DE10250564A1

DE10250564A1 - Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche

Info

Publication number: DE10250564A1
Application number: DE10250564A
Authority: DE
Inventors: Arnd Dr. Müller; Markus Dr. Kuhr
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: DE10250564B4

Abstract

Es soll eine Entspiegelung bereitgestellt werden, welche in Zusammenwirken mit einer Antikratzschicht und einer Haftvermittlerschicht eine geringe Reflektanz aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein transparentes Substrat (2) mittels PICVD mit einer ersten Entspiegelungsschichtanordnung (10), die gleichzeitig als Haftvermittler dient, und einer Nutzschicht (30) beschichtet, wobei die erste Entspiegelungsschichtanordnung (10) zwischen der Nutzschicht (30) und dem Substrat (2) angeordnet ist. DOLLAR A Diese erste Entspiegelung/Haftvermittlung kann durch eine zweite Entspiegelungsschichtanordnung (20) weiter verbessert werden. Für die erste und zweite Entspiegelungsschichtanordnung (10) hat sich eine spiegelsymmetrische oder alternierende TiO¶2¶-SiO¶2¶-Schichtfolge bewährt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche, ein beschichtetes Erzeugnis, eine Vorrichtung zur Beschichtung des Erzeugnisses sowie Produkte aus dem Erzeugnis.

Optische Elemente, z.B. optische Linsen werden bislang häufig aus Glas hergestellt. Glas hat den Vorteil, dass es hohe Qualitätsanforderungen hinsichtlich der Oberflächengüte, -härte und der Bearbeitbarkeit der Oberfläche, z.B. Polierbarkeit und Beschichtbarkeit erfüllt.

Andererseits besteht ein großer Bedarf an Ersatzmaterialen für Glas, da Glas ein hohes Gewicht aufweist und zum Teil aufwendig herzustellen und zu verarbeiten ist. Aufgrund ihres zumeist deutlich geringeren Gewichts, ihrer einfachen Handhabung und kostengünstigen Massenherstellung finden diesbezüglich transparente Kunststoffe mehr und mehr Verwendung in traditionellen Glasanwendungsgebieten.

Der Vorteil des geringeren Gewichts von Kunststoffen ist z.B. für die Verwendung als Material für Brillenlinsen besonders interessant, da das Gewicht einer Brille mit Glaslinsen im wesentlichen durch das Linsengewicht bestimmt wird und hier folglich ein erhebliches Gewichtseinsparpotential besteht. Andererseits besteht eine große Nachfrage nach leichten und komfortablen Brillen. Daher erfreuen sich Kunststofflinsen für Brillen immer größerer Beliebtheit.

Aber auch in anderen Bereichen wie z.B. im Automobilbau besteht ein immerwährender Bedarf an Gewichtsreduzierung und Kostenersparnis, weshalb auch in diesem Bereich transparente Kunststoffe mehr und mehr Glas verdrängen. Beispielhaft sind hier Scheinwerferabdeckungen genannt. Insbesondere auch im Fahrzeuginnenraum werden Kunststoffdisplays verwendet, damit im Falle eines Unfalls keine Glassplitter zu Verletzungen führen.

Kunststoffe besitzen aber auch erhebliche Nachteile gegenüber Glas.

Für die Anwendung im Automobilbereich sind transparente Kunststoffe häufig nicht ausreichend UV-beständig.

Ferner ist die Beständigkeit gegenüber Chemikalien zumeist schlechter als bei Glas.

Besonders nachteilig ist aber die hohe Kratzempfindlichkeit von Kunststoffen, insbesondere z.B. bei kostengünstigen Polycarbonaten.

Aus diesem Grund werden Kunststoffoberflächen durch Aufbringen einer Kratzschutz- oder Antikratzschicht gehärtet. Als Antikratzschicht wird z.B. eine Siliziumdioxidschicht aufgedampft oder ein Epoxidlack aufgetragen. Allerdings sind die Haftungseigenschaften der Antikratzschicht relativ schlecht, wenn diese mit einem physikalischen Aufdampfverfahren unmittelbar auf einem Kunststoffsubstrat aufgebracht wird.

Daher wird typischerweise eine Haftvermittlerschicht unter der Antikratzschicht aufgebracht.

Ein weiterer Aspekt neben der Kratzempfindlichtkeit sind die Reflexionseigenschaften des Substrats oder Erzeugnisses. Um die Reflektanz zu verringern, wurde bereits 1935 von A. Smakula in der Patentschrift DE-PS-685 767 von der Firma Carl Zeiss vorgeschlagen, einen dünnen Antireflexfilm aufzutragen. Diese revolutionäre Erfindung wird in ihren Grundzügen, z.B. bei optischen Linsen, noch heute angewendet.

So wird z.B. in der Druckschrift EP-A-0 619 504 vorgeschlagen, einen Antireflexbelag aus MgF₂ auf Brillengläsern z.B. aus Polycarbonat unter Zwischenschaltung weiterer Schichten aufzubringen. Bei diesem Verfahren wird eine Haftschicht z.B. aus SiO_X aufgedampft und eine Hartschicht z.B. als Lack aufgetragen. Dieses Verfahren leidet aber unter zwei wesentlichen Nachteilen.

Erstens werden auf dasselbe Brillenglas Schichten mit unterschiedlichen Verfahren aufgebracht, so dass sich die Herstellung kompliziert, langwierig und daher kostenaufwendig gestaltet.

Zweitens beeinträchtigen bei diesem Verfahren die Haftschicht und die Hartschicht die entspiegelnde Wirkung der Antireflexschicht erheblich, so dass die erzielten Reflexionseigenschaften verbesserungswürdig sind.

Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Entspiegelung bereitzustellen, welche in Zusammenwirken mit einer Nutzschicht, insbesondere einer Antikratzschicht und/oder mit einer Haftvermittlerschicht eine geringe Reflektanz aufweist.

Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum effizienten, einfachen und/oder kostengünstigen Aufbringen von insbesondere multifunktionalen Schichten oder Schichtsystemen auf ein Substrat zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entspiegelung bereitzustellen, welche über dem gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich eine geringe Reflektanz aufweist.

Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Entspiegelung für ein Erzeugnis, bzw. ein solches Erzeugnis bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder zumindest mindert.

Die Aufgabe der Erfindung wird in überraschend einfacher Weise bereits durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 19 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Anspruch 36 betrifft eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung und Anspruch 37 ein erfindungsgemäßes Zwischen- oder Endprodukt.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Erzeugnisses, z.B. eines optischen Elements zunächst ein Substrat bereitgestellt. Daraufhin wird das Erzeugnis mit einer ersten Entspiegelungsschichtanordnung beschichtet, die gleichzeitig als Haftvermittler dient. Ferner wird das Erzeugnis mit einer Nutzschicht, z.B. einer Nutzschicht mit chemischer und/oder mechanischer Funktionalität, insbesondere einer Schutzschicht beschichtet, wobei die erste Entspiegelungsschichtanordnung unter der Nutzschicht oder zwischen der Nutzschicht und dem Substrat angeordnet wird.

Dabei ist das Beschichten des Erzeugnisses derart zu verstehen, dass entweder unmittelbar auf das Substrat oder auf bereits auf dem Substrat vorhandene Schichten beschichtet wird. Vorzugsweise wird also zuerst die erste Entspiegelungsschichtanordnung, insbesondere unmittelbar auf das Substrat, und danach die Nutzschicht, insbesondere unmittelbar auf die erste Entspiegelungsschichtanordnung aufgebracht.

Die erfindungsgemäße Reihenfolge, die erste Entspiegelungsschichtanordnung unter der Nutzschicht anzuordnen, stellt einen höchst überraschenden Ansatz dar, da bislang üblicherweise Antireflexschichten zuoberst oder zuletzt aufgebracht wurden.

Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass die erfindungsgemäße Anordnung ebenfalls eine sehr effektive Verringerung der Reflektanz auf zumindest den Wert eines nicht mit einer Nutzschicht belegten Substrates bewirkt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Entspiegelungsschichtanordnung unter der Nutzschicht gegen äußere Einflüsse wie Kratzer geschützt ist, insbesondere, wenn die Nutzschicht als Antikratzschicht ausgebildet ist.

Zusätzlich kann eine zweite Entspiegelungsschichtanordnung vorgesehen werden, was die Wirksamkeit der Entspiegelung weiter verbessert, so dass in dieser Kombination eine erheblich reduzierte Reflektanz gegenüber dem vorstehend genannten Stand der Technik erzielt wird. Die erste und/oder zweite Entspiegelungsschichtanordnung umfassen bevorzugt jeweils zumindest eine hochbrechende erste und eine niedrigbrechende zweite Schicht, wobei insbesondere die erste und/oder zweite Schicht der ersten Entspiegelungsschichtanordnung aus demselben Material bestehen wie die erste bzw. zweite Schicht der zweiten Entspiegelungsschichtanordnung.

Als besonders vorteilhaftes Verfahren für das Aufbringen der Schichten, z.B. der Nutzschicht, der ersten und/oder zweiten Entspiegelungsschichtanordnung und/oder weiterer einzelner oder aller Schichten hat sich die chemische Dampfabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) erwiesen. Besonders hervorzuheben sind Plasma-unterstützte CVD-Verfahren (Plasma assisted CVD, PACVD) oder Plasma-verstärkte CVD-Verfahren (Plasma enhanced CVD, PECVD). Hierbei wird das abzuscheidende Material mittels eines Niedertemperatur-Plasmas zur Verfügung gestellt. Besonders bevorzugt sind gepulste Plasma-unterstütze CVD-Verfahren (Plasma Impulse CVD, PICVD). Bei diesen wird das Plasma durch eine gepulste Gleichstrom- (DC), Hochfrequenz- (HF) oder Mikrowelleneinstrahlung (MW) gezündet, wobei Pulsdauer und -frequenz der elektromagnetischen Welle einstellbar und/oder variierbar sind.

Vorteilhafterweise ist die thermische Belastung des Substrats bei dem gepulsten Verfahren gegenüber kontinuierlichen Verfahren herabgesetzt, was besonders für Kunststoffsubstrate interessant ist.

Durch die Verwendung eines CVD-Verfahrens zur Abscheidung der Schichten ergibt sich der synergetische Effekt, dass das Substrat in einem einheitlichen Produktionsablauf, in ein und derselben Beschichtungsanlage, z.B. in demselben Rezipienten, verbleibt und nicht für verschiedene Schichten verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Dieser enorme Kosten- und Zeitvorteil kommt besonders zum Tragen, wenn die Antikratzschicht und die erste Entspiegelungsschichtanordnung und/oder eine Haftvermittlerschicht mit demselben Verfahren, z.B. PICVD aufgedampft werden, da bisher die Antikratzschicht häufig als Lack aufgetragen wurde. Bevorzugt werden also zumindest die erste Entspiegelungsschichtanordnung und die Nutzschicht, vorzugsweise aber auch einzelne, mehrere oder alle weiteren Schichten zumindest teilweise mit demselben Verfahren aufgebracht oder aufgedampft.

Weiter vorteilhaft ist, dass die erste und/oder zweite Entspiegelungsschichtanordnung, die Nutzschicht und/oder einzelne, mehrere oder alle weiteren Schichten aus demselben, insbesondere gasförmigen Ausgangsmaterial, einem sogenannten "Precursor", z.B. TiCl₄ oder Hexamethyldisiloxan (HMDSO)- oder aus einer Mischung aus diesen, erzeugt werden können. Hierzu werden insbesondere nur Verfahrensparameter während des Beschichtens, wie z.B. Gasdruck, Gaszusammensetzung, Pulsdauer, Pulsfrequenz und/oder Mikrowellenleistung variiert.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erste und/oder zweite Entspiegelungsschichtanordnung mehrschichtig, d.h. umfassen zumindest 2, 3, 4, 5 oder 6 Schichten. Insbesondere ist der Brechungsindex zumindest einer Schicht, z.B. der Substrat-nächsten Schicht der ersten und/oder zweiten Entspiegelungsschichtanordnung höher als der Brechungsindex des Substrats.

Ferner ist der Brechungsindex der unmittelbar an die Substrat-nächste Schicht angrenzenden Schicht vorzugsweise geringer als der Brechungsindex der Substrat-nächsten Schicht. Als hochbrechende Schichten werden vorzugsweise Metalloxide verwendet.

Bevorzugt wird das Erzeugnis mit einer Haftvermittlerschicht beschichtet, welche insbesondere unmittelbar auf dem Substrat aufgebracht wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Haftvermittlerschicht ein optisch funktionaler Bestandteil der ersten Entspiegelungsschichtanordnung, d.h. sie wirkt mittels ihrer Brechungseigenschaften an der Verringerung der Reflektanz mit.

Bevorzugt umfassen dabei die Haftvermittlerschicht, die erste und/oder zweite Entspiegelungsschichtanordnung eine oder mehrere Schichten, welche ein Metall, eine Metallverbindung und/oder ein Metalloxid, insbesondere TiO₂, Al₂O₃, Ni₂O₅, Ta₂O₅, Ti₂O₅, ZrO₂ und/oder CrO₂ enthalten.

Vorzugsweise ist die Reihenfolge der Schichtanordungen unmittelbar oder unter Zulassung weiterer Schichten wie folgt:

– Substrat
– Haftvermittlerschicht
– erste Entspiegelungsschichtanordnung
– Antikratzschicht
– zweite Entspiegelungsschichtanordnung
– Luft

Versuche haben gezeigt, dass eine mittels PICVD aufgebrachte Metalloxidhaftvermittlerschicht zu einer sehr guten Haftung auf Polycarbonat-Substraten führt. Dies gilt auch dann, wenn anschließend eine relativ dicke SiO₂-Schicht als Antikratzschicht aufgebracht wird. Durch die hochbrechende Metalloxidhaftvermittlerschicht und eine nachfolgende Antikratzschicht aus z.B. SiO₂ entstehen allerdings stärkere Interferrenzrippel als nur durch eine (üblicherweise dem Substrat im Brechungsindex ähnlichen) Antikratzschicht. Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß dennoch verhindert, dass starke Interferenzrippel durch die Antikratzschicht auftreten, so dass eine gegenüber herkömmlichen Verfahren verbesserte Entspiegelung erzielt wird.

Vorzugsweise umfasst die erste Haftvermittlerschicht eine erste hochbrechende Schicht, wobei unter hochbrechend insbesondere ein Material mit einem Brechungsindex von n = 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3 oder 2,4 verstanden wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Entspiegelungsschichtanordnung eine erste niedrigbrechende Schicht. Unter einer niedrigbrechenden Schicht wird insbesondere eine Schicht verstanden, welche einen Brechungsindex kleiner als den der Haftvermittlerschicht und/oder kleiner als 1,7; 1,6 oder 1,5 aufweist. Die erste niedrigbrechende Schicht schließt sich vorzugsweise unmittelbar angrenzend an die Haftvermittlerschicht auf deren Substrat-abgewandter Seite an.

Ferner bevorzugt ist eine erste Entspiegelungsschichtanordnung aus 3, 5, 7 oder mehr Schichten, welche spiegelsymmetrisch bezüglich der Schichtmaterialien und/oder bezüglich der Schichtdicken ist. Alternativ sind auch 4, 6, 8 oder mehr bezüglich der Schichtmaterialien alternierende Schichten einsetzbar.

Eine besonders effektive Entspiegelung wird erzielt, wenn das Substrat und die Gesamtheit der ersten Entspiegelungsschichtanordnung zusammen mit der Nutzschicht ein Index-Matching bezüglich der Brechungsindizes aufweisen. Ferner kann der äquivalente Brechungsindex der ersten Entspiegelungsschichtanordnung, insbesondere etwa in der Mitte in einem Intervall von +/– 50 % zwischen dem Brechungsindex des Substrats und der Nutzschicht liegen, um eine effektive Entspiegelung zu erzielen.

Die Nutzschicht ist z.B. als Antikratzschicht und/oder als chemische Barriereschicht ausgebildet. Dabei weist die Nutzschicht insbesondere eine Dicke auf, welche um ein Vielfaches, z.B. mindestens 5-faches oder 10-faches größer ist als die Dicke der übrigen Schichten. Für die Antikratzschicht haben sich Siliziumverbindungen, insbesondere SiO_XC_YH_Z besonders bewährt, da dessen mechanische und optische Eigenschaften vorteilhaft sind.

Die Nutzschicht ist bevorzugt als Gradientenschicht, z.B. bezüglich ihrer Härte oder ihres Brechungsindex ausgebildet.

Als Substrat wird z.B. ein transparentes Material, insbesondere ein Kunststoff verwendet. Das Substrat weist hierbei einen Brechungsindex von n = 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,1; 2,2 oder 2,3 auf. Das Verfahren zur Entspiegelung einer Oberfläche eignet sich aber ebenfalls für die Beschichtung von Glas und anderen Materialien. Als Kunststoffe wurden erfolgreich Polycarbonate (PC) und Polymethylacrylate (PMA) beschichtet.

Vorzugsweise werden der Brechungsindex und/oder die Dicke einer, mehrerer oder aller Schichten derart aufeinander und/oder an den Brechungsindex des Substrats angepasst, dass das Erzeugnis eine verringerte Reflektanz aufweist.

Vorzugsweise wird die Nutzschicht über, d.h. substratferner, der ersten Entspiegelungsschichtanordnung und die zweite Entspiegelungsschichtanordnung über der Nutzschicht, jeweils unmittelbar oder unter Zulassung von weiteren Zwischenschichten aufgebracht.

Die erste Entspiegelungsschichtanordnung besitzt vorzugsweise eine Dicke von 10 nm bis 1000 nm, insbesondere 50 nm bis 200 nm.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde ein Erzeugnis hergestellt, welches eine mittlere Reflektanz von ≤ 4 %; 1,5 %; 1 % oder 0,5 % im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 780 nm aufweist. Eine Rotverschiebung der Entspiegelung zur Nutzung der Erfindung im nahen und fernen Infrarot ist jedoch ebenso möglich.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Erzeugnis gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 einen Graph der Reflektanz als Funktion der Wellenlänge für die erste Ausführungsform,
3 ein erfindungsgemäßes Erzeugnis gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 wie 2, aber für die zweite Ausführungsform,
5 ein erfindungsgemäßes Erzeugnis gemäß einer dritten Ausführungsform,
6 wie 2, aber für die dritte Ausführungsform,
7 ein erfindungsgemäßes Erzeugnis gemäß einer vierten Ausführungsform,
8 wie 2, aber für die vierte Ausführungsform
9 ein erfindungsgemäßes Erzeugnis gemäß einer fünften Ausführungsform, und
10 wie 2, aber für die fünfte Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Erste beispielhafte Ausführungsform
1 zeigt ein optisches Erzeugnis 1, umfassend ein transparentes Substrat 2 aus Polycarbonat, auf welches eine Entspiegelungsschichtanordnung 10 mittels CVD aufgebracht oder aufgedampft ist. Die Entspiegelungsschichtanordnung 10 umfasst mehrere optische Schichten oder Filme und zwar eine TiO₂-Schicht 11, welche unmittelbar auf dem Substrat 2 aufgebracht ist, eine SiO₂-Schicht, welche unmittelbar auf der TiO₂-Schicht 11 aufgebracht ist und eine weitere TiO₂-Schicht 13, welche unmittelbar auf der SiO₂-Schicht 12 aufgebracht ist. Die Schichtdicken der beiden TiO₂-Schichten 11, 13 betragen jeweils 5 nm und die Schichtdicke der SiO₂-Schicht 12 beträgt 61,20 nm. Folglich ist die Entspiegelungsschichtanordnung in diesem Ausführungsbeispiel bezüglich der Schichtmaterialien und der Schichtdicken spiegelsymmetrisch.
Unmittelbar auf der Entspiegelungsschichtanordnung, genauer unmittelbar auf der TiO₂-Schicht 13 ist eine Nutzschicht, genauer eine Antikratzschicht 30 aus 2000 nm SiO_XC_YH_Z aufgebracht.
Um die Stöchiometrie der Antikratzschicht zu ermitteln, wurden XPS-Messungen an Schichten die mit 15 % HMDSO in Sauerstoff hergestellt wurden, durchgeführt. Dies entspricht etwa dem unteren Wert der für die Antikratzschichten verwendeten Konzentrationen. Da vorzugsweise die HMDSO-Konzentration während einer Gradientenschicht variiert wird, ist dies aber lediglich als Richtwert anzusehen.
Wasserstoff kann mit XPS nicht nachgewiesen werden, scheint allerdings nur in sehr geringen Konzentrationen vorzukommen.
Das Ergebnis einer XPS-Messung ist wie folgt:

Element	Atomprozent
O	54,5
Si	27,6
C	17,7

Daraus ergibt sich folgendes Verhältnis:
SiO_1,97C_0,64
Unmittelbar auf der Antikratzschicht 30 ist eine zweite Entspiegelungsschichtanordnung 20 aufgebracht, welche eine TiO₂-Schicht 21, eine SiO₂-Schicht 22, eine TiO₂-Schicht 23 und eine SiO₂-Schicht 24 in dieser Reihenfolge umfasst. Die zweite Entspiegelungsschichtanordnung 20, genauer die SiO₂-Schicht 24 bildet die oberste Schicht, d.h. die Schnittstelle zur Luft. Die Dicken und Brechungsindizes der Schichten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Vorzugsweise liegen die jeweiligen Parameter auch bezüglich der weiteren nachfolgenden Tabellen in einem Bereich von +/– 50 %, besonders bevorzugt in einem Bereich von +/– 20 % und am meisten bevorzugt in einem Bereich von +/– 10 % um die aufgeführten Werte.
Tabelle 1:
Die drei Schichten 11, 12 und 13 der ersten Entspiegelungsschichtanordnung 10 oder Vorabentspiegelung weisen einen äquivalenten Brechungsindex von n₁₀ = 1,469 auf.
Der Brechungsindex des Substrates 2, in diesem Ausführungsbeispiel Glas, beträgt n₂ = 1,520. Somit liegt der Brechungsindex der Entspiegelungsschichtanordnung 10 genau zwischen dem Brechungsindex des Substrates 2 und der Antikratzschicht 30.
Somit ist die TiO₂-Schicht 11 derart ausgebildet, dass sie zwei Funktionen erfüllt. Sie ist erstens als Haftvermittlerschicht für den weiteren Schichtenaufbau und zweitens als ein optisch funktioneller Bestandteil der ersten Entspiegelungsschichtanordnung 10 ausgebildet.
Die Antikratzschicht 30 zusammen mit der ersten Entspiegelungsschichtanordnung 10 wirkt zumindest in einem gewissen Wellenlängenbereich wie in Index-Matching und die darauffolgende zweite Entspiegelungsschichtanordnung 20 ist deutlich freier von Rippeln und besser in der Entspiegelungswirkung.
2 zeigt einen Graph der Reflektanz in Prozent als Funktion der Wellenlänge in nm für das erste Ausführungsbeispiel aus 1.
Dabei zeigt die Kurve 41 die Reflektanz eines Erzeugnisses ohne die erste Entspiegelungsschichtanordnung 10 und ohne die Antikratzschicht, d.h: für eine Anordnung lediglich bestehend aus dem Substrat und der zweiten Entspiegelungsschichtanordnung 20.
Die Kurve 42 zeigt ein Erzeugnis ohne die erste Entspiegelungsschichtanordnung 10, d.h. eine Anordnung bestehend lediglich aus dem Substrat 2, einem Haftvermittler der Antikratzschicht 30 und der zweiten Entspiegelungsschichtanordnung 20. Es ist deutlich erkennbar, wie die Entspiegelungswirkung durch die Haftvermittlerschicht und die Antikratzschicht verschlechtert wird.
Die Kurve 43 zeigt die Reflektanz des erfindungsgemäßen Erzeugnisses 1 wie in 1 dargestellt, d.h. das Substrat 2 mit der ersten und zweiten Entspiegelungsschichtanordnung 10, 20 und der dazwischen befindlichen Antikratzschicht 30. Die Kurve 43 zeigt eine deutliche Verringerung der Reflektanz gegenüber der Kurve 42.
Die hervorragende Entspiegelungswirkung, d.h. geringe Reflektanz ist ein Ergebnis der Zwischenschaltung der ersten Entspiegelungsschichtanordnung 10, welche nicht nur eine Metalloxidschicht als Haftungsgrundlage, sondern ein Schichtsystem aus, in diesem Beispiel zwei Metalloxidschichten, genauer TiO₂-Schichten 11, 13 und einer dazwischen angeordneten SiO₂-Schicht 12 umfasst.
Zweite beispielhafte Ausführungsform
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die zweite Entspiegelungsschichtanordnung 20 insgesamt sechs Schichten 21 bis 26 umfasst. Ansonsten ist die zweite Ausführungsform bezüglich der Schichtabfolge entsprechend der ersten Ausführungsform ausgebildet. Dabei sind die beiden obersten Schichten 25, 26 eine TiO₂- bzw. SiO₂-Schicht. Ferner besteht das Substrat 2 aus einem Brillenkunststoff mit einem Brechungsindex von 1,7. Die Schichtdicken und weiteren Brechungsindizes sind der Tabelle 2 zu entnehmen. Tabelle 2:
Bezugnehmend auf 4 zeigt die Kurve 43 die Reflektanz des erfindungsgemäßen Erzeugnisses 1 gemäß 3. Die Kurve 42 zeigt die Reflektanz eines herkömmlichen Erzeugnisses ohne die erste Entspiegelungsschichtanordnung 10, statt dessen mit lediglich einer Haftvermittlerschicht an deren Stelle.
Dritte beispielhafte Ausführungsform
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, welche sogar ohne die zweite Entspiegelungsschichtanordnung 20 auskommt. In diesem Beispiel besteht das Substrat aus Polycarbonat und die Schichtabfolge der ersten Entspiegelungsschichtanordnung 10 und der Antikratzschicht 30 ist bezüglich der Materialien gleich der ersten und zweiten Ausführungsform.
Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung bildet die Antikratzschicht 30 die oberste Schicht, d.h. die Schnittstelle zur Luft. Dies ist besonders vorteilhaft, da die einzige Entspiegelungsschichtanordnung 10 unter dieser gegen mechanische Einwirkungen geschützt ist. Zumindest bildet bei dieser Ausführungsform keine empfindliche Antireflexschicht die Schnittstelle zur Luft.
Dennoch wird im Wellenlängenbereich zwischen 450 und 800 nm eine wirksame Reduzierung von Interferenzrippeln erzielt, wie in 6 zu sehen ist. Die Kurven sind entsprechend 4 bezeichnet.
Die Schichtdicken und Brechungsindizes sind in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3:
Vierte beispielhafte Ausführungsform
7 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher im Vergleich zur dritten Ausführungsform eine zusätzliche SiO₂-Schicht 14 unmittelbar zwischen dem Substrat 2 und der TiO₂-Schicht 11 angeordnet ist. Die erste Entspiegelungsschichtanordnung 10 besitzt also eine bezüglich der Materialien alternierende Schichtabfolge von vier Schichten. Mehr als vier Schichten sind aber ebenfalls möglich.
8 zeigt die Reflektanz der vierten Ausführungsform, wobei die Kurven entsprechend 4 bezeichnet sind.
Die Schichtdicken und Brechungsindizes sind in Tabelle 4 aufgeführt. Tabelle 4:
Fünfte beispielhafte Ausführungsform
9 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher im Vergleich zur vierten Ausführungsform die alternierende Schichtabfolge umgekehrt ist. Das heißt, unmittelbar auf dem Substrat 2 befindet sich eine hochbrechende Metalloxid-, genauer die TiO₂-Schicht 11, unmittelbar darauf die niedrigbrechende SiO₂-Schicht 12, unmittelbar darauf die hochbrechende Metalloxid-, genauer TiO₂-Schicht 13 und unmittelbar darauf die niedrigbrechende SiO₂-Schicht 14.
10 zeigt die Reflektanz der fünften Ausführungsform, wobei die Bezeichnung der Kurven wiederum 4 entspricht.
Die Schichtdicken und Brechungsindizes sind in Tabelle 5 aufgeführt. Tabelle 5:
Verfahren zur Schichtabscheidung
Im Folgenden wird das Verfahren zur Aufbringung der verschiedenen Schichten auf dem Substrat näher beschrieben.
Alle Schichten sind mit einem gepulsten chemischen Plasma-Dampfabscheidungsverfahren (Plasma Impulse Chemical Vapor Deposition PICVD) aufgebracht. Bei dem PICVD-Verfahren wird ein Ausgangsmaterial oder Grundstoff, ein sogenannter precursor, in einen Rezipienten, z.B. eine Vakuumkammer eingebracht. Der Grundstoff ist z.B. TiCl₄ oder HMDSO (Hexamethyldisiloxan), welches auf etwa 40 Grad vorgeheizt wird, um den Gasdruck zu erhöhen. Mittels der Mikrowellenleistung wird die Verbindung des Grundstoffes zu chemisch äußerst reaktiven Bestandteilen zertrümmert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Mikrowellenleistung gepulst, was den Vorteil hat, dass die thermische Belastung für das Substrat gering gehalten wird. Dies ist besonders für Kunststoffe vorteilhaft. Mittels der Verfahrensparameter: Temperatur, Gaszusammensetzung, Gasdruck und Beschichtungszeit in der Kammer sind die Zusammensetzung und Dicke der jeweils aufzubringenden Schicht einstellbar. Vorteilhafterweise können so mit ein und demselben Verfahren und ggf. Grundstoff verschiedene Schichtmaterialien und Dicken erzeugt werden, so dass alle Schichten erzeugt werden können, ohne dass das Erzeugnis aus dem Rezipienten entfernt wird.
Im Folgenden sind die Verfahrensparameter für die fünf vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Die SiO₂-Schichten werden mit folgenden Parametern abgeschieden:

Parameter	Bereich
Mikrowellenleistung	2000W – 8000 W
Druck	0,1 mBar – 0,5 mBar
O2-Fluss	500 sccm – 2000 sccm
HMDSO-Fluss	20 sccm – 100 sccm
Pulsdauer	1 ms – 10ms
Pulspause	50 ms – 200 ms

Die TiO₂-Schichten werden mit folgenden Verfahrensparametern abgeschieden:

Parameter	Bereich
Mikrowellenleistung	4000W – 8000 W
Druck	0,1 mBar – 0,5 mBar
O2-Fluss	500 sccm – 2000 sccm
HMDSO-Fluss	1 sccm – 50 sccm
Pulsdauer	1 ms – 10 ms
Pulspause	100 ms – 500 ms

Die SiO_XC_YH_Z-Schicht wird mit folgenden Parametern abgeschieden:

Parameter Bereich

Mikrowellenleistung 2000W – 8000 W

Druck 0,1 mBar – 0,5 mBar

O2-Fluss 500 sccm – 2000 sccm

HMDSO-Fluss (Rampe) von bis zu 500 sccm abfallend auf bis zu 50 sccm

Pulsdauer 1 ms – 10 ms

Pulspause 20 ms – 200 ms
Hierbei ist zu beachten, dass der HMDSO-Fluss abfallend, insbesondere kontinuierlich abfallend eingestellt werden kann.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr die Schichtdicken, Schichtmaterialien und Schichtabfolgen variiert werden können, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.
Es ist insbesondere möglich, die offenbarten Merkmale sogar unter Auslassung der ersten Entspiegelungsschichtanordnung zu kombinieren.

Claims

Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Erzeugnisses (1) mittels Beschichtung eines Substrats (2), umfassend die Schritte Bereitstellen des Substrats (2), Beschichten des Erzeugnisses (1) mit einer ersten Entspiegelungsschichtanordnung (10) und Beschichten des Erzeugnisses (1) mit einer Nutzschicht (30), wobei die erste Entspiegelungsschichtanordnung (10) zwischen der Nutzschicht (30) und dem Substrat (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der aufzubringenden Schichten (11, 12, 13, 30, 21, 22, 23, 24, 25, 26) zumindest mit einem der folgenden Verfahren aufgebracht wird: chemische Dampfabscheidung (CVD); Plasma-verstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD); Plasma-unterstütze chemische Dampfabscheidung (PACVD); gepulste chemische Plasma-Dampfabscheidung (PICUD).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis (1) mit einer zweiten Entspiegelungsschichtanordnung (20) beschichtet wird, wobei die Nutzschicht (30) zwischen der ersten und zweiten Entspiegelungsschichtanordnung (10, 20) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder zweite Entspiegelungsschichtanordnung (10, 20) und die Nutzschicht (30) aus demselben Ausgangsmaterial erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Schichtmaterialien (TiO₂, SiO₂, SiO_XC_YH_Z) mittels einer Variation der Verfahrensparameter der Dampfabscheidung erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Entspiegelungsschichtanordnung (10, 20) mehrschichtig aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis (1) mit einer Haftvermittlerschicht (11) beschichtet wird, welche unmittelbar angrenzend auf das Substrat (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis (1) dergestalt beschichtet wird, dass eine Haftvermittlerschicht (11) einen optisch funktionalen Bestandteil der ersten Entspiegelungsschichtanordnung (10) bildet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (11), die erste oder zweite Entspiegelungsschichtanordnung (10) ein Metall, eine Metallverbindung oder ein Metalloxid enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (11) eine hochbrechende Schicht umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Entspiegelungsschichtanordnung (10) eine niedrigbrechende Schicht (12) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Entspiegelungsschichtanordnung (10) hinsichtlich der Schichtmaterialien eine alternierende oder spiegelsymmetrische Schichtabfolge aus zumindest drei Schichten umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) und die Gesamtheit aus der ersten Entspiegelungsschichtanordnung (10) zusammen mit der Nutzschicht (30) ein Index-Matching der Brechungsindizes aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äquivalente Brechungsindex (n₁₀) der ersten Entspiegelungsschichtanordnung (10) zwischen dem Brechungsindex des Substrats (2) und der Nutzschicht (30) liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzschicht (30) als Antikratzschicht oder eine chemische Barriereschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzschicht (30) als Gradientenschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Entspiegelungsschichtanordnung (20) zumindest eine hochbrechende und eine niedrigbrechende Schicht umfasst.
Erzeugnis (1) herstellbar mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Erzeugnis (1) umfassend ein Substrat (2), eine erste Entspiegelungsschichtanordnung (10) und eine Nutzschicht (30), wobei die erste Entspiegelungsschichtanordnung (10) zwischen der Nutzschicht (30) und dem Substrat (2) angeordnet ist.
Erzeugnis (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schichten (11, 12, 13, 30, 21, 22, 23, 24, 25, 26) zumindest mit einem der folgenden Verfahren aufbringbar ist: chemische Dampfabscheidung (CVD); Plasma-verstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD); Plasma-unterstütze chemische Dampfabscheidung (PACVD); gepulste chemische Plasma-Dampfabscheidung (PICVD).
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis (1) eine zweite Entspiegelungsschichtanordnung (20) umfasst, wobei die Nutzschicht (30) zwischen der ersten und zweiten Entspiegelungsschichtanordnung (10, 20) angeordnet ist.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder zweite Entspiegelungsschichtanordnung (10, 20) und die Nutzschicht (30) aus demselben Ausgangsmaterial erzeugbar sind.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Schichtmaterialien (TiO₂, SiO₂, SiO_XC_YH_Z) mittels einer Variation der Verfahrensparameter der Dampfabscheidung erzeugbar sind.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Entspiegelungsschichtanordnung (10, 20) mehrschichtig ausgebildet ist.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, gekennzeichnet durch eine Haftvermittlerschicht (11), welche unmittelbar angrenzend auf dem Substrat (2) aufgebracht ist.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haftvermittlerschicht (11) einen optisch funktionalen Bestandteil der ersten Entspiegelungsschichtanordnung (10) bildet.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (11), die erste oder zweite Entspiegelungsschichtanordnung (10) ein Metall, eine Metallverbindung oder ein Metalloxid enthält.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (11) eine hochbrechende Schicht umfasst.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Entspiegelungsschichtanordnung (10) eine niedrigbrechende Schicht (12) umfasst.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Entspiegelungsschichtanordnung (10) hinsichtlich der Schichtmaterialien eine alternierende oder spiegelsymmetrische Schichtabfolge aus zumindest drei Schichten umfasst.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) und die Gesamtheit aus der ersten Entspiegelungsschichtanordnung (10) zusammen mit der Nutzschicht (30) ein Index-Matching der Brechungsindizes aufweisen.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äquivalente Brechungsindex (n₁₀) der ersten Entspiegelungsschichtanordnung (10) zwischen dem Brechungsindex des Substrats (2) und der Nutzschicht (30) liegt.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzschicht (30) eine Antikratzschicht oder eine chemische Barriereschicht umfasst.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzschicht (30) eine Gradientenschicht umfasst.
Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Entspiegelungsschichtanordnung (20) zumindest eine hochbrechende und eine niedrigbrechende Schicht umfasst.
Beschichtungsvorrichtung hergerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche und/oder hergerichtet zur Herstellung des Erzeugnisses (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche.
Produkt, insbesondere ein optisches Element, eine Brillenlinse oder eine Displayabdeckung, umfassend das Erzeugnis (1) nach einem der vorstehenden Erzeugnisansprüche.