DE102007030503B4

DE102007030503B4 - Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Glaskeramik-Platte und verfahrensgemäß herstellbare beschichtete Glaskeramik-Platte

Info

Publication number: DE102007030503B4
Application number: DE102007030503A
Authority: DE
Inventors: Falk Dr. Gabel; Harald Dr. Striegler; Christian Henn; Dietmar Wennemann
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2007-06-30
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-07-01
Also published as: DE102007030503A1

Abstract

Glaskeramik-Kochplatte mit einer Glaskeramik-Platte, welche zumindest einen Heißbereich und zumindest einen Kaltbereich aufweist, wobei die Glaskeramik-Platte mit einer Siliziumbeschichtung versehen ist, und wobei die Siliziumbeschichtung im Kaltbereich eine Schichtdicke im Bereich von 235 Nanometern bis 275 Nanometern und im Heißbereich eine Schichtdicke von zumindest 300 Nanometern aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Glaskeramik-Erzeugnisse, wie insbesondere Glaskeramik-Kochfelder oder Kaminsichtscheiben. Im Speziellen betrifft die Erfindung die Beschichtung von Glaskeramik-Platten mit einer reflektierenden dekorativen Beschichtung.
Es gibt vielerlei Bestrebungen, das bisher im allgemeinen einheitliche Erscheinungsbild von Glaskeramik-Kochfeldern zu verändern, um den Herstellern von Küchenmöbeln mehr gestalterische Freiheiten zu ermöglichen. Die bisher üblicherweise verwendete Glaskeramik ist volumengefärbt und erscheint dunkel bis schwarz. Mittlerweile ist aber auch transparente Glaskeramik erhältlich. Bei dieser Glaskeramik wäre jedoch der Unterbau des Herdes mit den Heizelementen sichtbar.
Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, undurchsichtige Beschichtungen einzusetzen. So offenbart die EP 1 505 354 A1 ein Glaskeramik-Kochfeld, mit einer glatten Arbeitsoberfläche und einer Unterseite, welche mit einer lichtabschirmenden Beschichtung versehen ist. Die lichtabschirmende Beschichtung setzt sich dabei aus einer lichtabschirmenden Schicht und einer darauf abgeschiedenen Antioxidationsschicht zusammen, welche eine Oxidation der darunterliegenden lichtabschirmenden Schicht verhindern soll. Die Schichten sollen durch Dampfphasenabscheidung aufgebracht werden.
Als Materialien für die lichtabschirmende Beschichtung sind Si, Ti, Al, Nb, W, Mo, Sn, Cr, Pt, Au, Edelstahl, Hastelloy Inconel, Nichrome, oder Nitride dieser vorgenannten Materialien vorgesehen.
Allerdings besteht ein Problem bei derartigen Schichten unter anderem darin, dass unter Glaskeramik-Kochfeldern vielfach auch Leucht-Anzeigeelemente angeordnet werden, beispielsweise um mittels einfacher Leuchtelemente anzuzeigen, welcher der verschiedenen Heißbereiche gerade betrieben wird.
In der EP 1 505 354 A1 wird dazu vorgeschlagen, Schichten aufzubringen, die höchstens 10%, aber zumindest 0,5% durchschnittliche Lichttransmission in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,4 und 0,8 Mikrometern, also im wesentlichen dem sichtbaren Spektralbereich aufweisen. Hier ergibt sich allerdings das Problem, dass solche Schichten so dünn sein müssen, dass sie leicht aufgrund der Erhitzung auf dem Glaskeramik-Kochfeld oxidieren und sich verfärben oder sogar völlig degradieren können.
Weiterhin sind für moderne Glaskeramik-Kochflächen oft auch Touch-Schalter wünschenswert, die unter der Glaskeramik-Platte angeordnet werden und zur Bedienung des Glaskeramik-Kochfelds gedacht sind. Um solche Kontakte sicher schalten zu können, ist außerdem eine Beschichtung erforderlich, die eine hinreichend niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Die JP 2005 090906 A beschreibt eine Kochplatte mit einem kristallinen Glas für eine Kocheinrichtung. Die Innenseite der Kochplatte ist mit einer lichtabschirmenden Silizium-Beschichtung und darauf einer die Oxidation verhindernden Schicht versehen. Die Schichtdicke der Siliziumbeschichtung ist gleichbleibend entlang der Oberfläche.
Aus der DE 100 14 373 A1 ist ein Kochfeld bekannt, bei welchem Heiss- und Kaltbereiche mit unterschiedlichen Dekorfarben versehen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Glaskeramik-Kochfläche bereitzustellen, die eine metallische Anmutung aufweist, ausreichend hitzebeständig ist, die Verwendung von Touch-Schaltern und Leucht-Anzeigeelementen ohne Unterbrechung der Schicht gestattet und über die gesamte Fläche der Glaskeramik eine homogene Anmutung besitzt. Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß sieht die Erfindung eine Glaskeramik-Kochplatte mit einer Glaskeramik-Platte vor, welche zumindest einen ersten Bereich, nachfolgend Heißbereich genannt, und zumindest einen zweiten Bereich, nachfolgend Kaltbereich genannt, aufweist, wobei die Glaskeramik-Platte mit einer Siliziumbeschichtung versehen ist, und wobei die Siliziumbeschichtung im Kaltbereich eine Schichtdicke im Bereich von 235 Nanometern bis 275 Nanometern und im Heißbereich eine Schichtdicke von zumindest 300 Nanometern, vorzugsweise zumindest 400 Nanometern aufweist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zur Herstellung einer beschichteten Glaskeramik-Platte für ein Kochfeld basiert dann dementsprechend darauf, dass die Glaskeramik-Platte auf einer Seite mit einer Siliziumbeschichtung durch Sputtern beschichtet wird, wobei auf einem Kaltbereich der Glaskeramik-Platte die Siliziumbeschichtung mit einer Schichtdicke im Bereich von 235 Nanometern bis 275 Nanometern und im Heißbereich mit einer Schichtdicke von zumindest 300 Nanometern, vorzugsweise zumindest 400 Nanometern abgeschieden wird.
Um eine hohe Temperaturbeständigkeit zu erhalten, wird für den Heißbereich, also den Bereich, unter welchem die Heizelemente des Herdes oder Kochfeldes angeordnet werden, insbesondere Induktionsspulen für Induktionskochfelder oder auch elektrische Heizelemente, sowie Gasbrenner, die ihrerseits auch innerhalb von Bohrungen des Kochfeldes angeordnet sein können, eine höhere Schichtdicke verwendet als dem oder den Kaltbereichen, unter denen beispielsweise Anzeigeelemente und Touch-Sensoren angebracht werden und die im Betrieb angefasst werden können. Um eine metallische Anmutung zu erzielen, wird vorzugsweise eine geschlossene Schicht aufgebracht. In der geschlossenen Schicht können aber dennoch Aussparungen vorgesehen werden, etwa, um darunter spezielle Anzeigeelemente anzuordnen.
Die Schicht ist im Heißbereich aufgrund der höheren Dicke von zumindest 300 Nanometern ausreichend temperaturstabil, auch bei einer für Induktionskochfelder typischen Temperaturbelastung von 585°C für eine Dauer von einer halben Stunde. Insbesondere zeigen sich praktisch keine Farbänderungen bei Betrieb des Kochfeldes, insbesondere auch bei der vorstehend genannten Temperaturbelastung. Die Lichttransmission durch die dicke Schicht ist allerdings zu gering, um darunter angeordnete Anzeigeelemente in hinreichender Helligkeit durchscheinen zu lassen. Hingegen weist die dünnere Schicht im Kaltbereich eine ausreichende Lichttransmission, vorzugsweise von 3 bis 5% im Mittel für einen Wellenlängenbereich von 400 bis 800 Nanometern auf. Der Schichtdickenbereich der Beschichtung im Kaltbereich von 235 Nanometern bis 275 Nanometern erfüllt gleichzeitig mehrere Funktionen. Zum einen ist eine Siliziumschicht dieser Dicke farblich der dickeren Schicht im Heißbereich so ähnlich, dass die beiden Schichten in ihrer Anmutung praktisch nicht zu unterscheiden sind. Insbesondere kann dabei der Farbtonunterschied dE im L·a·b-Farbraum in Aufsicht und Reflexion des Lichts der Beleuchtungsquelle betrachtet zwischen der Siliziumbeschichtung im Heißbereich und der Siliziumbeschichtung im Kaltbereich kleiner eins gehalten werden. Der Farbtonunterschied dE ist dabei definiert als dE = (da² + db² + dL²)^1/2, wobei da, db und dL die Differenzen der Farbtonwerte a, b und L im L·a·b-Farbraum bezeichnen.
Damit ist visuell kein Unterschied zwischen Heiß- und Kaltbereich erkennbar, so dass die Beschichtung wie eine gleichmäßige, geschlossene, metallisch erscheinende Schicht wirkt. Zudem stellt gerade der Schichtdickenbereich von 235 Nanometern bis 275 Nanometern noch sicher, dass die Schicht hinreichend blickdicht ist, so dass die inneren Teile des Herdes, die auch unmittelbar unterhalb der Kochfläche angeordnet sein können, unsichtbar bleiben. Noch eine weitere Eigenschaft der Schicht im Kaltbereich ist, dass der Flächenwiderstand der Schicht mit dieser Schichtdicke den Betrieb von kapazitiven Touch-Schaltern erlaubt. Ebenso können optische Sensoren als Schalter verwendet werden.
Auch bei einer Temperaturbelastung von 585°C für eine Dauer von einer halben Stunde ist bei einer erfindungsgemäßen Beschichtung eine Farbtonänderung dE in Aufsicht und Reflexion der Beleuchtungsquelle betrachtet von kleiner 1 zwischen geheizten und nicht geheizten oder zumindest bei Beheizung wesentlich kälteren, etwa benachbarten Bereichen, beispielsweise Bereichen mit einer Temperatur kleiner 100°C bei der Beheizung zu beobachten.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Siliziumbeschichtung ergibt sich außerdem noch ein weiterer höchst vorteilhafter Effekt. Die größeren Schichtdicken im Heißbereich weisen eine hohe Reflektivität für langwelligere Infrarotstrahlung im Bereich zwischen 3 bis 7 Mikrometern Wellenlänge auf. Diese hohe Reflektivität bewirkt ein verbessertes Ankochverhalten, das sich insbesondere auch bei Induktionskochfeldern zeigt. Die hohe Reflektivität im genannten Wellenlängenbereich liegt gerade dort, wo typischerweise das Maximum der spektralen Wärmeabstrahlung eines heißen Kochgeschirrs liegt. Damit wird die Wärmeabstrahlung des Kochgeschirrs reduziert. Vorzugsweise ist die Siliziumbeschichtung im Heißbereich so ausgebildet, dass der spektrale Reflexionsgrad im Bereich zwischen 3 und 7 Mikrometern Wellenlänge im Durchschnitt zumindest 0,4, vorzugsweise zumindest 0,5 beträgt.
Hohe Infrarot-Reflektivitäten können dabei bereits mit Siliziumbeschichtungen im Heißbereich mit eine Schichtdicke kleiner 700 Nanometer, vorzugsweise kleiner 600 Nanometer erzielt werden. Derartige Schichten sind zusätzlich auch noch hinsichtlich ihrer Herstellungskosten bevorzugt, da die Abscheidung einer dickeren Schicht durch Sputtern die Produktionskosten signigfikant erhöht.
Ein Glaskeramik-Kochfeld wie es aus einer erfindungsgemäßen Glaskeramik-Kochplatte hergestellt werden kann, kann daher zumindest ein unter der Beschichtung im Kaltbereich der Glaskeramik-Platte angeordnetes Leucht-Anzeigeelement und/oder zumindest einen unter dem unter der Siliziumbeschichtung im Kaltbereich der Glaskeramik-Platte angeordneten Touch-Schalter aufweisen.
Wie bereits ausgeführt, hat die Schicht im Kaltbereich bereits eine Anmutung wie eine dickere, völlig opake Siliziumschicht. Würde die Schichtdicke im Kaltbereich dünner gewählt, würden sich Farbänderungen ergeben. Dies liegt zum einen an der dann stark ansteigenden Lichttransmission, zum anderen auch insbesondere an interferenzoptischen Effekten, da sich die Schicht in ihrer Dicke dann an eine Interferenzschicht annähert. Die Schichtdicke im Heißbereich kann praktisch frei gewählt werden, da sich bei der höheren Schichtdicke keine weiteren Farbänderungen mehr ergeben. Um eine gute Temperaturbeständigkeit zu erreichen, wird die Schichtdicke der Siliziumbeschichtung im Heißbereich daher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zumindest um einen Faktor 1,4 dicker als die Schichtdicke im Kaltbereich gewählt.
Da mit der Beschichtung eine metallische Anmutung erzeugt werden kann, eignet sich die erfindungsgemäße Beschichtung weiterhin insbesondere in Verbindung mit klar transparenten Glaskeramik-Platten als Substrat.
Vorzugsweise wird die Siliziumbeschichtung auf der Unterseite der Glaskeramik-Platte aufgebracht, um zu vermeiden, dass sich die Beschichtung im Betrieb des Kochfelds abnutzt. Insbesondere in Verbindung mit einer solchen Unterseitenbeschichtung ist dabei die Verwendung einer klar transparenten Glaskeramik sinnvoll, da die Siliziumbeschichtung dann gut sichtbar von der Bedien-, beziehungsweise der Nutzseite ist.
Es hat sich außerdem gezeigt, dass die Siliziumbeschichtung sehr gut auf der Glaskeramik haftet. Dies gilt sogar dann, wenn die Glaskeramik auf die Betriebstemperatur gebracht wird. Es kann daher eine sehr dauerhafte, stabile Beschichtung bereits erzielt werden, wenn die Siliziumbeschichtung direkt auf der Glaskeramik-Platte abgeschieden wird. Da auf weitere haftvermittelnde Zwischenschichten verzichtet werden kann, wirkt sich dies auch sehr günstig auf die Herstellungskosten aus.
Mit erfindungsgemäßen Siliziumbeschichtungen kann im Kaltbereich weiterhin einen Flächenwiderstand von zumindest 40 MΩ, vorzugsweise zumindest 100 MΩ, besonders bevorzugt zumindest 1 GΩ erzielt werden. Dies macht die Schichten prädestiniert für den Einsatz von Touch-Schaltern, insbesondere von kapazitiven Touch-Schaltern, da die Schicht damit kaum abschirmend auf elektrische Felder wirkt. Derartig hohe Flächenwiderstände können insbesondere mit einer strukturlosen Schicht erreicht werden. Um eine strukturlose Siliziumbeschichtung abzuscheiden, die hoch temperaturbeständig ist, haben sich hohe Leistungen beim Sputtern als günstig erwiesen. Besonders haltbar haben sich Schichten erwiesen, die mit einer Leistungsdichte von zumindest 10 Watt pro Quadratzentimeter Targetfläche, vorzugsweise zumindest 15 Watt pro Quadratzentimeter Targetfläche aufgesputtert werden. Die Haftung der Siliziumbeschichtung und deren Temperaturbeständigkeit kann weiterhin wesentlich verbessert werden, indem sie auf einer vorgeheizten Glaskeramik-Platte abgeschieden wird. Eine gute Schichthaftung wird insbesondere erreicht, wenn die Glaskeramik-Platte auf eine Temperatur von zumindest 350°C aufgeheizt und dann beschichtet wird. Die Vorheizung führt dazu, dass die Siliziumbeschichtung zumindest bei Beginn der Abscheidung bei einer Temperatur auf der Glaskeramik aufwächst, die in der Nähe der Betriebstemperaturen des Kochfelds liegt. Die Schichtspannungen der Beschichtung sind dann bei dieser Temperatur herabgesetzt. Dies führt dazu, dass bei einer Erhitzung temperaturbedingte Spannungen zwischen Glaskeramik-Platte und Siliziumbeschichtung eine kritische Größe nicht überschreiten.
Um die Siliziumbeschichtung mit den unterschiedlichen Schichtdicken aufzubringen, ist es weiterhin bevorzugt, mehrere Silizium-Lagen aufeinander abzuscheiden. Eine solche Abscheidung in mehreren hintereinander abgeschiedenen Lagen erlaubt es, im Heißbereich vorhandene oder entstehende Schichtspannungen abzubauen.
Dabei hat es sich aber als günstig für den Flächenwiderstand erwiesen, wenn die Schicht im Kaltbereich in einem Schritt abgeschieden wird, beziehungsweise, wenn die Siliziumbeschichtung im Kaltbereich eine Einzelschicht ist. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die Siliziumbeschichtung demgemäß mehrere aufeinander abgeschiedene Silizium-Lagen, wobei die Siliziumbeschichtung im Kaltbereich eine Einzelschicht ist.
Für das Sputtern von Siizium-Schichten werden üblicherweise Aluminiumdotierte Targets verwendet. Auch Bor-dotierte Targets sind erhältlich. Es hat sich aber gezeigt, dass die Flächenwiderstände von Siliziumschichten, die von Aluminium-dotierten Targets abgesputtert wurden, deutlich niedriger sind, als Schichten, die unter Verwendung von Bor-dotierten Targets hergestellt wurden. Es wird daher bevorzugt, die Siliziumbeschichtung durch Sputtern eines Bor-dotierten Targets abzuscheiden.
Um eine solche mehrlagige, vorzugsweise zweilagige Siliziumbeschichtung herzustellen, wird in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung in einem ersten Schritt eine Silizium-Lage über den gesamten zu beschichtenden Bereich abgeschieden, die Glaskeramik-Platte dann maskiert, so dass der Kaltbereich abgedeckt ist und der Heißbereich frei liegt, und dann eine weitere Silizium-Lage abgeschieden.
Die Siliziumbeschichtung kann gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft zusätzlich mit einer Beschichtung, vorzugsweise auf organischer Basis abgedeckt werden. Eine solche Beschichtung kann dann als effektiver Kratzschutz wirken und damit zum Beispiel verhindern, dass die Beschichtung beim Einbau beschädigt wird, Insbesondere liegen oft auch Teile der Heizeinrichtung an der Glaskeramik-Platte an. Diese können dann bei der Erwärmung im Betrieb aufgrund der Wärmeausdehnung an der Siliziumbeschichtung scheuern. Die zusätzliche Beschichtung auf organischer Basis kann dabei eine Beschädigung der Siliziumbeschichtung vermeiden. Weiterhin kann die Beschichtung auf organischer Basis auch gefärbt, oder allgemein opak sein, um als zusätzlicher Sichtschutz zu wirken. Es ist vorzugsweise vorgesehen, die Schicht zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Kaltbereichs aufzubringen. Der Heißbereich kann dann auch ausgespart werden. Bei hinreichender Temperaturbeständigkeit kann aber auch alternativ oder insbesondere zusätzlich eine Beschichtung auf dem Heißbereich erfolgen. Allgemein wird es bevorzugt, Bereiche, welche für Anzeigeelemente vorgesehen sind, von der Beschichtung auszusparen, um die Sichtbarkeit der Anzeigeelemente nicht weiter einzuschränken.
Als Beschichtungsmaterialien sind insbesondere Silicon, Polyamid- oder Polyimid, allgemein auch Sol-Gel-basierte Schichten, etwa in Form Sol-Gel-basierter organisch-anorganischer Hybridmaterialien geeignet. Organisch basierte Schichten werden bevorzugt, da sie im allgemeinen eine gewisse Flexibilität mit bringen, so dass die Schichten auch bei Erwärmung gut haften. Zudem ist eine solche flexible Schicht sehr resistent gegen Verkratzen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Es zeigen:
1 in schematischem Querschnitt eine Glaskeramik-Kochplatte mit einer Siliziumbeschichtung,
2 die Kochplatte aus 1 in Aufsicht, und
3 in einem Diagramm den Verlauf von Farbwerten von Siliziumschichten im L·a·b-Farbraum in Abhängigkeit der Schichtdicke,
4 den spektralen Verlauf der Transmission und Reflexion durch die Siliziumschichten, und
5 den spektralen Verlauf des Reflexionsgrades zweier Siliziumschichten mit Dicken von 100 Nanometern und 500 Nanometern bis zu einer Wellenlänge von 10 Mikrometern.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glaskeramik-Kochplatte für ein Glaskeramik-Kochfeld. Die Glaskeramik-Kochplatte weist eine Glaskeramik-Platte 2 aus klar transparenter Glaskeramik mit zwei gegenüberliegenden Seiten 3, 5 auf, wobei die Seite 3 bei dem gezeigten Beispiel die Nutzseite oder Oberseite darstellt, die dem Benutzer zugewandt ist. Die Glaskeramik-Kochplatte untergliedert sich weiterhin in einen Kaltbereich 9 und einen Heißbereich 11. Diese beiden Bereiche 9, 11 sind dabei aber nicht als physische Merkmale der Glaskeramik-Platte 2 zu verstehen. Die Unterteilung in diese gedachten Bereiche ergibt sich vielmehr vor allem durch die Anordnung der Heizelemente – unter dem Heißbereich 11 – und weiterer Bedien- und Anzeigeelemente unter dem Kaltbereich.
Auf der Unterseite 5, unter welcher die Heizelemente des Kochfelds angeordnet werden, ist auf der Glaskeramik-Platte 2 eine Siliziumbeschichtung 7 durch Sputtern eines Silizium-Targets abgeschieden. Die Siliziumbeschichtung 7 ist dabei insbesondere direkt ohne haftvermittelnde Zwischenschichten auf der Unterseite 5 der Glaskeramik-Platte 2 abgeschieden.
Die Siliziumbeschichtung 7 umfasst außerdem zwei aufeinander abgeschiedene Lagen 71, 72. Dabei erstreckt sich die untere, beziehungsweise zuerst abgeschiedene Lage 71 sowohl über den Heißbereich 11, als auch den Kaltbereich 9, so dass die Anmutung einer durchgehenden geschlossenen metallischen Fläche erreicht wird. Die Lage 71 weist dabei eine Schichtdicke im Bereich von 235 bis 275 Nanometern auf.
Im Heißbereich 11 ist eine weitere Lage 72 abgeschieden. Dazu wird nach der Beschichtung mit der Lage 71 die Glaskeramik-Platte 2 aus der Sputteranlage herausgeholt, der Kaltbereich 9 maskiert, beziehungsweise abgedeckt und die so maskierte Platte 1 wieder in die Sputteranlage eingeschleust und die Lage 72 abgeschieden. Demgemäß weist die Siliziumbeschichtung 7 im Heißbereich eine entsprechend höhere Schichtdicke auf, welche sich aus der Summe der Schichtdicken der Lagen 71 und 72 ergibt.
Selbstverständlich kann die Beschichtung auch so erfolgen, dass die Platte 2 in der Kammer verbleibt und darin, beispielsweise auch während des Beschichtungsprozesses zum geeigneten Zeitpunkt maskiert wird, ohne die Platte aus der Kammer zu holen. Insgesamt wird eine Schichtdicke der Siliziumbeschichtung 7 von zumindest 400 Nanometern oder einer um zumindest einen Faktor 1,4 dickeren Schichtdicke bezogen auf die Schichtdicke der Lage 71 im Kaltbereich bevorzugt. Die Schichtdicke der Lage 71 ist dabei so gewählt, dass ihre Farbe bereits im wesentlichen einer dicken, völlig undurchsichtigen Siliziumschicht entspricht, aber dennoch hinreichend viel Licht von Anzeigeelementen, insbesondere rot leuchtenden Anzeigeelementen hindurchläßt.
Beide Lagen 71, 72 der Siliziumbeschichtung 7 sind strukturlos und zeigen röntgenographisch keine Hinweise auf Kristallinität, d. h. sie sind weitestgehend amorph. Es zeigt sich, dass amorphe Siliziumschichten auch im Betrieb des Kochfeldes bei den dabei erreichten Temperaturen amorph bleiben. Da keine Kristallisation zu beobachten ist, bleibt auch die Schichtdicke und die Dichte der Beschichtung weitgehend konstant. Dies wird als ursächlich dafür angesehen, dass auch nach einer Erhitzung auf die betriebstypischen Temperaturen keine sichtbaren Verfärbungen auftreten. Eine merkliche Verfärbung ist dabei auch bei einer Temperatur auf der Unterseite 5 von 585°C nicht zu beobachten.
2 zeigt die Glaskeramik-Kochplatte 1 in Aufsicht auf die Nutzseite 3. Die verschiedenen Funktionsbereiche der Glaskeramik-Kochplatte sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein entsprechendes Dekor hervorgehoben. Im Heißbereich 11 sind die Kochflächen, unter denen die Heizelemente angeordnet werden, und auf welche im Betrieb das Kochgeschirr plaziert wird, durch ein Dekor in Form von Kreisen 13 gekennzeichnet. Im Kaltbereich finden sich rahmenförmige Dekors 15 und 17 zur Kennzeichnung von Anzeigeelementen und zur Kennzeichnung von Bedienelementen, die insbesondere als Touch-Schalter und/oder optische Sensorschalter ausgeführt sind.
Bei einer erfindungsgemäß beschichteten Glaskeramik-Platte 2, bei welcher die Schichtdicke im Heißbereich 528 Nanometer und im Kaltbereich 245 Nanometer betrug, wurden folgende Eigenschaften festgestellt: Die durchschnittliche Transmission durch die 245 Nanometer dicke Siliziumbeschichtung betrug 3,97% im Wellenlängenbereich von 400 bis 800 Nanometern. Im Heißbereich lag die durchschnittliche Transmission durch die 528 Nanometer dicke Schicht für diesen Wellenlängenbereich bei 0,73%. Die Siliziumbeschichtung wurde dabei als Doppelschicht, wie anhand von 1 beschrieben, abgeschieden.
Für den Farbton einer solchen Siliziumbeschichtung 7 unter einer klar transparenten Glaskeramik ausgedrückt im L,a,b-Farbsystem in Aufsicht betrachtet ergab sich L/a/b = 71,61/–0,49/–3,73 für die 528 Nanometer dicke Schicht im Heißbereich. Der Farbtonunterschied zwischen der 528 Nanometer dicken Schicht und der 245 Nanometer dicken Schicht im Kaltbereich betrug bei Betrachtung in Aufsicht dabei lediglich dE = 0,93. Als Schwelle für einen visuell gerade noch sichtbaren Farbtonunterschied wird allgemein ein Farbtonunterschied dE von mindestens 1,0 angesehen. Die beiden Teilbereiche der Beschichtung sind demgemäß visuell nicht unterscheidbar.
Insbesondere wurde auch eine nur sehr geringe Farbänderung im Heißbereich nach einer erfolgten Temperaturbelastung festgestellt. Die Farbänderung im Heißbereich nach einer Temperung auf 375°C betrug lediglich dE = 0,5. Auch nach einer Erhitzung auf 585°C betrug die Farbänderung dE lediglich 0,76. Auch diese Farbänderung nach einer solchen Temperaturbelastung liegt demgemäß unterhalb der Sichtbarkeitsschwelle.
Weiterhin wurde an der 245 Nanometer dicken Schicht im Kaltbereich ein Flächenwiderstand von 178 bis 238 MΩ gemessen. Demgegenüber betrug der Flächenwiderstand an der 528 Nanometer dicken Schicht im Heißbereich lediglich 60 bis 80 kΩ.
Die vorstehend beschriebene Beschichtung mit 528 Nanometern Dicke im Heißbereich und 245 Nanometern Schichtdicke im Kaltbereich wurde hergestellt, indem auf der zu Beginn des Sputtervorgangs auf 400°C vorgeheizten und dann in die Sputteranlage eingebauten Glaskeramik-Platte zunächst vollflächig eine 245 Nanometer dicke Siliziumschicht abgeschieden wurde. Der als Kaltbereich vorgesehene Teil der Platte wurde dann abgedeckt, beziehungsweise maskiert und eine weitere Schicht abgeschieden, so dass die Gesamtschichtdicke von 528 Nanometern im Heißbereich erreicht wurde. Das Sputtern erfolgte von einem Bor-dotierten Target. Insbesondere wurde mit 13 Watt pro Quadratzentimeter Targetfläche eine sehr hohe Sputterleistung eingesetzt. Aufgrund der hohen Sputterleistung wird eine amorphe Struktur mit hohem Flächenwiderstand, nämlich den weiter oben angegebenen 178 bis 238 MΩ. erreicht. Wurde demgegenüber eine übliche niedrigere Sputterleistung von 3 Watt pro Quadratzentimeter Targetfläche eingesetzt, ergab sich ein deutlich, nämlich um mehr als einen Faktor 6 reduzierter Flächenwiderstand.
3 zeigt den berechneten Verlauf von Farbwerten im L·a·b-Farbraum für Siliziumschichten in Abhängigkeit ihrer Dicke. Dargestellt ist dabei eine Projektion auf die a–b-Ebene des Farbraums. Die Teilstriche auf den Achsen kennzeichnen jeweils Farbtonänderungen von 1,25.
Wie anhand des Diagramms zu erkennen ist, werden die Farbtonänderungen bei steigender Schichtdicke immer kleiner. Ab Schichtdicken oberhalb von 300 Nanometern sind die Farbtonänderungen nur noch marginal. Um den Farbtonwert einer 400 Nanometer dicken Siliziumschicht ist in 3 ein Kreis mit einem Radius dE = 1 gezogen. Wie anhand der 3 zu erkennen ist, liegen die Farbtonwerte für Siliziumschichten mit Schichtdicken im Bereich von 235 bis 275 Nanometern größtenteils gerade innerhalb des Kreises. Die Messungen an den erfindungsgemäß durch Sputtern abgeschiedenen Schichten zeigen gegenüber den in 3 gezeigten theoretischen Werten etwas andere Farbwerte. Im Diagramm der 3 liegt der L·a·b-Wert einer 245 Nanometer dicken Siliziumschicht außerhalb des durch den Kreis markierten Bereiches mit dE ≤ 1 gegenüber einer dicken Siliziumschicht. Demgegenüber zeigt sich, dass der Farbtonunterschied dE einer realen gesputterten Siliziumschicht mit einer Dicke von 245 Nanometern gegenüber einer dicken Schicht von zumindest 400 Nanometern Dicke kleiner als 1 ist und bei den oben beschriebenen Parametern bei dieser Schichtdicke sogar ein lokales Minimum aufweist. Siliziumschichten mit einer Schichtdicke innerhalb eines Schichtdickenbereiches von 235 bis 275 Nanometern vereinen daher mehrere vorteilhafte Eigenschaften: die Schichten sind noch ausreichend transparent für Leucht-Anzeigeelemente aber hinreichend blickdicht, um die unter der Glaskeramik-Platte eingebauten Teile des Herdes zu verbergen, hinreichend isolierend für die Verwendung kapazitiver Touch-Schalter als Bedienelemente und dabei gleichzeitig farblich von einer dicken, temperaturbeständigen Schicht praktisch nicht zu unterscheiden. Damit wird trotz einer Beschichtung mit unterschiedlichen Schichtdicken ein Eindruck einer einheitlichen, geschlossenen, metallisch glänzenden Oberfläche hergestellt.
Zur Verdeutlichung sind in 4 die spektralen Verläufe für reflektiertes und transmittiertes Licht für die oben beschriebene Siliziumbeschichtung mit Schichtdicken von 245 Nanometern im Kaltbereich und 528 Nanometern im Heißbereich dargestellt. Die mit 20 bezeichnete Kurve ist dabei die Transmission der 528 Nanometer dicken Schicht im Heißbereich und die mit 21 bezeichnete Kurve deren Reflexion. Die Bezugszeichen 22 und 23 bezeichnen die Transmission und Reflexion der 245 Nanometer dicken Siliziumbeschichtung im Kaltbereich. Wie anhand der Kurven zu erkennen ist, weist die 245 Nanometer dicke Beschichtung im Kaltbereich im sichtbaren roten Spektralbereich oberhalb von etwa 675 Nanometer Wellenlänge eine Transmission von 10% und mehr auf. Dies ermöglicht die Verwendung von Anzeigeelementen mit roten Lichtanteilen, welche unter der beschichteten Glaskeramik-Platte angeordnet werden können und dann durch die Beschichtung hindurchscheinen. Demgegenüber ist die Transmission durch die dicke Beschichtung im Heißbereich mit 528 Nanometern Dicke auch im roten Spektralbereich deutlich geringer. Dies führt dazu, dass Leuchtanzeigen im allgemeinen nicht ausreichend erkennbar sind.
Eine besondere Eigenschaft des erfindungsgemäßen Schichtsystems zeigt sich an den Reflexionswerten. Die durchschnittliche Reflexion im sichtbaren Spektralbereich unterhalb von etwa 800 Nanometern ist für beide Schichtdicken praktisch gleich, wie anhand der Verläufe der Kurven 21 und 23 zu erkennen ist. Die Blickdichten unterscheiden sich damit nur noch um die Absorption. Die farbliche Anmutung erscheint vergleichbar. Aufgrund der Transmissionsverläufe liefert die dünnere Siliziumbeschichtung einen effektiven Sichtschutz für die im Inneren des Herdes untergebrachten Komponenten, wie unter anderem die Heizelemente für die Kochflächen im Heißbereich und weitere Bauteile, wie insbesondere unter dem Kaltbereich untergebrachte elekrische und/oder elektronische Bauteile. Genannt seien hier beispielsweise die Schaltungen für die Touch-Schalter oder optische Sensorschalter.
Die Siliziumbeschichtung zeigt außerdem gerade im Heißbereich bei Schichtdicken im Bereich von 400 bis 600 Nanometern Schichtdicke einen weiteren höchst vorteilhaften Effekt. Siliziumschichten mit einer Dicke ab 300 Nanometer, insbesondere ab 400 Nanometer weisen eine hohe Reflektivität für Infrarotstrahlung auf, wie sie gerade von einem heißen Kochgeschirr abgegeben wird.
Um dies zu verdeutlichen, sind in 5 Verläufe des spektralen Reflexionsgrads für eine 100 Nanometer dicke Siliziumschicht und eine 500 Nanometer dicke Siliziumschicht im Bereich bis 10 Mikrometer Wellenlänge dargestellt. Wie anhand dieser spektralen Verläufe zu erkennen ist, weist die Siliziumbeschichtung mit einer Schichtdicke von 500 Nanometer, wie sie für den Heißbereich verwendet werden kann, im Bereich zwischen 3 und 7 Mikrometern Wellenlänge eine wesentlich höhere Reflektivität auf als die dünnere Schicht. Insbesondere liegt der spektrale Reflexionsgrad in diesem Bereich für die 500 Nanometer dicke Schicht im Schnitt bei über 0,5. Demgegenüber beträgt der Reflexionsgrad der 100 Nanometer dicken Schicht in dem Wellenlängenbereich zwischen 300 und 7000 Nanometer durchweg weniger als 0,2.
Dass die Reflexionseigenschaften der dickeren Siliziumschicht besonders vorteilhaft für das Ankochverhalten, beziehungsweise die Effektivität einer erfindungsgemäßen Kochplatte sind, wird anhand der außerdem als gestrichelte Linie eingezeichneten spektralen Leistungsdichte eines 900 K warmen Schwarzkörperstrahlers deutlich. Die Temperatur von 900°K liegt nahe bei der mit Induktionsbeheizung erreichbaren Temperatur von 585°C, beziehungsweise 858°K. Wie anhand von 5 erkennbar ist, liegt das Maximum der spektralen Leistungsabgabe etwa bei 3,3 Mikrometern Wellenlänge, also gerade im Bereich zwischen 3 und 7 Mikrometern. Bei kälteren Kochgeschirren verschiebt sich das Maximum zu längeren Wellenlängen und damit weiter in den genannten Bereich zwischen 3 und 7 Mikrometer hinein. Da in diesem Bereich die 500 Nanometer dicke Siliziumschicht gerade ihre maximale Reflektivität aufweist, kann sie sehr effektiv sowohl beim Aufheizen, als auch beim Erreichen der Maximaltemperatur die vom Kochgeschirr abgegebene Infrarotstrahlung zurückreflektieren. Dieser Effekt macht eine erfindungsgemäße Siliziumbeschichtung auch für nicht klar transparente, insbesondere volumengefärbte Glaskeramik interessant, da auch hier unabhängig von der Sichtbarkeit der Schicht eine Energieeinsparung erzielt werden kann.
Kochflächen, die unterseitig mit der beschriebenen Siliziumbeschichtung versehen wurden, könnten trotz der recht hohen Kratzfestigkeit der Siliziumschicht durch Bauteile innerhalb des Kochfeldes, die von unten an der Kochfläche anliegen, z. B. bei Induktionsgeräten durch die Glimmerplatte auf der Induktionsspule oder durch die Metallplatte im Bereich einer elektrisch beheizbaren Warmhaltezone, verkratzt werden.
Als wirksamer Kratzschutz, der die Gebrauchseigenschaften der Siliziumschicht nicht beeinträchtigt, kann auf dieser eine Beschichtung auf organischer Basis (z. B. Silicon, Polyamid- oder Polyamid, Sol-Gel) aufgebracht werden. Eine derartige Schutzschicht verhindert, dass durch scharfkantige Gegenstände oder scheuernde Bauteile Kratzer oder matte Bereiche in der Beschichtung entstehen, die für den Endverbraucher erkennbar sind.
Während die bloße Siliziumbeschichtung von einer abgerundeten Metallspitze mit 0,5 mm Krümmungsradius, die mit einem Gewicht von 200 g belastet und senkrecht ausgerichtet über die Beschichtung geführt wurde, verkratzt werden konnte, so dass der Schaden im eingebauten Zustand der Kochfläche von oben (aus Sicht des Benutzers) erkennbar war, wurde die durch eine organische Beschichtung geschützte Siliziumschicht selbst bei einer Belastung von über 500 g nicht von oben erkennbar verkratzt.
Ausführungsbeispiel zu dieser Weiterbildung:
Eine Glaskeramikplatte, die gemäß 1 mit dem Silizium Schichtsystem versehen wurde, wurde unterseitig zusätzlich per Siebdruck (Gewebe 54–64) mit einer hitzebeständigen, schwarzen Siliconfarbe (GSX, Fa. Daishin Paint) nahezu ganzflächig (die Sichtfensterbereiche 15 und 17, 2, wurden ausgespart) beschichtet. Die Farbe wurde 5 min bei 180°C getrocknet und anschließend 30 min bei 400°C eingebrannt.
Die fertige Glaskeramikplatte wurde als Kochfläche in ein Kochfeld für Induktionsanwendung (Fa. Bosch-Siemens-Hausgeräte, B/S/H/) eingebaut. Die Beständigkeit der Unterseitenbeschichtung gegenüber scheuernden Bauteilen (Glimmerplatte über Induktionsspule, Metallplatte von Warmhaltezone) wurde durch 10maliges, wiederholtes Ein- u. Ausschalten aller Heizstellen und der Warmhaltezone, entsprechend einem Betrieb bei maximaler Leistung, geprüft. Bei der anschließenden Betrachtung der Kochfläche von der dem Benutzer zugewandten Seite konnten keine Kratzer oder abgeriebenen Bereiche festgestellt werden. Die Unterseitenbeschichtung war daher für Induktionsanwendungen ausreichend abriebbeständig. Die übrigen, bereits genannten Eigenschaften wurden durch die organische Beschichtung nicht beeinträchtigt.

Claims

Glaskeramik-Kochplatte mit einer Glaskeramik-Platte, welche zumindest einen Heißbereich und zumindest einen Kaltbereich aufweist, wobei die Glaskeramik-Platte mit einer Siliziumbeschichtung versehen ist, und wobei die Siliziumbeschichtung im Kaltbereich eine Schichtdicke im Bereich von 235 Nanometern bis 275 Nanometern und im Heißbereich eine Schichtdicke von zumindest 300 Nanometern aufweist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Siliziumbeschichtung im Heißbereich zumindest um einen Faktor 1,4 dicker als die Schichtdicke im Kaltbereich ist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskeramik-Platte eine klar transparente Glaskeramik umfasst.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung auf der Unterseite der Glaskeramik-Platte aufgebracht ist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung direkt auf der Glaskeramik-Platte abgeschieden ist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung im Kaltbereich einen Flächenwiderstand von zumindest 40 MΩ, bevorzugt mehr als 100 MΩ und besonders bevorzugt zumindest 1 GΩ aufweist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung strukturlos ist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung mehrere aufeinander abgeschiedene Silizium-Lagen umfasst, wobei die Siliziumbeschichtung im Kaltbereich eine Einzelschicht ist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung bei einer Temperaturbelastung von 585°C für eine Dauer von zumindest einer halben Stunde stabil ist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbtonunterschied dE im L·a·b-Farbraum in Aufsicht betrachtet zwischen der Siliziumbeschichtung im Heißbereich und der Siliziumbeschichtung im Kaltbereich kleiner eins ist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbtonunterschied dE im L·a·b-Farbraum in Aufsicht nach einer Temperaturbelastung von 585°C für eine Dauer von zumindest einer halben Stunde kleiner 1 beträgt.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung im Heißbereich eine Schichtdicke kleiner 700 Nanometer, vorzugsweise kleiner 600 Nanometer aufweist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung im Heißbereich einen spektralen Reflexionsgrad im Bereich zwischen 3 und 7 Mikrometern Wellenlänge von im Durchschnitt zumindest 0,4, vorzugsweise zumindest 0,5 aufweist.
Glaskeramik-Kochplatte gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Siliziumbeschichtung eine Beschichtung auf organischer Basis angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Glaskeramik-Kochplatte mit einer Glaskeramik-Platte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem die Glaskeramik-Platte auf einer Seite mit einer Siliziumbeschichtung durch Sputtern beschichtet wird, wobei auf einem Kaltbereich der Glaskeramik-Platte die Siliziumbeschichtung mit einer Schichtdicke im Bereich von 235 Nanometern bis 275 Nanometern und im Heißbereich mit einer Schichtdicke von zumindest 300 Nanometern, vorzugsweise zumindest 400 Nanometern abgeschieden wird.
Verfahren gemäß vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Heißbereich die Siliziumbeschichtung mit einer Schichtdicke abgeschieden wird, die zumindest um einen Faktor 1,4 dicker als die Schichtdicke im Kaltbereich ist.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine klar transparente Glaskeramik-Platte beschichtet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung auf der Unterseite der Glaskeramik-Platte aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung direkt auf der Glaskeramik-Platte abgeschieden wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung amorph abgeschieden wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtern mit einer Leistungsdichte von zumindest 10 Watt pro Quadratzentimeter Targetfläche, vorzugsweise zumindest 15 Watt pro Quadratzentimeter Targetfläche erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf einer vorgeheizten Glaskeramik-Platte abgeschieden wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskeramik-Platte auf eine Temperatur von zumindest 350°C aufgeheizt und dann beschichtet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung in mehreren Lagen abgeschieden wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung im Kaltbereich als Einzellage abgeschieden wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Silizium-Lage über den gesamten zu beschichtenden Bereich abgeschieden wird, die Glaskeramik-Platte dann maskiert wird, so dass der Kaltbereich abgedeckt ist und der Heißbereich frei liegt, und dann eine weitere Silizium-Lage abgeschieden wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumbeschichtung durch Sputtern eines Bor-dotierten Targets abgeschieden wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Siliziumbeschichtung eine Beschichtung auf organischer Basis aufgebracht wird.