DE10223234B4

DE10223234B4 - Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Oberflächen mit gesteigerter Adhäsion und adhäsionssteigernd modifizierte Oberflächen

Info

Publication number: DE10223234B4
Application number: DE2002123234
Authority: DE
Inventors: Eduard Prof. Dr. Arzt; Stanislav Dr. Gorb; Huajian Prof. Dr. Gao; Ralph Dr. Spolenak
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2022-05-25
Also published as: AU2003273166A1; AU2003273166A8; WO2003099951A3; WO2003099951A2; ES2299711T3; ATE383409T1; DE50308973D1; EP1513904B1; US8153254B2; EP1513904A2; DE10223234A1; US20060005362A1

Abstract

Verfahren zur Oberflächenmodifizierung eines Objektes (10), um die Adhäsionsfähigkeit des Objektes zu erhöhen, wobei die Oberfläche (11) einer Strukturierung unterzogen wird, so dass eine Vielzahl von Vorsprüngen (12) gebildet wird, die jeweils mit einem Fußteil (15) und einem Kopfteil (16) gebildet werden, wobei der Kopfteil (16) eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche (13) besitzt, wobei jeder Vorsprung (12) mit einer Größe derart gebildet wird, dass alle Stirnflächen (13) die gleiche senkrechte Höhe über der Oberfläche (11) besitzen und eine adhärente, durch gegenseitige Abstände zwischen den Stirnflächen (13) unterbrochene Kontaktfläche (14) bilden, wobei die Fußteile (15) der Vorsprünge (12) gegenüber der Oberflächennormalen der Oberfläche (11) geneigt gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere Verfahren zur Mikrostrukturierung von Festkörperoberflächen, Verfahren zur Herstellung eines Verbundes aus Objekten mit modifizierten Oberflächen, Objekte mit adhäsionssteigernd modifizierten Oberflächen und mit derartigen Objekten hergestellte Verbindungen.

Haftverbindungen zwischen gleichartigen oder verschiedenartigen Materialien, die einerseits zuverlässig vorbestimmte Haftkräfte ausbilden und andererseits reversibel lösbar sind, besitzen in der Technik eine große Bedeutung. Anwendungen umfassen beispielsweise die lösbare Verbindung von Bauteilen mittels Klettverbindungen, die Manipulation von Objekten mittels Werkzeugen, magnetische Halterungen von Objekten, Verbindungselemente an Textilprodukten, das zeitweilige Fixieren von Gegenständen (z. B. Notizzetteln) im Bürobereich und dgl. Es wurden zahlreiche Verbindungstechniken entwickelt, die an die jeweilige Aufgabenstellung speziell angepasst sind. Beispielsweise ist es bekannt, in der Automatisierungstechnik Gegenstände mit Saugverbindungen reversibel an Manipulatoren anzubringen und mit diesen zu bewegen. Derartige Saugverbindungen besitzen jedoch einen erheblichen technischen Aufwand. Des Weiteren können reversible Haftverbindungen auch mit Klebstoffen hergestellt werden. Dies besitzt jedoch Nachteile in Bezug auf die ggf. beschränkte chemische Verträglichkeit der verbundenen Materialien mit dem verwendeten Klebstoff und in Bezug auf die Bildung von Rückständen.

Es sind auch rückstandsfreie Haftverbindungen bekannt, die insbesondere auf einer chemischen und/oder mechanischen Modifizierung der Oberflächen der zu verbindenden Materialien beruhen. Bspw. werden in US 5 755 913 verschiedene Möglichkeiten einer chemischen Modifizierung von Polymerschichten zur Erhöhung von deren Adhäsionsfähigkeit beschrieben. Die Oberflächenbausteine einer Polymerschicht werden bspw. durch chemische Behandlung oder Bestrahlung so modifiziert, dass freie Bindungsplätze, elektrostatische Wechselwirkungen, ionische Wechselwirkungen oder andere Bindungserscheinungen auftreten. Ein wichtiger Nachteil der chemischen Modifizierung besteht in deren Beschränkung auf bestimmte Polymermaterialien.

Aus US 6 099 939 , US 6 107 185 und US 4 615 763 sind mechanische Oberflächenmodifizierungen bekannt, die im Wesentlichen auf einer Aufrauhung von Oberflächen beruhen. Die Aufrauhung erfolgt bspw. durch selektives Ätzen. Durch die veränderte Oberflächenmorphologie soll die effektiv haftende Oberfläche des Materials vergrößert werden. Ein Nachteil dieser Technik besteht wiederum in der Beschränkung auf bestimmte Materialien, z. B. Polymere. Diese Materialien müssen ferner genügend weich sein, da sonst die Kontaktbildung gerade durch die höchsten Erhebungen in der aufgerauten Oberfläche behindert wird. Schließlich sind die Techniken zur Aufrauhung der Oberfläche schwer steuerbar, so dass nur beschränkt quantitativ definierte Haftkräfte eingestellt werden können.

Aus WO 99/32005 A1 ist bekannt, die Oberflächen von Gegenständen durch ein Befestigungselement zu modifizieren, das aus einem schichtförmigen Träger und stabförmigen Vorsprüngen besteht. Der Träger wird auf den zu modifizierenden Gegenstand aufgeklebt, so dass die Vorsprünge in den Raum ragen und eine Verankerung mit einer entsprechend modifizierten Oberfläche eines weiteren Gegenstandes bewirken. Das Befestigungselement bildet somit keine Adhäsionsverbindung, sondern eine mechanische Verankerung. Die stabförmigen Vorsprünge müssen notwendig mit einer hohen Stabilität und passenden Geometrie hergestellt werden. So besitzen die Vorsprünge charakteristische Querschnittsdimensionen und gegenseitige Abstände im mm-Bereich. Zur Herstellung einer zuver lässigen Haftverbindung muss zusätzlich Klebstoff verwendet werden.

Die Modifizierung der Oberflächenmorphologie von Festkörpern ist auch in anderen technischen Zusammenhängen bekannt. Bspw. wird in WO 96/04123 A1 eine selbstreinigende Wirkung von Oberflächen mit einer Struktur aus Erhebungen und Vertiefungen beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass strukturierte Oberflächen aus hydrophoben Polymeren mit typischen Strukturierungsdimensionen oberhalb von 5 μm eine adhäsionsmindernde Wirkung besitzen.

Weitere Oberflächenstrukturen mit selbstreinigender Wirkung sind aus WO 00/50232 A1 und DE 198 03 787 A1 bekannt.

In der Publikation „Towards a micromechanical understanding of biological surface devices" von E. Arzt et al. („Zeitschrift für Metallkunde", Bd. 93, 2002, S. 345-351) werden geometrische und mechanische Eigenschaften von mikrostrukturierten Oberflächen beschrieben, die zur Steigerung der Adhäsionsfähigkeit eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen.

Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass im Verlauf der Evolution auch in der Natur Haftsysteme entwickelt wurden, die bspw. Insekten erlauben, auf beliebig orientierten Oberflächen zu laufen oder unter bestimmten Bedingungen Körperteile aneinander zu fixieren. Diese Haftsysteme basieren auf der Ausbildung feinster Behaarungen, z. B. an den Insektenbeinen, wie bspw. von M. Scherge und S.N. Gorb in "Biological Micro- and Nanotribology" (Springer-Verlag) beschrieben wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Oberflächenmodifizierung bereit zu stellen, mit denen die Adhäsionsfähigkeit der modifizierten Oberflächen erhöht wird und mit denen die Nachteile der herkömmlichen Techniken vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere die Ausbildung lösbarer Haftverbindungen für einen erweiterten Bereich von Materialien, eine erhöhte Adhäsionsfähigkeit und die Einstellung vorbestimmter Haftkräfte oder -eigenschaften ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Verbundes aus mehreren Objekten, deren Oberflächen zur Erhöhung der Adhäsionsfähigkeit modifiziert sind. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen in der Bereitstellung verbesserter. Oberflächenmodifizierungen, die eine erhöhte Adhäsionsfähigkeit ermöglichen.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren und strukturierte Oberflächen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 10, 12 oder 20 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem ersten wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Oberflächenmodifizierung eines Objektes beschrieben, bei dem die Oberfläche einer Strukturierung durch Bildung einer Vielzahl von Vorsprüngen jeweils mit einer Stirnfläche unterzogen wird, wobei die Vorsprünge derart dimensioniert werden, dass sämtliche Stirnflächen die gleiche senkrechte Höhe über der Oberfläche besitzen und damit eine adhärente Kontaktfläche bilden, die lediglich durch gegenseitigen Abstände oder Lücken zwischen den Stirnflächen unterbrochen ist. Durch diese Maßnahme wird die ursprünglich (unmodifizierte) geschlossene Oberfläche in eine Kontaktfläche überführt, in der die Stirnflächen eine Vielzahl von Einzelkontakten (sogenannte Mikrokontakte) bilden. Vorteilhafterweise wird durch diese Aufspaltung in Mikrokontakte eine Adhäsionserhöhung erzielt, wie durch Experimente und die unten genannten theoretischen Überlegungen gezeigt werden konnte. Dieses Ergebnis ist überraschend, da die Kontaktfläche als Summe der Stirnflächen zunächst eine kleinere Haftfläche zu bieten scheint als die ursprünglich unmodifizierte Oberfläche. Dennoch wird die Adhäsionsfähigkeit erhöht, wobei dies sogar in vorbestimmter Weise auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zugeschnitten werden kann. Die Anordnung der Stirnflächen mit einer konstanten senkrechten Höhe über der Oberfläche besitzt den zusätzlichen Vorteil, dass die Haftverbindung nicht durch vorstehende Mikrokontakte geschwächt wird.

Eine Kontaktfläche wird durch die Gesamtheit der Stirnflächen gebildet. Bei Herstellung einer Haftverbindung berührt die Kontaktfläche die Oberfläche des jeweils anderen Gegenstandes, ohne eine Verankerung einzugehen und ohne ein Ineinandergreifen der Vorsprünge. Die Haftverbindung wird durch van der Waals-Kräfte vermittelt. Zusätzliche Beiträge können durch elektrostatische Kräfte oder Kapillarkräfte geliefert werden. Die Abstände zwischen den Vorsprüngen sind geringer als die Querschnittsdimensionen der Stirnflächen.

Gemäß der Erfindung sind die Vorsprünge gegenüber der Oberflächennormalen geneigt gebildet. Durch die Neigung der Vorsprünge wird bei der Ausbildung einer Haftverbindung zwischen zwei Objekten bei der Kontaktbildung eine Scherkomponente aufgebracht, durch die die Adhäsionsfähigkeit erhöht wird. Die Neigung, die Elastizität, die Dimensionierung und/oder ein unten erläuterter Elastizitätsparameter der Vorsprünge können vorteilhafterweise je nach Anwendung optimiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge derart angeordnet, dass die Stirnflächen ein regelmäßiges Muster (oder Gitter) bilden. Im Unterschied zur herkömmlichen Aufrauhung von Oberflächen besitzt die periodische Anordnung der Vorsprünge den Vorteil, dass Schwachstellen in der Haftverbindung vermieden und eine Homogenisierung der Kontakte erzielt werden.

Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung wird die Kontaktfläche so gebildet, dass die gegenseitigen Abstände benachbarter Stirnflächen weniger als 10 μm, insbesondere weniger als 5 μm (z. B. 4 μm oder weniger) betragen. Des Weiteren besitzen die Stirnflächen vorzugsweise charakteristische Querschnittsdimensionen von weniger als 5 μm. Diese Dimensionierungen, die gemeinsam oder unabhängig realisiert werden und sich ggf. lediglich auf eine Bezugsrichtung beziehen, besitzen den Vorteil einer besonderen Adhäsionserhöhung. Die Auswahl einer Dimensionierung richtet sich nach der konkret zu erzielenden Haftkraft. Die Haftkraft nimmt bei gegebener Gesamtfläche der Mikrokontakte mit der Wurzel aus der Anzahl der Mikrokontakte zu. Mit erfindungsgemäß modifizierten Oberflächen können sogar makroskopische Objekte, z. B. Werkzeuge, zuverlässig miteinander verbunden werden, ohne dass das Gewicht eines der Objekte die Haftverbindung unterbrechen kann.

Die Strukturierung kann erfindungsgemäß integral in der Oberfläche eines Objekts oder integral mit einem schichtförmigen Träger durch eine Mikrostrukturierungstechnik gebildet sein. Im letzteren Fall wird der Träger adhärent, z. B. durch eine erfindungsgemäß modifizierte Oberfläche vermittelt oder durch einen Klebstoff auf einem Objekt fixiert.

Erfindungsgemäß können die Vorsprünge oder zumindest die Stirnflächen zur Erhöhung der Adhäsionsfähigkeit der Mikrokontakte durch chemische Modifizierung der Stirnflächen und/oder Aufbringung eines zusätzlichen Klebstoffs oder einer Flüssigkeit mit Oberflächenspannung (Kapillarkraft) modifiziert sein.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine Beschränkungen in Bezug auf die Art der modifizierten Festkörperoberflächen besteht. So können die erfindungsgemäßen Kontaktflächen insbesondere in Polymermaterialien, Metallen, Legierungen, Halbleitern, dielektrischen Festkörpern oder Keramiken gebildet werden.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Objekten, von denen mindestens ein Objekt in mindestens einem Teilbereich seiner Oberfläche entsprechend dem oben genannten Verfahren modifiziert worden ist. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die an dem mindestens einem Objekt gebildete Kontaktfläche in Verbindung mit dem anderen Objekt gebracht wird. Im Unterschied zu herkömmlich modifizierten Oberflächen erfolgt diese Verbindung verankerungsfrei. Zwischen den Vorsprüngen wird keine mechanische Verankerung gebildet. Die Kontaktfläche des einen Objekts berührt eine Kontaktfläche oder eine unmodifizierte Oberfläche des anderen Objekts.

Ein weiterer Gegenstand ist die Bereitstellung einer strukturierten Oberfläche eines Festkörpers mit erhöhter Adhäsionsfähigkeit, die sich insbesondere durch die oben beschriebene Kontaktfläche aus einer Vielzahl von Mikrokontakten auszeichnet.

Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Die Adhäsionsfähigkeit von Kontaktflächen wird gegenüber herkömmlich modifizierten Oberflächen erheblich gesteigert. Es werden Haftfähigkeiten von bis zu 10⁵ N/m² (Radius Kugelkontakt 1 μm) oder bis zu 10⁷ N/m² (Radius Kugelkontakt 10 nm) erreicht. Erfindungsgemäß modifizierte Oberflächen ermöglichen rückstandsfreie, inerte Haftverbindungen, die sowohl in Mikrotechnologien als auch mit makroskopischen Gegenständen anwendbar sind. Die erfindungsgemäße Mikrostrukturierung kann mit an sich verfügbaren Strukturierungstechniken mit geringem Aufwand hergestellt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Illustration der Bildung einer Kontaktfläche,
2: eine Illustration zur theoretischen Beschreibung geneigter Vorsprünge einer erfindungsgemäß modifizierten Oberfläche,
3: Kurvendarstellungen zur Illustration optimierter Elastizitätseigenschaften erfindungsgemäß gebildeter Kontaktflächen,
4 bis 6: schematische Schnittansichten verschiedener Formen von zum Teil erfindungsgemäß strukturierten Oberflächen,
7 bis 9: schematische Draufsichten verschiedener Gestaltungen von Kontaktflächen, und
10: ein Werkzeug, das mit einer erfindungsgemäß modifizierten Oberfläche ausgestattet ist.
Theoretische Grundlagen
Im Folgenden wird die Erhöhung der Adhäsionsfähigkeit durch Bildung einer Vielzahl von Mikrokontakten am Beispiel halbkugelförmiger Stirnflächen beschrieben. Dies dient lediglich der Illustration der erfindungsgemäß erzielten Wirkung, stellt jedoch keine Beschränkung auf die modellmäßig verwendete Stirnflächengeometrie dar. Vielmehr können die Stirnflächen alternativ andere, insbesondere abgeplattete Gestaltungen besitzen, wie unten erläutert wird.
Die klassische Kontakttheorie beschreibt den Kontakt einer halbkugelförmigen Stirnfläche mit einem flachen, harten Substrat zunächst entsprechend der sogenannten Hertz-Gleichung gemäß: d3 = (12·RF)/E* (1)
Dabei ist R der Radius der Halbkugel, F die ausgeübte Druckkraft, E* ein mittlerer Elastizitätsmodul und d der Durchmesser des Mikrokontakts zwischen der halbkugelförmigen Stirnfläche und dem Substrat. Wenn Adhäsionseffekte zwischen dem Substrat und der Stirnfläche berücksichtigt werden, so ergibt sich eine modifizierte Gleichung entsprechend der sogenannten JKR-Theorie (Johnson, Kendall & Roberts, 1971): d3 = [(12·RF)/E*]{F + 3πRγ + [6πRγF + (3πRγ)2]1/2} (2)
In dieser Gleichung ist zusätzlich die Adhäsionsenergie γ berücksichtigt. Aus der JKR-Theorie ergibt sich eine endliche Ablösekraft gemäß der folgenden Gleichung FC = 3/2·πRγ (3)
Die Gleichung (3) zeigt, dass die Adhäsionskraft F_C überraschenderweise zum Umfang des Mikrokontakts proportional ist. Daraus folgt, dass eine Aufspaltung einer zunächst geschlossenen, unmodifizierten Oberfläche in eine Vielzahl von Mikrokontakten die Adhäsionskraft gemäß Gleichung (4) erhöht: F'C = (n)1/2·FC (4)
In Gleichung (4) ist n die Zahl der Mikrokontakte. Durch die Bildung von Mikrokontakten kann somit die Adhäsionskraft erhöht werden. Dieses Konzept, das auch als Adhäsionserhöhung durch Multiplizität von Mikrokontakten bezeichnet wird, ist in 1 schematisch illustriert.
1 zeigt im linken Teil ein Objekt 10 in Seitenansicht (oben) und in Draufsicht auf die untere, unstrukturierte Oberfläche 11' (unten). Im rechten Teil von 1 ist die vorgesehene Mikrostrukturierung der Oberfläche 11 zur Erzeugung einer Vielzahl von Vorsprüngen 12 illustriert. Jeder Vorsprung 12 bildet auf seiner vom Objekt 10 wegweisenden Seite eine Stirnfläche 13. Die Stirnflächen 13 bilden eine Vielzahl von Mikrokontakten. Die Mikrokontakte 13 bilden eine Kontaktfläche 14, die durch die Abstände zwischen den Stirnflächen 13 unterbrochen ist und entsprechend der oben ausgeführten Überlegungen eine erhöhte Adhäsionskraft im Vergleich zur unstrukturierten Oberfläche 11' besitzt.
Die geometrischen Dimensionen der Vorsprünge 12 sind vorzugsweise wie folgt gewählt: Abstände der Stirnflächen: 1 nm bis 10 μm, insbesondere weniger als 5 μm (z. B. 4 μm oder weniger), Querschnittsdimension der Stirnflächen (zumindest in Richtung der lateralen Hauptbelastung, siehe unten): 1 nm bis 5 μm, und Höhe: z.B. im μm-Bereich, je nach Anwendung und Strukturierungstechnik. Verschiedene Gestaltungsformen der Vorsprünge 12 sind unten unter Bezug auf die 4 bis 6 beispielhaft erläutert.
Eine weitere Verbesserung der Adhäsionskraft ergibt sich, wenn mit den Vorsprüngen 12 zusätzlich eine Scherkraft aufgebracht ist, wie im Folgenden unter Bezug auf die 2 und 3 erläutert wird.
Der Vorsprung 12 wird als weichelastisches Band betrachtet, das gegenüber der Oberfläche 11 um einen Winkel α geneigt ist. Die Ablösekraft F steht mit der van der Waals-Brucharbeit w gemäß Gleichung (5) in Beziehung: wtδα = F(1-cosα)δα + (F2/Eht)δα (5)
In Gleichung 5 sind t die Breite des Bandes, h die Dicke des Bandes, E das Young-Modul (Elastizitäts-Modul) des verbogenen Teils und δα eine infinitesimal kleine Verbiegung des Vorsprungs 12. Die Dicke ist die Querschnittsdimension des Vorsprungs entsprechend der Neigungsausrichtung relativ zur Oberfläche. Die Lösung der quadratischen Gleichung (5) ergibt die Ablösekraft gemäß Gleichung (6): F = 2wt/{[(1-cosα)2 + λ]1/2 + (1-cosα)}, wobei λ = 4w/Eh (6)
In Gleichung (6) stellt λ einen Elastizitätsparameter dar, der von der Brucharbeit, dem Young-Modul und der Dicke h des Vorsprungs 12 abhängig ist. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der Optimierbarkeit einer strukturierten Oberfläche in Bezug auf den Parameter λ (siehe unten).
Die für die Adhäsion zwischen zwei sich berührenden Körpern interessierende Größe ist die vertikale Projektion der Kraft F, die gemäß Gleichung (7) darstellbar ist. W = 2wtsinα/{[(1-cosα)2 + λ]1/2 + (1-cosα)} (7)
Es zeigt sich, dass für die vertikale Ablösekraft W die Elastizität eine hohe Bedeutung insbesondere für kleine Dimensionen des Vorsprungs und für geringe Young-Module besitzt. Typische Parameter, die entsprechend biologischen Haftsystemen gewählt sind, betragen:
w ≈ 10 ... 40 mJ/m², E ≈ 1 MPa, h = 1 μm, λ ≈ 0.04 ... 0.16
In 3 ist das Verhalten des Parameters W/wt in Abhängigkeit von verschiedenen Neigungswinkeln α illustriert. Für geringe Elastizitätsparameter λ besteht eine starke Abhängigkeit der Ablösekraft vom Neigungswinkel. Für einen mittleren Bereich von ungefähr 0.04 bis 0.16 ist die Abhängigkeit vom Neigungswinkel relativ gering, d. h. die vertikale Ablösekraft ist nahezu konstant. Bei größeren λ-Werten verringert sich die Ablösekraft.
Erfindungsgemäß werden somit die Vorsprünge vorzugsweise mit einem derartigen λ-Parameter gebildet, dass die vertikale Ablösekraft möglichst winkelunabhängig ist. Dies führt vorteilhafterweise zu einer hohen Robustheit von Haftverbindungen. Eine hohe Robustheit äußert sich darin, dass die Kontaktfestigkeit unabhängig vom Winkel α ist und dass ein teilweises Auftrennen der Verbindung nicht automatisch zu einer vollständigen Trennung führt.
Da der Elastizitätsparameter λ sowohl von der Dicke t des Vorsprungs als auch vom Young-Elastizitätsmodul abhängt, kann die Strukturierung je nach dem verwendeten Materialsystem und der Strukturgeometrie optimiert werden. Erfolgt beispielsweise die Strukturierung der Oberfläche eines harten Halbleitermaterials (z. B. Si) mit einem hohen E-Wert, so wird eine geringe Dicke t im nm-Bereich bevorzugt. Bei weicheren Materialien (Kunststoff) mit geringerem E-Wert kann die Dicke breiter im μm-Bereich gewählt sein.
Für praktische Anwendungen wird ein Neigungswinkel α = 20° bis 40°, insbesondere 30° bevorzugt, bei dem die vertikale Ablösekraft maximal ist. Dies entspricht einem Winkel gegenüber der Oberflächennormalen von 80° bis 50°, insbesondere 60°.
Ausführungsbeispiele strukturierter Oberflächen
In den 4 bis 6 sind verschiedene Oberflächenstrukturen schematisch ausschnittsweise vergrößert dargestellt. Diese Darstellungen dienen lediglich der Illustration. Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf die gezeigten Geometrien beschränkt. Gemäß 4 sind auf der Oberfläche 11 des Objekts (Träger 17) beispielsweise stabförmige Vorsprünge 12 gebildet, die jeweils eine geradlinig (z. B. Rechteck, Quadrat, Polygon) oder gekrümmt umrandete Stirnfläche 13 besitzen. Die Stirnfläche 13 kann abgeplattet oder gewölbt sein. Allgemein bestehen die Vorsprünge 12 jeweils aus einem Fußteil 15 und einem Kopfteil 16, auf dessen vom Objekt 10 wegweisenden Seite die Stirnfläche 13 gebildet ist (siehe rechter Teil von 4). Die in gleicher Höhe über der Oberfläche 11 gebildeten Stirnflächen 13 bilden die erfindungsgemäße Kontaktfläche 14.
Das Objekt ist allgemein ein Festkörper, der z. B. Teil eines Gebrauchsgegenstandes oder dgl. ist. Das Objekt kann wie dargestellt die Gestalt eines schichtförmigen Trägers besitzen, der aus einem flexiblen Material (z. B. Kunststoff) besteht. Auf der zur Oberflächenstrukturierung entgegengesetzten Seite des Trägers kann eine zusätzliche herkömmliche Klebstoffschicht (siehe 4) oder erfindungsgemäße (siehe 6) Oberflächenmodifizierung vorgesehen sein.
5 illustriert, dass die Fußteile 1G erfindungsgemäß gebildeter Vorsprünge 12 zumindest in Teilen gegenüber der Oberfläche 11 geneigt ausgerichtet sein können, um die oben erläuterten Schereigenschaften bereit zu stellen. Die Neigung kann sich auf einen unteren Teil der Fußteile 15 beschränken, so dass die Vorsprünge in geringer Höhe geneigt und in Nähe der Kontaktfläche 14 vertikal ausgerichtet sind.
6 zeigt, dass erfindungsgemäß allgemein die Vorsprünge 12 und das Objekt 10 (z. B. schichtförmiger Träger) als Komposit aus verschiedenen Materialien hergestellt sein kann.
Die erfindungsgemäß gebildeten Stirnflächen oder Mikrokontakte 13 können je nach Anwendung in ihren geometrischen Eigenschaften modifiziert werden. In 7 sind beispielhaft quadratische und runde Stirnflächen 13 illustriert. 8 zeigt, dass eine Kontaktfläche (parallel zur Zeichenebene) durch Stirnflächen 13a, 13b mit verschiedenen Dimensionen und/oder Geometrien gebildet werden können. Beispielsweise können Teile der Kontaktfläche mit einer geringeren Ablösekraft ausgestattet sein, um ein erstes Aufbrechen der Haftverbindung zu erleichtern, während andere Teile eine stärkere Ablösekraft erfordern. Diese kann ggf. nach einem ersten Aufbruch leichter manuell oder mit einem Werkzeug aufgebracht werden.
Falls die Gefahr einer Auftrennung der Haftverbindung (Abzug) in einer Vorzugsrichtung gegeben ist, kann eine Geometrie gemäß 9 vorgesehen sein. Quer zur Richtung der Delamination D sind die Stirnflächen 13 vorzugsweise mit einem geringeren Ab stand gebildet als parallel zur Richtung D. Des Weiteren sind die Stirnflächen entsprechend geformt.
Weitere Abwandlungen erfindungsgemäß strukturierter Oberflächen, die einzeln oder in Kombination mit den oben genannten Ausführungsformen vorgesehen sein können, werden im Folgenden genannt. Erstens kann die Oberfläche des Festkörpers gekrümmt sein. Es können auf einer Oberfläche mehrere Kontaktflächen wie Inseln oder mit bestimmten geometrischen Umrandungen vorgesehen sein. Die Vorsprünge können mit verschiedenen Dicken der Fußteile gebildet sein, so dass sich innerhalb einer Kontaktfläche Gradienten der Ablösekraft ergeben. Gradientenkontakte besitzen den besonderen Vorteil einer ortsabhängig elastischen Verformung. Die Mikrokontakte müssen nicht regelmäßig, sondern können unregelmäßig, z. B. meanderförmig, als Labyrinth oder statistisch verteilt angeordnet sein.
Die Vorsprünge 12 werden vorzugsweise nach einem der folgenden an sich bekannten Verfahren hergestellt:

– Mikro- oder Nanolithografie der zu modifizierenden Oberflächen,
– Mikro-Printing,
– Wachstum von Vorsprüngen durch Selbstorganisation,
– Strukturierungstechniken, wie sie von der Bildung sogenannter Quantendots bekannt sind,
– Mikro-Funkenerosion (bei metallischen Oberflächen), Mikro-EDM,
– Oberflächenbearbeitung mittels Ionenstrahl (fokussiert), und
– sogenanntes Rapid Prototyping mit Laserstrahlen (Pulver- oder Polymermaterialien).

Die erfindungsgemäß gebildeten Strukturen bestehen bspw. aus Polymer (z. B. PMMA, PE), Metall (z. B. Ni, Cu), Halbleiter (z. B. Si), Keramik (z. B. SiC, Si₃N₄) oder dgl.
Anwendungen
Erfindungsgemäß modifizierte Oberflächen können als Haftflächen bei allen Techniken vorgesehen sein, bei denen lösbar Verbindungen zwischen verschiedenen Objekten hergestellt werden sollen. Dies betrifft sowohl Mikroobjekte (charakteristische Dimensionen im μm- und Sub-μm-Bereich) als auch makroskopische Gegenstände, wie z. B. Werkzeuge, Textilien, Papier und dgl. Erfindungsgemäße Verbindungen können Saug-, Klett- und Magnethalterungen ersetzen.
In 10 ist beispielhaft ein Werkzeug 20 mit einem Manipulationsarm 21 und einem Haftgreifer 22 illustriert, an dem ein schematisch illustrierter Gegenstand 30 (z. B. Werkzeug) adhärent angebracht ist. Die Oberfläche 23 des Haftgreifers 22 ist entsprechend dem oben erläuterten Prinzipien mit einer Mikrostrukturierung ausgestattet, die die Verbindung mit dem Gegenstand 30 bewirkt.
Die in der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Verfahren zur Oberflächenmodifizierung eines Objektes (10), um die Adhäsionsfähigkeit des Objektes zu erhöhen, wobei die Oberfläche (11) einer Strukturierung unterzogen wird, so dass eine Vielzahl von Vorsprüngen (12) gebildet wird, die jeweils mit einem Fußteil (15) und einem Kopfteil (16) gebildet werden, wobei der Kopfteil (16) eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche (13) besitzt, wobei jeder Vorsprung (12) mit einer Größe derart gebildet wird, dass alle Stirnflächen (13) die gleiche senkrechte Höhe über der Oberfläche (11) besitzen und eine adhärente, durch gegenseitige Abstände zwischen den Stirnflächen (13) unterbrochene Kontaktfläche (14) bilden, wobei die Fußteile (15) der Vorsprünge (12) gegenüber der Oberflächennormalen der Oberfläche (11) geneigt gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Vorsprünge (12) so angeordnet werden, dass die Stirnflächen (13) ein regelmäßiges Muster bilden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) so gebildet werden, dass die gegenseitigen Abstände benachbarter Stirnflächen (13) eine charakteristische Dimension besitzen, die kleiner als 10 μm, insbesondere kleiner als 5 μm, ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) so gebildet werden, dass die Stirnflächen (13) eine charakteristische Querschnittsdimension besitzen, die kleiner als 5 μm, ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fußteile (15) mit einem Winkel von 80° bis 50°, vorzugsweise 60° gebildet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strukturierung die Bildung der Vorsprünge auf einem schichtförmigen Träger (17) umfasst, der auf der Oberfläche des Objektes (10) fixiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) aus einem Polymer, Metall, Legierung, Halbleiter oder einer Keramik gebildet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Adhäsion der Vorsprünge (12) und/oder der Stirnflächen (13) durch chemische Modifizierung erhöht wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktfläche (14) mit einem Elastizitätsgradienten hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Objekten, von denen mindestens ein Objekt in mindestens einem Teil seiner Oberfläche mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche modifiziert worden ist, wobei die beiden Objekte so in Kontakt gebracht werden, das die Kontaktfläche des modifizierten Objektes das andere Objekt berührt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Verbindung der Objekte verankerungsfrei erfolgt.
Strukturierte Oberfläche eines Festkörpers mit erhöhter Adhäsionsfähigkeit, wobei die Oberfläche (11) eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vorsprüngen (12) umfasst, die jeweils mit einem Fußteil und einem Kopfteil aufweisen, wobei der Kopfteil eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche (13) besitzt, wobei jeder Vorsprung (12) eine Größe derart besitzt, dass alle Stirnflächen (13) den gleichen senkrechten Abstand von der Oberfläche (11) haben und eine adhärente, durch gegenseitige Abstände zwischen den Stirnflächen (13) unterbrochene Kontaktfläche (14) bilden, wobei die Fußteile (15) gegenüber der Oberflächennormalen geneigt sind.
Strukturierte Oberfläche gemäß Anspruch 12, bei dem die Stirnflächen (13) der Vorsprünge (12) ein regelmäßiges Muster bilden.
Strukturierte Oberfläche gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, bei dem die gegenseitigen Abstände benachbarter Stirnflächen (13) eine charakteristische Dimension besitzen, die kleiner als 10 μm, insbesondere kleiner als 5 μm ist.
Strukturierte Oberfläche gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Stirnflächen (13) eine charakteristische Querschnittsdimension besitzen, die kleiner als 5 μm ist.
Strukturierte Oberfläche gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Neigung gegenüber der Oberflächennormalen 20° bis 40°, vorzugsweise 30° beträgt.
Strukturierte Oberfläche gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, die auf einem schichtförmigen Träger (17) vorgesehen ist.
Strukturierte Oberfläche gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, bei dem die Vorsprünge (12) aus einem Polymer, Metall, Halbleiter oder einer Keramik bestehen.
Festkörper, dessen Oberfläche zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18 ist.
Verbund aus zwei Festkörpern entlang einer Verbindungsfläche, von denen mindestens einer eine Oberfläche aufweist, die im Bereich der Verbindungsfläche zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18 ist.