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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur nicht mechanischen Bearbeitung von Kanten spröder Flachmaterialien, wie es gattungsgemäß aus der
DE 1 914 513 A bekannt ist.
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Unter Flachmaterial aus sprödem Material sollen Platten und Scheiben aus Glas, Silizium oder Materialkombinationen und Gemische aus diesen Materialien verstanden werden, wie sie z. B. bei der Herstellung von Fenstern in der Bauindustrie, der Herstellung von Sicherheitsscheiben in der Automobilindustrie oder in der Photovoltaik-Industrie als Substratplatten zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellenmodulen verwendet werden.
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Substratplatten zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellenmodulen werden z. B. durch Zuschneiden mit unterschiedlichen Trennverfahren aus großem, meist gefloatetem Band- oder Plattenmaterial geschnitten. Hinsichtlich der entstehenden Trennkante gibt es prinzipiell zwei Zustände nach dem Trennen. Nach einem mechanischen Ritzen und Brechen entlang der Ritzlinie ist die Kante rau und weist Mikrodefekte auf. Die Mikrodefekte stellen unerwünschte Ausgangspunkte für spontane Brüche dar, die schon weit unter der theoretisch erreichbaren Grundfestigkeit des Materials auftreten. Um diese Gefahr und die Gefahr der Verletzung zu beseitigen, werden die Kanten, zum Beispiel durch zeitaufwändiges Schleifen, nachträglich bearbeitet.
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Gemäß einem Verfahren der Thermischen Laserseparation, wie es z. B. aus der
US 5,609,284 A bekannt ist, werden mit dem lokalen Eintrag von Wärmeenergie entlang einer gewünschten Trennkante, z. B. mittels eines Laserstrahles und einer anschließenden lokalen Kühlung, mechanische Spannungen thermisch im Material induziert, die zu einem Riss führen, der das Material teilweise oder vollständig durchdringen kann. Die Festigkeit derart hergestellter Kanten steigt im Vergleich zu mit mechanischen Schneidverfahren hergestellten Kanten signifikant bis in den Bereich der Grundfestigkeit des Materials. Das Verfahren erzeugt glatte Kanten mit fast idealen 90°-Ecken. Diese Ecken sind jedoch teilweise in der Fertigung und für das spätere Produkt, zum Beispiel beim Handling, nachteilig, weshalb häufig auch hier eine Nachbearbeitung, z. B. durch einen sogenannten „C-Schliff”, erfolgt.
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Die Aufgabe des Abrundens der Kanten von Platten aus sprödem Material ist nicht erst mit der technischen Entwicklung von Dünnschichtsolarzellenmodulen entstanden, sondern bestand bereits viel früher bei der Herstellung von Fensterscheiben. Die Kanten der Fensterscheiben wurden angefast oder abgerundet, um Verletzungen des die Fensterscheibe handhabenden Arbeiters zu vermeiden, wenn er diese in ein Fenster oder beispielsweise eine Kraftfahrzeugkarosse einsetzen wollte. Auch sollte eine Beschädigung von gegebenenfalls dort vorhandenen Gummidichtungen vermieden werden. Dass hierfür mechanische Verfahren für die Bearbeitung nachteilig sind, wurde bereits in der Offenlegungsschrift
DE 1 914 513 A beschrieben und es wurde daraus die Aufgabe abgeleitet, die scharfen Kanten einer Glasscheibe, ohne eine mechanische Behandlung vornehmen zu müssen, zu beseitigen.
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Gemäß dem in der Offenlegungsschrift
DE 1 914 513 A beschriebenen Verfahren soll der Randstreifen der Glasscheibe zum Abrunden erhitzt werden. Das soll z. B. über längs der Kante zugeleitete Heizgasströme erfolgen. Oder aber der Randstreifen wird mit einem elektrisch leitenden Überzug, bevorzugt aus Kohlenstoff, versehen, durch den ein elektrischer Strom geleitet wird, welcher zum teilweisen Schmelzen des Randstreifens führen soll. Der durch den Überzug fließende Heizstrom soll bevorzugt durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung an zwei Elektroden bewirkt werden, die zueinander mit einem Abstand gleich der Kantenlänge und zum Überzug mit einem geringen Abstand auf diesen gerichtet angeordnet sind. Eine gleiche Anordnung von jeweils zwei Elektroden, die gemeinsam ein Elektrodenpaar bilden, kann entlang aller Kanten, einseitig oder auch beidseitig, sofern ein elektrisch leitender Überzug auf beiden Seiten des Randstreifens aufgebracht wurde, vorgesehen sein. Die Elektrodenpaare werden mit zueinander entgegengesetzten Phasen einer Zweiphasen-Hochspannungs-Wechselstromquelle verbunden, die beispielsweise 1000 V bei 50 Hz aufweist. Diese Hochspannung zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares bewirkt einen Überschlag über die schmalen Spalte zwischen den Elektroden und dem Überzug und es fließt ein elektrischer Strom von den Elektroden durch den Überzug, der ein Verbrennen des Überzugsmaterials und ein leichtes Aufschmelzen des Randstreifens bewirkt, durch den das Abrunden der scharfen Kanten erfolgt.
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Würde man das beschriebene Verfahren zum Kantenbearbeiten von Substratplatten für Dünnschichtsolarzellenmodule anwenden, würde es sich aus mehreren Gründen als nachteilig erweisen.
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Zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellenmodulen (Modulen) werden heutzutage überwiegend Glassubstratplatten (Substrate), die in ihren Abmessungen einem Vielfachen der Abmaße eines Moduls entsprechen, z. B. 2,60 m × 2,20 m, mit Funktionsschichten beschichtet und strukturiert, bevor sie entlang ihrer Randstreifen (Streifen, welche die Ränder der aufgetrennten Module bilden) entschichtet und in die einzelnen Module aufgetrennt und verkapselt werden.
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Ein Trennprozess findet in der ersten Prozessstufe der Modulherstellung statt, wenn das meist gefloatete Band- oder Plattenmaterial in einzelne Substrate aufgetrennt wird und in der letzten Prozessstufe, wenn die fertig verkapselten Module vereinzelt werden. Nach beiden Trennprozessen ist es in der Regel erwünscht, in einer Prozessstufe die Kanten zu verrunden.
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Mit dem in der Offenlegungsschrift
DE 1 914 513 A beschriebenen Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Überzug auf dem Randbereich aufgebracht und in einem zweiten Verfahrensschritt der Randbereich erhitzt, um die Verrundung zu bewirken.
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Die Aufbringung des Überzuges ist ein zum eigentlichen Verfahrensschritt des Verrundens zusätzlicher Verfahrensschritt, der so, wie er in der Offenlegungsschrift
DE 1 914 513 A offenbart ist, einen hohen Zeitaufwand erfordert. Da dieser Verfahrensschritt ein Erwärmen in einem Heizofen einschließt, um den Überzug fertig zu stellen, könnte der Verfahrensschritt auch nicht zeitlich überlappend mit anderen Verfahrensschritten, wie z. B. mit dem Randentschichten, durchgeführt werden. Die Gesamtprozessdauer der Modulherstellung würde sich demnach zwingend um die Dauer dieses Verfahrensschrittes erhöhen.
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Es erscheint auch bedenklich, ob das Überzugsmaterial bei der Verbrennung tatsächlich rückstandsfrei entfernt wird. Verbleibende Rückstände könnten zumindest bei einer Verfahrensdurchführung nach der ersten Prozessstufe durch eine Verunreinigung der ersten aufzutragenden Funktionsschicht zu Qualitätsverlust, wenn nicht sogar zu Ausschuss führen.
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Auch ist mit diesem Verfahren eine spezifische lokale Bearbeitung, z. B. der Ecken, nicht möglich.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein nicht mechanisches Verfahren zu finden, mit dem die Kanten von spröden Flachmaterialien, insbesondere von Substratplatten für Dünnschichtsolarzellenmodule, zeiteffizient und ohne die Gefahr von Verunreinigungen verrundet werden können.
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Das Verfahren soll darüber hinaus dazu geeignet sein, dass bereits für die Modulherstellung vorhandene Handlingeinrichtungen während der Durchführung des Verfahrens genutzt werden können, sodass das Verfahren unkompliziert als eine Prozessstufe in die Modulherstellung integriert werden kann und der zusätzlich notwendige vorrichtungstechnische Aufwand nur gering ist.
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Das Verfahren soll es auch ermöglichen, die Kante über ihre Länge lokal spezifisch, d. h. mit veränderten Prozessparametern, bearbeiten zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Verfahren zum Kantenverrunden spröder Flachmaterialien, bei dem zwei ein Elektrodenpaar bildende Elektroden mit einer Hochspannungs-Wechselstromquelle verbunden werden, wodurch sich zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Wechselfeld ausbildet und ein Überschlag zwischen den beiden Elektroden bewirkt wird, sodass ein elektrischer Strom fließt, der zum Erhitzen und Verrunden einer Kante eines Flachmaterials führt, dadurch gelöst, dass eine Kante des Flachmaterials durch das elektrische Wechselfeld senkrecht zu den Feldstärkelinien des elektrischen Wechselfeldes mit einer vorgegebenen Relativgeschwindigkeit relativ geführt wird. Dabei treffen die Feldstärkelinien unter einem Auftreffwinkel auf einen sich gerade im elektrischen Wechselfeld befindenden Bereich der Kante auf und durchsetzen diesen. Damit wird ein sich selbst verstärkender Prozess aus Vorwärmung und Freisetzung von Ladungsträgern in diesem Bereich der Kante ausgelöst, bis eine solche Menge von freigesetzten Ladungsträgern vorhanden ist, dass eine angelegte, vorgegebene Spannung einen Durchbruch und damit einen bestimmten Entladestrom bewirkt. Das im Einwirkungsbereich befindende Flachmaterial wird damit so stark erhitzt, dass es schmilzt oder verdampft. Indem die Kante kontinuierlich durch das elektrische Wechselfeld geführt wird, kommen immer wieder neue Bereiche der Kante in den Einwirkungsbereich des elektrischen Wechselfeldes und die Vorwärmung schreitet fort. Der nach dem Durchbruch fließende Strom wird sich immer den Weg suchen, wo die Dichte der freigesetzten Ladungsträger im Flachmaterial am höchsten ist, wodurch ein in Richtung der Relativbewegung fortschreitender Materialabtrag das Verrunden der Kante hervorruft.
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Vorteilhaft wird das Flachmaterial so in das elektrische Wechselfeld eingebracht, dass die Feldstarkelinien senkrecht auf die sich gegenüberliegenden Oberflächen des Flachmaterials auftreffen, womit die durch das elektrische Wechselfeld bewegte Kante eine konstante Dicke aufweist.
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Auch ist es von Vorteil, wenn das Flachmaterial so in das elektrische Wechselfeld eingebracht wird, dass die Feldstarkelinien in einem spitzen Auftreffwinkel auf eine Oberfläche und eine angrenzende Umfangsfläche des Flachmaterials auftreffen, sodass die durch das elektrische Wechselfeld bewegte Kante eine zur Umfangsfläche abnehmende Dicke aufweist, womit der Materialabtrag von der Umfangsfläche her einsetzt.
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Über die Vorgabe der Relativgeschwindigkeit und der Höhe der angelegten Spannung kann vorteilhaft die Zeitdauer der örtlichen Erwärmung vorbestimmt werden, um das Kantenverrunden einerseits zeitlich effizient, aber andererseits auch schonend durchzuführen.
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Diesem Ziel dient auch eine mögliche zusätzliche Vorwärmung der Bereiche der Kante, bevor diese durch das elektrische Wechselfeld geführt werden.
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Vorteilhaft kann eine solche zusätzliche Vorwärmung durch ein in Richtung der Relativbewegung dem elektrischen Wechselfeld vorgeordnetes zusätzliches Wechselfeld erfolgen, welches durch ein zusätzliches Elektrodenpaar erzeugt werden kann.
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Stattdessen kann die zusätzliche Vorwärmung auch durch die Einwirkung eines Laserstrahls erfolgen.
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Um insbesondere den nach dem Durchbruch kontinuierlich fließenden Strom in seiner Höhe einzustellen und zu begrenzen, wird vorteilhaft beim Eintreten des Durchbruchs ein ohmscher Widerstand zugeschaltet.
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Das Verfahren soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme einer Zeichnung näher erläutert werden.
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Dazu zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der zur Durchführung des Verfahrens prinzipiell erforderlichen Mittel
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2 eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Elektroden zur Kante eines Flachmaterials gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
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3a eine Seitenansicht der Anordnung der Elektroden zur Kante eines Flachmaterials gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
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3b eine Seitenansicht der Anordnung der Elektroden zur Kante eines Flachmaterials gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
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4a das sich zwischen den Elektroden ausbildende elektrische Wechselfeld E
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4b ein Ersatzschaltbild für die prinzipielle Anordnung der Elektroden zur Kante eines Flachmaterials
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Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird, für alle Ausführungsbeispiele gleich, zwischen zwei Elektroden 1 ein elektrisches Wechselfeld E erzeugt, durch welches, senkrecht zu dessen Feldstärkelinien, die zu verrundende Kante 2 des Flachmaterials 3 relativ mit einer Relativgeschwindigkeit v geführt wird.
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Wie in 1 schematisch gezeigt, wird das elektrische Wechselfeld E mittels eines Elektrodenpaares erzeugt, dessen Elektroden 1 mit einer Hochspannungs-Wechselstromquelle 7 verbunden sind. Mit dem Anlegen einer Spannung bildet sich zwischen den beiden Elektroden 1 das elektrische Wechselfeld E aus, siehe auch 4a. Dabei ist die zu bearbeitende Kante 2 derart im elektrischen Wechselfeld E angeordnet und wird in diesem linear bewegt, dass das Flachmaterial 3 im Bereich der Kante 2 mit der Hindurchbewegung durch das elektrische Wechselfeld E zunächst wie das Dielektrikum eines Kondensators wirkt. Jedes Dielektrikum wird sich entsprechend seinem kapazitiven Widerstand in einem hochfrequenten elektrischen Wechselfeld erwärmen. Materialen wie z. B. Glas oder auch Silizium haben die Eigenschaft, mit zunehmender Temperatur mehr Ladungsträger freizusetzen, wodurch sich der kapazitive Widerstand verringert. Es setzt ein sich selbst verstärkender Prozess aus Erwärmung (nachfolgend Vorwärmung) und Freisetzung von Ladungsträgern ein. Über die Einstellung der Höhe der Spannung kann beeinflusst werden, bei welcher Menge von freigesetzten Ladungsträgern und damit bei welcher bereits erreichten Temperatur es ungefähr zum Durchbruch und damit zum Stromfluss durch die Kante 2 kommt.
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Je nach Wahl der Verfahrensparameter, wie Höhe und Frequenz der Spannung, der Abstände b der Elektroden 1 zur Oberfläche 5 des Flachmaterials 3, des Abstandes a der Elektrodenachse 4 zur Umfangsfläche 6, welche die Kante 2 des Flachmaterials 3 begrenzt, und der Relativgeschwindigkeit v sowie der elektrischen Eigenschaften des Flachmaterials 3 und dessen Dicke in Richtung der Feldstärkelinien des elektrischen Wechselfeldes E, kann die Geschwindigkeit der Vorwärmung reguliert werden. Durch eine gemäßigte Vorwärmung, bevor es zu einer schlagartigen Erwärmung durch den Entladungsstrom bzw. den nachfolgend kontinuierlich durch das Flachmaterial 3 fließenden Strom kommt, verläuft der Prozess schonender.
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Der Materialabtrag, entweder nur durch Schmelzen oder durch Verdampfen, führt zu unterschiedlichen Qualitäten der Verrundung. Während beim Schmelzen der Materialabtrag nur ein Verlagern von Material ist, wird beim Verdampfen Material entfernt.
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Da eine bloße Verlagerung der Schwerkraft folgend vonstatten geht, ist eine Verformung der Kante 2 beim Materialabtrag nur durch Schmelzen davon abhängig, in welcher Lage das Flachmaterial 3 während des Verfahrens gehalten bzw. transportiert wird.
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Für einen Materialabtrag durch Verdampfung ist die Lage des Flachmaterials 3 weniger von Bedeutung, jedoch muss für eine Absaugung der entstehenden Dämpfe gesorgt werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden beide beschriebenen Varianten des Materialsabtrages als Verrunden verstanden, auch wenn hierbei keine wirklichen Rundungen entstehen.
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Durch eine Relativbewegung zwischen dem Elektrodenpaar und dem Flachmaterial 3 in Richtung der Kante 2 befindet sich permanent ein anderer Bereich der Kante 2 im elektrischen Feld. Damit wird die Kante 2 in Richtung der Relativbewegung kontinuierlich erwärmt. Insbesondere über die Geschwindigkeit lässt sich somit auch beeinflussen, inwieweit durch Wärmeleitung die an die Kante 2 angrenzenden Bereiche des Flachmaterials 3 erwärmt werden, um einen allmählichen Temperaturübergang zwischen der zum Schmelzen und gegebenenfalls zum Verdampfen zu bringenden Kante 2 und den üblicherweise auf Raumtemperatur erwärmten übrigen Bereichen des Flachmaterials 3 zu erhalten. Ein abrupt ansteigender Temperaturgradient am Übergang zwischen der im elektrischen Feld befindenden Kante 2 und den angrenzenden, nicht vom elektrischen Wechselfeld E beeinflussten Bereichen des Flachmaterials 3 soll vermieden werden, um die nicht zu vermeidenden Spannungen so gering wie möglich zu halten.
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Dieses Ziel kann auch durch eine zusätzliche Vorwärmung der Kante 2 und angrenzender Bereiche oder auch des gesamten Flachmaterials 3 erreicht werden. Die zusätzliche Vorwärmung kann z. B. erfolgen, indem ein weiteres Elektrodenpaar (Hilfselektrodenpaar) dem Elektrodenpaar, welches das Kantenverrunden bewirken soll, in Richtung der Relativbewegung vorgeordnet wird.
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Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass eine Erwärmung bis hin zur Materialverdampfung nur erreicht wird, wenn in dem vom elektrischen Feld beeinflussten Flachmaterial 3 so viele Ladungsträger frei gesetzt wurden, dass es zu einem Durchschlag zwischen den Elektroden 1 und damit zum Fließen eines Entladestromes kommt. Um eine damit bewirkte abrupte Temperaturerhöhung regulieren zu können, kann mit dem Durchschlag zwischen die beiden Elektroden 1 ein ohmscher Widerstand in Form einer geeigneten elektronischen Schaltung in Reihe zugeschaltet werden. Über die Größe des ohmschen Widerstandes kann die Höhe des fließenden Entladungsstromes und damit der Anstieg der Temperaturerhöhung beeinflusst werden. Wenn es einmal einen Durchbruch gegeben hat, wird ein Strom weiter durch die Kantenbereiche fließen, die sich bereits länger im elektrischen Wechselfeld E befinden, und damit eine große Menge von freigesetzten Ladungsträgern aufweisen, während die nachrückenden Kantenbereiche erst nur erwärmt werden.
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Der Verlauf des Anstieges der Temperatur in der Kante 2 kann wie bereits erwähnt auch über die Anordnung der Elektroden 1 zum Flachmaterial 3 beeinflusst werden.
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Je nach Anordnung der Elektroden 1 kann der Bereich des Flachmaterials 3, der vom elektrischen Feld beeinflusst wird, also die Kante 2, ein gerades Prisma mit einem drei- oder viereckigen Querschnitt sein.
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In den 2 und 3 sind zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele für die Anordnung der Elektroden 1 dargestellt.
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Bei dem in 2 und 3a dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 1 so zum Flachmaterial 3 angeordnet, dass die Feldstärkelinien des sich ausbildenden elektrischen Wechselfeldes E senkrecht auf den Oberflächen 5 stehen. Die Kante 2 wird durch ein Prisma mit rechteckigem Querschnitt gebildet, weshalb die Dicke d der Kante 2 zur Umfangsfläche 6 hin konstant ist. Somit ist auch der Abstand b konstant. Über die Wahl des Abstandes der Elektroden 1 zur Umfangsfläche 6, der durch den Abstand a der Elektrodenachse 4 zur Umfangsfläche 6 definiert ist, kann beeinflusst werden, ob das elektrische Wechselfeld E ausschließlich die Kante 2 durchsetzt oder teilweise außerhalb der Kante 2 liegt.
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Bei erstgenannter Variante befindet sich zwischen den Elektroden 1 ein kapazitiver Widerstand CL1, CL2 der beiden Luftspalte 8, jeweils bestimmt durch den Abstand b, und der kapazitive Widerstand CK der Kante 2 des Flachmaterial 3.
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Bei der zweitgenannten Variante befindet sich hierzu parallel der kapazitive Widerstand CL3 des außen um die Kante 2 verlaufenden Luftweges, der zumindest anfänglich, wenn in der Kante 2 nur wenige Ladungsträger freigesetzt sind, deutlich geringer ist. Dadurch wird mit dem Durchschlag eine Funkenstrecke gebildet, die durch Wärmestrahlung die Kante 2 von außen her erwärmt. Ein Ersatzschaltbild für die zweite Variante ist in 4b gezeigt.
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Unter Verwendung gleicher Elektroden 1 kann damit auch die Breite der Kante 2 verändert werden.
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In 3b ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zwei Elektrodenpaare zum Flachmaterial 3 so angeordnet werden, dass die Feldstärkelinien unter einem spitzen Auftreffwinkel 9 zu den Oberflächen 5 hin geneigt auf diese auftreffen. In diesem Fall werden zwei Kanten 2 jeweils durch ein Prisma mit dreieckigem Querschnitt gebildet, weshalb die Dicke d der Kanten 2 über ihren Abstand a von der Umfangsfläche 6 zur Umfangsfläche 6 hin bis auf Null absinkt. Somit ist auch der Abstand b nicht konstant.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 3a, wird für eine Kante 2 der Weg der elektrischen Feldstärkelinien durch das Flachmaterial 3 in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel 9 verändert, womit auch eine selektive Unterscheidung der beiden Kanten 2 möglich ist. Natürlich können die beiden hier prismatischen Kanten 2 auch nacheinander mit nur einem Elektrodenpaar bearbeitet werden.
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Das Verfahren erlaubt die Nutzung von ohnehin für die Modulherstellung vorhandenen Vorrichtungen, bei denen auch zur Randentschichtung oder Strukturierung die Substratplatte in Richtung zweier Koordinaten an ortfest vorhandenen Werkzeugen vorbeigeführt wird. Auch kann eine hier bereits vorhandene Absaugeinrichtung mit genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrode
- 2
- Kante
- 3
- Flachmaterial
- 4
- Elektrodenachse
- 5
- Oberfläche
- 6
- Umfangsfläche
- 7
- Hochspannungs-Wechselstromquelle
- 8
- Luftspalt
- 9
- Auftreffwinkel
- E
- elektrisches Wechselfeld
- v
- Relativgeschwindigkeit
- a
- Abstand einer Elektrode zur Umfangsfläche 6
- b
- Abstand einer Elektrode zur Oberfläche 5
- d
- Dicke der Kante 2
- CK
- kapazitiver Widerstand der Kante
- CL1
- kapazitiver Widerstand des ersten Luftspaltes
- CL2
- kapazitiver Widerstand des zweiten Luftspaltes
- CL3
- kapazitiver Widerstand des Luftweges
