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Die
Erfindung betrifft ein mehrlagig beschichtetes Substrat, mit mindestens
einer auf der Substratoberfläche aufgebrachten transparenten
ersten Schicht sowie einer an diese Schicht angrenzenden zweiten
Schicht sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Ein
derartiges Substrat sowie Verfahren zu dessen Herstellung ist aus
der
DE 689 18 196
T2 bekannt. Aus diesem Stand der Technik ist es bekannt, mehrlagig
keramisch beschichtete Metallplatten in einem Ausführungsbeispiel
zunächst mit einer transparenten Schicht zu beschichten
und auf diese Schicht eine weitere gefärbte keramische
Schicht aufzutragen. Die transparente Schicht bewirkt eine verbesserte
Korrosionsbeständigkeit der Metallplatte obwohl sie unter
der gefärbten Keramikschicht ausgebildet ist. Die gefärbte
Keramikschicht liefert Dekorationseffekte, wenn sie z. B. auf Metallplatten
für Innendekorationen, Gebäuden Autos etc. verwendet wird.
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Eine
derartige mehrlagige Beschichtung, die eine gefärbte Schicht
aufweist, ist für Haushaltgeräte, mit Edelstahlfronten
oder dgl. ungeeignet. Bei Haushaltgeräten ist eine sichtbare
Edelstahloptik erwünscht, die durch eine geeignete Oberflächenbeschichtung
widerstandsfähig hinsichtlich mechanischer und chemischer
Belastung ist.
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Hinsichtlich
optimaler Schichteigenschaften gibt es bekannte Beschichtungen aus
optimierten und weiterentwickelten PVD oder CVD Beschichtungsprozessen.
Diese erfolgen z. B. mit oder ohne Reaktivgasunterstützung
(Bruchstücke der Gasmoleküle werden mit in die
Schicht eingebaut), mit oder ohne Plasmaunterstützung,
mit oder ohne Magnetronsputtern (Verdampfen von Feststoffen, z.
B. von Si oder von SiO2), mit oder ohne
Elektronenstrahlverdampfung (Verdampfen von Feststoffen), gepulst oder
kontinuierlich usw.
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Schichten
aus diesen Verfahren bilden unumgänglich eine Substratkontur
auf kleinen lateralen Dimensionen extrem gut nach. Das geht nicht
anders und ist immer so. Werden mit diesen Verfahren transparente
Beschichtungen erzeugt, kommt es deshalb zu stark irisierenden Effekten
(Interferenzen, "Newtonschen Ringen wie beim glasgerahmten Dia"),
die nicht erwünscht sind.
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Zu
den Interferenzen kommt es durch Lichtreflexion an der Oberseite
und Unterseite der transparenten Beschichtung. Ein einfallender
Lichtstrahl wird zunächst an der Oberseite der Beschichtung
teilweise reflektiert, der Reststrahl wird an der Unterseite (der
Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat) reflektiert.
Beide Teilstrahlen vereinen sich nach Reflexion (oben) wieder und
löschen sich dort, je nach Gangunterschied mehr oder weniger, aus oder
verstärken sich. Dabei ist die Wirkung des Gangunterschiedes
bei unterschiedlich langen Wellenlängen (= unterschiedlichen
Farben) hinsichtlich Auslöschung/Verstärkung verschieden.
D. h. manche Farben aus dem Spektrum des weißen Lichtes
werden stärker ausgelöscht bzw. verstärkt
als andere. Das führt dazu, dass aus einfallend weißem
Licht in Reflexion an der Beschichtung farbiges Licht wird. Die
Farbe, die sichtbar wird, hängt von der Schichtdicke ab.
Wenn sich die Schichtdicke wegen nicht ganz gleichmäßiger
PVD/CVD Schichtabscheidung langsam – d. h. über
makroskopisch große laterale Wege, über mm, cm
oder mehr um Bruchteile einer Lichtwellenlänge – verändert,
wird dies durch dort unterschiedliche Farben, unter denen weißes
Licht reflektiert wird, sichtbar.
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Großflächige
Schichtdickenunterschiedsmuster der transparenten Schicht, die ohne
Interferenzen nicht erkennbar wären, zeigen sich also für den
Betrachter unerwünscht in korrespondierenden Farbreflexionsmustern
(= Irisieren).
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Transparente
Schichten auf absichtlich strukturiertem Substrat oder auf einem
Substrat mit einer genügend großen Restrauhigkeit
aus dem Herstellungsprozess, welche die Substratkonturen einebnen,
zeigen kein Irisieren. Solche Schichten werden typisch klassisch
im Tauch-, Sprüh-, Rollcoating oder anderem Verfahren mit
nachfolgender thermischer oder UV-Vernetzung hergestellt. Es handelt sich
z. B. um klassisch vernetzende Lacke, z. B. Acrylate, oder um Sol-Gel-Systeme.
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Die
chemische, mechanische und UV-Beständigkeit ist zwar gut,
aber i. d. R. nicht so gut wie die der weiterentwickelten PVD- und
CVD-Schichten.
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Der
Erfindung stellt sich somit das Problem, eine geeignete Beschichtung
für die Oberfläche eines Substrats, vorzugsweise
für eine Oberfläche an einem Haushaltgerät
zu finden, bei dem eine für sichtbares Licht transparente
Beschichtung auf z. B. einem metallischen Substrat erzeugt wird,
die keine irisierenden Farbeffekte durch Interferenzen erzeugt und
die sonst optimale Schichteigenschaften hat, z. B. hinsichtlich
mechanischer, chemischer und UV-Beständigkeit.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch ein mehrlagig beschichtetes Substrat mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung
mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
nachfolgenden Unteransprüchen.
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Die
mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere in
der Kombination von zwei im sichtbaren Spektrum transparenten Schichten
mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich der Struktur
der zu beschichtenden Oberfläche. dabei ist eine der Schichten
kontureinebnend und die andere konturnachbildend ausgebildet.
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Beide
transparente Schichtarten (kontureinebnend) und (konturnachbildend)
werden übereinander aufgebracht. Dies führt bei
den hier zu verwendenden transparenten Schichten mit speziellen
lateralen Schichtdickenprofilen zu einem unerwarteten Effekt. Normalerweise
würde man erwarten, dass beim Übereinanderaufbringen
die Schichteigenschaften allein durch die obere Schicht bestimmt
werden. Hier kommt es aber zusätzlich zu gemeinsamen vorteilhaften
Schichteigenschaften.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher
beschrieben. Es zeigt
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1 Ein
Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Schicht konturnachbildend
und die zweite Schicht kontureinebnend ausgebildet ist,
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2 ein
Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Schicht kontureinebnend
und die zweite Schicht konturnachbildend ausgebildet ist,
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3
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Im
Kern ist der zu schützende Gegenstand ein Substrat (z.
B. ein Blech, das beschichtet werden soll) mit einer 1. für
sichtbares Licht transparenten Beschichtung und einer 2. für
sichtbares Licht transparenten Beschichtung mit den Eigenschaften:
eine der Beschichtungen ist konturnachbildend, die andere Beschichtung
ist kontureinebnend.
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In 1 ist
die transparente Schicht 1 konturnachbildend, die transparente Schicht
2 ist einebnend. Welche der beiden transparenten Beschichtungen
kontureinebnend ist, ist gleichgültig. In 2 ist
die transparente Schicht 1 einebnend, die transparente Schicht 2
ist konturnachbildend.
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In
beiden Fällen wird im Querschliff betrachtet durch die
Wirkung der einebnenden Schicht (unabhängig davon, ob sie
sich oben oder unten befindet) eine Oberfläche der Gesamtbeschichtung
erzeugt, die verglichen mit der Substratoberfläche glatt ist.
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Beide
Beschichtungen sind für sichtbares Licht transparent. Die
Schichten können sich aber z. B. in ihrer chemischen Zusammensetzung
und/oder in ihrer Struktur stark voneinander unterscheiden.
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Das
2-Schicht-System sieht "von außen" für einen nicht
eingeweihten Betrachter aus wie eine einzige transparente Beschichtung.
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Beschichtung
1 und 2 unterscheiden sich z. B. in den Mengenverhältnissen
der chemischen Elemente, aus denen sie bestehen, oder in ihrer Dichte oder
in ihrer optischen Brechzahl oder in ihrem optischen Absorptionsverhalten
oder in ihrer Morphologie hinsichtlich Kristallinität,
Polikristallinität, amorpher Struktur und Porigkeit.
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Bei
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist mit Substrat
eine geschliffene und/oder gebürstete Edelstahloberfläche
gemeint. Gerade hier und bei vergleichbaren Substratstrukturen macht
es insbesondere Sinn, zwischen konturnachbildenden und einebnenden
Beschichtungen zu unterscheiden, weil hier eine besonders ausgeprägte
Substratstruktur entweder nachgebildet oder eingeebnet werden kann.
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Neben
geschliffenen Substratoberflächen sind auch andere Formen
der Strukturierung denkbar wie z. B. durch Bürsten, Walzprägen,
Strahlen, Beizen und Elektropolieren u. a.. Bei nicht gewollt strukturierten
Substratoberflächen ist die Rauhigkeit aus dem Herstellprozess
die einzige Struktur, die nachgebildet oder eingeebnet werden kann.
Durch das Schleifen/Polieren ergeben sich in der Substratoberfläche
senkrecht zur Schleifrichtung stochastische (statistisch zufällige)
Berg- und Talstrukturen auf der Substratoberfläche. Bei
einer typischen Anwendung für Haushaltgerätefronten
fallen typisch viele Berg- und Talstrukturen auf eine laterale Länge
von 100 Mikrometern senkrecht zur Schliffrichtung. Die Höhenunterschiede
zwischen benachbarten Bergen und Tälern sind dabei häufig
vergleichbar oder größer als die Wellenlängen
für sichtbares Licht, die etwa zwischen 0,4 und 0,8 Mikrometern
liegen.
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Im
Mittel muss die Gesamtschichtdicke über einem Substratberg
um mehr als die halbe Lichtwellenlänge in dem Beschichtungsmedium
(etwa 100 bis 200 nm) kleiner sein als die Gesamtschichtdicke über dem
benachbarten Substrattal. Die Wirkung, irisierende Effekte zu minimieren,
ist um so besser, je größer der durch die Einebnung
erfolgte Gesamtschichtdickenunterschied über benachbarten
Substratbergen und -tälern ist.
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Je
mehr die Gesamtschichtdickenunterschiede über Substratbergen
und benachbarten Substrattälern um ihren Mittelwert stochastisch
(zufällig, aber alle Zwischenwerte abdeckend) streuen,
desto besser werden irisierende Effekte reduziert.
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Je
mehr Substratberge und benachbarte Substrattäler auf eine
laterale Strecke (von z. B.) 100 Mikrometern (beim Schliff in Richtung
quer zum Schliff, bei anderen Strukturen in jede beliebige Richtung)
fallen, umso besser werden irisierende Effekte reduziert. Ab 5 bis
20 (und mehr) Paaren auf 100 Mikrometern sind gute Ergebnisse hinsichtlich
Reduzierung des Irisierens zu erwarten.
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Hinsichtlich
der Reduzierung irisierender Effekte gute Ergebnisse sind ab etwa
5 bis 20 Paaren von Substratbergen und benachbarten Substrattälern
auf 100 lateralen Mikrometern mit einem mittleren Höhenunterschied
von 0,5 bis 1,5 Mikrometern zwischen Substratberg und benachbartem
Substrattal (wenn durch die einebnende Beschichtungen gleichmäßig
flach eingeebnet wird), bei einer stochastischen Verteilung der
Höhenunterschiede zwischen Substratbergen und benachbarten
Substrattälern von +/– 0,5 Mikrometer.
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Die
irisierende Wirkung wird umso mehr unterdrückt, je näher
die optischen Eigenschaften "wellenlängenabhängiger
Brechungsindex" und "wellenlängenabhängiger Absorptionsindex"
für die Schichten 1 und 2 beieinander liegen.
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Der
Hauptteil der Reflexion von auf die Beschichtung einfallendem Licht
soll an der Oberseite von Schicht 2 (Grenzfläche Luft zu
Schicht 2 <-> Brechungsindexunterschied
Luft und Schicht 2) und an der Unterseite von Schicht 1 (Grenzfläche
Schicht 1 zu Substrat <-> Brechungsindexunterschied
Schicht 1 und Substrat) erfolgen. Der Brechungsindexunterschied
zwischen Schicht 1 und Schicht 2 – und damit die Reflexion
an der Grenzfläche zwischen Schicht 1 und Schicht 2 – soll
dazu im Vergleich klein sein, z. B. 5% und besser kleiner.
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Das
gilt insbesondere, wenn die konturnachbildende Beschichtung oben
liegt. Liegt die kontureinebnende Schicht oben, ist die Ähnlichkeit
der optischen Eigenschaften der beiden Schichten 1 und 2 nicht erforderlich.
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Im
folgenden sind Ausführungsbeispiele zu 1 und 2 etwas
näher erklärt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wurde
geschliffenes Edelstahlblech verwendet. Es ist vorteilhaft, das
Edelstahlblech vor der transparenten Abschlussbeschichtung zunächst
mit einer transparenten PECVD Plasmabeschichtung als thermisch beständige
Diffusionsbarriere und Grundierung auszubilden.
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Diese
erste Schicht 1 eine konturnachbildende Siliziumoxinitrid Beschichtung
mit Resten von Kohlenstoff und Wasserstoff mit bekannten Verfahren
aufgebracht. Schicht 1 besteht also aus den Elementen Si, O, N,
C und H. Die Anteile von N, C und H können auch sehr gering
gewählt werden, so dass die erzeugte Schicht eine reine
SiOx Beschichtung ist. Die Schicht 1 wird z. B. durch PE-CVD/PA-CVD (durch
Ar und Sauerstoff plasmaunterstützte CVD Beschichtung aus
der Gasphase eines Siloxans im Vakuum oder unter Atmosphärendruck)
oder z. B. im Vakuum durch (reaktives) Magnetronsputtern von SiO2 hergestellt.
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Schicht
1 hat ausgezeichnete mechanische und chemische Eigenschaften hinsichtlich
des augenblicklichen Forschungsstandes. Wegen der Konturnachbildung
dieser transparenten Schicht 1 zeigen sich jedoch starke unerwünschte
irisierende Effekte, so dass diese Beschichtung allein in dekorativen
Anwendungen nicht verwendet werden kann.
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Das
Beschichtungsverfahren für Schicht 1 erfordert kein thermisches
Verdichten. Schicht 1 kann so gasdiffusionsdicht hergestellt werden,
dass ein nachträgliches Erwärmen von Edelstahl
und Schicht 1 zu keiner Verfärbung des Edelstahls mit Sauerstoff
aus der Umgebungsluft führt. Die Schicht ist beispielsweise
1 Mikrometer dick.
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Auf
Schicht 1 ist mit bekannten Verfahren eine kontureinebnende Schicht
2 (Deckschicht aus thermisch hoch gesintertem glasartigen Sol-Gel
System) aufgebracht. Diese Deckschicht 2 ist z. B. eine glasartige
Sol-Gel Beschichtung, die aus den Elementen Si, O, C und Na besteht
und im Sprühverfahren aufgebracht wird. Schicht 1 und Schicht
2 unterscheiden sich also chemisch zumindest in der An- oder Abwesenheit
von Natrium (Na).
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Die
glasartige Sol-Gel Beschichtung reduziert durch ihr Einebnen irisierende
Farben des Gesamtbeschichtungssystems. Sol-Gel Beschichtungen sind
mechanisch und chemisch umso beständiger, je höher
die Temperatur beim abschließenden Sintern ist. Ohne eine
darunterliegende gasdichte und temperaturstabile Schicht 1 kommt
es beim erforderlichen Sintern um 500°C +/– 50
K zu erheblichen Verfärbungen des Edelstahls, weil die
ungesinterte Sol-Gel Schicht nicht gasdicht ist und Sauerstoff aus
der Umgebungsluft zur Edelstahloberfläche gelangt und dort
farbige Oxide bildet. Wird nur Schicht 2 verwendet und nur so weit
gesintert, dass es zu keinen stärkeren Verfärbungen
(Oxidationen) an der Edelstahloberfläche kommt, ist die
chemische und mechanische Beständigkeit dieser Schicht
gering und nicht ausreichend. Wird Schicht 2, um Oxidation des Edelstahls
zu verhindern, unter Schutzgas bei 500°C gesintert, ist
die chemische Beständigkeit deutlich geringer als wenn
Schicht 2 an Sauerstoff "durchoxidiert" wird.
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Mit
der Möglichkeit, durch Schicht 1 das gesamte Schichtsystem
ohne Oxidation der Edelstahloberfläche bei (500 +/– 50)°C
sintern zu können, werden die mechanischen und chemischen
Eigenschaften der Sol-Gel Deckschicht 2 vergleichbar mit denen der
PVD/CVD Plasmabeschichtung 1. Gleichzeitig treten irisierende Farben
nicht mehr auf.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wurde
das gleiche Basismaterial wie in 1 verwendet
jedoch wurde als 1. Beschichtung eine Schicht aus transparentem
einebnendem Acrylat verwendet. Dieses ist thermisch oder UV-vernetzt
(klassischer Lack oder Sol-Gel-System, Band- oder Platinenbeschichtung).
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Als
Schicht 2 (Deckschicht aus kratzfester und UV-schützender
glasartiger Plasmabeschichtung) ist eine konturnachbildende Siliziumoxinitrid Beschichtung
mit Resten von Kohlenstoff und Wasserstoff mit bekannten Verfahren
aufgebracht. Schicht 2 besteht aus den Elementen Si, O, N, C und H.
Die Anteile von N, C und H können auch sehr gering gewählt
werden, so dass die erzeugte Schicht eine reine SiOx Beschichtung
ist. Schicht 2 wird z. B. durch PE-CVD/PA-CVD (durch Ar und Sauerstoff plasmaunterstützte
CVD Beschichtung aus der Gasphase eines Siloxans im Vakuum oder
unter Atmosphärendruck) oder z. B. im Vakuum durch (reaktives) Magnetronsputtern
von SiO2 hergestellt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Substrat ein
folierter und evtl. gebürsteter Edelstahl. Nach Abzug der
Folie erfolgt zunächst eine Reinigung der Edelstahloberfläche
im Argonplasma.
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Die
erste Schicht ist eine konturnachbildende transparente glasartige
PECVD-Beschichtung auf Basis von Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff
und Wasserstoff (SIOxCy). Die Beschichtung erfolgt, wie die Argon
Reinigung, in einem Plasmaprozess. Durch den Plasmaprozess wird
die nasschemische Reinigung erspart und die erste Schicht wird direkt
im Anschluss an die Plasmareinigung, ohne die Möglichkeit
einer erneuten Verunreinigung, auf die gesäuberte und aktivierte
Substratoberfläche aufgebracht. Die Konturnachbildende
transparente Schicht haftet deshalb sehr gut, kann aber unerwünschterweise
irisierende Farbmuster zeigen. Auf diese erste transparente Beschichtung
wird eine zweite kontureinebnende transparente Beschichtung aus
einem UV-vernetzenden Klarlack aufgebracht. Durch das Einebnen verschwinden
die irisierenden Farben, das Gesamtschichtsystem ist farblos transparent.
Edelstahlfarbe und -struktur bestimmen das Aussehen der transparent
beschichteten Oberfläche. Die Haftung des UV-vernetzenden
Lackes auf der ersten Schicht ist deutlich gegenüber einem
direkt auf Edelstahl aufgebrachten UV-vernetzendem Klarlack verbessert.
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Im
folgenden sind Beispiele für mögliche Schichtdicken
zu den drei zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen beschrieben.
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In
Ausführungsbeispiel 1 ist die Haupteigenschaft der ersten
Beschichtung die Diffusionsdichtigkeit. Das kann bereits mit Schichtdicken
von 0,05 bis 0,3 Mikrometern erreicht werden. Die darüberliegende
transparente Sol-Gel Beschichtung ist z. B. 5 Mikrometer dick.
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In
Ausführungsbeispiel 2 kann die Schichtdicke jeder der beiden
transparenten Schichten zwischen 1 und 10 Mikrometern liegen. Beide
Schichten sind etwa gleich und 3 Mikrometer dick. Wenn hier die
Kratzfestigkeit durch die obenaufliegende glasartige transparente
Schicht noch besser ausgebildet sein soll, ist die ersten einebnende
weiche Acrylatschicht nur 2 Mikrometer und die darüberliegende konturnachbildende
harte Plasmabeschichtung 5 bis 10 Mikrometer dick.
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In
Ausführungsbeispiel ist die erste transparente Beschichtung
ein Haftvermittler. Dazu reichen Schichtdicken von 0,05 bis 0,3
Mikrometern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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