Plasmagestützte Aufdampfprozesse für die Herstellung haftfester optischer Beschichtungen auf Bisphenol-A Polycarbonat

Abstract

Polycarbonat ist einer der attraktivsten Polymerwerkstoffe für optische Komponenten, jedoch benötigt er für diese Anwendungen eine Beschichtung z.B. zur Reflexionsminderung oder zur Erhöhung der Kratzfestigkeit. Der derzeitige Stand der Technik hinsichtlich der optischen Beschichtung von Polycarbonat mittels plasmaunterstützter Aufdampfverfahren weist zwei wichtige Probleme auf: Unzulänglichkeiten in der Schichthaftung und die UV-Sensitivität der Oberflächen. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb die Realisierung einer Antireflex- Beschichtung auf Bisphenol-A Polycarbonat unter Verbesserung der Schichthaftung sowie der Integration einer UV- Schutzwirkung in das optische Schichtsystem. Die angewandte Beschichtungstechnologie ist die plasmaunterstützte Vakuumbedampfung (Plasma-IAD). An den in dieser Arbeit untersuchten Schichtsubstanzen (SiO2, TiO2, Nb2O5, Ta2O5, ZrO2) konnte gezeigt werden, dass eine starke Verdichtung der Schichten durch den Einsatz einer hohen Plasmaenergie im Beschichtungsprozess zum Haftversagen der Schichten auf Polycarbonat führt. An den Trennstellen enthafteter Schichten fanden sich mittels XPS- und TOF-SIMS- Analysen deutliche Anzeichen von Kettenbrüchen, der Ort des Haftversagen befindet sich unterhalb von weak boundery layers. Aus den Haftfestigkeitsuntersuchungen wird geschlussfolgert, dass sich bei der Anbindung des Schichtmaterials an die Polycarbonatoberfläche durch das Plasma-IAD-Verfahren vorrangig kovalente Bindungen bilden. Der UV-Schutz von Polycarbonat beinhaltet neben dem Schutz vor Vergilbung des Werkstoffes vor allem auch den Schutz vor UV-bedingtem Haftversagen an vor der Exposition sehr gut haftenden Schichten. Offenbar sind alle Wellenlängen unterhalb von 400 nm an Luft grundsätzlich in der Lage, ein nachträgliches Haftversagen der Schichten auszulösen. Aufgrund ihrer spektralen Absorption ist keine der untersuchten hochbrechenden Schichtsubstanzen in der Lage, allein die Schutzwirkung gegen die UV-induzierte Haftungsschädigung der Schichten auf Polycarbonat zu gewährleisten. Deshalb wird als Alternative im Bereich der optischen Beschichtungen die Anwendung eines Bandpass-Designs vorgeschlagen, welches durch eine Erhöhung der Reflexion im kurzwelligen Bereich unterhalb von 400 nm eine mangelnde Absorption ausgleicht.

The main interest of this thesis is focused on the challenge to implement an anti-reflective coating on bisphenol-A polycarbonate by plasma-ion-assisted deposition that exhibits excellent adhesion and additionally offers an UV-protective functionality. This combination enables the usage of coated optical polymer components also under outdoor exposure, e.g. to insolation, without decreasing transmission or losing adherence of the coating. All of the coating materials investigated in this study (SiO2, TiO2, Nb2O5, Ta2O5, ZrO2) and deposited onto bisphenol-A polycarbonate substrates by electron-beam evaporation showed decreasing adherence in consequence of an increased plasma-ion assistance during the deposition process. A strong densification of the thin films on polycarbonate by using high plasma intensity leads to adhesion failure of the coatings. At the parting interfaces of detached coatings, indications of chain breaking have been found by means of XPS und TOF-SIMS. The results can be interpreted as chain breaking processes on the polycarbonate surface due to ion bombardment and/or short-wavelength irradiation from the plasma process, that generate weak boundary layers and prevent a good coating adhesion. The investigations into the adhesion properties of several coating substances on polycarbonate lead to the conclusion that the linkage of the coating material to the polycarbonate surface in a plasma-ion-assisted deposition process is implemented by covalent bonding. The UV-protection of polycarbonate includes protection against yellowing of the substrate as well as the conservation of the coating adhesion during extended UV-exposure. Apparently all wavelengths beneath 400 nm are able to cause adhesion failures of initially well-adhering coatings on polycarbonate. Due to their spectral absorptions, none of the investigated coating substances is able on its own to provide the desired protection against UV-actinic adhesion failure for coated polycarbonate optical components. Therefore, as an alternative for the field of optical coatings it is proposed to apply a bandpass design that balances the lack of absorption of the coating materials in the region directly below 400 nm by an enhanced reflection in this range.