DE10342401A1

DE10342401A1 - Herstellen von Verbundmaterialien mit einer Morphologie-beeinflussenden Schicht

Info

Publication number: DE10342401A1
Application number: DE2003142401
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Bauer; Manfred Lohmeyer; Uwe Dr. Rothhaar; Markus Dr. Kuhr; Detlef Dr. Wolff; Markus Fiedler
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-09-13
Filing date: 2003-09-13
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-14
Also published as: DE10342401B4

Abstract

Um eine Beschichtung eines Substrates zur Verfügung zu stellen, welche zum einen ausreichend auf dem Substrat haftet und zum anderen eine hohe optische Qualität, insbesondere eine geringe Trübung, aufweist, stellt die Erfindung ein Verfahren und ein Verbundmaterial zur Verfügung, wobei ein Verfahren, insbesondere ein Vakuumdepositionsverfahren, zum Beschichten eines Substrates, insbesondere eines Kunststoffsubstrates, vorgesehen ist, bei welchem im Laufe des Verfahrens eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufgebracht wird, auf welche eine weitere Schicht, insbesondere eine Funktionsschicht, aufgebracht wird, und das Verbundmaterial eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere Vakuumdepositionsverfahren, zum Beschichten eines Substrates, insbesondere eines Kunststoffsubstrates, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verbundmaterial nach dem Oberbegriff der Ansprüche 14 und 15.

Neben Glas werden zunehmend transparente Kunststoffe als Material für unterschiedlichste Bauteile wie zum Beispiel optische Komponenten, Abdeckungen für Mobiltelefone, Instrumente oder Scheinwerfer sowie Brillengläser verwendet. Des Weiteren ist der Einsatz insbesondere transparenter Kunststoffe als Verpackungsmaterialien für Lebensmittel, Kosmetika und Pharmazeutika interessant.

Nachteilig an Kunststoffen an sich ist unter anderem ihre relativ niedrige Härte, so dass sie anfällig sind für mechanische Beschädigungen wie beispielsweise Kratzer an der Oberfläche oder flächige Abrasion.

Daher können derartige Kunststoffmaterialien mit einer insbesondere glasartigen Schicht überzogen werden, um beispielsweise ihre Kratzbeständigkeit zu erhöhen.

Zum Aufbringen einer glasartigen Schicht auf ein Kunststoffsubstrat können unterschiedlichste Verfahren wie beispielsweise Lackieren oder Vakuumverfahren wie Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung, photochemische Dampfabscheidung sowie PECVD-Verfahren (plasma enhanced chemical vapour deposition) angewendet werden.

Dabei ist im Zusammenhang mit der thermischen Belastung infolge des Beschichtungsverfahrens bei Kunststoffen zu beachten, dass die Temperatur während des Beschichtens nicht zu hoch werden und insbesondere unterhalb der Glasübergangstemperatur, T_g, des Kunststoffes bleiben sollte, um sicherzustellen, dass das Kunststoffsubstrat nicht erweicht und so insbesondere seine Form ändert.

Daher wird zum Beispiel in US 6,126,792 beschrieben, zum Aufbringen eines Schichtsystems aus Kratzschutzschicht und Anti-Reflex-Beschichtung die thermische Belastung des Kunststoffes dadurch zu senken, dass zunächst ein PECVD-Verfahren zum Aufbringen einer Kratzschutzschicht eingesetzt wird, und anschließend durch Sputtern die Anti-Reflex-Beschichtung aufgebracht wird. Diese Lösung ist jedoch unter anderem infolge der Kombination zweier unterschiedlicher Beschichtungsmethoden verfahrenstechnisch aufwändig.

Zudem kann insbesondere die Haftung der glasartigen Schicht auf dem Kunststoffsubstrat äußerst mangelhaft sein. Im allgemeinen liegt eine Ursache für eine unzureichende Haftung der Beschichtung auf einem Kunststoffsubstrat wie beispielsweise PMMA in dessen niedriger Oberflächenenergie sowie möglicherweise auch der thermischen Belastung während des Beschichtungsvorganges. Zum anderen kann die Haftung während der Lebensdauer des beschichteten Materials aufgrund der Unterschiede in den Eigenschaften des Kunststoffes und einer aufzubringenden glasartigen Schicht, insbesondere in den jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten, deutlich herabgesetzt werden.

Zum Erhöhen der freien Oberflächenenergie eines Kunststoffsubstrates und damit zum Verbessern der Haftung von Beschichtungen auf dem Kunststoffsubstrat beschreiben U. Schulz, P. Munzert und N. Kaiser in ihrer Publikation "Surface modification of PMMA by DC glow discharge and microwave plasma treatment for the improvement of coating adhesion", Surface and Coatings Technology (2001) S. 507–511, die Vorbehandlung eines Kunststoffsubstrates in einem Plasma. In der europäischen Schrift EP 1 156 131 A1 wird beschrieben, ein Kunststoffsubstrat derart vorzubehandeln, dass nachfolgend beispielsweise durch Sputtern aufgebrachte Schichten besser haften.

In US 6,284,324 B1 wird beschrieben, zum Verbessern der Haftung von Beschichtungen auf Kunststoffsubstraten eine Haftvermittlerschicht auf dem Kunststoffsubstrat aufzubringen, auf der die folgende Beschichtung aufgebracht wird.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass gerade derartige Schichtsysteme, welche eine Haftvermittlerschicht auf insbesondere einem Kunststoffsubstrat umfassen, eine mangelnde mechanische Festigkeit aufweisen. Zudem können derartige Schichtsysteme neben Anfälligkeit für mechanische Belastung auch gegenüber Lichteinstrahlung, insbesondere UV-Einstrahlung, hohen Temperaturen und Feuchte eine zu geringe Beständigkeit aufweisen.

Selbst wenn man jedoch durch Vorbehandlung des Kunststoffsubstrates oder durch den Einbau zusätzlicher Stoffe in eine Beschichtung deren Beständigkeit erhöhen kann, haben bekannte Schichten Nachteile im Zusammenhang mit ihren optischen Eigenschaften.

So hat es sich gezeigt, dass es zwar möglich ist, beispielsweise durch das Verwenden einer Haftvermittlerschicht auf dem Substrat eine haftende Beschichtung aufzubringen. Diese Beschichtung ist jedoch häufig gerade dann, wenn die Haftung zufriedenstellend ist, nicht ausreichend transparent. Insbesondere weisen derartige Schichten Haze-Werte (Trübungen) von mehreren Prozent auf. Mit dem Haze-Wert beziehungsweise der Trübung wird nach ASTM D 1003 der Anteil des durchgelassenen Lichtes angegeben, der vom eingestrahlten Lichtbündel im Mittel um mehr als 2,5° abweicht. Der Haze-Wert sollte beispielsweise für optische Anwendungen deutlich unter 1 % liegen.

Mit herkömmlichen Verfahren wachsen aufgrund der notwendig niedrigen Abscheidetemperaturen auf Kunststoffsubstraten Schichtsysteme mit säulenförmigen Strukturen auf. Diese Strukturen haben die Tendenz, auch in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche anzuwachsen und so zur Trübung des Schichtsystems beizutragen. Derartige Strukturen werden beispielsweise von K. Teshima, Y. Inoue, H. Sugimura und O. Takai in ihrer Publikation "Growth and structure of silica films deposited on a polymeric material by plasma-enhanced chemical vapor deposition", Thin Solid Films (2002), S. 324–329, beschrieben. Sie bilden sich direkt an der zu beschichtenden Oberfläche und können die Trübung des Verbundmaterials hervorrufen.

Es ergibt sich damit eine Aufgabe der Erfindung, eine Beschichtung eines Substrates zur Verfügung zu stellen, welche zum einen ausreichend auf dem Substrat haftet, und zum anderen eine hohe optische Qualität, insbesondere eine geringe Trübung, aufweist.

Diese Aufgaben werden durch die Erfindung mit einem Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem Verbundmaterial nach den Ansprüchen 14 oder 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen.

Die Erfindung stellt erstmals ein Verfahren, insbesondere Vakuumdepositionsverfahren, zum Beschichten eines Substrates, insbesondere eines Kunststoffsubstrates, zur Verfügung, bei welchem im Laufe des Verfahrens eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufgebracht wird, auf welche mindestens eine weitere Schicht, insbesondere eine Funktionsschicht, aufgebracht wird.

Die Morphologie-beeinflussende Schicht verbindet gemäß dem Verfahren zwei Schichten, nämlich die Funktionsschicht mit der darunter liegenden Schicht. Dabei kann es sich insbesondere um Schichten handeln, die sich beispielsweise in ihrer Zusammensetzung und/oder ihrer Struktur sowie möglicherweise weiteren Eigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizienten, Brechungsindizes und so weiter, voneinander unterscheiden.

Als Funktionsschichten können insbesondere sogenannte optische Schichten, das heißt Schichten mit besonderen optischen Eigenschaften, wie Transparenz, Brechungsindex, Farbigkeit und so weiter, aufgebracht werden. Zum Beispiel kann es sich auch um Anti-Reflex-Schichten oder ein aus mehreren Einzelschichten bestehendes Anti-Reflex-Schichtsystem handeln.

Ferner können Funktionsschichten Schichten mit besonderen mechanischen Eigenschaften sein, wie beispielsweise Anti-Kratz-Schichten. Zudem können Funktionsschichten insbesondere hyrophobe Deckschichten umfassen. Diese werden auch als Reinigungsschicht oder easy-to-clean-Schicht bezeichnet. Weiter können Funktionsschichten die Barriereeigenschaften des Materials verbessen. Außerdem können Funktionsschichten dem Material eine erhöhte Beständigkeit insbesondere gegen chemische Angriffe oder Verschleiß infolge einer Belastung mit UV-Strahlen oder für das Material schädlichen klimatischen Bedingungen verleihen.

Durch das erfindungsgemäße Aufbringen der Schicht, welche aufgrund ihrer Funktion mit dem Begriff "Morphologie-beeinflussende Schicht" bezeichnet wird, kann auf überraschend einfache Weise Einfluß auf die Struktur der weiteren Schicht oder Schichten genommen werden.

Mit herkömmlichen Verfahren wachsen auf Kunststoffsubstraten Schichtsysteme auf, bei denen sich Strukturen bilden, bei welchen die strukturbildenden Einheiten die Tendenz haben, auch in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche anzuwachsen und so zur Trübung des Schichtsystems beizutragen.

Durch das erfindungsgemäße Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht kann insbesondere die Struktur der der Morphologie-beeinflussende Schicht folgenden Funktionsschicht derart eingestellt werden, dass das Ausbilden derartiger, in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche anwachsender Säulenstrukturen nahezu vollständig verhindert werden kann.

Die Morphologie-beeinflussende Schicht kann dabei unter anderem die Wirkung eines sogenannten "seed layers" haben. Das bedeutet, die Morphologie-beeinflussende Schicht kann das Bekeimungsverhalten beim Aufwachsen einer nachfolgenden Schicht verändern. Die Morphologie-beeinflussende Schicht kann insbesondere zu einer erhöhten Anzahl an solchen Stellen auf der zu beschichtenden Schicht führen, an denen die folgende Schicht aufwachsen kann. Dadurch entsteht eine Struktur der folgenden Schicht mit deutlich geringeren Abmessungen der strukturbildenden Einheiten, also beispielsweise der oben angesprochenen Säulen, in einer Ebene parallel zur Substratoberfläche als ohne Morphologie-beeinflussende Schicht.

Daher können Schichtsysteme mit deutlich verminderter Trübung gegenüber Schichtsystemen ohne Morphologie-beeinflussende Schicht hergestellt werden.

Des Weiteren ist durch die im Vergleich zu einem Schichtsystem ohne Morphologie-beeinflussende Schicht geringeren Abmessungen der Zwischenräume zwischen den strukturbildenden Einheiten eine deutlich verbesserter Barrierewirkung mit Hilfe der Erfindung zu erzielen. Da die Zwischenräume als Diffusionswege durch das Schichtsystem dienen, wird durch eine Verminderung insbesondere ihrer Breite die Diffusion durch die Schichten deutlich verringert.

Morphologie-beeinflussende Schicht.

Zudem ist die Haftung der Schichten auf den darunterliegenden Schichten sehr hoch. Insbesondere das Ablösen der Schichten vom Substrat kann weitgehend vollständig vermieden werden.

Die Erfindung sieht des Weiteren vor, dass in dem Verfahren eine Haftvermittlerschicht auf das Substrat, insbesondere auf das Kunststoffsubstrat, aufgebracht wird.

Über den Verbund mit der Haftvermittlerschicht ist dabei eine Haftung auch dann gewährleistet, wenn sich insbesondere die Funktionsschicht und das Substrat in ihren Eigenschaften, beispielsweise dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, deutlich unterscheiden und so ein Aufbringen der Funktionsschicht auf das Substrat selbst nicht ohne weiteres möglich ist. Mit der Erfindung wird es daher möglich, auch für derartige Anforderungen Schichten mit geringer Trübung und hoher mechanischer Festigkeit bei guter Haftung herzustellen.

Vorteilhafterweise wird die Morphologie-beeinflussende Schicht auf die Haftvermittlerschicht aufgebracht. Dann verbindet die Morphologie-beeinflussende Schicht die beiden unterschiedlichen Schichten, Haftvermittlerschicht und Funktionsschicht. Dabei werden vorteilhafterweise keine besonderen Anforderungen insbesondere an Struktur der Haftvermittlerschicht oder die des Substrates gestellt. Die Erfindung erweitert daher die Möglichkeiten bei der Wahl der Haftvermittlerschicht und des Substrates.

Erfindungsgemäß kann als Vakuumdepositionsverfahren ein PVD- und/oder ein CVD-Verfahren, insbesondere ein PECVD-Verfahren, insbesondere ein PICVD-Verfahren eingesetzt werden.

Grundsätzlich besteht im Rahmen der Erfindung der Vorteil der Freiheit in der Wahl der Methode zum Aufbringen der Schichten, insbesondere der Morphologie-beeinflussende Schicht. Die Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren zum Beschichten von Substraten beschränkt.

Zum Aufbringen der Haftvermittlerschicht, der Morphologie-beeinflussende Schicht und der Funktionsschicht können prinzipiell auch jeweils unterschiedliche Verfahren verwendet werden.

Bei Verwendung eines CVD-Verfahrens (chemical vapour deposition), insbesondere bei einem PECVD-Verfahren (plasma enhanced chemical vapour deposition), vor allem bei einem PICVD-Verfahren (plasma impulse chemical vapour deposition) ist jedoch die Abscheidung der Schichten bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur von Kunststoffen möglich. Über schnelle Wechsel des Prozeßgases wird darüberhinaus vorteilhafterweise das Aufbringen auch sehr dünner Schichten ermöglicht.

Ferner kann das Substrat in einem Vorbehandlungsschritt in einem Sauerstoff-enthaltenden Plasma funktionalisiert werden. So kann das Aufbringen der ersten Schicht, insbesondere der Haftvermittlerschicht, auf das Substrat weiter verbessert werden.

Beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht kann gemäß der Erfindung eine siliziumorganische Verbindung, insbesondere HMDSO, als zumindest ein Precursor eingesetzt werden.

Nach Erkenntnissen der Erfinder ermöglicht der Einsatz siliziumorganischer Verbindungen als Precursor überraschenderweise das Ausbilden einer geeigneten Morphologie-beeinflussende Schicht. So kann vorteilhafterweise auf Precursor zurückgegriffen werden, mit deren Handhabung man vertraut ist. Die Erfindung erfordert insbesondere keine speziellen Materialien für das Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht.

Als Precursor-Materialien kommen beispielsweise Silane, Siloxane und Silazane in Frage. Insbesondere können die folgenden Verbindungen eingesetzt werden: Methylsilan, Dimethylsilan, Trimethylsilan, Diethylsilan, Propylsilan, Phenylsilan, Hexamethyldisilan, 1,1,2,2-Tetramethyldisilan, Bis(trimethylsilyl)methan, Bis(dimethylsilyl)methan, Hexamethyldisilan, Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Ethylmethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Divenyltetramethyldisiloxan, Divinylhexamethyltrisiloxan und Trivinylpentamethyltrisiloxan, 1,1,2,2,-Tetramethyldisiloxan, Hexamethyldisiloxan, Vinyltrimethylsilan, Methyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan und Hexamethyldisilazan. Bevorzugte Siliziumverbindungen sind Tetramethyldisiloxan, Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Hexamethyldisilazan, Tetramethylsilazan, Dimethoxydimethylsilan, Methyltrimethoxysilan, Tetramethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Diethoxydimethylsilan, Methyltriethoxysilan, Triethoxyvinylsilan, Tetraethoxysilan, Dimethoxymethylphenylsilan, Phenyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Diethoxymethylphenylsilan, Tris(2-methoxyethoxy)vinylsilan, Phenlytriethoxysilan und Dimethoxydiphenylsilan.

Das Prozeßgas kann neben dem zumindest einen Precursor weitere Gase umfassen, insbesondere Reaktivgase wie Sauerstoff und gegebenenfalls Trägergase, das heißt Inertgase wie Stickstoff oder Edelgase.

Die Konzentration des Precursors c_P im Prozeßgas hat insbesondere beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht vorteilhafterweise einen Wert im Bereich von 1 Vol.-% = c_P = 20 Vol.-%.

Eine Precursorkonzentration in diesem Bereich ist auch beim Aufbringen der übrigen Schichten möglich. Die Precursorkonzentration beim Aufbringen der übrigen Schichten ist jedoch nicht auf diesen Wertebereich festgelegt, sondern kann je nach gewünschter Schichtfunktion frei gewählt werden.

Dies gilt auch für die jeweilige Zusammensetzung des Prozeßgases beim Aufbringen der Schichten. Auch beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht kann die übrige Zusammensetzung des Prozeßgases frei gewählt werden. Dabei wird die Zusammensetzung vorteilhafterweise je nach den gegebenen Eigenschaften der Schichten, welche mit der Morphologie-beeinflussende Schicht in Kontakt stehen, sowie nach den Anforderungen an den Schichtverbund und die Morphologie-beeinflussende Schicht festgelegt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Konzentration des Precursors c_P im Prozeßgas insbesondere beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht einen Wert im Bereich von 2 Vol.-% = c_P = 10 Vol.-% hat. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Konzentration des Precursors c_P im Prozeßgas insbesondere beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht einen Wert im Bereich von 4 Vol.-% = c_P = 8 Vol.-% hat.

Gemäß der Erfindung kann eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufgebracht werden, deren Dicke einen Wert von zumindest 5 nm aufweist.

Mit dem Begriff Dicke wird die mittlere Länge einer Strecke bezeichnet, welche im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche verläuft und die Ausdehnung der Morphologie-beeinflussende Schicht in dieser Richtung erfaßt.

Damit sich die Wirkung der Morphologie-beeinflussende Schicht entfalten kann, ist eine gewisse Mindestdicke erforderlich. Insbesondere bei optischen Vergütung von Kunststoffen bestehen jedoch in der Regel keine großen Unterschiede in den Brechungsindizes zwischen Substrat und aufgebrachten Schichten. Daher wird die Morphologie-beeinflussende Schicht in der Regel nicht optisch wirksam sein, so dass eine Begrenzung der maximalen Schichtdicke grundsätzlich nicht zwingend ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher vorteilhafterweise prinzipiell unproblematisch in seinen Anforderungen an genaue Einhaltung von Beschichtungszeiten, insbesondere für das Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufgebracht wird, deren Dicke d_M einen Wert im Bereich von 5 nm = d_M = 200 nm hat. Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufgebracht wird, deren Dicke d_M einen Wert im Bereich von 20 nm = d_M = 70 nm hat.

Als Substrat kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren Polymethylmethacrylat (PMMA, beispielsweise Plexiglas^®) und/oder Polycarbonat (PC, beispielsweise Makrolon^®) und/oder PC-Derivate und/oder Cycloolephincopolymere (COC, beispielsweise Topas^® oder Zeonex^®) eingesetzt werden. Ferner können als Substrat insbesondere Polyethylenterephtalat (PET) und/oder Polyetherimid (beispielsweise Ultem^®) und/oder Cycloolephinpolymere (COP) und/oder Polyethersylfon (beispielsweise Ultrason^®) und/oder Gemische und/oder Blends der genannten Materialien eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise bietet die Erfindung damit die prinzipielle Freiheit in der Wahl des Substrats je nach Anwendungsfall. Gerade mit einem PICVD-Verfahren können im wesentlichen alle Kunststoffe problemlos und einfach beschichtet werden.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbundmaterial, welches eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufweist.

Insbesondere kann dieses Verbundmaterial mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sein.

Die Erfindung betrifft zudem ein Verbundmaterial, welches ein Substrat, insbesondere ein Kunststoffsubstrat, eine Haftvermittlerschicht und zumindest eine Funktionsschicht umfasst, wobei das Verbundmaterial an der dem Substrat zugewandten Seite der zumindest einen Funktionsschicht eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufweist.

Wie oben dargestellt wurde, kann durch das erfindungsgemäße Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht insbesondere die Struktur der der Morphologie-beeinflussende Schicht folgenden Funktionsschicht derart eingestellt werden, dass die Ausdehnung der Säulenstrukturen parallel zur Substratoberfläche stark reduziert wird. Daher können Schichtsysteme mit deutlich verminderter Trübung gegenüber Schichtsystemen ohne Morphologie-beeinflussende Schicht hergestellt werden.

Im erfindungsgemäßen Verbundmaterial Morphologie-beeinflussende Schicht ist zudem die Haftung der Schichten auf den darunterliegenden Schichten sehr hoch. Insbesondere das Ablösen der Schichten vom Substrat kann weitgehend vollständig vermieden werden.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial weist vorteilhafterweise im wesentlichen keine strukturbildenen Einheiten mit Abmessungen im Bereich der sichtbaren Lichwellenlänge auf.

Dadurch weist das erfindungsgemäße Verbundmaterial eine verminderte Trübung verglichen mit Verbundmaterialien ohne Morphologie-beeinflussende Schicht auf. Die Erfindung ist dabei grundsätzlich nicht auf die Wirkung unter Strahlung im Bereich sichtbarer Wellenlängen beschränkt. Vielmehr kann je nach Anwendungsfall das Verfahren und das Verbundmaterial in seinen Eigenschaften auch auf eine geringere Lichtstreuung bei anderen Wellenlängen ausgelegt werden.

Die Dicke der Morphologie-beeinflussende Schicht in dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial beträgt bevorzugt zumindest 5 nm.

Mit dem Begriff Dicke wird, wie oben erläutert, eine mittlere Abmessung im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche bezeichnet. Dabei ist selbstverständlich zu berücksichtigen, dass bei den genannten geringen Abmessungen auch einzelne Bereiche-Morphologie-beeinflussende Schichtvorliegen können, welche beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht nicht beschichtet werden.

Selbst wenn derartige Bereiche in der Morphologie-beeinflussende Schicht vorhanden sind, ist die generelle, Wirkung der erfindungsgemäßen Morphologie-beeinflussende Schicht noch gegeben. Insbesondere weist das Schichtsystem deutlich verbesserte optische und mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Schichtsystemen ohne Morphologie-beeinflussende Schicht auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verbundmaterials liegt die Dicke d_M der Morphologie-beeinflussende Schicht bei einem Wert im Bereich von 5 nm = d_M = 200 nm, besonders bevorzugt bei einem Wert im Bereich von 20 nm = d_M = 70 nm.

Die Erfindung sieht des Weiteren vor, dass die Morphologie-beeinflussende Schicht im Verbundmaterial im wesentlichen amorph ist.

Grundsätzlich können jedoch die Morphologie-beeinflussende Schicht sowie alle anderen Schichten amorph, teilkristallin oder kristallin sein. Die Erfindung ist in dieser Hinsicht in keiner Weise beschränkt.

Insbesondere kann die Funktionsschicht des erfindungsgemäßen Verbundmaterials eine Antikratz-Schicht umfassen. Genauso ist es vorgesehen, dass die Funktionsschicht eine Antireflex-Schicht beziehungsweise ein Antireflex-Schichtsystem umfasst. Des Weiteren kann die Funktionsschicht nach der Erfindung eine Easy-to-clean-Schicht umfassen.

Im Verbundmaterial kann eine Funktionsschicht, insbesondere eine der oben genannten Funktionsschichten, vorhanden sein. Des Weiteren umfasst die Erfindung Verbundmaterialien, welche mehrere gleiche und/oder mehrere verschiedene Funktionsschichten aufweisen. Zumindest eine der Funktionsschichten steht erfindungsgemäß in Verbindung zu einer Morphologie-beeinflussende Schicht.

Das Verbundmaterial kann als Substrat Polymethylmethacrylat (PMMA, beispielsweise Plexiglas^®) und/oder Polycarbonat (PC, beispielsweise Makrolon^®) und/oder PC-Derivate und/oder Cycloolephincopolymere (COC, beispielsweise Topas^® oder Zeonex^®) umfassen. Ferner können als Substrat insbesondere Polyethylenterephtalat (PET) und/oder Polyetherimid (beispielsweise Ultem^®) und/oder Cycloolephinpolymere (COP) und/oder Polyethersylfon (beispielsweise Ultrason^®) und/oder Gemische und/oder Blends der genannten Materialien eingesetzt werden.

Durch den Vorteil der Freiheit in der Wahl des Substrats je nach Anwendungsfall ermöglicht die Erfindung auch den Einsatz von Substraten, welche selbst bereits eine Beschichtung, insbesondere ein Schichtsystem aufweisen. Mit weiteren Schichten, wie insbesondere zumindest einer Morphologie-beeinflussende Schicht mit nachfolgender Funktionsschicht, kann für bestimmte Anwendungen die Kratzbeständigkeit und die optische Qualität gezielt an das Anforderungsprofil angepasst werden.

So können beispielsweise mehrere, insbesondere erfindungsgemäße, Schichtsysteme miteinander verbunden werden. Zum Beispiel ist es möglich, ein Substrat mit einer Haftvermittlerschicht und einer Morphologie-beeinflussende Schicht zu versehen und darauf als Funktionsschicht eine Antikratzschicht aufzubringen. Auf dieses Verbundmaterial kann dann erneut eine Morphologie-beeinflussende Schicht und darauf als Funktionschicht eine Antireflexschicht aufgebracht sein. Die Struktur der Antireflexschicht kann auf diese Weise ebenfalls weiter verbessert werden.

Analoges gilt für andere Funktionsschichten und einen beliebigen Mehrschichtaufbau; die Erfindung ist nicht in der Zahl der Schichten beschränkt.

Die Erfindung kann auf unterschiedlichste Weise eingesetzt werden. Nur beispielhaft ist ein Gehäuse denkbar, welches ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial umfasst. Das Gehäuse kann insbesondere eine Abdeckung für ein Telekommunikationsendgerät und/oder eine Instrumentenabdeckung und/oder eine Scheinwerferabdeckung umfassen.

Beispielsweise kann die Erfindung für Mobilfunktelefone eingesetzt werden, deren Teile mit einer Antikratzbeschichtung überzogen sein können. Ebenso kann die Erfindung für Antireflexbeschichtungen von beispielsweise Displays, Bildschirmen und Scheinwerferabdeckungen angewendet werden. Auch die äußeren Teile von Messinstrumenten können je nach Anwendungszweck mit einer Funktionsschicht versehen werden.

Des Weiteren kann die Erfindung in einem Bauteil, insbesondere einem optischen Bauteil, insbesondere einem feinoptischen Bauteil eingesetzt werden, welches ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial umfasst.

Beispielsweise betrifft die Erfindung trübungsfreie Reflektoren, insbesondere in Scheinwerfern, außerdem Linsen, insbesondere für digitale Projektion.

Des Weiteren kann die Erfindung in Brillengläsern, insbesondere auf Brillengläsern auf Kunststoffbasis, eingesetzt werden. Dadurch lassen sich beispielsweise kratzfeste, leichte Brillengläser mit hervorragenden optischen Eigenschaften und hoher Kratzbeständigkeit zur Verfügung stellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dieselben Bauteile werden dabei mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
1 Eine nicht maßstabsgetreue, schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Schichtsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Aufnahme eines Verbundmaterials gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zu einer Aufnahme eines Verbundmaterials, welches keine Morphologie-beeinflussende Schicht umfasst,
3 ein Diagramm, in welchem Messungen zum Gehalt an Si, O und C der Schichten eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials aufgetragen sind.
In 1 ist ein Querschnitt durch ein Verbundmaterial 10 mit einem Schichtsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Die Darstellung ist nicht maßstabsgetreu; die Dicke der Schichten und die Relation der Schichtdicken zueinander ist grundsätzlich für den jeweiligen Anwendungsfall frei wählbar.
Im gezeigten Beispiel ist auf einem Substrat 20 eine Haftvermittlerschicht 30 aufgebracht. An die Haftvermittlerschicht 30 schließt sich eine Morphologie-beeinflussende Schicht 40 an.
Auf die Morphologie-beeinflussende Schicht 40 kann dann beispielsweise ein Schichtsystem aus Funktionsschichten 50 aufgebracht sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf die Morphologie-beeinflussende Schicht 40 eine Antikratz-Schicht 52 aufgebracht, welche ihrerseits mit weiteren optischen Funktionsschichten, die ein Anti-Reflex-Schichtsytem 53 aufbauen, beschichtet ist.
Durch die Morphologie-beeinflussende Schicht kann eine Beschichtung eines Kunststoffsubstrates erreicht werden, welche die für optische Anwendungen geforderten niedrigen Haze-Werte des Verbundmaterials erfüllt.
Auf der rechten Seite der Abbildung in 2 ist eine Aufnahme eines Verbundmaterials 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zu einer Aufnahme eines Verbundmaterials 200, welches keine Morphologie-beeinflussende Schicht 40 umfasst, dargestellt.
Für die gezeigten Aufnahmen zur Visualisierung der Trübung im sichtbaren Spektralbereich wurden die plattenförmigen Verbundmaterialien 100, 200 vor einem schwarzen Hintergrund seitlich mit weißem Licht beleuchtet.
Man erkennt deutlich die starke Trübung des Verbundmaterials 200, welches keine Morphologie-beeinflussende Schicht 40 aufweist. Der Haze-Wert dieses Verbundmaterials 200 liegt bei etwa 3 %. Dagegen weist das Verbundmaterial 100 mit der Morphologie-beeinflussende Schicht 40 eine erkennbar geringere Trübung auf: Der Haze-Wert dieses Verbundmaterials 100 liegt deutlich unterhalb von 1 %.
Eine Möglichkeit, das Vorhandensein der Morphologie-beeinflussende Schicht 40 nachzuweisen, bieten Messungen der ionisierten Zerstäubungsfragmente nach einem Ionenbeschuß mittels Massenspektrometrie (SIMS). Mit diesen Messungen wird die Zusammensetzung eines Verbundmaterials als Funktion einer Tiefe senkrecht zur Oberfläche des Verbundmaterials bestimmt. Ein Beispiel für ein Ergebnis einer derartigen SIMS-Messung ist im Diagramm in 3 gezeigt.
Aufgetragen ist die Intensität der registrierten Ionen in willkürlichen Einheiten (arbitrary units). Die arbitrary units geben die gezählten Treffer als ein Maß für die Intensität der jeweils betrachteten Spezies an. Im gezeigten Beispiel wurden die Moleküle SiC (quadratische Symbole), SiO₃ (kreisförmige Symbole), O₂ (nach oben zeigende dreieckige Symbole) sowie C₃ (nach unten zeigende dreieckige Symbole) betrachtet. Aus den Angaben für die Intensität lässt sich im Prinzip für jede betrachtete Substanz ihre Konzentration errechnen.
Die Intensität ist in Abhängigkeit von der Messzeit aufgetragen. Mit zunehmender Messzeit wird das zu untersuchende Material immer weiter abgetragen, so dass die zuletzt aufgebrachte Schicht zuerst, das heißt bei geringen Messzeiten, erfaßt wird. Die entsprechend vorher aufgebrachten Schichten werden bei entsprechend höheren Meßzeiten erfaßt.
Im gezeigten Beispiel können für alle betrachteten Substanzen vier Bereiche deutlich unterschieden werden. Diese vier Bereiche entsprechen einer Funktionsschicht, im gezeigten Beispiel einer Antikratz-Schicht, der Morphologie-beeinflussende Schicht, einer Haftvermittlerschicht sowie dem Substrat.
Die Morphologie-beeinflussende Schicht zeichnet sich insbesondere im gezeigten Beispiel dadurch aus, dass der Gehalt an Si und O in der Morphologie-beeinflussende Schicht deutlich gegenüber dem Gehalt an den genannten Substanzen in der Haftvermittlerschicht, in der Funktionsschicht und im Susbtrat erhöht ist. Des Weiteren ist der Gehalt an C in der Morphologie-beeinflussende Schicht deutlich gegenüber dem Gehalt an C in der Haftvermittlerschicht und in der Funktionsschicht vermindert. Morphologie-beeinflussende Schicht.
Über die unterschiedlichen Intensitäten an beispielsweise den betrachteten Spezies lassen sich Rückschlüsse auf den Anteil von insbesondere Si-O-Verbindungen in den jeweiligen Schichten ziehen. Damit werden Rückschlüsse auf die Funktion der Schichten möglich, so dass beispielsweise Substrat, Haftvermittlerschicht und Funktionsschichten für den Fachmann leicht detektierbar sind. Von diesen Schichten hebt sich die Morphologie-beeinflussende Schicht deutlich ab.

Claims

Verfahren, insbesondere Vakuumdepositionsverfahren, zum Beschichten eines Substrates 20, insbesondere eines Kunststoffsubstrates, dadurch gekennzeichnet, dass im Laufe des Verfahrens eine Morphologie-beeinflussende Schicht 40 aufgebracht wird, auf welche eine weitere Schicht, insbesondere eine Funktionsschicht 50, aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haftvermittlerschicht 30 auf das Substrat 20 aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Morphologie-beeinflussende Schicht 40 auf die Haftvermittlerschicht 30 aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vakuumdepositionsverfahren ein PVD- und/oder ein CVD-Verfahren, insbesondere ein PECVD- Verfahren, insbesondere ein PICVD-Verfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat 20 in einem Vorbehandlungsschritt in einem Sauerstoff-enthaltenden Plasma funktionalisiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht 40 eine siliziumorganische Verbindung, insbesondere HMDSO, als Precursor eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Precursors c_P im Prozeßgas beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht 40 einen Wert im Bereich von 1 Vol.-% = c_P = 20 Vol.-% hat.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Precursors c_P im Prozeßgas beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht 40 einen Wert im Bereich von 2 Vol.-% = c_P = 10 Vol.-% hat.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet; dass die Konzentration des Precursors c_P im Prozeßgas beim Aufbringen der Morphologie-beeinflussende Schicht 40 einen Wert im Bereich von 4 Vol.-% = c_P = 8 Vol.-% hat.
Verfahren insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht, insbesondere eine Morphologie- beeinflussende Schicht, 40 aufgebracht wird, deren Dicke einen Wert von zumindest 5 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Morphologie-beeinflussende Schicht aufgebracht wird, deren Dicke d_M einen Wert im Bereich von 5 nm = d_M = 200 nm hat.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Morphologie-beeinflussende Schicht 40 aufgebracht wird, deren Dicke d_M einen Wert im Bereich von 20 nm = d_M = 70 nm hat.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat 20 PMMA oder PC oder PC-Derivate oder COC oder PET oder Polyetherimid oder COP oder Polyethersylfon oder ein Gemisch oder ein Blend aus zumindest zwei der genannten Materialien eingesetzt wird.
Verbundmaterial 10, insbesondere herstellbar nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Morphologie-beeinflussende Schicht 40 oder eine Schicht gemäß Anspruch 10.
Verbundmaterial 10, welches ein Substrat 20, insbesondere ein Kunststoffsubstrat, eine Haftvermittlerschicht 30 und zumindest eine Funktionsschicht 50 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial 10 an der dem Substrat 20 zugewandten Seite der zumindest einen Funktionsschicht 50 eine Morphologie-beeinflussende Schicht 40 aufweist.
Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial 10 im wesentlichen keine strukturbildenen Einheiten mit Abmessungen im Bereich der sichtbaren Lichwellenlänge aufweist.
Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht, insbesondere der Morphologie-beeinflussenden Schicht 40, zumindest 5 nm beträgt.
Verbundmaterial 10 nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d_M der Morphologie-beeinflussende Schicht 40 einen Wert im Bereich von 5 nm = d_M = 200 nm hat.
Verbundmaterial 10 nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d_M der Morphologie-beeinflussende Schicht 40 einen Wert im Bereich von 20 nm = d_M = 70 nm hat.
Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Morphologie-beeinflussende Schicht 40 im wesentlichen amorph ist.
Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht 50 eine Antikratz-Schicht 52 umfasst.
Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht 50 eine Antireflex-Schicht 53 umfasst.
Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht 50 eine Easy-to-clean-Schicht umfasst.
Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat 20 PMMA oder PC oder PC-Derivate oder COC oder PET oder Polyetherimid oder COP oder Polyethersylfon oder ein Gemisch oder ein Blend aus zumindest zwei der genannten Materialien eingesetzt umfasst.
Gehäuse, welches ein Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 24 umfasst.
Gehäuse nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine Abdeckung für ein Telekommunikationsendgerät und/oder eine Instrumentenabdeckung und/oder eine Scheinwerferabdeckung umfasst.
Bauteil, insbesondere optisches Bauteil, insbesondere feinoptisches Bauteil, welches ein Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 24 umfasst.
Brillenglas, welches ein Verbundmaterial 10 nach einem der Ansprüche 14 bis 24 umfasst.