DE102005043516A1

DE102005043516A1 - Verfahren zur Herstellung farbiger Strukturen im Glas und dadurch hergestelltes Glas

Info

Publication number: DE102005043516A1
Application number: DE200510043516
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Rainer; Reinhard Borek
Original assignee: Boraglas GmbH
Current assignee: Boraident 06118 Halle De GmbH
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2007-03-15
Also published as: EP1954643A1; WO2007031151A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung farbiger Strukturen in Glas, bei dem im Glas vorhandene oder mit dem Verfahren eingebrachte Ionen wenigstens eines Metalls durch lokal begrenzten Energieeintrag, insbesondere im Fokus einer Laserstrahlung, reduziert und in eine lokal begrenzte Ansammlung von Metallpartikeln überführt werden, der eine lokale, für das eingesetzte Metall typische Verfärbung bewirkt, wobei zur Herstellung mehrfarbiger Strukturen in einem ersten Schritt mehrere lokal begrenzte Bereiche mit einer monochromen Ausgangsfärbung erzeugt werden, die sich durch Abstufungen derselben Farbe unterscheiden und in einem zweiten Schritt durch einen globalen oder lokalen Energieeintrag in den Bereichen von der Ausgangsfärbung abhängige Partikelbildung- und/oder -wachstumsprozesse induziert werden, so dass Bereiche mit unterschiedlicher Ausgangsfärbung eine unterschiedliche Farbe erhalten. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Glaselement, aufweisend eine bildliche Darstellung mit Bereichen verschiedener Farben, hergestellt gemäß dem Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung farbiger Strukturen im Glas, bei dem im Glas vorhandene oder durch das Verfahren eingebrachte Ionen wenigstens eines Metalls durch lokal begrenzten Energieeintrag, insbesondere im Fokus einer Laserstrahlung, reduziert und in eine lokal begrenzte Ansammlung von Metallpartikeln überführt werden, die eine lokale, für das eingesetzte Metall typische Verfärbung bewirkt.

Im Stand der Technik, insbesondere aus der DE 198 41 547 ist ein derartiges Verfahren bekannt. Wesentlich für dieses bekannte Verfahren ist es, dass in einem Glas nach einer Dotierung Ionen wenigstens eines Metalls, z.B. Silberionen, vorliegen, wobei durch einen lokal begrenzten Energieeintrag in dem Bereich dieser lokalen Begrenzung eine chemische Reduktion der Silberionen zu metallischem Silber, insbesondere in Nanopartikelgröße, erfolgt und gegebenenfalls in Abhängigkeit von den Parametern des Energieeintrages, insbesondere der Laserstrahlung die Ansammlung von Metallpartikeln in der Größe veränderlich ist.

So ist es beispielsweise bekannt, dass mittels Laserstrahlung die Möglichkeit besteht, in ein dotiertes Glas durch aufeinander folgende Veränderung der Fokusposition eines Laserstrahls im Glas ein Bild einschreiben zu können, welches aus einer Vielzahl von verfärbten Bereichen besteht, wobei diese Verfärbung typisch ist für dasjenige Metall, mit dem das Glas dotiert ist. So bewirkt beispielsweise Silber in Metall eine charakteristische braune Verfärbung des Glases.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, dass bezogen auf ein jeweils verwendetes Metall nur eine Vielzahl von Bereichen erzeugt werden kann, welche dieselbe Verfärbung aufweisen, so dass nur „monochrome" Bilder mittels des bekannten Verfahrens in Glas eingeschrieben werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mittels dem auf einfache Art und Weise auch verschiedenfarbige Strukturen, selbst bei Verwendung einer Dotierung mit nur einem Metall in einem Glas erzeugt werden können.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass zur Herstellung mehrtarbiger Strukturen in einem ersten Schritt mehrere lokal begrenzte Bereiche mit einer Ausgangsfärbung erzeugt werden, die sich durch Abstufungen derselben Farbe unterscheiden und in einem zweiten Schritt durch einen globalen oder lokalen Energieeintrag in den Bereichen von der Ausgangsfärbung abhängige Partikelbildungs- und/oder -wachstumsprozesse induziert werden, so dass Bereiche mit unterschiedlicher Ausgangsfärbung eine unterschiedliche Farbe erhalten.

Wesentlich für den Kerngedanken der Erfindung ist es, dass zunächst ein, wie grundsätzlich im Stand der Technik bekannt, monochromes Bild durch mehrfache Veränderung der Lage eines bereichsweise begrenzten Energieeintrages, z.B. im Fokus eines Laserstrahls ins Glas eingetragen wird, wobei einfarbige Bereiche erzeugt werden, deren Färbung für das jeweils eingesetzte Dotierungs-Metall typisch ist.

Hierbei kann z.B. durch Änderung der Parameter bei dem lokal begrenzten Energieeintrag die Stärke der Verfärbung variiert werden. Beispielsweise kann, insbesondere bei Verwendung eines Laserstrahls die Bestrahlungsdauer (Pulsdauer oder Länge einer CW-Bestrahlung), Bestrahlungsintensität, Fokusdurchmesser etc. geändert werden, um verschiedene Abstufungen ein- und derselben Farbe in verschiedenen Bereichen eines Glases zu erzeugen. Es werden demnach unterschiedlich optisch dichte Bereiche einer Färbung erzeugt.

Durch einen anschließenden weiteren globalen (bezogen auf das ganze Glas) oder auch nur lokal begrenzten Energieeintrag, der insbesondere in gleicher Weise auf mehrere Bereiche mit verschiedener Ausgangsfärbung wirkt, wird bewirkt, dass in den Bereichen, die eine Ausgangsfärbung aufweisen, ein von der Ausgangsfärbung abhängiger weiterer Prozess induziert wird, bei dem sich z.B. weitere Partikel bilden und/oder Partikel hinsichtlich ihrer Größe wachsen.

Hierbei ist die Art und/oder Stärke des induzierten Prozesses abhängig von der Ausgangsfärbung, die im ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt erzeugt wurde. Durch die sodann weiteren stattfindenden Prozesse im zweiten Schritt wird erreicht, dass die Bereiche, welche eine Ausgangsfärbung aufwiesen und die dieser zweiten Behandlung unterzogen wurden, am Ende des Verfahrens eine unterschiedliche Farbe aufweisen.

Auf diese Art und Weise können ausgehend von einem monochromen, farblich abgestuften Bild, also nur unterschiedlichen Dichtestufen derselben Farbe Bilder mit unterschiedlichen Farben erzeugt werden.

Gemäß der Erfindung können zum lokal begrenzten Energieeintrag des ersten Schrittes verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Elektronenstrahlprozesse, Ionenimplantation oder Laserprozesse. Hierbei kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass während bzw. zeitlich vor dem erfindungsgemäßen ersten Schritt eine insbesondere lokale Dotierung des Glases mit Metallpartikeln erfolgt.

Hierfür kann es insbesondere vorgesehen sein, dass auf einem z.B. undotierten, oder auch mit einem anderen Metall dotierten Glas ein Metallionen-Spendermedium angeordnet wird, so dass durch den Energieeintrag des ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes in einer ersten Zeitspanne zunächst eine lokal begrenzte Dotierung des Glases mit den Metallionen des Spendermediums erfolgt, woraufhin in einer anschließenden Zeitspanne desselben Schrittes die Verfärbung der in das Glas dotierten Ionen, ggfs auch der bereits vorhandenen Ionen erfolgt. Beispielsweise kann dies mittels fokussierter Laserstrahlung erfolgen.

In diesem ersten erfindungsgemäßen Schritt erfolgt beispielsweise eine Dotierung durch Diffusion mit Metallionen, wie z.B. Silberionen, aus einem Spendermedium bei einer Aufwärmung des Glases im Fokusbereich, insbesondere unterhalb der Glastransformationstemperatur. Erreicht das Glas eine höhere Temperatur, insbesondere oberhalb der Transformationstemperatur, so kann eine Reduktion des Glases durch z.B. glaseigene oder von außen zugeführte Reduktionsmittel zu einer Umwandlung der Ionen in Metallpartikel erfolgen, was zu der besagten Verfärbung mit der für das verwendete Metall typischen Farbe führt.

In einer bevorzugten einfachen Ausgestaltungsvariante des Verfahrens kann es vorgesehen sein, den ersten Schritt mittels fokussierter Laserstrahlung durchzuführen, da Laserstrahlung einfach und präzise handhabbar ist und es grundsätzlich bekannt ist, durch entsprechende Vorrichtungen zeitlich aufeinander folgend eine Bestrahlung eines Glases in einer Vielzahl begrenzter Bereiche vorzunehmen und zu dem jeweiligen neu verlagerten Fokusbereich eine Verfärbung zu erzeugen, wodurch ein Bild zusammengesetzt wird.

Der zweite erfindungsgemäße Schritt eines globalen oder lokalen Energieeintrags kann bevorzugt mittels einer Wärmebehandlung erfolgen, z.B. in einer dafür vorgesehenen Wärmebehandlungsvorrichtung, mit der insbesondere eine homogene Temperaturverteilung über das gesamte Glas erreicht werden kann.

So werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren im zweiten Schritt im Wesentlichen sämtliche Bereiche, die mit einer Ausgangsfärbung monochromer Art versehen wurden, derselben Temperaturbehandlung unterzogen, wobei sich diese selbe Temperaturbehandlung, jedoch je nach Ausgangsfärbung, unterschiedlich auf die jeweils betrachteten Bereiche auswirkt.

So wird beobachtet, dass ausgehend von der Stärke der Verfärbung und somit im Wesentlichen von der optischen Dichte bei gleicher Grundfärbung, die für ein bestimmtes Metall typisch ist, verschiedene Endfarben erreicht werden. Dies lässt sich dadurch erklären, dass durch die Temperaturbehandlung weitere Prozesse induziert werden, z.B. die im Wesentlichen darin zu sehen sind, dass vorhandene Metallpartikelansammlungen sich vergrößern, dadurch dass weitere Partikel hinzukommen und diese Partikel im Wesentlichen denselben Durchmesser aufweisen und/oder dass vorhandene Metallpartikel ihren Durchmesser ändern, d.h. wachsen und/oder die Partikelkonzentration sich ändert. Die Art und die Stärke des jeweiligen Prozesses, wobei hier auch Mischformen der vorgenannten Prozesse möglich sind, hängt dabei davon ab, welche Ausgangssituation in dem jeweiligen Bereich bei der späteren Temperaturbehandlung vorherrscht, d.h. im Wesentlichen welche Abstufung der monochromen Verfärbung bzw. welche ursprüngliche optische Dichte in dem Bereich vorgelegen hat.

So ist der durch den zweiten Schritt der Wärmebehandlung jeweils gegebene Prozess abhängig beispielsweise von der Verteilung, Konzentration und Größe der in dem Glas bzw. in den gefärbten Bereich im ersten Schritt eingebrachten Metallionen, Metallatomen und Metallpartikeln sowie weiterhin auch von der Größe und der zeitlichen Dauer des Energieeintrags im ersten Schritt. Es werden so durch den zweiten erfindungsgemäßen Schritt gezielt lokal im Glas verschiedene Größenverteilungen, Konzentrationen und lokale Anordnungen der Nanometallpartikel im Glas erzeugt, die zu einer unterschiedlichen Farbwirkung führen.

Die vorgefundene Ausgangssituation für den zweiten Verfahrensschritt wiederum wird beeinflusst durch die Durchführung des ersten Verfahrensschrittes, d.h. die durch den lokalen Energieeintrag hervorgerufene Reduktion und Aggregation von Metallpartikeln.

Durch Verwendung nicht nur eines Metalles bzw. dessen Salzen können gleichzeitig unterschiedliche Metallionen im Glas vorliegen und so in einem ersten Verfahrensschritt unterschiedliche Abstufungen mehrerer, jeweils bezogen auf ein Metall im Wesentlichen monochromer Farben erzeugt werden, wobei sodann die nachträgliche Wärmebehandlung zu einer Vielfalt von erzeugten Farben führen kann.

Erklärbar ist die unterschiedliche Farbwirkung nach der weiteren Wärmebehandlung dadurch, dass je nach Ausgangssituation sich das Zentrum der Absorptionsbanden, wie sie für ein bestimmtes Metall typisch sind, verschiebt, Banden breiter/schmaler werden oder weitere Banden entstehen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung einer farbig zu gestaltenden Abbildung in Glas
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Abbildung in einem Glaskörper, die mittels fokussierter Laserstrahlung in das Glas eingebracht wurde, dadurch dass diese Abbildung bei einer gegebenen Auflösung nacheinander durch Verschiebung des Laserfokus im Glas Punkt für Punkt abgefahren wird. Im Wesentlichen besteht die Abbildung aus zwei kreisförmigen Objekten.
Zunächst wurden Abstufungen einer für Silber typischen Verfärbung (Sepia bzw. Braun) von etwa 88% bezogen auf eine optische Bezugsdichte dieser Verfärbung hergestellt, wie beispielsweise im Bereich 1, und 58% in einem Bereich 2. Die beiden verschiedenen optischen Dichten sind hier anhand der verschiedenen Dichten des verwendeten Musters dargestellt. Das Muster in den Kreisen stellt selbst kein Abbildungsdetail dar, sondern soll eine gleichmäßige monochrome Färbung repräsentieren.
Die so erzeugte, im Wesentlichen monochrome Darstellung der Abbildung, d.h. der unterschiedlichen Abstufungen der bräunlichen, für Silber typischen Verfärbung wurde sodann einer Wärmebehandlung unterzogen.
Dabei erfolgt während dieser dauerhaften und über das gesamten Glasmaterial gleichmäßigen Temperaturbehandlung eine Veränderung der Farben, was dadurch zu erklären ist, dass ausgehend von den jeweils unterschiedlichen Abstufungen verschiedene Prozesse der Partikelbildung und des Partikelwachstums einsetzen, so dass eine ursprüngliche Grauabstufung von 88% bezogen auf eine Referenzdichte z.B. zu einer hellgelben Verfärbung nach der Temperaturbehandlung führt und eine 58%ige Abstufung zu einer grünen Verfärbung führt. Somit erscheint die Abbildung nach dieser Temperaturbehandlung statt in zwei Abstufungen derselben Farbe nunmehr in zwei verschiedenen Farben.
Durch diese Verschiebung der Absorptionsmaxima bzw. des Hinzukommens weiterer Absorptionsmaxima bei zusätzlichen Wellenlängen aufgrund der Temperaturbehandlung werden Farbverschiebungen bzw. Mischeffekte erzeugt, die zu den Farben in den vorliegenden Beispielen von hellgelb und grün führen, ausgehend von der Originalfarbe sepia, wie sie für Silber typisch ist. Andere Farben können erzeugt werden, wenn andere Metall eingesetzt werden bei der Dotierung, z.B. Gold, Kupfer etc.
Es konnte so gezeigt werden, dass mittels einer gleich bleibenden, homogenen Wärmebehandlung eines Glases, welches lediglich Farbabstufungen einer Farbe, d.h. unterschiedliche optische Dichten einer typischen Absorptionsbande aufweist, diese ursprüngliche Absorptionsbande umgesetzt werden kann in hinsichtlich ihres Zentrums verschobene Absorptionsbanden bzw. hinzukommenden weiteren Absorptionsbanden. Diese Änderungen bei der Absorption erzeugen eine Erscheinung unterschiedlicher Farben der ursprünglich monochrom gefärbten Strukturen.
Es können so mittels der Erfindung mehrfarbige Bilder in Glas z.B. eingelasert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung farbiger Strukturen in Glas bei dem im Glas vorhandene oder mit dem Verfahren eingebrachte Ionen wenigstens eines Metalles durch lokal begrenzten Energieeintrag, insbesondere im Fokus einer Laserstrahlung, reduziert und in eine lokal begrenzte Ansammlung von Metallpartikel überführt werden, der eine lokale für das eingesetzte Metall typische Verfärbung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung mehrfarbiger Strukturen in einem ersten Schritt mehrere lokal begrenzte Bereiche mit einer monochromen Ausgangsfärbung erzeugt werden, die sich durch Abstufungen derselben Farbe unterscheiden und in einem zweiten Schritt durch einen globalen oder lokalen Energieeintrag in den Bereichen von der Ausgangsfärbung abhängige Partikelbildungs- und/oder-wachstumprozesse induziert werden, so dass Bereiche mit unterschiedlicher Ausgangsfärbung eine unterschiedliche Farbe erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erzeugung von lokal begrenzten Bereichen mit einer Ausgangsfärbung durch lokal begrenzten Energieeintrag, insbesondere im Fokus einer Laserstrahlung, Ionen wenigstens eines Metalls durch ein auf einer Glasoberfläche angeordnetes Ionen-Spendermedium in einen zu färbenden Bereich des Glases übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt mittels fokussierter Laserstrahlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt mittels einer Wärmebehandlungsvorrichtung durchgeführt wird, insbesondere um einen globalen homogenen Wärmeeintrag zu erreichen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Energieeintrag, insbesondere die Temperaturbehandlung im zweiten Schritt, ein Wachstum mehrerer Metallpartikel mit im wesentlichen gleichem Durchmesser erzeugt wird und/oder vorhandene Metallpartikel weiter wachsen und/oder neue Metallpartikel erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Energieeintrag im zweiten Schritt eine Änderung der Absorptionsbanden erfolgt, insbesondere durch Verschiebung und/oder Hinzukommen von Absorptionsmaxima.
Glaselement aufweisend eine bildliche Darstellung mit Bereichen verschiedener Farben, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche.