DE102011087967A1

DE102011087967A1 - Farbstabiles, IR-reflektierendes und transparentes Schichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung, Glaseinheit

Info

Publication number: DE102011087967A1
Application number: DE102011087967A
Authority: DE
Inventors: Christoph Köckert
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: DE102011087967B4; WO2013083827A1; WO2013083827A4; RU2578071C1; CN103987675A

Abstract

Es wird ein Infrarotstrahlung reflektierendes transparentes Schichtsystem auf einem transparenten, dielektrischen Substrat S0, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Glaseinheit unter Verwendung eines solchen Schichtsystems angegeben, welches vom Substrat S0 aufwärts betrachtet eine Grundschichtanordnung GA mit einer dielektrischen Grundschicht GAG, einer darüber liegenden Funktionsschichtanordnung UFA mit einer metallischen Funktionsschicht UFAF und einer Blockerschicht UFAB und eine Deckschichtanordnung DA umfasst. Um die gleiche Farberscheinung für ein solches Schichtsystem unabhängig vom Betrachtungswinkel zu erzielen, wird eine Zwischenschichtanordnung (ZA) mit einer solchen Dicke abgeschieden, dass bei einem Betrachtungswinkel im Bereich von 0 bis ±75°, bezogen auf die Normale der Substratoberfläche, die a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte des CIE L*a*b*-Farbsystem der substratseitigen Reflexion im Bereich von ≤ 0 liegen.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein wärmebehandelbares Infrarotstrahlung (IR-)reflektierendes, transparentes Schichtsystem, welches zumindest zwei metallische IR-Reflexionsschichten auf einem transparenten, dielektrischen Substrat enthält, eine Glaseinheit unter Verwendung eines solchen Schichtsystems sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein solches IR-reflektierendes Schichtsystem, welches verschiedene transparente und teilabsorbierende, funktionell unterscheidbare Schichtanordnungen aufweist. Als Schichtanordnung sollen dabei eine oder mehrere Einzelschichten verstanden sein, die übereinander angeordnet sind und der Funktion der Schichtanordnung zugeordnet werden können. Eine solche Schichtanordnung kann sowohl homogene Einzelschichten als auch solche mit graduellen Schwankungen der Zusammensetzung über der Schichtdicke, so genannte Gradientenschichten, umfassen.
Funktionell ist ein IR-reflektierendes Schichtsystem, nachfolgend auch nur als Schichtsystem bezeichnet, durch seine niedrige Emissivität und damit verbundene hohe Reflektivität sowie geringe Transmission im spektralen IR-Bereich (Wellenlängen von >> 3µm) gekennzeichnet. Gleichzeitig soll oftmals eine hohe Transmission im Bereich des sichtbaren Lichts erzielt werden. Es weist somit einen steilen Abfall der Transmission und einen starken Anstieg der Reflexion im Übergang vom sichtbaren Licht zum nahen Infrarot auf. Aufgrund ihres Emissionsverhaltens werden solche Schichtsysteme auch als Low-E-Schichtsysteme bezeichnet.
Zu den IR-reflektierenden Schichtsystemen mit einer geringen Emissivität und hohen IR-Reflexion gehören auch die sogenannten Low-E-Sun-Schichtsysteme. Diese werden für Verglasungen, auch als Sonnenschutzverglasung bezeichnet, dort eingesetzt, wo ein Energieeintrag durch die Verglasung überwiegt und eine geringe Energietransmission und damit verbunden eine hohe Selektivität der eingesetzten Verglasung von Vorteil ist. Demgegenüber werden die oben beschriebenen Low-E-Schichtsysteme für Verglasungen in klimatischen Regionen mit überwiegendem Energieverlust verwendet. Dort ist eine hohe solare Energietransmission der Verglasung bevorzugt, wodurch sich ein solarer Energiegewinn ergibt. Neben dem Aufbau und den Materialien der verschiedenen IR-reflektierenden Schichtsysteme ist auch deren Einbauort in Architekturverglasungen, den Isolierglaseinheiten, verschieden.
8A und 8B zeigen Doppelverglasungen mit zwei Glasscheiben S, S0 und einem Zwischenraum SZ zwischen beiden Scheiben sowie mit den möglichen grundsätzlichen Positionen von Beschichtungen. Die Positionen sind die Oberflächen der Scheiben und werden üblicherweise von außen, in den 8A und 8B durch einen Pfeil mit Wellenlinie für den Lichteinfall gekennzeichnet, gezählt. Bei zwei Scheiben ergeben sich somit vier Positionen mit der ersten außen und der vierten innen. Bei Mehrfach-Verglasungen ergeben sich dementsprechend pro Scheibe zwei weitere Positionen. Aufgrund von Funktion und Leistungsvermögen ist ein Single-Low-E-Schichtsystem üblicherweise auf der Position 3 (8A) Mehrfach-Low-E und Low-E-Sun-Schichtsysteme bevorzugt auf der Position 2 (8B) angeordnet. Derartige Schichtsysteme können auch in solchen Glaseinheiten zum Einsatz kommen, bei denen zwei Scheiben ohne Zwischenraum über ein Verbundmittel, z.B. eine Folie, direkt miteinander verbunden sind (nicht dargestellt). Auch in diesen Verbund-Glaseinheiten, z.B. Fahrzeug- bzw. Sicherheits-Verglasungen, werden die beschichteten Substrate meist so angeordnet, dass die IR-reflektierende Beschichtung zwischen den Substraten liegt.
Bei Low-E-Sun-Schichtsystemen ist die Transmission gegenüber den Low-E-Systemen im Bereich des sichtbaren Lichts reduziert. Auch hier kann gezielt ein Reflexionsfarbton des Schichtsystems eingestellt werden.
Die hohe Reflexion im IR-Bereich wird in beiden Anwendungen allgemein durch ein oder mehrere metallische IR-Reflexionsschichten aus z.B. Silber, Gold, Kupfer oder anderen erzielt. In der Regel wird die oben beschriebene Flanke im spektralen Transmissions- und Reflexionsverhalten mit steigender Zahl der IR-Reflexionsschichten steiler, weshalb zunehmend Schichtsysteme mit zwei oder mehr IR-Reflexionsschichten verwendet werden.
Allgemein umfasst ein IR-reflektierendes Schichtsystem vom Substrat aufwärts betrachtet zunächst eine Grundschichtanordnung, welche insbesondere der Haftung des Systems auf dem Substrat, der chemischen und/oder mechanischen Beständigkeit und/oder der Einstellung optischer Eigenschaften des Systems, z.B. der Entspiegelung oder der Farberscheinung, dient.
Über der Grundschichtanordnung folgt eine Funktionsschichtanordnung, welche die IR-Reflexionsschicht umfasst sowie optional weitere Schichten, welche diese Funktion unterstützen und eine Beeinflussung der optischen, chemischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften ermöglichen.
Ein so genanntes Single-Low-E, welches nur eine Funktionsschichtanordnung umfasst, kann durch Einfügung einer oder mehrerer weiterer Funktionsschichtanordnung ergänzt werden (Double-, Triple-, oder Multi-Low-E), die durch Koppel- oder Zwischenschichtanordnungen über der ersten Funktionsschichtanordnung angeordnet sind. Die Zwischenschichtanordnungen dienen insbesondere Entspiegelung im sichtbaren Bereich durch funktionelle Separierung der beiden Funktionsschichtanordnungen voneinander und deren mechanische Verbindung aufeinander. Zudem kann bei geeigneter Materialkombination durch eine Zwischenschichtanordnung auch eine mechanische Stabilisierung des Schichtsystems erzielt werde.
Nach oben abgeschlossen wird ein IR-reflektierendes Schichtsystem durch eine Deckschichtanordnung, die zumindest eine mechanisch und/oder chemisch stabilisierende Schutzschicht umfasst. Diese kann selbst oder durch ergänzende Schichten auch die optische Performance des Schichtsystems beeinflussen, z.B. eine Entspiegelung unter Ausnutzung von Interferenzeffekten, so dass gegebenenfalls auch in Verbindung mit einer entspiegelnden Grundschicht die Transmission erhöht werden kann.
Die Zuordnung einzelner Schichten zur Grund-, Funktions-, Deck- oder weiterer Schichtanordnung ist nicht in jedem Fall eindeutig vorzunehmen, da jede Schicht sowohl auf die benachbarten Schichten als auch auf das gesamte System Einfluss hat. Allgemein erfolgt eine Zuordnung einer Schicht anhand ihrer grundlegenden Funktion. So werden einer Grundschichtanordnung allgemein solche Schichten zugerechnet, die primär einen Mittler zwischen dem Substrat und der weiteren Schichtenfolge darstellen. Beispielsweise können mit Keim- oder Interfaceschichten, die direkt unter einer Funktionsschichtanordnung liegen, die Haftung und/oder die elektrischen und optischen Eigenschaften der benachbarten Schicht, insbesondere der IR-Reflexionsschicht positiv beeinflusst werden.
Weitere Schichten der Grundschichtanordnung können auch die Eigenschaften des Schichtsystems als Ganzes beeinflussen, wie z.B. Entspiegelungsschichten oder Schutzschichten. Die Funktionsschichtanordnung umfasst neben der IR-Reflexionsschicht als Funktionsschicht auch solche Schichten, die deren Eigenschaften direkt beeinflussen, wie Blockerschichten zur Unterdrückung von Diffusionsvorgängen benachbarter Schichten in die Funktionsschicht. Schichten der Deckschichtanordnung schließen das Schichtsystem nach oben ab und können wie auch die Grundschichtanordnung das gesamte System beeinflussen.
Die jeweilige Abfolge von Einzelschichten und Schichtanordnungen kann entweder innerhalb einer Schichtanordnung oder in der Aufeinanderfolge der Schichtanordnungen so modifiziert werden, dass spezielle, durch die Anwendung oder den Herstellungsprozess entstehende Anforderungen erfüllt werden können.
Häufig treten im Verlauf der Herstellung des Schichtsystems verschiedene Temperaturbelastungen in bereits aufgebrachten Schichtenfolgen auf, die durch einen mit der Abscheidung verbundenen Energieeintrag oder durch verschiedene Behandlungsschritte abgeschiedener Schichten bedingt sind. Darüber hinaus können IR-reflektierende Schichtsysteme zur Härtung und/oder Verformung des Substrates auch Temperprozessen unterzogen werden. Je nach Anwendung eines beschichteten Substrates ist dessen Schichtsystem im Temperprozess in unterschiedlichen Zeitregimes unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ausgesetzt.
Aufgrund der Temperaturbelastungen kommt es zu verschiedenen, das Reflexionsvermögen der Funktionsschicht und die Transmission des Schichtsystems ändernden Vorgängen, zum Beispiel zur Diffusion von Komponenten der Entspiegelungsschicht in die Funktionsschicht und umgekehrt und infolge dessen zu Oxidationsprozessen in der Funktionsschicht. Zur Vermeidung solcher Diffusions- und Oxidationsvorgänge weisen die Funktionsschichtanordnungen ein- oder beidseitig der Funktionsschicht eine Blockerschicht auf, die als Puffer für die diffundierenden Komponenten dient. Diese Blockerschichten sind entsprechend der auftretenden Temperaturbelastung strukturiert und angeordnet und schützen die empfindliche oft sehr dünne Funktionsschicht oder die Funktionsschichten vor dem Einfluss benachbarter Schichten. Durch das Einfügen einer oder mehrerer Blockerschichten können insbesondere die Oxidation der IR-Reflexionsschicht des Schichtsystems sowie die damit zusammenhängende Zunahme des Flächenwiderstandes oder auch starke Farbverschiebungen des Schichtsystems während der Beschichtungsprozesse selbst oder infolge des Temperprozesses verhindert werden.
Gleichzeitig sind die Blockerschichten auch verwendbar, um die Transmission des Schichtsystems einzustellen, indem eine oder mehr, regelmäßig unter der Funktionsschicht liegende, Blockerschichten als Absorberschichten wirken. Aus diesem Grund weisen Low-E-Sun-Schichtsysteme zumindest unterhalb der untersten, d.h. substratnächsten Funktionsschicht eine Blockerschicht auf. Die Anordnung einer unteren Blockerschicht führt häufig dazu, dass eine darunter liegende Keimschicht in der Grund- oder Zwischenschichtanordnung entfällt.
Als Blockerschichten temperfähiger Schichtsysteme sind insbesondere Nickel und/oder Chrom enthaltende Schichten bekannt. So schließen in der DE 035 43 178 A1 diese Blockerschichten die IR-reflektierenden Silberschichten ein oder schützen sie zumindest einseitig. Die Blockerschichten führen jedoch zu einer Verringerung der Transmission und der Leitfähigkeit der Silberschicht und damit zur Verminderung der IR-Reflexion.
Ein IR-reflektierendes Schichtsystem mit zwei oder mehr Funktionsschichtanordnungen, welches sich bei geringer Emissivität und hoher Transmission im sichtbaren Spektralbereich als stabil temper- und biegbar in einem großen Temperatur-, Zeit- und geometrischen Rahmen erwiesen hat, ist z.B. aus der DE 10 2010 008 518 A1 bekannt. Das dort beschriebene Schichtsystem weist, auch nach Temperaturbelastungen, gleichbleibende optische Eigenschaften, insbesondere auch eine neutrale bis blaue substratseitige Reflexionsfarberscheinung auf, die durch negative, d.h. blaue, b*(Rg)-Farbwerte im L*a*b*-Farbraum gekennzeichnet ist.
Üblicherweise werden die optischen und thermischen Eigenschaften, wie Reflexionsfarbe und Transmission bzw. Flächenwiderstand und Emissivität, eines Schichtsystems über die ganz speziellen Schichtdicken der Einzelschichten eingestellt. Während ein Single-Low-E-System aus meist 4 bis 7 Einzelschichten aufgebaut sein kann, sind es beim Doppel-Low-E bereits 7 bis 10 und bei einem Triple-Low-E schon 10 bis 14 Einzelschichten, je nach Ausführung. Die Dicke der Silberschichten bestimmt dabei maßgeblich den Flächenwiderstand und damit die Emissivität im IR-Bereich, aber auch die optischen Eigenschaften. Die Schichtdicken der Grund- und Deckschichten dagegen sind besonders für die Farberscheinung entscheidend.
Bei der Entwicklung dieser Schichtsysteme wurde festgestellt, dass die optischen Eigenschaften bei Einstellung der thermischen Eigenschaften stark vom Betrachtungswinkel abhängig sind. Eine bei senkrechter Betrachtung, d.h. einem Betrachtungswinkel von 0° bezogen auf die Oberflächennormale des Substrats, eingestellte neutrale oder blaue Substratseiten-Reflexionsfarbe kann schon bei geringfügig größeren Betrachtungswinkel rot oder violett reflektieren. Neutrale Farben sind im CIE L*a*b*-Farbsystem durch a*(Rg)-und b*(Rg)-Farbwerte von ca. Null gekennzeichnet, während blaue Farben durch negative b*-Farbwerte und rote sowie violette Farben durch positive a*-Farbwerte charakterisiert sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein IR-reflektierendes Schichtsystem insbesondere für Architekturglas und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, das auch bei anspruchsvollen klimatischen Bedingungen einer Wärmebehandlung des beschichteten Substrats und/oder dabei auftretenden inhomogenen Substrateigenschaften eine ausreichende Qualität, z.B. eine hohe Transmission im sichtbaren Bereich sowie eine niedrige Emissivität gewährleistet und gleichzeitig eine weitgehende und vom Betrachtungswinkel unabhängige Stabilität des Farborts der Substratseiten-Reflexion des Schichtsystems im neutralen bis bläulichen Bereich des L*a*b*-Farbraumes aufweisen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein IR-reflektierendes Schichtsystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Anspruch 10 angegeben. Günstige Ausgestaltungen des Schichtsystems und des Verfahrens sind in den zugehörigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße IR-reflektierende Schichtsystem weist über nahezu den gesamten, bevorzugt den gesamten Betrachtungsbereich eine neutrale bis blaue substratseitige Reflexionsfarbe auf, ein Farbwechsel in den rötlichen Farbraum in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel erfolgt nicht. Diese Eigenschaft wird über eine Schichtdickenvariation, verglichen zur rein farboptimierten Ausführung der Schichtdicken der Einzelschichten des Schichtsystems, zumindest einer Zwischenschichtanordnung erzielt. Die Schichtdickenvariation erfolgt in der Weise, dass die a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte des CIE L*a*b*-Farbsystem der substratseitigen Reflexion im Bereich von ≤ 0 liegen.
Die Änderung ∆a*(Rg) und ∆b*(Rg) der Farbwerte ist gering und insoweit unerheblich, sofern die Werte im negativen Bereich bleiben, wobei gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die substratseitigen, durch die a*(Rg)- und b*(Rg)-Werte definierten Farbreflexionswerte gemäß CIE L*a*b*-Farbsystem oder eine im Verlauf der Herstellung des Schichtsystems auftretende Verschiebung dieser Werte, mittels der Summe der Dicken der Einzelschichten der Grundschichtanordnung und/oder der Deckschichtanordnung einstellbar bzw. korrigierbar ist. Eine solche Korrektur der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte bewirkt sowohl eine Änderung deren Mittelwerte als auch eine Änderung der Werte von ∆a*(Rg) und ∆b*(Rg) über dem Betrachtungswinkel. Die Möglichkeit der Korrektur der Farbwerte gestattet es auch, etwaige zusätzliche Verschiebung der Farberscheinung im Verlaufe des Weiterbearbeitungsverfahrens des beschichteten Substrats, z.B. infolge einer Temperaturbehandlung wie Temperung, Biegung, Laminierung usw., zu berücksichtigen und vorzubeugen.
Es hat sich gezeigt, dass auch eine geringfügige Veränderung der Schichtdickenverhältnisse der Funktionsschichten, ohne Änderung der Gesamtschichtdicke, in Verbindung mit den oben genannten Maßnahmen oder für sich allein die Beibehaltung oder Wiedererlangung der substratseitigen Reflexionsfarbwerte ermöglicht.
Ausgangspunkt für die Herstellung einer winkelunabhängigen Farberscheinung ist die bei normaler, d.h. parallel zur Flächennormalen der beschichteten Substratoberfläche verlaufender, Betrachtung gewünschte Farberscheinung, wobei dafür insbesondere die substratseitige Reflexion von Interesse ist, da die beschichteten Substrate überwiegend von dieser Seite betrachtet werden. Als winkelunabhängig soll hier verstanden sein, dass die a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte über den benannten Bereich des Betrachtungswinkels keine positiven Werte annehmen sollen. Die Winkelunabhängigkeit ist über die Dicke der Zwischenschichtanordnung für verschiedene Material- und Schichtdickenkombinationen des gattungsgemäßen IR-reflektierenden Schichtsystems mit zumindest zwei Funktionsschichtanordnungen und auch für solche Schichtsysteme realisierbar, deren Herstellung eine Wärmebehandlung umfassen oder die durch Laminierung zu Verbundsystemen weiterverarbeitet werden. Damit sind erfindungsgemäßes Verfahren und Schichtsystem für die gängigen thermisch, mechanisch und chemisch beständigen Schichtsysteme einer gewünschten hohen oder gezielt reduzierten Transmission bei geringer Emissivität, z.B. für Architekturglas, anwendbar.
Das gattungsgemäße Schichtsystem umfasst in seinem grundsätzlichen Aufbau eine Grundschichtanordnung mit zumindest einer dielektrischen Grundschicht. Diese besteht aus einem solchen Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, welches geeignet ist, Diffusionsvorgänge aus dem Substrat in das darüber liegende Schichtsystem und hier insbesondere in eine Funktionsschichtanordnung zu vermindern.
Ein Einfluss der für die Grundschichtanordnung üblicherweise verwendeten Materialien oder Schichtdicken auf die Winkelunabhängigkeit der Farberscheinung ist nicht festgestellt worden. Ein möglicher Einfluss auf die Farberscheinung an sich kann gegebenenfalls gut durch die Dicken der Grund- und/oder Deckschichtanordnung korrigiert werden.
Die Grundschicht kann beispielsweise Silizium enthalten, z.B. Siliziumnitrid. Es hat sich herausgestellt, dass eine gute Barrierewirkung gegenüber dem Substrat insbesondere durch solche Schichten erzielt wird, welche neben den spezifischen Ionenfängern auch eine dichte Struktur aufweisen. Auch andere funktionell und strukturell vergleichbare Material sind einsetzbar. Die verwendbaren Materialien hängen wesentlich von diesen Eigenschaften ab und zwar bezogen auf die zu erwartenden Diffusionsprozesse, so dass für die jeweils gegebenen Substrat-Schicht-Kombinationen und thermischen Anforderungen die geeigneten Materialien durch Versuche zu ermitteln sind. In Bezug auf die Natriumionendiffusion aus Glas wurde z.B. herausgefunden, dass einige Metalloxide wie z.B. Zinnoxid, Zinkstannat oder Titanoxid nur eine vernachlässigbare Barrierewirkung zeigen.
Je nach verwendetem Material kann die Grundschicht durchaus auch hoch brechend sein. In diesem Fall kann die Grundschicht gleichzeitig der Entspiegelung dienen.
Der Bereich der hoch brechenden Eigenschaft einer Einzelschicht ist wie üblich in Bezug auf die im Schichtsystem verwendeten Materialien sowie das Substrat und keinesfalls absolut zu betrachten, da sich ein optischer Effekt, hier insbesondere ein entspiegelnder Effekt an dem Wechsel der optischen Dicke benachbarter Schichten bemisst. Sofern es sich bei dem Substrat um Glas handelt, wird dessen Brechungsindex im Bereich von ca. 1,5 und einige Zehntel darüber und darunter als niedrig brechend anzusehen sein, während der Brechungsindex von Siliziumnitrid oder Metalloxide bei 2,0 und darüber liegen und deshalb als hoch brechend anzusehen sein. Gegenüber einem Brechungsindex von 1,5 und niedriger kann jedoch auch ein Brechungsindex von 1,8 oder 1,9 schon als hoch brechend gelten. Diese Grenzen sind, wie dargelegt, an den genannten Materialien orientiert. Verschieben sich die Brechungsindizes der verwendeten Materialien, dann verschieben sich auch die Grenzen.
Die Grundschicht kann, in Abhängigkeit z.B. von der Funktionalität des Schichtsystems und von den verwendeten Materialien, in einer Ausgestaltung der Erfindung auch eine die Abscheidung und die Reflexionseigenschaften der IR-reflektierenden Funktionsschicht positiv beeinflussende Keimschicht umfassen. Mit einer Keimschicht kann die Haftung der direkt über der Keimschicht abgeschiedenen IR-reflektierenden Funktionsschicht verbessert und der Flächenwiderstand herabgesetzt und so die IR-Reflexionseigenschaften verbessert werden. Die Keimschicht besteht aus einem Metall oder aus einem Oxid oder Nitrid eines Metalls oder einer Metallmischung oder Metall-Legierung und ist als eine Schicht im Sinne eines Seed-Layers eingefügt, der den Schichtaufbau der Funktionsschicht während der Abscheidung derart beeinflusst, dass der gewünschte, niedrige Flächenwiderstand erzielt wird.
Wie oben beschrieben kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Keimschicht beispielsweise in einem Low-E-Sun-Schichtsystem entfallen, wenn die Funktionsschichtanordnung auch unter der Funktionsschicht eine Blockerschicht aufweist.
Die über der Grundschichtanordnung angeordnete Funktionsschichtanordnung umfasst eine metallische Funktionsschicht zur Reflexion von Infrarotstrahlung sowie eine Blockerschicht aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid davon. Diese dient vordergründig dem Schutz der Funktionsschicht gegenüber Oxidations- und Diffusionsprozessen, die z.B. in im Durchlaufverfahren zur Herstellung des Schichtsystems nachfolgenden Beschichtungsprozessen oder während der Temperprozesse des Schichtsystems auftreten können. Außerdem kann über ihre Dicke und auch Stöchiometrie die Transmission des gesamten Schichtsystems variiert werden. Die Blockerschicht kann unter oder über der Funktionsschicht oder in beiden Positionen angeordnet sein.
Kann mit der Barrierewirkung durch die Grundschicht bereits eine ausreichende Stabilisierung des Schichtsystems gegenüber thermischen Einflüssen, die durch das Substrat begründet sind, erzielt werden, dann ist es entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise für hochtransparente Schichtsysteme nicht erforderlich, eine untere Blockerschicht anzuordnen. Diese Möglichkeit wirkt sich positiv auf die Transmission im sichtbaren Spektralbereich aus, ohne jedoch Einbußen in der thermischen Beständigkeit hinzunehmen. Von den beidseitig einer Funktionsschicht angeordneten Blockerschichten verbleibt somit lediglich die obere, die über der Funktionsschicht liegt und einen Schutz gegenüber Diffusions- und damit verbundenen Oxidationsprozessen von über der Funktionsschicht abgeschiedenen Schichten bildet. Ein Einfluss auf die Winkelunabhängigkeit der Farberscheinung ist durch eine solche Modifikation des erfindungsgemäßen Schichtsystems nicht festgestellt wurden. Ein möglicher Einfluss auf die Farberscheinung an sich kann gegebenenfalls gut durch die Dicken der Grund- und/oder Deckschichtanordnung korrigiert werden.
Eine zweite und im Übrigen jede weitere Funktionsschichtanordnung wird unter der das Schichtsystem abschließenden Deckschichtanordnung eingefügt. Die Trennung zwischen beiden Funktionsschichtanordnungen und demzufolge auch deren Verknüpfung miteinander erfolgt durch eine Zwischenschichtanordnung, so dass die Schichtenfolge eine Funktionsschichtanordnung, darüber eine Zwischenschichtanordnung und eine weitere Funktionsschichtanordnung und gegebenenfalls weitere, sich abwechselnde Zwischen- und Funktionsschichtanordnungen umfasst.
Erfindungsgemäß umfasst die Zwischenschichtanordnung eine oder mehr Zwischenschichten. Von verschiedenen dielektrischen Materialien aus Oxiden, Nitriden oder Oxinitriden von Metallen, Metalllegierungen oder Metallmischungen oder Halbleitern oder Verbindungen davon hat es sich als günstig für die thermische Stabilität erwiesen, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zumindest eine der Einzelschichten der Zwischenschichtanordnung ein Oxid oder ein Oxinitrid eines Zink-Stannats enthält. Daraus folgt, dass grundsätzlich auch eine einschichtige Zwischenschichtanordnung möglich ist, deren Schicht ein Oxid oder ein Oxinitrid eines Zink-Stannats enthält. Alternativ können auch mehrschichtige Zwischenschichtanordnung verwendet werden, deren Einzelschichten alle Zinn enthalten. Durch den so für jede Zwischenschicht vorgeschriebenen Zinn-Gehalt entstehen auch bei voneinander abweichenden Zwischenschichten über die Dicke der Mittelschichtanordnung betrachtet Bereiche mit unterschiedlichen Zinn-Anteilen, die auch gradientenförmige Übergänge von einer Schicht zur anderen umfassen können.
Wie oben dargelegt, weist eine Zink-Stannat enthaltende Schicht besondere mechanisch stabilisierende Eigenschaften auf, die erfindungsgemäß auch für die Zwischenschichtanordnung genutzt werden. Dies ist aufgrund der Verbindungsfunktion für die Zwischenschichtanordnung von Vorteil, auch für deren Kombination mit einer davon abweichenden, Zinn-haltigen Schicht.
Vorteilhaft für die Reflexionseigenschaften einer über der Zwischenschichtanordnung abgeschiedenen Funktionsschicht ist es, wenn, wie oben zur Keimschicht der Grundschichtanordnung beschrieben, die Zwischenschichtanordnung mit einer Keimschicht abgeschlossen wird.
Unabhängig vom Aufbau der Zwischenschichtanordnung als ein- oder mehrschichtige Anordnung, ist es wie oben beschrieben möglich, über deren Dicke die Winkelunabhängigkeit einzustellen. Dies kann durch Variation der Dicke einer oder mehrerer Einzelschichten erfolgen. Wesentlich ist die Summe der Schichtdicken der Einzelschichten. Es wurde festgestellt, dass bereits eine Erhöhung der Dicke der Zwischenschichtanordnung von 2 bis 13%, bevorzugt 3 bis 8% im Vergleich zum allein farboptimierten Schichtsystem die gewünschte Winkelunabhängigkeit bewirkt. In Abhängigkeit vom Aufbau des Schichtsystems und den verwendeten Materialien kann die Änderung der Dicke aber auch andere Werte annehmen, wobei aufgrund von Interferenzeffekten und der hohen Transparenz der dielektrischen Schichten auch ein größerer Dickenanstieg keinen nachteiligen Einfluss auf die Transparenz des Schichtsystems hat.
Über der Zwischenschichtanordnung folgt die zweite Funktionsschichtanordnung gemäß der Beschreibung der unteren Funktionsschichtanordnung. Das erfindungsgemäße Schichtsystem wird nach oben durch eine Deckschichtanordnung mit zumindest einer dielektrischen Deckschicht abgeschlossen.
Ein Einfluss der für die Funktions-, Zwischen- und Deckschichtanordnung üblicherweise verwendeten Materialien oder Schichtdicken auf die Winkelunabhängigkeit der Farberscheinung ist nicht festgestellt wurden. Ein möglicher Einfluss auf die Farberscheinung an sich kann gegebenenfalls gut durch die Dicken der Grund- und/oder Deckschichtanordnung korrigiert werden.
Die Deckschichtanordnung kann beispielsweise zweischichtig ausgeführt werden und in der ersten, unteren Deckschicht Zink-Stannat, einer Mischung aus Zink und Stannat, einem Salz einer Zinnsäure, enthalten. Diese kann z.B. mit einer hoch brechenden und ein Oxid, Nitrid oder Oxinitrid von Silizium enthaltenden Deckschicht überdeckt werden. Da die erste Deckschicht neben ihrer optischen Wirkung insbesondere einen mechanisch stabilisierenden Effekt auf die benachbarten Schichten ausübt, ist mit dieser Deckschichtanordnung ein sehr fester, beständiger und Transmission sowie Farbort stabilisierender Abschluss des Schichtsystems erzielt.
Alternativ oder ergänzend zur Verwendung von Siliziumnitrid als zweite Deckschicht in Verbindung mit dem Oxid oder Oxinitrid einer Zink-Stannat enthaltenden Schicht sind auch unterschiedlich dicke Deckschichten verwendbar. Das erfindungsgemäße Schichtsystem kann auch in den anderen beschriebenen Schichtanordnungen weitere Einzelschichten enthalten, um es an besondere mechanische, chemische, thermische oder optische Anforderungen anzupassen.
Der beschriebene Aufbau der einzelnen Schichtanordnungen sowie deren Modifikationen sind gleichermaßen auf ein IR-reflektierendes Schichtsystem anwendbar, welches zwei oder mehr als zwei Funktionsschichtanordnungen umfasst.
Auch die Einstellung der Winkelunabhängigkeit der Farberscheinung über die Dicke einer oder mehrerer Zwischenschichtanordnungen ist für diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schichtsystems wie oben zum Double-Low-E beschrieben möglich.
Es hat sich herausgestellt, dass die Änderung der Dicke der substratnächsten Zwischenschichtanordnung auf die Winkelunabhängigkeit den stärksten Effekt hat, so dass in einer Ausgestaltung der Erfindung lediglich deren Dicke eingestellt wird.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems erfolgt in einer Durchlaufbeschichtungsanlage durch aufeinander folgende Abscheidung der Einzelschichten aus der Gasphase auf dem Substrat bzw. den bereits abgeschiedenen Schichten des Schichtsystems. Die Abscheidung erfolgt für eine oder mehr Schichten mittels DC- oder MF-Magnetronsputtern, das insbesondere auch für reaktives Sputtern angewendet wird und aufgrund der Energiebilanz des Beschichtungsmaterials Schichten mit der gewünschten Struktur erzeugt. Mit den gängigen PVD-Verfahren sind die Schichten in der gewünschten Dicke und Qualität reproduzierbar herzustellen. Auch die Abstufung der Schichtdicken zur Erzielung der Winkelunabhängigkeit ist in der erforderlichen Genauigkeit realisierbar.
Dabei können auch verschiedene Beschichtungsverfahren miteinander kombiniert werden, um die verschiedenen Schichten hinsichtlich Eigenschaften und effektiver Abscheidung zu optimieren. Z.B. kann es vorteilhaft sein, die unterste und die oberste Schicht des Schichtsystems, welche unter anderem dessen mechanischem und chemischem Schutz dienen, anstelle mittels PVD mittels CVD- oder plasmagestütztem CVD-Prozess herzustellen.
Das Herstellungsverfahren kann wie oben beschrieben weitere Behandlungsschritte des teilweise oder vollständig beschichteten Substrats umfassen.
Die Ermittlung der für die Winkelunabhängigkeit erforderlichen Schichtdicken der Zwischenschichtanordnungen kann durch ex-situ Messungen der Farbwerte beschichteter Substrate erfolgen oder vor der Herstellung des beschichteten Substrats durch Simulation ermittelt werden. Dafür geeignete Simulationsprogramme sind dem Fachmann bekannt. Sofern für die messtechnische oder rechentechnische Ermittlung der Schichtdicken von den a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerten einer bevorzugten Farberscheinung ausgegangen und die Erhöhung der Gesamtdicke um Werte im Bereich von 2 bis 13%, bevorzugt 3 bis 8% untersucht wird, kann der Aufwand deutlich reduziert werden, da sich dieser Bereich als ausreichend für die gattungsgemäßen Schichtsysteme erwiesen hat.
In vergleichbarer Weise können auch Verschiebungen der Farberscheinung infolge der Änderung der Dicke der einen oder mehr Zwischenschichtanordnungen und/oder infolge einzelner Herstellungsschritte festgestellt und über die Dicke der Grund- und/oder Deckschichtanordnung korrigiert werden.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
1 eine Schichtenabfolge eines Double-Low-E-Schichtsystems,
2 eine Schichtenabfolge eines Double-Low-E-Sun-Schichtsystems,
3 eine Schichtenabfolge eines Triple-Low-E-Schichtsystems,
4A und 4B Darstellung der Winkelabhängigkeit der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte der substratseitigen Reflexion von Einzelscheiben (A) und Isolierglaseinheiten (B) für ein nur farboptimiertes Double-Low-E-Schichtsystem,
5A und 5B Darstellung der Winkelabhängigkeit der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte der substratseitigen Reflexion von Einzelscheiben (A) und Isolierglaseinheiten (B) für ein farb- und winkeloptimiertes Double-Low-E-Schichtsystem, und
6A und 6B Darstellung der Winkelabhängigkeit der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte der substratseitigen Reflexion von Einzelscheiben (A) und Isolierglaseinheiten (B) für ein farb- und winkeloptimiertes Double-Low-E-Sun-Schichtsystem,
7A und 7B Darstellung der Winkelabhängigkeit der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte der substratseitigen Reflexion von Einzelscheiben (A) und Isolierglaseinheiten (B) für ein farb- und winkeloptimiertes Triple-Low-E-Schichtsystem,
8A und 8B Schnittdarstellungen zur Anordnung beschichteter Glassubstrate in verschiedenen Isolierglaseinheiten.
1 stellt ein erfindungsgemäßes IR-reflektierendes Schichtsystem mit zwei Funktionsschichtanordnungen FA (Double-Low-E) dar, dessen nachfolgend beschriebene Einzelschichten auf einem Substrat S0 nacheinander in einer Vakuumdurchlaufsbeschichtungsanlage mittels DC- oder MF-Magnetronsputtern abgeschieden sind.
Auf dem Substrat S0, im Ausführungsbeispiel Floatglas mit einem Brechungsindex von ca. 1,52, ist zunächst eine Grundschicht GAG mit einer Dicke im Bereich von 10–40 nm, bevorzugt 15–35 nm angeordnet, die als Barriere- und Entspiegelungsschicht dient und aus einem Siliziumnitrid, z.B. Si₃N₄, besteht, welches einen geringen Aluminiumanteil von wenigen Prozent aufweist, hier bevorzugt in Höhe von ca. acht Gewichtsprozent. Die Grundschicht GAG des Ausführungsbeispiels hat einem Brechungsindex von 2.12 ± 0.05. Die Schicht wird reaktiv unter Anwesenheit von Stickstoff als Reaktivgasanteil in der Argon-Arbeitsatmosphäre von einem Si:Al-Target mit 6–10% Aluminiumanteil gesputtert. Alternativ kann die Schicht auch ohne Aluminiumanteil und/oder unter einer anderen Reaktivgasatmosphäre abgeschieden oder auch per PECVD hergestellt worden sein.
Im Ausführungsbeispiel umfasst die Grundschichtanordnung GA des Weiteren eine Keimschicht GAK mit einer Dicke von kleiner oder gleich 15 nm, bevorzugt ≤ 10 nm. Diese besteht aus einem Zinkaluminiumoxid, das von einem Zn:Al-Target mit ca. 2% Aluminiumanteil oder von einem keramischen Zinkalumiumoxid-Target gesputtert wird. Alternativ kann die Schicht auch ohne Aluminiumanteil oder einem keramischen Zinkoxid (sog. Intrinsisches Zinkoxid) Target abgeschieden sein. Alternativ kann die Grundschichtanordnung GA unter der Keimschicht GAK eine weitere Grundschicht aufweisen, die z.B. aus Titanoxid oder Nioboxid besteht, wodurch deren gegenüber der Grundschicht GAG höherer Brechungsindex und dessen Wellenlängenabhängigkeit nutzbar wäre. In einer weiteren Alternative ist die Grundschicht GAG als Gradientenschicht mit variierender Stöchiometrie abgeschieden.
Über der Grundschichtanordnung GA ist die erste, untere Funktionsschichtanordnung UFA abgeschieden. Sie umfasst direkt über der Keimschicht GAK die untere Funktionsschicht UFAF als IR-Reflexionsschicht und weist eine Dicke im Bereich von 5–15 nm, bevorzugt 7–13 nm auf. Im Ausführungsbeispiel wird Silber verwendet. Aber auch andere Materialien mit der IR-reflektierenden Eigenschaft, wie z.B. Gold oder ein anderes Edelmetall oder Legierungen davon, ein Halbedelmetall oder Tantal, sind verwendbar.
Über dieser folgt die untere Blockerschicht UFAB mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern, bevorzugt weniger als 5 nm. Für eine Blockerschicht kommen unterschiedliche Materialien in Betracht. Neben den als bekannt benannten Nickel-Chrom oder Nickel-Chrom-Oxid bzw. -Nitrid-Schichten sind auch andere Materialien verwendbar, z.B. um die optischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Schichtsystems zu beeinflussen. So ist z.B. eine Zirkonoxidschicht verschiedener Stöchiometrie geeignet, die Transmission des Schichtsystems gegenüber der Verwendung einer Nickel-Chrom-Oxid-Schicht zu erhöhen und den Flächenwiderstand des Schichtsystems zu vermindern. Eine weitere Erhöhung der Transmission und Verringerung des Flächenwiderstands wäre z.B. mit einer von einem keramischen ZnOx:Al-Target mit 2% Aluminium gesputterten Blockerschicht mit x < 1 ohne zusätzlichen Sauerstoffeinlass möglich. Wie oben dargelegt sind auch Titanoxid TiOx mit x ≤ 2 oder eine Nioboxidschicht NbxOy mit y/x < 2,5 als Blockermaterial möglich, wobei letztere auch vom keramischen Target ohne zusätzlichen Sauerstoffeinlass als unterstöchiometrische Schicht abgeschieden werden. Eine so abgeschiedene Schicht enthält mehr Sauerstoff, als mit der Abscheidung von einem metallischen Target realisierbar wäre, woraus eine deutlich geringere Absorption resultiert, die zu einer von vornhinein höheren Transmission, verbunden mit einer geringeren Zunahme der Transmission bei Wärmeeinwirkungen, z.B. infolge eines Temperprozesses führt.
Darüber hinaus ist auch stöchiometrischen und unterstöchiometrisches Chromnitrid, Molybdän enthaltendes Material oder Stainless-Steel-Nitrid SST_xN_y für eine Blockerschicht verwendbar, wobei mit diesen Materialien auch eine Verringerung der Transmission des Schichtsystems im sichtbaren Bereich erzielbar ist, z.B. zur Verwendung in einem Low-E-Sun-Schichtsystem. Hierbei sinkt die sichtbare Transmission mit steigenden, von den oben genannten auch abweichenden Blockerschichtdicken, was durch die Verwendung dieser Materialien in ein oder mehreren Blockerschichten eines mehrere Funktionsschichtanordnungen umfassenden Schichtsystems noch gezielter eingestellt werden kann. Hinzu kommt bei diesen Materialien die Stabilität der Schicht auch gegenüber Temperprozessen, da sie nicht so leicht oxidiert und bei den geforderten geringen Schichtdicken auch nicht rekristallisiert.
Über der unteren Funktionsschichtanordnung UFA ist eine Zwischenschichtanordnung ZA abgeschieden. Sie besteht im Ausführungsbeispiel aus zwei Schichten, einer Zwischenschicht ZAZ und einer darüber abgeschiedenen Keimschicht ZAK. Die Zwischenschicht ZAZ besteht aus einem Oxid eines Zink-Stannats mit einer Dicke im Bereich von 50–85 nm, bevorzugt 60–75 nm. Sie wird von einem Zink-Stannat-Target, das 50% Zink und 50% Zinn enthält, reaktiv unter Anwesenheit von Sauerstoff im Arbeitsgas Argon gesputtert. Die Keimschicht ZAK der Zwischenschichtanordnung ZA stimmt im Ausführungsbeispiel hinsichtlich Funktion, Material, Schichtdickenbereich und Abscheidung mit jener der Grundschichtanordnung GA überein, so dass auf die dortigen Darlegungen verwiesen werden kann. Alternativ sind auch andere Materialien für eine oder mehrere der Einzelschichten verwendbar, sofern diese die beschriebenen Funktionen erfüllen. Alternativ können anstelle der einen Zwischenschicht auch mehrere dielektrische Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung abgeschieden sein.
Über der Zwischenschichtanordnung ZA ist eine obere Funktionsschichtanordnung OFA abgeschieden, die wie zur unteren Funktionsschichtanordnung UFA beschrieben eine obere Funktionsschicht OFAF und eine obere Blockerschicht OFAB umfasst. Die obere Funktionsschichtanordnung OFA grenzt unmittelbar an die Keimschicht ZAK der Zwischenschichtanordnung ZA an und entspricht in ihrer Zusammensetzung der unteren, so dass diesbezüglich auf die dortigen Darlegungen verwiesen wird. Alternativ sind auch andere Materialien für eine oder mehrere der Einzelschichten verwendbar, sofern diese die beschriebenen Funktionen erfüllen. Zum Beispiel sind unterschiedliche Materialien für die untere und die obere Blockerschicht UFAB und OFAB möglich.
Die obere Funktionsschicht OFAF als IR-Reflexionsschicht weist eine Dicke im Bereich von 10–20 nm, bevorzugt 12–18 nm auf. Im Ausführungsbeispiel wird Silber verwendet. Aber auch andere Materialien mit der IR-reflektierenden Eigenschaft, wie z.B. Gold oder ein anderes Edelmetall oder Legierungen davon, ein Halbedelmetall oder Tantal, sind verwendbar. Für Schichtdickenbereiche der oberen Blockerschicht OFAB entsprechen denen der unteren Funktionsschichtanordnung UFA.
Das IR-reflektierende Schichtsystem wird nach oben durch eine Deckschichtanordnung DA abgeschlossen. Diese umfasst eine erste Deckschicht DA1, die auf der oberen Blockerschicht OFAB abgeschieden ist. Sie besteht aus einem Oxid oder Oxinitrid mit niedrigem Stickstoffanteil eines Zink-Stannats, weist eine Dicke im Bereich von 10–20 nm, bevorzugt 12–18 nm auf und wird unter sauerstoffhaltiger oder unter sauerstoff- und stickstoffhaltiger Atmosphäre von einem Zink-Stannat-Target, das 50% Zink und 50% Zinn enthält, abgeschieden.
Hierbei ist es bei einer Reaktivgaszusammensetzung mit einem Verhältnis der Volumenanteile von Stickstoff zu Sauerstoff von kleiner oder gleich 0,2 durchaus möglich, dass trotz eines Stickstoffanteils in der Reaktivgasatmosphäre kein Stickstoff in der ersten Deckschicht DA1 eingebaut ist. Dies trifft auch für Zink-Stannat enthaltende Schichten der Zwischenschichtanordnung ZA zu.
Über der ersten Deckschicht DA1 wird eine zweite Deckschicht DA2 aus Siliziumaluminiumnitrid mit einer Dicke im Bereich von 10–30 nm, bevorzugt 15–25 nm abgeschieden. Dies erfolgt vergleichbar der Grundschicht GAG von einem Si:Al-Target mit 6–10% Aluminiumanteil. Auch der Brechungsindex ist dem der Grundschicht GAG vergleichbar. Alternativ kann die Schicht auch ohne Aluminiumanteil und/oder unter einer anderen Reaktivgasatmosphäre abgeschieden sein. Für den Fall, das eine Farbkorrektur der Reflexionsfarberscheinung erforderlich ist, bei der auch die Deckschicht herangezogen wird, kann die Dicke auch andere als die hier genannten Werte annehmen.

Damit ergibt sich folgende Zusammensetzung des Schichtsystems vom Substrat S0 aufwärts betrachtet:

GAG	Si₃N₄ mit 6–10% Al;
GAK	ZnO mit ca. 2% Al;
UFAF	Ag;
UFAB	Nb_xO_y mit y/x < 2,5;
ZAZ	Oxid eine s Zink-Stannats;
ZAK	ZnO mit ca. 2% Al;
OFAF	Ag;
OFAB	Nb_xO_y mit y/x < 2,5;
DA1	Oxid oder Oxinitrid eines Zink-Stannats;
DA2	Si₃N₄ mit 6–10% Al;

Eine Isolierglaseinheit mit diesem Schichtsystem auf Position 2 weist eine neutrale bis leicht blaue Farberscheinung der Reflexion auf, deren Farbwerte des CIE L*a*b*-Farbsystem bei senkrechter Blickrichtung (Blickrichtung in 1 durch einen Pfeil dargestellt), d.h. einem Blickwinkel α von 0°, die Werte a*(Rg) = –2 und b*(Rg) = –5 annehmen.

2 stellt ein Double-Low-E-Sun-Schichtsystem dar, welches sich durch die Anordnung, Materialien und Schichtdicken der Blocker- und Keimschichten von dem nach 1 unterscheidet. Der grundlegende Aufbau ist Folgender:

GAG	Si₃N₄ (optional mit 6–10% Al);
UFAB	ein Nitrid von Chrom;
UFAF	Ag;
UFAB	ein Nitrid von ´Nickel-Chrom;
ZAZ	Oxid eines Zink-Stannats;
ZAK	ZnO mit ca. 2% Al;
OFAF	Ag;
OFAB	ein unterstöchiometrisches Oxid von Nickel-Chrom;
DA1	Oxid oder Oxinitrid eines Zink-Stannats;
DA2	Si₃N₄ (optional mit 6–10% Al);

Demnach umfasst die Grundschichtanordnung GA lediglich die erste Grundschicht GAG, die mit einer Dicke von 25–45 nm abgeschieden werden kann, wobei hier wie auch bei dem Schichtsystem nach 1 diese Dicke andere Werte annehmen kann, wenn eine Farbkorrektur der Reflexionsfarberscheinung erforderlich ist.
Direkt über der Grundschichtanordnung GA wird eine erste Blockerschicht der unteren Funktionsschichtanordnung UFA angeordnet. Diese soll aufgrund ihrer Zugehörigkeit auch als untere Blockerschicht UFAB bezeichnet sein. Sie ist im Ausführungsbeispiel aus einem, stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen, Chromnitrid mit einer Dicke von kleiner 10 nm abgeschieden, wobei zur Einstellung einer gewünschten Transmission des Low-E-Sun-Schichtsystems wie oben dargelegt auch andere Schichtdicken möglich sind.
Über der unteren Funktionsschicht UFAF, zu der auf die Darlegungen zu 1 verwiesen wird, ist eine zweite untere Blockerschicht UFAB aus einen Nitrid von Nickel-Chrom mit vergleichbarer Dicke zur ersten unteren Blockerschicht UFAB abgeschieden. Auch diese zweite untere Blockerschicht UFAB kann, wie auch die obere Blockerschicht OFAB, aufgrund ihrer absorbierenden Eigenschaften zur Einstellung der Transmissionseigenschaften modifiziert werden.
Des Weiteren unterscheidet sich das Schichtsystem der 2 von dem nach 1 durch das Material der oberen Blockerschicht OFAB, die hier aus einem unterstöchiometrischen Oxid von Nickel-Chrom besteht und eine Dicke von kleiner 5 nm, bevorzugt kleiner 1 nm aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung des Double-Low-E-Sun-Schichtsystems kann die obere Blockerschicht OFAB aber auch aus dem gleichen Material wie die Blockerschicht des Schichtsystems der 1 bestehen. Dies hat den Vorteil, dass die Farbverschiebung, und dabei besonders die Transmissionszunahme durch das Tempern noch geringer wird.
Zu den übrigen Bestandteilen des Schichtsystems wird auf die Darlegungen zu 1 verwiesen.
3 stellt ein Triple-Low-E-Schichtsystem dar, welches drei Funktionsschichtanordnungen aufweist, eine untere Funktionsschichtanordnung UFA, eine mittlere MFA und ein obere OFA. Wie zu 1 dargelegt, sind die Funktionsschichtanordnungen UFA, MFA, OFA durch Zwischenschichtanordnungen ZA miteinander verbunden. Die mittlere Funktionsschichtanordnung MFA sowie die zugehörige darüber liegende Zwischenschichtanordnung ZA entsprechen im Material der unteren Funktionsschichtanordnung UFA und der darüber liegenden Zwischenschichtanordnung ZA. Die Schichtdicken weichen jedoch voneinander ab. So hat die mittlere Funktionsschicht MFAF eine um wenige Nanometer größere Dicke gegenüber der unteren Funktionsschicht UFAF und die über der mittleren Funktionsschichtanordnung MFA liegende Zwischenschicht ZAZ eine um wenige Nanometer geringere Dicke, verglichen zur unteren Zwischenschicht ZAZ.

Das Schichtsystem wird zum Substrat S0 hin wiederum durch eine Grundschichtanordnung GA und auf der anderen Seite durch eine Deckschichtanordnung DA abgeschlossen. Damit ergibt sich folgender Aufbau:

GAG	Si₃N₄ mit 6–10% Al;
GAK	ZnO mit ca. 2% Al;
UFAF	Ag;
UFAB	Nb_xO_y mit y/x < 2,5;
ZAZ	Oxid eines Zink-Stannats;
ZAK	ZnO mit ca. 2% Al;
MFAF	Ag;
MFAB	Nb_xO_y mit y/x < 2,5;
ZAZ	Oxid eines Zink-Stannats;
ZAK	ZnO mit ca. 2% Al;
OFAF	Ag;
OFAB	Nb_xO_y mit y/x < 2,5;
DA1	Oxid oder Oxinitrid eines Zink-Stannats;
DA2	Si₃N₄ mit 6–10% Al;

Sämtliche beschriebenen Schichtsysteme nach 1, 2 und 3 weisen in Verbindung mit dem Glassubstrat S0 für Betrachtungswinkel α im Bereich von –80° bis +80°, bezogen auf Normale der Substratoberfläche N, negative a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte für die substratseitige Reflexion auf (vgl. 5A, 6A und 7A).
Von Interesse ist insbesondere jedoch die Farberscheinung des beschichteten Substrats im Anwendungsfall, d.h. in eingebauten Zustand in einer Isolierglaseinheit. Auch hierfür weisen alle hier beschriebenen Schichtsysteme für Betrachtungswinkel α im Bereich von –80° bis +80°, bezogen auf Normale der Substratoberfläche N, negative a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte für die äußere Reflexion auf (vgl. 5B, 6B, 7B).
In 4A und 4B ist die Winkelabhängigkeit der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte einer beschichteten Einzelscheibe (4A) und einer daraus aufgebauten Isolierglaseinheit (4B) mit einem Schichtsystem nach 1 auf Position 2 (8B) für den Fall dargestellt, dass die gewünschte Farberscheinung ohne Berücksichtigung des Betrachtungswinkels hergestellt wurde. Es ist zu erkennen, dass sich a*(Rg) bereits bei Abweichungen von ca. 40° von der senkrechten Blickrichtung zu positiven Werten und damit zu roten Farben verschiebt. Der Vergleich zwischen den Kurven für die Einzelscheibe und die Isolierglaseinheit zweigt darüber hinaus einen wenn auch geringen Einfluss der zweiten Scheibe des Verbundes aufgrund der dortigen Reflexionen.
Zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Winkelunabhängigkeit des Vorzeichens der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte und damit der Optimierung der gewünschten neutralen bis blauen Farberscheinung werden die Zwischenschicht ZAZ und die Keimschicht ZAK der Zwischenschichtanordnung ZA mit solchen Schichtdicken abgeschieden, dass die Dicke der gesamten Zwischenschichtanordnung ZA um 5% bis 10% höher ist als jene, mit der die in 4A dargestellten Werte erzielt werden. Durch diese Erhöhung behalten die a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte über den gesamten Winkelbereich bis 90° Werte, die kleiner oder gleich Null sind (4B). Die ursprüngliche Farberscheinung des rein farboptimierten Schichtsystems ist durch eine Verminderung der Dicke der Grundschichtanordnung GA um 25% bis 35% bei gleichzeitiger Erhöhung der Dicke der Deckschichtanordnung DA um 1 bis 5% aufrechtzuerhalten. Dies ergibt insgesamt eine Verringerung der Summe der dielektrischen Schichten der Grund-, Zwischen- und Deckschichtanordnung GA, ZA, DA von 5% bis 7%.
Die Ausgangsschichtdicken gemäß 4A für eine bevorzugte Farberscheinung sind durch Probebeschichtungen oder durch rechnerische Simulation vor der eigentlichen Herstellung des Schichtsystems zu ermitteln. In vergleichbarer Weise kann alternativ zur wertmäßigen Erhöhung der Schichtdicken auch durch Versuchsreihen, auch hier wiederum von Beschichtungen oder rechnerischen Simulationen, die Schichtdicken der Einzelschichten so weit verändert, insbesondere erhöht werden, bis die gewünschte Winkelstabilität der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte erzielt ist.
Eine beschichtete Scheibe mit der Farbreflexion gemäß 5A in einer Isolierglaseinheit ist in 5B dargestellt. Der Einfluss des Einbaus in der Isolierglaseinheit bewirkt zwar eine Abflachung der Kurven, jedoch zeigen die a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte nach wie vor negative Werte.
Die Winkelabhängigkeit der neutralen bis blauen Farberscheinung eines Double-Low-E-Sun-Schichtsystems gemäß 2 ist wie oben zum Double-Low-E beschrieben herstellbar. In den 6A und 6B sind die sich damit ergebenden substratseitigen, und damit im Einbauzustand äußeren, a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte einer Einzelscheibe (6A) und einer daraus gefertigten Isolierglaseinheit (6B) mit der Beschichtung auf Position 2 über den Bereich des Betrachtungswinkels α bis 90° dargestellt.
Die Winkelunabhängigkeit der neutralen bis blauen Farberscheinung eines Triple-Low-E-Schichtsystems gemäß 3 ist in analoger Weise wie oben zum Double-Low-E beschrieben herstellbar, wobei hier Zwischenschichtanordnungen ZA des rein farboptimierten Schichtsystems um 3% bis 5% erhöht wurde. In 7A und 7B sind die sich damit ergebenden substratseitigen, und damit im Einbauzustand äußeren, a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte einer Einzelscheibe (7A) und einer daraus gefertigten Isolierglaseinheit (7B) mit der Beschichtung auf Position 2 über den Bereich des Betrachtungswinkels α bis 90° dargestellt. Die ursprüngliche Farberscheinung des rein farboptimierten Schichtsystems ist durch eine Erhöhung der Dicke der Grundschichtanordnung GA um 20% bis 22% bei gleichzeitiger Erhöhung der Dicke der Deckschichtanordnung DA um 9% bis 11% aufrechtzuerhalten. Dies ergibt insgesamt eine Erhöhung der Summe der dielektrischen Schichten der Grund-, Zwischen- und Deckschichtanordnung GA, ZA, DA von 6% bis 8%.
Zur Fertigstellung kann das beschichtete Substrat S0 nach der Abscheidung getempert, gebogen oder auch als Mehrfachverglasung laminiert oder in verschiedenen Positionen von Isolierglaseinheiten eingebaut zu werden.
Je nach den ganz konkret geforderten Schichtsystemeigenschaften, wie Reflexionsfarbe, Transmission und Emissivität, können die nötigen Änderungen der Schichtdicke der Zwischenschichtanordnung oder der Zwischenschichtanordnungen zur Verringerung der Winkelabhängigkeit der substratseitigen Reflexionsfarbe auch größere oder kleinere Werte annehmen. In jedem Fall ist aber eine Zunahme der Zwischenschichtdicken erfindungsgemäß nötig. Die zur Farbkorrektur nötigen Änderungen der Schichtdicken der Grund- und Deckschichtanordnungen GA und DA können aber je nach den ganz konkret geforderten Schichtsystemeigenschaften (siehe oben) einen unterschiedlichen Betrag und Vorzeichen haben (siehe Beispiel 1 und 5 der Tabelle).
Gegebenenfalls müssen außerdem die Silberschichtdicken bzw. ihr Dickenverhältnis angepasst werden, um die geforderte Winkelabhängigkeit zu erzielen.
Für eine Winkelunabhängigkeit sind jedoch optische Interferenzeffekte von bestimmten Kombinationen aus Farbwerten bei konkret geforderter Transmission und Emissivität zu berücksichtigen.
Bezugszeichnenliste

S0

Substrat

GA

Grundschichtanordnung

GAG

Grundschicht

GAK

Keimschicht

UFA

untere Funktionsschichtanordnung

UFAF

untere Funktionsschicht

UFAB

untere Blockerschicht

MFA

mittlere Funktionsschichtanordnung

MFAF

mittlere Funktionsschicht

MFAB

mittlere Blockerschicht

OFA

obere Funktionsschichtanordnung

OFAF

obere Funktionsschicht

OFAB

obere Blockerschicht

ZA

Zwischenschichtanordnung

ZAZ

Zwischenschicht

ZAK

Keimschicht

DAD

eckschichtanordnung

DA1

erste Deckschicht

DA2

zweite Deckschicht

N

Normale der Substratoberfläche

α

Betrachtungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 03543178 A1 [0018]
DE 102010008518 A1 [0019]

Claims

Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem auf einem transparenten Substrat (S0) mit folgenden transparenten Schichtenanordnungen, vom Substrat (S0) aufwärts betrachtet: – eine Grundschichtanordnung (GA) mit einer dielektrischen Grundschicht (GAG) aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, zur Verminderung der Diffusionsvorgänge aus dem Substrat (S0) in eine darüber angeordnete Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA), – eine untere Funktionsschichtanordnung (UFA) mit einer metallischen Funktionsschicht (UFAF) zur Reflexion von Infrarotstrahlung und mit zumindest einer Blockerschicht (UFAB) aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder aus einem unterstöchiometrischen oder stöchiometrischen Oxid, Nitrid oder Oxinitrid davon, zum Schutz der Funktionsschicht (UFAF) gegenüber Oxidations- und Diffusionsprozessen, – zumindest eine Zwischenschichtanordnung (ZA), welche eine weitere Funktionsschichtanordnung (MFA, OFA) von einer darunter liegenden Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA) trennt und eine Zwischenschicht (ZAZ, ZAK) oder mehr umfasst, – zumindest eine weitere, über der unteren Funktionsschichtanordnung (UFA) liegende Funktionsschichtanordnung (MFA, OFA) mit einer metallischen Funktionsschicht (MFAF, OFAF) zur Reflexion von Infrarotstrahlung, mit zumindest einer Blockerschicht (MFAB, OFAB) aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder aus einem unterstöchiometrischen oder stöchiometrischen Oxid, Nitrid oder Oxinitrid davon, zum Schutz der weiteren Funktionsschicht (MFAF, OFAF) gegenüber Oxidations- und Diffusionsprozessen, und – eine Deckschichtanordnung (DA) mit einer dielektrischen, ein Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung enthaltenden Deckschicht (DA1, DA2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zwischenschichtanordnung (ZA) eine solche Dicke aufweist, dass bei einem Betrachtungswinkel im Bereich von 0 bis ± 75°, bezogen auf die Normale der Substratoberfläche, die a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte des CIE L*a*b*-Farbsystem der substratseitigen Reflexion im Bereich von ≤ 0 liegen.
Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagte a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte bei einem Betrachtungswinkel im Bereich von 0 bis ±90°, im Bereich von ≤ 0 liegen.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches zumindest drei Funktionsschichtanordnungen(UFA, MFA, OFA) mit jeweils dazwischen liegenden Zwischenschichtanordnungen (ZA) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Summe der Dicken der Einzelschichten der substratnäheren Zwischenschichtanordnung (ZA) größer ist als die Summe der Dicken der Einzelschichten zumindest einer substratferneren Zwischenschichtanordnung (ZA).
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zwischenschicht (ZAZ, ZAK) und/oder zumindest eine Deckschicht (DA1, DA2) ein Oxid oder ein Oxinitrid eines Zink-Stannats enthält.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA) unter der Funktionsschicht (UFAF, MFAF, OFAF) keine Blockerschicht (UFAB, MFAB, OFAB) aufweist.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschichtanordnung (GA) und/oder zumindest eine Zwischenschichtanordnung (ZA) eine Keimschicht (GAK, ZAK) umfasst.
Schichtsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA) unter der Funktionsschicht (UFAF, MFAF, OFAF) eine Blockerschicht (UFAB, MFAB, OFAB) aufweist und die darunter liegende Grundschichtanordnung (GA) und/oder Zwischenschichtanordnung (ZA) keine Keimschicht (GAK, ZAK) umfasst.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Blockerschicht (UFAB, MFAB, OFAB) unterstöchiometrisches Nioboxid enthält.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass direkt unter zumindest einer Funktionsschicht (UFAF, MFAF, OFAF) eine Keimschicht (UFAK, MFAK, OFAK) aus einem Metall oder aus einem Oxid oder Nitrid eines Metalls oder einer Metallmischung oder Metall-Legierung zur Beeinflussung des Flächenwiderstandes der Funktionsschicht (UFAF, MFAF, OFAF) abgeschieden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Infrarotstrahlung reflektierenden Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, indem auf einem transparenten Substrats (S0) nacheinander folgende transparente Schichtanordnungen mittels Vakuumbeschichtung abgeschieden werden: – eine Grundschichtanordnung (GA) mit einer dielektrischen Grundschicht (GAG) aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, zur Verminderung der Diffusionsvorgänge aus dem Substrat (S0) in eine darüber angeordnete Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA), – eine untere Funktionsschichtanordnung (UFA) mit einer metallischen Funktionsschicht (UFAF) zur Reflexion von Infrarotstrahlung und mit zumindest einer Blockerschicht (UFAB) aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder aus einem unterstöchiometrischen oder stöchiometrischen Oxid, Nitrid oder Oxinitrid davon, zum Schutz der Funktionsschicht (UFAF) gegenüber Oxidations- und Diffusionsprozessen, – zumindest eine Zwischenschichtanordnung (ZA), welche eine weitere Funktionsschichtanordnung (MFA, OFA) von einer darunter liegenden Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA) trennt und eine hochtransparente, dielektrische Zwischenschicht (ZAZ, ZAK) oder mehr umfasst, – zumindest eine weitere, über der unteren Funktionsschichtanordnung (UFA) liegende Funktionsschichtanordnung (MFA, OFA) mit einer metallischen Funktionsschicht (MFAF, OFAF) zur Reflexion von Infrarotstrahlung, mit zumindest einer Blockerschicht (MFAB, OFAB) aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder aus einem unterstöchiometrischen oder stöchiometrischen Oxid, Nitrid oder Oxinitrid davon, zum Schutz der Funktionsschicht (MFAF, OFAF) gegenüber Oxidations- und Diffusionsprozessen, und – eine Deckschichtanordnung (DA) mit einer dielektrischen, ein Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung enthaltenden Deckschicht (DA2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zwischenschichtanordnung (ZA) mit einer solchen Summe der Dicken ihrer Einzelschichten abgeschieden wird, dass bei einem Betrachtungswinkel im Bereich von 0 bis ±75°, bezogen auf die Normale der Substratoberfläche, die a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte des CIE L*a*b*-Farbsystem der substratseitigen Reflexion im Bereich von ≤ 0 liegen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zwischenschichtanordnung (ZA) mit einer solchen Summe der Dicken ihrer Einzelschichten abgeschieden wird, dass besagte a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte bei einem Betrachtungswinkel im Bereich von 0 bis ±90°, im Bereich von ≤ 0 liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei ein Schichtsystem mit zumindest drei Funktionsschichtanordnungen (UFA, MFA, OFA) mit jeweils dazwischen liegenden Zwischenschichtanordnungen (ZA) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Betrachtungswinkelabhängigkeit der a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte mittels der Summe der Dicken der Einzelschichten der substratnäheren Zwischenschichtanordnung (ZA) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die substratseitigen Farbreflexionswerte des CIE L*a*b*-Farbsystems oder eine im Verlauf der Herstellung des Schichtsystems auftretende Verschiebung dieser Werte mittels der Summe der Dicken der Einzelschichten der Grundschichtanordnung (GA) und/oder der Deckschichtanordnung (DA) eingestellt oder korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA) mit nur einer Blockerschicht (UFAB,MFAB, OFAB) und zwar über der Funktionsschicht (UFAF, MFAF OFAF) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschichtanordnung (GA) und/oder zumindest eine Zwischenschichtanordnung (ZA) mit einer Keimschicht (GAK, ZAK) abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA) mit einer unter der Funktionsschicht (UFAF, MFAF, OFAF) liegenden Blockerschicht (UFAB,MFAB, OFAB) und die darunter liegende Grundschichtanordnung (GA) und/oder Zwischenschichtanordnung (ZA) ohne eine Keimschicht (GAK, ZAK) abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Blockerschicht (UFAB, MFAB, OFAB) von einem keramischen, unterstöchiometrisches Nioboxid enthaltendem Target mittels Sputtern in einer Arbeitsatmosphäre abgeschieden wird, der kein Sauerstoff zugefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die abzuscheidende Summe der Dicken der Einzelschichten der zumindest einen Zwischenschichtanordnung (ZA) ermittelt wird, indem sie zunächst für einen gewünschten substratseitigen Reflexionswert im CIE L*a*b*-Farbsystem bei senkrechtem Betrachtungswinkel ermittelt und anschließend mit einer um 2–13 % höheren Schichtdicke abgeschieden wird.
Glaseinheit mit zumindest zwei Glassubstraten (S, S0), die mit oder ohne Abstand zueinander über Mittel zum Verbindung der Glassubstrate (S, S0) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Glassubstrate (S, S0) ein Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.