PolAR − Polymerfolien mit Anti-Reflexeigenschaften durch Plasmaätzen

In dem Projekt wird ein neuer Weg erforscht, Folien zu entspiegeln. Ein bisher für kleine und kompakte optische Teile erprobter Plasmaätzprozess soll für die Modifizierung von Folienoberflächen nutzbar gemacht werden.
Wesentliches Ziel des Vorhabens ist die Realisierung eines solchen Prozesses auf einer kontinuierlich arbeitenden Anlage (Roll-Coater).

Die technischen Arbeitsziele des Projektes beinhalten

• die Untersuchung und Evaluierung von Plasma- und Ionenquellen, die einen effektiven Materialabtrag auf definierten Folien gewährleisten können,
• die Ermittlung der Parameter zur Erzeugung entspiegelnder Strukturen auf PET-Folie, TAC-Folie und drei weiteren Folienmaterialien auf der Grundlage der Optimierung von Initialschichten (Schichtmaterial und Schichtdicke) und Ätzparametern,
• den Aufbau und die Erprobung eines Roll-Coaters mit Plasma- oder Ionenquelle mit dem Ziel der Erzeugung der Strukturen im kontinuierlichen Prozess sowie
• die Herstellung und den Test von Demonstratoren.

Kunststofffolien werden heute in außerordentlich großen Mengen produziert. Der größte Verbraucher ist die Verpackungsindustrie im Lebensmittelbereich. Darüber hinaus gibt es eine sehr breite Palette von Anwendungen in technisch hochwertigen Produkten. Diese reichen von Verpackungen oder Schutzverkapselungen von Arzneimitteln und elektronischen Gütern über dekorative Elemente bis hin zur Realisierung von komplexen Funktionen in Displays oder Solarzellen. Im Zuge der zunehmenden Verbreitung von mobilen elektronischen Geräten aller Art gewannen insbesondere die zuletzt genannten Anwendungen an Bedeutung.

In sehr vielen Fällen müssen die optischen Eigenschaften der Folie für eine bestimmte Anwendung geändert werden. Eine herausragende Rolle spielt dabei die Ausrüstung mit einer Anti-Reflexeigenschaft. Wegen der unterschiedlichen Brechzahl von Kunststoffen und Luft wird das Licht auch bei transparenten Folien sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite teilweise reflektiert. Bei dem weit verbreiteten PET macht das beispielsweise etwa 12 % aus, ein Wert der höher liegt als bei Glas.

Polymerfolien mit Anti-Reflexeigenschaften könnten überall dort eingesetzt werden, wo große Flächen kostengünstig entspiegelt werden müssen. Typische Anwendungsfelder sind Verglasungen in den Bereichen Vitrinen und Schaufenster, großflächige optische Elemente für Projektionsgeräte und Fahrzeugteile. Daneben sind z. B. für Sportbrillen, Windschutzscheiben und Displays Oberflächen interessant, die sowohl entspiegelt als auch beschlagfrei sind.

Entscheidend für eine kommerzielle Nutzung, speziell für mittelständige Firmen, ist eine kostengünstige Verfügbarkeit von entspiegelten Folien. Dem wird im Projekt in doppelter Weise Rechnung getragen. Auf der einen Seite wird mit dem Plasmaätzen ein Verfahren umgesetzt, welches das Potenzial zu niedrigen Produktionskosten bei guter Qualität besitzt. Zum anderen fokussiert sich die Arbeit auf die Umsetzung an einer Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlage. Dieser Maschinentyp hat sehr gute Eigenschaften bezüglich der Materiallogistik und ist universell für verschiedene Rollenware einsetzbar. Zugleich eröffnen der kontinuierliche Durchlauf und das gleichzeitige Ablaufen aller notwendigen Prozesse noch einmal die Möglichkeit zur kostengünstigen Produktion.

Die Initiative zum Projekt ging vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF aus. Hier waren in den vergangenen Jahren die Basisprozesse entwickelt worden, mit denen auf kompakten Kunststoffmaterialien bereits erfolgreich Anti-Reflexstrukturen erzeugt werden. In direkten Kontakten mit den Folienherstellern Southwall Europe und Island Polymer war offensichtlich geworden, dass es einen Bedarf für entspiegelte Folien gibt, der zurzeit nicht durch europäische Firmen gedeckt wird.

In Hinblick auf eine erfolgreiche und effiziente Umsetzung der vorgestellten Lösungsstrategie bietet das aufgestellte Konsortium beste Voraussetzungen, da sich die Erfahrungsbereiche der Partner nahezu ideal ergänzen. Zu allen Projektstufen sind im Netzwerk führende Erfahrungsträger aus den notwendigen industriellen Technologiedisziplinen integriert. Die Evaluierung verschiedener Plasmaquellen in der Startphase des Projektes wird mit Unterstützung und Technik der Roth&Rau AG erfolgen. Gleichzeitig werden an den Forschungseinrichtungen die Mechanismen erforscht, die zu einer veränderten Topografie der Folienmaterialien bei Plasmaeinwirkung führen. Schwerpunkt des Projektes ist der Aufbau und die Erprobung einer Roll-Coater-Technologie zur Strukturerzeugung. Hierbei arbeiten hauptsächlich das Fraunhofer FEP sowie die Firmen Roth&Rau AG und Southwall Europe GmbH zusammen.

Eine parallele Entwicklung sind Versuche zur Abformung von Anti-Reflexstrukturen von einem Folienmaster. Ein Transfer von Strukturen auf diesem Weg ist vor allem für optische Linsen und Brillengläser interessant und steht deshalb im Fokus von Arbeiten, die das Fraunhofer IOF gemeinsam mit Leica Microsystems GmbH und Rodenstock GmbH durchführt. Als typische Anwender von veredelten Folien werden die Firmen Johnson Controls GmbH, NOWOFOL Kunststoffprodukte GmbH & Co. KG und SeeReal Technologies GmbH hauptsächlich Spezifikationen für die Kombinationen von Reflexminderung und Antibeschlageigenschaften sowie Reflexminderung und Hydrophobierung bereitstellen und die hergestellten Folienmuster prüfen und bewerten.

Das Netzwerk des Projektes deckt somit mit seinem Konsortium eine Wertschöpfungskette ab, die von der Evaluierung der zu entspiegelnden Materialien über den Aufbau geeigneter Anlagentechnik zur Prozessentwicklung und schließlich zum Test der erreichten Performance auf Demonstratoren führt. Hierbei gliedern sich die Industriepartner in die Schwerpunktbereiche Folienhersteller, Anlagenbauer/Ionenquellenhersteller, Beschichter und Anwender.

Optische Komponenten und Folien aus Kunststoff sind in Deutschland typische Felder für Produkte kleiner und mittlerer Unternehmen. Dabei unterliegen KMU auch dem Wettbewerb um höchste Funktionalität und Gebrauchswert der Produkte. Die Forschungsergebnisse bilden die Grundlage für innovative effiziente optische Komponenten, die z. B. für Produktentwicklungen, wie optische Sensoren in den Bereichen Informations- und Kommunikationstechnik sowie Medizintechnik, benötigt werden. Aus Sicht der beteiligten Firmen ist für die europäische Industrie von strategischer Bedeutung, eigene Aktivitäten auf den Gebieten Displaytechnik und Feinoptik aufweisen zu können und eine gewisse Unabhängigkeit gegenüber Marktführern z. B. aus Fernost zu bewahren.

Die im Verbund zusammenarbeitenden Firmen und Forschungseinrichtungen werden die Projektergebnisse auf folgenden Gebieten verwerten:

• Herstellung sowie Vertrieb entspiegelter Folie als preisgünstiges Massenprodukt
• Verwendung speziell veredelter Folien bzw. der auf Kunststoff erzeugten Nanostrukturierung in Kombination mit Schichten auf hochwertigen Produkten der Optik
• Entwicklung und Vertrieb von optimierter Plasma- und Beschichtungstechnik für Anwender, die ihre Produkte mittels der Nanostrukturierung veredeln wollen

Das Verbundprojekt PolAR ist grundsätzlich offen für weitere Kooperationen, wenn dabei die Interessen der Firmen, die das Vorhaben bereits mit Barleistungen und FuE-Beiträgen unterstützen, und die Interessen der beteiligten Institute gewahrt bleiben.