DE19539789A1 - Mittel und Verfahren zur Herstellung von wasserabweisenden Beschichtungen auf optischen Substraten - Google Patents
Mittel und Verfahren zur Herstellung von wasserabweisenden Beschichtungen auf optischen SubstratenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Mittel und ein Verfahren zur Herstellung von
wasserabweisenden Beschichtungen auf optischen Substraten.
Es ist verbreiteter Stand der Technik, die Oberflächen von optischen Bau
teilen mit dünnen Beschichtungen zu deren Schutz oder zur Erzielung
bestimmter Funktionseigenschaften zu versehen. Als derartige optische
Bauteile sind im wesentlichen optische Linsen, Brillengläser, Objektive
für Kameras, Ferngläser oder für andere optische Geräte, Strahlenteiler,
Prismen, Spiegel, Fensterscheiben usw. zu verstehen. Zum einen ist Ziel
derartiger Beschichtungen, die Oberflächen von optischen Substraten
dahingehend zu vergüten, daß durch Härtung und/oder Erhöhung der
chemischen Resistenz Schädigungen durch mechanische, chemische
oder Umwelteinflüsse vermieden werden. Dies steht im besonderem Maße
bei Substraten aus Kunststoffmaterialien im Vordergrund. Zum anderen
werden Oberflächenbeschichtungen zur Verminderung der Reflexion ein
gesetzt, insbesondere bei Brillengläsern und Objektiven. Hierbei kann bei
geeigneter Wahl der Beschichtungsmaterialien, Schichtdicke, ein- oder
mehrschichtigem Aufbau aus gegebenenfalls unterschiedlichen Mate
rialien mit differierenden Brechungsindizes eine Reduktion der Reflexion
auf unter 1% über das gesamte sichtbare Strahlungsspektrum erreicht
werden.
Zur Erzeugung derartiger Vergütungs- bzw. Antireflexschichten dienen
zahlreiche oxidische Materialien, wie etwa SiO₂, TiO₂, ZrO₂, MgO, Al₂O₃,
auch Fluoride wie MgF₂ sowie Gemische dieser Stoffe. Die Beschichtung
von optischen Substraten erfolgt üblicherweise in der Hochvakuumauf
dampftechnik. Hierbei wird das Substrat und eine die Aufdampfsubstanz
enthaltende Vorlage in eine entsprechende Hochvakuumaufdampfappa
ratur plaziert, anschließend wird die Apparatur evakuiert und dann die
Substanz durch Erhitzen und/oder Elektronenstrahlverdampfung zur Ver
dampfung gebracht, wobei sich das Aufdampfmaterial auf der Substrat
oberfläche als dünne Schicht niederschlägt. Entsprechende Apparaturen
und Verfahren sind gängiger Stand der Technik.
Vergütungsschichten dieser Art, insbesondere Antireflexschichten sind
jedoch äußerst empfindlich gegenüber Verschmutzungen, beispielsweise
durch feuchte bzw. fettige Fingerabdrücke. Durch Verunreinigungen wird
die Reflexion stark erhöht; Fingerabdrücke werden deshalb deutlich sicht
bar. Eine effektive, den ursprünglichen Reflexionswert wiederherstellende
Reinigung gestaltet sich als schwierig. Aus diesem Grund hat es sich
durchgesetzt, optische Bauteile zusätzlich mit einer hydrophobisierenden,
also wasserabweisenden Beschichtung, zu versehen.
Zur Hydrophobisierung der Oberflächen von optischen Substraten stehen
eine Reihe von Stoffen, insbesondere aus der Klasse der Organosilicium
verbindungen zur Verfügung. Es sind dies beispielsweise Silane, Siloxane,
Silikone und Silikonöle. Diese Substanzen werden in aller Regel im Tauch
verfahren oder im Aufschleuderverfahren auf die zu behandelnden Sub
stratoberflächen aufgebracht, wobei diese Substanzen entweder in reiner
Form oder als Lösungen eingesetzt werden. Nach Oberflächenbehandlung
und gegebenenfalls Abdunsten von Lösungsmittel erfolgt meist eine thermi
sche Nachbehandlung, wodurch die wasserabweisende Beschichtung ver
festigt und die Haftung mit dem Substratmaterial bewirkt wird. Man erhält
hierdurch in der Regel Beschichtungen mit zufriedenstellenden Eigen
schaften bezüglich Hydrophobisierung, Haltbarkeit und Dauerhaftigkeit.
Die durch die Natur der üblichen Hydrophobisierungsmittel bedingte
Beschichtungstechnik ist jedoch nachteilig.
So ist es bei der Tauchbeschichtung und der Aufschleudertechnik erfor
derlich, unter strikten Reinraumbedingungen zu arbeiten um Qualitäts
beeinträchtigungen, etwa durch Staubpartikel, auszuschließen. Weiterhin
erfordern diese Techniken zusätzliche Arbeitsgänge mit entsprechenden
Apparaturen und Anlagen.
Aus JP 05-215 905 ist ein Verfahren zur Erzeugung von wasserabweisen
den Beschichtungen auf optischen Substraten bekannt, bei dem Fluor
alkylsilazanverbindungen mittels der Hochvakuumaufdampftechnik auf die
Substratoberfläche aufgebracht werden. Dieses Verfahren ist gegenüber
den üblichen Tauch- und Aufschleudertechniken dahingehend vorteilhaft,
weil es ohne weiteres in bestehenden Hochvakuumaufdampfapparaturen
durchgeführt werden kann, etwa gleich im Anschluß an die Bedampfung
des Substrates mit Antireflex- oder anderen Vergütungsschichten. Die
Perfluoralkylsilazanverbindungen werden bevorzugt in einer Form vor
gelegt bei der ein poröser metallischer Sinterkörper mit der Substanz
getränkt ist.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Einsatz von Polyfluoralkylsila
zanverbindungen in einem derartigen Hochvakuumaufdampfverfahren
nachteilig ist. Die Substanzen an sich sind bereits instabil, was sich durch
ihren deutlichen Ammoniakgeruch zu erkennen gibt. Sie zersetzen sich
und sind nicht lagerstabil. Bei der Bedampfung erleiden die Verbindungen
eine zumindest teilweise Zersetzung, bei der Ammoniakgas freigesetzt
wird. Dieses verursacht Korrosion in der Apparatur und den zugehörigen
Hochvakuumpumpen sowie gegebenenfalls an den optischen Substraten;
weiterhin besteht die Gefahr der Reaktion des Ammoniak mit den Pum
penölen in den Hochvakuumpumpen.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, geeignetere Substanzen
für die Erzeugung von wasserabweisenden Schichten im Hochvakuum
bedampfungsverfahren aufzufinden.
Es wurde nun gefunden, daß sich Verbindungen der allgemeinen Formel I
CnF2n+1-(CH₂)m-Si(R¹R²R³) (I)
worin
R¹ Alkoxy mit 1 bis 3 C-Atomen oder CnF2n+1-(CH₂)m-Si(R²R³)-O-
R², R³ Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 3 C-Atomen
n 1 bis 12
m 1 bis 6
R¹ Alkoxy mit 1 bis 3 C-Atomen oder CnF2n+1-(CH₂)m-Si(R²R³)-O-
R², R³ Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 3 C-Atomen
n 1 bis 12
m 1 bis 6
bedeuten, vorzüglich zur Herstellung von wasserabweisenden Beschich
tungen auf optischen Substraten durch thermisches Bedampfen im Hoch
vakuum eignen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von
wasserabweisenden Beschichtungen auf optischen Substraten durch
thermisches Bedampfen mit Organosilanverbindungen im Hochvakuum,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Bedampfung mit Verbin
dungen der Formel I vornimmt.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung von Verbindun
gen der Formel I zur Herstellung von wasserabweisenden Beschichtungen
auf optischen Substraten.
In den Organosiliciumverbindungen der Formel I ist ein Rest eine Poly
fluoralkylgruppe, zusammengesetzt aus einer terminalen Perfluoralkyl
gruppe mit 1 bis 12 C-Atomen, die über eine Alkylengruppe mit 1 bis 6
C-Atomen mit dem Siliciumatom verbunden ist. Von den weiteren mit dem
Siliciumatom verbundenen Resten R¹, R² und R³ ist mindestens ein Rest
(R¹) eine Alkoxygruppe mit 1 bis 3 C-Atomen. Die weiteren Reste (R², R³)
können Alkyl- oder Alkoxygruppen mit jeweils 1 bis 3 C-Atomen sein. Der
Rest R¹ kann auch eine Siloxylgruppe sein, in der ein Rest eine wie vor
stehend beschriebene Polyfluoralkylgruppe ist. Die beiden anderen mit
dem Siliciumatom verbundenen Reste (R², R³) können wiederum die
bereits definierten Alkyl- oder Alkoxygruppen sein. Typische Verbindun
gen der Formel I sind beispielsweise
Triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,7-undecafluoroeheptyl)silan
Triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)silan
Triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-heptadecafluoro-decyl-)silan
Diethoxymethyl(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-heptadecafluoro- decyl)silan
Bis[ethoxymethyl(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)]silyl-ether
Triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)silan
Triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-heptadecafluoro-decyl-)silan
Diethoxymethyl(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-heptadecafluoro- decyl)silan
Bis[ethoxymethyl(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)]silyl-ether
Die Verbindungen der Formel I sind an sich bekannt und überwiegend im
Handel erhältlich. Im übrigen sind sie ohne weiteres nach bekannten Her
stellverfahren zugänglich.
Die Verbindungen der Formel I sind ausnehmend stabil und insbesondere
lagerstabil.
Es hat sich gezeigt, daß sie im Hochvakuum bei Temperaturen zwischen
300 und 500°C ohne weiteres verdampft werden können, wobei sie sich
auf Substratoberflächen unter Bildung dünner Schichten niederschlagen.
In diesem Prozeß sind die Verbindungen der Formel I entweder unzersetz
lich oder entsprechende Spaltprodukte sind in keinster Weise aggressiv
oder korrosiv gegenüber optischen Substraten oder den Bestandteilen von
Hochvakuumbedampfungsanlagen, Vakuumpumpen und Pumpenölen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von wasserab
weisenden Schichten auf optischen Substraten können Hochvakuumbe
dampfungsanlagen eingesetzt werden, wie sie zur Erzeugung optischer
Schichten wie insbesondere Antireflexschichten oder Vergütungsschichten
zur Oberflächenhärtung üblich sind, eingesetzt werden. Hierbei werden
die Verbindungen der Formel I in geeigneter Form und Weise anstatt der
sonstigen Bedampfungsmaterialien in der Apparatur vorgelegt. Zweck
mäßig ist der direkte Anschluß des Bedampfungsschrittes mit Verbindun
gen der Formel I an vorangehende Bedampfungsprozesse, etwa zur Auf
bringung von Antireflexschichten, wobei das Substrat sich bereits in der
Anlage befindet.
Eine besonders zweckmäßige Form, die Verbindungen der Formel I in der
Bedampfungsapparatur vorzulegen, ist die, daß man die Verbindung in
einer porösen anorganisch-oxidischen Matrix vorlegt. Ein solches Mittel
zur Herstellung von wasserabweisenden Beschichtungen auf optischen
Substraten durch Bedampfung im Hochvakuum besteht demnach aus
einer porösen anorganisch-oxidischen Matrix, die eine Verbindung der
Formel I enthält. Die poröse anorganisch-oxidische Matrix besteht vor
zugsweise aus SiO₂, TiO₂, ZrO₂, MgO, Al₂O₃ oder Mischungen hiervon.
Derartige Mittel sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Die Herstellung
derartiger Mittel erfolgt etwa in der Weise, daß man das Matrixmaterial,
das üblicherweise in feinteiliger Form mit Partikelgrößen zwischen 5 µm
und 20 µm vorliegt, zu Tabletten verpreßt und diese dann in der für das
jeweilige Material üblichen Weise einer Sinterung unterzieht.
Für diesen Sinterschritt sind für die genannten Materialien Temperaturen
zwischen 900 und 1400°C über einen Zeitraum von 1 bis 10 Stunden
typisch. Die erhaltenen porösen Sinterkörper weisen je nach Korngröße
der Primärpartikel, Verdichtung und Sinterbedingungen eine Porosität von
40 bis 60% auf. Die von der porösen anorganisch-oxidischen Matrix ge
bildeten Sinterkörper können dann mit den Verbindungen der Formel
beladen werden. Dies geschieht durch Tränken oder Betropfen der Sinter
körper mit Verbindungen der Formel I, sofern diese flüssig sind, oder mit
Lösungen von Verbindungen der Formel I. Es ist zweckmäßig die Sinter
körper mit vorherbestimmten Mengen an Verbindung der Formel I zu be
laden, da sich durch die quantitative Determinierung des Gehaltes eines
jeden solchen beladenen Körpers die Schichtdicke des zu beschichtenden
optischen Substrates einfach vorbestimmen läßt.
Zur Herstellung von wasserabweisenden Beschichtungen auf optischen
Substraten genügt es eine Hochvakuumbedampfungsanlage konventio
neller Art, in die das zu beschichtende Substrat eingesetzt worden ist, mit
einer Verbindung der Formel I zu beschicken, vorzugsweise in Form eines
mit der Verbindung beladenen anorganisch-oxidischen Formkörpers. Bei
Erreichen eines stabilen Endvakuums etwa im Bereich zwischen 10-3 und
10-5 mbar wird durch Erhitzen auf Temperaturen von 300 bis 500°C die
Verdampfung der Verbindung der Formel I bewirkt. Diese schlägt sich im
Verlaufe des Prozesses auf der Oberfläche des optischen Substrates
unter Bildung einer dünnen Schicht nieder. Zur Verbesserung der Schicht
haftung kann es zweckmäßig sein das Substrat auf eine Temperatur zwi
schen 50 und 300°C zu beheizen. Die zu erzielende Schichtdicke ist ab
hängig von der Prozeßdauer oder bei quantitativer Verdampfung von der
Menge an vorgelegter Verbindung der Formel l. Üblicherweise werden für
derartige wasserabweisende Beschichtungen Schichtdicken zwischen 2
und 200 nm eingestellt.
Die mit den Verbindungen der Formel I erzeugten wasserabweisenden
Beschichtungen zeigen gegenüber mit bisher hierfür eingesetzten Mate
rialien hergestellten Schichten einige unvorhersehbare Vorteile. Neben
der Tatsache, daß die Beschichtungen ein vorzügliches wasserabweisen
des Verhalten zeigen, sind sie gegenüber mechanischen und chemischen
Einflüssen erheblich resistenter. Sie sind wesentlich haftfester und halt
barer; ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Wischen und Kratzen sowie
ihre Stabilität gegenüber feuchtwarmer Luft, physiologischer Kochsalz
lösung, erhöhter Temperatur oder Einwirkung von UV-Strahlung ist
wesentlich höher als bei Beschichtungen mit Materialien und Verfahren
nach dem Stand der Technik.
Wasserabweisende Schichten mit Verbindungen der Formel I nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren können auf allen beliebigen optischen
Substraten aufgebracht werden. Ihr Einsatz ist insbesondere vorteilhaft
auf optischen Substraten, die vorher mit dünnen Schichten zur Ober
flächenvergütung und/oder Reflexionsverminderung versehen worden
sind.
Aus einem Gemisch bestehend aus 20 Gew.-% SiO₂ und 80 Gew.-% Al₂O₃
mit Partikelgröße 1 bis 10 µm werden mit einer hydraulischen Presse
Tabletten mit Durchmesser 10 mm und Höhe 8 mm gepreßt. Diese
Tabletten werden dann bei 1200°C über 14 Stunden gesintert. Die
gesinterten Formkörper besitzen eine Porosität von ca. 40%.
Die Formkörper nach Beispiel 1 werden solange in eine Lösung aus 1 ml
Triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,7-undecafluoroheptyl)silan in 10 ml Isopro
panol getaucht bis sie vollständig vollgesogen sind. Nach Entnahme aus
der Lösung und Abdunsten des Lösungsmittels enthält jede Tablette
ca. 2 Gew.-% an Silanverbindungen.
Eine Tablette gemäß Beispiel 2 wird in ein Schiffchen aus Molybdänblech
gelegt und dieses in die Verdampfereinrichtung einer handelsüblichen
Hochvakuumverdampfungsanlage (A 700 Q, Firma Leybold) gesetzt. Die
zu beschichtenden Glasscheiben der Abmessung 5 × 5 cm werden auf
dem Substratträger der Anlage befestigt. Die Anlage wird dann bis zu
einem Restdruck von 2 × 10-5 mbar evakuiert. Die Substrate werden auf
ca. 80°C aufgeheizt. Die Verdampfereinrichtung wird auf ca. 350°C
erhitzt. Hierbei verdampft die in der Tablette enthaltene Substanz und
schlägt sich auf den Glasscheiben unter Schichtbildung nieder. Nach
einer Dauer von 30 Sek. wird abgekühlt und die Anlage belüftet. Die
Schichtdicke auf den Substraten wird zu 5 nm bestimmt. Die Schichten
sind wasserabstoßend; aufgebrachte Wassertropfen benetzen sie nicht,
sondern perlen ab.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von wasserabweisenden Beschichtungen
auf optischen Substraten durch thermisches Bedampfen mit Organo
silan-Verbindungen im Hochvakuum, dadurch gekennzeichnet, daß
man die Bedampfung mit Verbindungen der Formel I
CnF2n+1-(CH₂)m-Si(R¹R²R³) (I)worin
R¹ Alkoxy mit 1 bis 3 C-Atomen oder CnF2n+1-(CH₂)m-Si(R²R³-O-
R², R³ Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 3 C-Atomen
n 1 bis 12
m 1 bis 6bedeuten, vornimmt.
R¹ Alkoxy mit 1 bis 3 C-Atomen oder CnF2n+1-(CH₂)m-Si(R²R³-O-
R², R³ Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 3 C-Atomen
n 1 bis 12
m 1 bis 6bedeuten, vornimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die
Bedampfung bei einem Druck von 10-3 bis 10-5 mbar vornimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
man die Verbindung der Formel I auf eine Temperatur von 300 bis
500°C erhitzt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß man die Verbindung der Formel I in einer porösen
anorganisch-oxidischen Matrix vorgelegt.
5. Mittel zur Herstellung von wasserabweisenden Beschichtungen auf
optischen Substraten nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen
1 bis 4, bestehend aus einer porösen anorganisch-oxidischen Matrix,
die eine Verbindung der Formel I enthält, hergestellt durch
- a) Verpressen und Sintern eines pulverigen anorganischen Oxidmaterials zu einem porösen Formkörper, und
- b) Imprägnieren des Formkörpers mit einer Verbindung der Formel I.
6. Mittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse
anorganisch-oxidische Matrix aus SiO₂, TiO₂, ZrO₂, MgO, Al₂O₃ oder
Mischungen hiervon besteht.
7. Verwendung von Verbindungen der Formel I zur Herstellung von
wasserabweisenden Beschichtungen auf optischen Substraten.
8. Verwendung von Verbindungen der Formel I zur Herstellung von
wasserabweisenden Beschichtungen auf optischen Substraten, die
vorher mit dünnen Schichten zur Oberflächenvergütung und/oder
Reflexionsverminderung versehen worden sind.
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