Kratzfeste Kunststoffgläser: Härter als Stahl

Kratzfeste Beschichtungen gibt es viele. Etwas ganz Besonderes sind Kunststoffgläser, die man mit Stahlwolle putzen kann. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF zeigen vom 25. Oktober bis 1. November auf der »K 2001« in Düsseldorf eine neue Beschichtung, die sensible optische Linsen und Displays aus Kunststoff kratzfest und reflexfrei macht.

An den neuen mit »AR-hard« beschichteten Oberflächen darf man getrost kratzen: »Sie sind ungewöhnlich hart, lichtdurchlässig und temperaturbeständig«, erklärt Dr. Ulrike Schulz, Leiterin der Arbeitsgruppe Niedertemperaturbeschichtungen am Jenaer Fraunhofer-Institut. »Das Beschichtungsverfahren ist zudem rationell: Bisher brauchte man zum Härten und Entspiegeln von Kunststofflinsen meist zwei Arbeitsgänge, wir kommen mit einem aus.«

Bei herkömmlichen Beschichtungen muss auf den Kunststoff erst eine Härtungsschicht – meist ist das ein Lack – aufgebracht werden. Auf diese Schicht lassen sich dann die harten, anorganischen Oxide zur Entspiegelung aufdampfen. Die neue Beschichtungsmethode, die Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF entwickelt haben, ist dagegen ein einstufiger Prozess: Die dünnen Entspiegelungsschichten werden schon während der Herstellung in der Plasmaionenkammer in die Hartschichten integriert: In der Beschichtungsanlage werden die verschiedenen Materialien mit einem Elektronenstrahl verdampft. Auf dem Substrat lagern sich wechselweise dicke Glas- oder Polymerschichten und dünne Titanoxid- oder Tantalpentoxidschichten ab. Auf diese Weise entstehen reflexfreie Beschichtungen.

Der Trick: Die dünnen Schichten haben einen höheren Brechungsindex als die dicken. Dadurch wird ein Lichtstrahl, der durch das beschichtete Glas fällt, an den Grenzflächen immer wieder gebrochen. Ist der Abstand richtig gewählt, löschen sich die reflektierten Lichtstrahlen durch Interferenz gegenseitig aus. Insgesamt dringt mehr Licht durch die so beschichteten Linsen als durch die meisten herkömmlich gefertigten: Ohne reflexmindernde Schichten beträgt die Lichttransmission 92 Prozent, mit AR-hard lässt sie sich auf bis zu 99 Prozent steigern. »Die Entspiegelung ist dabei unabhängig von der Dicke der Beschichtung«, ergänzt Schulz. »Eine 800-Nanometer-dünne, siebenlagige Beschichtung reicht bereits aus. Wenn man, wie bei Brillen, robuste, drei Mikrometer dicke Beschichtungen braucht, können mehr als zwei Dutzend Lagen übereinander gestapelt werden.«

Zum Aufbringen der Schichten verwenden die Fraunhofer-Forscher eine Plasma-Beschichtungsanlage von Leibold Optics. »Wir arbeiten gern mit industrietauglichen Beschichtungsanlagen, so können wir unsere Ergebnisse direkt in die Praxis übertragen«, so die Arbeitsgruppenleiterin. Das neue Verfahren hat sie bereits an verschiedenen Oberflächen getestet. Ergebnis: Grundsätzlich lassen sich alle Kunststoffgläser mit dem integrierten Antireflexions- und Härtungsverfahren »AR-hard« beschichten. Klimakammer-Untersuchungen zeigen allerdings, dass es bei der Temperaturbeständigkeit Unterschiede gibt. Am besten schnitten Cycloolefin-Copolymere ab, die unter den Handelsnamen Zeonex (Trademark) oder Topas (Trademark) vertrieben werden: Hier verbindet sich die Beschichtung so gut mit dem Untergrund, dass die Gläser Temperaturschwankungen von -35 bis +100 Grad Celsius tolerieren.

Für die verarbeitende Industrie ergibt sich eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten: Die kratzfesten und harten Beschichtungen sind nicht nur interessant für die Hersteller von Brillengläsern, sondern auch für Produzenten von Displays, die im Automobilbau eingesetzt werden. Die Härtung und Entspiegelung eignet sich ferner für Kamera-, Endoskop- oder Mikroskoplinsen – auch die müssen einiges aushalten und dabei noch möglichst viel Licht durchlassen.

Auf der Kunststoffmesse »K 2001« in Düsseldorf finden Sie die Fraunhofer-Institute unter anderem mit folgenden Themen: Oberflächen mit verschiedenen Funktionen, Optische Rissverfolgung sowie Vakuumbeschichtungsverfahren für Kunststoffe in Halle 3, Stand E91. Hybride Materialien für die Medizintechnik in Halle 5, Stand B38, Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen in Halle 8.2, Stand B4 und Kunststoff- und Laserschweißen in Halle 11, Stand H31.