DE19519975C1 - Verfahren zur Prüfung der Feuchtedurchlässigkeit einer dünnen Schicht - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver­ fahren zur Prüfung der Feuchtedurchlässigkeit einer dünnen Schicht.

Dünne Schichten dienen dem Schutz von Werkstücken gegen mechanische Belastungen oder gegen die Einwir­ kung von Chemikalien. Oftmals besitzen dünne Schich­ ten auch weitere funktionelle Eigenschaften für die damit beschichteten Werkstücke. Insbesondere in der optischen Industrie werden Beschichtungen entwickelt, die zusätzlich bestimmte mechanische oder optische Funktionen erfüllen sollen. So werden z. B. Beschich­ tungen mit speziellen Transmissionseigenschaften als UV-Filter oder zur Entspiegelung von Glasflächen, Brillengläsern etc. hergestellt.

Bei Werkstücken, die reversibel Wasser aufnehmen kön­ nen, ändern sich die funktionellen Eigenschaften und die Korrosionsanfälligkeit oft mit dem Feuchtigkeits­ gehalt der Umwelt und den hierdurch bedingten Schwan­ kungen im Wassergehalt des Werkstücks. Insbesondere in der Feinoptik und Brillenoptik werden oft organi­ sche Polymere verwendet, die stark klimaabhängigen Schwankungen im Wassergehalt unterliegen. Durch der­ artige Schwankungen im Wassergehalt können sich die optischen Parameter der Bauteile ändern und/oder Kor­ rosionsprozesse beschleunigt werden.

Bei der Entwicklung von Überzügen und Beschichtungen, die eigene Funktionen für das Werkstück haben oder zu deren Schutz vor Umwelteinwirkungen dienen, spielt daher auch die Durchlässigkeit dieser dünnen Schich­ ten für Feuchtigkeit eine große Rolle.

Zur Bestimmung des Wassergehaltes von Werkstücken sind chemische und physikalische Verfahren bekannt. Bei dem Karl-Fischer-Titrations-Verfahren wird der Wassergehalt über eine oxidative Titration (Karl-Fi­ scher-Titration) bestimmt, wobei das in dem Werkstück enthaltene Wasser quantitativ mit sogenannten Karl- Fischer-Reagentien umgesetzt wird. Physikalisch kann der Wassergehalt eines dafür geeigneten Werkstückes über das Meßprinzip der Nah-Infrarot-Spektroskopie bestimmt werden, indem von dem Werkstück die Infra­ rotspektren im Bereich der OH-Kombinations- und Ober­ schwingungsbanden bei 1,4 Mikrometer und 1,9 Mikrome­ ter aufgenommen werden. Die Gesamtabsorption aufgrund dieser OH-Schwingungen ist dann ein Maß für den Was­ sergehalt des Werkstücks.

Die Nah-Infrarot-Spektroskopie findet bisher vor allem bei der Bestimmung des Wassergehalts von Schmiermitteln (Pearson, B.D. (1966) Analyst 91, 247-250), organischen Lösungsmitteln (Meeker u. a. (1962) Anal. Chem. 34, 1510-1511), Zellulose (Basch u. a. (1974) J.Pol.Sci. 12, 1143-1150) und von gepulverten und flüssigen Polyolen (Roy. u. a. (1988) Polym.Mater.Sci.Eng. 58, 542-546) Verwendung.

Eine Verwendung dieser Verfahren zur Bestimmung der Feuchtedurchlässigkeit einer dünnen Schicht ist bisher nicht bekannt.

Aus der SU 787 971 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein feuchtigkeitsempfindliches Material mit einem vom Wassergehalt abhängigen Widerstand überzogen wird. An­ schließend wird der die Durchlässigkeit für Wasserdampf durch eine Widerstandsmessung ermittelt.

Die DE-AS 18 08 234 schildert ein Verfahren, bei dem ein flüssigkeitsgetränktes Material in eine Verpackung gebracht wird. Anschließend wird die Feuchtigkeitsabga­ be durch die Verpackung an die Außenatmosphäre durch IR-Spektroskopie des Wasserdampfes bestimmt.

Die US 5 390 539 offenbart ein Verfahren, um die Was­ serdampfdurchlässigkeit einer freitragenden Membran zwischen zwei Kammern zu messen, die einen unterschied­ lichen Gehalt an Wasserdampf besitzen. Die Änderung des Wasserdampfgehaltes eines durch eine der Kammern strö­ menden Gases wird auch hier über IR-Spektroskopie des Wasserdampfes gemessen.

Aus der Verpackungs- und Lebensmittelindustrie sind Meßverfahren für die Barrierewirkung von Beschichtungen gegenüber Wasserdampf und anderen Gasen bekannt (DIN 53122). Nachteilig an diesen Verfahren zur Bestim­ mung der Wasserdampfdurchlässigkeit dünner Schichten ist, daß sie sich lediglich auf die Untersuchung von Kunststoffschichten beziehen, die als freitragende Fil­ me untersucht werden können. Eine Untersuchung dünner Schichten, die nur in Verbindung mit einem Trägermate­ rial erzeugt werden können, ist damit nicht möglich. Dies gilt insbesondere für die Untersuchung der Feuch­ tedurchlässigkeit anorganischer dünner Schichten, wie sie zur Beschichtung optischer Bauteile oder Brillen­ gläser verwendet werden. Weiterhin erlauben diese Ver­ fahren keine Aussagen über lokale Inhomogenitäten oder Defekte der untersuchten dünnen Schicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die Durchlässig­ keit einer beliebigen dünnen Schicht für Wasserdampf zu untersuchen, wobei die dünne Schicht nicht als freitra­ gender Film zur Verfügung stehen muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ male. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 wird die dünne Schicht auf ein Trägermaterial aufge­ bracht, das reversibel Wasser aufnehmen kann. Dieses Verbundstück von dünner Schicht und Trägermaterial wird in eine Atmosphäre mit höherer oder niedrigerer Feuch­ tigkeit als zuvor gebracht, zum Beispiel, indem man es in eine Klimakammer mit hoher Feuchtigkeit und konstan­ ter, festgelegter Temperatur überführt. Aufgrund des unterschiedlichen Partialdrucks für Wasserdampf in der neuen umgebenden Atmosphäre und in dem Schicht-Träger- Verbundstück tritt Wasserdampf durch die dünne Schicht und der Wassergehalt des Schicht-Träger-Verbundstückes ändert sich. Der Wassergehalt des Schicht-Träger-Ver­ bundstückes wird nach der Überführung des Schicht-Trä­ ger-Verbundstückes in die neue Atmosphäre durch Nah- Infrarot-Spektroskopie des in ihm enthaltenen Wassers bestimmt. Der Wassergehalt des Schicht-Träger-Verbunds­ tückes wird dabei im wesentlichen von dem Wassergehalt des Trägermaterials bestimmt, während der Wassergehalt der dünnen Schicht wegen deren geringem Volumen ver­ nachlässigbar ist. Aus der Änderung des Wassergehaltes des Schicht-Träger-Verbundstückes mit der Zeit kann folglich die Geschwindigkeit der Veränderung des Was­ sergehaltes des Trägermaterials bestimmt werden.

Da die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme des Trägerma­ terials von der Durchlässigkeit der dünnen Schicht für Wasserdampf abhängt, ist sie ein Maß für die Durchläs­ sigkeit der dünnen Schicht für Wasserdampf.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß beliebige dünne Schichten auf ihre Durchlässigkeit für Wasserdampf un­ tersucht werden können. Auch dünne Schichten, die sich nur im Verbund mit einem Trägermaterial hergestellt werden können, können mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren untersucht werden. Im Falle, daß die dünne Schicht als freitragender Film vorliegt, wird ein passendes Trägermaterial mit dem Film ummantelt.

Für die Nah-Infrarot-Spektroskopie wird ein Trägermate­ rial verwendet, das eine Mindesttransmission von etwa 5% für Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 1,4 Mikrometer und/oder 1,9 Mikrometer verwendet. Es werden dann zum Beispiel in festgelegten Abständen nach Einbringen des Schicht-Träger-Verbundstückes in die neue Atmosphäre die Spektren des Schicht-Träger-Ver­ bundstückes gemessen und die Gesamtabsorption als Flä­ che unter einer der Absorptionsbanden bei 1,4 Mikrome­ ter bzw. 1,9 Mikrometer bestimmt. Diese ist ein Maß für das in dem Schicht-Träger-Verbundstück enthaltene Was­ ser. Alternativ kann vorteilhafterweise auch kontinu­ ierlich die Höhe einer dieser beiden Absorptionsbanden beobachtet werden, die ebenfalls ein relatives Maß für die Menge des in dem Schicht-Träger-Verbundstück ent­ haltenen Wassers ist.

Durch die Verwendung der Nah-Infrarot-Spektroskopie ist eine kontinuierliche Beobachtung der Änderung des Wassergehaltes in dem Trägermaterial möglich. Die Messung ist einfach und unkompliziert. Da die Nah- Infrarot-Spektroskopie eine zerstörungsfreie Meßme­ thode ist, sind auch Wiederholungen der Messung am selben Schicht-Träger-Verbundstück möglich.

Für die Verwendung der Nah-Infrarot-Spektroskopie zur Bestimmung des Wassergehaltes des Trägermaterials sind unter anderen die für optische Anwendungen ein­ gesetzten Polymere Polymethylmethacrylat (PMMA), Po­ ly (bisphenol-A) carbonat (PC) und Polydiethylenglycol- bis-allylcarbonat (CR39) mit den in der folgenden Tabelle angegebenen Einschränkungen bezüglich der Schichtdecke geeignet.

Für eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Messung werden die Änderungsgeschwindigkeiten des Wassergehaltes des zu untersuchenden Schicht-Träger- Verbundstück und eines ansonsten identischen, unbe­ schichteten Teiles aus demselben Trägermaterial ver­ glichen. Aus einem derartigen Vergleich kann unmit­ telbar die Barrierewirkung der dünnen Schicht gegen­ über Feuchtigkeit bestimmt werden. Insbesondere läßt sich unter Verwendung eines unbeschichteten Teils als Referenz ein Wert für die Durchlässigkeit einer dün­ nen Schicht für Wasserdampf bestimmen, der mit Mes­ sungen an anderen dünnen Schichten, die auf ein iden­ tisches Trägermaterial aufgebracht wurden, verglichen werden kann.

Da die Feuchtedurchlässigkeit der dünnen Schicht von ihrer Dicke und ihrer inneren Stuktur abhängt, führt eine Inhomogenität oder ein Defekt in der dünnen Schicht zu einem veränderten Durchlaßverhalten für Wasserdampf an der Stelle der Inhomogenität oder des Defektes und damit lokal zu einer anderen Geschwin­ digkeit der Änderung des Wassergehaltes im Träger- Schicht-Verbundstück. Eine räumlich aufgelöste, late­ rale Messung der Geschwindigkeit der Änderung des Wassergehaltes im Träger-Schicht-Verbundstück ermög­ licht so z. B. unter anderem eine Fertigungskontrolle der hergestellten Verbundstücke.

Wird als Trägermaterial ein flaches Kunststoffteil für optische Anwendungen und als dünne Schicht eine Beschichtung des Kunststoffelements mit vorgegebenen mechanischen und/oder optischen Eigenschaften für das Kunststoffteil verwendet, so lassen sich die Messun­ gen der Feuchtedurchlässigkeit der dünnen Schicht aufgrund der optischen Eigenschaften und der Hygro­ skopität des Trägermaterials unmittelbar, ohne weite­ re Vorbehandlung des zu untersuchenden Träger- Schicht-Verbundstücks durchführen. Eine Anwendung dieses Verfahrens ist daher insbesondere in der Fein­ optik und Brillenoptik vorteilhaft, da dort oftmals organische Polymere als optische Gläser verwendet und mit einer dünnen Schicht vergütet werden. Die Bestim­ mung von Feuchtedurchlässigkeit, Inhomogenitäten oder Defekten der Vergütung läßt sich folglich unkompli­ ziert an jedem beliebigen Punkt des Herstellungs- und Vergütungsprozesses durchführen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgen­ den gegeben und anhand zweier Zeichnungen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die Bestimmung der Flächen der Absorptionbande bei 1,9 Mikrometer aus den Absorptionsspektren zweier Linsen aus Polydiethylenglycol-bis-allylcarbonat (CR39) mit unterschiedlichem Wassergehalt, die aus den mit Hilfe der Nah-Infrarot-Spektroskopie gemesse­ nen Transmissionsspektren berechnet wurden, und

Fig. 2 die durch Nah-Infrarot-Spektroskopie ermittel­ te Abhängigkeit des Wassergehaltes von der Lagerzeit bei Raumtemperatur und 90% Luftfeuchtigkeit für drei verschieden beschichtete und eine unbeschichtete Lin­ se aus Polydiethylenglycol-bis-allylcarbonat (CR39).

Zur Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit wurden drei optische Linsen mit drei verschiedenen, dünnen Entspiegelungsschichten beidseitig beschichtet. Als Linsen wurden Brillengläser aus Polydiethylenglycol- bis-allylcarbonat (CR39) mit -2,0 Dioptrien, einem Durchmesser von 70 mm und einer Dicke im Linsenzen­ trum von 2,4 mm verwendet. Diese beschichteten Linsen wurden zusammen mit einer ansonsten identischen, je­ doch unbeschichteten Linse in eine Atmosphäre mit 90% Feuchtigkeit bei Raumtemperatur überführt und 38 Tage gelagert. Vorteilhafterweise wurden in vorbestimmte Abständen, d. h. in diesem Falle zunächst im Abstand von 24 Stunden, ab dem 5. Versuchstag im Abstand von 2 bis 3 Tagen, die Nah-Infrarot-Transmissionsspektren dieser vier Linsen zwischen etwa 1,6 Mikrometer und etwa 2 Mikrometer gemessen und daraus die ent­ sprechenden Absorptionsspektren berechnet. Die Mes­ sungen wurden solange fortgesetzt, bis der Wasserge­ halt der unbeschichteten Linse annähernd einen kon­ stanten Gleichgewichtswert erreicht hat. Exemplarisch sind in Fig. 1 zwei Absorptionsspektren einer Linse bei unterschiedlichem Wassergehalt gezeigt. Kurve 1 zeigt die Absorption einer Linse mit hohem Wasserge­ halt und Kurve 2 zeigt die Absorption einer Linse mit niedrigem Wassergehalt. Die Fläche der den OH-Schwin­ gungen zugeordneten Absorptionsbande bei 1,9 Mikrome­ ter zwischen der Absorptionskurve und der Geraden, die die zwischen den beiden links und rechts der Ab­ sorptionsbande liegenden Minima verbindet, wurde für jedes Spektrum durch Integration ermittelt. Die er­ haltenen Flächen wurden normiert, indem die minimale und die maximal erreichte Fläche der unbeschichten Linse als 0 bzw. 1 angenommen wurden. In Fig. 2 ist eine graphische Auftragung der erhaltenen Flächen ge­ gen die Lagerzeit bei 90% Luftfeuchte dargestellt. Die unterschiedliche Barrierewirkung der drei ver­ schiedenen Beschichtungen gegen Wasserdampf kann un­ mittelbar Fig. 2 entnommen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Prüfung der Feuchtedurchlässigkeit einer dünnen Schicht, wobei die dünne Schicht auf ein feuchtigkeitsempfindliches Trägermaterial auf­ getragen wird und der Verbund aus Trägermaterial und dünner Schicht aus einer Atmosphäre in eine Atmosphäre mit anderem Feuchtigkeitsgehalt über­ führt wird und der zeitliche Verlauf der hierdurch verursachten Änderung des Wassergehalts des Ver­ bundes aus dünner Schicht und Trägermaterial er­ faßt wird, dadurch gekennzeichnet,
die dünne Schicht auf ein reversibel Wasser auf­ nehmendes Trägermaterial aufgetragen wird, wobei der Verbund aus Trägermaterial und dünner Schicht eine Mindesttransmission von etwa 5% im Wellen­ längenbereich bei 1,4 Mikrometer und/oder 1,9 Mi­ krometer aufweist und
daß der zeitliche Verlauf der Änderung des Wasser­ gehaltes des Verbundes durch Nah-Infrarot-Spek­ troskopie erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Änderung des Wassergehaltes mit derjenigen eines unbeschichteten, in allen anderen Eigenschaften jedoch identischen Trägermaterials verglichen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß durch laterale Messung der Feuchtedurchlässigkeit Inhomogenitäten und Defekte der dünnen Schicht erkannt und lokalisiert werden können.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial ein flaches Kunststoffteil für optische Anwendungen und als dünne Schicht eine Beschichtung mit vor­ gegebenen mechanischen und/oder optischen Eigen­ schaften für das Kunststoffteil verwendet werden.