Brevet FR3093568A1 — publié le 20200911

Description Titre de l'invention : Elément optique en transmission, présentant une surface nanostructurée super-hydrophobe possédant une propriété antireflet et recouverte d'un dépôt conforme en couche mince à grande dureté. [0001] L'invention porte sur un élément optique en transmission, présentant au moins une surface nanostructurée super-hydrophobe et ayant une propriété antireflet recouverte d'un dépôt conforme en couche mince à grande dureté, ainsi que sur un procédé de fabrication d'un tel élément. [0002] Dans de nombreuses applications, notamment en optique, il est souhaitable de réaliser des éléments optiques présentant une surface hydrophobe ou superhydrophobe pour éviter l'accrochage de gouttes d'eau à leur surface et ainsi en faciliter l'utilisation et le nettoyage. Il est connu de déposer sur l'élément optique lisse un revêtement hydrophobe également lisse, rendant ainsi l'élément moins salissant et en facilitant le nettoyage lorsqu'il est mouillé. De manière générale, ces revêtements hydrophobes comprennent des composés fluorés tels que des Iluorosilanes et des Iluorosilazanes. Ces revêtements hydrophobes non texturés (surface lisse) permettent d'obtenir des angles de contact avec l'eau limités, ne dépassant pas 115° environ ce qui peut être insuffisant dans certaines applications. On appelle une surface hydrophobe lorsqu'elle présente un angle de contact avec l'eau supérieur à 90° et on appelle une surface super-hydrophobe lorsqu'elle présente un angle de contact avec l'eau supérieur à 120° de préférence 130° à 160° ou plus. Les surfaces hydrophobes et superhydrophobes sont autonettoyantes, faciles à nettoyer, anti-traces de doigts et antibactériennes. Il est connu qu'une surface lisse hydrophobe peut être rendue superhydrophobe grâce à l'utilisation de structures de taille micronique ou sub-micronique combinée avec une chimie de surface (silanisation). Ces structures sont appelées SWS, pour sub-wavelength structures » en anglais, quand elles sont de tailles inférieures à la longueur d'onde d'utilisation du composant optique. La structuration de la surface doit être assez fine pour fournir un effet superhydrophobe. La rugosité ou la structuration de la surface a pour effet un piégeage d'air dans la structure, et une goutte d'eau repose alors sur une surface composite faite de solide et d'air. Cet effet, couramment appelé effet « fakir » permet d'atteindre des angles de contact élevés (-160') et une hystérésis de l'angle de contact assez faible (inférieure à 30°). Dc plus, ces SWS peuvent être utilisées pour donner des propriétés antireflets aux éléments optiques pour lesquels elles sont dessinées. Habituellement, les éléments optiques tels que des lentilles ou des dispositifs d'affichages sont traités par des revêtements antireflets mono- ou mul- 2 ticouchcs qui permettent d'éviter les pertes optiques ducs aux réflexions. Cependant, ces revêtements possèdent de nombreux désavantages : des plages restreintes de longueurs d'ondes d'utilisation et d'angle d'incidence, d'expansion thermique et de tenue au flux laser. Les SWS utilisées comme solution antireflet permettent de surmonter la plupart de ces problèmes. [0003] Il est connu d'utiliser des nanostructures SWS périodiques pour conférer des propriétés superhydrophobes (SH) et antiflectives (AR) à un verre transparent dans le visible (Lem, Jung Woo, Yunhac Ych, and Jac Su Yu. "Enhanccd transmittance and hydrophilicity of nanostructured glass suhstrates with antireflective properties using disordercd gold nanopatterns." Optics express 20.4 (2012): 4056-4066). Il est connu de nanostructurer un élément optique en germanium en utilisant des nanostructurcs avec un rapport d'aspect élevé pour le rendre superhydrophohe, pour augmenter sa transmission dans l'infrarouge et pour faciliter son utilisation en milieu mouillé ou humide (Boyd, Darryl A., et al. "Periodically patterned germanium surfaces modificd to form superhydrophobic,1R-transmissive substratcs." Optical Materials Express 6.10 (2016): 3254-3261). Des surfaces optiques utilisant des SWS sont donc des candidates idéales pour réaliser des hublots de caméra, de jumelles ou de fenêtres antireflets dans des systèmes d'observation en milieu maritime par exemple. Cependant ces nanostructures sont rapidement dégradées dans des conditions d'utilisation difficiles (pluie, grêle, sablo-érosion...) cc qui limite fortement la durée des propriétés SH et AR de ces éléments optiques dans ces milieux-là. [0004] Bien qu'un effort particulier ait été réalisé pour développer des SWS résistantes (voir Infante, Daniel, et al. "Durable, superhychophobic, antiretlection, and low haze glass surfaces using scalable metal dewetting nanostructuring." Nano Research 6.6 (2013): 429-440), ces dernières restent fragiles et instables mécaniquement. Elles ne résistent pas à des contraintes environnementales difficiles. Cette caractéristique des SWS limite fortement les conditions d'utilisation et/ou la pérennité des propriétés SH et AR des optiques utilisant ces structures. Il n'existe actuellement pas de techniques permettant de protéger efficacement les SWS sur des éléments optiques tout en maintenant leurs propriétés optiques. [0005] L'invention vise à résoudre les problèmes de l'art antérieur et particulièrement à obtenir un composant optique comportant à sa surface des nanostructures résistantes aux conditions sévères et procurant au composant optique des propriétés SH et AR durables. [0006] RESUME [0007] Ainsi, un objet de l'invention est un élément optique, transparent à une longueur d'onde d'utilisation À , présentant une surface nanostructurée super-hydrophobe et ayant une propriété antireflet, ladite surface comportant un réseau de plots, caractérisé 3 en cc que les plots possèdent une largeur nanométrique, une hauteur h , un rapport d'aspect inférieur à 1/2, en ce que le pas P du réseau est tel que p REVENDICATIONS[Revendication 1] Elément optique (10), transparent à une longueur d'onde d'utilisation À , présentant une surface nanostructurée (4) super-hydrophobe et ayant une propriété antireflet, ladite surface comportant un réseau de plots, caractérisé en ce que les plots possèdent une largeur nanométrique, une hauteur h, un rapport d'aspect inférieur à 1/2, en ce que le pas P du réseau est tel que p E h et en ce que l'élément comporte une couche supérieure (5) d'épaisseur inférieure à h / 5 qui recouvre sans discontinuité et de manière conforme ladite surface nanostructurée, ladite couche supérieure (5) étant dans un matériau d'une dureté supérieure à la dureté du matériau de ladite surface nanostructurée. [Revendication 2] Elément optique selon la revendication 1, dans lequel les plots sont des cylindres, des cônes ou des cônes tronqués. [Revendication 3] Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la hauteur h des plots est choisie de manière à maximiser la transmission de la surface nanostructurée (4) à la longueur d'onde d'utilisation À pour une gamme d'angles d'incidence donnée. [Revendication 4] Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réseau de plots est périodique. [Revendication 5] Elément optique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche supérieure est en alumine, de préférence en phase saphir, en DLC ou Z r 0 2. [Revendication 6] Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface nanostructurée est en germanium et la longueur d'onde d'utilisation est comprise entre 8 et 12 P . [Revendication 7] Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les plots possèdent un rapport d'aspect inférieur à 1/10. [Revendication 8] Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur de la couche supérieure est inférieure à h / 10. [Revendication 9] Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau de la couche supérieure (5) possède une dureté supérieure d'au moins 1,3 unité sur l'échelle de Mohs à la dureté du matériau de la surface nanostructurée (4). [Revendication 10] Procédé de fabrication d'un élément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes : a. nanostructuration du réseau de plots à la surface de l'élément optique (A), 11 [Revendication 11] h. déposition par Atomic Layer Depositon (ALD) de la couche supérieure, recouvrant de manière conforme et sans discontinuité la surface nanostructurée (B). [Revendication 12] Procédé de fabrication d'un élément optique selon la revendication 10 comprenant, après l'étape h), une étape de recuit c) de la couche supérieure à une température comprise entre 500°C et 1200°C. Procédé de fabrication d'un élément optique selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel l'étape de nanostructuration a) comporte 3 sous étapes : i. placer un masque dur lithographié (2) sur la surface à nanostructurer, ii. graver par des gravures plasma, ioniques, chimiques ou des combinaisons de ces techniques le réseau de plots sur ladite surface à nanostructurer, iii. Retirer le masque dur.