Brevet FR2539881A1 — publié le 19840727

-1 2539881 La présente invention est relative à un procédé pour produire un composant optique et aux composants produits par ce procédé. Il est connu d'utiliser des matières plastiques synthétiques pour des composants optiques, celles-ci possédant plusieurs avantages par rapport au verre et aux matériaux cristallisés traditionnels, notamment la résistance aux chocs thermiques et mécaniques, des coûts de production plus faibles, un poids réduit et une plus grande flexibilité en ce qui concerne la conception. Ces composants optiques en plastique sont cependant vulnérables à l'endommage- ment de surface par abrasion, par rayure et par les conditions d'environnement qui, souvent, affectent leur fonctionnement. Il est connu que des couches transparentes résistantes aux rayures peuvent être déposées sur des surfaces de matière plastique par revêtement paz immersion, polymérisation aux ultra-violets et vernissage Des problèmes additionnels liés au traitement et au produit final sont créés, tels qu'un manque d'uniformité d'épaisseur, une adhésion variable au substrat plastique, la formation d'un gel lors du durcissement du revêtement, et il est en général difficile de réaliser une production à des conditions commercialement accep- tables Le revêtement peut être très spécifique d'une matière plastique par- ticulière et le dépôt direct sur des couches métalliques réfléchissantes sur la matière plastique peut présenter de nombreux problèmes. Il existe de nombreuses applications optiques o il est nécessaire de produire une couche spéculaire réfléchissante, résistante à l'abrasion sur des substrats en matière plastique. Cela peut être obtenu de nombreuses manières, notamment par dépôt électrochimique d'un métal réfléchissant dur tel que du chrome ou du nickel sur la surface frontale d'une matière plastique transparente ou opaque, habituellement des copolymères acrylonitrile-butadiène-styrène Ce procédé est très coûteux et pose des problèmes de production Il donne également un produit analogue à un miroir dont le pouvoir de réflexion est inférieur à celui fourni par des surfaces conventionnelles d'argent ou d'aluminium Malgré l'usage d'une matière plastique de base relativement inerte pour le miroir, le procédé d'électroplaquage de couches multi-métalliques peut également donner naissance à des problèmes de corrosion électrolytique gênants lorsque le miroir est exposé à des conditions d'environnement défavorables Une autre technique est l'évaporation thermique d'aluminium sur la surface arrière d'une matière plastique transparente déjà revêtue, dont le revêtement est résistant à l'abrasion dans une certaine mesure et a été précédemment déposé par un procédé chimique séparé et coûteux, par voie humide Les articles produits par cette technique sont limités par les dimensions, la forme et la configuration des matières plastiques de base revêtues, habituellement sous forme de feuilles -2 2539881 planes, et sont coûteux du fait des procédés à étapes multiples mis en oeuvre. Un dépôt de métal à assistance de vide sur une matière plastique non traitée suivi par un procédé de revêtement chimique par voie humide pour conférer une résistance à l'abrasion est également connu mais également coûteux et sujet à des défauts optiques. La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients men- tionnés ci-dessus. La présente invention a pour objet un procédé pour réaliser un com- posant optique, possédant des propriétés réfléchissantes spéculaires, à base de matière plastique, et consiste à appliquer à la matière plastique une couche frontale de verre dur ou d'une substance possédant des propriétés analogues à celles du verre dur, et à appliquer ensuite sur la couche frontale un revêtement de matériau réfléchissant spéculaire. La matière plastique est de préférence soumise à une opération de dégraissage avant application de la couche frontale, et l'opération de dé- graissage peut être effectuée en soumettant la matière plastique à un dégrais- sage à la vapeur dans un solvant fluorocarboné, et le produit est ensuite transféré à une solution vibrée par ultrasons du même solvant. De-préférence on effectue également une opération de nettoyage molé- culaire dans un récipient à vide après l'opération de dégraissage Ensuite la couche frontale peut être réalisée en appliquant une couche de revêtement de base d'oxydes du matériau utilisé pour le matériau réfléchissant spéculaire. La couche de revêtement de base peut être appliquée par une opération de crépitement à magnétron dite "magnetron sputtering" dans une enceinte à vide en atmosphère d'oxygène et d'argon à une pression voisine de 2 x 10-3 mbar. Immédiatement après l'opération de nettoyage moléculaire, la pres- -5 sion de l'enceinte à vide peut être réduite à 1 x 10 mbar puis de l'argon gazeux est introduit jusqu'à ce que la pression atteigne 5 x 10-4 mbar, de l'oxygène étant ensuite ajouté jusqu'à ce que la pression s'élève à 2 x 103 mbar. Le revêtement de base est immédiatement appliqué au moyen d'une opération de crépitement à magnétron en utilisant une cible du métal à déposer sur la couche de revêtement de base La couche de revêtement de base a de préférence une épaisseur de l'ordre de 0,5 1,0 micromètre. Le revêtement de matériau réfléchissant peut alors être appliqué directement à la couche de revêtement de base et, dans ce cas, le matériau réfléchissant peut être appliqué par une opération de crépitement à magnétron à courant continu. Dans un mode de réalisation, le revêtement de matériau réfléchissant spéculaire est en chrome et, dans ce cas, la couche de revêtement de base et -3 2539 t 3 1 de préférence une couche mince d'oxydes de chrome d'une épaisseur allant de 0,5 à 1,0 micromètre. Dans un autre mode de réalisation, le revêtement de matériau réflé- chissant spéculaire est en aluminium, auquel cas la couche de revêtement de base est de préférence une couche mince d'oxydes d'aluminium d'une épaisseur comprise entre 0,5-et 1,0 micromètre Dans ce dernier cas, un revêtement dur résistant à l'abrasion peut également être appliqué à l'aluminium et dans ce cas un revêtement de surface peut être appliqué au moyen d'une couche d'oxyde diélectrique d'une épaisseur comprise entre 0,5 et 5,0 micromètres. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la couche frontale peut être réalisée par une opération de réalisation de verre in situ en fai- sant co-réagir, dans des conditions d'excitation de plasma, des matières chimiques classiques de réalisation de verre telles qu'un carbonate de calcium, un carbonate de sodium et des oxydes de silicium Ces produits chimiques peuvent être amenés dans un état réactif par bombardement avec un faisceau d'électrons à haute énergie. La présente invention a également pour objet un composant optique réalisé par le procédé décrit. La présente invention a encore pour objet un composant optique possédant des propriétés de réflexion spéculaire et comprenant une matière plastique possédant une couche frontale de vetre ou d'une substance ayant des propriétés analogues au verre et une couche spéculaire de matériau réflé- chissant appliquée sur elle. L'invention peut être mise en oeuvre de diverses manières et un mode de réalisation particulier va maintenant être décrit à titre d'exemple. Dans cet exemple, la matière plastique de base comprend un polymère polycondensé préparé par interaction d'un composé polyhydroxy avec un dérivé d'acide carbonique, notamment le produit de réaction du bisphénol A avec soit le phosgène, soit le carbonate de diphényle, disponible dans le commerce sous le nom commercial de polycarbonate "Lexan" fabriqué par la General Electric Co U S A La forme et les dimensions appropriées peuvent être obtenues soit par un procédé d'injection thermoplastique conventionnel soit par découpe à un profil donné désiré à partir d'une saillie extrudée fabriquée avec précision. Le matériau de base est dégraissé à la vapeur dans un solvant fluoro- carboné, par exemple "Arklon" P (ICI) pendant trois minutes, puis est trans- féré à une solution chauffée vibrée par ultrasons du même solvant pendant une autre période de trois minutes pour le nettoyage On peut ajouter un dégrais- sage final à la vapeur pendant encore trois minutes La matière plastique est ensuite transférée à un calibre de positionnement approprié dans une enceinte de traitement sous vide, cette opération étant effectuée dans des conditions -4 25398 a 1 de propreté très strictes. L'enceinte à vide est fermée et le vide est fait jusqu'à une pres- sion de 1 x 10 mbar On introduit alors de l'argon jusqu'à ce que la pres- sion s'élève à 1 x 10-1 mbar Une tension de 1,5 kilovolt de courant alterna- tif est alors appliquée à des électrodes situées dans l'enceinte à vide et à proximité étroite de la surface de matière plastique de base qui doit être traitée La décharge luminescente qui est créée est maintenue pendant une période Jusqu'â vingt minutes au cours de laquelle la surface de matière plas- tique subit un "nettoyage moléculaire" et ce traitement, bien que qualifié de nettoyage, est en fait un traitement de surface rendant celle- ci plus apte à recevoir la couche de revêtement comme cela sera décrit ci-après. Après le nettoyage moléculaire, on effectue un procédé d'oxydation réactive pour réaliser une couche frontale de revêtement de base comme suit. Le récipient est remis sous vide à une pression de 1 x 10-5 mbar et on intro- duit de l'argon gazeux jusqu'à ce que la pression atteigne 5 x 10-4 mbar On ajoute ensuite de l'oxygène jusqu'à ce que la pression s'élève à 2 x 10 3 mbar. Une opération de crépitement à magnétron utilisant une cible en chrome commence alors dans la chambre à vide et les atomes de chrome chargés interagissent avec l'oxygène de façon à déposer la couche de revêtement de base d'oxydes de chrome sur la surface du polycarbonate adjacent Cette couche est constituée par un ou plusieurs oxydes de chrome et, le cas échéant, égale- ment par le métal lui-même La couche a de préférence une épaisseur de 0,51,0 micromètre. L'alimentation en oxygène est alors interrompue et on commence l'application de chrome par crépitement conventionnel à magnétron à courant continu à des niveaux de densité de puissance de cible qui augmentent gra- 2 2 duellement de 4 W/cm à 12 W/cm Ce dépôt graduel de chrome sur la couche de revêtement de base d'oxydes de chrome assure que l'on dépose un film exempt de contraintes Il est connu que des couches minces de chrome sont sujettes à des contraintes de compression ou de tension et cette étape doit être effectuée avec précaution On applique par exemple une couche réfléchissante d'une épaisseur allant de 0,5 à 5,0 micromètres. Bien que l'invention ait été décrite en faisant référence à des oxydes de chrome-et à un système multi-couches de chrome, elle n'est pas limitée à ce mode de réalisation particulier. Par exemple, on peut produire un miroir d'aluminium plus fortement réfléchissant de manière similaire, avec application d'une couche d'aluminium réalisée par crépitement réactif qui serait similaire à la couche de chrome et consisterait en oxyde d'aluminium et, le cas échéant, en aluminium métal même, -5 2539881 suivie par l'application d'une couche d'aluminium métal Dans le cas d'un métal plus mou tel que celui-ci, il peut être nécessaire d'appliquer un revêtement de surface dur résistant à l'abrasion d'un oxyde diélectrique tel qu'un oxyde de silicium, soit par crépitement avec l'assistance d'un champ RF, soit par évaporation avec un faisceau d'électrons Les deux techniques sont bien connues Une gamme d'épaisseurs types pour ce revêtement de surface est de 0,5 à 5,0 micromètres. En variante, les couches de revêtement de surface en verre ou analogues peuvent être formées de diverses manières, notamment au moyen d'une opération de réalisation de verre in situ en faisant co-réagir dans des conditions d'excitation de plasma des matières chimiques classiques de for- mation de verre telles que du carbonate de calcium, du carbonate dé sodium et des oxydes de silicium Par ce procédé, on peut former un verre conventionnel calcium/sodium/silicium sur la surface de la matière plastique En variante, on peut également réaliser d'une manière similaire des films de verre d'alu- mino/silicium et des films de verre au plomb Un autre procédé pour déposer une couche de verre est la vaporisation directe sous vide d'un matériau de verre déjà formé, par exemple un verre de borosilicate, en utilisant des faisceaux d'électrons ou des dispositifs électriques de chauffage conven- tionnels pour produire la vaporisation. Il est également possible d'utiliser ce que l'on appelle des ma- tières plastiques chargées, telles que des matériaux de polypropylène chargés à l'aide de verre, de talc, de craie, ou des polypropylènes chargés d'autres matières minérales Bien que ces charges soient principalement destinées à réduire le coût et améliorer les propriétés, le composant de charge peut être amené à co-réagir avec des substances dans une chambre à vide pour améliorer la liaison du revêtement d'ancrage de verre. -6 2539881 REVENDICATIONS 1 Procédé pour réaliser un composant optique ayant des propriétés réfléchissantes spéculaires à base de matière plastique, caractérisé par le fait qu'il consiste à appliquer à la matière plastique une couche frontale de verre dur ou d'une substance ayant des propriétés analogues à celles du verre dur puis à appliquer à la couche frontale un revêtement de matériau réflé- chissant spéculaire. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la matière plastique est soumise à une opération de dégraissage avant l'applica- tion de la couche frontale. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'opération de dégraissage est effectuée en soumettant la matière plastique à un dégraissage à la vapeur dans un solvant fluorocarboné, la matière plastique étant ensuite transférée à une solution chauffée vibrée aux ultrasons du même solvant. 4 Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'on effectue une opération de nettoyage moléculaire dans une enceinte à vide après l'opération de dégraissage. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'après l'opération de nettoyage moléculaire, on forme la couche frontale en appliquant une couche de revêtement de base d'oxydes du matériau utilisé pour former le matériau réfléchissant spéculaire. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le revêtement de base est appliqué au moyen d'une opération de crépitement à magnétron dans une enceinte à vide en atmosphère d'oxygène et d'argon à une pression de l'ordre de 2 x 10-3 mbar. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'im- médiatement après le nettoyage moléculaire, la pression de l'enceinte à vide est réduite à 1 x 10-5 mbar, et que de l'argon gazeux est introduit jusqu'à ce que la pression atteigne 5 x 10 mbar, et que de l'oxygène est ensuite ajouté -3 jusqu'à ce que la pression atteigne 2 x 10 mbar. 8 Procédé,selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel la couche de revêtement de base est appliquée au moyen d'une opération de cré- pitement à magnétron utilisant une cible du métal à déposer pour former la couche de revêtement de base. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la couche de revêtement de base a une épaisseur de 0,5 à 1,0 micromètre. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que le revêtement de matériau réfléchissant est appliqué directement à la couche de revêtement de base. -7 2539 C 41 il Procédé selon la revendication 1 O, caractérisé par le fait que le matériau réfléchissant est appliqué par une opération de crépitement à magnétron à courant continu. 12 Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé par le fait que le revêtement de matériau réfléchissant spéculaire est en chrome. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la couche de revêtement de base est une couche mince d'oxydes de chrome ayant une épaisseur allant de 0,5 à 1,0 micromètre. 14 Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé par le fait que le revêtement de matériau réfléchissant spéculaire est en aluminium. Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la couche de revêtement de base est une couche mince d'oxydes-d'aluminium d'une épaisseur allant de 0,5 à 1,0 micromètre. 16 Procédé selon la revendication 15, caractérisé par le fait que l'on applique à l'aluminium une couche de surface dure résistante à l'abra- sion. 17 Procédé selon la revendication 16, caractérisé par le fait que le revêtement de surface est appliqué au moyen d'une couche d'oxyde diélec- trique d'une épaisseur allant de 0,5 à 5,0 micromètres. 18 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la couche frontale est formée par une opération de réalisation de verre in situ en faisant co-réagir dans des conditions d'exci- tation de plasma des produits chimiques classiques de réalisation de verre tels que du carbonate de calcium, du carbonate de sodium et des oxydes de silicium. 19 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, carac- térisé par le fait que la couche frontale est formée par vaporisation directe sous vide d'un matériau de verre déjà formé en utilisant des faisceaux d'élec- trons ou des dispositifs de chauffage électrique conventionnels pour produire la vaporisation. Composant optique, caractérisé par le fait qu'il est réalisé par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes- 21 Composant optique ayant des propriétés de réflexion spéculaire, caractérisé par le fait qu'il comprend une matière plastique possédant une couche frontale de verre ou d'une substance ayant des propriétés analogues au verre et une couche spéculaire de matériau réfléchissant appliquée sur elle.