DE20209329U1 - Transparent layer system on polycarbonate - Google Patents
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Description
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BeschreibungDescription
Transparentes Schichtsystem auf PolycarbonatTransparent layer system on polycarbonate
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem bestehend aus mehreren DLC-Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften auf einem Substrat aus Polycarbonat wie es z.B in der Automobil- und Luftfahrttechnik oder der Augenoptik eingesetzt wird.The invention relates to a layer system consisting of several DLC layers with different properties on a polycarbonate substrate, as used, for example, in automotive and aerospace engineering or ophthalmic optics.
Die Beschichtung verschiedenster Materialien wie z.B. Metall und Glas ist eine bekannte Möglichkeit die Eigenschaften des Basismaterials, dem Substrat, dem jeweiligen Einsatz und damit den verschiedenen Anforderung anzupassen, ohne jedoch die charakteristischen Eigenschaften des Basismaterials zu verlieren. So ist es u.a. in der Medizin schon selbstverständlich geworden die Oberfläche von z.B. Gelenkimplantaten durch harte und verschleißmindernde Schichten wie z.B. TiN (DD249849 VEB Hochvak Dresden) oder TiC (FR2566272 France Implant EST ) so zu veredeln, daß sowohl die Bioverträglichkeit, wie auch die Belastbarkeit deutlich verbessert werden konnten.Coating a wide variety of materials such as metal and glass is a well-known way of adapting the properties of the base material, the substrate, the respective application and thus the various requirements, without losing the characteristic properties of the base material. In medicine, for example, it has already become a matter of course to refine the surface of joint implants with hard and wear-reducing layers such as TiN (DD249849 VEB Hochvak Dresden) or TiC (FR2566272 France Implant EST) in such a way that both the biocompatibility and the load-bearing capacity can be significantly improved.
Auch in der Augenoptik sind die optisch transparenten Substratmaterialien aus Glas oder vor allem Kunststoff für z.B. Brillengläser oder Kontaktlinsen durch den ständigen Gebrauch vor allem der Gefahr des Verkratzens ausgesetzt, so dass eine dauerhafte und fehlerfreie Funktion nur durch den gezielten Einsatz von Schutzschichten und Schichtsystemen gewährleistet werden kann (US 5506038).In ophthalmic optics, too, the optically transparent substrate materials made of glass or, above all, plastic for e.g. spectacle lenses or contact lenses are exposed to the risk of scratching due to constant use, so that permanent and faultless function can only be guaranteed by the targeted use of protective layers and layer systems (US 5506038).
Ein durch seine Eigenschaften als chemisch inerte und reibungsarme Hartstoffschicht sowie die verschiedenen Arten der Herstellung sehr vielversprechendes Schichtsystem, das Gegenstand aktueller Forschung ist, ist der amorphe Kohlenstoff mit einem hohen Anteil an sp3-Bindungen, der sogenannte diamantartige Kohlenstoff (diamond like carbon -A very promising coating system, which is the subject of current research due to its properties as a chemically inert and low-friction hard material coating as well as the various types of production, is amorphous carbon with a high proportion of sp 3 bonds, the so-called diamond-like carbon (diamond like carbon -
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DLC). DLC ist eine sehr dichte, metastabile Form des amorphen Kohlenstoffes (a-C) oder des hydrogenierten amorphen Kohlenstoffs (a-C:H) mit einem hohen Anteil an sp3 Bindungen. DLC besteht also im wesentlichen aus einer Mischung aus amorphem Kohlenstoff, Graphit und Diamant. Die atomare Struktur enthält eine Mischung aus sp3 gebundenem und sp2 gebundenem Kohlenstoff. Cui und Li (Surf. & Coatings Technology 131 (2000) 481 - 487) zählen die gute Biokompatibilität und die gute Blutkompatibilität des DLC zu den wichtigsten Kriterien bei der Auswahl des DLC als Beschichtung der Wahl für z.B. künstliche Hüftgelenke.DLC). DLC is a very dense, metastable form of amorphous carbon (aC) or hydrogenated amorphous carbon (aC:H) with a high proportion of sp 3 bonds. DLC essentially consists of a mixture of amorphous carbon, graphite and diamond. The atomic structure contains a mixture of sp 3 bonded and sp 2 bonded carbon. Cui and Li (Surf. & Coatings Technology 131 (2000) 481 - 487) consider the good biocompatibility and good blood compatibility of DLC to be the most important criteria when selecting DLC as the coating of choice for artificial hip joints, for example.
Ein häufig beschriebenes Verfahren zur Herstellung von DLC-Schichten ist die Abscheidung aus der Gasphase (chemical vapour deposition - CVD). Kimkock, Knapp und Finke beanspruchen in der Patentanmeldung WO 92/05951 ein Schichtsystem aus einem, im sichtbaren Bereich des Spektrums transparenten Substrat, wie z.B. einer Windschutzscheibe oder einem Brillenglas, einer oder mehrerer, mittels CVD-Verfahren hergestellten Zwischenschichten und einer DLC-Verschleißschutzschicht. Aufgabe der CVD-Zwischenschichten ist es durch chemische Bindung eine gute Haftung zwischen Substrat und DLC-Schutzschicht zu gewährleisten und die Diffusion von Alkalimetallatomen aus dem Substrat in die DLC-Schicht zu verhindern.A frequently described method for producing DLC layers is chemical vapor deposition (CVD). In patent application WO 92/05951, Kimkock, Knapp and Finke claim a layer system consisting of a substrate that is transparent in the visible range of the spectrum, such as a windshield or a spectacle lens, one or more intermediate layers produced using a CVD process and a DLC wear protection layer. The purpose of the CVD intermediate layers is to ensure good adhesion between the substrate and the DLC protective layer through chemical bonding and to prevent the diffusion of alkali metal atoms from the substrate into the DLC layer.
Für Substrate aus Polycarbonat (For polycarbonate substrates (
), die z.B. für Sonnenbrillen oder Windschutzscheiben verwendet werden, ist für einen dauerhaften Einsatz nicht nur die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wichtig.), which are used for example for sunglasses or windshields, it is not only the improvement of the mechanical properties that is important for long-term use.
Weitere Anforderung sind besondere optische Eigenschaften, wie z.B. die Absorption oder Reflektivität von und damit der Schutz vor UV-Strahlung bei völliger Transparenz im Sichtbaren. Darüber hinaus müssen auch elektrische Eigenschaften applikationsabhängig angepasst werden.Other requirements include special optical properties, such as the absorption or reflectivity of, and thus protection from, UV radiation while remaining completely transparent in the visible range. In addition, electrical properties must also be adapted depending on the application.
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Die physikalischen Eigenschaften vieler Materialien lassen sich durch entsprechende Dotierung beeinflussen. So auch die Eigenschaften dünner DLC Schichten.
5The physical properties of many materials can be influenced by appropriate doping. This also applies to the properties of thin DLC layers.
5
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Schichtsystem bereitzustellen, das für transparente Substrate aus Polycarbonat sowohl optisch, chemisch, mechanisch wie auch elektrisch optimale Eigenschaften aufweist. 10The object of the invention is therefore to provide a layer system that has optimal optical, chemical, mechanical and electrical properties for transparent polycarbonate substrates. 10
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Schutzanspruches gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This problem is solved by the features of the protection claim. Further developments are the subject of the subclaims.
Die Erfindung beruht darauf, mit im wesentlichen einem einzigen Schichtmaterial, nämlich DLC, gleichzeitig die Anforderungen an die elektrischen, chemischen, mechanischen und optischen Eigenschaften einer Beschichtung eines transparenten Polycarbonates, wie es z.B. in der Fahrzeugindustrie für Scheinwerfergläser oder Windschutzscheiben der unterschiedlichsten Fortbewegungsmittel (Auto, Motorrad, Flugzeug, Schiff, etc.) benutzt wird, zu gewährleisten.The invention is based on ensuring, with essentially a single layer material, namely DLC, simultaneously the requirements for the electrical, chemical, mechanical and optical properties of a coating of a transparent polycarbonate, as used, for example, in the automotive industry for headlight lenses or windshields of a wide variety of means of transport (cars, motorcycles, aircraft, ships, etc.).
Dadurch läßt sich im weiteren durch die Vereinfachung des Gesamtschichtsystems eine wirtschaftlichere Herstellung realisieren.This will enable more economical production by simplifying the overall layer system.
Die erfindungsgemäße Struktur, die die oben genannte Aufgabe löst, besteht aus einem transparenten Substrat aus Polycarbonat auf dem über einer haftvermittelnden Zwischenschicht mindestens eine elektrisch leitfähige DLC-Schicht und mindestens eine mit Silizium und Sauerstoff dotierte DLC-Schicht aufgebracht ist.The structure according to the invention, which solves the above-mentioned problem, consists of a transparent substrate made of polycarbonate on which at least one electrically conductive DLC layer and at least one DLC layer doped with silicon and oxygen are applied over an adhesion-promoting intermediate layer.
Mögliche Methoden zur Herstellung dieses Schichtsystems sind Sputterverfahren, CVD-Verfahren, ionengestützte Verfahren oder Implantationsverfahren wie z.B. der Plasmaimmersions-Possible methods for producing this layer system are sputtering processes, CVD processes, ion-assisted processes or implantation processes such as plasma immersion
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Ionenimplantation. Aber auch Kombinationen der genannten Verfahren sind geeignet um das erfindungsgemäße Schichtsystem herzustellen. Zur Verbesserung der Haftung und der tribologischen Eigenschaften des Schichtsystems auf dem Substrat sind ionengestützte Verfahren zu bevorzugen.Ion implantation. Combinations of the methods mentioned are also suitable for producing the layer system according to the invention. Ion-assisted methods are preferred to improve the adhesion and tribological properties of the layer system on the substrate.
Während der Abscheidung der elektrisch leitfähigen DLC-Schicht mit ionengestützten Verfahren entsteht an der Grenzfläche Substrat/DLC-Schicht durch den Beschüß mit höher bis hochenergetischen Ionen eine durchmischte Zwischenschicht, die zur Haftvermittlung dient. Wird die DLC-Schicht ohne Ionenunterstützung aufgebracht, wird eine zusätzliche, haftvermittelnde Schicht benötigt. Der elektrisch leitfähigen DLC-Schicht folgt eine mit Silizium oder Fluor dotierte Schutzschicht, die u.a. dem Verschleißschutz, und/oder der elektrischen Isolation dient.During the deposition of the electrically conductive DLC layer using ion-assisted processes, a mixed intermediate layer is created at the substrate/DLC layer interface by bombardment with high to high-energy ions, which serves to promote adhesion. If the DLC layer is applied without ion support, an additional adhesion-promoting layer is required. The electrically conductive DLC layer is followed by a protective layer doped with silicon or fluorine, which serves, among other things, to protect against wear and/or provide electrical insulation.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einem Schichtsystem bei dem eine elektrische Leitfähigkeit der ansonsten isolierenden DLC-Schicht durch Dotierung mit Metallatomen wie W, Ti oder Cr in einem Bereich von 20 at.% hervorgerufen wird. Die Leitfähigkeit des im undotierten Zustand elektrisch isolierenden DLC steigt ab einer Dotierung von 20 at.% um 3 Größenordnungen an (z.B.: K. Baba et al., Surf. Coat. Technol. 136 (2001) 192). Die Dotierung kann dabei beispielsweise sowohl aus der Gasphase (PVD oder CVD) wie auch durch Implantation der jeweiligen Ionen erfolgen.An advantageous embodiment of the invention consists of a layer system in which an electrical conductivity of the otherwise insulating DLC layer is brought about by doping with metal atoms such as W, Ti or Cr in a range of 20 at.%. The conductivity of the DLC, which is electrically insulating in the undoped state, increases by 3 orders of magnitude from a doping of 20 at.% (e.g.: K. Baba et al., Surf. Coat. Technol. 136 (2001) 192). The doping can be carried out, for example, both from the gas phase (PVD or CVD) and by implantation of the respective ions.
Durch die darüber hinaus mögliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der DLC-Schicht sind Wolfram und Titan ein besonders vorteilhafter Dopand für die Anwendung in elektrisch leitfähigen DLC Schichten.Due to the additional possibility of improving the mechanical properties of the DLC layer, tungsten and titanium are particularly advantageous dopants for use in electrically conductive DLC layers.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat eine der abgeschiedenen DLC-Schichten die Eigenschaft einen Schutz vor UV-Strahlung zu realisieren. Diese Eigenschaft wird durch die Dotierung der DLC-SchichtIn a particularly advantageous embodiment of the invention, one of the deposited DLC layers has the property of providing protection against UV radiation. This property is achieved by doping the DLC layer
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mit Si (3-20 at.%) bzw. Si und O erreicht. Durch die Dotierung wird der Absorptionskoeffizient verändert. So bleibt dieser in der dotierten Schicht im sichtbaren Wellenlängenbereich gering und steigt erst im UV-Bereich an (z.B.: V. Bursikova, J. Non-Crystal. SoI. 299-302 (2002) 1147). Durch Wahl einer geeigneten Schichtdicke dieser DLC:Si-Schicht (zum Beispiel d = 50 nm bis 100 nm) im Bereich eines Viertels der UV-Wellenlänge (&lgr; < 400 nm) kann zudem die Reflektivität für den UV-Bereich deutlich erhöht werden, sodass man im Sichtbaren eine Reflektivität von wenigen Prozent und im UV-Bereich bis über 60 % erreicht.with Si (3-20 at.%) or Si and O. The doping changes the absorption coefficient. In the doped layer, this remains low in the visible wavelength range and only increases in the UV range (e.g.: V. Bursikova, J. Non-Crystal. SoI. 299-302 (2002) 1147). By choosing a suitable layer thickness for this DLC:Si layer (e.g. d = 50 nm to 100 nm) in the range of a quarter of the UV wavelength (λ < 400 nm), the reflectivity for the UV range can also be significantly increased, so that a reflectivity of a few percent is achieved in the visible range and up to over 60% in the UV range.
Die zusätzliche Dotierung der äußersten DLC-Schicht mit F bietet in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung den Vorteil die Oberflächenenergie so zu gestalten, dass eine besondere Benetzbarkeit der Oberfläche eingestellt werden kann. Eine Dotierung von DLC mit 3-20 at.% F erhöht den Kontaktwinkel gegenüber Wasser beispielsweise von 44° auf bis zu 85° (M. Hakovirta et al., Diamond ReI. Mat. IO (2001) 1486). Damit wird die Benetzbarkeit mit Wasser deutlich unterdrückt. Auch diese Eigenschaft kann wesentlich zur Sicherheit von Windschutzscheiben oder Scheinwerfergläsern beitragen, da sie in direktem Zusammenhang mit der Verschmutzung und damit der Transparenz der Applikationen steht.In a further embodiment of the invention, the additional doping of the outermost DLC layer with F offers the advantage of shaping the surface energy in such a way that a special wettability of the surface can be set. Doping DLC with 3-20 at.% F increases the contact angle with water, for example, from 44° to up to 85° (M. Hakovirta et al., Diamond ReI. Mat. IO (2001) 1486). This significantly suppresses wettability with water. This property can also make a significant contribution to the safety of windshields or headlight lenses, as it is directly related to soiling and thus the transparency of the applications.
Es folgen Beispiele für die Verwendung des bevorzugten Schichtsystems.Examples of using the preferred layer system follow.
Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Schichtsystems ist der Einsatz bei Windschutzscheiben, wie sie z.B. im Automobil-, Flugzeug- oder dem Schiffsbau eingesetzt werden. Durch den UV-Schutz den das Schichtsystem bietet, kann gewährleistet werden, daß sich die Fahrzeuginsassen auch bei längeren Fahrten keine Verletzungen durch UV-Bestrahlung zuziehen. Die dünne, elektrisch leitfähige DLC Schicht, die geeignet strukturiert wird,An advantageous use of the layer system according to the invention is in windshields, such as those used in automobile, aircraft or shipbuilding. The UV protection offered by the layer system ensures that vehicle occupants do not sustain injuries from UV radiation, even on longer journeys. The thin, electrically conductive DLC layer, which is suitably structured,
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ermöglicht im Gegensatz zu herkömmlichen Widerstandsdrahtheizungen die Beheizung der Scheibe bei absoluter optischer Transparenz.In contrast to conventional resistance wire heaters, it enables the pane to be heated while maintaining absolute optical transparency.
Eine weitere vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Schichtsystems ist der Einsatz bei Scheinwerfergläsern, die ohne eine Heizeinrichtung keine sichere Beleuchtung bei Eis und Schnee im Winter gewährleisten können. Miniatur-Wischersysteme vor den Scheinwerfergläsern konnten sich wegen der Störanfälligkeit der Mechanik nicht durchsetzen.Another advantageous use of the layer system according to the invention is in headlight lenses, which cannot guarantee reliable lighting in winter on ice and snow without a heating device. Miniature wiper systems in front of the headlight lenses have not been successful due to the susceptibility of the mechanics to failure.
Da die Dotierung des DLC mit Metallatomen nicht nur die elektrischen Eigenschaften beeinflußt, sondern auch die optischen Eigenschaften wie z.B. die Reflektivität und die Transmission, ist es vorteilhaft das erfindungsgemäße Schichtsystem bei optischen Applikationen, wie für Kontaktlinsen oder Brillengläser zu verwenden.Since the doping of the DLC with metal atoms not only influences the electrical properties, but also the optical properties such as reflectivity and transmission, it is advantageous to use the layer system according to the invention in optical applications, such as for contact lenses or spectacle lenses.
Die Einstellung einer besonderen Oberflächenenergie der DLC-Deckschicht durch Dotierung bringt beispielsweise den Vorteil einer geringeren Benetzbarkeit der Windschutzscheibe durch Wasser. Damit können die Sichtverhältnisse bei Regen verbessert und die Verschmutzung der Scheiben wie auch der Scheinwerfergläser verringert werden.For example, setting a special surface energy of the DLC top layer through doping has the advantage of reducing the wettability of the windshield with water. This improves visibility in the rain and reduces soiling of the windows and headlight lenses.
Neben den genannten Applikationen bilden in weiteren Ausführungsformen Kontaktlinsen, Brillengläser oder Helmvisiere von z.B. Motorradhelmen das Substrat in dem erfinderischen Schichtsystem. Zum Beispiel für Reinigungszwecke kann es nützlich sein durch die Heizmöglichkeit der Linsen die Reinigungszeit zu verringern, bzw. für bestimmte Verschmutzungen überhaupt erst zu ermöglichen. Aber auch z.B. bei Skibrillen könnte eine Linsenheizung mit geeigneter Energiequelle das Beschlagen verhindern.In addition to the applications mentioned, in other embodiments, contact lenses, spectacle lenses or helmet visors from motorcycle helmets, for example, form the substrate in the inventive layer system. For example, for cleaning purposes, it can be useful to reduce the cleaning time by heating the lenses, or to make cleaning possible in the first place for certain types of dirt. But lens heating with a suitable energy source could also prevent fogging in ski goggles, for example.
AX2002G01 DE *i &iacgr;··&Agr;&khgr;\?&eegr;&Iacgr;^· Dünnschichttechnik GmbHAX2002G01 DE *i &iacgr;··&Agr;&khgr;\?&eegr;&Iacgr;^· Thin-film technology GmbH
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, aus der weitere, auch erfindungswesentliche, Einzelheiten ebenso wie aus den Unteransprüchen entnehmbar sind. Im einzelnen zeigt:
5The invention is explained in more detail with reference to a drawing, from which further details, including those essential to the invention, can be taken as well as from the subclaims. In detail:
5
Figur 1 : schematische Darstellung einer vorteilhaftenFigure 1 : schematic representation of an advantageous
Ausführungsform eines DLC-Schichtsystems auf einem Polycarbonat-SubstratEmbodiment of a DLC layer system on a polycarbonate substrate
In Fig. 1 bezeichnet 1 das Polycarbonat-Substrat auf dem nach der Deposition einer dünnen Haftvermittlerschicht 2 eine elektrisch leitfähige, DLC-Schicht 3 abgeschieden wurde. Über dieser Schicht 3 bildet die zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, zur Realisierung des UV-Schutzes sowie zur Einstellung einer bestimmten Benetzbarkeit mit Silizium oder Silizium und Fluor dotierte DLC-Schicht 4 den Abschluß einer vorteilhaften Ausführungsform des Schichtsystems.In Fig. 1, 1 designates the polycarbonate substrate on which an electrically conductive DLC layer 3 was deposited after the deposition of a thin adhesion promoter layer 2. Above this layer 3, the DLC layer 4 doped with silicon or silicon and fluorine to increase wear resistance, to provide UV protection and to set a certain wettability forms the conclusion of an advantageous embodiment of the layer system.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20209329U DE20209329U1 (en) | 2002-06-15 | 2002-06-15 | Transparent layer system on polycarbonate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20209329U DE20209329U1 (en) | 2002-06-15 | 2002-06-15 | Transparent layer system on polycarbonate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE20209329U1 true DE20209329U1 (en) | 2002-09-19 |
Family
ID=7972225
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE20209329U Expired - Lifetime DE20209329U1 (en) | 2002-06-15 | 2002-06-15 | Transparent layer system on polycarbonate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE20209329U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8163358B2 (en) | 2009-02-18 | 2012-04-24 | Synergeyes, Inc. | Surface modification of contact lenses |
-
2002
- 2002-06-15 DE DE20209329U patent/DE20209329U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8163358B2 (en) | 2009-02-18 | 2012-04-24 | Synergeyes, Inc. | Surface modification of contact lenses |
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| R071 | Expiry of right | ||
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