EP1729893B1

EP1729893B1 - Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte benetzungseigenschaften verfügenden technischen oberfläche sowie verfahren zur herstellung der vorrichtung

Info

Publication number: EP1729893B1
Application number: EP05715378A
Authority: EP
Inventors: Günter KLEER; Rainer Kübler; Frank Burmeister; Ellen SCHÄFFER
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: EP1729893A1; ATE504362T1; WO2005105324A1; DE502005011217D1; DE102004019951A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen sowie über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche sowie ein diesbezügliches Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Vorrichtungen der vorstehend genannten Gattung finden Anwendung in unterschiedlichsten technischen Gebieten, in denen der technischen Funktion der Oberfläche eines Körpers oder einer Komponente eine besondere Bedeutung zukommt. Beispielsweise Oberflächen, die zum Schutz vor Medien aller Art dienen, wie bspw. Abdeckungen, optische Sicht- und Schutzfenster etc., sollen einerseits über eine hohe mechanische Robustheit verfügen, um möglichst verschleißfrei äußeren auf die Oberfläche gerichteten mechanischen Einwirkungen zu widerstehen, und andererseits in einem möglichst geringen Maße mit einem auf die jeweilige Oberfläche auftretendem Medium in dauerhaften Kontakt zu treten, um zu vermeiden, dass die technische Funktionalität der Oberfläche durch die Benetzung mit einem Medium in Mitleidenschaft gezogen wird.
In vielen technischen Anwendungsfällen gilt es die Beschaffenheit von Oberflächen gerade so zu wählen, dass die an der Oberfläche vorherrschende Mikrostruktur und Oberflächenenergie zu einer möglichst geringen Benetzung mit einem mit der Oberfläche in Kontakt tretenden Fluid oder Flüssigkeit führt, d. h. der sich bei Kontakt mit einem Fluid ausbildende Benetzungswinkel zwischen einem Fluidtropfen und der benetzten Oberfläche sollte möglichst groß, möglichst > 90°, vorzugsweise > 120° sein. In diesem Fall verfügt die Oberfläche über schmutz- bzw. fluidabweisende Eigenschaften.
Ebenso sind technische Anwendungsfälle denkbar, bei denen Flüssigkeiten oder Fluide mit einen möglichst hohen Benetzungsgrad mit einer Oberfläche in Kontakt treten sollen. Hierzu ist es erforderlich, die zwischen der Oberfläche und dem Fluid herrschende Grenzflächenspannung derart zu wählen, dass sich ein möglichst geringer Benetzungswinkel einstellt. Derart konditionierte Oberflächen führen zur gezielten Spreitung des Fluids, das sich unter Ausbildung eines dünnen Fluidfilmes die Oberfläche überdeckt. Beispiel: Antibeschlagmittel für Brillengläser
Die im Weiteren beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das zur Herstellung der Vorrichtung geeignete Verfahren sieht Oberflächen mit mechanisch robusten, d. h. kratzfesten, Eigenschaften sowie mit gezielt optimierten Benetzungseigenschaften vor, die sich je nach Einsatzzweck entweder durch einen möglichst geringen Benetzungsgrad oder durch eine möglichst gute Benetzbarkeit mit Medien, insbesondere Flüssigkeiten und Fluide, auszeichnen. Ohne den Erfindungsgedanken auf eine der beiden Alternativen einzuschränken, beschäftigen sich die weiteren Ausführungen vornehmlich mit technischen Oberflächen, die über möglichst reduzierte Benetzungseigenschaften verfügen.

Stand der Technik

Zur Verbesserung der mechanischen Beanspruchung technischer Oberflächen, die selbst aus einem nicht weiter kratzbeständigem Material bestehen, werden in an sich bekannter Weise Schichtmaterialien auf die zu schützenden Oberflächen aufgebracht, die in Form von Hartstoffschichten in erster Linie als Schutz gegenüber äußeren mechanischen Einwirkungen dienen. Zwar verfügen derartige Hartstoffschichten über eine hohe Abriebbeständigkeit, doch weisen sie aufgrund ihres Bindungstyps häufig auch hohe Oberflächenenergien auf, die insbesondere zu einem verstärkten Anhaften von festen oder flüssigen Medien führen, wodurch die Oberflächen derartiger Hartstoffschichten leicht verschmutzen. Insbesondere organische oder biologische Materialien, die selbst über niedrige Oberflächenspannungen verfügen, vermögen dauerhaft unter Ausbildung eines innigen Kontaktes an der Hartstoffoberfläche anzuhaften.
Maßnahmen zur Reduzierung der Anhaftung vorstehender Materialien bestehen darin, Substanzen auf die Oberfläche aufzutragen, die selbst über nur geringe Oberflächenenergien verfügen. Derartige Substanzen sind bspw. Fluor- oder Alkylsubstituierte organische Bausteine und/oder Polymere, durch die die Oberfläche der Hartstoffschicht in Hinblick ihrer Benetzungsfähigkeit regelrecht passivierbar ist. Nachteilhaft ist jedoch, dass derartige Materialien nur über eine geringe Resistenz gegenüber abrasiv wirkenden äußeren Einflüssen verfügen, so dass diese Materialien verhältnismäßig leicht aus dem Oberflächenverbund ausgelöst werden können. Auch vermögen Reiberscheinungen durch Inkontakttreten mit härteren Reibpartnern die Materialien leicht aus dem Oberflächenverbund herauszulösen.
Aus der EP 1 249 281 A2 ist eine hydrophobe, selbst reinigende Oberfläche zu entnehmen, auf der Partikel, typischerweise in der Größenordnung < 50 µm, abgeschieden sind, die selbst über eine Struktur im Nanometerbereich verfügen. Das Problem der Kratzbeständigkeit wird in dieser Druckschrift nicht diskutiert.
Die WO 02/091030 A beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung optischer Linsen. Zur Erhöhung der Kratzbeständigkeit wird eine kratzbeständige Oberflächenschicht auf die Linsenoberfläche abgeschieden. Die Oberfläche selbst kann aus Gründen einer anti-reflektierenden Wirkung zusätzlich Mikrostrukturen enthalten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügende technische Oberfläche derart auszubilden, dass die in Rede stehende Oberfläche sowohl über eine hohe Kratzbeständigkeit als auch über eine hinreichend benetzungsoptimierte Funktion mit hoher Langzeitbeständigkeit verfügen soll. Insbesondere soll es möglich sein, Vorrichtungen und Komponenten mit einer kratzbeständigen und benetzungsoptimierten Oberfläche in einer möglichst einfachen und kostengünstigen Weise herzustellen. Je nach Einsatzzweck soll es darüber hinaus möglich sein, die Benetzungseigenschaften zweck- und anwendungsorientiert gezielt einzustellen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 15 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren der Vorrichtung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche derart weitergebildet, dass die technische Oberfläche flächig verteilte Strukturelemente mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im µm- und/oder sub-µm-Bereich aufweist, und dass ausschließlich Oberflächenbereiche zwischen zwei benachbarten Strukturelementmaxima wenigstens teilweise mit einer die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialschicht überdeckt sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee liegt im Zusammenwirken der vorzugsweise aus mechanisch robusten Hartstoff bestehenden Strukturelementen, deren Strukturmaxima die in den Vertiefungen der Mikrostruktur befindliche Materialschicht überragen, und eben der die Benetzungseigenschaften der Oberfläche bestimmenden Materialschicht selbst. Die die Materialschicht überhöhenden Strukturelemente dienen vornehmlich zum Schutz vor unmittelbaren Reibkontakt an der Materialschicht mit möglichen Reibpartnern. In Fällen, in denen Reibpartner beliebiger Art in Kontakt mit der erfindungsgemäß gestalteten Oberfläche treten, sorgen die Strukturelemente für eine sichere Beabstandung der Reibpartner von der in den Vertiefungen der Mikrostruktur befindlichen Materialschicht. Lediglich die oberen Bereiche der Strukturelemente treten in diesen Fällen in Kontakt mit einem jeweiligen Reibpartner, wodurch jedoch die Strukturelemente durch ihre mechanische Robustheit und Härte gegen Beschädigungen extrem widerstandsfähig sind. Die ausgewählte Härte des Materials, aus dem die Strukturelemente gefertigt sind, ist somit entscheidend für die von der Oberfläche geforderten Kratzbeständigkeit.
Besonders vorteilhaft in Hinblick auf eine erwünschte hohe Kratzbeständigkeit in Kombination mit einer optimierten Benetzbarkeit erweisen sich Strukturelemente mit lateralen Strukturdimensionen zwischen 50 nm und 150 µm sowie mit vertikalen Abmessungen, d. h. normal zur Oberfläche orientierte Strukturdimensionen, im Bereich zwischen 20 nm und 150 µm.
In einem einfachsten Ausführungsbeispiel ist die mikrostrukturierte technische Oberfläche unmittelbar in die Materialoberfläche eines Körpers oder einer Komponente eingearbeitet. Die Ausbildung der Mikrostrukturierung erfolgt in vorteilhafter Weise mit Hilfe formgebender Prägewerkzeuge, mit denen die Oberfläche der jeweiligen Vorrichtung bzw. Komponente bearbeitet wird. Im einfachsten Fall dient zur Herstellung der die Mikrostruktur bildenden Strukturelemente ein die Negativform der Mikrostruktur aufweisendes, formgebendes Prägewerkzeug, das druckbeaufschlagt auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Komponente gepresst wird.
In einem an den Abformvorgang anschließenden Verfahrensschritt gilt es, eine die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht auf die vorstrukturierte Komponentenoberfläche abzuscheiden. Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, die Materialschicht ausschließlich zwischen den Strukturelementmaxima abzuscheiden, vielmehr kann aufgrund erwünschter Prozessökonomie die vorstrukturierte Oberfläche ganzflächig mit einer geeignet ausgewählten Materialschicht überdeckt werden. Für diesen Vorgang bieten sich an sich bekannte Abscheidetechniken an, wie bspw. die Benetzung der vorstrukturierten Oberfläche mittels Tauchtechnik, das Aufbringen der Materialschicht im Wege mechanischer Auftragetechniken, bspw. unter mittels Pinsel- oder Stempeltechnik, das Aufspinnen, Aufsprühen, Aufdampfen oder das plasmagestützte Auftragen. Auch sind beliebige Kombinationen der vorstehenden Beschichtungstechniken möglich. In allen Fällen wird die, die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht mit einer Schichtdicke auf die vorstrukturierte Oberfläche abgeschieden, bei der sämtliche Strukturelementmaxima vorzugsweise mit einer einheitlichen Materialschichtdicke überdeckt werden. Vorzugsweise sollte die, die Strukturelementmaxima überhöhende Materialschichtdicke 0,5 mm nicht überschreiten.
Da wie im Weiteren noch ausgeführt wird, das die Benetzungseigenschaften bestimmende Material über eine weit geringere mechanische Robustheit bzw. Festigkeit verfügt als jenes Material, aus dem die Strukturelement bestehen, erfolgt in aller Regel ein durch den bestimmungsgemäßen Einsatz und Gebrauch der jeweiligen Komponente bedingter Materialabtrag, durch den die auf die Mikrostruktur aufgebrachte Materialschicht bis zu einer Materialrestschichtdicke abgetragen wird, die im Bereich der maximalen Strukturelementhöhe sowie darunter liegt. Ein weiterer durch äußere Einwirkungen hervorgerufener Materialabtrag an der Materialschicht unterbleibt selbst unter abrasiv wirkenden Umgebungsbedingungen, zumal die in den Zwischenbereichen zwischen den Strukturelementen befindliche Materialschicht durch die Strukturüberhöhungen vor weiterem Materialabtrag geschützt werden. Auch kann dem Materialabscheidevorgang ein technisch geregelter Materialabtragevorgang nachgeschaltet werden, um die erwünschte Materialschichtablagerung zwischen den Strukturelementmaxima zu erhalten.
Zur Einstellung der Benetzungseigenschaften der erfindungsgemäß ausgebildeten Oberfläche spielt die Materialwahl für die zwischen den einzelnen Strukturelementen abzuscheidende Materialschicht eine zentrale Rolle. Gilt es, wie eingangs erwähnt, eine kratzfeste Oberfläche zu schaffen, auf der bspw. Flüssigkeiten oder Fluide die Tendenz des Spreitens zeigen sollen, so sind Materialien auszuwählen, an denen Flüssigkeiten oder Fluide einen sehr kleinen Kontaktwinkel annehmen, vorzugsweise einen Kontaktwinkel von 0° annehmen, d. h. der Flüssigkeits- oder Fluidtropfen breitet sich als dünner Film über die gesamte Oberfläche aus. Soll hingegen die Oberfläche eine möglichst geringe Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten oder Fluiden aufweisen, so sind Materialien für die Materialschicht zu wählen, die bei Kontakt mit Flüssigkeiten einen möglichst großen Kontaktwinkel, vorzugsweise > 90° hervorrufen. Derartige Materialschichtoberflächen wirken stark hydrophob bzw. material- oder schmutzabweisend. Derartige Materialien stellen vorzugsweise Moleküle, Molekülbausteine oder Polymerbausteine dar, die wenigstens anteilig von Fluor-, Silan- und/oder Alkylgruppen tragende Moleküle gebildet werden. Ebenso eigenen sich Materialien, die wenigstens anteilig Fluorgruppen, Silangruppen oder Alkylgruppen tragende Molekülbausteine oder Polymerbausteine enthalten. Insbesondere eignen sich hierzu Moleküle, Molekülbausteine oder Polymerbausteine, die wenigstens anteilig Fluorverbindungen, wie bspw. Fluorsilane, Fluorsilanhydrosilate, Fluorcarbonharze oder Fluoracrylate enthalten. Gleichsam eignen sich Materialien mit Komponenten auf Siliconbasis. Weitere geeignete Stoffgruppen betreffen organische Oligomere, Polymere bzw. Copolymere mit polaren Gruppen, wie bspw. Hydroxyethylacrylsäureester, Hydroxyethylmethacrylsäureester, Polyurethan, Polyethylenglycol oder Hydroxyethylcellulose. Die Reihe geeigneter Materialien lässt sich in an sich bekannter Weise fortsetzen.
In einer weiteren vorteilhaften Weise können die benetzungssteuernden bzw. die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialien zur Erzielung einer bakteriellen, antibakteriellen sowie zellaktiven Wirkung wenigstens anteilig Metalle oder Metallionen enthalten, wie bspw. Silber oder Kupfer.
Als besonders vorteilhaft hat sich für eine geeignete Materialschichtdicke der sich in den Vertiefungen der Mikrostruktur anzuordnenden Materialschicht die Ausbildung von etwa 30 oder mehr Moleküllagen aus den vorstehend beschriebenen Molekülen, Molekülbausteinen und/oder Polymerbausteinen erwiesen.
Die vorstehend beschriebene Mikrostruktur ist mittels Abform- oder Prägetechnik in die Materialoberfläche einer Komponente oder Vorrichtung eingearbeitet worden, so dass die einzelnen Strukturelemente aus dem gleichen Material bestehen wie die Komponente selbst, bzw. Teile der Komponente selbst. Alternativ hierzu ist es ebenso möglich, die Strukturelemente im Rahmen einer extra auf der Komponentenoberfläche abzuscheidenden Materialschicht auszubilden. Besonders eignet sich hierzu das PVD-Abscheideverfahren mit dem Hartstoffschichten auf eine Komponentenoberfläche abzuscheiden sind, wobei sich die Strukturelemente in selbst organisierender Weise auszubilden vermögen. Als Hartstoffschichtmaterialien eignen sich Materialsysteme auf Basis nitridischer und/oder oxidischer Hartstoffe nach folgender Stoffzusammensetzung: Me:O_x/N_y, unter Verwendung eines der nachfolgenden Metalle Ti, Zr, Al, W, Mo, Si, Cr. Derartige Hartstoffmaterialien verfügen über die für die gewünschte Kratzbeständigkeit erforderliche Materialhärte und vermögen die, die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht vor äußeren mechanischen sowie auch abrasiv wirkenden Einflüssen dauerhaft zu schützen.
Ebenso denkbar ist die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Oberflächenaufbaus, mit einem strukturierten Grundsubstrat, das in Art einer Folie ausgebildet ist, deren eine Oberseite in der vorstehend beschriebenen Weise mikrostrukturiert ist. Zumindest in den durch benachbarte Strukturelemente begrenzten Vertiefungen ist eine die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht abgeschieden, deren Schichtoberfläche jeweils, zumindest von den höchsten Erhebungen der Strukturelemente überragt wird. Das folienartig ausgebildete Grundsubstrat kann entsprechend über eine, an der der strukturierten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche vorgesehenen adhäsiv wirkenden Haftvermittlerschicht auf beliebige Komponenten und Vorrichtung aufgebracht werden. Beispielsweise können entsprechend konfektionierte Folien, die über optisch transparente Eigenschaften verfügen, auf Fensterscheiben aufgeklebt werden, wodurch den insbesondere äußeren Witterungserscheinungen ausgesetzten Fensterflächen eine kratzbeständige sowie wasser- und schmutzaufweisende Oberflächenwirkung

verliehen wird.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b: Komponente mit strukturierter Oberfläche sowie
Fig. 2: Komponente mit zusätzlicher mikrostrukturierter PVD-Schicht.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In den Figuren 1a und b sind jeweils schematisierte Querschnittsbilder durch den Oberflächenbereich einer Komponente 3 dargestellt, die vorzugsweise aus einem Hartstoffmaterial gefertigt ist, das über eine ausreichende Materialhärte verfügt. Die Oberfläche der Komponente 3 weist eine Mikrostrukturierung mit stochastisch ausgebildeten und angeordneten Strukturelementen 1 auf. Ebenso denkbar ist eine periodische Anordnung von Strukturelementen oder eine Mischung von stochastisch und periodisch angeordnete Strukturelementen 1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a weisen die Strukturelemente 1 jeweils laterale Abstände zwischen 50 nm - 150 µm auf. Durchschnittliche vertikale Strukturdimensionen liegen in der Größenordnung zwischen 20 nm und 100 µm.
Zur Herstellung der in die Oberfläche der Komponente 3 eingebrachte Mikrostruktur können an sich bekannte Präge- sowie Abformprozesse eingesetzt werden, bspw. mittels Presskontakt zwischen einem Prägewerkzeug bzw. -stempel und der zu strukturierenden Materialoberfläche.
Ferner weist die technisch funktional ausgebildete Oberfläche eine die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht 7 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a die Strukturelemente 1 vollständig überdeckt. Die Überdeckung rührt von der Art ihrer Herstellungsweise her, bei der die Materialschicht 7 im Wege eines konventionellen Materialauftragevorganges auf die vorstrukturierte Oberfläche abgeschieden wird. Bspw. eignen sich mechanische Auftragungstechniken bspw. mit Hilfe von Pinsel oder das Benetzen der mikrostrukturierten Oberfläche durch Eintauchen der Mikrostruktur in ein Tauchbad, ebenso kann die Materialschicht 7 mittels Aufspinnen, Aufsprühen, Aufdampfen oder mittels plasmagestützten Auftragen abgeschieden werden.
Je nach Anwendungszweck werden Materialien für die Schicht 7 gewählt, die über bestimmte Oberflächenenergien verfügen und entweder zu einem Spreiten von auf der Materialschichtoberfläche 7 in Kontakt tretenden Flüssigkeiten oder Fluiden führen oder zu ihrer entsprechenden Abweisung. Letztere Eigenschaft dient insbesondere für technisch funktionale Oberflächen mit schmutz- und wasserabweisenden Oberflächeneigenschaften. Zur Auswahl geeigneter Materialien stehen dem Fachmann an sich bekannte Materialien, wie vorstehend erwähnt, zur Verfügung.
Typischerweise ist die Materialschicht 7 im Vergleich zum Material, aus dem die Komponente 3 besteht, weit weniger mechanisch robust, so dass durch äußere mechanische Einwirkungen, bspw. durch Reibung, ein entsprechender Materialabtrag an den die Strukturelemente 1 überragenden Materialschichtbereichen auftritt. Bspw. durch den bestimmungsgemäßen Gebrauch der erfindungsgemäß ausgebildeten Oberfläche kommt es zu einem Materialabtrag bis zu einem Zustand der in Figur 1b dargestellt ist. Ebenso kann der Materialabtrag technisch gezielt vorgenommen werden
In Figuren 1b ist die Materialschicht 7 durch entsprechenden Materialabtrag soweit dickenreduziert, dass die Materialschicht 7 ausschließlich jene Oberflächenbereiche überdeckt, die jeweils zwischen zwei Strukturelementmaxima liegen. Die Strukturelementmaxima, die sich senkrecht über die Bereiche der innerhalb der Vertiefungen befindlichen Materialschicht 7 erheben, dienen einerseits als Schutz vor weiterem durch Abrieb bedingten Materialabtrag an der Materialschicht 7 und zudem verleihen sie der gesamten Oberfläche ihre Kratzfestigkeit, zumal sie bevorzugt aus hartem Material bestehen, wie bspw. aus nitridischen oder oxidischen Hartstoffen. Die zwischen den einzelnen Strukturelementmaxima befindlichen Materialschichtbereiche 7 bestimmen die Benetzungseigenschaften der strukturierten Oberfläche. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass der Volumenanteil der Materialschicht 7 innerhalb eines sog. Rauhigkeitsbereiches 6, der durch eine obere Begrenzungsebene OB, die das absolute Maximum 5 aller Strukturelemente enthält, sowie durch die untere Begrenzungsebene UB, die das absolute Minimum 4 aller Strukturelemente enthält, begrenzt wird, bis zu 30 %, vorzugsweise zwischen 10 und 20 % beträgt.
In Figur 2 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die mikrostrukturierte Oberfläche nicht wie im vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar in die Oberfläche einer Materialkomponente 3 eingearbeitet ist, sondern in Form einer zusätzlich PVD-Schicht 8 auf einer Oberfläche der Komponente 3 abgeschieden ist. Zur Herstellung der mikrostrukturierten PVD-Schicht bedient man sich in vorteilhafter Weise einer selbstorganisierenden, Strukturbildung, die im Rahmen des PVD-Abscheideverfahrens herstellbar ist. Auch im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind die Strukturelemente 1 stochastisch ausgebildet und verteilt angeordnet. In den Vertiefungen zwischen den die Oberfläche überragenden Strukturelement 1 ist die, die Benetzungseigenschaften bestimmende Materialschicht 7, wie vorstehend beschrieben, abgeschieden. Wieder ereignet sich zur Ausbildung der Strukturelemente die Verwendung nitridischer und/oder oxidischer Hartstoffe gemäß nachfolgender Stoffstruktur: Me:O_x/N_y mit den Metallen Titan, Zirkonium, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Silizium oder Chrom.

Bezugszeichenliste

1: Strukturelemente
2: Vertiefungen
3: Material, Komponente
4: Absolutes Minimum
5: Absolutes Maximum
6: Rauhigkeitsbereich
7: Materialschicht
8: PVD-Schicht
OB: Obere Begrenzungsebene
UB: Untere Begrenzungsebene

Claims

Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche,
dadurch gekennzeichnet, dass die technische Oberfläche flächig verteilte Strukturelemente mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im µm- und/oder sub-µm-Bereich aufweist, und
dass ausschließlich Oberflächenbereiche zwischen zwei benachbarten Strukturelementmaxima wenigstens teilweise mit einer die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialschicht überdeckt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente stochastisch und/oder periodisch verteilt angeordnet sind und laterale Strukturdimensionen zwischen 50 nm und 150 µm und normal zur Oberfläche orientierte Strukturdimensionen zwischen 20 nm und 150 µm aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente jeweils über ein Strukturmaximum und eine Strukturminimum verfügen,
dass ein Rauhigkeitsbereich durch eine obere und untere Begrenzungsebene gegeben ist, wobei die obere Begrenzungsebene das absolute Maximum und die untere Begrenzungsebene das absolute Minimum aller Strukturelemente enthält und beide Begrenzungsebenen weitgehend parallel zur lateralen Erstreckung der technischen Oberfläche orientiert sind, und
dass der Volumenanteil der die Benetzungseigenschaften beeinflussenden Materialschicht innerhalb des Rauhigkeitsbereiches bis zu 30% beträgt, vorzugsweise zwischen 10% und 20% liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht aus benetzungssteuernden Molekülen, Molekülbausteinen und/oder Polymerbausteinen besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht wenigstens anteilig Fluor-, Silan- und/oder Alkygruppen tragende Moleküle oder wenigstens anteilig Fluorgruppen, Silangruppen und/oder Alkylgruppen tragende Molekülbausteine und/oder Polymerbausteine enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht wenigstens anteilig eine Fluorverbindung, wie Fluorsilan, Fluorsilanhydrosylat, Fluorcarbonharz, Fluoracrylat und/oder wenigstens eine Materialkomponente auf Silikonbasis enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht wenigstens anteilig organische Moleküle, Molekülbausteine, Oligomere und/oder Polymere oder Copolymere mit polaren Gruppen, vorzugsweise COH, COOH, COONH, SO₃H aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht zu Zwecken einer bakteriellen, antibakteriellen und/oder zellaktiven Wirkung anteilig Metall oder Metallionen, vorzugsweise Ta, Ag oder Cu, enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht eine Schichtdicke von wenigstens 30 Moleküllagen aus benetzungssteuernden Molekülen, Molekülbausteinen und/oder Polymerbausteinen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die technische Oberfläche wenigstens ein Teil einer Oberfläche eines Grundsubstrates ist,
dass die Strukturelemente einstückig aus dem Grundsubstrat gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der technischen Oberfläche in Form wenigstens einer Zusatzschicht auf einem Grundsubstrat aufgebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschicht eine nitridische und/oder oxidische Hartstoffschicht ist, bestehend aus einer Metallverbindung der folgenden Art: Me:O_x/N_y, mit Metallen wie Ti, Zr, Al, W, Mo, Si, Cr.
Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschicht eine metallische Schicht ist, bestehend aus Edelmetallen wie Cu, Ag, Au oder Legierungen davon
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Benetzungseigenschaften beeinflussende Materialschicht die Benetzungseigenschaften gezielt erhöht oder reduziert.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Strukturieren einer Oberfläche eines Grundsubstrates zur Ausbildung von Strukturelementen mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im µm- und/oder sub-µm-Bereich, oder

- Abscheiden einer Zusatzschicht auf einer Oberfläche eines Grundsubstrates unter Ausbildung von Strukturelementen mit sich lateral sowie normal zur Oberfläche erstreckenden Strukturdimensionen im µm- und/oder sub-µm-Bereich,

- Abscheiden einer die Benetzungseigenschaften der technischen Oberfläche beeinflussenden Materialschicht ausschließlich in Oberflächenbereichen zwischen zwei benachbarten Strukturelementmaxima oder
ganzflächiges Abscheiden einer die Benetzungseigenschaften der technischen Oberfläche beeinflussenden Materialschicht auf die vorstrukturierte Oberfläche und Abtragen der Materialschicht bis zu einer Materialrestschichtdicke, die im Bereich der maximalen Strukturelementhöhe oder darunter liegt.
Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Grundsubstrates durch einen Abform- oder Prägevorgang oder mittels eines lithographischen Verfahrens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Zusatzschicht mittels eines PVD-Abscheideverfahrens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Strukturelemente im Rahmen des PVD-Abscheideverfahrens in Form einer selbstorganisierenden Strukturbildung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der die Benetzungseigenschaften der technischen Oberfläche beeinflussenden Materialschicht unter Anwendung wenigstens eines der folgenden Abscheideverfahren erfolgt:
Tauchbad, mechanisches Auftragen, Aufspinnen, Aufsprühen, Aufdampfen, und/oder plasmagestütztes Auftragen.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Abdeckelement, optisches Element, wie Sichtfenster, oder Handhabungs- oder Dekorteile.