DE10060304A1 - Production of coatings with structured thickness, especially micro-lens grids for scanning or 3D-imaging, involves metering droplets of prehydrolysed silane-based starting material onto substrate and hardening droplets - Google Patents
Production of coatings with structured thickness, especially micro-lens grids for scanning or 3D-imaging, involves metering droplets of prehydrolysed silane-based starting material onto substrate and hardening dropletsInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung von in ihrer Dicke strukturierten Beschichtungen, insbe sondere von Mikrolinsen, welches insbesondere für Mikrolin senraster mit einem Durchmesser der einzelnen Linsen von 100 µm bis 2 mm geeignet ist.The present invention relates to a method of manufacture development of coatings structured in their thickness, in particular special of microlenses, which is especially for microlin grid with a diameter of the individual lenses of 100 µm to 2 mm is suitable.
In der Beschichtungstechnik wurde bisher stets versucht, mög lichst gleichmäßige, und damit optisch neutrale Beschichtun gen herzustellen. Die vorliegende Erfindung hat es sich dem gegenüber zur Aufgabe gemacht, ein dem Beschichtungsverfahren des Standes der Technik ähnliches Verfahren anzugeben, wel ches jedoch keine gleichmäßige, und damit optisch neutrale Beschichtung liefert, sondern eine strukturierte Beschich tung, vorzugsweise Mikrolinsen. Insbesondere eignet sich die ses Verfahren zur Herstellung ganzer Mikrolinsenraster.So far, coating technology has always been tried, possible as uniform as possible, and thus optically neutral coating gene. The present invention has it compared to the task of a coating process state of the art similar method to indicate wel However, it is not uniform and therefore optically neutral Coating supplies, but a structured coating device, preferably microlenses. The is particularly suitable This process for the production of entire microlens grids.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass mit tels eines Dosiersystems ein Ausgangsmaterial in Tröpfchen auf einem Substrat abgesetzt wird.According to the invention, this object is achieved in that a starting material in droplets is deposited on a substrate.
Vorzugsweise wird dabei ein Dosiersystem gewählt, welches im Pico- bis Nanoliterbereich dosieren kann.Preferably, a metering system is selected which Can dose from pico to nanoliter.
Vorzugsweise werden dabei die Tröpfchen des Hybridmaterials auf einen Durchmesser von 20 bis 200 µm eingestellt. Größere Linsen werden dann durch das Aufbringen mehrerer Tröpfchen dieses Durchmessers an derselben Stelle erzeugt. The droplets of the hybrid material are preferred set to a diameter of 20 to 200 microns. larger Lenses are then applied by applying multiple droplets of this diameter at the same point.
Das Ausgangsmaterial ist vorzugsweise ein anorganisch- organisches Material, insbesondere ein organisch modifizier tes Silan, welches mit Säure unter Alkoholabspaltung vorhydrolisiert wird.The starting material is preferably an inorganic organic material, especially an organically modified tes silane, which with acid with elimination of alcohol is pre-hydrolyzed.
Vorzugsweise wird als Substrat Glas, Metall, Papier oder Kunststoff, vorzugsweise transparenter Kunststoff, verwendet.Glass, metal, paper or is preferably used as the substrate Plastic, preferably transparent plastic, is used.
Das in Tröpfchen auf dem Substrat abgesetzte Ausgangsmaterial wird vorzugsweise gehärtet, wobei die Härtung vorzugsweise mittels thermischer Energie, Mikrowellen oder/und UV- Strahlung erfolgt.The starting material deposited in droplets on the substrate is preferably hardened, the hardening being preferred by means of thermal energy, microwaves and / or UV Radiation occurs.
Bei einer Härtung mittels thermischer Energie ist die Anwen dung einer Temperatur von 80 bis 150°C für eine Dauer von 5 bis 30 Minuten bevorzugt. Dieses Härtungsverfahren benötigt den geringsten apparativen Aufwand, da hier lediglich eine Heizkammer benötigt wird.In the case of hardening by means of thermal energy, the application is a temperature of 80 to 150 ° C for a period of 5 preferred to 30 minutes. This hardening process is required the least expenditure on equipment, since here only one Heating chamber is needed.
Bei hitzeempfindlichen Substraten ist ebenfalls die Härtung mittels ultravioletter Strahlung von 70 bis 140 W/cm2 für 3 bis 15 Minuten möglich.In the case of heat-sensitive substrates, curing by means of ultraviolet radiation of 70 to 140 W / cm 2 is also possible for 3 to 15 minutes.
Als Dosiersystem dient vorzugsweise ein Dosiersystem mit ei ner X-Y-Verfahreinheit.A metering system with an egg is preferably used as the metering system a X-Y travel unit.
Das Dosiersystem ist dabei vorzugsweise mit einer piezoge steuerten Kapillare versehen.The metering system is preferably a piezoge controlled capillary.
Der Durchmesser der Kapillare beträgt vorzugsweise 20 bis 200 µm.The diameter of the capillary is preferably 20 to 200 µm.
Die gehärteten Tröpfchen können beispielsweise als Abstands halter, als strukturierte Schicht oder, wenn sie teilweise ineinander verlaufen sind, als Schuppenschicht verwendet wer den.The hardened droplets can be used, for example, as a spacing holder, as a structured layer or when partially have run into each other when used as a cuticle the.
Die Tröpfchen können auch in Reihe als Linie verlaufen und dann als zylindrische Linsen verwendet werden. The droplets can also run in a line and then be used as cylindrical lenses.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Tröpfchen als Mikrolin senfeld verwendet werden.It is particularly preferred for the droplets to be microline senfeld can be used.
Es können auch Tröpfchen mit leitfähigen Additiven (nanoska lige Teilchen) verwendet werden.Droplets with conductive additives (nanoska lige particles) can be used.
Vorzugsweise werden die Tröpfchen als Einheit für die Kolli mation von Licht (Scannen, 3D-Bildgestaltung) verwendet.The droplets are preferably used as a unit for the package mation of light (scanning, 3D imaging) used.
Ebenso können die Tröpfchen bevorzugt als Antireflexionss chicht verwendet werden.Likewise, the droplets can preferably be used as anti-reflection be used.
Erfindungsgemäß wird ein organisch-anorganisches Hybridmate rial, vorzugsweise ein organisch modifiziertes Silan, welches mit Salzsäure unter Methanolabspaltung vorhydrolysiert wird, mittels eines Dosiersystems, welches Lösungen im Picoliterbe reich dosieren kann, in Tröpfchen eines Durchmessers von 20 bis 100 µm auf einem Substrat, vorzugsweise Glas oder Poly carbonat abgesetzt. Das resultierende Tropfenraster wird mit tels thermischer Energie (vorzugsweise 130°C für 10 Minuten Dauer) oder mittels ultravioletter Strahlung (vorzugsweise 100 W/cm2 für 5 Minuten) gehärtet.According to the invention, an organic-inorganic hybrid material, preferably an organically modified silane, which is prehydrolyzed with hydrochloric acid with elimination of methanol, by means of a metering system which can meter solutions in the picoliter range in droplets with a diameter of 20 to 100 μm on a substrate, preferably glass or deposited poly carbonate. The resulting drop grid is cured using thermal energy (preferably 130 ° C. for 10 minutes) or by means of ultraviolet radiation (preferably 100 W / cm 2 for 5 minutes).
Die Beschichtungslösung wird vorzugsweise folgendermaßen her
gestellt:
Für 100 g Beschichtungslösung werden 49 g Glycidyloxypro
pyltrimethoxysilan (CAS-Nr. 2530-83-8) mit 11 g Wasser und
1 g konzentrierter Salzsäure versetzt und 4 Stunden bei Raum
temperatur gerührt. Es entsteht eine trübe Flüssigkeit, die
nach etwa 2 Minuten in eine einphasige Flüssigkeit übergeht.
Diese Flüssigkeit wird mit 9 g Äthanol und 30 g Wasser ver
setzt und für weitere 2 Stunden bei Raumtemperatur gerührt.The coating solution is preferably prepared as follows:
For 100 g of coating solution, 49 g of glycidyloxypropyltrimethoxysilane (CAS No. 2530-83-8) are mixed with 11 g of water and 1 g of concentrated hydrochloric acid and stirred for 4 hours at room temperature. A cloudy liquid is formed, which changes into a single-phase liquid after about 2 minutes. This liquid is mixed with 9 g of ethanol and 30 g of water and stirred for a further 2 hours at room temperature.
Die Beschichtung erfolgt folgendermaßen:
In einem drop-on-demand-Dosiersystem (beispielsweise dem Dru
ckerkopf eines handelsüblichen Ink-jet-Druckers mit piezoge
steuerter Kapillare mit einem Durchmesser von etwa 20 bis
100 µm) mit Verfahreinheit (X,Y-Positioniertisch) wird die oben
genannte Beschichtungslösung eingefüllt und in einem Raster
auf einem gereinigten Substrat (Glas oder Polycarbonat), wel
ches vorzugsweise mit einer Primerschicht vorbehandelt werden
kann, abgesetzt. Die Oberflächenspannung des Wassers bewirkt
eine "schlechte" Benetzung des Substrates, wodurch sich Halb
kugeln bilden, die einen Benetzungswinkel von Tangente des
Tropfens und Substrat von etwa 6° bis 30° (je nach Vorbehand
lung des Substrates) bilden. Zur Herstellung sehr kleiner
Mikrolinsen wird lediglich ein Tropfen pro Position aufge
bracht. Für größere Linsen können bis zu mehreren tausend
Tropfen pro Position aufgebracht werden.The coating takes place as follows:
The above-mentioned coating solution is filled into a drop-on-demand dosing system (for example the printer head of a commercially available inkjet printer with a piezoge controlled capillary with a diameter of about 20 to 100 µm) with a moving unit (X, Y positioning table) and deposited in a grid on a cleaned substrate (glass or polycarbonate), which can preferably be pretreated with a primer layer. The surface tension of the water causes a "poor" wetting of the substrate, whereby hemispheres form, which form a wetting angle of tangent of the drop and substrate of about 6 ° to 30 ° (depending on the pretreatment of the substrate). To produce very small microlenses, only one drop is brought up per position. For larger lenses, up to several thousand drops can be applied per position.
Durch die Verwendung handelsüblicher Komponenten (Druckerkopf eines Ink-jet-Druckers und X,Y-Positioniertisch, beispiels weise eines Plotters) kann die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens außerordentlich kostengünstig hergestellt werden.By using commercially available components (printer head of an inkjet printer and X, Y positioning table, for example as a plotter), the device for performing this method is manufactured extremely inexpensively become.
Die Aushärtung der Mikrolinsen erfolgt wie anschließend be
schrieben:
Die Tropfen werden mittels thermischer Energie (130°C für 10
bis 30 Minuten) oder durch UV-Strahlungstrockner (etwa
100 W/cm2 für 5 Minuten, vorzugsweise in einem Durchlauftrockner
mit fünf Durchläufen à 1 Minute) ausgehärtet.The microlenses are cured as described below:
The drops are cured by means of thermal energy (130 ° C. for 10 to 30 minutes) or by UV radiation dryer (about 100 W / cm 2 for 5 minutes, preferably in a continuous dryer with five runs of 1 minute each).
Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:
Der Abstand der Mikrolinsen in dem Raster kann beliebig ge
wählt werden, je nachdem wie der Positioniertisch program
miert wird. Die einzige Beschränkung ist, dass der Abstand
nicht weniger als 5% des Durchmessers einer Linse betragen
darf. Bei geringeren Abständen besteht die Gefahr des Verlau
fens der Tropfen.
The present invention has the following advantages:
The distance between the microlenses in the grid can be selected as required, depending on how the positioning table is programmed. The only limitation is that the distance must not be less than 5% of the diameter of a lens. At shorter intervals there is a risk that the drops will run away.
Die Oberflächenrauigkeit der entstehenden Linsen beträgt le diglich 30 bis 40 nm (Ra-Wert).The surface roughness of the resulting lenses is le only 30 to 40 nm (Ra value).
Die Transmission des Linsenmaterials beträgt 98% in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 2,7 µm.The transmission of the lens material is 98% in one Wavelength range from 300 nm to 2.7 µm.
Der Brechwert der Linsen und somit der Focus der Linsen liegt im Bereich von herkömmlichem Glas und kann durch Additive (Pigmente oder organische Materialien), die im Stand der Technik bekannt sind, genau eingestellt werden. Der Focus der Linsen errechnet sich dann wie üblich aus dem Krümmungsradius der Linse und dem Brechwert des Materials. Durch entsprechen de Wahl einer Primerschicht auf dem Substrat kann der Benet zungswinkel von Tangente des Tropfens und Substrat entspre chend eingestellt werden, wodurch ebenfalls der Focus der Linsen eingestellt werden kann.The refractive index of the lenses and thus the focus of the lenses lies in the range of conventional glass and can by additives (Pigments or organic materials) used in the prior art Technology are known to be set precisely. The focus of the Lenses are then calculated as usual from the radius of curvature the lens and the refractive index of the material. By match de The choice of a primer layer on the substrate can be used Angle of the tangent of the drop and substrate correspond be adjusted accordingly, which also makes the focus of the Lenses can be adjusted.
Besonders bevorzugt ist es dabei gemäß der vorliegenden Er findung, die Materialien, auf die die Beschichtung aufgetra gen werden soll, vorher mit einer entsprechenden Primer schicht zu versehen. Man bringt also einen Überzug auf das Substrat auf, wodurch über die gesamte Substratfläche hinweg gleiche Benetzungsbedingungen geschaffen werden. Dadurch wird eine außerordentlich gute Reproduzierbarkeit bei der Bildung der einzelnen Tröpfchen bzw. Linsen erreicht. Glas hat näm lich normalerweise Fehlstrukturen, die die Benetzung stören und somit die Gleichmäßigkeit des Linsenarrays erheblich ver schlechtern können. Durch die Wahl einer geeigneten Primer schicht kann man darüber hinaus erreichen, dass die Benet zungswinkel in den Bereich von 100° kommen, d. h., dass die Tropfen sehr viel höher werden, teilweise sogar höher als ihr eigener Durchmesser.It is particularly preferred according to the present Er the materials on which the coating is applied should be used beforehand with an appropriate primer layer. So you bring a coating on that Substrate on, which means across the entire substrate area equal wetting conditions are created. This will excellent reproducibility in education of the individual droplets or lenses. Glass has näm Usually, faulty structures that disrupt wetting and thus the uniformity of the lens array considerably ver can worsen. By choosing a suitable primer layer you can also achieve that the Benet angle in the range of 100 °, d. that is, the Drops become much higher, sometimes even higher than you own diameter.
Erfindungsgemäß wird eine Beschichtung gewählt, die ähnlich der Polyfluortetraäthylen-Schichten in Bratpfannen wirkt. Solche fluorierte Schichten haben nämlich eine sehr stark an tiadhaesive Eigenschaft. According to the invention, a coating is chosen that is similar of the polyfluorotetraethylene layers in frying pans. Such fluorinated layers are namely very strong tiadhaesive property.
Erfindungsgemäß hat sich für eine Maximierung der antiadhae
siven Eigenschaften des Substrats ein Überzug gemäß der fol
genden Rezeptur besonders bewährt:
1 Gew.-% Fluorosilan, insbesondere Tridecafluoro-1,1,2,2-
tetrahydrooctyl-1-triethoxysilan,
99 Gew.-% organomodifizierte Silane, insbesondere 3-
glycidyloxypropyltrimethoxysilan, mit 3 Molen (im Bezug zum
Silan),
Wasser vorhydrolysiert mit Salzsäure als Katalysator, ge
mischt mit organischen Polymeren und Netzwerkbildnern als
Matrix für das Fluorosilan, gelöst in Ethanol zur Schichtap
plikation (Menge je nach gewünschter Schichtdicke),
Additive.According to the invention, a coating according to the following recipe has proven particularly useful for maximizing the anti-adhesive properties of the substrate:
1% by weight of fluorosilane, in particular tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-triethoxysilane,
99% by weight organomodified silanes, in particular 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, with 3 moles (in relation to the silane),
Water pre-hydrolyzed with hydrochloric acid as a catalyst, mixed with organic polymers and network formers as a matrix for the fluorosilane, dissolved in ethanol for layer application (amount depending on the desired layer thickness),
Additives.
Erfindungsgemäß können andererseits mit einer ähnlichen Be schichtung sehr flache Linsen erzielt werden, wenn bei der obigen Rezeptur das Fluorosilan weggelassen wird.According to the invention, on the other hand, with a similar loading Layering very flat lenses can be achieved when using the above recipe the fluorosilane is omitted.
Insbesondere hat sich für möglichst brechstarke, also "hohe"
Linsen die folgende Rezeptur bewährt:
37,8 g 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilan
8,6 g H2O
0,1 g HCl konz.
14,6 g 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan
14 g 2-Butoxyethanol
0,4 g Byk 306
0,6 g Methylimidazol
0,76 g Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-triethoxysi
lan (als Fluorosilan)
gelöst in etwa 1 l Ethanol, zur Schichtapplikation je nach
Auftrag mittels Spin-, dip- oder spray-coating (Schichtdicke
etwa im Bereich 0,1 µm bis 0,5 µm, als niedermolekulare
Schicht).In particular, the following recipe has proven itself for lenses that are as strong as possible, ie "high":
37.8 g of 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane
8.6 g H 2 O
0.1 g HCl conc.
14.6 g of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane
14 g 2-butoxyethanol
0.4 g Byk 306
0.6 g methylimidazole
0.76 g tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-triethoxysilane (as fluorosilane)
dissolved in about 1 l of ethanol, for layer application depending on the application by means of spin, dip or spray coating (layer thickness approximately in the range 0.1 µm to 0.5 µm, as a low molecular layer).
Erfindungsgemäß wurden bereits Mikrolinsenraster hergestellt, bei denen die einzelnen Linsen Durchmesser von 120 µm und 800 µm aufwiesen. Der Focus der Linsen mit einem Durchmesser von 120 µm betrug dabei 458 µm, der Focus der Linsen mit einem Durchmesser von 800 µm betrug dabei 2,9 mm.According to the invention, microlens grids have already been produced, where the individual lenses have a diameter of 120 µm and Had 800 µm. The focus of the lenses with a diameter of 120 µm was 458 µm, the focus of the lenses with one The diameter of 800 µm was 2.9 mm.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |