DE10105778B4

DE10105778B4 - Verfahren zur Oberflächenbeschichtung von Polymethylmethacrylat-Substraten

Info

Publication number: DE10105778B4
Application number: DE10105778A
Authority: DE
Inventors: Ernst Bahr
Original assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Current assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2021-02-08
Also published as: DE10105778A1

Abstract

Verfahren zur direkten Oberflächenbeschichtung von aus Polymethylmethacrylat gefertigten optischen Bauelementen durch das Plasma-Ion-Assisted-Deposition-Auftragsverfahren, dadurch gekennzeichnet,
dass auf das Polymethylmethacrylat-Substrat, zunächst ohne Plasma-Unterstützung, eine Schutzschicht eines Metalloxides aufgedampft, wobei als Metalloxid Al₂O₃ verwendet wird, und
sodann der Aufdampfprozess mit dem Plasma-Ion-Assisted-Deposition-Verfahren zum Aufbringen einer oder mehrerer Schichten verschiedener Oxide fortgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Beschichtung der Oberflächen von aus Polymethylmethacrylat (PMMA)-Substraten gefertigten optischen Bauelementen durch das Plasma-IAD (Ion Assisted Deposition)-Auftragsverfahren.
Die Verwendung optischer Bauelemente aus transparenten Kunststoffen, u. a. PMMA in optischen Systemen, ist seit längerem bekannt. Die Herstellung dieser Bauelemente ist technologisch einfach und erfolgt vorrangig durch Spritzgiessen. Neben der mit dem Einsatz solcher optischen Kunststoff-Bauelemente verbundenen Gewichtsersparnis sind besonders die Möglichkeiten für eine variable Formgebung, z. B. bei der Herstellung asphärischer Flächen, und die leichte Verarbeitung der im Spritzgussverfahren hergestellten Bauelemente hervorzuheben. Immer häufiger werden auch solche aus Kunststoff bestehenden Linsen-Bauelemente in Präzisionsobjektiven eingesetzt. In diesen Fällen ist eine Beschichtung der Oberflächen zur Vergütung der Objektive zwingend erforderlich. Das betrifft insbesondere die Beschichtung mit funktionellen Schichten, z. B. mit Antireflexschichten.
Es sind bereits Verfahren zur Beschichtung der Oberflächen von optischen Bauelementen bekannt. Diese Verfahren werden vorrangig bei Substraten aus Glas und aus verschiedenen Kunststoffen, wie Polycarbonaten und CR39 für Kunststoff-Brillengläser, eingesetzt und bilden auf diesen Materialien harte und haftfeste Schich ten. Bei der Beschichtung von Polymethylmethacrylat-Substraten sind diese Beschichtungsverfahren aber nur bedingt geeignet, da die aufzubringenden Materialien auf PMMA-Substraten nur schlecht haften, das Substrat angreifen, und die aufgebrachte Schicht selbst weder homogen ist noch eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.
Von einer Einhaltung optischer Konstanten und/oder Gewährleistung optischer Stabilität kann daher keine Rede sein.
Es hat daher bereits zahlreiche Bemühungen gegeben, die Haftung und die mechanische Festigkeit von Beschichtungen auf PMMA-Substraten zu erhöhen. Im Wesentlichen beschränken sich diese. Verfahren, auch bei den im Plasma-IAD-Verfahren aufgebrachten Schichten, auf zusätzliche Verfahrensschritte, die eine vorbereitende Behandlung und Modifizierung der Oberflächen von Polymethylmethacrylat-Substraten vorschlagen, um die Haftfestigkeit der aufgedampften bzw. implantierten Schichten zu verbessern.
So wird u. a. in der DE 197 03 538 A1 ein Verfahren beschrieben, bei dem die PMMA-Substratoberfläche mit einem Gas, das reaktiven Sauerstoff und Wasser enthält, vor der eigentlichen Beschichtung vorbehandelt wird.
In der DE 36 24 467 A1 wird vorgeschlagen, die Kunststoff-Substrate vor der eigentlichen Beschichtung in Anwesenheit der organischen Verbindungen einem Ionenbeschuss durch Glimmentladung in einer edelgashaltigen Atmosphäre auszusetzen.
Ein ähnliches Verfahren zur Vorbehandlung von KunststoffSubstraten schlägt die US 5,346,728 A vor.
Gemäss US 4,091,166 A erfolgt die Vorbehandlung des PMMA-Substrates vor der eigentlichen Beschichtung durch Beschuss mit Bor-Trifluoriden.
Weitere Verfahren schlagen vor, die zu beschichtenden Oberflächen vorher zu erwärmen, beispielsweise gemäss DE 41 07 945 A1 .
Die Herstellung von qualitativ guten optischen Schichten mittels Ionen-gestützter Plama-Verfahren ist beispielsweise aus „Optical coatings deposited by ion and plasma PVD processes” (Pulker, H. in: SURF. Coat. Tech. Vol. 112, 1999, S. 250–256), sowie aus ”Optische Schichten” (in: LaserOpto, Vol. 31, 1999, S. 50–54) bekannt.
Gemäss „Optical coatings an polymethyl methacrylate and polycarbonate” (Cheng-Chung et al.; in: Thin Solid Films Vol. 295, 1997, S. 122–124) und DE 38 18 341 A1 , sowie gemäss JP 60-225101 AA (PAJ) ist auch bekannt, dass mittels eines Oxidfilms die Haftfestigkeit optischer Schichten auf Kunststoffen, speziell auf PMMA, verbessert werden kann. Die Oxidfilme werden dabei mittels Widerstandsverdampfens oder Elektronenstrahlverdampfens hergestellt.
Alle diese Verfahren erfordern einen zusätzlichen Verfahrensschritt zur Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberflächen bei PMMA-Substraten, der nur durch den Einsatz zusätzlicher Ausrüstungen erreicht werden kann und damit kosten- und zeitaufwendig ist.
Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur direkten Oberflächenbeschichtung von Polymethylmethacrylat-Substraten zu entwickeln, das eine hohe Haftfestigkeit der im Plasma-IAD-Verfahren aufgebrachten Beschichtung auf dem PMMA-Substrat gewährleistet sowie eine hohe Festigkeit der Beschichtung, ohne dass die Oberflächen der Kunststoff-Substrate einer zusätzlichen Vorbehandlung unterzogen werden müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf das PMMA-Substrat, zunächst ohne Einsatz des Plasma-IAD-Verfahrens, eine Schutzschicht eines Metalloxides aufgedampft wird. Sodann wird mit Plasmaunterstützung das Aufdampfen einer Schicht oder mehrerer Schichten verschiedener Oxide fortgesetzt, wobei als Metalloxid Al₂O₃ verwendet wird. Vorzugsweise wird das Al₂O₃ ohne Zufuhr von O₂ aufgedampft. In Weiterentwicklung des Verfahrens wird gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel die Metalloxidschicht reaktiv, d. h. unter Zufuhr von O₂ aufgedampft.
Das Verfahren zur Beschichtung von Polymethylmethacrylat-Substraten wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Eine graphische Darstellung zeigt die annähernd 100%ige Transmission einer nach dem Verfahren der Erfindung beidseitig entspiegelten PMMA-Platte (ACRYL. SP-07.12.0-), vgl. 1. Die gemessene Transmission betrug mehr als 99,5%.
Die optischen Bauelemente aus PMMA werden nach einer wässrigen Ultraschallreinigung mit anschliessender Warmlufttrocknung in einer Hochvakuumanlage, die neben der Plasmaionenquelle zwei Elektronenstrahlverdampfer, eine Meissnerfalle und ein Öldiffusionspumpsystem aufweist, auf ca. 10^–5 bis 10^–6 mbar evakuiert. Zunächst wird auf das PMMA-Substrat durch einen Elektronenstrahlverdampfer, ohne Einsatz des Plasma-IAD-Ver fahrens, eine Schutzschicht aus Al₂O₃ aufgedampft. Dieser Aufdampfprozess kann sowohl reaktiv, d. h. unter Zufuhr von O₂ oder auch ohne Zufuhr von O₂ erfolgen. Danach wird die Beschichtung mit dem Plasma-IAD-Verfahren fortgesetzt. Die aufwachsenden Schichten werden durch den Beschuss mit energiereichen Argon-Ionen verdichtet. Als letzte Schicht kann noch eine hydrophobe Schicht aufgedampft werden.
Die so erhaltenen Schichten können ohne Beschädigungen mit Ultraschall gereinigt werden.
Die auf diese Weise beschichteten PMMA-Substrate wurden erfolgreich folgenden Tests unterzogen:

Lagerung in Salzwasser gemäss ISO 9211-4-03-03,
Haftfestigkeit der Beschichtung gemäss ISO 9211-4-02,
Feuchte Wärme DIN 58390-16-01-1,
Langsamer Temperaturwechsel gemäss DIN 58390-14-03-1.

Claims

Verfahren zur direkten Oberflächenbeschichtung von aus Polymethylmethacrylat gefertigten optischen Bauelementen durch das Plasma-Ion-Assisted-Deposition-Auftragsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Polymethylmethacrylat-Substrat, zunächst ohne Plasma-Unterstützung, eine Schutzschicht eines Metalloxides aufgedampft, wobei als Metalloxid Al₂O₃ verwendet wird, und sodann der Aufdampfprozess mit dem Plasma-Ion-Assisted-Deposition-Verfahren zum Aufbringen einer oder mehrerer Schichten verschiedener Oxide fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzubringende Schutzschicht aus Al₂O₃ besteht und im Hochvakuum ohne Zufuhr von O₂ aufgedampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzubringende Schutzschicht aus Al₂O₃ besteht und mit Zufuhr von O₂ aufgedampft wird.