Development of Protective Nano-Coatings for Electro-Optical Systems

Abstract

Electro-optical (EO) systems have wide range of applications and in recent years, especially the use of EO imaging systems in military and civil aviation applications have substantially increased. In these applications, EO systems are exposed to quite harsh and unstable operating conditions like sudden changes in temperature and humidity, dust, fog, physical shock, vibration and radiation. If their optical surfaces such as prisms, lenses and mirrors are damaged due to these conditions, their repair usually is not possible. To overcome these problems, it is necessary to develop special protective coating layers for optical surfaces. The main goal of this study is to produce protective, self-cleaning and super-hydrophobic polymeric thin films for optical surfaces of the electro-optical (EO) systems. Initiated chemical vapor deposition (iCVD) is a novel method for the fabrication of thin film coatings and it has many advantages such as low production cost, very low deposition temperature, 3D geometry coating performance and high deposition rate. Therefore, iCVD was employed to fabricate homopolymers of poly (glycidyl methacrylate) (PGMA) and poly (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorodecyl acrylate) (PPFDA) and P(GMA-PFDA) copolymer thin-films as protective coatings for EO systems. Optical modeling and simulations were performed to determine the effect of film thickness and refractive index on optical performance of substrates to be coated. Optical performance of fabricated coatings was also measured between 400 and 1000 nm range to confirm that protective coatings do not have any measureable impact on optical performance provided that the protective film thickness is kept between 50 nm to 1 μm. The surface morphology of the protective coatings was evaluated using a variety of analytical tools such as Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and Contact Angle measurements. Optical tests were performed by following MIL-F-48616 Military Standard (MIL-STD). The best protective coatings were obtained by using P(GMA-PFDA) copolymer which yields good mechanical properties due to epoxy pendant group and super hydrophobicity due to incorporation of fluoro monomer.

Elektro-optik (EO) sistemler çok geniş uygulama alanlarına sahiplerdir, son yıllarda, özellikle Elektro-optik görüntüleme sistemlerinin askeri ve sivil havacılık sektöründe kullanımı oldukça artmıştır. Bu alanlarda EO sistemler anlık sıcaklık değişimi, nem, toz, sis, fiziksel şok, titreşim ve radyasyon gibi oldukça zorlu ve değişken çalışma koşullarına maruz kalmaktadırlar. Bu sistemlerin sahip olduğu prizma, lens ve ayna gibi optik yüzeyler, bu şartlardan dolayı zarar görürlerse, tamirleri neredeyse mümkün olmamakta ve bu tip karşılaşılan problemlerin çözümlenebilmesi amacıyla, optik yüzeyler için özel koruyu kaplamaların geliştirilmesine gerek duyulmaktadır. Bu çalışmanın asıl amacı, EO sistemlerin optik yüzeyleri için koruyucu, kendi kendini temizleyebilen, süperhidrofobik polimerik ince filmlerin üretilmesidir. Başlatılmış Kimyasal Buhar Biriktirme (BKBB) yöntemi, ince film kaplamalarının üretilmesinde kullanılan oldukça yeni bir yöntemdir ve düşük üretim maaliyeti, düşük sıcaklık koşulları, üç boyutlu yüzeyleri kaplama performansı ve yüksek biriktirme hızı gibi bir çok avantaja sahiptir. Bu nedenle, BKBB yöntemi kullanılarak EO sistemler için Poli(glisidil metakrilat) (PGMA) ve Poli(1H, 1H, 2H, 2H-Perflorodesil akrilat) (PPFDA) homopolimerleri ve P(GMA-PFDA) kopolimer ince filmlerinin üretimi yapılmıştır. Film kalınlığı ve kırılma indisinin kaplanacak yüzeylerin optik performansına etkisini incelemek için optik modelleme ve simülasyonlar yapılmış bunun yanında film kalınlığı 50 nm ile 1 μm arasında tutularak üretilen koruyucu kaplamaların optik performansa herhangi bir etkisinin olmadığını doğrulamak amacıyla, kaplamaların 400-1000 nm aralığında ölçümleri alınmıştır. Koruyucu kaplamaların yüzey morfolojisinin belirlenmesi, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) Spektroskopisi, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Atomik Güç Mikroskobu (AFM) ve Değme Açı ölçümü gibi çeşitli analitik tekniklerin kullanılması ile gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, MIL-F-48616 askeri standardı (MIL-STD) takip edilerek optik testler yapılmıştır. Sonuç olarak, en iyi koruyucu kaplama hem yapısındaki epoksi grubundan dolayı iyi mekanik özellik gösterip hem de fluoro monomerin sağladığı süperhidrofobik özelliğe sahip olduğu için P(GMA-PFDA) kopolimeriyle elde edilmiştir.