DE102007008073A1

DE102007008073A1 - Verfahren zum Übertragen von Oberflächenstrukturierungen, wie Interferenzschichten, Hologrammen und anderen hochbrechenden optischen Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE102007008073A1
Application number: DE102007008073A
Authority: DE
Inventors: Michael Prof. Veith; Peter William Dr. OLIVEIRA; Christine Faller-Schneider; Bruno SCHÄFER
Original assignee: Leibniz-Institut fur Neue Materialien Gem GmbH; Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Leibniz-Institut fur Neue Materialien Gem GmbH; Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-08-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Oberflächenstrukturierungen, wie Interferenzschichten, Hologrammen und anderen hochbrechenden optischen Mikrostrukturen, auf Substrate. Um ein Verfahren zum Übertragen von Oberflächenstrukturierungen, wie Interferenzschichten, Hologrammen und anderen hochbrechenden optischen Mikrostrukturen, auf Substrate zu schaffen, das auch im Hochtemperaturbereich einsetzbar ist, wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen: a) Auf eine Trägerfolie wird eine flexible Trägerzwischenschicht als Release-Schicht aufgebracht, b) auf diese Trägerzwischenschicht wird ein Prägesol appliziert und mit einer Oberflächenstrukturierung versehen, c) Herstellen eines Stapels, bestehend aus einer Bindemittelschicht und der Oberflächenstrukturierung, d) Entfernen der Trägerfolie, e) thermische Behandlung des Werkstückes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Oberflächenstrukturierungen, wie Interferenzschichten, Hologrammen und anderen hochbrechenden optischen Mikrostrukturen auf Substrate.
Als Substrate kommen hierbei insbesondere Glas-, Keramik- und Metalloberflächen in Frage.
Die Verwendung von Transferfolien zum Übertragen von Dekoren auf diverse Untergründe, wobei auch ein Einbrennen des Dekors über oder unter einer Glasur erfolgen kann, ist beispielsweise aus der US 6,766,734 , der US 6,694,885 und der US 6,854,386 bekannt.
Auch das Aufbringen von Hologrammklebefolien auf Papier- oder Kunststoffuntergründe ist weit verbreitet, wie beispielsweise aus der US 5,702,805 und der US 5,318,816 ersichtlich ist.
Aus der KR 2002/024286 A ist ein Hologrammübertragungsfilm und ein Herstellungsverfahren hierfür bekannt, der jedoch nicht für Glas- oder Keramikoberflächen geeignet ist. In der JP 2004/358925 A wird eine Hologrammklebefolie beschrieben, die jedoch nicht einbrennbar ist. Auch die in der JP 2003/280498 A beschriebene ein Hologramm tragende Übertragungsfolie ist nicht für Glas- oder Keramikoberflächen geeignet, was auch der Fall ist bei dem Gegenstand der US 5,702,805 A .
Aus der WO 98/22648 A2 ist ein Verbundwerkstoff bekannt, der gekennzeichnet ist durch ein Substrat und ein damit in funktionellem Kontakt stehendes Nanokomposit, das erhältlich ist durch Oberflächenmodifizierung von

a) kolloidalen anorganischen Partikeln mit
b) einem oder mehreren Silanen der allgemeinen Formel R_x-Si-A_4-x worin die Reste A gleich oder verschieden sind und Hydroxylgruppen oder hydrolytisch abspaltbare Gruppen darstellen, ausgenommen Methoxy, die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen und x den Wert 0, 1, 2 oder 3 hat, wobei bei mindestens 50 Stoffmengen-% der Silane x ≥ 1 ist; unter den Bedingungen des Sol-Gel-Prozesses mit einer unterstöchiometrischen Wassermenge, bezogen auf die vorhandenen hydrolysierbaren Gruppen, unter Bildung eines Nanokomposit-Sols, gegebenenfalls weitere Hydrolyse und Kondensation des Nanokomposit-Sols vor dem Inkontaktbringen mit dem Substrat und anschließende Härtung, wobei das Substrat keine Glas- oder Mineralfaser ist und kein Pflanzenmaterial ist.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zum Übertragen von Interferenzschichten, Hologrammen und anderen hochbrechenden optischen Mikrostrukturen auf Substrate zu schaffen, das auch im Hochtemperaturbereich einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Übertragen von Oberflächenstrukturierungen, wie Interferenzschichten, Hologrammen und anderen hochbrechenden optischen Mikrostrukturen auf ein Substrat, gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

a) auf einer Trägerfolie wird eine flexible Trägerzwischenschicht als Release-Schicht aufgebracht,
b) auf dieser Trägerzwischenschicht wird ein Prägesol appliziert und mit einer Oberflächenstrukturierung versehen,
c) Herstellen eines Stapels, bestehend aus einer Bindemittelschicht und der Oberflächenstrukturierung,
d) Entfernen der Trägerfolie,
e) thermische Behandlung des Werkstückes.

Es wird somit auf einer Trägerfolie eine flexible Trägerzwischenschicht als Release-Schicht aufgebracht.
Auf dieser Trägerzwischenschicht wird das Prägesol, das eine hinreichende Brechungsindexdifferenz zum Kleber aufweisen sollte, appliziert und mit einer Oberflächenstrukturierung, z. B. einem Hologramm oder einer anderen optischen Mikrostruktur versehen.
Anschließend wird ein Stapel aus einer Bindemittelschicht und der Oberflächenstrukturierung gebildet.
Dann wird die Trägerfolie entfernt.
Schließlich wird das Werkstück thermisch behandelt, so daß am Ende auf der Substratoberfläche nur die strukturierte hochbrechende Schicht mittels der Bindemittelschicht anhaftet.
Mit einer solchen Transferfolie können eine Interferenzschicht, ein Hologramm oder eine andere optische Mikrostruktur auf ein Substrat übertragen werden, wobei die transferierten Schichten beim Transferprozeß erhalten bleiben, so daß ein nachträglicher Trocknungsprozeß und eine Ofenbehandlung im Hochtemperaturbereich möglich sind.
Die Vorteile der Erfindung bestehen im wesentlichen darin, daß eine hochtemperaturstabile Transferfolie geschaffen wird, die auf heißen Werkstoffen oder solchen Werkstoffen, die nachträglich erhitzt werden, aufbringbar und dauerbeständig ist. Dies bedeutet auch, daß die hierdurch aufgebrachten Interferenzschichten, Hologramme und anderen optischen Mikrostrukturen auch nicht nachträglich durch thermische Behandlung entfernt oder beschädigt werden können. Die Transferfolie kann zudem auf einer Folienbeschichtungsanlage mit angekoppelter Prägestation in Form von Folienrollen hergestellt werden und eignet sich dadurch zur Massenproduktion.
Somit wird es beispielsweise möglich, auch auf noch heiße Substrate ein Hologramm zu übertragen oder aber ein Hologramm auf ein Substrat zu übertragen, das während des Gebrauchs bis in den Hochtemperaturbereich erhitzt wird, z. B. einen Motorblock oder einen Fahrzeugkatalysator. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, auch solche Teile mit Sicherheitsmerkmal, beispielsweise einem prüfbaren Hologramm, zu versehen, um Fälschungssicherheit zu gewährleisten.
Das optische Wirkprinzip der Erfindung beruht auf einem hinreichenden Brechungsindexunterschied zwischen der optischen Mikrostruktur und der Bindemittelschicht. Dieser Aspekt ermöglicht eine besondere Variabilität, da das Hologramm bzw. die optische Schicht in Kombination mit dem Bindemittel zur Steuerung der optischen Effekte herangezogen werden kann. So sind beispielsweise hochtemperaturstabile Schichtpakete herstellbar, die insgesamt wie eine Reflexions- oder Antireflexschicht, bzw. wie ein Hologramm wirken. Hierbei kann beispielsweise nur die Oberfläche des Reliefhologramms (oder der optischen Schicht) mit einer Schicht mit einem adäquaten Brechungsindex ausgestattet werden oder das Hologramm (bzw. die optische Schicht) vollständig aus dem Material mit dem passenden Brechungsindex bestehen. In diesem Zusammenhang ist es von Interesse, daß das Bindemittel hinsichtlich seines Brechungsindexes durch Verwendung von hochbrechenden Nanopartikeln anstelle von SiO₂-Nanopartikeln eingestellt werden kann.
Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß im Falle von Reliefhologrammen das Strukturieren durch einfaches oder thixotropes Prägen erfolgt.
Eine thixotrop strukturierbares Material ist beispielsweise aus der EP 1 248 685 B1 bekannt.
Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß in Schritt c) eine Bindemittelschicht auf das Substrat appliziert und getrocknet wird und anschließend die Oberflächenstrukturierung auf die Bindemittelschicht übertragen wird.
Alternativ ist es auch möglich, daß in Schritt c) das Bindemittel direkt auf die Oberflächenstrukturierung appliziert und anschließend dieser Stapel auf das Substrat übertragen wird.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das Bindemittel aus einem Nanokomposit besteht, das erhältlich ist durch Oberflächenmodifizierung von

a) kolloidalen anorganischen Partikeln mit
b) einem oder mehreren Silanen der allgemeinen Formel R_x-Si-A_4-x worin die Reste A gleich oder verschieden sind und Hydroxylgruppen oder hydrolytisch abspaltbare Gruppen darstellen, ausgenommen Methoxy, die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen und x den Wert 0, 1, 2 oder 3 hat, wobei bei mindestens 50 Stoffmengen-% der Silane x ≥ 1 ist;

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zweckmäßig, daß das Substrat eine Glasoberfläche, eine Keramikoberfläche oder eine Metalloberfläche ist.
Ebenso ist es vorteilhaft, daß die Trägerfolie eine Polyethylentherephtalatfolie (PET) oder eine Polyimidfolie ist.
Es ist vorteilhaft, daß die Trägerzwischenschicht eine Folie auf Polyvinylalkoholbasis ist.
Zur Erfindung ist auch gehörig, daß in Schritt e) die thermische Behandlung bei Temperaturen bis 800°C, vorzugsweise bei Temperaturen bis 450°C erfolgt.
Schließlich ist auch erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei der zweiten Alternative bezüglich Schritt c) in Schritt e) Übertragung auf ein heißes Substrat erfolgt, wobei die Substrattemperatur von ca. 80°C bis 800°C, bevorzugt von 100°C bis 600°C und besonders bevorzugt von 150°C bis 450°C beträgt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Transferfolie für das erfindungsgemäße Verfahren,
2 eine Hologrammstruktur nach ihrer Fixierung auf einem Substrat.
Wie aus 1 ersichtlich ist, besteht die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Transferfolie aus einer Trägerfolie 1, die beispielsweise eine Polyethylentherephtalat- oder eine Polyimidfolie sein kann.
Auf diese Trägerfolie 1 wird eine Trägerzwischenschicht 2 (oder Release-Schicht), die insbesondere Polyvinylalkohol (PVA) enthält sowie gegebenenfalls Additive, insbesondere fluorierte Additive (z. B. Zonyl) oder ähnlich wirkende Additive, enthält, mit einer Schichtdicke von ca. 40 μm aufgebracht, auf welcher wiederum eine hochbrechende Schicht 3 aufgebracht ist. Die Trägerzwischenschicht 2 wird verwendet, weil die Adhäsion zwischen der Trägerschicht 1 und der hochbrechenden Schicht 3 zu groß wäre.
In die hochbrechende Schicht 3 wird eine Hologrammstruktur eingebracht.
Mittels des anorganischen Bindemittels 4, wie es aus der WO 98/22648 A2 zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs dient, wird die Transferfolie auf ein Substrat 5, welches bevorzugt eine Glas-, Keramik- oder Metalloberfläche aufweist, mit der hochbrechenden Schicht zum Substrat 5 gewandt appliziert. Die Trägerfolie 1 wird von der Trägerzwischenschicht 2 vor der thermischen Behandlung entfernt. Nach Aushärten der Bindemittelschicht 4 erfolgt das Fixieren (Ausbrennen), so daß am Ende auf dem Substrat nur die strukturierte hochbrechende Schicht 3 mittels der Bindemittelschicht 4 anhaftet (2)
Dabei bleiben die transferierten Strukturen mit einer Periodizität von ca. 4 μm auf einer Fläche von 1 cm² beim Transferprozeß erhalten, so daß ein nachträglicher Trocknungsprozeß und eine Ofenbehandlung bei Temperaturen von 450°C und in Einzelfällen auch bis 800°C möglich ist.
Ausführungsbeispiel:
1 Herstellung der Sole
1.1 Kleber – Sol
Zu vorgelegtem 327,5g Methyltriethoxysilan und 95,5g Tetraethylorthosilicat sind 142 g Kieselsol Levasil 300/30 und 4 ml einer 37% HCl-Lösung unter Rühren zugegeben. Nach dem Abkühlen der Lösung um ca. 15°C ist eine Mischung aus 327,5 g Methyltriethoxysilan und 95,5 g Tetraethylorthosilicat der Reaktionslösung beizumengen.
1.2 Präge – Sol
Zu 22,43 g Isopropanol sind 4,46 g Titanisopropylat unter Rühren schnell hinzu zu fügen (Teil 1). Zu 22,43 g 1-Butanol sind 0,68 g einer 16,9% HCl-Lösung unter Rühren zugegeben (Teil 2). Teil 2 ist unter Rühren zu Teil 1 zu geben.
1.3 Release – Sol
Zu 36,50 g einer ca. 8 prozentigen Polyvinylalkohol (PVA, Poval 235) in Wasser Lösung sind 4,22 g Isopropanol. Zu einem Aliquot von 38,56 g der vorgenannten PVA-Lösung ist eine Mischung aus 0,16 g Diethylenglycol, 0,08 g Zonyl FS-300 und eine Mischung bestehend aus 1,083 g dest. Wasser mit 0,007 g Tween 80 und diese zu durchmischen.
2 Herstellung des Schichtenstacks: Release-, prägbare Schicht und Strukturierung der prägbaren Schicht
2.1 Herstellung der Release – Schicht
Das unter Überschrift 1.3 beschriebene Release Sol wird durch einen 400 μm Rakelspalt auf eine PET-Trägerfolie appliziert und bei 150°C für 20 min getrocknet.
2.2 Herstellung der prägbaren Beschichtung
Auf der Release Schicht wird dass unter der Überschrift 1.2 beschriebene Prägesol durch Fluten appliziert.
2.3 Strukturierung der prägbaren Schicht
Durch einen Silikonkautschukstempel wird ein Reliefhologramm in den nassen Film gelegt. Mit einer Belastung von ca. 1 kg pro Quadratzentimeter für ca. 1 Sekunde ist der Stempel anzupressen. Nach einer Ruhezeit von 30 Minuten ist das Lösungsmittel in den Silikonkautschuk diffundiert, so dass die so getrocknete Prägeschicht eine ausreichende Festigkeit besitzt und der Silikonkautschuk-Stempel entfernt werden kann.
3 Transfer des Hologramms auf ein Substrat
3.1 Transfer des Hologramms auf Glas
Das Glassubstrat ist mit dem Kleber durch Dip coaten mit 1 mm/s zu beschichten. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels bei RT für ca. 1 h kann der unter Überschrift 2 beschriebene strukturierte Schichtenstack auf das Glassubstrat auflaminiert werden. Danach ist das Glassubstrat für 8 h bei 80°C, und innerhalb von 4 h auf 450°C aufzuheizen. Die Temperatur von 450°C ist für 1 h zu halten, sodann das Werkstück binnen 4 h auf 20°C abkühlen.
3.2 Transfer des Hologramms auf Keramik
Das Keramiksubstrat ist mit dem Kleber zu beschichten (Dipcoating 1 mm/s). Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels bei RT für ca. 1 h kann der unter Überschrift 2 beschriebene strukturierte Schichtenstack auf die Keramik auflaminiert werden. Danach ist das Keramiksubstrat für 8 h bei 80°C, und innerhalb von 4 h auf 450°C aufzuheizen. Die Temperatur von 450°C ist für 1 h zu halten, sodann das Werkstück binnen 4 h auf 20°C abkühlen.
3.3 Transfer des Hologramms auf Edelstahl
Das Edelstahlsubstrat ist mit dem Kleber zu beschichten (Dipcoating 1 mm/s). Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels bei RT für ca. 1 h kann der unter Überschrift 2 beschriebene strukturierte Schichtenstack auf den Edelstahl auflaminiert werden. Danach ist das Edelstahlsubstrat für 8 h bei 80°C, und innerhalb von 4 h auf 450°C aufzuheizen. Die Temperatur von 450°C ist für 1 h zu halten, sodann das Werkstück binnen 4 h auf 20°C abkühlen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6766734 [0003]
- US 6694885 [0003]
- US 6854386 [0003]
- US 5702805 [0004]
- US 5318816 [0004]
- KR 2002/024286 A [0005]
- JP 2004/358925 A [0005]
- JP 2003/280498 A [0005]
- US 5702805 A [0005]
- WO 98/22648 A2 [0006, 0035]
- EP 1248685 B1 [0019]

Claims

Verfahren zum Übertragen von Oberflächenstrukturierungen, wie Interferenzschichten, Hologrammen und anderen hochbrechenden optischen Mikrostrukturen auf ein Substrat, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) auf einer Trägerfolie wird eine flexible Trägerzwischenschicht als Release-Schicht aufgebracht, b.) auf dieser Trägerzwischenschicht wird ein Prägesol appliziert und mit einer Oberflächenstrukturierung versehen, c.) Herstellen eines Stapels, bestehend aus einer Bindemittelschicht und der Oberflächenstrukturierung, d) Entfernen der Trägerfolie, e) thermische Behandlung des Werkstückes.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von Reliefhologrammen das Strukturieren durch einfaches oder thixotropes Prägen erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) eine Bindemittelschicht auf das Substrat appliziert und getrocknet wird und anschließend die Oberflächenstrukturierung auf die Bindemittelschicht übertragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) das Bindemittel direkt auf die Oberflächenstrukturierung appliziert und anschließend dieser Stapel auf das Substrat übertragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus einem Nanokomposit besteht, das erhältlich ist durch Oberflächenmodifizierung von a) kolloidalen anorganischen Partikeln mit b) einem oder mehreren Silanen der allgemeinen Formel R_x-Si-A_4-x worin die Reste A gleich oder verschieden sind und Hydroxylgruppen oder hydrolytisch abspaltbare Gruppen darstellen die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen und x den Wert 0, 1, 2 oder 3 hat, wobei bei mindestens 50 Stoffmengen-% der Silane x ≥ 1 ist; unter den Bedingungen des Sol-Gel-Prozesses mit einer unterstöchiometrischen Wassermenge, bezogen auf die vorhandenen hydrolysierbaren Gruppen, unter Bildung eines Nanokomposit-Sols, gegebenenfalls weitere Hydrolyse und Kondensation des Nanokomposit-Sols.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Glasoberfläche, eine Keramikoberfläche oder eine Metalloberfläche ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie eine Polyethylentherephtalatfolie oder eine Polyimidfolie ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt e) die thermische Behandlung bei Temperaturen bis 800°C, vorzugsweise bei Temperaturen bis 450°C erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt e) die Übertragung auf ein heißes Substrat erfolgt, wobei die Substrattemperatur von ca. 80°C bis 800°C, bevorzugt von 100°C bis 600°C und besonders bevorzugt von 150°C bis 450°C beträgt.