strukturen mit Abmessungen, insbesondere der Interferenzperiode und/oder der mittleren Strukturtiefe, im Mikrometerbereich ausgebildet, welche wiederum ihrerseits an ihrer Oberfläche eine Strukturierung mit Abmessungen im Submikrometerbereich aufweisen. Beispielsweise ist dabei in Zapfen oder inversen Zapfen einer Punktstruktur überlagerte quasi-periodische Linienstrukturen angeordnet. Eine hierarchische Strukturierung kann zu einer hohen Oberflächenrauigkeit führen.

Die Erfinder haben zudem herausgefunden, dass sich Substrate, die vornehmlich durch eine hierin offenbarte Vorrichtung oder ein hierin offenbartes Verfahren strukturiert wurden, durch ausgeprägte hydrophobe oder hydrophile Eigenschaften an der Oberfläche eines Substrats auszeichnen. Mittels der hierin offenbarten Vorrichtung und des Verfahrens zur Erzeugung von Punktstrukturen mit Abmessungen im Mikro- und/oder Submikrometerbereich ist auch eine Strukturierung zur Erzeugung von einer Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere einer Oberflächenrauigkeit auf der Oberfläche eines Substrats möglich, welche dazu führt, dass das Substrat hydrophobe oder superhydrophobe oder hydrophile oder super hydrophile Eigenschaften aufweist. Hydrophobe oder hydrophile Materialeigenschaften können erzeugt werden, indem mittels der direkten Laserinterferenzstrukturierung eine Struktur mit Abmessungen im Mikro- und/oder Submikrometerbereich erzeugt wird.

Nach einer möglichen Ausgestaltung wird eine hierarchische Struktur erzeugt, wobei zunächst eine periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode und einer ersten mittleren Strukturtiefe erzeugt, wobei daraufhin eine zweite periodische Struktur mit einer zweiten Interferenzperiode und einer zweiten mittleren Strukturtiefe erzeugt wird, wobei die erste Interferenzperiode und/oder mittlere Strukturtiefe wenigstens das 10-fache der zweiten beträgt. Die höhere Strukturierungsdichte erhöht vorzugsweise den erzielten Effekt, insbesondere wird dadurch effektiv eine Anti-Schmutzeigenschaft und/oder Anti-Fogging- Eigenschaft erzielt.

In einer bevorzugten Ausführung wird zunächst eine Struktur mit Abmessungen im Mikrometerbereich an der Oberfläche erzeugt. Danach wird durch Verschieben des Strahlteilerelements im Strahlengang des Lasers eine Struktur mit Abmessungen im Submikrometerbereich auf der Oberfläche der ersten Struktur generiert, wobei vorzugsweise eine Mehrfachbestrahlung des Substrats erfolgt. Die so erzeugte hierarchische Struktur hat hydrophobe oder superhydrophobe oder hydrophile oder super hydrophile Eigenschaften.

Eine weitere Variante der Erzeugung von hierarchischen Strukturen verwendet vorteilhaft eine Mehrfachbestrahlung, bei der mehrere Laserpulse auf eine Position des Substrates treffen. Dadurch werden entstandene Vertiefungen mehrfach mit der Energie des Laserstrahls bestrahlt, sodass dadurch sogenannte LIPSS-Strukturen in den vorhandenen Vertiefungen auftreten. Dadurch entstehen insbesondere quasi-periodische Linienstrukturen innerhalb der Vertiefungen, vorzugsweise innerhalb der inversen Zapfen. Vorteilhaft können derartige Strukturen effizient ohne eine Verschiebung des Strahlteilerelements erzeugt werden.

Zum Erzeugen eines Substrates mit hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaften ist es ebenfalls denkbar, dass lediglich eine periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode im Mikro- oder Submikrometerbereich oder eine nicht-periodische Struktur mit mittleren Abständen der Vertiefungen im Mikro- oder Nanobereich erzeugt wird, ohne dass das Strahlteilerelement in einem Zwischenschritt bewegt wird. Um das Auftreten von unkontrollierten Selbstorganisationsprozessen, welche zu LIPSS-Strukturen, im Sinne der Erfindung auch als quasi-periodische Wellenstrukturen bezeichnet, führen, zu vermeiden, wird ein Interferenzpixel vorzugsweise mit maximal drei, bevorzugt mit maximal zwei, besonders bevorzugt mit nur einem Laserpuls bestrahlt.

Vorteilhaft können somit mittels desselben Verfahrens und auf Basis derselben Vorrichtung in technisch leicht realisierbarer Art und Weise Keramikelemente mit hydrophoben und/oder superhydrophoben oder hydrophilen und/oder superhydrophilen Eigenschaften erzeugt werden, indem eine hierarchische Struktur, vorzugsweise eine Struktur mit Abmessungen, insbesondere mit mittleren Abständen der Vertiefungen, im Mikro- oder Submikrometerbereich und/oder eine Struktur mit hierarchischer Überlagerung im Mikro- und Submikrometerbereich erzeugt wird. Durch das Verschieben des Strahlteilerelements ist vorteilhaft eine zumindest zweifache, aber auch eine beliebige Anzahl an weiterer Strukturierung auf der Oberfläche des Substrates ohne weitere Veränderung des Aufbaus, bspw. Ohne den Austausch von optischen Elementen oder Verschieben des Substrats, realisierbar. Dadurch ist sowohl die Präzision in der Ausrichtung der Strukturen als auch die Geschwindigkeit des Prozesses gesteigert gegenüber herkömmlichen Verfahren oder Vorrichtungen. Antibakteriell

Grundsätzlich haben Keramikelemente aufgrund deren typischer Einsatzgebiete, welche in der Regel in feuchtigkeitsbelasteten Bereichen liegen, eine hohe Keimbelastung. Aufgrund der vorliegenden Feuchtigkeit kommt es zu einer Anreicherung von Bakterien. Dabei ist dies besonders relevant, bei Keramikelementen mit einer Oberfläche, die Anti- Rutscheigenschaften aufweist. Eine solche Oberfläche mit Anti-Rutscheigenschaften wird im Stand der Technik häufig durch eine hohe Oberflächenrauheit erreicht, wodurch nachteilig die Reinigungseigenschaften der Oberfläche negativ beeinflusst werden. Dadurch kommt es zu Partikelanlagerungen und dadurch auch zu einer Bakterienanlagerung und/oder einem Bakterienwachstum auf den Oberflächen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es somit das Bakterienvorkommen an der Oberfläche eines Keramikelementes zu reduzieren. Dafür umfasst die Erfindung auch ein Keramikelement, insbesondere eine Fliese oder eine Badkeramik, mit einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht, welche antibakterielle Eigenschaften aufweist. Die Deckschicht zum Abschließen des Keramikelementes gegenüber der Umwelt weist dabei eine erste äußere Oberfläche auf, die aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist. Der strukturierte Bereich weist wenigstens eine erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode pi auf. Die erste periodische Struktur, insbesondere periodische Punktstruktur oder Linienstruktur, ist dabei aus Vertiefungen gebildet. Diese Vertiefungen können dabei Zapfen, inverse Zapfen, rillenförmige Vertiefungen oder rillenförmige Erhöhungen sein.

Die Eigenschaften der Oberfläche, insbesondere die Eigenschaften der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht eines Keramikelementes, werden dabei wesentlich von den verschiedenen Strukturparametern beeinflusst. So können über die Art der Vertiefungen sowie die entsprechenden Strukturparameter, insbesondere die Interferenzperiode und die Strukturtiefe oder die mittlere Strukturtiefe, die zu erzielenden Eigenschaften eingestellt und so kann eine Oberfläche mit antibakteriellen Eigenschaften generiert werden.

Bevorzugt werden antibakterielle Eigenschaften auf einer Oberfläche dadurch erreicht, dass der strukturierte Bereich eine periodische Punkt- oder Linienstruktur im Mikro- oder Nanobereich (Submikrometerbereich) aus inversen Zapfen oder Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen mit mittleren Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich aufweist. Die erste periodische Punkt- oder Linienstruktur eines Interferenzpixels weist insbesondere eine Interferenzperiode, d.h. einen mittleren Abstand bezogen auf den jeweiligen Sattelpunkt bzw. Höhenmittelpunkt bzw. Mittellinie zweier benachbarter inverser Zapfen bzw. Zapfen bzw. rillenförmigen Vertiefungen bzw. rillenförmigen Erhöhungen eines Interferenzpixels, von 50 nm bis 10 pm, vorzugsweise 50 nm bis 3 pm, besonders bevorzugt 100 nm bis 1 pm,, ganz besonders bevorzugt 200 nm bis 800 nm, auf. Besonders geeignet sind dabei Interferenzperioden von maximal 3 pm oder sogar maximal 1 pm, da diese die Zellhülle durchdringen können und damit die Bakterien direkt beschädigen, welche dann vorteilhaft absterben. Vorteilhaft wird so auch die Adhäsionskraft der Oberfläche besonders für kleine Partikel, also auch Bakterien, reduziert.

Vorzugsweise beträgt die mittlere Strukturbreite oder der Zapfendurchmesser maximal die Hälfte der Interferenzperiode, bevorzugt maximal ein Drittel der Interferenzperiode.

Einer ersten periodischen Struktur im Mikrometerbereich kann dabei eine weitere Struktur, bevorzugt im Nanometerbereich, überlagert sein, wobei die mittlere Abmessung der überlagernden Struktur bevorzugt Abmessungen im Bereich der Laserwellenlänge A, bzw. A/2, insbesondere von 50 nm bis 10 pm, vorzugsweise 50 nm bis 3 pm, besonders bevorzugt von 100 nm bis 1000 nm, noch mehr bevorzugt 200 nm bis 800 nm, aufweist. So kann eine solche Überlagerung beispielsweise als hierarchische Struktur ausgebildet sein. An den Vertiefungen der ersten Struktur, insbesondere der ersten periodischen Struktur, können dabei Linienstrukturen, insbesondere quasi-periodische Linienstrukturen, angeordnet sein.

Die Strukturen im Submikrometerbereich weisen bevorzugt Interferenzperioden von 50 nm bis 700 nm, bevorzugt von 100 nm bis 500 nm auf. Vorteilhaft können dadurch effektiv antibakterielle Eigenschaften erzeugt werden, wobei dennoch ungewollte Schimmereffekte auf der Oberfläche vermieden werden. Solche Schimmereffekte resultieren daraus, dass an den periodischen Strukturen, insbesondere an den periodischen Gitterstrukturen Beugungseffekte auftreten. Bei bestimmten Gitterperioden, also Interferenzperioden, kommt hierdurch im Bereich des sichtbaren Lichts zu einem Auftreten von regenbogenartigem Schimmer, der in der Regel unerwünscht ist. Die genannten Interferenzperioden können solche Effekte verhindern und trotzdem die gewünschten Eigenschaften der ersten äußeren Oberfläche eines Keramikelementes, insbesondere antibakterielle Eigenschaften, erreichen.

Für die Erzeugung eines Keramikelementes, aufweisend eine Deckschicht mit einer ersten äußeren Oberfläche, die antibakterielle Eigenschaften aufweist, weisen die Vertiefungen, vorzugsweise Interferenzpixel, einer periodischen Struktur, bevorzugt der ersten periodischen Struktur, nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 0,05 pm bis 20 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 pm bis 10 pm, ganz besonders bevorzugt von 0,05 pm bis 5 pm, insbesondere von 0,05 pm bis 2 pm, mehr bevorzugt im Bereich von 0,1 pm bis 1 pm, ganz besonders bevorzugt von 0,5 pm bis 800 nm auf. Die Strukturtiefe der Vertiefungen, insbesondere der inversen Zapfen eines Interferenzpixels, wird im Allgemeinen durch die mittlere Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Vertiefungen, insbesondere der inversen Zapfen mit einer bestimmten Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert. Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturtiefen darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Die geringen Strukturtiefen ermöglichen vorteilhaft zusätzlich zu den antibakteriellen Eigenschaften auch das Erhalten der optischen Eigenschaften, insbesondere der originären Transparenz des unstrukturierten Substrats, also der Deckschicht des Keramikelements, da die eingebrachten periodischen Strukturen aufgrund der geringen Strukturtiefe nicht „störend“ wirken. Dabei weicht die Transparenz des strukturierten Substrats gegenüber dem unstrukturierten Substrat gleichen Aufbaus bevorzugt um maximal 10 %, vorzugsweise um maximal 5 % oder 2 %, ab, wobei die Transparenz des strukturierten Substrates bevorzugt geringer ist als die des unstrukturierten Substrates gleichen Materials und Aufbaus. Insbesondere sind diese geringen Strukturtiefen durch eine Einfachbestrahlung mittels eines Laserpulses erzeugbar, bei der das Erzeugen von LIPSS-Strukturen vermieden wird. Die Transparenz der Deckschicht und auch allgemein ein Erhalten der optischen Eigenschaften der Deckschicht ist beispielsweise bei einer Strukturierung von Keramikelementen relevant, bei denen die Deckschicht eine Glasur ist, die ein unterliegendes Muster oder eine Zeichnung bedeckt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird auf einer Oberfläche der „Fakir- Effekt“ durch ein gezieltes Aufrauen einer äußeren und/oder inneren Oberfläche, vorzugsweise einer äußeren Oberfläche, erzeugt. Dabei ist das Aspektverhältnis der ersten Punktstruktur oder einer zweiten Punktstruktur oder einer Linienstruktur vorzugsweise wenigstens 0,5, bevorzugt wenigstens 1,0. Das Aspektverhältnis ist dabei der Quotient aus Strukturtiefe, insbesondere mittlerer Strukturtiefe, und Interferenzperiode. Dadurch, dass somit die ausgebildeten Strukturen vergleichsweise tief im Verhältnis zu einer vorgegebenen Interferenzperiode sind, wird die Kontaktfläche reduziert und es kann so ein Anhaften von Flüssigkeiten und Partikeln, wie beispielsweise Bakterien, reduziert werden. Nach einer vorteilhaften Variante kann bei einer hierarchischen Strukturierung auch nur eine Art der Strukturierung, also mit einer bestimmten Interferenzperiode, ein solches Aspektverhältnis aufweisen. Dabei werden jeweils die Parameter dieser Art der Strukturierung also dieser periodischen Struktur zur Ermittlung des Aspektverhältnisses berücksichtigt.

Dieser „Fakir“-Effekt ist auch mit hohen Rauheiten bei nicht-periodischen Strukturen korreliert.

Von der vorliegenden Erfindung ist auch ein Keramikelement, insbesondere eine Fliese oder eine Badkeramik mit einer Deckschicht mit einer ersten äußeren Oberfläche mit antibakteriellen Eigenschaften umfasst, wobei die erste äußere Oberfläche aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich besteht, wobei der strukturierte Bereich durch eine erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode im Mikro- oder Submikrometerbereich gebildet ist. Dabei ist die erste periodische Struktur aus Vertiefungen, insbesondere aus Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, gebildet, wobei die Vertiefungen periodisch mit einer ersten Interferenzperiode p1 im Bereich von 50 nm bis 50 pm, vorzugsweise 100 nm bis 3 pm, bevorzugt 200 nm bis 2 pm, zueinander angeordnet sind. Eine derart strukturierte erste äußere Oberfläche einer Deckschicht zeichnet sich dadurch aus, dass es über eine periodische Struktur mit genau einer Interferenzperiode p1 verfügt. Es sind keine überlagerten periodischen Strukturen vorhanden, welche eine zweite Interferenzperiode aufweisen. Somit ergibt sich eine präzisere Kontrolle der Substrateigenschaften, insbesondere der Transparenz des Substrats, welche aufgrund geringer Strukturtiefen, welche daraus resultieren, dass jedes Interferenzpixel, also auch jede Vertiefung, vorzugsweise mit nur wenigen (maximal drei oder maximal zwei) Laserpulsen, bevorzugt gerade nur einmal bestrahlt wird, nicht durch die Strukturierung beeinträchtigt wird.

Zusätzlich bietet ein solches Keramikelement eine gute Kontrolle der antibakteriellen Eigenschaften der Deckschicht, da zuverlässig eine reproduzierbare Struktur, bevorzugt mit einem Aspektverhältnis von wenigstens 0,5, vorzugsweise wenigstens 1, an der ersten äußeren Oberfläche erzeugt werden kann.

Eine Oberfläche, bei der eine einzelne periodische Struktur den strukturierten Bereich bildet, kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass potenziell auftretende LIPSS-Strukturen dadurch vermieden werden, dass eine Einfachbestrahlung, also ein einzelner Laserpuls zum Erzeugen der periodischen Punktstruktur, genutzt wird. Einfachbestrahlung verhindert das Auftreten von unkontrollierten Selbstorganisationsprozessen, welche zu LIPSS-Strukturen, im Sinne der Erfindung auch als quasi-periodische Wellenstrukturen bezeichnet, führen. Vorteilhaft ist dabei die zuverlässige Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht des Keramikelementes.

Der periodischen Struktur zur Erzeugung der antibakteriellen Eigenschaften kann aber auch eine weitere Struktur, insbesondere eine Punktstruktur und/oder Linienstruktur, zur Beeinflussung derselben und/oder weiterer Eigenschaften, wie beispielsweise der optischen oder der rutschhemmenden Eigenschaften, überlagert sein. Die resultierende Global- Struktur, welche also den strukturierten Bereich bildet, kann dann vollperiodisch oder quasiperiodisch oder nicht periodisch ausgebildet sein.

Vorzugsweise kann ein Keramikelement, aufweisend eine erste äußere Oberfläche mit antibakteriellen Eigenschaften auch aus mehreren überlagerten, vorzugsweise hierarchischen Strukturen gebildet sein, bevorzugt aufweisend zumindest eine erste Struktur mit einer ersten Interferenzperiode im Mikro- und/oder Submikrometerbereich und eine zweite Struktur mit einer zweiten Interferenzperiode im Mikro- und/oder Submikrometerbereich, wobei die erste Struktur Interferenzperioden aufweist, die deutlich größer, also wenigstens 10-fach, bevorzugt 100-fach, sind als die der zweiten Struktur, und wobei zumindest eine Struktur aus inversen Zapfen (wie hierin definiert) gebildet ist, welche insbesondere durch interferierende Laserstrahlen erzeugbar sind. Bevorzugt weist die zweite Struktur Interferenzperioden mit Abmessungen im Bereich von 1 % bis 30 %, insbesondere von 5 % bis 20 %, bevorzugt von 5 % bis 15 % der Abmessungen der Interferenzperiode der ersten Punktstruktur auf. Vorteilhaft können durch hierarchische Strukturen die antibakteriellen Eigenschaften eines Substrats zusätzlich verstärkt werden, da ein höheres Aspektverhältnis, also das Verhältnis der mittleren Strukturtiefe zum mittleren Abstand der einzelnen Vertiefungen, erreichbar ist. Weiterhin können durch hierarchische Strukturen vorteilhaft zusätzliche Eigenschaften, vorzugsweise geeignete Haptikeigenschaften, vorzugsweise Anti-Rutscheigenschaften, oder auch sehr kleine, beispielsweise LIPSS- Strukturen, für eine antibakterielle Eigenschaft der Oberfläche, erzeugt werden.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Erzeugung von Oberflächen mit antibakteriellen Eigenschaften auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht eines Keramikelementes. Somit ist ein Verfahren zur Erzeugung von Keramikelementen mit einer ersten äußeren Oberfläche mit antibakteriellen Eigenschaften von der Erfindung umfasst.

Vorzugsweise wird auf der ersten äußeren Oberfläche dabei eine erste oder weitere periodische Struktur mit einer Interferenzperiode erzeugt, bei der die Interferenzperiode im Bereich von 50 nm bis 2 pm liegt.

Eine bevorzugt Ausführungsform stellt ein Keramikelement dar, dessen Deckschicht eine erste äußere Oberfläche aufweist, die sowohl Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti- Fogging-Eigenschaften als auch antibakterielle Eigenschaften aufweist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Keramikelement eine Deckschicht mit einer ersten äußeren Oberfläche mit antibakteriellen und auch mit Anti-Rutscheigenschaften auf. Dadurch kann ein rutschhemmendes Keramikelement zur Verfügung gestellt werden, wobei die erste äußere Oberfläche auch antibakterielle Eigenschaften aufweist. Diese Kombination hat gegenüber dem Stand der Technik

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelementes einer vorgegebenen äußeren Form mit antibakteriellen Eigenschaften, aufweisend folgende Schritte: a1) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials in Form von Ausgangsmaterialpulver oder einer Ausgangsmaterialmasse a2) Vorzugsweise Ausgeben eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Dispenser-Einheit, b) Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials c) Brennen des geformten keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials zu einem Keramikelement wobei vorhergehend zu Schritt c) oder nachfolgend zu Schritt c) ein strukturierter Bereich auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird, wobei dadurch antibakterielle Eigenschaften erzeugt werden.

Optische Effekte:

Der optische Eindruck eines Keramikelementes wird im Wesentlichen durch die Transparenz, die Absorption und durch die Reflexion der Deckschicht des Keramikelementes beeinflusst. Um ein gezieltes Einstellen bzw. Beeinflussen des optischen Eindrucks zu erhalten können die optischen Eigenschaften eines Keramikelementes mittels einer Strukturierung optimiert werden.

Dabei spielt das an den einzelnen Grenzflächen oder Oberflächen des Keramikelementes reflektierte Licht eine besonders große Rolle, da dies den optischen Eindruck im Auge des Betrachters besonders prägt. Bei bestimmten Anwendungen soll die Reflektion dabei vorzugsweise unterdrückt werden oder das Keramikelement wenigsten so modifiziert werden, dass starke Reflexion in eine bestimmte Richtung vermieden wird. Eine Unterdrückung der Reflexion kann erfindungsgemäß vorteilhaft durch ein Keramikelement mit einer Oberfläche und/oder einer Grenzfläche erreicht werden, die Antireflexionseigenschaften, wie nachfolgend ausgeführt, aufweist. Ein Vermeiden einer starken Reflexion in einzelne Richtungen wiederum kann durch ein Keramikelement mit einer Oberfläche und/oder Grenzfläche mit Anti-Glare-Eigenschaften erreicht werden.

Die Erfindung umfasst auch ein Keramikelement, also insbesondere eine Fliese oder eine Badkeramik, mit verbesserten optischen Eigenschaften. Dabei weist das Keramikelement eine Deckschicht mit einer ersten äußeren Oberfläche auf. Die erste äußere Oberfläche ist dabei aus einem strukturierten Bereich und einem unstrukturierten Bereich gebildet, wobei der strukturierte Bereich aus Vertiefungen, insbesondere aus Zapfen, inversen Zapfen, rillenförmigen Vertiefungen und/oder rillenförmigen Erhöhungen gebildet ist. Der strukturierte Bereich weist wenigstens eine erste periodische Struktur aus Vertiefungen, insbesondere Zapfen, inversen Zapfen, rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, mit einer Interferenzperiode p1 auf.

Der strukturierte Bereich kann dabei weiterhin zusätzliche überlagerte Strukturen aufweisen, wodurch die Eigenschaften der Oberfläche, insbesondere die optischen Eigenschaften, gezielt beeinflussbar sind.

Alternativ kann der strukturierte Bereich auch aus einer periodischen Struktur gebildet sein, und somit nur eine periodische Struktur mit genau einer Interferenzperiode aufweisen, wodurch vorteilhaft die Reproduzierbarkeit verbessert wird. Auch kann eine Deckschicht, welche teiltransparent oder transparent ausgebildet ist, von einer solchen Struktur dahingehend vorteilhaft beeinflusst werden, als dass die teiltransparente oder transparente Deckschicht, welche eine erste äußere Oberfläche mit einem aus einer periodischen Struktur gebildeten strukturierten Bereich aufweist, auch nach der Strukturierung noch nahezu ebenso teiltransparent oder transparent ausgebildet ist. Dabei weicht die Transparenz der Deckschicht gegenüber der unstrukturierten Deckschicht gleichen Aufbaus bevorzugt um maximal 10 %, vorzugsweise um maximal 5 % oder 2 %, ab, wobei die Transparenz der strukturierten Deckschicht bevorzugt geringer ist als die der unstrukturierten Deckschicht gleichen Materials und Aufbaus. Insbesondere sind diese geringen Strukturtiefen durch eine Einfachbestrahlung mittels eines Laserpulses erzeugbar, bei der das Erzeugen von LIPSS- Strukturen vermieden wird. Die Transparenz der Deckschicht und auch allgemein ein Erhalten der optischen Eigenschaften der Deckschicht ist beispielsweise bei einer Strukturierung von Keramikelementen relevant, bei denen die Deckschicht eine Glasur ist, die ein unterliegendes Muster oder eine Zeichnung bedeckt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Deckschicht eine „erste Deckschicht“ und eine „zweite Deckschicht“ umfassen, wobei a) die „erste Deckschicht“ in Stapelrichtung (S) der zweiten Deckschicht vorgelagert angeordnet ist und vorzugsweise der optional vorhandenen Grundschicht nachgelagert und der zweiten Deckschicht vorgelagert angeordnet ist, und b) die „zweite Deckschicht“ in Stapelrichtung (S) der ersten Deckschicht nachgelagert angeordnet ist und vorzugsweise den direkten Abschluss des Keramikelementes in Stapelrichtung gegenüber der Umwelt darstellt.

Sowohl die erste Deckschicht als auch die zweite Deckschicht weisen eine erste äußere Oberfläche und eine zweite äußere Oberfläche auf. So kann vorgesehen sein, dass die erste äußere Oberfläche und/oder die zweite äußere Oberfläche der ersten Deckschicht und/oder die erste äußere Oberfläche und/oder die zweite äußere Oberfläche der zweiten Deckschicht aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich (wie hierin definiert) gebildet ist.

Dadurch können vorteilhaft die optischen Eigenschaften einzelner Oberflächen gezielt und auch mehrerer Oberflächen gleichzeitig vorteilhaft beeinflusst werden.

Antireflexion

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Keramikelement mit wenigstens einer Deckschicht, wobei die Deckschicht eine erste und/oder eine zweite äußere Oberfläche mit Antireflexionseigenschaften aufweist. Dafür ist die erste und/oder zweite äußere Oberfläche aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet. Der strukturierte Bereich weist dabei wenigstens eine erste periodische Struktur, insbesondere Punktstruktur oder Linienstruktur, mit einer ersten Interferenzperiode auf, welche aus Vertiefungen, insbesondere Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, gebildet ist.

Nach einer möglichen Ausgestaltung weist das Keramikelement weiterhin eine Grundschicht auf, deren zur Deckschicht weisende Oberfläche durch einen strukturierten und einen unstrukturierten Bereich gebildet ist, sodass diese zur Deckschicht weisende Oberfläche Anti-Reflexionseigenschaften aufweist. Im Sinne der Erfindung beziehen sich Antireflexionseigenschaften hierin insbesondere auf das vermehrte Transmittieren, bzw. Beugen von einfallender elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im für den Menschen optisch sichtbaren Spektralbereich, insbesondere 380 bis 780 nm, oder im Bereich von Ultraviolettstrahlung (insbesondere 100 bis 380 nm) oder Infrarotstrahlung (insbesondere 780 bis 10.000 nm).

Die hierin definierten Strukturparameter zur Erzeugung einer Oberfläche, die Antireflexionseigenschaften aufweist, wie die Interferenzperiode und Strukturtiefe, insbesondere die Interferenzperiode, erlauben es vorteilhaft, den Anteil reflektierter Strahlung an einer Grenzfläche eines Substrates, vorzugsweise einer Deckschicht, um zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 70%, besonders bevorzugt zumindest 80%, ganz besonders bevorzugt zumindest 90%, insbesondere zumindest 95% zu reduzieren.

Die Antireflexionseigenschaften für sichtbares Licht kommen insbesondere zustande, wenn die Abmessungen der erzeugten Struktur, also die Interferenzperiode und Abmessung der Vertiefungen, insbesondere der einzelnen Zapfen oder inversen Zapfen, in Bereichen kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegen, also vorzugsweise unterhalb von 700 nm.

Unter Reflexion versteht man in der Physik das Zurückwerfen von einer elektromagnetischen Welle an einer Grenzfläche von Materialien unterschiedlichen Brechungsindizes. Der Reflexionswinkel und der Transmissionswinkel von Licht in transparenten Substraten können allgemein über das Snelliussche Brechungsgesetz berechnet werden zu n₁sln6₁ = n₂sinö₂ berechnet, wobei ni und n2 den Brechungsindex des Umgebungsmediums, beispielsweise von Luft, und dem Material der Deckschicht oder Grundschicht angeben und öi und Ö2 jeweils die Winkel des einfallenden und des reflektierten Strahls angeben.

Durch die periodische Struktur, insbesondere periodische Punktstruktur, auf der äußeren Oberfläche der Deck- oder Grundschicht verändert sich der Brechungsindex der Deck- oder Grundschicht im Bereich der Oberfläche oder Grenzfläche in der Form, dass sich ein gradueller Brechungsindex ergibt. Das hat zur Folge, dass Licht mit Wellenlängen größer der Interferenzperiode (p_n) der periodischen Punktstruktur vermehrt transmittiert wird. Licht mit Wellenlängen kleiner oder gleich der periodischen Struktur, vorzugsweise der periodischen Punktstruktur, wird an der Oberfläche gebeugt. Antireflexionseigenschaften bezeichnen im Sinne der Erfindung Strukturen, vorzugsweise Punktstrukturen, aber auch Linienstrukturen, deren Abmessungen im Bereich der einfallenden elektromagnetischen Welle liegen, sodass der Brechungsindexunterschied „aufgeweicht“ wird, wodurch eine Einkopplung der einfallenden Welle in die entsprechende Schicht erfolgt. Dabei kann auch ein Teil der einfallenden elektromagnetischen Welle leicht vom Betrachter weggebeugt werden.

Zusätzlich umfasst der Begriff Antireflexionseigenschaften im Sinne der Erfindung auch, dass der Brechungsindex an der Grenze zwischen dem ersten Medium, zum Beispiel Luft, und dem Substrat, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, graduell ist, sodass für die einfallende elektromagnetische Welle kein klarer Übergang von einem Medium zum anderen vorhanden ist und die einfallende elektromagnetische Welle vermehrt transmittiert wird. Vorzugsweise ist eine Anti-Reflexionseigenschaft dabei bzgl. Sichtbarem Licht zu verstehen.

Der Brechungsindex des strukturierten Substrats ist dabei durch die erzeugte periodische Punktstruktur graduell. Er nimmt über die Höhe der Struktur hinweg ab, sodass kein klarer Medium-Medium-Übergang existiert. Dadurch kommt es zur erhöhten Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge größer als die Interferenzperiode der erzeugten Struktur, vorzugsweise Punktstruktur, und zur Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge im Bereich der Interferenzperiode der erzeugten Struktur in die Deck- oder Grundschicht.

Im Sinne der Erfindung beschreibt ein Keramikelement mit einer Deckschicht mit Antireflexionseigenschaften auch eine solche Deckschicht, welche einen strukturierten Bereich aufweist, der aus sich überlagernden Strukturen besteht, wobei also der ersten periodischen Struktur eine weitere Struktur überlagert ist, wobei mindestens eine Struktur Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich aufweist, und wobei zumindest eine Struktur aus Vertiefungen, insbesondere aus Zapfen oder inversen Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen (wie hierin definiert), gebildet ist, welche insbesondere durch interferierende Laserstrahlen erzeugbar sind. Vorzugsweise ist die weitere Struktur eine Linienstruktur aus rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen oder eine weitere periodische Punktstruktur aus Zapfen oder inversen Zapfen. So können vorteilhaft mehrere Eigenschaften der Oberfläche gleichzeitig eingestellt werden. Beispielsweise kann der strukturierte Bereich, insbesondere die Struktur, aus sich überlagernden periodischen Strukturen, bei dem Einsatz von interferierenden Laserstrahlen durch entsprechende Ausgestaltung der Parameter, insbesondere der Verfahrensparameter, (Auswahl der Laserstrahlungsquelle, Anordnung der optischen Elemente) an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung optimal angepasst werden.

Nach einer möglichen Ausgestaltung weist ein Keramikelement mit einer Deckschicht mit einer ersten äußeren Oberfläche und/oder einer zweiten äußeren Oberfläche mit anti- reflektierenden Eigenschaften eine periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode auf, die den strukturierten Bereich bildet. Vorteilhaft können die Anti- Reflexionseigenschaften dadurch sehr zuverlässig und gut reproduzierbar eingestellt werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zur Beeinflussung der Oberflächen- oder Grenzflächen-Eigenschaften (bspw. Ätzen, Sandstrahlen, Polymerbeschichtungen) ist es bei Verwendung von Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten Laserinterferenzstrukturierung nicht erforderlich, dass die gesamte Oberfläche strukturiert werden muss. Der Anteil der strukturierten Oberfläche (Bedeckungsgrad an Vertiefungen, insbesondere inversen Zapfen, pro Flächeneinheit, der durch die Anzahl und den Durchmesser bzw. die Breite der Vertiefungen, vorzugsweise der inversen Zapfen, bedingt ist), d.h. der Anteil des strukturierten Bereiches der Oberfläche beträgt vorzugsweise 3 % bis 99 %, besonders bevorzugt 5 % bis 80 %, ganz besonders bevorzugt 7 % bis 70 %, insbesondere 10 % bis 50 %. Dies erlaubt nicht nur eine bessere Nachweisbarkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Strukturierung/Beschichtung von Oberflächen, sondern hat diesen gegenüber den Vorteil, dass weniger Defekte oder anfälligere Strukturen in die Ebene der Oberfläche und/oder Grenzfläche eingebracht werden, um die hierin definierten Eigenschaften zu erzielen.

Für die Erzeugung einer Oberfläche, die Antireflexionseigenschaften aufweist, weisen die Vertiefungen, insbesondere die Zapfen oder inversen Zapfen oder die rillenförmigen Vertiefungen oder die rillenförmigen Erhöhungen, eines Interferenzpixels nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 5 nm bis 10 pm, insbesondere im Bereich von 10 nm bis 5 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 800 nm, ganz besonders bevorzugt von 100 nm bis 500 nm auf. Die Strukturtiefe der inversen Zapfen eines Interferenzpixels wird im Allgemeinen durch die mittlere Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Zapfen mit einer bestimmten Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert. Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturtiefen darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die Vertiefungen der ersten periodischen Struktur, vorzugsweise die inversen Zapfen der ersten periodischen Punktstruktur, eine mittlere Strukturtiefe im Bereich von 5 nm bis 800 nm, besonders bevorzugt von 5 nm bis 500 nm, ganz besonders bevorzugt von 5 nm bis 200 nm, insbesondere im Bereich von 5 nm bis 150 nm oder im Bereich von 10 nm bis 100 nm auf. Dass die Vertiefungen, insbesondere die inversen Zapfen, eine derart geringe Strukturtiefe aufweisen, hat den Vorteil, dass damit auch sehr dünne Deckschichten, insbesondere die Deckschichten von Keramikelementen, mit ausgeprägten Antireflexionseigenschaften erhalten werden, ohne dabei die Eigenschaften, insbesondere die Transparenz, der Deckschicht zu beeinträchtigen. Derart geringe Strukturtiefen können vorzugsweise mittels Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere der direkten Laserinterferenzstrukturierung erhalten werden. Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben diese nochmals geringeren Strukturtiefen den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, noch weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Die geringen Strukturtiefen ermöglichen vorteilhaft zusätzlich zu den Anti- Reflexionseigenschaften auch das Erhalten der weiteren optischen Eigenschaften, insbesondere der originären Transparenz des unstrukturierten Substrats, insbesondere der Deckschicht des Keramikelements wie beispielsweise einer Glasur, da die eingebrachten periodischen Strukturen aufgrund der geringen Strukturtiefe nicht „störend“ wirken. Dabei weicht die Transparenz des strukturierten Substrats gegenüber dem unstrukturierten Substrat gleichen Aufbaus bevorzugt um maximal 10 %, vorzugsweise um maximal 5 % oder 2 %, ab, wobei die Transparenz des strukturierten Substrates bevorzugt geringer ist als die des unstrukturierten Substrates gleichen Materials und Aufbaus. Insbesondere sind diese geringen Strukturtiefen durch eine Einfachbestrahlung mittels eines Laserpulses erzeugbar, bei der das Erzeugen von LIPSS-Strukturen vermieden wird. Die Transparenz der Deckschicht und auch allgemein ein Erhalten der optischen Eigenschaften der Deckschicht ist beispielsweise bei einer Strukturierung von Keramikelementen relevant, bei denen die Deckschicht eine Glasur ist, die ein unterliegendes Muster oder eine Zeichnung bedeckt.

Bevorzugt werden Antireflexionseigenschaften auf einer Oberfläche dadurch erreicht, dass der strukturierte Bereich durch eine periodische Struktur, vorzugsweise durch eine periodische Punktstruktur, im Nanobereich (Submikrometerbereich) aus Vertiefungen, vorzugsweise inversen Zapfen oder Zapfen, mit mittleren Abmessungen im Submikrometerbereich gebildet ist oder eine solche periodische Punktstruktur im Nanobereich wenigstens aufweist. Die periodische Punktstruktur eines Interferenzpixels weist insbesondere eine Interferenzperiode von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt 200 nm bis 700 nm, ganz besonders bevorzugt von 200 nm bis 450 nm. Vorzugsweise beträgt die mittlere Strukturbreite oder der Zapfendurchmesser maximal die Hälfte der Interferenzperiode, bevorzugt maximal ein Drittel der Interferenzperiode.

Die periodische Struktur, vorzugsweise periodische Punktstruktur, im Nanometerbereich ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass die strukturierte Oberfläche der Deckschicht oder Grundschicht bei einer periodischen Struktur mit einer Interferenzperiode von weniger als 1.000 nm elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 550 nm, bevorzugt bei einer Interferenzperiode von weniger als 750 nm elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 500 nm, ganz besonders bevorzugt bei einer Interferenzperiode von weniger als 600 nm elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 450 nm aufgrund des eingebrachten graduellen Brechungsindex transmittiert. Dieser Effekt ist verstärkt für Materialien, die nicht transparent, wenigstens nur Teil-transparent sind. In Abhängigkeit der Strukturtiefe der Vertiefungen, vorzugsweise der inversen Zapfen, können somit insbesondere Wellenlängen im roten und/oder gelben Lichtspektrum, im grünen Lichtspektrum bis hin ins blaue Lichtspektrum aufgrund der Antireflexionseigenschaften in die jeweilige Schicht, vorzugsweise in die Deckschicht oder in die Grundschicht transmittieren.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, weist eine Oberfläche mit Antireflexionseigenschaften, vorzugsweise eine Struktur auf, die in Form als periodisch angeordnete, inverse Zapfen gebildet ist, wobei die Interferenzperiode im Bereich von 50 nm bis 50 pm, bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 20 pm angeordnet sind, mehr bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 600 nm, liegt.

Im Sinne der Erfindung beziehen sich Antireflexionseigenschaften hierin auf das vermehrte Transmittieren, bzw. Beugen von einfallender elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts, insbesondere mit Wellenlängen im Bereich von 400 nm bis 780 nm als auch auf den Bereich von Infrarotstrahlung, bzw. Wärmestrahlung, insbesondere mit Wellenlängen im Bereich von 780 nm bis 10 pm, vorzugsweise 780 nm bis 0,1 mm.

Dabei zeichnet sich das Keramikelement dadurch aus, dass die von ihm umfasste periodische Struktur, vorzugsweise periodische Punktstruktur, vorzugsweise Abmessungen, also Interferenzperioden, im Submikrometerbereich, besonders bevorzugt im Nanometerbereich aufweist. Ganz besonders bevorzugt sind die Abmessungen, vorzugsweise die Interferenzperioden, der periodischen Struktur im Bereich der Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts. So sind die Abmessungen der periodischen Struktur, vorzugsweise periodischen Punktstruktur, bevorzugt im Bereich von 630 nm bis 700 nm zum Transmittieren, bzw. Beugen von rotem Licht, im Bereich von 590 nm bis 630 nm zum Transmittieren, bzw. Beugen von rotem und orangenem Licht, im Bereich von 560 nm bis 590 nm zum Transmittieren, bzw. Beugen von rotem, orangenem und gelben Licht, im Bereich von 500 nm bis 560 nm zum Transmittieren, bzw. Beugen von rotem, orangenem, gelbem und grünem Licht, im Bereich von 475 nm bis 500 nm zum Transmittieren, bzw. Beugen von rotem, orangenem, gelbem, grünem und türkisem Licht, im Bereich von 450 nm bis 475 nm zum Transmittieren, bzw. Beugen von rotem, orangenem, gelbem, grünem, türkisem und blauem Licht, im Bereich von 425 nm bis 450 nm zum Transmittieren, bzw. Beugen von rotem, orangenem, gelbem, grünem, türkisem, blauem und indigofarbenem Licht, im Bereich von 400 nm bis 425 nm zum Transmittieren, bzw. Beugen von rotem, orangenem, gelbem, grünem, türkisem, blauem, indigofarbenem und violettem Licht. Somit lassen sich durch das Verändern der Abmessungen der periodischen Struktur, vorzugsweise periodischen Punktstruktur, die Antireflexionseigenschaften des Substrats kontrollieren.

In einer Ausgestaltung der Erfindung eignet sich das hierin offenbarte Verfahren und die hierin offenbarte Vorrichtung zum Erzeugen eines Substrates, vorzugsweise einer Deckschicht eines Keramikelemente oder einer Grundschicht eines Keramikelementes, das eine periodische Struktur, vorzugsweise periodische Punktstruktur, im Nanometerbereich, welche bspw. Mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wurde, umfasst und welches sich durch Antireflexionseigenschaften auszeichnet. Im Sinne der Erfindung beziehen sich Antireflexionseigenschaften hierin auch auf das vermehrte Transmittieren, bzw. Beugen von einfallender elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des nicht sichtbaren Lichts, insbesondere im Bereich von Ultraviolettstrahlung (UV-Strahlung), insbesondere mit Wellenlängen im Bereich von 100 nm bis 380 nm. Dabei zeichnet sich das Substrat dadurch aus, dass die von ihm umfasste periodische Punktstruktur vorzugsweise Interferenzperioden im Nanometerbereich aufweist. Vorteilhaft ist ein so strukturiertes Substrat in Bereichen einsetzbar, in denen ein Schutz vor UV-Strahlung notwendig ist.

Der periodischen Punktstruktur zur Erzeugung der Antireflexionseigenschaften kann aber auch eine weitere Punktstruktur und/oder Linienstruktur zur Beeinflussung weiterer Eigenschaften, wie beispielsweise der Benetzungseigenschaften, überlagert sein. Die resultierende Global-Punktstruktur, also die resultierende Punktstruktur, welche den strukturierten Bereich bildet, kann dann vollperiodisch oder quasi-periodisch oder nicht periodisch ausgebildet sein.

Vorzugsweise weist das Keramikelement sowohl Anti-Reflexionseigenschaften als auch rutschhemmende und/oder Anti-Schmutzeigenschaften auf. Dabei kann in einer möglichen Variante auf einer ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht eine überlagerte Struktur aus verschiedenen periodischen Strukturen mit verschiedenen Strukturparametern angeordnet sein, wobei die unterschiedlichen Strukturparameter die einzelnen Eigenschaften auf der Oberfläche erzeugen.

Vorzugsweise werden Strukturparameter einer oder mehrerer periodischer Strukturen so gewählt werden, dass einzelne periodische Strukturen mehrere Eigenschaften auf einer Oberfläche erzeugen, beispielsweise gleichzeitig Anti-Schmutz und/oder Anti-Fogging- Eigenschaften und Anti-Reflexionseigenschaften.

Bevorzugt weisen mehrere Oberflächen bzw. Grenzflächen Strukturierungen auf, sodass unterschiedliche Oberflächen auch unterschiedliche Eigenschaften zur Folge haben. Vorzugsweise werden dabei auf der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht rutschhemmende Eigenschaften und/oder Anti-Schmutz und/oder Anti-Fogging- Eigenschaften erzeugt, während auch wenigstens einer der anderen Oberflächen bzw. Grenzflächen, vorzugsweise auf der zweiten äußeren Oberfläche einer Deckschicht, Antireflexionseigenschaften oder allgemein optische Eigenschaften erzeugt werden.

Ein derartiger strukturierter Bereich wird vorzugsweise mittels eines Laserstrukturapplikationsverfahren, insbesondere mittels der direkten Laserinterferenzstrukturierung generiert.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelementes einer vorgegebenen äußeren Form mit Anti-Reflexionseigenschaften, aufweisend folgende Schritte: a1) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials in Form von Ausgangsmaterialpulver oder einer Ausgangsmaterialmasse, a2) Vorzugsweise Ausgeben eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Dispenser-Einheit, b) Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, c) Brennen des geformten keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials zu einem Keramikelement, wobei vorhergehend zu Schritt c) oder nachfolgend zu Schritt c) ein strukturierter Bereich auf einer ersten äußeren Oberfläche oder einer zweiten äußeren Oberfläche einer Deckschicht oder einer der Deckschicht zugewandten Oberfläche der Grundschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird, wobei dadurch Anti-Reflexionseigenschaften erzeugt werden.

Dabei kann vorzugsweise ein strukturierter Bereich, der aus einer periodischen Struktur gebildet ist, dadurch erzeugt werden, dass ein Interferenzpixel maximal dreimal, vorzugsweise maximal zweimal, besonders bevorzugt nur mit Einfachbestrahlung durch einen Laserpuls bestrahlt wird. Vorteilhaft kann dadurch ein Auftreten von Selbstorganisationsprozessen innerhalb der bestrahlten Schicht, insbesondere Deckschicht oder Grundschicht, welche zu LIPSS-Strukturen führen können, vermieden werden. Daraus resultiert eine bevorzugt vollperiodische Struktur, welche gut reproduzierbar ist.

Anti-Glare

Um eine Reflektion in einer bestimmten Raumrichtung zu verhindern kann eine Oberfläche auch derart modifiziert werden, dass entsprechend einer Streuung an einer Vielzahl von Streuzentren eine Oberfläche mit einer Anti-Glare-Eigenschaft generiert wird.

Dadurch können vorteilhaft Blendeffekte reduziert werden. Eine Oberfläche oder Grenzfläche mit einer Anti-Glare-Eigenschaft streut auftreffende elektromagnetische Strahlung, bspw.

Licht an einer Oberfläche oder Grenzfläche des Keramikelementes, so dass eine Spiegelung dieser elektromagnetischen Strahlung deutlich reduziert werden kann.

Die Erfindung umfasst auch ein Keramikelement mit einer Deckschicht und optional mit einer Grundschicht, wobei eine erste äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine zweite äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine an eine Deckschicht angrenzende Oberfläche der Grundschicht Anti-Glare-Eigenschaften aufweist.

So spielen diese Strukturen mit dem vorbezeichneten Aspektverhältnis von vorzugsweise wenigstens 0,5, bevorzugt von wenigstens 1 ,0, eine zentrale Rolle in technologischen Anwendungen die mit Licht assoziiert sind, da sie dieses effektiv manipulieren können, was zu einer geringeren Reflexion (Antireflexions-eigenschaften oder auch Anti-Glare Effekt) und einer verbesserten optischen Absorption führt.

Dabei wird eine solche Oberfläche mit Anti-Glare-Eigenschaften durch einen strukturierten und einen unstrukturierten Bereich gebildet, wobei der strukturierte Bereich eine periodische Struktur, vorzugsweise eine Punktstruktur oder eine Linienstruktur, aus Vertiefungen, vorzugsweise aus Zapfen oder inversen Zapfen oder aus rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen, aufweist.

Für einen strukturierten Bereich, welcher Linienstrukturen aufweist, welche aus rillenförmigen Vertiefungen oder aus rillenförmigen Erhöhungen gebildet sind, wird die Richtung des Verlaufs der Linienstruktur berücksichtigt und vorzugsweise zwischen benachbarten Interferenzpixels zu einem großen Anteil variiert. Eine Oberfläche eines Keramikelementes weist im Sinne der vorliegenden Erfindung Anti- Glare-Eigenschaften auf, wenn diese in zumindest zwei Raumrichtungen entspiegelt, nichtglänzend, blendgeschützt oder blendfrei ausgebildet ist. Dabei wird eine Reduzierung der gerichteten Reflexion dadurch erreicht, dass Streuprozesse an Strukturen auftreten, welche einer Oberfläche oder Grenzfläche eines Keramikelementes, eingefügt wurden.

Dabei sind die so innerhalb eines Interferenzpixels erzeugten periodischen Strukturen, vorzugsweise periodischen Punktstrukturen, in Form als periodisch angeordnete Vertiefungen, vorzugsweise Zapfen oder inverse Zapfen, ausgebildet. Dabei liegt die Interferenzperiode (d.h. der Abstand zwischen den Vertiefungen, vorzugsweise der Abstand zwischen den Scheitelpunkten zweier benachbarter inverser Zapfen - bzw. der Höhenmittelpunkte bezogen auf Zapfen- oder der Mittellinien der rillenförmigen Vertiefungen oder der Mittellinien der rillenförmigen Erhöhungen) einer periodischen Struktur, vorzugsweise einer ersten periodischen Struktur, insbesondere auf einer Oberfläche der Deck- oder Grundschicht, die Anti-Glare-Eigenschaften aufweist, im statistischen Mittel im Bereich von 1 pm bis 50 pm, bevorzugt im Bereich von 5 pm bis 50 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 pm bis 30 pm.

Vorteilhaft können die einzelnen Pixel einer Art eines Interferenzpixels, also mit derselben Interferenzperiode und mittleren Strukturtiefe, bspw. eines ersten Interferenzpixels, eines zweiten Interferenzpixels und/oder eines weiteren Interferenzpixels, die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet sind, global (d.h. über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene) wahlweise eine periodische oder eine nicht-periodische Struktur, vorzugsweise eine periodische oder nicht-periodische Punktstruktur, ausbilden. Eine vollperiodische Punktstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn der vorhergehende Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines Interferenzpixels jeweils um ein ganzes Vielfaches (bspw. 2, 3, 4, 5) der Interferenzperiode (p_n) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind. Es ergibt sich dadurch über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene ein vollperiodisches Muster, dessen Periode der Interferenzperiode (p_n) entspricht. Eine quasiperiodische Punktstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn der vorhergehende Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines Interferenzpixels jeweils um ein gleiches, von einem ganzen Vielfachen abweichendem, Vielfachen (bspw. 0,5; 1,3; 2,6) der Interferenzperiode (p_n) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind.

Demgegenüber wird eine nicht-periodische Punktstruktur erzeugt bzw. liegt vor, wenn die Interferenzperiode des nachfolgenden Pixels zum benachbarten, vorhergehenden Pixel variiert wird und/oder benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnete Pixel verdreht, bspw. Sukzessive verdreht appliziert werden.

Kennzeichnend dabei ist, dass der strukturierte Bereich aus einer Überlagerung mehrerer periodischer Strukturen gebildet ist. Dabei werden insbesondere mehrere Interferenzpixel derart repetitiv aneinander angrenzend angeordnet, sodass die erzeugte Global-Struktur, also die Struktur, die den strukturierten Bereich bildet, vorzugsweise nicht periodisch ist.

Dadurch entstehen vorzugsweise viele Streuzentren an der Oberfläche, die aufgrund ihrer Unregelmäßigkeit die elektromagnetische Strahlung, also das Licht, in unterschiedliche Richtungen streuen. Dadurch werden vorteilhaft starke Reflektionen in einzelne Richtungen vermieden. Weiterhin können so vorteilhaft Effekte vermieden oder wenigstens reduziert werden, welche durch Refraktionseffekte aufgrund einer Periodizität wie ein regenbogenartiger Schimmereffekt wirken.

Um eine solche nicht-periodische Struktur zu erzeugen, weisen vorzugsweise wenigstens 70 %, bevorzugt wenigstens 90%, besonders bevorzugt wenigstens 98 %, der benachbarten Interferenzpixel unterschiedliche Strukturparameter, also wenigstens einen unterschiedlichen Strukturparameter oder wenigstens zwei unterschiedliche Strukturparameter ausgewählt aus der Interferenzperiode, der Strukturtiefe bzw. mittleren Strukturtiefe, und der Anordnung der Zapfen oder inversen Zapfen innerhalb eines Interferenzpixels, auf. Dabei kann beispielsweise die Position der Vertiefungen, insbesondere der Zapfen oder inversen Zapfen geändert werden, um eine nicht-periodische Global-Struktur zu erhalten. Vorteilhaft kann dadurch bei hoher Prozessgeschwindigkeit eine geeignete Global-Struktur mit geringer Periodizität erhalten werden, wodurch vorteilhaft der Moire-Effekt sowie Beugungseffekte vermieden werden können. Bevorzugt erfolgt die Änderung des oder der Strukturparameter nach einer zufälligen Verteilung, insbesondere mittels eines stochastischen Verfahrens.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Punktstruktur, die durch benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnete Pixel einer Art eines Interferenzpixels ausgebildet ist, eine vollperiodische Punktstruktur oder eine quasiperiodische Punktstruktur (jeweils wie vorstehend definiert).

Für die Erzeugung einer Oberfläche, die Anti-Glare-Eigenschaften aufweist, weisen die Vertiefungen, vorzugsweise die Zapfen oder inversen Zapfen, eines Interferenzpixels nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 5 nm bis 20 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 10 pm, ganz besonders bevorzugt von 100 nm bis bis 5 pm, noch mehr bevorzugt 200 nm bis 2 pm, auf. Die Strukturtiefe der inversen Zapfen eines Interferenzpixels wird im Allgemeinen durch die mittleren Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Zapfen mit einer bestimmten Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert.

Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturtiefen darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Die geringen Strukturtiefen ermöglichen vorteilhaft zusätzlich zu den Anti-Glare- Eigenschaften auch das Erhalten der weiteren optischen Eigenschaften, insbesondere der originären Transparenz des unstrukturierten Substrats, insbesondere der Deckschicht des Keramikelements, da die eingebrachten periodischen Strukturen aufgrund der geringen Strukturtiefe nicht „störend“ wirken. Dabei weicht die Transparenz des strukturierten Substrats gegenüber dem unstrukturierten Substrat gleichen Aufbaus bevorzugt um maximal 10 %, vorzugsweise um maximal 5 % oder 2 %, ab, wobei die Transparenz des strukturierten Substrates bevorzugt geringer ist als die des unstrukturierten Substrates gleichen Materials und Aufbaus. Insbesondere sind diese geringen Strukturtiefen durch eine Einfachbestrahlung mittels eines Laserpulses erzeugbar, bei der das Erzeugen von LIPSS-Strukturen vermieden wird. Die Transparenz der Deckschicht und auch allgemein ein Erhalten der optischen Eigenschaften der Deckschicht ist beispielsweise bei einer Strukturierung von Keramikelementen relevant, bei denen die Deckschicht eine Glasur ist, die ein unterliegendes Muster oder eine Zeichnung bedeckt.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass zueinander benachbart angeordnete erste Interferenzpixel (10) und/oder zweite Interferenzpixel (11) wenigstens zu einem hohen Anteil von wenigstens 70 %, vorzugsweise wenigstens 90 %, bevorzugt zu wenigstens 98 %, variierende Strukturparameter, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Interferenzperiode des Interferenzpixels, die Strukturtiefe der Vertiefungen, vorzugsweise der inversen Zapfen, den Durchmesser der Zapfen oder inversen Zapfen, die Breite der rillenförmigen Vertiefungen oder der rillenförmigen Erhöhungen, die Form der Zapfen oder inversen Zapfen und die Größe der Zapfen oder inversen Zapfen, aufweisen. Vorzugsweise ist ein weiterer möglicher Strukturparameter die Anordnung bzw. die Position der Vertiefungen, vorzugsweise der Zapfen oder inversen Zapfen. Hierdurch kann vorteilhaft global, vorzugsweise auch lokal, ein hoher Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen Strukturen erzeugt werden, wodurch unerwünschte oder störende optische Effekte, wie Moire-Effekte oder Farbeffekte, die durch Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, minimiert oder verhindert werden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Interferenzperiode der Punktstruktur zumindest eines jeden weiteren Interferenzpixels einer Art, bspw. jedes Interferenzpixel eines ersten Interferenzpixels, jedes Interferenzpixel eines zweiten Interferenzpixels und/oder jedes Interferenzpixel eines dritten Interferenzpixels, im Wesentlichen identisch, d.h. differieren maximal um 0% bis 2,0%, besonders bevorzugt um maximal 0 bis 1,0%. Ganz besonders bevorzugt sind die Interferenzperioden identisch. Hierdurch können die Parameter der Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere der Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zum Applizieren der Interferenzpixel auf die Ebene des Substrates konstant gehalten werden, was den Aufwand und das Entstehen von Fehlstrukturen minimiert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixel einer Art, bspw. das erste Interferenzpixel, das zweite Interferenzpixel und/oder das dritte Interferenzpixel sukzessive zum vorhergehenden Interferenzpixel dieser einen Art um eine innerhalb des Interferenzpixels angeordnete (vorzugsweise um eine zentrische) Drehachse (d.h. eine Normale zur Ebene) verdreht, bspw. alternierend oder sukzessive im Verhältnis zum vor- vorhergehenden verdreht. Vorzugsweise wird das nachfolgende Interferenzpixel im Verhältnis zum vorhergehenden Interferenzpixel der Interferenzpixel einer Art im Bereich um 51° bis 90°, weiterhin im Bereich um 3° bis 85°, besonders bevorzugt um 5° bis 80°10° bis 75°, ganz besonders bevorzugt um 10° bis 75°, insbesondere im Bereich um 15° bis 60° verdreht. Hierdurch wird global über eine Ebene des Substrates, die durch eine Oberfläche des Substrates aufgespannt wird oder innerhalb des Volumens des Substrates, ein hoher Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen Strukturen erzeugt, wodurch ebenfalls unerwünschte oder störende optische Effekte, wie Moire- Effekte oder Farbeffekte, die durch Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, minimiert oder verhindert werden.

Allgemein wird zur Erzeugung geeigneter Anti-Glare-Eigenschaften angestrebt, durch die konkrete Auswahl der Strukturparameter der ersten und zweiten Interferenzpixel und jeder weiteren Art eines Interferenzpixels eine Punktstruktur mit gebrochener Periodizität, also ohne resultierende Periodizität, zu generieren. Bevorzugt sind die erzeugten Punktstrukturen folglich nicht-periodisch angeordnet, wobei vorzugsweise die Interferenzperioden der ersten und der zweiten Interferenzpixel bzw. jeder weiteren Art eines Interferenzpixels verschieden (nicht identisch) zueinander sind. Periodische Effekte, welche das resultierende Bild stören, können so vorteilhaft vermieden werden.

Aus einer Überlagerung von ersten und zweiten Interferenzpixeln, welche identische Interferenzperioden aufweisen, können periodische Punktstrukturen resultieren, bei denen der unerwünschte Moire-Effekt auftritt.

Auch eine nachteilige Änderung des Farbverhaltens wie sie aufgrund von Beugungseffekten an den eingeführten Strukturen auftreten können, werden durch einen hohen Grad an Unordnung vermieden.

Die vorhandene Punktstruktur führt zu einem Streuungsverhalten des auftreffenden Lichtes, wobei es sich um eine Vielzahl von minimalen Ablenkungsprozessen der Photonen an den eingebrachten Punktstrukturen handelt. Eine vorhandene Periodizität der Punktstrukturen kann somit eine Verstärkung von Ablenkungen der Photonen, also des Lichtes, in bestimmte Richtungen führen, wodurch ein Flitter oder Glitzer- Effekt erzeugt würde. Während dieser Effekt für bestimmte Anwendungen gewünscht ist, so soll er doch für viele weitere Anwendungen vermieden werden. Die Generierung von nicht-periodischen Strukturen führt hier vorteilhaft zu einer Reduzierung bzw. Vermeidung dieser Glitzereffekte. Im vorgenannten Fall liegt der Versatz zwischen dem Interferenzpixel einer ersten Art und dem Interferenzpixel einer zweiten Art, bspw. dem zweiten Interferenzpixel und dem ersten Interferenzpixel im Bereich von 5% < x < 50%, vorzugsweise im Bereich von 10% < x < 50%, insbesondere im Bereich von 20% < x < 50%, besonders bevorzugt im Bereich von 25% < x < 45% der Interferenzperiode. Ist die periodische Punktstruktur derart ausgebildet, dass ein Interferenzpixel einer weiteren Art vorgesehen ist, zumindest ein drittes Interferenzpixel, so ist dieses zu dem Interferenzpixel der vorhergehenden Art derart überlagert angeordnet, dass der Versatz zwischen dem Interferenzpixel der weiteren Art, bspw. dem dritten Interferenzpixel und dem zweiten Interferenzpixel im Bereich von 5% < x < 50%, vorzugsweise im Bereich von 10% < x < 50%, insbesondere im Bereich von 20% < x < 50%, besonders bevorzugt im Bereich von 25% < x < 45% der Interferenzperiode liegt. Ein Versatz, welcher unterhalb der Interferenzperiode liegt, führt zu einer Erhöhung der Strukturdichte bzw. Dichte der Punktstruktur, woraus also ein erhöhter Streuquerschnitt und vorteilhaft ein größerer Streueffekt bzw. eine stärkere Verminderung der gerichteten Reflexion resultiert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das strukturierte Substrat, insbesondere die auf der Oberfläche des Substrates applizierte Punktstruktur zumindest eine weitere Art eines Interferenzpixel mit einer weiteren Interferenzperiode (pn), bspw. ein drittes Interferenzpixel (12) mit einer dritten Interferenzperiode (p3) auf, wobei das weitere, bspw. das dritte Interferenzpixel (12) entsprechend der vorgenannten Ansprüche zu dem ersten Interferenzpixel (10) und zweiten Interferenzpixel (11) überlagert angeordnet ist. Hierdurch können in der Ebene des zu strukturierenden Substrates vorteilhaft weitere Defekte (d.h. Punktstrukturen im Mikro- und Submikrometerbereich) erzeugt werden. Eine höhere Anzahl an inversen Zapfen erhöht die Anzahl der Streuzentren und reduziert die gerichtete Reflektion. Vorteilhaft kann hierdurch auch der Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen Strukturen erhöht werden, wodurch unerwünschte oder störende optische Effekte, wie Moire-Effekte oder Farbeffekte, die durch Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, minimiert oder verhindert werden. Darüber hinaus reduziert oder vermeidet dies beispielsweise bei dem Einsatz von Displays das Auftreten eines Glitzer- bzw. Glitter- Effektes, der in Folge von Oberflächenstrukturen größer oder gleich von Displaypixeln auftritt. Bei einem Glitzer- bzw. Glitter-Effekt leuchtet ein Displaypixel nur einen Teil des Oberflächenmerkmals aus, so dass Streueffekte entstehen, die man makroskopisch als periodisches Muster wahrnimmt.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Erfindung wird zumindest eine weitere Art eines Interferenzpixels mit einer weiteren Interferenzperiode (p_n), bspw. ein drittes Interferenzpixel (12) mit einer dritten Interferenzperiode (ps) auf der Oberfläche der Deckschicht, insbesondere die Oberfläche des Substrates, insbesondere mittels Laserablation appliziert, wobei das weitere, bspw. das dritte Interferenzpixel (12) entsprechend der hierin definierten Merkmale zu dem ersten Interferenzpixel (10) und zweiten Interferenzpixel (11) überlagert angeordnet wird. Dabei liegt das Verhältnis der weiteren Interferenzperiode (p_n) zu den anderen Interferenzperioden im vorzugsweise im Bereich von 20:1 bis 1 :20, vorzugsweise im Bereich von 10:1 bis 1 :10, besonders bevorzugt im Bereich von 5:1 bis 1 :5, insbesondere 3:1 bis 1 :3, wodurch die hierin definierten Eigenschaften, insbesondere die Anti-Glare-Eigenschaften oder die Reduktion der Reflexion aufgrund des Falleneffektes der Deckschicht optimiert werden können.

Vorzugsweise handelt es sich bei der hierin definierten Struktur zur Erzeugung von Anti- Glare-Eigenschaften, vorzugsweise Punktstruktur, um eine nicht periodische Punktstruktur aus Zapfen oder inversen Zapfen mit mittleren Abmessungen im Mikrometerbereich, wobei die Struktur eines Interferenzpixels insbesondere einen mittleren Abstand bezogen auf den jeweiligen Sattelpunkt bzw. Höhenmittelpunkt zweier benachbarter Zapfen eines Interferenzpixels von 1 pm bis 50 pm, besonders bevorzugt 5 pm bis 50 pm, ganz besonders bevorzugt von 10 pm bis 30 pm aufweist. Dieser bevorzugt antiperiodischen Punktstruktur im Mikrometerbereich kann eine weitere Struktur im Nanometerbereich überlagert sein, wobei die mittlere Abmessung der überlagernden Struktur bevorzugt Abmessungen im Bereich der Laserwellenlänge A, bzw. A/2, insbesondere von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt von 200 nm bis 500 nm aufweist. Im Sinne der Erfindung wird eine solche Struktur auch als hierarchische Struktur bezeichnet.

Die Erfindung umfasst auch ein Keramikelement mit Anti-Glare-Eigenschaften, vorzugsweise eine Fliese oder Badkeramik, mit einer Deckschicht und optional mit einer Grundschicht, wobei eine erste äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine zweite äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine an eine Deckschicht angrenzende Oberfläche der Grundschicht Anti-Glare-Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise weist eine solche Oberfläche weiterhin eine zweite periodische Struktur, vorzugsweise zweite periodische Punktstruktur, mit einer zweiten Interferenzperiode auf.

Dabei kann einerseits eine Variation der Interferenzperiode die Periodizität der Struktur, insbesondere der Global-Struktur reduzieren, wodurch der Anti-Glare-Effekt verbessert wird. Weiterhin kann eine zweite periodische Struktur aber auch weitere Eigenschaften erzeugen. So umfasst die Erfindung auch ein Keramikelement, mit Anti-Glare-Eigenschaften, vorzugsweise eine Fliese oder Badkeramik, mit einer Deckschicht und optional mit einer Grundschicht, wobei eine erste äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine zweite äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine an eine Deckschicht angrenzende Oberfläche der Grundschicht Anti-Glare-Eigenschaften und auch weitere Eigenschaften, wie beispielsweise rutschhemmende Eigenschaften und/oder Anti-Schmutzeigenschaften und/oder Anti-Fogging-Eigenschaften und/oder antibakterielle Eigenschaften und/oder vorteilhafte Haftungseigenschaften aufweist. Die überlagerten Strukturen werden dabei so erzeugt, wie in den entsprechenden Abschnitten zu den konkreten Eigenschaften beschrieben.

Vorzugsweise ist das Keramikelement mit Anti-Glare-Eigenschaften flächig, also plattenförmig, vorzugsweise als Fliese, ausgebildet. So können matte Oberflächen erzeugt werden, welche für gut geeignet sind für eine Innenraumgestaltung, aber auch für eine Gestaltung im Außenbereich. Im Innenbereich, aber gerade auch im Außenbereich kann eine Kombination mit Anti-Schmutzeigenschaften sehr vorteilhaft sein, da ein Anhaften von Schmutzpartikeln reduziert wird.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelementes einer vorgegebenen äußeren Form mit Anti-Glare-Eigenschaften, aufweisend folgende Schritte: a1) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials in Form von Ausgangsmaterialpulver oder einer Ausgangsmaterialmasse, a2) Vorzugsweise Ausgeben eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Dispenser-Einheit, b) Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, c) Brennen des geformten keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials zu einem Keramikelement, wobei vorhergehend zu Schritt c) oder nachfolgend zu Schritt c) ein strukturierter Bereich auf einer ersten äußeren Oberfläche oder einer zweiten äußeren Oberfläche einer Deckschicht oder einer der Deckschicht zugewandten Oberfläche der Grundschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird, wobei dadurch Anti-Glare-Eigenschaften erzeugt werden. Eine geeignete Möglichkeit ist dabei das Erzeugen von hierarchischen Strukturen, bei denen die Interferenzperiode und/oder mittlere Strukturtiefe sich um wenigstens einen Faktor 10 unterscheidet. Besonders bevorzugt werden hierarchische Strukturen so erzeugt, dass mittels Mehrfachbestrahlung Selbstorganisationsprozesse effektiv quasi-periodische Strukturen, insbesondere quasiperiodische Linienstrukturen, erzeugen. Dadurch kann vorteilhaft die Oberflächenrauheit erhöht und die Dichte der Vertiefungen einfach erhöht werden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine hohe Prozessgeschwindigkeit.

Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine periodische Struktur zunächst mittels eines Laserinterferenzverfahrens auf einer Negativform erzeugt und mittels der Negativform auf der Deckschicht aufgebracht wird.

Alternativ nutzt das Verfahren zur Erzeugung der Strukturen nur eine Einfachbestrahlung oder wenigstens eine maximal 2-fache oder maximal drei-fache Bestrahlung, bei der LIPSS- Strukturen vermieden werden können. So können sehr zuverlässig reproduzierbare Strukturen erzeugt werden.

Nach einer vorteilhaften Variante zur Erzeugung einer nicht-periodischen Global-Struktur unterscheidet sich beim Erzeugen von benachbarten Interferenzpixeln zu einem hohen Anteil von wenigstens 70 %, vorzugsweise wenigstens 90 %, bevorzugt wenigstens 98 %, wenigstens einer der Strukturparameter.

Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixel einer Art, bspw. das erste Interferenzpixel, das zweite Interferenzpixel und/oder das dritte Interferenzpixel mittels einem Laserinterferenzverfahren erzeugt und sukzessive zum vorhergehenden Interferenzpixel dieser einen Art dadurch modifiziert, dass eine Phasenverschiebung in wenigstens einem der wenigstens zwei für das Laserinterferenzverfahren verwendeten Teilstrahlen zu einer Änderung der Position der Vertiefungen innerhalb eines Interferenzpixels führt.

Dafür wird vorzugsweise die Polarisation eines für Interferenzstrukturierung verwendeten Teilstrahls variiert. Dadurch kann die Phasenverschiebung zu einer Änderung der Strukturparameter, insbesondere der Position der Vertiefungen, führen.

Die Erfinder haben überdies herausgefunden, dass eine Modifikation der Strukturparameter ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Interferenzperiode des Interferenzpixels, die Strukturtiefe der inversen Zapfen, den Durchmesser der inversen Zapfen, die Form der inversen Zapfen und die Größe der inversen Zapfen zu einer hierin bevorzugten Asymmetrie (Nicht-Periodizität) innerhalb der globalen Punktstruktur und somit zu einer erwünschten Asymmetrie der aufgerauten Struktur beiträgt. So kann vorgesehen sein, dass die vorgenannten Strukturparameter einzelner, benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneter Pixel einer Art eines Interferenzpixels, bspw. die Pixel des ersten Interferenzpixels alternierend oder sukzessive, bspw. graduell modifiziert werden. So bietet es sich beispielsweise an, die Strukturtiefe eines jeden nachfolgenden Pixels zum benachbarten, vorhergehenden Pixel graduell zu erhöhen und ab einem anderen Pixel graduell wieder zu verringern. Hierzu eignet sich im Verfahren, dass ein jedes nachfolgendes Pixel mit einer variierenden, bspw. graduell ansteigenden Pulsenergie (im Bereich wie hierin definiert) und/oder einer graduell ansteigenden Pulsdauer bzw. Pulsweite (wie hierin definiert) auf der Oberfläche des Substrates oder im Volumen des Substrates appliziert wird. Auch kann vorgesehen sein, dass ein einzelner Strukturparameter beim Applizieren eines Pixels einer Art eines Interferenzpixels innerhalb eines Bereichs stochastisch variiert wird. Beispielsweise kann in dem Verfahren das Verdrehen eines nachfolgenden Pixels zum benachbarten, vorhergehenden Pixel nicht sukzessiv (also gleichförmig erfolgt), sondern innerhalb des hierin definierten Winkelbereichs alternierend erfolgen, bspw. zunächst in eine Richtung und dann in eine andere oder dieselbe Richtung jeweils mit der gleichen oder einer anderen Winkelverschiebung.

Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass einer oder mehrere Strukturparameter zufällig oder nach einem stochastischen Verfahren auf die unterschiedlichen Interferenzpixel verteilt sind, sodass die meisten benachbarten Interferenzpixel keine identischen Strukturparameter aufweisen.

Nach einer vorteilhaften Messmethode wird ein Glanzmessgerät für die Bestimmung der Anti-Glare-Eigenschaften verwendet. Darunter wird im Sinne der Erfindung ein Instrument verstanden, welches zur Messung des Glanzes einer Oberfläche durch spiegelnde Reflexion geeignet ist. Der Glanz wird bestimmt, indem ein Lichtstrahl mit einer bestimmten Intensität und einem bestimmten Winkel auf eine Oberfläche projiziert und die Menge des reflektierten Lichts in einem gleichen, aber entgegengesetzten Winkel gemessen wird. Vorzugsweise werden dafür Winkel von 30° bis 45° zur Normalen der Oberfläche verwendet, besonders bevorzugt von 30° zur Normalen oder 60° zur Oberfläche. Das Verhältnis von reflektiertem zu einfallendem Licht für die Probe im Vergleich zum Verhältnis für den Glanzstandard wird als Glanzeinheiten (GU) aufgezeichnet. Ein strukturiertes Substrat weist nach einer vorteilhaften Variante eine Glanzeinheit von unter 120, bevorzugt unter 60, besonders bevorzugt unter 20 auf. Reduzierte Reflexion aufgrund des Falleneffektes

Die Reduzierung der Reflexion aufgrund des Falleneffektes (wie hierin definiert) durch die Ausbildung geeigneter strukturierter und unstrukturierter Bereiche auf der äußeren Oberfläche und/oder inneren Oberfläche eines Substrates kann die Absorption und/oder die Wechselwirkung zwischen dem Material der Deckschicht des Keramikelements und der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erhöhen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die strukturierten Bereiche, die zu einer Reduzierung der Reflexion aufgrund des Falleneffektes innerhalb der strukturierten Bereiche derart angeordnet, dass bezogen auf die Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Licht, an dieser Grenzfläche, in die das Licht eintritt, inverse Zapfen derart angeordnet sind, dass diese in das Substrat, insbesondere in die Deckschicht hin ausgebildet sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Strukturen an einer äußeren Oberfläche einer Deckschicht und/oder einer Teildeckschicht der mehreren Teildeckschichten einer Deckschicht, welche einen strukturierten Bereich aufweist, vorzugsweise die äußere Teildeckschicht, erzeugt.

Die Mantelfläche der Zapfen oder inversen Zapfen dient bei der Ausnutzung des Falleneffekts als Spiegelfläche, vorzugsweise quasi-homogene Spiegelfläche, die den Anteil reflektierter einfallender elektromagnetischer Strahlung innerhalb der Zapfen und/oder inversen Zapfen, insbesondere inversen Zapfen, bis zum Sattelpunkt reflektiert, wobei an jedem weiteren Reflexionspunkt innerhalb der Mantelfläche ein Anteil (verbleibender) elektromagnetischer in das Substrat, dessen äußere Oberfläche und/oder innere Oberfläche aus einem derartigen strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, einkoppelt (siehe bspw. Fig. 23). Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Mantelfläche der Zapfen oder inversen Zapfen glatt ausgebildet.

Strukturtiefe

Für die Erzeugung einer Oberfläche, die Eigenschaften zur Reduzierung der Reflexion aufgrund des Falleneffektes aufweist, weisen die Zapfen oder inversen Zapfen eines Interferenzpixels nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 0,05 pm bis 20 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 pm bis 10 pm, ganz besonders bevorzugt von 0,1 pm bis 5 pm, insbesondere 0,1 pm bis 2 pm auf. Die Strukturtiefe der inversen Zapfen eines Interferenzpixels wird im Allgemeinen durch die mittlere Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Zapfen mit einer bestimmten Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert. Eine derart ausgestaltete Strukturtiefe hat bspw. den Vorteil, dass ein hoher Anteil an verbleibender elektromagnetischer Strahlung, der bei der ersten Wechselwirkung mit der Oberfläche des Substrates noch nicht in das Substrat eingekoppelt ist, durch weitere Wechselwirkung mit der Mantelfläche innerhalb des Zapfens oder inversen Zapfens bis zu dessen Sattelpunkt weitergeleitet wird und in Folge dessen (dem Zapfen bzw. inversen Zapfen nicht mehr entkommend) in das Substrat mit einem Wirkungsgrad von mehr als 90 %, vorzugsweise mehr als 95 %, besonders bevorzugt mehr als 98 %, ganz besonders bevorzugt mehr als 99 % einkoppelt.

Die Strukturtiefe einer Vertiefungen, bspw. Linien oder Zapfen aufweisenden Punktstruktur ist im Sinne der Erfindung die mittlere Strukturtiefe einer Zapfen aufweisenden Punktstruktur, das heißt das statistische Mittel des Abstandes von der Oberfläche zum Höhenmittelpunkt der Zapfen. Auch wenn die Zapfen grundsätzlich aus der Struktur herausragen, wird der mittlere Abstand der Höhenmittelpunkte der Zapfen zur Oberfläche dennoch in Analogie zu den inversen Zapfen als Strukturtiefe oder mittlere Strukturtiefe dso bezeichnet.

Im Sinne der Erfindung beschreibt ein strukturiertes Substrat bzw. eine Deckschicht mit Eigenschaften zur Reduzierung der Reflexion aufgrund des Falleneffektes auch ein solches Substrat, welches einen strukturierten Bereich aufweist, der aus sich überlagernden Strukturen besteht, wobei also der periodischen Punktstruktur eine weitere Struktur überlagert ist, wobei mindestens eine Struktur Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich aufweist, und wobei zumindest eine Struktur aus Zapfen oder inversen Zapfen (wie hierin definiert) gebildet ist, welche insbesondere durch interferierende Laserstrahlen erzeugbar sind. Vorzugsweise ist die weitere Struktur eine Linienstruktur oder eine weitere periodische Punktstruktur aus Zapfen oder inversen Zapfen.

Beispielsweise lässt sich eine Global-Punktstruktur, insbesondere die Global-Punktstruktur aus sich überlagernden Strukturen, bei dem Einsatz von interferierenden Laserstrahlen durch entsprechende Ausgestaltung der Parameter (Auswahl der Laserstrahlungsquelle, Anordnung der optischen Elemente) an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung optimal angepasst werden. Vorzugsweise weist ein Keramikelement mit einer Deckschicht mit einer Oberfläche oder Grenzfläche mit Eigenschaften zur Reduktion der Reflexion aufgrund des Falleneffektes eine periodische Global-Punktstruktur auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zur Beeinflussung der Oberflächen- oder Grenzflächen-Eigenschaften (bspw. Ätzen, Sandstrahlen, Polymerbeschichtungen) ist es nicht erforderlich, dass die gesamte Oberfläche strukturiert (und/oder wie bei herkömmlichen Verfahren beschichtet) werden muss. Der Anteil der so strukturierten Oberfläche (Bedeckungsgrad an Zapfen pro Flächeneinheit, der durch die Anzahl und den Durchmesser der inversen Zapfen bedingt ist), d.h. der Anteil auf dem strukturierten Substrat beträgt vorzugsweise 3 % bis 99 %, besonders bevorzugt 5 % bis 80 %, ganz besonders bevorzugt 7 % bis 70 %, insbesondere 10 % bis 50 %. Dies erlaubt nicht nur eine bessere Nachweisbarkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Strukturierung/Beschichtung von Substraten, sondern hat diesen gegenüber den Vorteil, dass weniger Defekte oder anfälligere Strukturen in die Ebene eines Substrates, insbesondere in die Oberfläche eingebracht werden, um die hierin definierten Eigenschaften zu erzielen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das strukturierte Substrat nicht bloß ein einzelnes Interferenzpixel einer Art, bspw. eines ersten Interferenzpixels, eines zweiten Interferenzpixels und/oder eines dritten Interferenzpixels, sondern es sind mehrere Interferenzpixel einer Art, bspw. mehrere erste Interferenzpixel und/oder mehrere zweite Interferenzpixel jeweils unabhängig voneinander innerhalb einer Ebene in zumindest einer Raumrichtung (x- und/oder y-Ausrichtung), besonders bevorzugt in zwei Raumrichtungen (flächig), benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet. So kann bspw. vorgesehen sein, dass in einem ersten Schritt zumindest mehrere erste Interferenzpixel (10) innerhalb einer Ebene in zumindest eine Raumrichtung benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet auf eine Ebene auf einer Oberfläche oder im Volumen des zu strukturierenden Substrates appliziert werden (siehe bspw. Fig. 15) und in einem zweiten Schritt diesen mehreren ersten Interferenzpixel (10) mehrere zweite Interferenzpixel (11) innerhalb einer Ebene in zumindest die gleiche Raumrichtung benachbart repetitiv versetzt zueinander überlagert appliziert werden. Gleichwohl kann vorgesehen sein, dass diese mehreren ersten Interferenzpixel (10) und mehreren zweiten Interferenzpixel (11) alternierend, also abwechselnd - d.h. ein erstes Interferenzpixel, dann ein zweites Interferenzpixel und erneut von vorn - auf die Ebene appliziert werden.

Dadurch wird vorteilhaft einerseits der Bereich, auf dem die Reflexion durch den Falleneffekt reduziert wird, vergrößert. Weiterhin eröffnet eine Anordnung, bei der eine Vielzahl von Interferenzpixeln wenigstens in eine Raumrichtung benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet sind eine Reihe von einstellbaren Freiheitsgraden, welche für eine effiziente Beeinflussung der Eigenschaften der Oberfläche genutzt werden können. Durch das Anordnen mehrerer erster Interferenzpixel (10) und mehrerer zweiter Interferenzpixel (11) können gezielt Eigenschaften, insbesondere eine Reduktion der Reflexion, also eine Reduktion des weder transmittierten noch absorbierten Lichtes, über einen großen Bereich insbesondere flächig auf eine Ebene des Substrates, die durch eine Oberfläche des Substrates aufgespannt wird, oder innerhalb des Volumens des Substrates erreicht/aufgebracht werden. Eine derartige Strukturierung mit mehreren ersten Interferenzpixeln (10) und mehreren zweiten Interferenzpixeln (11) kann bspw. durch ein Abscannen des Substrates mit einem Polygonscanner erfolgen.

Die einander überlagerten Interferenzpixel unterschiedlicher Arten, bspw. eines ersten Interferenzpixels, eines zweiten Interferenzpixels und/oder eines weiteren Interferenzpixels, können global (d.h. über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene) wahlweise eine periodische oder eine nicht-periodische Global-Punktstruktur ausbilden. Eine vollperiodische Global-Punktstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn die Pixel eines Interferenzpixels einer ersten Art und die dazu überlagerten Pixel eines Interferenzpixels einer anderen Art zueinander jeweils um ein ganzes Vielfaches (bspw. 2, 3, 4, 5) der Interferenzperiode (p_n) in einer Raumrichtung zueinander verschoben sind. Es ergibt sich dadurch über die Ausdehnung der zu strukturierenden Ebene ein vollperiodisches Muster, dessen Periode der Interferenzperiode (p_n) entspricht. Eine quasi-periodische Global-Punktstruktur wird erzeugt bzw. liegt vor, wenn die Pixel einer ersten Art und die dazu überlagerten Pixel eines Interferenzpixels einer anderen Art zueinander jeweils um ein gleiches, von einem ganzen Vielfachen abweichendem, Vielfachen (bspw. 0,5; 1 ,3; 2,6) der Interferenzperiode (p_n) in eine Raumrichtung zueinander verschoben sind. Dem gegenüber wird durch die Pixel einer ersten Art und die dazu überlagerten Pixel eines Interferenzpixels einer anderen Art eine nicht-periodische Global-Punktstruktur erzeugt bzw. liegt vor, wenn die überlagerten ersten Interferenzpixel und die überlagerten zweiten Interferenzpixel unterschiedliche Interferenzperioden aufweisen und/oder die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneten Pixel zumindest einer Art eines Interferenzpixels verdreht, bspw. sukzessive verdreht appliziert sind.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Global- Punktstrukturen, umfassend zumindest eine Vielzahl von ersten Interferenzpixeln zumindest einer ersten Interferenzperiode (pi) und eine Vielzahl von zweiten Interferenzpixeln zumindest einer zweiten Interferenzperiode (P2) quasi-periodisch oder nicht-periodisch, besonders bevorzugt nicht-periodisch ausgebildet, wobei eine solche Global-Punktstruktur vorzugsweise aus der Überlagerung von zumindest einem ersten Interferenzpixel und einem zweiten Interferenzpixel gebildet sind, die jeweils für sich genommen in zumindest eine Raumrichtung benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet sind und hierin jeweils für sich genommen eine periodische oder quasiperiodische Global-Punktstruktur ausbilden.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass zueinander benachbart angeordnete erste Interferenzpixel (10) und/oder zweite Interferenzpixel (11) variierende Strukturparameter, ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Interferenzperiode des Interferenzpixels, die Strukturtiefe der inversen Zapfen, den Durchmesser der inversen Zapfen, die Form der inversen Zapfen und die Größe der inversen Zapfen, aufweisen. Hierdurch kann vorteilhaft lokal ein hoher Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen Strukturen erzeugt werden, wodurch unerwünschte oder störende optische Effekte, wie Moire- Effekte oder Farbeffekte, die durch Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, minimiert oder verhindert werden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Interferenzperiode der Punktstruktur zumindest eines jeden weiteren Interferenzpixels einer Art, bspw. jedes Interferenzpixel eines ersten Interferenzpixels, jedes Interferenzpixel eines zweiten Interferenzpixels und/oder jedes Interferenzpixel eines dritten Interferenzpixels, im Wesentlichen identisch, d.h. differieren maximal um 0 % bis 2,0 %, besonders bevorzugt um maximal 0 % bis 1,0 %. Ganz besonders bevorzugt sind die Interferenzperioden identisch. Hierdurch können die Parameter der Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zum Applizieren der Interferenzpixel auf die Ebene des Substrates konstant gehalten werden, was den Aufwand und das Entstehen von Fehlstrukturen minimiert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixel einer Art, bspw. das erste Interferenzpixel, das zweite Interferenzpixel und/oder das dritte Interferenzpixel zum vorhergehenden Interferenzpixel dieser einen Art um eine innerhalb des Interferenzpixels angeordnete (vorzugsweise um eine zentrische) Drehachse (d.h. eine Normale zur Ebene) verdreht, bspw. alternierend oder sukzessive im Verhältnis zum vor-vorhergehenden verdreht. Vorzugsweise wird das nachfolgende Interferenzpixel im Verhältnis zum vorhergehenden Interferenzpixel der Interferenzpixel einer Art im Bereich um 1° bis 90°, weiterhin im Bereich um 3° bis 85°, besonders bevorzugt um 5° bis 80°, ganz besonders bevorzugt um 10° bis 75°, insbesondere im Bereich um 15° bis 60° verdreht. Hierdurch wird global über eine Ebene des Substrates, die durch eine Oberfläche des Substrates aufgespannt wird oder innerhalb des Volumens des Substrates, ein hoher Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen Strukturen erzeugt, wodurch ebenfalls unerwünschte oder störende optische Effekte, wie Moire- Effekte oder Farbeffekte, die durch Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, minimiert oder verhindert werden.

Die Erzeugung von strukturierten Bereichen, welche eine nicht-periodische Global- Punktstruktur aufweisen, kann vorteilhaft sein. Aus einer Überlagerung von ersten und zweiten Interferenzpixeln, welche identische Interferenzperioden aufweisen, können periodische Punktstrukturen resultieren, bei denen der unerwünschte Moire-Effekt auftritt, sodass nach einer vorteilhaften Ausgestaltung die Interferenzperioden überlagerter Interferenzpixel um einen nicht-ganzzahligen Faktor variiert sind. Auch eine nachteilige Änderung des Farbverhaltens wie sie aufgrund von Beugungseffekten an den eingeführten Strukturen auftreten können, werden durch einen hohen Grad an Unordnung vermieden.

Zur Erzeugung einer nicht-periodischen Global-Punktstruktur liegt der Versatz zwischen dem Interferenzpixel einer ersten Art und dem Interferenzpixel einer zweiten Art, bspw. dem zweiten Interferenzpixel und dem ersten Interferenzpixel bevorzugt im Bereich von

5 % < x < 50 %, vorzugsweise im Bereich von 10 % < x < 50 %, insbesondere im Bereich von 20 % < x < 50 %, besonders bevorzugt im Bereich von 25 % < x < 45 % der Interferenzperiode. Ist die periodische Punktstruktur derart ausgebildet, dass ein Interferenzpixel einer weiteren Art vorgesehen ist, zumindest ein drittes Interferenzpixel, so ist dieses zu dem Interferenzpixel der vorhergehenden Art derart überlagert angeordnet, dass der Versatz zwischen dem Interferenzpixel der weiteren Art, bspw. dem dritten Interferenzpixel und dem zweiten Interferenzpixel bevorzugt im Bereich von 5 % < x < 50 %, vorzugsweise im Bereich von 10 % < x < 50 %, insbesondere im Bereich von 20 % < x < 50 %, besonders bevorzugt im Bereich von 25 % < x < 45 % der Interferenzperiode liegt. Ein Versatz, welcher unterhalb der Interferenzperiode liegt, führt zu einer Erhöhung der Strukturdichte bzw. Dichte der Punktstruktur, woraus eine Erhöhung der Dichte der potentiell als Fallen fungierenden Zapfen oder inversen Zapfen und so vorteilhaft eine verbesserte Lichtein- oder Lichtauskopplung resultiert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das strukturierte Substrat, insbesondere die strukturierte Deckschicht und die auf der Oberfläche der Deckschicht applizierte Punktstruktur zumindest eine weitere Art eines Interferenzpixel mit einer weiteren Interferenzperiode (p_n), bspw. ein drittes Interferenzpixel (12) mit einer dritten Interferenzperiode (ps) auf, wobei das weitere, bspw. das dritte Interferenzpixel (12) entsprechend der vorgenannten Ansprüche zu dem ersten Interferenzpixel (10) und zweiten Interferenzpixel (11) überlagert angeordnet ist. Hierdurch können in der Ebene des zu strukturierenden Substrates vorteilhaft weitere Defekte (d.h. Punktstrukturen im Mikro- und Submikrometerbereich) erzeugt werden. Eine höhere Anzahl an Zapfen oder inversen Zapfen erhöht die Anzahl an Fallen, wodurch der Anteil an reflektiertem Licht vorteilhaft reduziert wird.

Vorteilhaft kann zudem hierdurch auch der Grad an Unordnung, d.h. nicht periodischen Strukturen erhöht werden, wodurch unerwünschte oder störende optische Effekte, wie Moire- Effekte oder Farbeffekte, die durch Diffraktion an aufgebrachten Mikrostrukturen entstehen, minimiert oder verhindert werden.

Interferenzperiode

Bevorzugt werden Eigenschaften, bei denen die Reflektion aufgrund des Falleneffektes reduziert wird, dadurch erreicht, dass die Global-Punktstruktur, welche den strukturierten Bereich bildet, eine nicht-periodische Global-Punktstruktur aus inversen Zapfen mit mittleren Abmessungen im Mikrometerbereich ist. Die periodische Punktstruktur eines Interferenzpixels weist insbesondere eine Interferenzperiode, d.h. einen mittleren Abstand bezogen auf den jeweiligen Sattelpunkt bzw. Höhenmittelpunkt zweier benachbarter Zapfen eines Interferenzpixels von 1 pm bis 50 pm, besonders bevorzugt 1 pm bis 30 pm, ganz besonders bevorzugt von 1 pm bis 20 pm aufweist. Dieser bevorzugt nicht-periodischen Punktstruktur im Mikrometerbereich kann eine weitere Struktur im Nanometerbereich überlagert sein, wobei die mittlere Abmessung der überlagernden Struktur bevorzugt Abmessungen im Bereich der Laserwellenlänge A, bzw. A/2, insbesondere von 100 nm bis 1.000 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt von 200 nm bis 450 nm aufweist. Im Sinne der Erfindung wird eine solche Struktur auch als hierarchische Struktur bezeichnet.

Dabei bezeichnet eine hierarchische Strukturierung eine Struktur, bei welcher eine erste Struktur mit Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich, insbesondere im Mikrometerbereich, welche einem Interferenzmuster entspricht, von einer weiteren Struktur überlagert ist, welche Abmessungen aufweist, die unterhalb der Abmessungen der ersten Struktur liegen und welche bspw. durch einen Selbstorganisationsprozess ausgebildet ist. Bevorzugt befinden sich die Abmessungen der weiteren Struktur, die Punktstruktur im Mikrometerbereich überlagernde Struktur im Nanometerbereich, welche bspw. durch einen Selbstorganisationsprozess ausgebildet ist, im Bereich von 1 % bis 30 %, besonders bevorzugt im Bereich von 1 % bis 10 % der Abmessungen der ersten Struktur, welche einem Interferenzmuster entspricht. Insbesondere weist die, die Punktstruktur im Mikrometerbereich überlagernde Struktur im Nanometerbereich eine periodische Wellenstruktur, vorzugsweise eine vollperiodische Wellenstruktur auf, wobei das Material auf der Oberfläche des Substrats im Bereich der sich überlagernden Struktur eine Abfolge von Wellenbergen und Wellentälern aufweist, deren Periodizität im Submikrometerbereich, bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt von 200 nm bis 500 nm, insbesondere in einem Bereich wie hierin für Antireflexionseigenschaften definiert, liegt. Hierdurch können in der strukturierten Ebene, insbesondere auf der Oberfläche des Substrats zusätzlich vorteilhaft Antireflexionseigenschaften eingebracht werden. Durch die Strukturen im Nanometerbereich wird gewährleistet, dass Licht, das auf das Substrat eintrifft, weniger reflektiert bzw. unter einem so flachen Winkel reflektiert, dass es bei normaler Betrachtung der Materialoberfläche nicht „störend“ wirkt.

Die periodische Punktstruktur im Nanometerbereich ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass das strukturierte Substrat bei einer periodischen Punktstruktur von weniger als 1.000 nm elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 550 nm, bevorzugt bei einer periodische Punktstruktur von weniger als 750 nm von mehr als 500 nm, ganz besonders bevorzugt bei einer periodische Punktstruktur von weniger als 600 nm von mehr als 450 nm transmittiert. In Abhängigkeit der Strukturtiefe der inversen Zapfen können somit insbesondere Wellenlängen im roten und/oder gelben Lichtspektrum, im grünen Lichtspektrum bis hin ins blaue Lichtspektrum in das Substrat transmittieren.

Die mittlere Strukturtiefe dieser, die Punktstruktur im Mikrometerbereich überlagernden, Struktur im Nanometerbereich liegt vorzugsweise im Bereich von 10 nm bis 500 nm.

Aufgrund der Dimensionierung der, die Punktstruktur im Mikrometerbereich überlagernden, Struktur im Nanometerbereich im Verhältnis zur Punktstruktur im Mikrometerbereich bietet es sich an, diese periodische Nanometerstruktur, vorzugsweise eine vollperiodische Wellenstruktur nach dem Applizieren der Punktstruktur im Mikrometerbereich zu applizieren, da anderenfalls die überlagernde Struktur im Nanometerbereich durch das Applizieren der weitaus größeren Punktstruktur im Mikrometerbereich zerstört werden könnte.

Die Wellenstruktur, die die periodische Punktstruktur aus inversen Zapfen mit mittleren Abmessungen im Mikrometerbereich überlagert, kann während des Strukturierungsprozesses, d.h. beim Auftreffen eines Laserpulses in das zu strukturierende Substrat als Folge des Auftretens eines Bereiches hoher Intensität ausgebildet werden, wobei die Strukturierung durch einen Selbstorganisationsprozess erfolgt, welcher durch das zumindest teilweise Aufschmelzen des Substratmaterials mittels eines Laserpulses in einem Bereich hoher Intensität angeregt wird. Insbesondere wird die Wellenstruktur unter Ausnutzen von laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen (engl. Laser-induced Periodic Surface Structures - LIPSS) erzeugt, wobei das Auftreten dieser Oberflächenstrukturen an das Erzeugen der Punktstrukturen mittels interferierender Laserstrahlen gekoppelt ist.

Alternativ dazu kann die Wellenstruktur, die die erfindungsgemäße Punktstruktur aus inversen Zapfen mit mittleren Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich überlagert, auch durch ein nachfolgendes Applizieren eines weiteren Interferenzpixels auf die Oberfläche des (vorstrukturierten) Substrates erfolgen, wobei die mit dem weiteren Interferenzpixel generierten Strukturen eine Interferenzperiode bezogen auf die Zapfen, die durch das weitere Interferenzpixel gebildet sind, im statistischen Mittel im Bereich von 100 nm bis 1.000 nm, bevorzugt im Bereich von 200 nm bis 500 nm aufweisen.

Für hierarchische Strukturen gibt es zahlreiche technische Anwendungsgebiete, wie bspw. im Bereich der Herstellung von Substraten mit hydrophoben oder superhydrophoben sowie hydrophilen oder superhydrophilen Oberflächen und Substrate mit Anti-Icing, oder Anti- Fogging Eigenschaften neben den eingangs genannten Substraten mit Eigenschaften zur Reduktion der Reflexion aufgrund der Falleneffekte.

Vorteilhaft ist somit eine flächige Strukturierung eines Substrats, bspw. mit Eigenschaften zur Reduktion der Reflexion aufgrund von Falleneffekten durch interferierende Laserstrahlen und unter Ausnutzen von laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen möglich, ohne eine lange Bearbeitungszeit oder eine hohe Anzahl an sukzessiv ausführbaren Prozessschritten in Kauf nehmen zu müssen. Die Erfindung ermöglicht somit ein simultanes Erzeugen von hierarchischen Strukturen, welche im technischen Bereich sowohl im Bereich von Substraten mit Antireflexionseigenschaften, als auch im Bereich von selbstreinigenden, hydrophoben oder superhydrophoben, sowie hydrophilen oder superhydrophilen Substraten mit Antireflexionseigenschaften und/oder anti-fogging Eigenschaften einsetzbar sind.

Dekorative Effekte

Die Erfindung ermöglicht weiterhin das Einbringen von periodischen Strukturen mit Strukturweiten im Mikro- und/oder Submikrometerbereich, welche das einfallende Licht an der ersten Oberfläche einer Deckschicht eines Keramikelements derart beugen, dass Beugungseffekte an der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht des Keramikelements entstehen, welche der Oberfläche einen regenbogenartigen Schimmer verleihen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich hierzu insbesondere periodische Strukturierungen mit Interferenzperioden im Bereich von 500 nm bis 5 pm eignen. Die Strukturtiefen liegen bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 500 nm, vorzugsweise zwischen 250 nm und 350 nm. An solchen Strukturen wird das einfallende sichtbare Licht derart gebeugt, dass ein wahrnehmbarer Schimmereffekt durch sogenannte Beugungseffekte an der strukturierten Oberfläche entsteht. Ein Keramikelement, welches einen solchen Effekt aufweist, eignet sich vorteilhaft zur dekorativen Raumgestaltung. Zusätzlich weist eine solche dekorative Strukturierung im Vergleich zu herkömmlichen dekorativen Beschichtungen den Vorteil auf, dass sie widerstandsfähig gegenüber Stößen und Abrieb ist, und sich zudem mit den bereits beschriebenen rutschhemmenden und/oder Anti-Schmutz und/oder anti-bakteriellen Eigenschaften verbinden lässt.

Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturgrößen, insbesondere die geringen Strukturtiefen und die Breiten der rillenförmigen Vertiefungen oder der rillenförmigen Erhöhungen bzw. die Durchmesser Zapfen oder inversen Zapfen, auch bezeichnet als Zapfendurchmesser darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Vorzugsweise weist das Keramikelement eine periodische Punktstruktur mit derartigen Interferenzperioden auf. Dadurch entstehen isotrope Strukturen und wird der Effekt vorteilhaft gleichmäßig in alle Raumrichtungen gewährleistet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Keramikelement Linienstrukturen auf, wodurch der Effekt richtungsabhängig ist und unter dem richtigen Winkel sehr intensive Farbeffekte erzielt werden können.

Haftung

Die Erfindung umfasst auch ein Keramikelement, mit einer Deckschicht und optional mit einer Grundschicht, wobei eine erste äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine zweite äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine an eine Deckschicht angrenzende Oberfläche einer Grundschicht verbesserte Haftungseigenschaften, vorzugsweise haftvermittelnde Eigenschaften, aufweist. Ein solches Keramikelement weist dabei in jedem Fall eine Deckschicht und eine Grundschicht und/oder eine weitere Deckschicht auf. Dabei wird eine solche Oberfläche mit verbesserten Haftungseigenschaften durch einen strukturierten und einen unstrukturierten Bereich gebildet, wobei der strukturierte Bereich eine haftvermittelnde Struktur, bspw. Linienstrukturen und/oder Punktstrukturen, insbesondere periodische Struktur, vorzugsweise eine Punktstruktur oder eine Linienstruktur, aus Vertiefungen, vorzugsweise aus Zapfen oder inversen Zapfen oder aus rillenförmigen Vertiefungen oder aus rillenförmigen Erhöhungen, aufweist.

Eine Oberfläche eines Keramikelementes weist im Sinne der Erfindung verbesserte Haftungseigenschaften auf, wenn entweder eine erhöhte Rauigkeit dazu führt, dass eine aufzubringende Schicht sehr gut und effektiv einen Stoff- oder Kraftschluss mit der Oberfläche erzeugen kann und/oder wenn eine verbesserte Haftreibung der Oberfläche dazu führt, dass eine aufzubringende Schicht wenig in ihrer Position zur Oberfläche verschiebbar ist.

Die verbesserte Haftreibung basiert auf einer bestimmten Rauheit der Oberfläche. Der erzeugte Mittenrauwert oder die erzeugte mittlere arithmetische Höhe der entsprechenden Oberfläche liegt dabei vorzugsweise auf einen Bereich zwischen 100 nm und 50 pm, vorzugsweise zwischen 200 nm und 20 pm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 pm und 5 pm. Dabei ist die mittlere arithmetische Höhe SA die mittlere Rauheit eines jeden Punkts im Vergleich zum arithmetischen Mittel der Oberfläche.

Für die Erzeugung eines Keramikelementes mit verbesserten Hafteigenschaften bzw. einer haftvermittelnden Struktur, weisen die Vertiefungen, vorzugsweise eines Interferenzpixels, nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine mittlere Strukturtiefe bzw. Profiltiefe im statistischen Mittel dso im Bereich von 0,05 pm bis 20 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 pm bis 10 pm, ganz besonders bevorzugt von 0,05 pm bis 5 pm, insbesondere von 0,05 pm bis 2 pm, mehr bevorzugt im Bereich von 0,1 pm bis 1 pm, ganz besonders bevorzugt von 0,5 pm bis 800 nm auf. Die Strukturtiefe der Vertiefungen, insbesondere der inversen Zapfen eines Interferenzpixels, wird im Allgemeinen durch die mittlere Strukturtiefe (dso) beschrieben, die innerhalb eines Interferenzpixels die Anteile der Vertiefungen, insbesondere Zapfen mit einer bestimmten Strukturtiefe kleiner oder größer als der angegebene Wert für die Strukturtiefe definiert. Gegenüber herkömmlichen Strukturen, die auf der äußeren Oberfläche angeordnet werden, haben die geringen Strukturtiefen darüber hinaus den Vorteil, dass bei strukturierten Schichten, insbesondere bei einer strukturierten Deckschicht, die an ihrer äußeren Oberfläche ein keramisches und/oder glaskeramisches Material oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind, weniger „Verletzungen“ (wie hierin definiert) vorliegen, die nachteilig zur Bildung von Rissen führen und/oder als Angriffspunkte für unerwünschte Materialdegradationen dienen könnten.

Die geringen Strukturtiefen ermöglichen vorteilhaft zusätzlich zu den verbesserten Haftungseigenschaften auch das Erhalten der optischen Eigenschaften, insbesondere der originären Transparenz des unstrukturierten Substrats, hier insbesondere der Schicht, welche auf die strukturierte Oberfläche aufgebracht wird und in der sich inverse Strukturen zu den aufgebrachten Strukturen, insbesondere zu den erzeugten Vertiefungen, bilden. Insbesondere gilt dies für eine Deckschicht des Keramikelements, da die eingebrachten bzw. erzeugten periodischen Strukturen aufgrund der geringen Strukturtiefe nicht „störend“ wirken. Dabei weicht die Transparenz des strukturierten Substrats gegenüber dem unstrukturierten Substrat gleichen Aufbaus bevorzugt um maximal 10 %, vorzugsweise um maximal 5 % oder 2 %, ab, wobei die Transparenz des strukturierten Substrates bevorzugt geringer ist als die des unstrukturierten Substrates gleichen Materials und Aufbaus. Insbesondere sind diese geringen Strukturtiefen durch eine Einfachbestrahlung mittels eines Laserpulses erzeugbar, bei der das Erzeugen von LIPSS-Strukturen vermieden wird. Die Transparenz der Deckschicht und auch allgemein ein Erhalten der optischen Eigenschaften der Deckschicht ist beispielsweise bei einer Strukturierung von Keramikelementen relevant, bei denen die Deckschicht eine Glasur ist, die ein unterliegendes Muster oder eine Zeichnung bedeckt.

Bevorzugt werden verbesserte Hafteigenschaften oder eine haftvermittelnde Struktur auf einer Oberfläche dadurch erreicht, dass der strukturierte Bereich eine periodische Punktoder Linienstruktur im Mikro- oder Nanobereich (Submikrometerbereich) aus inversen Zapfen oder Zapfen oder rillenförmigen Vertiefungen oder rillenförmigen Erhöhungen mit mittleren Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich aufweist. Die erste periodische Punkt- oder Linienstruktur eines Interferenzpixels weist insbesondere eine Interferenzperiode, d.h. einen mittleren Abstand bezogen auf den jeweiligen Sattelpunkt bzw. Höhenmittelpunkt bzw. Mittellinie zweier benachbarter inverser Zapfen bzw. Zapfen bzw. rillenförmigen Vertiefungen bzw. rillenförmigen Erhöhungen eines Interferenzpixels, von 200 nm bis 50 pm, vorzugsweise 200 nm bis 20 pm, besonders bevorzugt 200 nm bis 10 pm, ganz besonders bevorzugt von 200 nm bis 500 nm, auf.

Bei der verbesserten Haftreibung wird vorzugsweise ein „Lego-Effekt“ genutzt. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist für aneinander angrenzende Schichten, beispielsweise einer Deckschicht und einer Grundschicht, deren Oberflächen aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet sind, vorgesehen, dass die Grenzfläche derart strukturiert ist, dass eine, der beiden zueinander angrenzenden, Schichten inverse Zapfen aufweist, wohingegen die daran angrenzende Schicht Zapfen aufweist. Vorzugsweise sind die Zapfen der einen Schicht dabei komplementär zu den inversen Zapfen der angrenzenden Schicht ausgebildet, besonders bevorzugt derart komplementär zu den inversen Zapfen der angrenzenden Schicht ausgebildet, dass jeder Zapfen der einen Oberfläche in einem inversen Zapfen der anderen Oberfläche angeordnet ist (sog. „Lego-Prinzip“). Ein derartig komplementär angeordneter Schichtstapel aus zumindest zwei Schichten, insbesondere einer ersten Deckschicht und einer zweiten Deckschicht oder einer Deckschicht und einer Grundschicht, hat darüber hinaus den Vorteil, dass die benachbart zueinander angeordneten Schichten ineinandergreifen, was zu einer Verzahnung der Schichten untereinander und somit zu einer erhöhten Stabilität des Schichtaufbaus führt. Anders als bei (periodisch zueinander angeordneten) Linien- oder Wellenstrukturen hat dies den großen Vorteil, dass sich die Schichten nicht gegenseitig zueinander in einer Raumrichtung verschieben lassen und/oder nicht über große Strecken, insbesondere über die Breite/Länge einer Schicht über lediglich einen Steg, der durch die Linien- oder Wellenstruktur gebildet wird, miteinander verbunden sind.

Nach einer möglichen Ausbildung des Verfahrens werden dabei zunächst auf einer der Oberflächen inverse Zapfen oder Zapfen erzeugt und die zweite Schicht wird daraufhin mittels eines Beschichtungsverfahrens aufgebracht. Dadurch entstehen automatisch in der später aufgebrachten Schicht die korrespondierenden Zapfen oder inversen Zapfen. Wärmeaustausch

Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich ein hohes Aspektverhältnis von bevorzugt mindestens 0,5, bevorzugter von mindestens 1,0, bei strukturierten Oberflächen vorteilhaft auf deren Eigenschaften auswirken, wie Wärmeaustausch bzw. der Wärmetransfer der Keramikelemente. Durch ein hohes Aspektverhältnis wird die Oberfläche der Deckschicht und/oder eine Teildeckschicht der mehreren Teildeckschichten einer Deckschicht, welche einen strukturierten Bereich aufweist, vorzugsweise die äußere Teildeckschicht, gezielt vergrößert, sodass die Oberfläche, die für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung zur Verfügung steht, gegenüber einer unstrukturierten Oberfläche vergrößert ist. Derart strukturierte Keramikelemente kommen insbesondere bei Hochtemperaturbelastungen, wie bspw. in der Raumfahrt zum Einsatz. So erlaubt es die Strukturierung der Oberflächen mit hohes Aspektverhältnis vorzugsweise den Einsatz preiswerterer, originär weniger wärmebeständiger Keramikelemente, die mit einer Deckschicht beschichtet sind, die ein keramisches und/oder glaskeramisches Material und/oder Metall-Keramik-Verbundmaterial und/oder ein technisches Email aufweist oder aus diesem gebildet ist. Periodische Nano- und Mikro-Strukturen mit einem hierin beschriebenen hohen Aspektverhältnis können die Effizienz der Wärmeübertragung durch eine größere Oberfläche und einen geringeren Wärmewiderstand verbessern. Dies ist beispielsweise für Kühltechnologien, hitzeresistenten Keramik-Elementen und die Mikroelektronik von großem Nutzen.

VERFAHREN

Von der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Keramikelementes, bei der die erste äußere Oberfläche und/oder die zweite äußere Oberfläche einer Deckschicht und/oder eine der Deckschicht zugewandte Oberfläche der Grundschicht aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, mitumfasst.

Die Deckschicht, bevorzugt transparente oder wenigstens teiltransparente Deckschicht, weist eine periodische Struktur, bevorzugt eine periodische Punktstruktur oder periodische Linienstruktur, mit Abmessungen im Mikro- und/oder Submikrometerbereich auf, die vorzugsweise mittels mechanischer Verfahren, Laserstrukturapplikationsverfahren und/oder mittels chemischer (Nach-)Behandlung, insbesondere durch direkte Laserinterferenzstrukturierung hergestellt wird.

Im Sinne der Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements, die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials (wie hierin definiert) in Form von Ausgangsmaterialpulver oder einer Ausgangsmaterialmasse, b) Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels eines Formwerkzeugs (wie hierin definiert), c) Brennen des geformten keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Brennvorrichtung, wobei vorhergehend zu Schritt c) und/oder nachfolgend zu Schritt c) ein strukturierter Bereich auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht mittels Laserstrukturierung, bspw. Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements, die folgenden Schritte: a1) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials (wie hierin definiert) in Form von Ausgangsmaterialpulver oder einer Ausgangsmaterialmasse, a2) Vorzugsweise Ausgeben eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Dispenser-Einheit (wie hierin definiert), b) Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels eines Formwerkzeugs, c) Brennen des geformten keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Brennvorrichtung, wobei vorhergehend zu Schritt c) und/oder nachfolgend zu Schritt c) ein strukturierter Bereich auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht mittels Laserstrukturierung, bspw. Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird.

Das Bereitstellen des keramischen Ausgangsmaterials nach Schritt a) kann dabei sowohl in Form einer Ausgangsmaterialmasse, insbesondere plastischen Keramikmasse, als auch in Form eines Ausgangsmaterialpulvers, insbesondere Keramikpulvers erfolgen. Unter einer plastischen Keramikmasse ist im Sinne der Erfindung eine formbare, zusammenhängende Masse zu verstehen, welche durch Einwirken einer äußeren Kraft in eine gewünschte Form gebracht werden kann, wobei die Masse eine hohe Viskosität aufweist, sodass die Form auch nach Beenden des Einwirkens der äußeren Kraft bestehen bleibt. Beispielsweise handelt es sich bei einer solchen Masse um ungebrannten Ton. Ein Keramikpulver bezeichnet im Sinne der Erfindung ein in feine Partikel, insbesondere in feine Körner zerstäubtes keramisches Material. Die einzelnen Partikel weisen hierbei keine Adhäsion aneinander auf.

Das Formgeben des keramischen Ausgangsmaterials nach Schritt c) umfasst nach einer Ausgestaltung der Erfindung das Formen mittels eines Pressverfahrens, insbesondere Trockenpressverfahrens, wobei ein Werkzeug zur Formgebung, insbesondere eine Pressform zum Einsatz kommt, wobei die Pressform derart ausgestaltet ist, dass das in ihr verarbeitete keramische Ausgangsmaterial die gewünschte endgültige Form des verarbeiteten Keramikelements, beispielsweise einer Fliese, annimmt. Insbesondere eignet sich ein solches Pressverfahren zum Verarbeiten von keramischem Ausgangsmaterial, welches in Form eines Ausgangsmaterialpulvers vorliegt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Formgeben des keramischen Ausgangsmaterials nach Schritt c) ein Strangpressverfahren auf, wobei das keramische Ausgangsmaterial in die Form zunächst eines quasi-endlosen Stranges gebracht wird. In einem weiteren Schritt wird der quasi-endlose Strang derart vereinzelt, dass das verarbeitete keramische Ausgangsmaterial die gewünschte endgültige Form des verarbeiteten Keramikelements, beispielsweise einer Fliese, annimmt. Insbesondere eignet sich ein solches Strangpressverfahren zum Verarbeiten von keramischem Ausgangsmaterial, welches in Form einer Ausgangsmaterialmasse vorliegt.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Strangpressverfahren um ein Rollenpressverfahren, wobei das Ausgangsmaterial, insbesondere die Ausgangsmaterialmasse zwischen sich bewegenden Rollen in die gewünschte Form gepresst wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass das Formgeben gemäß Schritt c) durch Aufbringen des keramischen Ausgangsmaterials auf einen Grundkörper, welcher vorzugsweise Stahl aufweist, erfolgt. Somit ist vorteilhaft eine hohe Stabilität des Verbundmaterials gewährleistet. Das Brennen des geformten Ausgangsmaterials nach Schritt c) erfolgt insbesondere bei 1.000°C bis 1.600°C, vorzugsweise bei 1.000°C bis 1.350°C, besonders bevorzugt bei 1.000°C bis 1.200°C. Der Schritt des Brennens weist dabei nach einer Ausgestaltung einen einzelnen Brennvorgang auf, welcher das Aushärten des Ausgangsmaterials bewirkt. Somit erhält die Oberfläche des Keramikelements eine hohe Festigkeit. Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Schritt des Brennens eine Mehrzahl an Brennvorgängen auf, wobei beispielsweise zwischen einem ersten und einem weiteren Brennvorgang, oder aber vor dem ersten Brennvorgang eine Beschichtung auf das Keramikelement aufgebracht wird, welche im weiteren Brennvorgang aushärtet und im Anschluss die Deckschicht des Keramikelements bildet. Vorteilhaft sind so sowohl optische Elemente, wie Verzierungen oder Farbgebung des Keramikelements, als auch ein Versiegeln des Keramikelements realisierbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass es das Erzeugen eines strukturierten Bereichs auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht des Keramikelements mittels Laserinterferenzstrukturierung aufweist. Insbesondere erfolgt das Erzeugen eines strukturierten Bereiches auf der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht des Keramikelements vorhergehend und/oder nachfolgend zu Schritt d). Durch eine solche Strukturierung ist es möglich, dem Keramikelement Anti-Schmutzeigenschaften, antibakterielle Eigenschaften, eine Rutschhemmung, eine bessere Haftung, sowie optische Effekte, insbesondere Anti-Reflexionseigenschaften sowie Anti-Glare-Eigenschaften zu verleihen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Keramikelement im Wesentlichen durch eine Grundschicht gebildet, welche eine erste äußere Oberfläche aufweist. Die erste äußere Oberfläche ist durch das erfindungsgemäße Verfahren mit einer periodischen Struktur mit Abmessungen im Mikro- und/oder Submikrometerbereich strukturierbar. Durch eine solche Strukturierung ist es möglich, der ersten äußeren Oberfläche des Keramikelements Anti- Schmutzeigenschaften, anti-bakterielle Eigenschaften, eine Rutschhemmung, eine bessere Haftung, sowie optische Effekte, insbesondere Anti-Reflexionseigenschaften sowie Anti- Glare-Eigenschaften zu verleihen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung setzt sich das Keramikelement aus einer Grundschicht und einer ersten Deckschicht zusammen. Nach dieser Ausgestaltung ist sowohl die erste Oberfläche der Grundschicht, als auch die erste äußere Oberfläche der ersten Deckschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung strukturierbar, bzw. weist nach der Bearbeitung mittels einer Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung periodische Strukturen mit Abmessungen im Mikro- und/oder Submikrometerbereich auf. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Deckschicht um eine transparente Deckschicht, insbesondere eine Glasur. Durch eine Strukturierung mittels einer Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung ist es möglich, der ersten äußeren Oberfläche des Keramikelements, insbesondere der Deckschicht Anti-Schmutzeigenschaften, antibakterielle Eigenschaften, eine Rutschhemmung, eine bessere Haftung, sowie optische Effekte, insbesondere Anti-Reflexionseigenschaften sowie Anti-Glare-Eigenschaften zu verleihen. Durch eine Strukturierung mittels einer Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung ist es zudem möglich der ersten Oberfläche der Grundschicht optische Eigenschaften, insbesondere Anti- Reflexionseigenschaften sowie Anti-Glare-Eigenschaften zu verleihen.

Das Strukturieren einer Oberfläche eines Keramikelementes umfasst im Sinne der Erfindung auch das Strukturieren einer Oberfläche, welche nachfolgend beschichtet wird, wobei die zunächst strukturierte Oberfläche daraufhin eine strukturierte Grenzfläche des Keramikelementes bildet. Weiterhin ist auch das Strukturieren einer Oberfläche einer Deckschicht umfasst, wobei die Deckschicht daraufhin mit einer Grundschicht bzw. einem Grundkörper verbunden wird und wobei die zunächst strukturierte Oberfläche dann eine Grenzfläche oder einer Oberfläche des Keramikelementes bildet.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung setzt sich das Keramikelement aus einer Grundschicht und einer Deckschicht zusammen, wobei die Deckschicht aus mehreren Teildeckschichten gebildet ist. Nach dieser Ausgestaltung ist die Deckschicht des Keramikelements insbesondere derart strukturierbar, dass die erzeugten periodischen Strukturen durch mehrere Teildeckschichten hindurch strukturiert sind. Im Sinne der Erfindung bezieht sich hindurch strukturiert auf eine periodische Struktur deren Strukturtiefe größer ist als die Dicke der einzelnen Teildeckschichten. Durch eine Strukturierung mittels einer Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung ist es möglich, der ersten äußeren Oberfläche des Keramikelements, insbesondere der Deckschicht Anti-Schmutzeigenschaften, antibakterielle Eigenschaften, eine Rutschhemmung, eine bessere Haftung, sowie optische Effekte, insbesondere Anti-Reflexionseigenschaften sowie Anti-Glare-Eigenschaften zu verleihen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist der strukturierte Bereich eine erste periodische

Struktur mit einer ersten Interferenzperiode (p1) auf, wobei die erste periodische Struktur aus Vertiefungen gebildet ist, wobei die erste Interferenzperiode (p1) im Bereich von 50 nm bis 200 pm, vorzugsweise 40 pm bis 100 pm liegt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch die Auswahl von Strukturperioden im Mikrometerbereich besonders günstig eine rutschhemmende, bzw. haftungssteigernde Wirkung erzielbar ist. Weiterhin können auch zusätzliche Effekte erzeugt werden, entweder durch eine Struktur mit geeigneten Strukturparametern oder durch eine Überlagerung verschiedener Strukturen mit jeweils geeigneten Strukturparametern.

Bevorzugt werden bei dem Laserinterferenzverfahren Teilstrahlen mittels eines Strahlteilerelementes (2) erzeugt, welches einen von einer Laserstrahlungsquelle emittierten Laserstrahl in Teilstrahlen unterteilt. Die Interferenzperiode (p) eines Interferenzpixels, vorzugsweise die erste Interferenzperiode (p1) des ersten Interferenzpixels (10), ist dabei mittels eines Verschiebens des Strahlteilerelementes (2) stufenlos einstellbar, wobei vorzugsweise weitere optische Elemente, welche zu einer zum Strukturieren verwendeten Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zugehörig sind, im Strahlengang des Lasers fixiert sind. Vorteilhaft ist somit keine aufwändige Kalibrierung der optischen Vorrichtung notwendig, da das Einstellen der gewünschten Strukturperiode lediglich das Verschieben des Strahlteilerelements erfordert. Die Strukturperiode ist somit zudem stufenlos einstellbar und die einfache Einstei Ibarkeit ermöglicht ein homogenes Erzeugen der gewünschten Strukturperioden. Zudem wird dem Verschleiß der fixen optischen Elemente der Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere der Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung vorgebeugt, da durch das Fixieren das Bewegen und Verstellen der optischen Elemente im Strahlengang vermeidbar ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erzeugen der periodischen Struktur auf der Deckschicht des Keramikelements, indem zunächst eine Negativform mittels eines Laserinterferenzverfahrens erzeugt wird, welche in Form eines Stempels zum Übertragen der Struktur mittels eines Prägevorgangs auf, bzw. in die Deckschicht des Keramikelements nutzbar ist. Vorteilhaft ist so die Prozessgeschwindigkeit erhöhbar, da ein Prägevorgang weniger zeitintensiv ist als ein Laserinterferenzprozess. Zusätzlich zeichnen sich so strukturierte Keramikelemente durch eine hohe Uniformität zwischen einzelnen strukturierten Elementen aus.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird mittels Mehrfachbestrahlung eines Interferenzpixels mit identischen Verfahrensparametern eine hierarchische Struktur mit einer in den Vertiefungen angeordneten Linienstruktur erzeugt. Im Sinne der Erfindung bezeichnet eine hierarchische Struktur eine Überlagerung von periodischen und/oder quasiperiodischen und/oder nicht-periodischen Strukturen mit unterschiedlichen Strukturweiten, wobei die Strukturweite einer ersten Struktur größer ist als die Strukturweite einer zweiten Struktur. Bevorzugt ist die Strukturweite der zweiten Struktur wenigstens einen Faktor 10 kleiner als die Strukturweite der ersten Struktur, besonders bevorzugt wenigstens einen Faktor 100, ganz besonders bevorzugt wenigstens einen Faktor 1000 kleiner als die Strukturweite der ersten Struktur. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der ersten Struktur um eine Struktur mit Strukturweiten im Mikrometerbereich, der eine weitere Struktur mit Strukturweiten im Nanometerbereich überlagert ist. Insbesondere handelt es sich bei dieser Ausgestaltung bei der weiteren Struktur um eine quasi-periodische Linienstruktur, wobei die quasi-periodische Linienstruktur Abmessungen im Nanometerbereich aufweist. Vorteilhaft ermöglicht ein solches Verfahren das Kombinieren von periodischen Strukturen mit Abmessungen im Mikrometerbereich, welche sich insbesondere durch ausgeprägte Anti-Schmutz-Eigenschaften, anti-bakterielle Eigenschaften und/oder rutschhemmende, bzw. haftungssteigernde Eigenschaften auszeichnen, mit solchen im Nanometerbereich, welche besonders geeignet sind, um optische Effekte, wie beispielsweise Antireflexion, Anti-Glare, oder dekorative Glanz-, bzw. Schimmereffekte zu erzeugen.

Ein Verfahren basierend auf Mehrfachbestrahlung mit identischen Verfahrensparametern, bei der also mehrere Laserpulse ein Interferenzpixel bestrahlen, eignet sich insbesondere zum präzisen Überlagern der periodischen Strukturen, wodurch ein besonders homogenes optisches Resultat bei der Strukturierung erzielbar ist. Zudem beschleunigt eine Mehrfachbestrahlung den Prozessablauf, da sie aufgrund von kurzen Laserpulsweiten sehr zügig im Vergleich zu Verfahren, welche ein Anpassen der Laserparameter benötigen, erfolgen kann. Zusätzlich ist lediglich ein einfaches Abfahren der Oberfläche der Deckschicht eines Keramikelements notwendig, um eine hierarchische Struktur zu erzeugen, was die Prozessgeschwindigkeit im Vergleich zu Verfahren, welche auf einer Mehrfachbestrahlung mit unterschiedlichen Prozessparametern basieren, zusätzlich beschleunigt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt mittels einer Mehrfachbestrahlung mit variierten Verfahrensparametern das Erzeugen von hierarchischen Strukturen, insbesondere einer der ersten periodischen Struktur überlagerte, periodische Linien- und/oder Punktstruktur, wobei die Strukturabmessungen der weiteren periodischen Linien- und/oder Punktstruktur variabel sind. Insbesondere zeichnet sich ein solches Verfahren dadurch aus, dass die Strukturweite der weiteren periodischen Linien- und/oder Punktstruktur durch den Nutzer vorteilhaft frei einstellbar ist und keine Abhängigkeit von Materialeigenschaften und/oder Eigenschaften der verwendeten Laserstrahlungsquelle aufweist. Somit sind hierarchische Strukturen erzeugbar, welche präzise wählbare Strukturperioden aufweisen, sodass gezielt bestimmte Effekte an der Oberfläche der Deckschicht eines Keramikelements, insbesondere rutschhemmende, bzw. haftungserhöhende Effekte, Anti-Schmutz und/oder anti-bakterielle Eigenschaften, Antireflexions- und/oder Anti-Glare Eigenschaften sowie dekorative optische Effekte, erzielbar sind.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich dieses auch zum Herstellen eines Moduls aus Keramikelementen. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen mehrerer Keramikelemente, b) Verbinden der Keramikelemente, c) Erzeugen eines strukturierten Bereiches auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung.

Somit eignet sich das Verfahren auch zum Strukturieren von größeren durch Verbinden einzelner Keramikelemente erzeugter Flächen. Vorteilhaft sind so homogen strukturierte Module bestehend aus einzelnen Keramikelementen erzeugbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Keramikelements genutzt, die eine gepulste Laserstrahlungsquelle (1) verwendet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Keramikelements genutzt, die über eine Haltevorrichtung für das Keramikelement verfügt, die in der xy-Ebene, senkrecht zum Strahlengang (3) des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls frei beweglich ist.

Über die Frequenz der Laserstrahlungsquelle (1), f, und die Geschwindigkeit der Bewegung der Haltevorrichtung, v, lässt sich die Pixeldichte Pd, also der Abstand in der ein Interferenzpixel mit der Weite D auf dem Keramikelement aufgebracht werden kann, einstellen zu: p^d = 7/

Ist die Weite des Interferenzpixels, D, größer als die Pixeldichte Pd, so überlagern sich benachbarte Interferenzpixel in einem Bereich. Dieser Bereich ist dem Fachmann als Pulsüberlapp, OV, bekannt. Er kann berechnet werden zu:

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist bei dem Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Keramikelements Pd kleiner als D. Der dadurch entstehende Pulsüberlapp OV führt zu einer Mehrfachbestrahlung des Keramikelements innerhalb eines Interferenzpixels. Bevorzugt können so nicht-texturierte Flächen vermieden werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden bei dem Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Keramikelements dieselben Interferenzpixel mehrfach bestrahlt. Dadurch ist es möglich, die Tiefe der entstandenen Mikrostrukturen zu erhöhen.

Der Vorteil eines durch ein solches Verfahren erzeugten strukturierten Keramikelements ist die hohe Regelmäßigkeit der erzeugten Strukturen mit Strukturabmessungen im Mikro- und/oder Submikrometerbereich. Eine so erzeugte Struktur mit Abmessungen im Mikro- und/oder Submikrometerbereich hat vorzugsweise einen Variationskoeffizienten (ein Wert, der sich aus der Teilung der Standardabweichung durch den Durchschnittswert ergibt) des Strukturmerkmalquerschnitts, insbesondere Zapfenquerschnitts von 15 % oder weniger, mehr bevorzugt 10 % oder weniger, noch mehr bevorzugt 5 % oder weniger.

Die Laserpulsenergie beträgt vorzugsweise 50 pJ bis 20 mJ, bevorzugt 200 pJ bis 5 mJ, besonders bevorzugt 300 pJ bis 2 mJ, ganz besonders bevorzugt 500 bis 800 pJ. Durch diese geringe Laserpulsenergie pro Laserpuls kann ein unerwünschtes und/oder unkontrolliertes Aufschmelzen des Keramikelements, insbesondere der ersten äußeren Oberfläche des Keramikelements (bspw. in Form einer strukturellen oder chemischen Umwandlung), insbesondere in Folge lokaler Überhitzung bspw. durch einen zu hohen Energieeintrag, unterbunden oder zumindest minimiert werden. Dies ist insbesondere bei den hierin eingesetzten „empfindlichen“ Materialien die die Keramikelemente aufweisen oder aus denen die Keramikelemente bestehen vorteilhaft, oder insbesondere wenn eine Strukturierung der Grundschicht des Keramikelements vorgesehen ist, bevor diese durch einen Brennvorgang ausgehärtet ist.

Die periodische Struktur wird nach einer Variante des Verfahrens innerhalb eines Interferenzpixels mittels eines einzelnen Laserpulses, hierin als Einfachbestrahlung bezeichnet, auf der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht erzeugt. Eine Einfachbestrahlung bedeutet dabei, dass der Interferenzpixel innerhalb eines Bearbeitungsschrittes vorzugsweise nur einmal mittels eines einzelnen Laserpulses belichtet wird. Es wird also eine periodische Struktur mit einer Interferenzperiode innerhalb eines Interferenzpixels durch die Belichtung mit nur einem Laserpuls erzeugt. Dabei überlappen nebeneinander angeordnete Interferenzpixel vorzugsweise nicht, sodass ein entstandener inverser Zapfen nicht erneut beleuchtet wird. Die maximale Laserpulsenergie ist dabei von der Pixelgröße sowie vom Material abhängig. Vorzugsweise ist die minimale Pulsenergie 200 pJ. Durch ein Verfahren, welches die Einfachbestrahlung verwendet, ist somit vorteilhaft eine hohe Prozessgeschwindigkeit erreichbar. Zusätzlich verhindert das Verwenden einer Einfachbestrahlung das Auftreten von quasi-periodischen Wellenstrukturen, sog. LIPSS, durch unkontrollierte Selbstorganisationsprozesse, welche die optischen und/oder haptischen Eigenschaften der ersten äußeren Oberfläche des Keramikelements dahingehend verändern, dass die Transparenz und die Reproduzierbarkeit der haptischen Eigenschaften verändert sein können. Durch eine Einfachbestrahlung kann ein Auftreten der LIPSS-Strukturen verhindert werden. Dadurch wir eine präzise Prozesskontrolle erreicht, wodurch zuverlässig eine spezifische Eigenschaft erzeugbar ist.

Die Laserpulsdauer beträgt vorzugsweise 50 fs bis 200 ns, bevorzugt 100 fs bis 50 ns, besonders bevorzugt 500 fs bis 0,5 ns, ganz besonders bevorzugt 800 fs bis 20 ps. Durch diese kurzen Laserpulsdauer kann ein unerwünschtes und/oder unkontrolliertes Aufschmelzen des Substrates (bspw. in Form einer strukturellen oder chemischen Umwandlung), insbesondere in Folge lokaler Überhitzung bspw. durch einen zu hohen Energieeintrag, unterbunden oder zumindest minimiert werden. Dies ist insbesondere bei den hierin eingesetzten „empfindlichen“ Materialien die die Substrate aufweisen oder aus denen die die Substrate bestehen vorteilhaft.

Die Laserwellenlänge beträgt vorzugsweise 200 nm bis 10 pm, bevorzugt 266 nm bis 1064 nm.

Durch das Bewegen des Keramikelements in Relation zum Fokussierpunkt (welcher das Interferenzpixel erzeugt) in Kombination mit gepulsten Laser(teil-)strahlen kann somit eine flächige, optional homogene und periodische, Punktstruktur auf der Oberfläche oder im Inneren eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, erzeugt werden.

Vorteilhaft können Keramikelemente mit einer hohen Prozessgeschwindigkeit vorzugsweise im Bereich von 0,1 m²/min bis 3 m²/min strukturiert werden. Dies bezieht sich hier auf das Erzeugen von Strukturen auf eine Oberfläche. Nach einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird vor einem Erzeugen einer ersten periodischen Punktstruktur auf einer Oberfläche, vorzugsweise auf der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht, diese Oberfläche poliert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt das erfindungsgemäße Verfahren ein hohes Aspektverhältnis (AV) von vorzugsweise mindestens 0,50, vorzugsweise mindestens 1 ,00 für periodische Strukturen bereit, die durch Laserstrukturierung, vorzugsweise Laserinterferenzstrukturierung, erzielt werden, und erfordert eine präzise Steuerung der Parameter, die sich auf die Einstellung der Pulsenergie und der Pulsüberlappung konzentriert. Es ist eine herausragende Entdeckung der Erfinder, dass insbesondere eine größere Pulsüberlappung zu einem höheren Aspektverhältnis führt als eine Erhöhung der Pulsenergie. Vorzugsweise hat in diesem Zusammenhang die Erhöhung des Überlappungsparameters einen größeren Einfluss als die Erhöhung der Pulsenergie. Im Verfahren werden daher vorzugsweise die Überlappungsparameter optimiert. Zur Beeinflussung der Überlappungsparameter und somit der Überlappung gibt es mehrere Methoden, z. B. die Überlappung von Pixeln in Vorschubrichtung, die Verwendung kurzer aufeinander folgender Pulse (die auch mit Pixelüberlappung kombiniert werden können) und die Durchführung mehrerer Durchgänge mit ähnlichen oder unterschiedlichen Laserparametern, die Pulsenergie und Überlappung umfassen. Diese Strategien tragen gemeinsam dazu bei, hohe Aspektverhältnisse in texturierten Oberflächen zu erreichen und zu optimieren, die für verschiedene erfindungsgemäße technische Anwendungen, wie beispielsweise Wärmeaustausch und/oder Wärmetransfer, Rutschhemmung, Anti-Schmutz und Hyperhydrophilie unerlässlich sind.

Im Sinne der Erfindung wird als Polieren das Glätten einer Oberfläche der Deckschicht, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche und/oder zweiten äußere Oberfläche der Deckschicht, oder einer Oberfläche der Grundschicht, also das Herbeiführen einer glatten Oberfläche mit einem Mittenrauwert Ra <10 pm, bevorzugt Ra <1 pm, besonders bevorzugt Ra <0,2 pm, ganz besonders bevorzugt Ra <0,05 pm, bezeichnet und kann als Vorbehandlung zum Erzeugen der Strukturen notwendig sein. Der Zweck des Polierens im Sinne der Erfindung kann einerseits das Erzeugen einer gleichmäßigen, glatten Oberfläche sein, die das Strukturieren erlaubt bzw. eine geeigneten Ausgangspunkt zum Erzeugen der durch die Strukturen zu generierenden Eigenschaften bereitet sowie andererseits das Erzeugen einer glatten Oberfläche, die einfallendes Licht gleichmäßig reflektiert, was als Glanz einen vorteilhaften optischen Eindruck erzeugt, und/oder im Kontakt mit anderen Oberflächen weniger Reibung erzeugt, was z. B. bei Böden bzw. Badkeramik wichtig sein kann, um beispielsweise ein leichtes Reinigen zu ermöglichen. Eine Möglichkeit des Polierens stellen die Verfahren der (Fein-)Bearbeitung aus der Gruppe der spanenden Fertigungsverfahren gemäß DIN 8589, beispielsweise Schleifen oder Läppen, dar, bei denen durch geringes Abtragen von Material die gewünschte Oberfläche, durch plastische oder teilplastische Verformung oder durch eine Ebnung der Rauhigkeitsspitzen der Oberflächenstruktur erzielt wird.

Ferner kann darüber hinaus das Polieren, also erzeugen einer glatten Oberfläche der Deckschicht mit Ra <1 mm, bevorzugt Ra <500 pm, besonders bevorzugt Ra <10 pm, ganz besonders bevorzugt Ra <1 pm, noch mehr bevorzugt Ra <0,2 pm, noch viel mehr bevorzugt Ra <0,05 pm, durch das Umschmelzen einer dünnen Randschicht (<100 pm) der Deckschicht mit Laserstrahlung (Laserpolieren), beispielsweise bei thermoplastischen Werkstoffen sowie Gläsern, erfolgen.

Das Polieren umfasst im Sinne der Erfindung auch das Erzeugen einer glatten Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit Ra <1 mm, bevorzugt Ra <500 pm, besonders bevorzugt Ra <10 pm, ganz besonders bevorzugt Ra <1 pm, noch mehr bevorzugt Ra <0,2 pm, noch viel mehr bevorzugt Ra <0,05 pm, durch das Aufbringen einer Deckschicht auf eine Oberfläche. Das Aufbringen einer Deckschicht auf eine Oberfläche, um diese Oberfläche zu polieren, also deren Rauheit zu begrenzen wird auch als beschichten bezeichnet

Ein durch das hierin offenbarte Verfahren und die hierin offenbarte Vorrichtung erzeugtes Keramikelement eignet sich darüber hinaus zum weiteren Bearbeiten mittels eines Beschichtungsprozesses, wobei das Keramikelement eine physikalische und/oder chemische Beschichtung erhalten kann. Durch eine solche Beschichtung können die Eigenschaften des strukturierten Substrats bzw. der Deckschicht bzw. des Keramikelementes, beispielsweise die Antireflexionseigenschaften und/oder hydrophile und/oder hydrophobe Eigenschaften verstärkt werden. Denkbar ist das Aufbringen einer chemischen Sprühbeschichtung und/oder das Aufbringen einer Beschichtung mittels chemical vapor deposition und/oder Sputtern.

Die Erfindung umfasst somit auch ein Verfahren, bei dem das Keramikelement nach der Strukturierung gemäß einer der hierin erwähnten Beschichtungsarten beschichtet wird. Dadurch tritt die Strukturierung, insbesondere die erste periodische Punktstruktur dann sowohl in der Beschichtung, aber auch in der darunter liegenden Deckschicht auf. VORRICHTUNG

Laserstrahlungsquelle (1)

Die Vorrichtung zum Erzeugen eines strukturierten Keramikelements weist eine Laserstrahlungsquelle (1) auf, die einen Laserstrahl emittiert. Das Strahlungsprofil des emittierten Laserstrahls entspricht entweder einem Gauß-Profil, oder einem Top- Hat-Profil, besonders bevorzugt einem Top- Hat- Profil. Das Top-Hat-Profil ist hilfreich, um eine zu strukturierende Oberfläche eines Keramikelements homogener zu strukturieren bzw. abzudecken und um ggf. eine schnellere Strukturierungsrate zu ermöglichen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der Laserstrahlungsquelle (1) um eine Quelle, die einen gepulsten Laserstrahl erzeugt. Die Pulsweite der gepulsten Laserstrahlungsquelle liegt dabei beispielsweise im Bereich von 50 fs bis 1 ns, insbesondere 50 fs bis 100 ns, ganz besonders bevorzugt 50 Femtosekunden bis 10 ps.

Mit Laserstrahl oder Teilstrahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt (Gauß-Verteilungsprofil oder einen intrinsischer Top-Hat-Strahl) aufweist.

Mit Top- Hat- Profil oder Top-Hat-Intensitätsverteilung ist eine Intensitätsverteilung gemeint, die sich zumindest hinsichtlich einer Richtung im Wesentlichen durch eine Rechteckfunktion (rect (x)) beschreiben lässt. Dabei sind reale Intensitätsverteilungen, die Abweichungen von einer Rechteckfunktion im Prozentbereich beziehungsweise geneigte Flanken aufweisen, ebenfalls als Top- Hat- Verteilung oder Top-Hat-Profil bezeichnet. Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung eines Top-Hat-Profils sind dem Fachmann bestens bekannt und bspw. In EP 2 663 892 beschrieben. Ebenso sind bereits optische Elemente zur Transformation des Intensitätsprofils eines Laserstrahls bekannt. Beispielsweise können mittels diffraktiven und/oder refraktiven Optiken Laserstrahlen mit gaußförmigem Intensitätsprofil in Laserstrahlen transformiert werden, welche in einer oder mehreren definierten Ebenen ein Top-Hat-förmiges Intensitätsprofil aufweisen, wie zum Beispiel ein Gauss-to-Top Hat Focus Beam Shaper der Firma TOPAG Lasertechnik GmbH, siehe z.B. DE102010005774A1. Derartige Laserstrahlen mit Top-Hat-förmigem Intensitätsprofilen sind besonders attraktiv für die Lasermaterialbearbeitung, insbesondere bei der Verwendung von Laserpulsen, die kürzer als 50 ps sind, da mit der im Wesentlichen konstanten Energie- bzw. Leistungsdichte hierbei besonders gute und reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse erzielt werden können. Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltene Laserstrahlungsquelle (1) kann eine Intensität von 50 pJ bis 20 mJ besonders bevorzugt 300 pJ bis 800 pJ. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Intensität der Laserstrahlungsquelle in einem Bereich flexibel wählbar. Der Strahldurchmesser spielt für das Erzeugen des Interferenzmusters auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, eines Keramikelements, keine Rolle. Durch die bevorzugte Anordnung der optischen Elemente im Strahlengang des Lasers ist keine Einheit zur Kontrolle der Intensität des Laserstrahls notwendig.

Die Laserstrahlungsquelle ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Wellenlängen im Bereich von 100 nm bis 15 pm (bspw. CO2-Laser im Bereich von 10,6 pm), ganz besonders bevorzugt im Bereich von 266 nm bis 1.064 nm zu emittieren. Als Laserstrahlungsquelle eignen sich beispielsweise UV-Laserstrahlquellen (155 nm bis 355 nm), Laserstrahlquellen, die grünes Licht (532 nm) emittieren, Diodenlaser (typischerweise 800 nm bis 1000 nm) oder Laserstrahlquellen, die im nahen infrarot (typischerweise 1064 nm) Strahlung emittieren, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 200 nm bis 650 nm Wellenlänge. Für die Mikroverarbeitung geeignete Laser sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise HeNe-Laser, HeAg-Laser (ca. 224 nm), NeCu-Laser (ca. 249 nm), Nd:YAG Laser (ca. 355 nm), YAG-Laser (ca. 532 nm), InGaN-Laser (ca. 532 nm).

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine weitere Laserstrahlungsquelle auf, welche derart ausgestaltet ist, dass sie einen Laserstrahl erzeugt, welcher mit dem Laserstrahl der ersten Laserstrahlungsquelle, bzw. dem in Teilstrahlen aufgeteilten Laserstrahl der ersten Laserstrahlungsquelle in einem Interferenzbereich interferiert. Dabei weist die weitere Laserstrahlungsquelle die gleichen Eigenschaften, wie oben beschrieben auf, wobei diese denen der ersten Laserstrahlungsquelle gleichen oder von dieser verschieden sein können.

Optische Elemente

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Vielzahl an optischen Elementen. Bei diesen Elementen handelt es sich primär um Prismen und Linsen.

Diese Linsen können refraktiv oder diffraktiv sein. Es können sphärische, asphärische oder zylindrische Linsen verwendet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden zylindrische Linsen verwendet. Dadurch ist es möglich, die Überlappungsbereiche der Teilstrahlen (hierin auch als Interferenzpixel bezeichnet) in eine Raumrichtung zu komprimieren und in eine andere zu strecken. Wenn die Linsen nicht sphärisch/asphärisch sind, sondern zylindrisch, hat dies den Vorteil, dass die Strahlen zugleich verformt werden können. Dadurch kann der Bearbeitungsspot (d.h. das auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements erzeugte Interferenzmuster) von einem Punkt zu einer Linie verformt werden, die das Interferenzmuster enthält. Mit ausreichender Energie des Lasers kann diese Linie im Bereich von 10 - 15 mm lang sein (und ca. 100 pm dick sein).

Des Weiteren können Spatial Light Modulators (SLM) zur Strahlformung eingesetzt werden. Dem Fachmann ist die Verwendung von SLMs zur räumlichen Modulation der Phase oder der Intensität oder der Phase und Intensität eines einfallenden Lichtstrahls bekannt. Die Anwendung von Liquid Crystal on Silicon (LcoS)-SLM zur Strahlteilung ist in der Literatur beschrieben und auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar. Darüber hinaus können SLMs auch zur Fokussierung der Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements verwendet werden. Die Ansteuerung eines solchen SLMs kann optisch, elektronisch, oder akustisch erfolgen.

Alle im Folgenden erläuterten optischen Elemente sind im Strahlengang (3) des Lasers angeordnet. Im Sinne der Erfindung bezeichnet der Strahlengang des Lasers den Verlauf sowohl des von der Laserstrahlungsquelle emittierten Laserstrahls als auch den Verlauf der durch ein Strahlteilerelement aufgeteilten Teilstrahlen. Als optische Achse des Strahlengangs (3) wird jedoch die optische Achse des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls verstanden. Sofern nicht anders erläutert, sind alle optischen Elemente senkrecht zur optischen Achse des Strahlengangs (3) angeordnet.

Strahlteilerelement (2)

Im Strahlengang (3) des Lasers, hinter der Laserstrahlungsquelle (1), befindet sich ein Strahlteilerelement (2). Das Strahlteilerelement (2) kann ein diffraktives oder ein refraktives Strahlteilerelement sein. Diffraktive Strahlteilerelemente werden auch nur kurz als diffraktives optisches Element (DOE) bezeichnet. Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein diffraktives Strahlteilerelement ein optisches Element, welches Mikro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Mikrostrukturen, welche einen Eingangsstrahl entsprechend den unterschiedlichen Beugungsordnungen in verschiedene Strahlen aufteilen, enthält. Ein refraktives Strahlteilerelement bezeichnet im Sinne der Erfindung ein Strahlteilerelement, bei dem die Strahlen aufgrund von Brechzahlunterschieden an Oberflächen geteilt werden, wobei diese in der Regel transparent ausgebildete optische Elemente sind, wie z. B. ein Prisma bzw. ein Doppelprisma. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Strahlteilerelement (2) um ein refraktives Strahlteilerelement. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Strahlteilerelement um ein einzelnes optisches Element, insbesondere ein diffraktives oder refraktives optisches Element, welches derart aufgebaut ist, dass die Unterteilung des einfallenden Laserstrahls auf den optischen Eigenschaften des Strahlteilerelements basiert. Somit ist vorteilhaft gewährleistet, dass gegenüber einem mehrteiligen Strahlteilerelement, welches aus mehreren optischen Elementen (bspw. Spiegel, Prismen, etc.) besteht, ein einfacher optischer Aufbau realisierbar ist. Die gewünschte Strahlaufteilung ist erreichbar, ohne dass ein Kalibrieren, bzw. Anpassen der Anordnung von mehreren optischen Elementen zueinander. Auch ist die Beweglichkeit des Strahlteilerelements im Strahlenganz einfach zu realisieren, da nur das Bewegen eines einzelnen optischen Elements durchzuführen ist. Zudem ergeben sich durch das Verwenden eines einteiligen Strahlteilerelements weniger verschleißanfällige Komponenten, welche ggf. auszutauschen sind.

Nach einer möglichen Ausgestaltung ist der Strahlteiler als polarisierender Strahlteiler, bei dem einer der resultierenden Strahlen eine andere Polarisation aufweist als der andere, oder als nicht polarisierender Strahlteiler, bei dem die Polarisation für die Teilung des Strahls keine Rolle spielt, ausgebildet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung teilt das Strahlteilerelement (2) den emittierten Laserstrahl in zumindest 3, vorzugsweise zumindest 4, insbesondere 4 bis 8, also 4, 5, 6, 7, oder 8 Teilstrahlen auf.

In einer weiteren Ausgestaltung teilt das Strahlteilerelement (2) den emittierten Laserstrahl in zumindest 2, vorzugsweise zumindest 3 bis 4, insbesondere 4 bis 10, also 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Teilstrahlen auf.

Das Strahlteilerelement (2) ist entlang seiner optischen Achse frei beweglich. D. h., es kann entlang seiner optischen Achse auf die Laserstrahlungsquelle zu oder von ihr wegbewegt werden. Durch die Bewegung des Strahlteilerelements (2) verändert sich die Aufweitung der zumindest 3 Teilstrahlen, sodass diese mit unterschiedlichen Abständen zueinander auf ein Fokussierelement auftreffen. Dadurch kann der Winkel 0, in dem die Teilstrahlen auf eine Oberfläche, vorzugsweise aud die erste äußere Oberfläche, des Keramikelements , auftreffen, verändert werden. Somit ergibt sich bei einer Überlagerung von vier Teilstrahlen eine nahtlose Änderung der Interferenzperiode p_n zu

wobei A die Wellenlänge des emittierten Laserstrahls ist.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Strahlteilerelement als rotierendes Element ausgebildet. Dies erlaubt es vorteilhaft, dass die Polarisation der Teilstrahlen modifiziert werden können.

Besonders bevorzugt beträgt der Winkel 0, in dem die Teilstrahlen auf eine Oberfläche, vorzugsweise die erste äußere Oberfläche, des Keramikelements, auftreffen, 0,1 ° bis 90°.

Der Winkel 0 ist ferner abhängig von den Abständen der optischen Elemente untereinander, insbesondere vom Abstand der optischen Elemente zum Strahlteilerelement, ganz besonders vom Abstand des Fokussierelements zum Strahlteilerelement. Abhängig von der gewünschten Interferenzperiode, welche auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements zu erzeugen ist, kann die Position des Strahlteilerelements so eingestellt bzw. berechnet werden, dass die gewünschte Interferenzperiode einstellbar ist. Dabei wird die Position der von der Vorrichtung umfassten optischen Elemente, insbesondere die Position des Fokussierelements derart im Verhältnis zum Strahlteilerelement berücksichtigt, dass bei einem größeren oder kleineren Abstand der optischen Elemente zueinander die Position des Strahlteilerelements entsprechend anpassbar ist.

Um ein strukturiertes Keramikelement zu generieren hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Abstand vom Strahlteilerelement (2) zum Umlenkelement (7) von 10 mm bis 50 mm oder 150 mm bis 200 mm eingestellt ist.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung auch eine Messeinrichtung, insbesondere eine Messeinrichtung, die mittels eines Lasers oder eines optischen Sensors arbeitet, die zum Messen der Position des Strahlteilerelements und gegebenenfalls des Abstandes des Strahlteilerelements zu den weiteren optischen Elementen, insbesondere zur Position des Fokussierelements eingerichtet ist.

Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine mit der Messeinrichtung signaltechnisch verbundene Steuereinrichtung umfassen, die insbesondere mit einer Recheneinheit derart verbunden ist, mit der die gemessenen Position des Strahlteilerelements mit einem ersten vorbestimmten Vergleichswert vergleichbar ist, wobei die Steuereinrichtung programmtechnisch derart eingerichtet ist, dass, falls der Abstand des Strahlteilerelements zu den weiteren optischen Elementen, insbesondere zur Position des Fokussierelements und/oder des Umlenkelements (7) größer oder kleiner ist als der erste vorbestimmte Vergleichswert, dann über die Steuereinrichtung ein Steuersignal erzeugt wird, mit dem zumindest eine Position eines optischen Elements, insbesondere des

Strahlteilerelements (2) derart verändert wird, insbesondere des Strahlteilerelements (2) im Verhältnis zum Umlenkelement (7), dass die gewünschte Interferenzperiode auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements erzeugt wird.

In diesem Zusammenhang kann auch das Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements mit einer Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich insbesondere nach Schritt (a) die folgenden Schritte umfassen:

(i) Messen der Position des Strahlteilerelements (2) und gegebenenfalls des Abstandes des Strahlteilerelements zu den weiteren optischen Elementen oder zu wenigstens einem der weiteren optischen Elemente, insbesondere zur Position des Fokussierelements (4) und/oder des Umlenkelements (7),

(ii) Vergleichen der gemessenen Position des Strahlteilerelements mit einem ersten vorbestimmten Vergleichswert und,

(iii) falls der gemessene Abstand des Strahlteilerelements zu den weiteren optischen Elementen oder zu wenigstens einem der weiteren optischen Elemente, insbesondere zur Position des Fokussierelements (4) und/oder des Umlenkelements (7) größer oder kleiner ist als der erste vorbestimmte Vergleichswert: Verändern der Position des optischen Elements, insbesondere des Strahlteilerelements (2) derart (insbesondere im Verhältnis zu den anderen optischen Elementen, besonders bevorzugt des Strahlteilerelements (2) im Verhältnis zum Umlenkelement (7)), dass die gewünschte Interferenzperiode auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements erzeugt wird.

Das Unterteilen des Laserstrahls im Strahlteilerelement (2) kann sowohl durch ein teilweise reflektives Strahlteilerelement, beispielsweise einen halbdurchlässigen Spiegel, als auch ein transmissives Strahlteilerelement, beispielsweise ein dichroitisches Prisma, erfolgen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind dem Strahlteilerelement (2) weitere Strahlteilerelemente im Strahlengang des Lasers nachgeordnet. Diese Strahlteilerelemente sind derart angeordnet, dass sie jeden der zumindest drei Teilstrahlen in zumindest zwei weitere Teilstrahlen aufteilen. Dadurch kann eine höhere Anzahl an Teilstrahlen erzeugt werden, die auf eine Oberfläche, vorzugsweise die erste äußere Oberfläche, des Keramikelements gelenkt werden, sodass sie auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements interferieren. Dadurch kann die Interferenzperiode des Interferenzmusters eingestellt werden.

Fokussierelement (4)

Des Weiteren ist im Strahlengang (3) des Lasers dem Strahlteilerelement (2) nachgeordnet ein Fokussierelement (4) angeordnet, das derart eingerichtet ist, dass es die Teilstrahlen derart durchlaufen, dass die Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, eines zu strukturierenden Keramikelements (5) in einem Interferenzbereich interferieren. Das Fokussierelement (4) fokussiert die zumindest drei Teilstrahlen in einer Raumrichtung, ohne die zumindest drei Teilstrahlen in der Raumrichtung senkrecht dazu zu fokussieren. Beispielsweise kann das Fokussierelement (4) eine fokussierende optische Linse sein. Unter fokussieren versteht man im Sinne der Erfindung das Bündeln der zumindest drei Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, eines Keramikelements.

Das Fokussierelement (4) kann im Strahlengang (3) frei beweglich sein. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Fokussierelement (4) im Strahlengang bzw. entlang der optischen Achse fixiert.

Es versteht sich, dass die hierin definierten optischen Elemente bspw. Zur Strahlteilung und zur Ausrichtung der Teilstrahlen in Richtung auf ein entsprechend zu strukturierendes Keramikelement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Fokussierelement (4) um eine sphärische Linse. Die sphärische Linse ist derart eingerichtet, dass sie die einfallenden zumindest drei Teilstrahlen derart durchlaufen, dass sie auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des zu strukturierenden Keramikelements, in einem Interferenzbereich interferieren. Die Weite des Interferenzbereichs beträgt vorzugsweise 1 pm bis 600 pm, besonders bevorzugt 10 pm bis 400 pm, ganz besonders bevorzugt 20 pm bis 200 pm. Hierdurch kann zugleich eine hohe Strukturierungsrate, beispielsweise wie hierin definiert, eingestellt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Fokussierelement (4) um eine zylindrische Linse. Die zylindrische Linse ist derart eingerichtet, dass der Bereich, in dem sich die zumindest drei Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, eines Keramikelements, überlagern, in eine Raumrichtung gedehnt wird. Dadurch nimmt der Bereich einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements, auf dem das Interferenzmuster erzeugt werden kann, eine elliptische Form an. Die große Halbachse dieser Ellipse kann eine Länge von 20 pm bis 15 mm erreichen. Damit vergrößert sich der in einer Bestrahlung strukturierbare Bereich.

Erstes Umlenkelement (7)

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung befindet sich vor dem Fokussierelement (4) und nach dem Strahlteilerelement (2) angeordnet ein Umlenkelement (7), das vorzugsweise im Strahlengang (3) des Lasers angeordnet ist. Dieses Umlenkelement (7) wird zum Aufweiten der Abstände zwischen den zumindest drei Teilstrahlen genutzt und kann damit ebenfalls den Winkel, in dem die Teilstrahlen auf eine Oberfläche, vorzugsweise die erste äußere Oberfläche, des Keramikelements, auftreffen, verändern. Es ist derart eingerichtet, dass es die Divergenz der zumindest drei Teilstrahlen erhöht und damit den Bereich, in dem die zumindest drei Teilstrahlen interferieren, entlang der optischen Achse des Strahlengangs (3) von der Laserstrahlungsquelle (1) wegzubewegen.

Unter Aufweiten der Abstände zwischen den zumindest drei Teilstrahlen wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass sich der Winkel der jeweiligen Teilstrahlen zur optischen Achse des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls vergrößert.

Das Aufweiten und die dadurch erfolgende Umlenkung der Teilstrahlen hat den Vorteil, dass die Teilstrahlen durch das Fokussierelement (4) stärker gebündelt werden können. Somit ergibt sich eine höhere Intensität in dem Bereich, in dem die zumindest drei Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements interferieren.

Durch die geeignete Wahl des Umlenkelements kann auf eine Einheit zur Kontrolle der Intensität des Laserstrahls verzichtet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung wird ein Umlenkelement (7) verwendet, dass durch die Aufweitung der zumindest drei Teilstrahlen das Fokussieren der zumindest drei Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements (5) mittels eines Fokussierelements (4) erlaubt, wobei die Intensität der Interferenzpunkte auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements ohne eine zusätzliche Einstellung der Intensität der Laserstrahlungsquelle (1) erreicht werden kann. Dies hat den Vorteil, dass zur Strukturierung einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements unter Erzeugen der periodischen Punktstruktur auch Laserstrahlungsquellen mit niedriger Intensität (Leistung pro Fläche) genutzt werden können, wodurch die optischen Elemente vor Verschleiß geschützt und geringe Strukturtiefen einfacher zu erzeugen sind.

Weiteres Umlenkelement (6)

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass im Strahlengang (3) der Laserstrahlungsquelle (1) dem Strahlteilerelement (3) nachgeordnet ein weiteres Umlenkelement (6) angeordnet ist, das die Teilstrahlen derart umlenkt, dass sie nach Austritt aus dem weiteren Umlenkelement (6) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dadurch kann die Vorrichtung derart eingerichtet sein, dass der Bearbeitungspunkt, also der Punkt in dem die zumindest drei Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements, interferieren, bei Verschiebung des Strahlteilerelements im Strahlengang des Lasers entlang seiner optischen Achse konstant bleibt. Unter dem Begriff „im Wesentlichen parallel“ soll im Rahmen dieser Schrift ein Winkelversatz von zwischen +15° und -15°, insbesondere lediglich von zwischen +10° und -10°, ganz besonders bevorzugt von zwischen +5° und -5° zwischen den beiden Teilstrahlen, insbesondere aber natürlich kein Winkelversatz, also 0°, verstanden werden.

Das weitere Umlenkelement (6) kann eine konventionelle, refraktive Linse sein. Alternativ kann das weitere Umlenkelement (6) aber auch als diffraktive Linse (z. B. Fresnel-Linse) ausgestaltet sein. Diffraktive Linsen haben den Vorteil, dass diese wesentlich dünner und leichter sind, was eine Miniaturisierung der hierin offenbarten Vorrichtung vereinfacht.

Durch geeignete Auswahl der Brechungsindizes der optischen Elemente (4), (6) und (7) können die Abstände zwischen optischen Elementen und Keramikelement, sowie die Interferenzperiode (p_n) eingestellt werden. Alle optischen Elemente mit Ausnahme des Strahlteilerelements (2) können vorzugsweise innerhalb des Strahlengangs (3) des Lasers fixiert sein. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform bietet daher den Vorteil, dass zur Anpassung des Interferenzbereichs oder des Interferenzwinkels lediglich ein Element, nämlich das Strahlteilerelement (2), bewegt werden muss. Das erspart Arbeitsschritte bei der Einrichtung der Vorrichtung, wie Kalibrierung der Vorrichtung auf die gewünschte Interferenzperiode. Des Weiteren beugt eine fixe Einstellung, d.h. wobei vorzugsweise alle optischen Elemente innerhalb des Strahlengangs (3) des Lasers fixiert sind, der optischen Elemente deren Verschleiß vor. Polarisationselement (8)

In einer weiteren Ausführungsform befindet sich hinter dem Umlenkelement, besonders bevorzugt in einem Aufbau mit zwei Umlenkelementen (6), (7) hinter dem weiteren Umlenkelement (6), und vor dem Fokussierelement (4) in zumindest einem der Strahlengänge der zumindest 3 Teilstrahlen je ein Polarisationselement (8). Die Polarisationselemente können die Polarisation der Teilstrahlen zueinander modifizieren. Dadurch lässt sich das resultierende Interferenzmuster, das die zumindest 3 Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, oder im Volumeneines Keramikelements, abbilden, modifizieren. Durch die Anordnung eines Polarisationselement (8) in zumindest einem der Strahlengänge der Teilstrahlen, vorzugsweise nicht in jedem Strahlengang der Teilstrahlen, vorzugsweise in einem Strahlengang bis (n-1) Strahlengängen, wobei n die Anzahl der erzeugten Teilstrahlen im Applikationsverfahrens, kann vorteilhaft die Polarisationsebene zumindest eines Teilstrahls im Strahlengang gedreht und somit das Muster eines Interferenzpixels in der Ebene einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements „gestört“ werden.

Insbesondere können somit die interferierenden Teilstrahlen nicht polarisiert, linear polarisiert, zirkular polarisiert, elliptisch polarisiert, radial polarisiert oder azimutal polarisiert sein.

Optisches Element zur Strahlformung

In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Laserstrahlungsquelle (1) ein Strahlungsprofil, das einem Gauß-Profil, wie oben beschrieben, entspricht. In einer solchen Ausführungsform kann sich hinter der Laserstrahlungsquelle (1) und vor dem Strahlteilerelement (2) ein weiteres optisches Element zur Strahlformung befinden. Dieses Element dient dazu, das Strahlungsprofil der Laserstrahlungsquelle einem Top-Hat-Profil anzugleichen.

Es kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ein optisches Element mit einer konkav parabolisch oder planar reflektierenden Oberfläche vorgesehen sein, wobei das optische Element beispielsweise um mindestens eine Achse drehbar oder entlang des Strahlengangs (3) verschiebbar ausgebildet ist. Hierdurch kann gegebenenfalls auf ein zusätzliches im Strahlengang (3) positioniertes Fokussierelement (4) bzw. ein weiteres Umlenkelement (6) verzichtet werden. Beispielsweise können durch dieses optische Element Laserstrahlen oder Teillaserstrahlen auf die Oberfläche des Fokussierelements (4) oder ein weiteres fokussierendes optisches Element gerichtet werden, bevor die Strahlen zur Ausbildung von Strukturelementen das zu strukturierende Keremikelement erreichen.

Alternativ kann beispielsweise auch zumindest ein optisches Element mit einer konkav parabolisch oder planar reflektierenden Oberfläche vorgesehen sein, welches beispielsweise um mindestens eine Achse drehbar oder entlang des Strahlengangs (3) verschiebbar ausgebildet ist, wobei dieses optische Element dem ersten Umlenkelement (7) und dem weiteren Umlenkelement (6) im Strahlengang nachgeordnet positioniert ist. So können beispielsweise die Teilstrahlen im Strahlengang umgelenkt werden (Umlenkspiegel) oder derart im Strahlengang fokussiert werden, dass das zu strukturierende Keramikelement während der Bearbeitung ortsfest positioniert sein kann (sog. Fokussierspiegel bzw. Galvo- Spiegel (Laserscanner) (9)).

Ebenfalls denkbar ist auch eine Ausführungsform, welche einen Polygonscanner umfasst. In dieser Ausgestaltung umfasst zumindest ein optisches Element ein sich periodisch drehendes Prisma, bevorzugt ein sich periodisch drehendes Spiegelprisma, insbesondere einen Polygonspiegel oder auch Polygonrad, sowie ein dem sich periodisch drehenden Prisma im Strahlengang nachgeordnetes Fokussierelement (4). Das Fokussierelement ist derart eingerichtet, dass es die Teilstrahlen derart durchlaufen, dass die Teilstrahlen auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, eines Keramikelements in einem Interferenzbereich interferieren. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das optische Element weiterhin zumindest weiteres Umlenkelement, beispielsweise ein reflektierendes Umlenkelement zum Umlenken der Teilstrahlen im Strahlengang. Das zumindest eine weitere Umlenkelement kann dem sich periodisch drehenden Prisma im Strahlengang vor- und/oder nachgeordnet sein. Das zumindest eine weitere Umlenkelement ist dem Fokussierelement im Strahlengang vorgeordnet.

Ein solcher Aufbau erlaubt vorteilhaft das schnelle Abtasten einer Oberfläche, vorzugsweise einer ersten äußeren Oberfläche, eines Keramikelements, sodass eine hohe Strukturierungsrate von bis zu 3 m²/min, insbesondere im Bereich von 0,05 bis 2 m²/min, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 m²/min, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 m²/min bis 0,9 m²/min erreichbar ist. Die genaue Strukturierungsrate ist dabei insbesondere von der verfügbaren Laserleistung abhängig. Mit zukünftigen Technologien, welche eine höhere Laserleistung aufweisen, sind demzufolge noch höhere Strukturierungsraten erreichbar. Haltevorrichtung für das Keramikelement

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Keramikelement in der xy-Ebene beweglich. Durch Bewegung des Keramikelements in der xy-Ebene kann eine flächige Bearbeitung mittels Laserinterferenzstrukturierung gewährleistet werden. Dabei wird in jedem Bearbeitungsschritt (d.h. Laserpuls, der auf das zu strukturierende Keramikelement trifft) ein Interferenzpixel (wie hierin definiert) erzeugt, der eine Größe D abhängig vom Einfallswinkel und der Intensitätsverteilung des Laserstrahls, sowie den Fokussierungseigenschaften der optischen Elemente besitzt. Der Abstand zwischen den verschiedenen Interferenzpixeln, die Pixeldichte Pd, wird durch die Wiederholrate der Laserstrahlungsquelle (1), sowie der Bewegung des Keramikelements in Relation zum Fokussierpunkt der optischen Elemente, also dem Punkt, in welchem der Interferenzbereich auf der Oberfläche oder im Inneren des Keramikelements erzeugt wird, bestimmt. Ist die Pixeldichte Pd kleiner als die Größe der Interferenzpixel D, so ist eine flächige, homogene Bearbeitung möglich.

Durch das Bewegen des Keramikelements in Relation zum Fokussierpunkt (welcher das Interferenzpixel erzeugt) in Kombination mit gepulsten Laser(teil-)strahlen kann somit eine flächige, optional homogene und periodische, Punktstruktur auf der Oberfläche eines Keramikelements erzeugt werden.

Alternativ zum Bewegen des Keramikelements in Relation zum Fokussierpunkt kann auch der Fokussierpunkt (bspw. Durch scannerbasierte Methoden) über die Probe bzw. das Keramikelement geführt werden.

Eine Verschiebung des zu strukturierenden Keramikelementes im Laserstrahl kann aufgrund der relativ großen dabei bewegten Massen vergleichsweise aufwändig und langsam sein. Es ist daher vorteilhaft das Keramikelement während der Bearbeitung ortsfest vorzusehen und die flächige Strukturierung des Keramikelementes dadurch zu realisieren, dass die Fokussierung der Teilstrahlen auf die Oberfläche des Keramikelements durch Manipulation der Laserteilstrahlen mit optischen Elementen (Fokussierspiegel bzw. Galvo-Spiegel (Laserscanner)) in Strahlrichtung bewirkt wird. Da die dabei bewegten Massen relativ klein sind, ist dies mit weit geringerem Aufwand bzw. viel schneller möglich. Vorzugsweise ist das Keramikelement während des Verfahrens ortsfest angeordnet.

Mobile Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine mobile Vorrichtung, die eine Laserstrukturierungsvorrichtung aufweist. Als Laserstrukturierungsvorrichtungen kommen Laservorrichtungen zum direkten Laserschreiben (engl. DLS), Laservorrichtungen zum defokussierten Laserschreiben oder Laservorrichtungen zum direkten Laserinterferenzstrukturieren (Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtungen, engl.: DLIP) zum Einsatz. Die mobile Vorrichtung ist nach einer Ausgestaltung derart ausgebildet, dass sie einen mobilen Teil aufweist, der dazu eingerichtet ist, optische Elemente zur Strahlformung aufzunehmen, sodass dieser mobile Teil der Vorrichtung über eine zu strukturierende Oberfläche eines Keramikelementes führbar ist, sodass sich auf der Oberfläche des zu strukturierenden Substrats ein kontinuierlich strukturierter Bereich ausbildet.

Die mobile Vorrichtung kann als spezifisches Beispiel auch eine hierin definierte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laserstrukturierung, insbesondere Laserinterferenzstrukturierung aufweisen.

Der mobile Teil der Vorrichtung ist dabei bevorzugt derart ausgestaltet, dass er über einen eigenen Antrieb verfügt, welcher das Steuern des mobilen Teils mit einer definierten, vorgebbaren Geschwindigkeit über die zu strukturierende Oberfläche bewegt. Nach einer Ausgestaltung ist die Geschwindigkeit dabei derart einstellbar, dass der Pulsüberlapp zwischen zwei Laserpulsen steuerbar ist. Der Pulsüberlapp zwischen zwei benachbarten Interferenzpixeln ist so durch den Nutzer im Bereich von 100% bis 0% frei einstellbar. Somit ist sowohl eine Einfach- als auch eine Mehrfachbestrahlung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbar.

Bevorzugt weist die Vorrichtung bei dieser Ausgestaltung ein Steuerelement auf, welches das automatisierte Ansteuern des mobilen Teils der Vorrichtung ermöglicht. Besonders bevorzugt ist das Steuerelement dabei derart programmierbar, dass seine Bewegung in x- und y-Richtung über eine Oberfläche einstellbar ist. Somit ist ein automatisiertes Abfahren einer Fläche realisierbar. Bevorzugt verfügt das Steuerelement dabei über eine Sensorik, die das Positionieren des mobilen Teils der Vorrichtung über der Oberfläche ermöglicht, besonders bevorzugt mittels eines optischen, akustischen und/oder radarbasierten Positionierungsverfahrens. Somit ist gewährleistet, dass eine zu strukturierende Oberfläche homogen strukturierbar ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der mobile Teil der Vorrichtung manuell ansteuerbar. Somit ist sowohl die Position in Bezug auf die zu strukturierende Oberfläche, als auch die Geschwindigkeit vorgebbar. Eine solche Vorrichtung ist besonders geeignet zur selektiven Strukturierung von großen Oberflächen, wobei die Vorrichtung über einem zu strukturierenden Bereich in Position gebracht wird, während nicht zu strukturierende Bereiche durch den Nutzer aussparbar sind.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mobile Teil der Vorrichtung derart eingerichtet, dass die Ebene der zu strukturierenden Oberfläche des Keramikelementes orthogonal zum Strahlengang des Lasers, der in z-Richtung verläuft, angeordnet ist. Dabei verläuft die Normale der zu strukturierenden Oberfläche im Wesentlichen parallel zum auftreffenden Laserstrahl. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein regelmäßiges Interferenzmuster, insbesondere ein Linien- oder Punktmuster, auf dem Keramikelement erzeugen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mobile Teil der Vorrichtung derart eingerichtet, dass die Ebene der zu strukturierenden Oberfläche des Keramikelementes in einem von 90° abweichenden Winkel zum Strahlengang des Lasers angeordnet ist. Dabei schließt die Normale der zu strukturierenden Oberfläche mit dem auftreffenden Laserstrahl einen Winkel ein. Somit lassen sich vorteilhaft Interferenzmuster, insbesondere Punktmuster erzeugen, wobei die entstehenden Zapfenstrukturen eine elliptische Grundfläche aufweisen.

Herstellungsvorrichtung

Zur Herstellung von Keramikelementen (wie hierin definiert) werden keramische Werkstoffe durch formgebende Prozesse oder durch Auftrag eines keramischen oder glaskeramischen Materials als Deckschicht auf einen formgebenden Grundkörper in die gewünschte Form gebracht. Vor dem Brennen sind die keramischen Werkstoffe allerdings noch nicht formstabil, wodurch eine formbeständige Strukturierung der Oberfläche keramischer Werkstoffe, insbesondere durch Strukturen im Mikro- oder Submikrometerbereich erschwert ist. Um bspw. ein Austreiben keramischer Werkstoffe in die Länge und/oder in die Breite vor dem Brennvorgang zu verhindern, werden keramische Werkstoffe zudem, bspw. beim Strangformungsverfahren zur Herstellung von Fliesen, vor dem Brennen über formgebende/- erhaltende Werkzeuge (hierin auch als Formwerkzeuge bezeichnet) geführt oder darin gelagert. Das Aufbringen einer Strukturierung auf die Oberfläche keramischer Werkstoffe, insbesondere von Strukturen im Mikro- oder Submikrometerbereich, vor dem Brennen hat daher den Nachteil, dass bspw. druckausübende Werkzeuge zu einem unerwünschten Austreiben des keramischen Werkstoffs in die Höhe und/oder ggf. in die Breite führen können. Darüber hinaus ist die Zugänglichkeit formgebender Werkzeuge, bspw. Masken, lediglich eingeschränkt möglich, bspw. bei der Verwendung formgebender Grundkörper, welche eine gebogene Grundform aufweisen, sodass die so erhaltenen Strukturen, insbesondere periodischen Strukturen, nur schwer im gewünschten Bereich oder homogen über die gesamte Fläche der Deckschicht aufgebracht werden können.

Demgegenüber besteht die Herausforderung bei der Nachbearbeitung von (gebrannten/gesinterten) keramischen Werkstoffen insbesondere darin, dass diese nach dem Brennvorgang eine hohe Beständigkeit gegenüber Druck und Chemikalien, bspw. Säuren oder Laugen aufweisen. Insbesondere die Nachbehandlung gebrannter Keramikelemente (bspw. Fliesen, Wannen und dergleichen) mit Säuren oder Laugen bspw. zur Strukturierung der Oberfläche keramischer Werkstoffe ist daher sehr zeitaufwändig. Um eine zufriedenstellende Ätz-/Strukturierungswirkung zu erlangen, müssen die Säuren und Laugen darüber hinaus in hohen Konzentrationen eingesetzt werden, sodass erhöhte Sicherheitsanforderungen bestehen und folglich erhöhte Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen. Herkömmliche Verfahren zur Nachbearbeitung von Keramikelementen erlauben es somit schon gar nicht, dass Keramikelemente im noch heißen Zustand unmittelbar nach dem Brennvorgang bearbeitet werden können. Herkömmliche Methoden zur Nachbearbeitung können daher nicht in die Produktionsstrecke integriert werden. Vielmehr müssen die vorproduzierten Keramikelemente zu deren Nachbearbeitung an einen anderen Ort verbracht werden.

Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachbearbeitung von Keramikelementen bereitzustellen, mit denen die Oberfläche keramischer Werkstoffe bereits vor dem Brennvorgang oder unmittelbar nach dem Brennvorgang strukturiert werden kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente, welche eine Strukturierung aufweisen, die durch ein Laserinterferenzverfahren erzeugt ist. Dabei ist die Herstellungsvorrichtung derart eingerichtet, dass sie ein Reservoir zum Bereitstellen des keramischen Ausgangsmaterials, ein Formwerkzeug zum Formen des keramischen oder glaskeramischen Ausgangsmaterials, eine Brennvorrichtung, sowie eine Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere eine Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung, zur Ausbildung einer Strukturierung auf der äußeren Oberfläche oder im Volumen einer Schicht, insbesondere der Deckschicht, des Keramikelements aufweist. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Herstellungsvorrichtung zudem eine Dispenser-Einheit zum Ab- bzw. Ausgeben des keramischen Ausgangsmaterials auf.

Im Sinne der Erfindung bezieht sich Strukturierung im Zusammenhang mit der

Herstellungsvorrichtung und dem Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements sowohl einerseits (1) auf jede Struktur, insbesondere Oberflächenstruktur, bspw. Linienstruktur, punktförmige Struktur, periodische Struktur (wie hierin definiert), die die Eigenschaften (bspw. die hierin beschriebene Rutschhemmung, haptischen Effekte, Anti-Schmutz-Effekte, anti-bakteriellen Effekte und/oder optische Effekte) und dekorativen Effekte oder ästhetischen Eindrücke eines Keramikelements modifizieren kann, als auch andererseits (2) auf eine Struktur, welche sich aus periodischen Strukturen (wie hierin definiert) zusammensetzt, welche vorzugsweise innerhalb eines Interferenzbereichs auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, eines Keramikelements erzeugbar sind. Dabei weist die Strukturierung global periodische oder nicht-periodische Muster auf und zeichnet sich durch eine Rutschhemmung und/oder verbesserte Haftungseigenschaften und/oder Anti-Schmutz-Effekte und/oder anti-bakterielle Effekte und/oder optische Effekte, insbesondere Antireflexion, Anti-Glare und/oder dekorative Effekte aus.

Das Reservoir zum Bereitstellen des keramischen Ausgangsmaterials bezeichnet im Sinne der Erfindung eine räumlich begrenzte Aufbewahrungseinheit, in der das keramische Ausgangsmaterial in Form eines Ausgangsmaterialpulvers oder einer Ausgangsmaterialmasse bereitgestellt wird. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Becken, eine Trommel oder ein beliebiges andersartig geformtes Behältnis. Auch ein Bereich, in dem das Material in loser und/oder unverarbeiteter Form, also in seiner Ausgangsform gelagert ist, bspw. als Schüttgut, ist im Sinne der Erfindung als Reservoir zu sehen.

Die Dispenser-Einheit bezeichnet im Sinne der Erfindung eine Ausgabe- und/oder Abgabevorrichtung für das Ausgangsmaterial, insbesondere ein keramisches und/oder glaskeramisches Material, aus welchem dieses manuell und/oder automatisiert entnehmbar ist, bspw. eine Sprühvorrichtung, ein Gussbecken, eine Mischtrommel, oder eine Kokille. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung fungiert die Dispenser-Einheit zugleich als Reservoir zum Bereitstellen des keramischen Ausgangsmaterials.

Im Sinne der Erfindung bezieht sich die Formwerkzeug auf ein formgebendes Element, welches das keramische Ausgangsmaterial in eine gewünschte Form zur Weiterverarbeitung bringt. Dabei ist unter Formwerkzeug sowohl eine Pressform, als auch eine Strangpressanlage, insbesondere eine Rollenpressanlage zu verstehen.

Nach einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Formwerkzeug um eine Strangpressanlage, welche das keramische Ausgangsmaterial in einen quasi-endlosen Strang formt. Hierbei tritt in einer Strangpressanlage ein Strang des keramischen oder glaskeramischen Materials kontinuierlich aus einer Dispenser-Einheit, bspw. einer Kokille aus. So entsteht ein (quasi-)endloser Strang aus dem keramischen oder glaskeramischen Material. In dieser Ausgestaltung weist die Vorrichtung vorzugsweise zusätzlich eine Vereinzelungsvorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, den durch die Strangpressanlage geformten quasi-endlosen Strang derart zu vereinzeln, dass der quasi-endlose Strang bestehend aus keramischem Ausgangsmaterial in die gewünschte Endform, bspw. Einzeloder Doppelplatten, des Keramikelements überführbar ist.

Die erfindungsgemäße Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente, welche eine Strukturierung aufweisen, die durch ein Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere eine Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung erzeugt ist, weist zudem eine Brennvorrichtung, insbesondere einen Hochtemperaturofen auf, welcher dazu eingerichtet ist, das rohe Keramikelement zu brennen, sodass dessen Oberfläche aushärtet. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Brennofen. Beispielsweise kommen bei der Herstellung von Fliesen oder Platten Rollenöfen und Tunnelöfen als Brennvorrichtung zum Einsatz. Unabhängig von dem herzustellenden Keramikelement kann die Brennvorrichtung einetagig oder mehretagig ausgebildet sein.

Beispielsweise kann die Brennvorrichtung ein Rollenofen sein, bei dem die Formlinge (das in Form gebrachte keramische Ausgangsmaterial) die Brennvorrichtung auf hitzebeständigen, sich gleichmäßig drehenden Rollen durchlaufen.

Beispielsweise kann die Brennvorrichtung ein Tunnelofen sein, bei dem die Formlinge einen Tunnel auf Brennwagen, bspw. schienengebundenen Brennwagen durchlaufen.

Die Brennvorrichtung kann verschiedene Zonen aufweisen. Beispielsweise weist die Brennvorrichtung eine Aufheizzone, eine Brennzone und/oder eine Abkühlzone auf.

Die erfindungsgemäße Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente ist dadurch ausgezeichnet, dass sie eine Laserstrukturierungsvorrichtung aufweist. Als Laserstrukturierungsvorrichtungen kommen Laservorrichtungen zum direkten Laserschreiben (engl. DLS), Laservorrichtungen zum defokussierten Laserschreiben oder Laservorrichtungen zum direkten Laserinterferenzstrukturieren (Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtungen, engl.: DLIP) zum Einsatz. Dabei ist die Laserstrukturierungsvorrichtung derart eingerichtet, dass sie eine Oberfläche, vorzugsweise eine erste äußere Oberfläche, des Keramikelements mit einer Laserstrukturierung versieht, also Vertiefungen auf einer Oberfläche erzeugt. Vorteilhaft ermöglicht das Verwenden einer Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung, das Strukturieren flächiger Bereiche mit Laserpulsen einer Laserstrahlungsquelle, insbesondere Interferenzpixeln, wobei die Interferenzpixel ein periodisches Muster aus Vertiefungen aufweisen, welches regelmäßig wiederholbar und homogen ist. Somit ist ein gleichmäßiges periodisches Muster oder jedes beliebige andere Muster, insbesondere die hierin definierte periodische Struktur, auf eine Oberfläche, vorzugsweise die erste äußere Oberfläche, des Keramikelements aufbringbar.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Laserstrukturierungsvorrichtung eine Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung. Insbesondere unter Verwendung einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung sind die Abweichungen von der Periodizität im Vergleich zu Prozessen, welche ein sukzessives Aufbringen von jeweils einer Vertiefung mittels eines einzelnen Laserpulses, insbesondere ein direkter Laserschreibprozess, beinhalten, deutlich geringer. Zudem ist durch die Verwendung einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung ein schnelleres Strukturieren einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements im Vergleich zu einem direkten Laserschreibprozess mit einer Einstrahltechnik möglich.

Beim Direkten Laserschreiben (DLS oder engl. DLW, Direct Laser Writing) werden einzelne Laserpulse auf die Oberfläche des zu strukturierenden Substrats fokussiert, sodass die Oberfläche bearbeitet werden kann. Jeder Laserpuls erzeugt dabei ein Strukturmerkmal, vorzugsweise eine Vertiefung auf der Oberfläche des zu strukturierenden Substrats, wobei normalerweise im Fokus gearbeitet wird. Die erreichbare Auflösung (kleinstes erreichbares Strukturmerkmal) liegt typischerweise bei 50 pm, kann aber durch hohe Fokussierung auch kleiner als 10 pm gewählt werden. Durch die starke Fokussierung kann der Prozess allerdings sehr langsam sein. Um die Strukturierungsgeschwindigkeit zu erhöhen, kann das DLS durch Spezialoptiken auch parallelisiert werden. Dabei wird der Einzelstrahl meist vor Fokussierung in ein Strahlbündel aufgeteilt. Die Anzahl der erreichbaren Teilstrahlen kann auch bis zu mehreren Tausend Strahlen betragen, sofern ausreichend Pulsenergie zur Aufteilung vorhanden ist. Durch Strahlformungselemente, wie bspw. speziell entwickelte diffraktive optische Elemente wie dem Diffractive Laser Induced Texturing (DLITe), kann ein Hochleistungslaserstrahl in ein präzises Array von Laserspots mit Auflösungen von bspw. 10 pm aufgeteilt werden. Nachteilig bei DLITe ist die Anfälligkeit gegenüber dem Arbeitspunkt, so dass kleinste Abweichungen zu einer Störung der Energieverteilung führen, sodass ungenaue Strukturen im Substrat resultieren. Die Auflösung der erreichbaren Strukturen kann durch einen alternativen Ansatz erhöht werden, bei dem der Laserstrahl der Laservorrichtung leicht defokussiert über die Oberfläche des zu strukturierenden Substrats geführt wird. In Folge wird die Laserenergie (bzw. Laserfluenz) auf einen größeren Flächenbereich der zu strukturierenden Oberfläche verteilt. Durch starkes Überlappen der Bearbeitungsbereiche entstehen durch Selbstorganisation sogenannte laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (engl. LIPSS, Laser-induced periodic surface structures). Dadurch lassen sich hochauflösende Strukturen im Bereich der verwendeten Wellenlänge (bspw. 1 pm bei Nutzen von N IR-Strahlung) oder sogar einem Bruchteil der Wellenlänge erzeugen. Wissenschaftlich werden die unterschiedlichen Strukturen als high-spatial frequency LIPSS und low-spatial frequency LIPSS bezeichnet. Zwar ermöglicht dieser Ansatz das Erzeugen von Strukturen im Nanometerbereich, jedoch sind die Strukturen durch die Wahl der Laserwellenlänge nahezu vollständig in der Strukturauflösung festgelegt. Zusätzlich sind typischerweise nur linienartige Strukturen möglich und der Prozess ist, bedingt durch die notwendige Überlagerung der Laserstrahlen, meist langsam. Bei diesem Ansatz kann auch eine Parallelisierung der Laserstrahlen genutzt werden, sofern ausreichend Pulsenergie vorhanden ist.

Beim Direkten Laserinterferenzstrukturieren (engl. DLIP, Direct Laser Interference Patterning) werden Laserstrahlen gezielt aufgeteilt und kontrolliert wieder auf der Materialoberfläche zur Interferenz gebracht. Infolge kann durch das Realisieren von Interferenzmustern die Oberfläche gezielt und reproduzierbar strukturiert werden, mit Strukturen bis zu wenigen hundert Nanometern oder darunter. Das DLIP-Verfahren kann in Kombination mit Hochleistungslasern sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten, wie hierin definiert, bspw. von 1-3 m²/min, erreicht werden, bei Gleichzeit hoher Strukturauflösung. Die erzeugten Interferenzeffekte sind volumetrisch in ihrer Ausprägung, sodass auch 3D- Oberflächen (also Oberflächen mit Erhebungen und Tälern) schnell bearbeitbar sind. Zusätzlich ermöglichen die Interferenzeffekte ein besseres Ausnutzen der verfügbaren Laserenergie, so dass für industriell verfügbare Pulsenergien z.B. 17,000,000 Strukturmerkmal, vorzugsweise eine Vertiefung, pro Sekunde auf der Oberfläche des zu strukturierenden Substrats erzeugbar werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere die Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung an einer Position angeordnet in der der Formling in die Brennvorrichtung eintritt, bspw. unmittelbar vor der Brennvorrichtung oder in der Aufheizzone. Dies hat den Vorteil, dass mit der Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere der Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung eine äußere Oberfläche oder das Volumen des Formlings, bspw. die erste äußere Oberfläche der Deckschicht, an einer unmittelbar am Eingang der Brennvorrichtung liegenden Strukturierungsposition strukturierbar ist. Da das keramische oder glaskeramische Material in diesem Bereich noch plastisch verformbar ist, hat dies einerseits den Vorteil, dass weniger Energie zur Strukturierung der Oberfläche oder des Volumens erforderlich ist. Gleichwohl wird das Material unmittelbar im Anschluss durch den einsetzenden Brennvorgang ausgehärtet, sodass die vorangestellt erzeugte Strukturierung, welche insbesondere Strukturen im Mikrometer- und/oder Submikrometerbereich aufweist und welche auf einem plastisch verformbaren Material durch Stoß- und/oder Rüttelbewegungen über eine Zeitdauer beeinträchtigt werden kann, erhalten bleibt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere die Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung an einer Position angeordnet an der der Formling aus der Brennvorrichtung austritt, bspw. in der Abkühlzone oder der Brennvorrichtung nachgelagert, sodass mit der Laserstrukturierungsvorrichtung eine äußere Oberfläche oder das Volumen des gebrannten Keramikelements, bspw. die erste äußere Oberfläche der Deckschicht, an einer am Ende der Brennvorrichtung liegenden Strukturierungsposition strukturierbar ist. Dies hat den Vorteil, dass das Keramikelement, bspw. die erste äußere Oberfläche der Deckschicht, bereits im laufenden Herstellungsverfahren, insbesondere zu einem Zeitpunkt, wo das Keramikelement noch heiß oder zumindest warm ist, strukturiert werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Elemente der Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente, welche eine Strukturierung aufweisen, die durch ein Laserinterferenzverfahren erzeugt ist, derart angeordnet, dass das keramische Ausgangsmaterial zunächst in einem Reservoir und/oder einer Dispenser-Einheit gesammelt wird. Im Anschluss ist es an ein Formwerkzeug zum Formen des Keramikelements überführbar. Dabei zeichnet sich die Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente, welche eine Strukturierung aufweisen, die durch ein Laserstrukturierungsverfahren erzeugt ist dadurch aus, dass sich im Prozessablauf im Anschluss an das Formen, bzw. im Aufbau der Herstellungsvorrichtung unmittelbar nach dem Formwerkzeug zum Formen des Keramikelementes nach einer Ausgestaltung eine Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere die Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung befindet. Mittels der Laserstrukturierungsvorrichtung ist jede Struktur, insbesondere eine periodische Strukturierung auf einer Oberfläche, vorzugsweise einer ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements aufbringbar. Der Strukturierung mittels der Laserstrukturierungsvorrichtung schließt sich als nächstes der Brennvorgang an, wobei die Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente derart aufgebaut ist, dass sie eine Brennvorrichtung aufweist, welche im Prozessablauf nach der Laserstrukturierungsvorrichtung angeordnet ist. Vorteilhaft können so mittels Laserstrukturierung, insbesondere mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugte Strukturierungen mit geringerer Laserpulsenergie erzeugt werden, da das ungebrannte keramische Ausgangsmaterial leichter formbar ist als das gebrannte. Weiterhin können während der Laserstrukturierung erzeugte Defekte und/oder Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche der erzeugten periodischen Struktur(en) während des Brennvorgangs ausheilen.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente eine Vorrichtung zum Aufarbeiten der ungebrannten äußeren Oberfläche, insbesondere der Grundschicht des Keramikelements auf, insbesondere eine Beschichtungsvorrichtung zum Aufträgen zumindest einer Deckschicht auf die Grundschicht des Keramikelements, wobei eine der Oberflächen einer der Deckschichten im Anschluss an das Aufträgen die erste äußere Oberfläche der Deckschicht des Keramikelements bildet. Beim Aufträgen mehrerer Deckschichten bildet jeweils die erste äußere Oberfläche der zuletzt aufgetragenen Deckschicht des Keramikelements eine äußere Oberfläche des Keramikelementes. Die Beschichtungsvorrichtung zum Aufträgen zumindest einer Deckschicht auf die Grundschicht des Keramikelements ist dabei derart angeordnet, dass sie sich im Prozessablauf vor der Brennvorrichtung befindet.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere die Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung innerhalb der Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente derart angeordnet, dass sie sich im Prozessablauf hinter der Brennvorrichtung befindet. Somit ist eine Struktur, insbesondere periodische Struktur auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, eines Keramikelements aufbringbar, wobei diese Oberfläche des Keramikelements bereits ausgehärtet ist. Im Anschluss an den Brennvorgang ist die ausgehärtete erste äußere Oberfläche des Keramikelements somit besonders zuverlässig und homogen mittels einer Laserstrukturierungsvorrichtung strukturierbar, da die aufgetragene Deckschicht bereits ausgehärtet ist und die erzeugte Strukturierung nicht verläuft.

Nach einer Ausgestaltung ist die Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere die Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung innerhalb der Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente räumlich fixiert, bevorzugt im Prozessablauf nach der Vorrichtung zum Formen des Keramikelements und vor der Brennvorrichtung und/oder nach der Brennvorrichtung. Somit lässt sich der Schritt des Strukturierens einer Oberfläche des Keramikelementes, vorzugsweise der ersten oder zweiten äußeren Oberfläche der Deckschicht und/oder einer Oberfläche der Grundschicht des Keramikelements, fest in den Prozessablauf integrieren. Zusätzlich ist eine serielle Strukturierung des Keramikelements im Prozessablauf realisierbar, wobei mehrere Keramikelemente sequentiell und/oder parallel mittels einer oder mehrerer Laserstrukturierungsvorrichtungen, insbesondere Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtungen strukturierbar sind. Vorteilhaft ist die Laserstrukturierungsvorrichtung(en) dabei so einstellbar, dass die Strukturierung automatisiert und ohne ein Anpassen der Prozessparameter zwischen unterschiedlichen Keramikelementen erfolgen kann, wodurch eine Zeitersparnis während und eine Vereinfachung des Prozessablaufs erzielbar ist.

Nach einer Ausgestaltung kann eine Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere eine Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung innerhalb der Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente bzw. im Herstellungsverfahren nach einem Schritt des Trocknens und/oder Zwischentrocknungsschritt angeordnet sein. Hierdurch können auf der Oberfläche des vorgetrockneten Materials haftvermittelnde Strukturen, bspw. Linienstrukturen und/oder Punktstrukturen, vorzugsweise periodische Strukturen, erzeugt werden, die die Haftungseigenschaften und somit ein Anbinden nachträglich aufgebrachter Deckschichten verbessert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserstrukturierungsvorrichtung derart eingerichtet, dass die Ebene der zu strukturierenden Oberfläche des Keramikelementes orthogonal zum Strahlengang des Lasers, der in z-Richtung verläuft, angeordnet ist. Dabei verläuft die Normale der zu strukturierenden Oberfläche im Wesentlichen parallel zum auftreffenden Laserstrahl. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein regelmäßiges Interferenzmuster, insbesondere ein Linien- oder Punktmuster, auf dem Keramikelement erzeugen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserstrukturierungsvorrichtung derart eingerichtet, dass die Ebene der zu strukturierenden Oberfläche des Keramikelementes in einem von 90° abweichenden Winkel zum Strahlengang des Lasers angeordnet ist. Dabei schließt die Normale der zu strukturierenden Oberfläche mit dem auftreffenden Laserstrahl einen Winkel ein. Somit lassen sich vorteilhaft Interferenzmuster, insbesondere Punktmuster erzeugen, wobei die entstehenden Zapfenstrukturen eine elliptische Grundfläche aufweisen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere die Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung einen mobilen Teil auf, welcher im Prozessablauf der Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente frei positionierbar ist. Bevorzugt ist der mobile Teil der Laserstrukturierungsvorrichtung innerhalb des Prozessablaufs der Herstellungsvorrichtung unmittelbar vor und/oder nach der Brennvorrichtung positionierbar, sodass eine Strukturierung mittels eines Laserstrukturierungsverfahrens, insbesondere eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens vor und/oder nach dem Brennen des Keramikelements durchführbar ist. Somit ist vorteilhaft dieselbe Vorrichtung zum Strukturieren zu verschiedenen Zeitpunkten im Prozessablauf verwendbar, was ein Einsparen an Hardware ermöglicht.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements (wie hierin definiert), insbesondere mit einer Herstellungsvorrichtung zur Herstellung von Keramikelementen (wie hierin definiert), bei denen zumindest die erste äußere Oberfläche der Deckschicht durch strukturierte und unstrukturierte Bereiche (jeweils wie hierin definiert) gebildet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a1) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisendes Ausgangsmaterials (wie hierin definiert), a2) Vorzugsweise Ausgeben eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall-Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, insbesondere mittels einer Dispenser-Einheit, b) Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials (zu einem Formling bzw. Rohling eines Keramikelements), insbesondere mittels eines Formwerkzeugs, c) Brennen des geformten keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials zu einem Keramikelement, aufweisend wenigstens eine Deckschicht, vorzugsweise wenigstens eine Deckschicht und eine Grundschicht, insbesondere mittels einer Brennvorrichtung, wobei unmittelbar vor Schritt (c) und/oder dem Schritt (c) unmittelbar nachgelagert mittels Laserstrukturierung, bspw. Laserinterferenzstrukturierung, durch eine Laserstrukturierungsvorrichtung, bspw. eine Laservorrichtung zum direkten Laserschreiben (engl. DLS), eine Laservorrichtung zum defokussierten Laserschreiben oder eine Laservorrichtung zum direkten Laserinterferenzstrukturieren (engl.: DLIP), insbesondere eine Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung, strukturierte Bereiche auf der äußeren Oberfläche der Deckschicht oder der Grundschicht erzeugt werden. Das Formgeben keramischer und/oder glaskeramischer Ausgangsmaterialien zu Formlingen oder Rohlingen in der Herstellung von Keramikelementen kann durch eine Vielzahl von formgebenden Verfahren erfolgen. Hierzu zählen der Schlickerguss, wobei der Formling durch Einbringen einer flüssigen Keramikmasse (auch Schlicker) in Gipshohlformen geformt wird, der Gefrierguss, der Spritzguss und der temperaturinverse Spritzguss, das Foliengießen, das Extrudieren, das Pressen, bspw. das Strangpresseverfahren und das Formpressverfahren, insbesondere zur Herstellung von Platten, Rohren und Stangen.

Beispielsweise können Platten- und Fliesenformlinge in der Regel durch drei Formgebungsverfahren erhalten werden. Weist das keramische oder glaskeramische Material einen geringen Wassergehalt auf, bspw. von ca. 5% bis 10%, werden die Formlinge vorzugsweise trockengepresst. Dabei wird ein pulverförmiges und/oder feinkörniges Material unter hohem Druck in liegende Formen gedrückt. Beträgt der Wassergehalt etwa 15% bis 25%, wird das plastisch verformbare keramische oder glaskeramische Material vorzugsweise stranggepresst. Hierbei wird das plastisch verformbare Material über eine Strangpresse zu einem Strang geformt, von dem die Platten in einer bestimmten Länge abgeschnitten werden. Weist das keramische oder glaskeramische Material einen Wassergehalt zwischen 26% und 40% auf, wird das Material vorzugsweise in Formlinge für Platten und Fliesen gegossen.

Das Formgeben keramischer und/oder glaskeramischer Ausgangsmaterialien kann alternativ auch durch Abscheiden auf einer Grundschicht, bspw. einem formgebenden Grundkörper erzielt werden. Das Abscheiden kann dabei bspw. durch Sprühauftragen oder beim Durchlaufen des formgebenden Grundkörpers durch ein (Guss-)Becken erfolgen. Gleichwohl kann das Abscheiden eines keramischer und/oder glaskeramischer Ausgangsmaterials durch chemische Gasphasenabscheidung (engl.: chemical vapor deposition, CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (engl.: physical vapor deposition, PVD) erfolgen.

Es kann vorgesehen sein, dass das geformte keramische und/oder glaskeramische Material vor dem Schritt des Brennens (vor Schritt (c)) getrocknet wird. Durch das Trocknen entweicht vorzugsweise Wasser aus dem keramischen und/oder glaskeramischen Material, sodass der Wassergehalt des geformten keramischen und/oder glaskeramischen Materials verringert wird. Dies ermöglicht es, dass geformte keramische und/oder glaskeramische Material zumindest formstabiler auszubilden, sodass der Rohling vor dem Brennen (vor Schritt (c)) durch Anwenden weiterer Prozessschritte prozessiert werden kann. Beispielsweise können hierdurch nach dem Trocknen weitere Schichten (bspw. Deckschichten oder Farbschichten) auf den Rohling aufgebracht werden. In diesem Fall fungiert der Rohling im Sinne der Erfindung als formgebender Grundkörper, auf den zumindest eine Deckschicht aufgebracht wird.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zunächst ein formgebender Grundkörper aus einem keramischen Material geformt, der nach einem Zwischentrocknungsschritt mit einer Vorstufe eines glaskeramischen Materials (glaskeramisches Ausgangsmaterial) überzogen wird. Da die Vorstufen glaskeramischer Materialien zumeist flüssiger und somit weniger formstabil sind als die Vorstufen keramischer Materialien (keramische Ausgangsmaterialien), kann es zweckdienlich sein, das (vor-)geformte glaskeramische Ausgangsmaterial zunächst zu brennen und dessen äußere Oberfläche oder Volumen erst dem Brennen unmittelbar nachgelagert (d.h. nach Schritt (c)) mittels Laserstrukturierung, bspw. mittels Laserinterferenzstrukturierung zu strukturieren. Hierzu bietet es sich an, eine Herstellungsvorrichtung für Keramikelemente bereitzustellen, wobei die Laserstrukturierungsvorrichtung, bspw. eine Laservorrichtung zum direkten Laserschreiben (engl. DLS), eine Laservorrichtung zum defokussierten Laserschreiben oder eine Laservorrichtung zum direkten Laserinterferenzstrukturieren (engl.: DLIP), insbesondere die Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung in einer Position angeordnet ist, wo der Formling aus der Brennvorrichtung austritt, bspw. in der Abkühlzone oder der Brennvorrichtung nachgelagert.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Laserstrukturierungsvorrichtung, bspw. eine Laservorrichtung zum direkten Laserschreiben (engl. DLS), eine Laservorrichtung zum defokussierten Laserschreiben oder eine Laservorrichtung zum direkten Laserinterferenzstrukturieren (engl.: DLIP), insbesondere die Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung an einer Position angeordnet ist, in der der Formling in die Brennvorrichtung eintritt, bspw. unmittelbar vor der Brennvorrichtung oder in der Aufheizzone. Dies hat den Vorteil, dass mit der Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere der Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung eine äußere Oberfläche oder das Volumen des Formlings, bspw. die erste äußere Oberfläche der Deckschicht, an einer unmittelbar am Eingang der Brennvorrichtung liegenden Strukturierungsposition strukturierbar ist. Da das keramische oder glaskeramische Material in diesem Bereich noch plastisch verformbar ist, hat dies einerseits den Vorteil, dass weniger Energie zur Strukturierung der Oberfläche oder des Volumens erforderlich ist. Gleichwohl wird das Material unmittelbar im Anschluss durch den einsetzenden Brennvorgang ausgehärtet, sodass die vorangestellt erzeugte Strukturierung, welche insbesondere Strukturen im Mikrometer- und/oder Submikrometerbereich aufweist und welche auf einem plastisch verformbaren Material durch Stoß- und/oder Rüttelbewegungen über eine Zeitdauer beeinträchtigt werden kann, erhalten bleibt.

Unabhängig davon kann vorgesehen sein, dass vor Schritt (b) ein formgebender Grundkörper bereitgestellt wird, auf dessen Oberfläche das keramische und/oder glaskeramische Material in Schritt (b) zumindest teilweise, bspw. durch Sprühauftragen oder beim Durchlaufen des formgebenden Grundkörpers durch ein (Guss-)Becken, ausgeformt wird.

Es kann vorgesehen sein, dass die Schritte (a) bis (c) des Verfahrens zur Herstellung eines Keramikelements zumindest einmal wiederholt werden (Zweibrand), wobei ebenfalls eine Herstellungsvorrichtung zur Herstellung von Keramikelementen (wie hierin definiert) zum Einsatz kommen kann. Dies bietet sich bspw. an, wenn auf ein bereitgestelltes Keramikelement (Einbrand) eine weitere Schicht, bspw. zur Farbgebung, aufgebracht werden soll. Hierbei wird eine Schicht keramischen, glaskeramischen und/oder glasartigem Ausgangsmaterial in einem Formgebungsprozess (Schritte (a) bis (b)) auf das Keramikelement, bspw. als formgebender Grundkörper, aufgebracht und erneut gebrannt (bspw. im sog. Biporosa-Verfahren).

VERWENDUNG

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zur Erzeugung einer periodischen Struktur (wie hierin definiert) auf der Oberfläche eines Keramikelementes, bspw. vor oder nach einem Brennvorgang, insbesondere auf der ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht des Keramikelements.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung einer Laserstrukturierungsvorrichtung, insbesondere einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung innerhalb einer Herstellungsvorrichtung und dem Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements (wie hierin definiert), insbesondere zur Ausbildung einer Struktur, bspw. einer periodischen Struktur, auf der Oberfläche, vorzugsweise auf der äußeren Oberfläche der Deckschicht, eines Keramikelements. AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Anhand folgender Figuren und Ausführungsbeispiele wird die vorliegende Erfindung näher erläutert, ohne die Erfindung auf diese zu beschränken.

Dabei zeigt

Fig. 1 : ein Ausschnitt durch ein Keramikelement aus einer Deckschicht mit einer periodischen Punktstruktur

Fig. 2: ein Ausschnitt durch ein Keramikelement aus einer Deckschicht und einer Grundschicht mit einer periodischen Punktstruktur

Fig. 3: ein Keramikelement mit einer periodischen Struktur, welche als periodische Linienstruktur ausgebildet ist.

Fig. 4: ein Keramikelement, bei dem die Deckschicht aus mehreren Teildeckschichten ausgebildet ist.

Fig. 5: ein Modul aus mehreren Keramikelementen, die über Verbindungsmittel verbunden sind.

Fig. 6: eine rillenförmige Vertiefung.

Fig. 7A: eine schematische Darstellung eines inversen Zapfens.

Fig. 7B: eine schematische Darstellung einer zapfenähnlichen Vertiefung mit kreisförmiger Grundfläche.

Fig. 7C: eine schematische Darstellung einer zapfenähnlichen Vertiefung mit unregelmäßiger Grundfläche.

Fig. 8: einen kumulativen Aufbau der Punktstruktur aus einer Überlagerung mehrerer Interferenzpixel,

Fig. 9: eine Punktstruktur, welche aus der Überlagerung von mehreren ersten und zweiten Interferenzpixeln gebildet ist,

Fig. 10: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 11 : eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Umlenkelement (6) zur Parallelisierung der Teilstrahlen enthält.

Fig. 12: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Umlenkelement (7) zur Aufweitung des Winkels der Teilstrahlen zur optischen Achse des Strahlengangs (3) enthält. Fig. 13A: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die optische Elemente (6) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, die die Teilstrahlen auf das Fokussierelement (4) umlenken, enthält.

Fig. 13B: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als optisches Element zur Strahlformung einen Galvo-Spiegel (9) umfasst, was eine ortsfeste Positionierung des zu strukturierenden Substrats, insbesondere eines Keramikelements, während des Prozesses der Strukturierung erlaubt.

Fig. 14: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ein Polarisationselement (8), welches den Phasenverlauf der Teilstrahlen zueinander verschiebt, enthält, wobei

A) das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah an der Laserstrahlungsquelle (1) positioniert ist.

B) das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah am Umlenkelement (7) positioniert ist.

Fig. 15: eine schematische Ansicht der sich auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats ergebenden Interferenzpixel mit der Weite D, und die Verteilung der einzelnen Interferenzpixel auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, welches vorzugsweise eine Deckschicht eines Keramikelementes bildet, wobei die Interferenzpixel zueinander verschoben sind mit der Pixeldichte Pd.

Fig. 16: eine schematische perspektivische Ansicht des strukturierten Substrats (5) mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen Zapfen, mit Abmessungen im Mikro- und Submikrometerbereich, und symbolisch die Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen größer als die Interferenzperiode der erzeugten Strukturen, sowie die Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im Bereich oder kleiner der erzeugten Strukturen.

Fig. 17: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als optisches Element einen Galvospiegel (9) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, die die Teilstrahlen auf das Fokussierelement (4) umlenken, sowie ein Polygonrad (91) enthält.

Fig. 18: eine grafische Darstellung des Diffraktionswinkels von einfallendem Licht über der Wellenlänge des einfallenden Lichts für strukturierte Substrate mit drei unterschiedlichen Strukturweiten.

Fig. 19: eine schematische perspektivische Ansicht des strukturierten Substrats (5) mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen Zapfen, mit Abmessungen im Mikrometerbereich, der eine periodische Wellenstruktur im Submikrometerbereich überlagert ist.

Fig. 20: eine schematische

A) Draufsicht und

B) eine Schnittansicht einer quasi-periodischen Wellenstruktur im Submikrometerbereich.

Fig. 21 : ein Keramikelement mit einer Deckschicht deren zweite äußere Oberfläche mit einer Überlagerung aus einer Punktstruktur und einer quasi-periodischen Wellenstruktur und deren erste äußere Oberfläche eine Punktstruktur aufweist.

Fig. 22: eine Visualisierung des Wasserkontaktwinkels.

Fig. 23: eine schematische Schnittdarstellung eines Keramikelements mit einer Strukturierung auf der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht.

In Fig. 1 ist ein Abschnitt eines Keramikelementes 30 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt, welches eine Deckschicht 31 aufweist, wobei das dargestellte Keramikelement 30 aus der Deckschicht 31 gebildet ist. Die Deckschicht 31 ist als Substrat 5 zum Abschließen des Keramikelementes gegenüber der Umwelt ausgebildet und die Deckschicht 31 weist eine erste äußere Oberfläche 32 auf. Die erste äußere Oberfläche 32 ist bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Umwelt, also insbesondere der Luft, dem Wasser oder einem anderen Fluid zugewandt. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, insbesondere, wenn das Keramikelement 30, wie hier nur aus einer Deckschicht 31 gebildet ist, und als Fliese ausgebildet ist, ist die zweite äußere Oberfläche 33 des Keramikelementes 30, welche die der ersten äußeren Oberfläche 32 abgewandte Seite der Deckschicht 31 und hier auch des Keramikelementes 30 bildet, an einer Trägervorrichtung, wie beispielsweise einer Wand oder einem Boden, zugewandt und an diesen angrenzend.

Die erste äußere Oberfläche 32 ist aus einem strukturierten Bereich 28 und einem unstrukturierten Bereich 29 gebildet. Der hier dargestellte strukturierte Bereich 28 ist aus einer periodischen Struktur aus Vertiefungen 34 gebildet. Nach einer alternativen Ausgestaltung kann der strukturierte Bereich 28 auch aus einer Überlagerung mehrerer periodischer Strukturen gebildet sein, sodass die überlagerte Struktur, auch als Globalstruktur, bei Punktstrukturen auch als Global-Punktstruktur bezeichnet, nicht periodisch, insbesondere nicht vollperiodisch, sein muss. Die Vertiefungen 34 sind hier als inverse Zapfen 14 ausgebildet, wobei die periodische Struktur eine periodische Punktstruktur ist. Ein Abschnitt eines Keramikelementes 30 aus einer Grundschicht 35 und einer darüber angeordneten Deckschicht 31 ist in Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung dargestellt.

Auch hier ist die erste äußere Oberfläche 32 der Deckschicht 31 aus einem strukturierten Bereich 28 und einem unstrukturierten Bereich 29 gebildet. Dabei bildet in der hier dargestellten Variante die Gesamtheit der inversen Zapfen 14 den strukturierten Bereich 28.

Fig. 3 zeigt ein Keramikelement 30 mit einer periodischen Struktur, welche als periodische Linienstruktur ausgebildet ist. Hier sind die auf der ersten äußeren Oberfläche 32 der Deckschicht 31 angeordnete Vertiefungen 34, aus denen der strukturierte Bereich 28 gebildet ist, als rillenförmige Vertiefungen 36 mit einer großen Ausdehnung in einer ersten Dimension Dim1 ausgebildet. Die Ausdehnung der rillenförmigen Vertiefungen 36 in einer zweiten Dimension Dim2 und in einer dritten Dimension Dim3 ist deutlich geringer.

Die Periodizität der Struktur ergibt sich aus der Wiederholung der rillenförmigen Vertiefungen 36 mit gleichmäßigem Abstand, sodass die Interferenzperiode p, insbesondere die erste Interferenzperiode p1, von einem bestimmten Punkt der rillenförmigen

Vertiefung 36, beispielsweise dem tiefsten Punkt, zu dem diesem Punkt entsprechenden Punkt der daneben angeordneten rillenförmigen Vertiefung 36.

Fig. 4 zeigt ein Keramikelement 30, welches eine Deckschicht 31 und eine Grundschicht 35 aufweist, wobei die Deckschicht 31 aus mehreren Teildeckschichten 31.1 ausgebildet ist. Die erste äußere Oberfläche 32 der Deckschicht 31 weist dabei eine periodische Punktstruktur auf. Alternativ kann auch eine periodische Linienstruktur oder eine Überlagerung aus mehreren periodischen Punkt- und/oder Linienstrukturen auf der ersten äußeren Oberfläche 32 angeordnet sein und den strukturierten Bereich 28 bilden.

Die Vertiefungen 34 sind hier als inverse Zapfen 14 ausgebildet, welche den strukturierten Bereich 28 bilden. Dabei ragen die inversen Zapfen 14 in mehrere der

Teildeckschichten 31.1 hinein. Der Bereich der ersten äußeren Oberfläche 32, der zwischen den Vertiefungen 34 ausgebildet ist, ist der unstrukturierte Bereich 29.

Ein Beispiel für ein Keramikelement 30 mit derartige Teildeckschichten 31.1 ist dabei eine Emaille-Beschichtung, die beispielsweise auf einem Stahlgrundkörper aufgebracht ist. Die Vertiefungen des strukturierten Bereichs reichen dabei durch die äußerste Teildeckschicht 31.1 hindurch auch in tiefer liegende Teildeckschichten 31.1. Fig. 5 zeigt ein Modul 37, welches drei Keramikelemente 30 aufweist. Die einzelnen Keramikelemente 30 können beispielsweise als Fliese ausgebildet sein. Zur Verbindung sind Verbindungsmittel 38 zwischen den Keramikelementen 30 angeordnet. In dieser Ausgestaltung sind die Verbindungsmittel zwischen den Keramikelementen 30 angeordnete Fugen 38.1. Eine alternative Variante sieht auch andere Verbindungsmittel wie beispielsweise ein an der zweiten äußeren Oberfläche 33 angeordnetes Netz, welches mehrere Keramikelemente 30, insbesondere Fliesen, überspannt.

In Fig. 6 ist eine als rillenförmige Vertiefung 36 ausgebildete Vertiefung 34 schematisch dargestellt. Die tiefste Linie ist bei einer solchen symmetrischen Struktur die Mittellinie 39.

Der Bereich des Schnittes der rillenförmigen Vertiefung 36 mit der entsprechenden Oberfläche wird als Grundfläche 40 der Vertiefung bezeichnet. Die Grundfläche 40 bildet dann den Abschnitt des strukturierten Bereiches der Oberfläche, welcher dieser Vertiefung zugeordnet werden kann. Die Seitenflächen 41 sind hier glatt ausgebildet. Eine rillenförmige Vertiefung kann aber auch mit einer quasi-periodischen Linienstruktur überlagert sein. Die Breite b der rillenförmigen Vertiefung 36 ist bei diesem Ausführungsbeispiel geringer ausgebildet als die Strukturtiefe x.

In Fig. 7A ist eine schematische Darstellung eines mittels eines Laserinterferenzverfahrens erzeugten inversen Zapfens 14, welcher die Strukturtiefe x aufweist, dargestellt. Die Grundfläche 40 des inversen Zapfens 14 ist hier kreisförmig mit einem Durchmesser d ausgebildet. Die Seitenflächen 41 sind glatt ausgebildet.

Eine schematische Darstellung einer zapfenähnlichen Vertiefung 42, wie sie beispielsweise mittels eines Ätzprozesses unter Verwendung einer, hier nicht dargestellten Maske mit kreisförmigen Öffnungen, generiert werden kann, ist in Fig. 7B gezeigt. Die dargestellte Grundfläche 40 ist zwar kreisförmig, aber die Seitenflächen 41 sind unregelmäßig ausgebildet.

In Fig. 7C ist schematische Darstellung einer zapfenähnlichen Vertiefung 42 mit unregelmäßiger Grundfläche 40 und unregelmäßiger, völlig variabler Seitenfläche 41 dargestellt. Eine derartige Vertiefung wird beispielsweise beim Ätzen ohne Maske generiert.

Fig. 8 visualisiert den kumulativen Aufbau der Punktstruktur aus einer Überlagerung mehrerer Interferenzpixel (10, 11, 12, 13). Jedes Interferenzpixel (10, 11, 12, 13) besteht aus mehreren mittels Laserinterferenzstrukturierung in einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, eines Keramikelements eingebrachten inversen Zapfen (14). In Teilbild (A) ist das erste Interferenzpixel (10) gezeigt, welches mehrere inverse Zapfen (14, 14.1) aufweist. Teilbild (B) visualisiert eine Überlagerung aus dem ersten Interferenzpixel (10) und dem zweiten Interferenzpixel (11), wobei diese Überlagerung aus inversen Zapfen (14.1) des ersten Interferenzpixels (10) und aus inversen Zapfen (14.2) des zweiten Interferenzpixels (11) besteht.

Dabei besteht ein Versatz (15) zwischen dem ersten Interferenzpixel (10) und dem zweiten Interferenzpixel (11), wodurch die inversen Zapfen (14.2) des zweiten Interferenzpixels (11) um diesen Versatz (15) gegenüber den inversen Zapfen (14.1) des ersten Interferenzpixels (10) verschoben sind.

Teilfigur © visualisiert eine Überlagerung, bei der zusätzlich ein drittes Interferenzpixel (12) mit den ersten beiden Interferenzpixeln (10, 11) überlagert ist. Die überlagerte Struktur in Teilbild © weist somit inverse Zapfen (14.1) des ersten Interferenzpixels (10), inverse Zapfen (14.2) des zweiten Interferenzpixels (11) sowie inverse Zapfen (14.3) des dritten Interferenzpixels (12) auf. Das dritte Interferenzpixel (12) ist in diesem Ausführungsbeispiel zum zweiten Interferenzpixel (11) in derselben Raumrichtung entlang der x-Achse verschoben, wie das zweite Interferenzpixel (11) zum ersten Interferenzpixel (10).

Teilbild (D) zeigt eine Überlagerung, bei der weiterhin ein viertes Interferenzpixel (13) überlagert ist, wobei dies gegenüber dem dritten Interferenzpixel (12) in einer anderen Raumrichtung entlang der y-Achse verschoben ist. Somit weist der Ausschnitt in Teilbild (D) eine Punktstruktur aus einer Überlagerung aus vier Interferenzpixeln (10, 11, 12, 13) auf.

Die Graphen, welche unterhalb der Interferenzpixel (10, 11, 12, 13) angeordnet sind, dienen der Visualisierung der periodischen Strukturen innerhalb eines Interferenzpixels (10, 11, 12, 13). Aufgrund der Entstehung der Interferenzpixel (10, 11, 12, 13) über den Prozess der Laserinterferenzstrukturierung, also entsprechend des Interferenzbildes der Laser(teil- strahlen), weist jedes einzelne Interferenzpixel (10, 11, 12, 13), welches innerhalb eines Beleuchtungs- oder Bestrahlungsprozesses innerhalb einer ausgewählten Pulsdauer entstanden ist, eine periodische Anordnung der inversen Zapfen (14) auf. Der Abstand der inversen Zapfen (14.1) des ersten Interferenzpixels (10), der aus dem Abstand der Intensitätsmaxima des das erste Interferenzpixel (10) erzeugenden Interferenzbildes resultiert, stellt die Interferenzperiode (p1) dar. Die Intensität entspricht dabei der zur Erzeugung der inversen Zapfen (14.1) notwendigen Intensität im Interferenzmuster der Laser(teil-)strahlen. Somit entspricht der Abstand der Intensitätsmaxima des Interferenzbildes der Interferenzperiode (pi). Das zweite Interferenzpixel (11) weist dabei eine zweite Interferenzperiode (P2) auf. Fig. 9 zeigt eine Punktstruktur (16), welche aus der Überlagerung von mehreren ersten Interferenzpixeln (10) mit einer ersten Interferenzperiode (pi) und mehreren zweiten Interferenzpixeln (11) mit einer zweiten Interferenzperiode (P2) gebildet ist. Die ersten Interferenzpixel (10) weisen dabei inverse Zapfen (14.1) auf, welche hier mit einer vertikalen Musterfüllung dargestellt sind. Die zweiten Interferenzpixel (11) weisen inverse Zapfen (14.2) auf, welche mit einer horizontalen Musterfüllung dargestellt sind. Die Interferenzperiode (pi) des ersten Interferenzpixels (10) ist kleiner als die zweite Interferenzperiode (p2) des zweiten Interferenzpixels (11).

In einer optionalen Einstellung der Interferenzpixel (10, 11) derart, dass die Anzahl der inversen Zapfen (14.1, 14.2) innerhalb der Interferenzpixel (10, 11) identisch ist, variiert folglich die Fläche der Interferenzpixel (10, 11), was hier durch die Kreise visualisiert ist. Eines der ersten Interferenzpixel (10) ist hier durch sämtliche inverse Zapfen (14.1) mit vertikaler Musterfüllung innerhalb des kleineren Kreises schematisch dargestellt. Eines der zweiten Interferenzpixel ist wiederum durch die inversen Zapfen (14.2), die mit einer horizontalen Musterstrukturierung dargestellt sind, innerhalb des größeren Kreises visualisiert.

Dabei sind die mehreren ersten Interferenzpixel (10) benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet und die mehreren ersten Interferenzpixel (10) bilden dadurch ein Muster mit der Interferenzperiode (p1). Weiterhin sind die mehreren der zweiten Interferenzpixel (11) benachbart repetitiv versetzt zueinander angeordnet und die mehreren der zweiten Interferenzpixel (11) bilden somit ein Muster mit der sich von der ersten Interferenzperiode (p1) unterscheidenden zweiten Interferenzperiode (P2).

Der unterhalb der Punktstruktur (16) angeordnete Graph visualisiert die Anordnung der inversen Zapfen (14.1, 14.2) entlang einer Linie durch die Punktstruktur (16). Die Maxima der Intensität entsprechen dabei dem Mittelpunkt der inversen Zapfen (14.1 , 14.2). Wie in Fig. 8 dient dieser Graph der Darstellung des Prinzips. Die Intensität entspricht dabei dem zur Erzeugung der inversen Zapfen (14.1, 14.2) notwendigen Intensität im Interferenzmuster der Laser(teil )strahlen.

Fig. 10 visualisiert in einem ersten Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Vorrichtung, umfassend eine Laserstrahlungsquelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls. Im Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter der Laserstrahlungsquelle (1) angeordnet, befindet sich ein Strahlteilerelement (2), welches im Strahlengang (3) beweglich angeordnet ist. Im Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter dem Strahlteilerelement (2) angeordnet, befindet sich ein Fokussierelement (4). Im Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter dem Fokussierelement (4) angeordnet, befindet sich eine Haltevorrichtung, auf der ein Substrat (5), bevorzugt flächiges und/oder transparentes Substrat, gelagert ist.

In dieser Ausgestaltung emittiert die Laserstrahlungsquelle (1) einen gepulsten Laserstrahl. Es handelt sich hier bei der Laserstrahlungsquelle um einen UV Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm Wellenlänge und einer Pulsdauer von 12 ps. Das Strahlungsprofil der Laserstrahlungsquelle entspricht in dieser Ausführungsform einem Top-Hat-Profil.

In diesem Ausführungsbeispiel entspricht das Strahlteilerelement (2) einem diffraktiven Strahlteilerelement. Ein diffraktives Strahlteilerelement ist hier ein Strahlteilerelement, welches Mikro- oder Nanostrukturen enthält. Das Strahlteilerelement (2) unterteilt den Laserstrahl in 4 Teilstrahlen.

Das Fokussierelement (4) entspricht in diesem Ausführungsbeispiel einer refraktiven, sphärischen Linse, die die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Teilstrahlen so auf das Substrat (5), bevorzugt flächige und/oder transparente Substrat, vorzugsweise auf eine Oberfläche, bevorzugt die erste äußere Oberfläche, eines Keramikelements, lenkt, dass sie dort in einem Interferenzbereich interferieren. Der Interferenzwinkel entspricht in dieser Ausgestaltung 27,2°, woraus eine Interferenzperiode von 550 nm für die periodische Punktstruktur bei dem gleichen Polarisationszustand resultiert.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das flächige Substrat einmal bestrahlt, sodass sich eine Bearbeitungsdauer pro Struktureinheit, d. h. pro Interferenzpixel, von 12 ps ergibt.

Bei dem Substrat (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, handelt es sich beispielsweise um eine Fliese, ganz speziell um eine Tonfliese, welches auf einer Haltevorrichtung gelagert ist, sodass es in der xy-Ebene, senkrecht zum Strahlengang des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls beweglich ist.

Fig. 11 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Vorrichtung wie in Fig. 10 beschrieben, zusätzlich umfassend ein Umlenkelement (6), welches sich im Strahlengang (3) des Lasers nach dem Strahlteilerelement (2) und dem Fokussierelement (4) befindet.

In dieser Ausgestaltung ist das Umlenkelement eine konventionelle, refraktive, konvexe Linse. Die Teilstrahlen treffen derart auf das Umlenkelement (6) auf, dass sie nach Durchlaufen des Umlenkelements im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dadurch lässt sich der Punkt, in dem die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats (5) vorzugsweise auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements interferieren, einstellen. Fig. 12 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung basierend auf dem in Fig. 10 und Fig. 11 gezeigten Aufbau. Zusätzlich umfasst dieser Aufbau ein weiteres Umlenkelement (7), welches im Strahlengang (3) des Lasers zwischen dem Strahlteilerelement (2) und dem Umlenkelement (6) angeordnet ist.

In dieser Ausgestaltung ist das weitere Umlenkelement (7) eine konventionelle, refraktive, konkave Linse. Die Teilstrahlen treffen derart auf das weitere Umlenkelement auf, sodass ihr Winkel zur optischen Achse des Strahlengangs aufgeweitet wird. Dadurch lässt sich der Interferenzwinkel, mit dem die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, vorzugsweise auf einer Oberfläche, vorzugsweise der ersten äußeren Oberfläche, des Keramikelements interferieren, verändern.

In dieser Ausgestaltung sind alle optischen Elemente abgesehen vom Strahlteilerelement (2) entlang der optischen Achse des Strahlengangs (3) fixiert. Der Interferenzwinkel der Teilstrahlen auf dem Substrat wird über eine Verschiebung des Strahlteilerelements (2) entlang der optischen Achse des Strahlengangs eingestellt.

Fig. 13A zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung wie in Fig. 12, umfassend die optischen Elemente (6) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, die derart eingerichtet sind, dass sie die Teilstrahlen auf das Fokussierelement (4) umlenken.

In dieser Ausgestaltung werden die zumindest drei Teilstrahlen durch Verschiebung der optischen Elemente (6) in einem bevorzugten Winkel auf das Substrat (5), welches vorzugsweise eine Deckschicht eines Keramikelementes bildet, gelenkt. Dadurch kann auf ein Umlenkelement in Form einer Linse (Bezugszeichen (6) in Fig. 12) verzichtet werden.

Fig. 13 B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als optisches Element zur Strahlformung einen Galvo-Spiegel (9) umfasst, was eine ortsfeste Positionierung des zu strukturierenden Substrats (5), welches vorzugsweise eine Deckschicht eines Keramikelementes bildet während des Prozesses der Strukturierung erlaubt.

Fig. 14 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung wie in Fig. 10, zusätzlich umfassend je ein Polarisationselement (8) pro Teilstrahl, welche im Strahlengang (3) des Laserstrahls zwischen dem Umlenkelement (6) und dem Fokussierelement (4) angeordnet sind. Das Polarisationselement ist derart angeordnet, dass es die Polarisierung der einzelnen Teilstrahlen zueinander so verändert, dass sich eine Veränderung des Interferenzmusters ergibt.

Diese Ausgestaltung ist in zwei unterschiedlichen Konfigurationen dargestellt. In Fig. 14A ist das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah an der Laserstrahlungsquelle (1) positioniert. In Fig. 14 B ist das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah am Umlenkelement (7) positioniert. Auf diese Weise lässt sich das Interferenzmuster der interferierenden Teilstrahlen auf der Oberfläche des Substrats (5), welches vorzugsweise eine Deckschicht eines Keramikelementes bildet, stufenlos einstellen, ohne dass die anderen optischen Elemente im Aufbau oder das Substrat bzw. das Keramikelement bewegt werden müssen.

Zusätzlich wäre es auch denkbar, dass die Anordnung ein zusätzliches optisches Element zur Strahlformung enthält, das im Strahlengang (3) des Laserstrahls der Laserstrahlungsquelle (1) nachgeordnet ist. In dieser Ausgestaltung entspricht das Strahlungsprofil der Laserstrahlungsquelle einem Gauß-Profil. Das optische Element zur Strahlformung wandelt dieses Profil in ein Top-Hat-Profil um.

Fig. 15 enthält eine schematische Ansicht der sich auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, welches vorzugsweise eine Deckschicht eines Keramikelementes bildet, ergebenden Interferenzpixel mit der Weite D, und die Verteilung der einzelnen Interferenzpixel auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, wobei die Interferenzpixel zueinander verschoben sind mit der Pixeldichte Pd.

In dieser Ausgestaltung ist die Pixeldichte Pd kleiner als die Weite eines Interferenzpixels, D. Dadurch kann durch Bewegen des Substrats (5) mittels eines gepulsten Laserstrahls eine flächige homogene periodische Punktstruktur auf der Oberfläche oder im Inneren eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, erzeugt werden.

Vorzugsweise werden die nacheinander aufgebrachten Interferenzpixel nebeneinander angeordnet. In dieser Ausgestaltung existiert ein Überlapp zwischen zwei nebeneinander angeordneten Interferenzpixeln. Aufgrund der Mehrfachbestrahlung werden so bevorzugt Selbstorganisationsprozesse innerhalb des strukturierten Bereiches, also innerhalb der inversen Zapfen 14, angeregt. Dadurch kann effizient eine hierarchische Struktur erzeugt werden.

Fig. 16 visualisiert das durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte strukturierte Substrat (5), welches vorzugsweise eine Deckschicht oder einer Grundschicht eines Keramikelementes bildet, mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen Zapfen, mit Abmessungen im Mikro- und Submikrometerbereich. Es wird zudem symbolisch die Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen größer als die Interferenzperiode der erzeugten Strukturen, sowie die Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im Bereich oder kleiner der erzeugten Strukturen verdeutlicht.

Fig. 17 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung wie in Fig. 13B, umfassend das optische Element (91) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, wobei es sich um ein Polygonrad handelt, welches derart eingerichtet ist, dass es um eine eingezeichnete Achse rotiert. Dabei werden die einfallenden Teilstrahlen derart abgelenkt, dass sie auf einen Galvospiegel (9) treffen, welcher die Strahlen über ein Fokussierelement (4) auf das Substrat (5), welches vorzugsweise eine Deckschicht eines Keramikelementes bildet, lenkt. Die Rotation des Polygonrads bewirkt dabei, dass der Punkt, in dem die Strahlen auf dem Substrat gebündelt werden während des Belichtungsprozesses entlang einer Linie beweglich ist. Die Teilstrahlen scannen also das Substrat, was zu einer erhöhten Prozessgeschwindigkeit führt.

Fig. 18 zeigt in einer grafischen Darstellung die Transmissions- bzw. Beugungsfähigkeit von einem strukturierten Substrat abhängig von der Strukturweite auf. Dabei wird der Diffraktionswinkel von Licht in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge für Strukturen mit drei unterschiedlichen Strukturweiten gezeigt. Ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts größer als die Strukturweite, so wird das Licht vollständig transmittiert. Bei Wellenlängen im Bereich der Strukturweite oder kleiner kommt es zur Diffraktion. Die Diffraktionswinkel können aus der Grafik entnommen werden.

Fig. 19 visualisiert das durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte strukturierte Substrat (5), welches vorzugsweise eine Deckschicht eines Keramikelementes bildet, mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen Zapfen, mit Abmessungen im Mikrometerbereich. Dieser periodischen Punktstruktur im Mikrometerbereich überlagert ist eine periodische Wellenstruktur im Submikrometerbereich, welche ebenfalls durch das hierin beschriebene erfindungsgemäße Verfahren in einem Produktionsschritt erzeugbar ist. Fig. 20A visualisiert eine quasi-periodische Wellenstruktur (19) in einer Draufsicht und Fig. 20B in einer Schnittansicht, wie sie ein strukturiertes Substrat, vorzugsweise eine Oberfläche, bevorzugt die erste äußere Oberfläche einer Deckschicht, eines Keramikelementes, aufweist, welches durch ein hierin offenbartes Verfahren, insbesondere durch eine Mehrfachbestrahlung oder durch eine Einfachbestrahlung mit hoher Intensität, erzeugt werden kann. Dabei stellt die Schnittansicht der Fig. 11 B einen Querschnitt durch die in Fig. 11A dargestellte Struktur etwa entlang der Schnittlinie A-A dar. In den Materialien auftretende Selbstorganisationsprozesse führen dazu, dass wellenförmige Strukturen mit Wellenbergen (20) und Wellentälern (21) innerhalb eines derart bestrahlten Bereiches entstehen. Die entstehenden Strukturen weisen dabei grundsätzlich eine gewisse Periodizität auf, wobei allerdings auch Defekte (22), also Unregelmäßigkeiten, auftreten. Somit weist eine derartige Struktur im Gegensatz zu einer echt periodischen Struktur sowohl Abweichungen in den Strukturabmessungen, insbesondere bei den Abständen der Wellenberge zu den Wellentälern, als auch Defekte auf, sodass die erzeugte Wellenstruktur nicht homogen ausfällt.

In Fig. 21 ist ein Keramikelement 30 mit einer Deckschicht 31 dargestellt. Die Deckschicht 31 weist eine erste äußere Oberfläche 32 auf, welche das Keramikelement 30 gegenüber der Umwelt abschließt, und eine zweite äußere Oberfläche 33 auf. An die zweite äußere Oberfläche 33 der Deckschicht 31 grenzt die Grundschicht 35 an. Nach dieser Ausgestaltung weist die zweite äußere Oberfläche 33 Zapfen 43 auf, welche eine Punktstruktur bilden, wobei an den Zapfen 43 eine überlagerte Struktur, welche hier als eine quasi-periodische Wellenstruktur 19 ausgebildet ist, angeordnet ist.

Dabei ist die inverse Strukturierung dazu auch auf der Oberfläche der Grundschicht 35 angeordnet, welche der Deckschicht 31zugewandt und an diese angrenzend ist.

An der ersten äußeren Oberfläche 32 der Deckschicht 31 ist eine periodische Punktstruktur aus inversen Zapfen 14 angeordnet, wobei die Interferenzperiode der Punktstrukturen auf der ersten äußeren Oberfläche 32 signifikant kleiner ist als die Punktstruktur auf der zweiten äußeren Oberfläche 33.

Eine Visualisierung des Wasserkontaktwinkels (23) ist in Fig. 22 dargestellt. Wasser (24) ist hier in Tropfenform auf einem Substrat (5) angeordnet. Außerhalb des Wassertropfens (24) liegt Luft in Gasphase (25) vor. Als Wasserkontaktwinkel (23) wird dabei der Winkel zwischen der Oberfläche des Substrates (5) und der am Wassertropfen (24) anliegenden Tangente (26) bezeichnet. Die Tangente (26) wird dabei an der Oberfläche des Substrates (5) anliegend betrachtet. Zur Ermittlung des Wasserkontaktwinkels (23) wird in der Regel ein Schattenbild eines Wassertropfens (24) aufgenommen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Laserstrahlungsquelle

2 Strahlteilerelement

3 Strahlengang

4 Fokussierelement

5 Substrat

6 weiteres Umlenkelement

7 Umlenkelement

8 Polarisationselement

9 Fokussierspiegel bzw. Galvo-Spiegel

91 Polygonrad

10 erstes Interferenzpixel

11 zweites Interferenzpixel

12 drittes Interferenzpixel

13 viertes Interferenzpixel

14 inverse Zapfen

14.1 inverse Zapfen des ersten Interferenzpixels

14.2 inverse Zapfen des zweiten Interferenzpixels

14.3 inverse Zapfen des dritten Interferenzpixels

14.4 inverse Zapfen des vierten Interferenzpixels

15 Versatz

16 Punktstruktur

Pi erste Interferenzperiode

P2 zweite Interferenzperiode

19 quasiperiodische Wellenstruktur

20 Wellenberg

21 Wellental

22 Defekt

23 Wasserkontaktwinkel

24 Wassertropfen

25 Gasphase

26 Tangente

A-A Schnittlinie

28 strukturierter Bereich

29 unstrukturierter Bereich

30 Keramikelement 31 Deckschicht

31.1 Teildeckschicht

32 Erste äußere Oberfläche

33 Zweite äußere Oberfläche

34 Vertiefungen

35 Grundschicht

36 Rillenförmige Vertiefungen

37 Modul

38 Verbindungsmittel

38.1 Fuge

39 Mittellinie

40 Grundfläche

41 Seitenfläche

42 Erste äußere Oberfläche

43 Zweite äußere Oberfläche

44 Licht

44.1 transmittiertes Licht

45 reflektiertes Licht

46 Grenzflächenpunkt

47 Zapfen

Dim1 erste Dimension

Dim2 zweite Dimension

Dim3 dritte Dimension

D Weite des Interferenzpixels

Pd Pixeldichte?

D Durchmesser b Breite x Strukturtiefe

Claims

PATENTANSPRÜCHE Keramikelement (30), vorzugsweise rutschhemmendes Keramikelement (30) insbesondere eine rutschhemmende Fliese oder eine rutschhemmende Badkeramik, wobei das Keramikelement (30) wenigstens eine Deckschicht (31) mit wenigstens einer ersten äußeren Oberfläche (32) aufweist, wobei die erste äußere Oberfläche (32) durch einen strukturierten Bereich (28) und einen unstrukturierten Bereich (29) gebildet ist, wobei der strukturierte Bereich (28) eine erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode (pi) aufweist, wobei die erste periodische Struktur aus Vertiefungen (34) gebildet ist, wobei die erste Interferenzperiode (pi) im Bereich von 50 nm bis 200 pm, vorzugsweise 40 pm bis 100 pm, liegt, wobei das Aspektverhältnis der ersten periodischen Struktur wenigstens 0,5, besonders bevorzugt wenigstens 0,75, ganz besonders bevorzugt wenigstens 1 ,0, beträgt. Keramikelement nach Anspruch 1, wobei an der ersten periodischen Struktur Mantelflächen angeordnet sind, welche eine glatte Oberfläche aufweisen, wobei die glatte Oberfläche der Mantelflächen einen Mittenrauwert von kleiner als 200 nm aufweisen, oder, wobei an der ersten periodischen Struktur hierarchische Strukturen angeordnet sind, bei denen sich die Interferenzperiode und/oder mittlere Strukturtiefe um wenigstens einen Faktor 10 unterscheidet. Keramikelement (30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste periodische Struktur als eine erste periodische Punktstruktur ausgebildet ist, wobei die erste periodische Punktstruktur aus zumindest einem ersten Interferenzpixel (10) mit der ersten Interferenzperiode (pi) gebildet ist, wobei das erste Interferenzpixel (10) ein periodisches Gitter von zumindest drei Zapfen (45) oder inversen Zapfen (14) aufweist. Keramikelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste periodische Struktur als eine erste periodische Linienstruktur ausgebildet ist, wobei die erste periodische Linienstruktur aus wenigstens drei nebeneinander angeordneten, parallel zueinander verlaufenden, äquidistant angeordneten rillenförmigen Vertiefungen (36) oder rillenförmigen Erhöhungen ausgebildet ist.

5. Keramikelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der strukturierte

Bereich (28) aus der ersten periodischen Punktstruktur oder aus der ersten periodischen Linienstruktur gebildet ist, wobei die erste periodische Punktstruktur oder die erste periodische Linienstruktur aus einem oder mehreren versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixeln (10,11 ,12,13) mit der ersten Interferenzperiode (pi) besteht.

6. Keramikelement (30) nach Anspruch 3, wobei die erste periodische Punktstruktur aus einem oder mehreren versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixeln besteht.

7. Keramikelement (30) nach Anspruch 4, wobei die erste periodische Linienstruktur aus einem oder mehreren versetzt zueinander angeordneten Interferenzpixeln besteht.

8. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der strukturierte Bereich weiterhin eine zweite periodische Struktur mit einer zweiten Interferenzperiode (P2) im Mikro- oder Submikrobereich aufweist, welche als periodische Punktstruktur oder als periodische Linienstruktur ausgebildet ist.

9. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Deckschicht ein keramisches Material und/oder glaskeramisches Material und/oder ein Metall-Keramik- Verbundmaterial aufweist.

10. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Keramikelement wenigstens eine Grundschicht aufweist, die an die Deckschicht angrenzend ausgebildet ist.

11. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Deckschicht, auf der der ersten äußeren Oberfläche abgewandten Seite, eine zweite äußere Oberfläche aufweist, wobei die zweite äußere Oberfläche aus einem strukturierten und einem unstrukturierten Bereich gebildet ist, wobei der strukturierte Bereich eine periodische Punkt- und/oder Linienstruktur aufweist. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die Deckschicht (32) eine erste Deckschicht und eine zweite Deckschicht umfasst. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Strukturtiefe der ersten periodischen Struktur auf der ersten äußeren Oberfläche der Deckschicht im Bereich von 10 pm bis 200 pm liegt. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Keramikelement flächig ausgebildet ist. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die erste äußere Oberfläche wenigstens eine Rutschsicherheitsklasse gemäß zumindest R11 aufweist. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Gleitreibwert der Oberfläche bei einer Benetzung mit Wasser wenigstens 0,2, vorzugsweise wenigstens 0,3, bevorzugt wenigstens 0,45, beträgt. Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei an der ersten periodischen Struktur Mantelflächen angeordnet sind, welche eine glatte Oberfläche aufweisen. Modul, aufweisend wenigstens zwei Keramikelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei zwei benachbarte Keramikelemente über Verbindungsmittel miteinander verbunden sind. Verfahren zur Herstellung eines Keramikelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 17 mit einer vorgegebenen äußeren Form, vorzugsweise mit einer rutschhemmenden Oberfläche, aufweisend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials in Form von Ausgangsmaterialpulver oder einer Ausgangsmaterialmasse, b) Formgeben des keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials, c) Brennen des geformten keramischen und/oder glaskeramischen und/oder ein Metall- Keramik-Verbundmaterial aufweisenden Ausgangsmaterials zu einem Keramikelement, wobei vorhergehend zu Schritt c) und/oder nachfolgend zu Schritt c) ein strukturierter Bereich auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird, wobei Laserstrahlen gezielt aufgeteilt und kontrolliert wieder auf der ersten äußeren Oberfläche zur Interferenz gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass dieselben Interferenzpixel mehrfach bestrahlt werden, und/oder der vorhergehende, Pixel und der nachfolgende Pixel einer Art eines Interferenzpixels jeweils um ein ganzes Vielfaches der Interferenzperiode (p_n) in eine Raumrichtung zueinander verschoben werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der strukturierte Bereich eine erste periodische Struktur mit einer ersten Interferenzperiode (p1) aufweist, wobei die erste periodische Struktur aus Vertiefungen gebildet ist, wobei die erste Interferenzperiode (p1) im Bereich von 50 nm bis 200 pm, vorzugsweise 40 pm bis 100 pm liegt.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei bei der Laserinterferenzstrukturierung Teilstrahlen mittels eines Strahlteilerelementes (2) erzeugt werden und die Interferenzperiode (p) eines Interferenzpixels, vorzugsweise die erste Interferenzperiode (p1) des ersten Interferenzpixels (10), mittels eines Verschiebens des Strahlteilerelementes (2) stufenlos eingestellt wird, wobei vorzugsweise die weiteren optischen Elemente fixiert sind. 22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die periodische Struktur zunächst mittels Laserinterferenzstrukturierung auf einer Negativform erzeugt und mittels der Negativform auf der Deckschicht (31) aufgebracht wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die periodische Struktur innerhalb eines Interferenzpixels durch Applizieren eines einzelnen Laserpulses mittels Einfachbestrahlung, erzeugt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei mittels einer Mehrfachbestrahlung eines Interferenzpixels mit identischen Verfahrensparametern eine hierarchische Struktur mit einer in den Vertiefungen angeordneten Linienstruktur erzeugt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei mittels einer Mehrfachbestrahlung mit variierten Verfahrensparametern eine der ersten periodischen Struktur überlagerte, periodische Linien- und/ oder Punktstruktur erzeugt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei das Formen gemäß Schritt b) in einem Formwerkzeug erfolgt.

27. Verfahren nach Ansprüche 19 bis 26, wobei das Formen gemäß Schritt b) durch Aufbringen des keramischen Ausgangsmaterials auf einen Grundkörper, welcher vorzugsweise Stahl aufweist, erfolgt.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei in einem nach Schritt b) nachfolgenden Schritt eine Beschichtung aufgetragen wird.

29. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach Anspruch 18, aufweisend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen mehrerer Keramikelemente, b) Verbinden der Keramikelemente, c) Erzeugen eines strukturierten Bereiches auf einer ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht mittels Laserinterferenzstrukturierung. Verwendung einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zur Erzeugung einer periodischen Struktur auf der Oberfläche eines Keramikelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 17, insbesondere auf der ersten äußeren Oberfläche einer Deckschicht des Keramikelements.