DE19941048A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung strukturierter Oberflächen mit erhöhter Resistenz gegen Verschmutzung und Benetzung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) und damit durchführbares Verfahren zur Erzeugung strukturierter Oberflächen, insbesondere strukturierter Glas-, Metall- oder Kunststoffoberflächen mit erhöhter Resistenz gegen Verschmutzung und Benetzung vorgeschlagen. Dabei wird zunächst ein Abformwerkzeug (2) als Negativform mit einer Oberflächenstrukturierung (4) im Nanometer-Bereich versehen und anschließend die Oberflächenstrukturierung (4) des Abformwerkzeugs (2) durch Prägen, insbesondere Stempeln oder Abrollen, auf die zu strukturierende Oberfläche (7, 9) übertragen. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich besonders zur großflächigen Strukturierung von Kunststoffoberflächen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung insbesondere großflächiger, strukturierter Oberflächen mit erhöhter Resistenz gegen Verschmutzung und Benetzung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß bei der Lotus-Blüte infolge des soge­ nannten "Lotus-Blüten-Effektes" eine Selbstreinigung der Blütenoberfläche dadurch bewirkt wird, daß eine auf dem Nanometermaßstab feinstrukturierte Oberfläche der Blüte eine Benetzung mit Wasser verhindert.

Dazu befinden sich auf Oberfläche der Lotus-Blüte eine Viel­ zahl von Stäbchen, die Dimensionen und laterale Abstände im Nanometer-Bereich haben, so daß die Kontaktfläche zwischen einem Schmutzpartikel oder einer Flüssigkeit und der Blü­ tenoberfläche auf wenige Prozent der projizierten Fläche verringert wird. Somit führt, beispielsweise im Fall einer Wasserpenetration, die geringe wirksame Oberfläche der Blüte bei der relativ hohen Oberflächenspannung von Wasser zu kei­ ner relevanten Benetzung. Vielmehr zieht sich ein Tropfen aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers zusammen, löst eventuell auftretenden Schmutz in sich, und kann leicht durch Schwerkraft oder Luftströmung von der Oberfläche der Blüte wieder entfernt werden.

Technische Verfahren, die diesen sogenannten "Lotus-Blüten- Effekt" ausnutzen und es erlauben, Kunststoffoberflächen in einfacher Weise mit den erforderlichen Strukturen im Nanome­ ter-Bereich zu versehen, sehen bisher vor, dünne Filme, die nanoskalige Partikel enthalten, auf derartigen Oberflächen aufzubringen. Dadurch werden jedoch die chemischen und phy­ sikalischen Eigenschaften des Trägermaterials in vielfach unerwünschter Weise beeinträchtigt.

Eine großflächige Feinstrukturierung von beispielsweise Kunststoffoberflächen scheitert bisher an fehlenden Möglich­ keiten, großflächige Nanostrukturen zu realisieren, da hier­ für bisher ausschließlich die Elektronenstrahl-Lithografie zur Verfügung steht, und diese aus Gründen der Strukturge­ nauigkeit auf Schreibfelder von wenigen cm² beschränkt ist.

Aufgabe der Erfindung war daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur insbesondere großflächigen Erzeugung struktu­ rierter Oberflächen bereitzustellen, die eine erhöhte Resi­ stenz gegen Verschmutzung und Benetzung, insbesondere mit Wasser, aufgrund des "Lotus-Blüten-Effektes" aufweisen. Als zu strukturierende Oberflächen sind dabei neben Kunststoffo­ berflächen Thermoplasten, Duroplasten, Fensterscheiben sowie Displays und Scheinwerfer von Kraftfahrzeugen vorgesehen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung strukturierter Oberflächen hat ge­ genüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß durch die er­ zeugte Oberflächenstrukturierung Stoffe mit relativ hoher Oberflächenspannung wie beispielsweise Wasser derartige Oberflächen nicht benetzen können, so daß eine zuverlässige Hydrophobierung der Oberfläche stets gewährleistet ist.

Weiter wird auch für partikelförmige Stoffe die wirksame Oberfläche, an der eine Haftung stattfinden kann, reduziert, so daß auch hier eine verschmutzungshemmende Wirkung ein­ tritt.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß es sich bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren um eine sehr kostengünstige Herstellungsme­ thode zur Erzeugung von insbesondere stochastischen, nano­ strukturierten Oberflächen handelt, ohne daß dazu aufwendige und teuere Lithografiegeräte eingesetzt werden müssen. Zudem eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vor­ teilhaft auch zur großflächigen Erzeugung strukturierter Oberflächen. So ist das erfindungsgemäße Verfahren bei­ spielsweise mit der zu strukturierenden Fläche skalierbar und prinzipiell nur durch die Größe des Abformwerkzeugs be­ schränkt.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist es besonders vorteilhaft, daß durch Replikation eines sogenannten "Masters" zunächst ein Abformwerkzeug in Form einer flexiblen, rollbaren Folie generiert werden kann, mit der, ähnlich einem Druckverfahren, prinzipiell beliebig lan­ ge Flächen bedruckbar sind.

Als Verfahren zur direkten Replikation des "Masters" und da­ mit zur Herstellung des Abformwerkzeugs eignet sich beson­ ders vorteilhaft die Galvanoformung.

Im einzelnen wird dazu vorteilhaft zunächst eine dünne Me­ tallschicht galvanisch auf dem "Master" abgeschieden, die nach dessen Entfernen als dünner Film verbleibt. Dieser mit der Oberflächenstrukturierung im Nanometerbereich versehene Film wird dann anschließend zur leichteren Verarbeitung vor­ teilhaft auf eine Rolle aufgezogen, die im weiteren als Ab­ formwerkzeug dient. Mit dieser Rolle kann dann sehr vorteil­ haft beispielsweise ein geheizter Thermoplast großflächig durch Abrollen behandelt werden.

Neben der Strukturierung von Kunststoffoberflächen oder Thermoplasten eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren je­ doch auch vorteilhaft zur Strukturierung von Duroplasten, die nach der Oberflächenstrukturierung sowohl durch optische als auch thermische Starter gehärtet werden können.

Zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist weiter sehr vorteilhaft, daß dazu im einzelnen jeweils an sich be­ kannte Verfahren und Materialien eingesetzt werden können.

Als Oberflächenstrukturierung des Abformwerkzeugs der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung, die als Negativform zur Erzeugung der Oberflächenstrukturierung auf der zu strukturierenden Oberfläche dient, eignen sich vorteilhaft eine Vielzahl von Einzelstrukturen, die bevorzugt stochastisch auf der Ober­ fläche des Abformwerkzeugs verteilt sind und beispielsweise die Form von Erhebungen und/oder Vertiefungen, insbesondere Stäbchen, Säulen, Pyramiden oder Löcher haben.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfol­ genden Beschreibung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Erzeugung strukturierter Oberflächen, Fig. 2 zeigt eine Ausschnittvergrößerung der Oberfläche des Abformwerkzeuges und Fig. 3 zeigt eine Ausschnittvergrößerung einer erzeug­ ten strukturierten Oberfläche.

Ausführungsbeispiele

Das Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung strukturierter Oberflächen geht zunächst von einer glatten Silizium-, Siliziumcarbid- oder Aluminiumober­ fläche aus. In dieser Oberfläche werden dann zunächst, bei­ spielsweise mit Hilfe einer an sich bekannten anodischen Ät­ zung, poröse Strukturen erzeugt, indem oberflächennah nahezu senkrechte Kanäle geätzt werden, die einen Durchmesser von einigen nm bis zu einigen 10 nm aufweisen. Die Tiefe dieser Kanäle oder Poren kann einige µm betragen.

Das Verhältnis von Lochfläche zu Restfläche beträgt dabei zwischen ca. 15% und ca. 90%, bevorzugt 20% bis 40%.

Das eingesetzte, an sich bekannte Verfahren zur anodischen Ätzung der Oberfläche, beruht im Fall der Ätzung von Silizi­ um darauf, daß dabei oberflächlich poröses Silizium ent­ steht, und die Dimensionen der in der Oberfläche des Silizi­ umsubstrates erzeugten Kanäle oder Poren durch die Strom­ dichte beim anodischen Ätzen und die Dotierstoffkonzentrati­ on, beispielsweise durch Dotierung mit Bor, ind dem Silizi­ ummaterial eingestellt werden kann.

Als Stromdichten eignen sich 5 mA/cm² bis 200 mA/cm². Typi­ sche Dotierstoffkonzentrationen liegen zwischen 10¹⁵ cm^-3 und 10¹⁹ cm^-3.

Nach Abschluß der anodischen Ätzung weist die Siliziumober­ fläche eine Oberflächenstrukturierung mit typischen Dimen­ sionen in Nanometer-Bereich auf und kann somit als Negativ­ form eines Abformwerkzeugs eingesetzt werden.

Im einzelnen weist die erzeugte Oberflächenstrukturierung des Abformwerkzeugs bevorzugt eine Vielzahl von stochastisch verteilten Einzelstrukturen auf, die voneinander einen mitt­ leren Abstand von 1 nm bis 50 nm haben. Der typische mittle­ re Abstand der erzeugten Einzelstrukturen auf der Oberfläche des Abformwerkzeugs beträgt bevorzugt 5 nm bis 20 nm.

Ein alternatives Verfahren zur Erzeugung eines Abformwerk­ zeugs als Negativform mit einer Oberflächenstrukturierung im Nanometer-Bereich oder unteren µm-Bereich sieht vor, eine Siliziumoberfläche durch chemisches Ätzen mit einer gering konzentrierten KOH-Ätzmischung zu behandeln, die zusätzlich beispielsweise mit Isopropanol versetzt ist und weniger als 10% KOH enthält. Als Temperatur bei diesem chemischen Ätzen werden bevorzugt Temperaturen oberhalb 70°C, insbesondere 70°C bis 85°C eingesetzt.

Durch dieses Verfahren werden auf der Siliziumoberfläche, die später als Abformwerkzeug dient, in an sich bekannter Weise so genannte "Hillocks" bzw. "Random Pyramids" erzeugt. Im einzelnen handelt es sich dabei um Pyramiden unterschied­ licher Höhe und Grundfläche, die typische Dimensionen im Nanometer-Bereich oder unteren µm-Bereich aufweisen. Durch Variation des Isopropanolanteils in der Ätzlösung kann bei­ spielsweise auch die Höhe der erzeugten Pyramidenstrukturen bzw. "Hillocks" verändert werden.

Neben einer KOH-Ätzmischung kommen jedoch auch andere Ätzlö­ sungen für Silizium in Frage wie beispielsweise TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid). Im Fall der Verwendung von TMAH können die Dimensionen der erzeugten Pyramiden auf der Oberfläche des Abformwerkzeugs durch beigesetzte Tenside und Ethylenglykol eingestellt werden.

Die Übertragung der auf dem Abformwerkzeug als Negativform erzeugten Oberflächenstrukturierung im Nanometer-Bereich auf die zu strukturierende Oberfläche erfolgt beispielsweise durch Prägen. Besonders vorteilhafte Prägeverfahren sind Stempeln oder, insbesondere im Fall der Herstellung großflä­ chiger Strukturierungen auf Kunststoffoberflächen, Abrollen auf die zu strukturierende Oberfläche.

Im einzelnen wird beispielsweise mit einem Stempel als Ab­ formwerkzeug, dessen Oberfläche nach dem erläuterten Verfah­ ren präpariert wurde, in einen Thermoplasten, beispielsweise PMMA (Polymethylmetacrylat) oder alternativ in ein Polycar­ bonat, welches deutlich über dem Glaspunkt erhitzt wurde, die Oberflächenstrukturierung des Abformwerkzeugs übertra­ gen, so daß die erhaltene strukturierte Oberfläche des Ther­ moplasten aufgrund des Lotus-Blüten-Effektes eine erhöhte Resistenz gegen Verschmutzung und Benetzung aufweist.

Bei der Prägung des Thermoplasten mit dem Abformwerkzeug kann weiter ein an sich bekanntes Netzmittel eingesetzt wer­ den, welches das Eindringen des Kunststoffes in die nur we­ nige nm großen Oberflächenvertiefungen des Abformwerkzeugs erleichtert.

Eine flächige Bearbeitung größerer Oberflächen ist bei­ spielsweise durch eine parallele Montage von vielen derarti­ gen Abformwerkzeugen in Form von Stempeln möglich.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel sieht vor, auf die zu strukturierende Oberfläche die Oberflächenstrukturierung des Abformwerkzeugs durch Abrollen zu übertragen. Dazu wird bei­ spielsweise in der vorstehend beschriebenen Weise eine Sili­ zium-, Siliziumcarbid- oder Aluminiumstruktur als Form bzw. "Master" (Positivform) für eine galvanisch abzuscheidende Nickel-, Chrom-, oder Chrom/Nickelschicht benutzt. Bevorzugt wird diese galvanisch abgeschiedene Metallschicht dabei so dünn erzeugt, daß sie nach dem Entfernen der Form als dünner Film (Negativform) vorliegt, der anschließend zur leichteren Verarbeitung auf eine Rolle aufgezogen wird. Mit dieser Rol­ le kann dann als Abformwerkzeug beispielsweise ein geheizter Thermoplast analog dem oben beschriebenen Verfahren großflä­ chig durch Abrollen behandelt werden.

Neben Thermoplasten eignet sich das erläuterte Verfahren auch zur Strukturierung von Duroplasten, die nach der Struk­ turierung dann beispielsweise durch optische oder thermische Starter gehärtet werden.

Weiterhin eignen sich die vorstehend beschriebenen Verfahren insbesondere auch zur Oberflächenstrukturierung von Gläsern, insbesondere Fensterscheiben, Streuscheiben von Kraftfahr­ zeugscheinwerfern oder Displayscheiben, um deren Resistenz gegen Verschmutzung und Benetzung zu erhöhen.

Die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele werden wei­ ter im Detail mit Hilfe der Fig. 1 bis 3 erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Prägevorrichtung 1 zur Erzeugung ei­ ner Oberflächenstruktur 7 mit erhöhter Resistenz gegen Be­ netzung und Verschmutzung auf der Oberfläche eines erwärmten Thermoplasten 5, der in Form einer Folie oder einer Scheibe über Trägertische 6 zu einer Anordnung von zwei gegenüber­ stehen, gegensinnig rotierenden Rollen zugeführt wird. Im einzelnen ist eine Transportrolle 3 und eine Abformrolle 2 vorgesehen, die das Abformwerkzeug zur Strukturierung der Oberfläche des Thermoplasten 5 bildet und mit der diese Oberfläche einseitig im Bereich der gegensinnig rotierenden Rollen geprägt wird. Dazu ist die Abformrolle 2 in der vor­ stehend bereits erläuterten Weise oberflächlich mit einer Oberflächenstrukturierung 4 als Negativform versehen. Die Prägevorrichtung 1 ist im übrigen, abgesehen von der Ober­ flächenstrukturierung 4 der Abformrolle 2, dem Fachmann an sich bekannt.

Die Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines stark vergrößer­ ten Ausschnittes der Oberflächenstrukturierung 4 der Abform­ rolle 2 im Schnitt. Diese Oberflächenstrukturierung 4 weist Nanostrukturen 8 in Form von stochastisch verteilten, ober­ flächennahen, nahezu senkrechten Kanälen oder Poren auf, die einen Durchmesser von einigen nm bis zu einigen 10 nm besit­ zen. Die Tiefe dieser Kanäle bzw. Nanostrukturen kann einige µm betragen. Ihr typischer Abstand beträgt bevorzugt ca. 5 nm bis 20 nm. Diese Nanostrukturen 8 dienen als Negativ­ form zur Erzeugung der Oberflächenstruktur 7 an der Oberflä­ che des Thermoplasten 5.

Die Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze eine stark vergrößerten Ausschnittes der Oberfläche des Thermoplasten 5 im Schnitt mit der erzeugten Oberflächenstruktur 7, die geprägte Nano­ strukturen 9 in Form von stochastisch verteilten, oberflä­ chennahen Stäbchen aufweist. Diese haben Dimensionen und sind verteilt analog den Nanostrukturen 8.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erzeugung strukturierter Oberflächen, insbe­ sondere strukturierter Glas-, Metall- oder Kunststoffober­ flächen, mit erhöhter Resistenz gegen Verschmutzung und Be­ netzung mit einem Abformwerkzeug (2), dadurch gekennzeich­ net, daß das Abformwerkzeug (2) als Negativform eine Ober­ flächenstrukturierung (4) im Nanometer-Bereich aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abformwerkzeug ein Stempel oder eine Prägerolle (2) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abformwerkzeug (2) eine Oberflächenstrukturierung (4) mit einer Vielzahl Einzelstrukturen (8) aufweist, die voneinan­ der einen mittleren Abstand von 1 nm bis 50 nm haben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abformwerkzeug (2) eine Oberflächenstrukturierung (4) mit einer Vielzahl von Einzelstrukturen (8) aufweist, die Dimen­ sionen zwischen 5 nm und 20 nm haben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abformwerkzeug (2) eine insbesondere stochastische Oberflä­ chenstrukturierung (4) mit einer Vielzahl von Einzelstruktu­ ren (8) aufweist, die die Form von Erhebungen und/oder Ver­ tiefungen, insbesondere Stäbchen, Säulen, Pyramiden oder Lö­ cher haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abformwerkzeug (8) zumindest oberflächlich aus Silizium, Si­ liziumcarbid oder Aluminium besteht oder diese Materialien enthält.

7. Verfahren zur Erzeugung strukturierter Oberflächen, insbe­ sondere strukturierter Glas-, Metall- oder Kunststoffober­ flächen, mit erhöhter Resistenz gegen Verschmutzung und Be­ netzung mit einer Vorrichtung nach mindestens einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ flächenstrukturierung (4) des Abformwerkzeugs (2) durch Prä­ gen auf die zu strukturierende Oberfläche übertragen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstrukturierung (4) des Abformwerkzeugs (2) durch Stempeln oder Abrollen auf die zu strukturierende Oberfläche übertragen wird.

9. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach minde­ stens einem der vorangehenden Ansprüche zur großflächigen Strukturierung von Kunststoffoberflächen, oder Oberflächen von Thermoplasten (5) oder Duroplasten, insbesondere von Fensterscheiben, Displays und Scheinwerfern von Kraftfahr­ zeugen, die eine erhöhte Resistenz gegen Verschmutzung und Benetzung sollen.