DE102011089884B4

DE102011089884B4 - Niedrigemittierende Beschichtung und Verfahren zur Herstellung eines niedrigemittierenden Schichtsystems

Info

Publication number: DE102011089884B4
Application number: DE102011089884.0A
Authority: DE
Inventors: Jörg Neidhardt; Christoph Köckert
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2031-12-24
Also published as: WO2013026819A1; CN103987674A; US9453334B2; EA201400222A1; CN103889915A; RU2577562C2; US20140199496A1; EP2744764A1; US20140197350A1; RU2014110367A; EP2744763A1; DE102012200665B4; DE102012200665A1; DE102011089884A1; WO2013026817A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines niedrigemittierenden Schichtsystems auf zumindest einer Seite eines Substrats mit zumindest einer niedrigemittierenden, transparenten metallischen Schicht, umfassend die Schritte von – Bereitstellen des Substrats, – Ausbilden der niedrigemittierenden Schicht mittels Abscheidung, – nachfolgendem Kurzzeittempern der abgeschiedenen, niedrigemittierenden Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung unter Vermeidung einer sofortigen Aufheizung des gesamten Substrats, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wellenlänge, Dauer sowie Art und Weise der elektromagnetischen Strahlung zum Kurzzeittempern derart eingestellt werden, dass die niedrigemittierende, getemperte Schicht hinsichtlich ihres Flächenwiderstandes, ihrer Transmission und ihrer Reflexionsfarbe gleiche Schichteigenschaften aufweist wie eine niedrigemittierende, konventionell getemperte Schicht eines Sicherheitsglases, – dass der Kurzzeittemperschritt der niedrigemittierenden Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung bei einer Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung erfolgt, bei der die elektromagnetische Strahlung durch die abgeschiedene niedrigemittierende Schicht zumindest teilweise absorbiert wird und – dass der Kurzzeittemperschritt der niedrigemittierenden Schicht bei einer Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Bereich von 250 nm bis kleiner als 500 nm erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines niedrigemittierenden Schichtsystems auf zumindest einer Seite des Substrates gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung, insbesondere auf die Temperung, von niedrigemittierenden, dünnen Schichten, z.B. Silberschichten, welche Anwendung im Bereich der Wärmedämmung von Fenster- und Fassadengläsern finden. Die speziellen niedrigemittierenden Beschichtungen, auch low emissivity oder kurz low-e Beschichtungen genannt, werden zur Reduktion des Wärmetransports eingesetzt. Die low-e Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen geringen thermischen Emissionsgrad aufweist und die Beschichtung im visuellen Spektralbereich außerdem weitgehend transparent ist. Mit den wärmedämmenden Beschichtungen wird zum einen angestrebt, dass die Solarstrahlung durch die Scheibe gelangen und das Gebäude erwärmen kann, während nur wenig Wärme bei Raumtemperatur aus dem Gebäude an die Umgebung abgestrahlt wird. In einem weiteren Anwendungsfall soll durch die low-e Beschichtung ein Energieeintrag von außen nach innen verhindert werden.
Die dazu verwendeten Beschichtungen sind beispielsweise transparente, metallische Beschichtungen, insbesondere silberbasierende Mehrlagenschichtsysteme, die einen geringen Emissionsgrad und damit eine hohe Reflexion im infraroten Bereich des Lichts mit einem hohen Transmissionsgrad im sichtbaren Spektralbereich verbinden.
Glas und andere nichtmetallische Substratmaterialien besitzen dagegen in der Regel einen hohen Emissionsgrad im infraroten Spektralbereich. Dies bedeutet, dass sie einen hohen Anteil der Wärmestrahlung aus der Umgebung absorbieren und gleichzeitig entsprechend ihrer Temperatur auch eine große Wärmemenge an die Umgebung abstrahlen.
Als Herstellungsverfahren für eine low-e Beschichtung des Substrats wird in der Regel ein Vakuumverfahren eingesetzt, wie Verdampfungsverfahren oder Sputtertechnologie. Je nach Sicherheitsvorschriften müssen die verwendeten Gläser zusätzlich zur low-e Beschichtung noch zu Sicherheitsglas weiterverarbeitet werden. Da dies aber zusätzliche Kosten bedeutet, werden in der Regel nur die Scheiben zu Sicherheitsglas verarbeitet, für deren Einsatz dies vorgeschrieben ist. Ein Großteil der Scheiben verbleibt diesbezüglich unbehandelt.
Üblicherweise werden dazu die schon beschichteten Gläser in einem sogenannten Temperprozess bis über ihren Erweichungspunkt stark erhitzt, typischerweise bis 680–720°C, und dann schnell abgekühlt. Die so speziell eingefrorenen Spannungen im Glas bewirken im Falle eines Bruches den Zerfall in viele winzige Glaskrümel ohne scharfe Kanten.
Bei diesem Temperprozess verändern sich durch temperaturbedingte Diffusionsvorgänge und chemische Reaktionen allerdings auch die optischen Eigenschaften des Mehrlagenschichtsystems, wie z.B. die Reflexionsfarbe oder die Transmission, insbesondere im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Diese Änderungen sind jedoch nachteilig, da ungetemperte und getemperte Scheiben aus Kostengründen nebeneinander verbaut werden, wobei optische Unterschiede höchst störend sind.
Weiterhin finden beim Tempern Ausheilvorgänge in den aktiven Schichten statt. Diese extrem dünnen Schichten lassen sich meist nicht ideal konform abscheiden und neigen zur Entnetzung, was eine korrugierte, d.h. nicht gleichmäßige, Schichtdickenverteilung zur Folge hat. Diese energetische Limitierung des Wachstums wird jedoch durch die Deckschichten teilweise kompensiert, so dass es bei einer nachgelagerten Temperaturerhöhung zu Diffusionsprozessen und der Egalisierung der Silberschichten kommt. Dies ergibt sich aus der Verschiebung des Oberflächenenergiegleichgewichts zugunsten einer benetzten Konfiguration. Diese Schichten mit einer homogenen Dicke zeichnen sich durch eine korrespondierende Abnahme des Flächenwiderstands aus und bieten den Vorteil einer erhöhten Reflexion im infraroten Bereich des Lichts und somit einer verringerten Emissivität.
Diese getemperten Substrate sind allerdings nicht mehr konfektionierbar. Das bedeutet, dass die getemperten Substrate nicht mehr, wie das für Glas üblich ist, mittels Anritzen und Brechen in Form gebracht oder anderweitig mechanisch bearbeiten werden können. Ferner können mikroskopische Defekte wie Mikrorisse bei getemperten Scheiben zum spontanen Zerspringen führen. Um dieser Gefahr vorzubeugen, müssen getemperte Scheiben für spezielle Anwendungen einem Heat-Soak-Test, d.h. einem Heißlagerungstest für Einscheibensicherheitsglas, unterzogen werden.
Um die Konfektionierbarkeit des Glases zu gewährleisten, gibt es Bestrebungen, in einem RTP nur die Funktionsschicht, d.h. die low-e Schicht, allein zu erwärmen, ohne das
Substrat zu verändern. Mit dem Begriff „RTP“ („rapid thermal processing“) ist eine schnelle thermische Behandlung gemeint. Bisher sind hierzu Versuche mit Lasern bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift WO 2010/142926 A1 , welche im nahen Infrarotbereich, nachstehend IR-Bereich genannt, arbeiten. Im Infrarotbereich ist allerdings der Absorptionskoeffizient der low-e Schichten relativ gering, so dass höhere Leistungsdichten der elektromagnetischen Strahlung und eine ergänzende absorbierende Schicht erforderlich sind, um eine ausreichende Temperatur in den low-e Schichten zu erzielen. Thermische Nachbehandlungen sind auch aus der DE 10 2006 047 472 A1 bekannt, bei der Funktionsschichten aus der Photovoltaik mit elektromagnetischer Strahlung behandelt werden sowie aus der DE 10 2009 033 417 A1 , die ein Verfahren zur Temperaturbehandlung eines mit einer leitfähigen Metalloxidschicht beschichteten Gegenstands beschreibt.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Verfahren zur Herstellung eines niedrigemittierenden Schichtsystems auf zumindest einer Seite des Substrats zu schaffen, das den Flächenwiderstand und damit die Emissivität der niedrigemittierenden Beschichtung verringert. Weiterhin soll der Einsatz von kostspieligem IR-reflektierendem Beschichtungsmaterial, wie Silber, bei gleichen thermischen und optischen Eigenschaften ohne kostenaufwendige Temperung des gesamten Substrats und unter Beibehaltung der Konfektionierbarkeit des low-e beschichteten Substrats verringert werden. Dabei sollen die optischen und thermischen Eigenschaften von ungetemperten Schichtsystemen an getemperte Systeme ohne die Gefahr des spontanen Glasbruchs angeglichen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den zugehörigen Unteransprüchen hervor.
Nach Maßgabe der Erfindung wird im Anschluss an die Abscheidung der zumindest einen niedrigemittierenden Schicht auf zumindest einer Seite des Substrats zumindest eine niedrigemittierende Schicht unter Vermeidung einer sofortigen Aufheizung des gesamten Substrats in einem Kurzzeittemperschritt mittels elektromagnetischer Strahlung kurzzeitig erwärmt. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung zum Kurzzeittempern derart eingestellt, dass die durch elektromagnetische Strahlung getemperte, niedrigemittierende Schicht ähnliche bzw. gleiche Schichteigenschaften, insbesondere optische und/oder thermische Schichteigenschaften aufweist, wie die niedrigemittierende konventionell getemperte Schicht eines Sicherheitsglases. Mit der Formulierung „die niedrigemittierende, konventionell getemperte Schicht eines Sicherheitsglases“ ist eine Temperung im Verarbeitungsprozess eines Glases zum Sicherheitsglas gemeint. Dabei hat sich gezeigt, dass es bei einer nachträglichen thermischen Behandlung der auf dem Substrat abgeschiedenen low-e Schicht mittels der an die Materialeigenschaften der low-e Schicht angepassten elektromagnetischen Strahlung zu einer deutlichen Verringerung des Flächenwiderstandes der Beschichtung und einer damit korrelierenden Abnahme der Emissivität, d.h. der Wärmeabstrahlung um etwa 20–30% kommt. Auch die optischen Eigenschaften, wie Reflexionsfarben und Transmission, ändern sich in der Art, wie es auch bei einer konventionellen Temperaturbehandlung der Fall wäre. Der große Vorteil besteht auch darin, dass aufgrund der geringen Wärmekapazität der niedrigemittierenden Beschichtung keine extra Abkühlung des beschichteten Substrats nötig wird und das Substrat bei dem Kurzzeittemperschritt nicht zu Sicherheitsglas verarbeitet wird. Bevorzugt erfolgt die Bestrahlung der beschichteten Schicht von der Schichtseite, um eine Absorption der elektromagnetischen Strahlung zum Kurzzeittempern, insbesondere im UV-Bereich, durch das Substrat und damit eine Erwärmung des Substrats zu vermeiden. Das ergibt ein Substrat, das verarbeitbar und konventionell konfektionierbar ist.
Dabei erfolgt der Kurzzeittemperschritt der niedrigemittierenden Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung bei einer Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, bei der die elektromagnetische Strahlung durch die abgeschiedene low-e Schicht zumindest teilweise absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Durch die zumindest teilweise Absorption der elektromagnetischen Strahlung wird die niedrigemittierende Beschichtung auf eine bestimmte Temperatur getempert und somit derart umstrukturiert, dass sich ihre thermischen und/oder elektrischen und/oder optischen Eigenschaften verändern, wobei sich beispielsweise im Vergleich zu der niedrigemittierenden Schicht vor dem Kurzzeittempern ihr Flächenwiderstand verringert und sich gegebenenfalls auch ihre Transmission im sichtbaren bzw. die Reflektion im Infraroten erhöht. Die wird Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Kurzzeittemperschritt an das Material der niedrigemittierenden Schicht derart eingestellt bzw. angepasst, dass die Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung in einem Absorptionsbereich der low-e Schicht realisiert wird. Dadurch kann eine gezielte Temperaturerhöhung der bestrahlten, niedrigemittierenden Schicht erreicht werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die niedrigemittierende Schicht im Kurzzeittemperschritt bei einer Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Bereich von 250 nm bis kleiner als 500 nm thermisch behandelt. Dabei erfolgt das Tempern der niedrigemittierenden Schicht bevorzugt im Bereich der Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung von 250 nm bis 350 nm. Diese Emissionswellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung entsprechen den Bereichen der Absorptionsmaxima der niedrigemittierenden Schicht, die im Bereich von ca. 250 bis 350 nm liegen. Die thermische Behandlung der beschichteten, niedrigemittierenden Schicht durch Bestrahlung mit Emissionswellen in diesen Bereichen ermöglicht eine Verringerung der Emissivität bzw. des Flächenwiderstands im Vergleich zu der niedrigemittierenden Schicht vor dem Kurzzeittemperschritt. Dabei ist der Bereich von 250 nm bis kleiner als 500 nm von Vorteil, da in diesem Bereich die low-e Schicht ca. um den Faktor zwei wesentlich mehr Strahlung absorbiert als in dem Bereich von 650 nm bis 850 nm. Dadurch kann eine Aktivierung mit geringeren Leistungsdichten erreicht werden. Ebenfalls ist der Bereich von 250 nm bis kleiner als 500 nm technologisch besser umsetzbar.
Vorzugsweise wird die elektromagnetische Strahlung zum Kurzzeittemperschritt derart eingestellt, dass die abgeschiedene Schicht einen vorgebbaren Energieeintrag im Bestrahlungsbereich erhalten bzw. absorbieren wird. Durch den vorgebbaren Energieeintrag wird eine vorgebbare Endtemperatur der niedrigemittierenden Schicht im Bestrahlungsbereich erreicht. Dabei entspricht die Endtemperatur der Temperatur der abgeschiedenen Schicht, die zur Ausheilung der Strukturdefekte, die entweder aufgrund der Schwankungen in den Beschichtungsbedingungen und/oder in der für die Herstellung stabiler Schichten unzureichenden Temperatur entstanden sind, führt und keine Beschädigung der abgeschiedenen Schicht verursacht. Die Einstellung des Energieeintrags erfolgt daher unter Berücksichtigung der jeweils höchstmöglichen Schichttemperatur, d.h. Maximaltemperatur der abgeschiedenen Schichten. Damit ist im Ergebnis eine vorgegebene Kristallstruktur und Morphologie der abgeschiedenen low-e Schicht möglich.
Die Einstellung des Energieeintrags der Bestrahlung erfolgt bevorzugt sowohl unter Berücksichtigung der Parameter der Laserstrahlung, wie ihre Wellenlänge, Energiedichte und Einwirkfläche, als auch der Temperatur der abgeschiedenen Schicht bzw. aus der Temperatur der abgeschiedenen Schicht und des Substrats. Dies ist insbesondere wichtig bei einer Bestrahlung von einer Emissionswellenlänge der Strahlung im oder nah zum UV-Bereich. In diesem Wellenlängenbereich wird die Strahlung auch durch das Substrat, beispielsweise aus Glas, gut absorbiert, was eine Erwärmung des Substrats zur Folge haben kann. Durch die Berücksichtigung der Temperatur des Substrats und der Wellenlänge der Strahlung bei der Einstellung des Energieeintrags der Strahlung kann die Erwärmung des Substrats bei Einstellung der Schichteigenschaften der abgeschiedenen Schicht minimiert werden. Die derart im Kurzzeittemperschritt behandelten low-e Schichten bieten den Vorteil einer erhöhten Reflexion im infraroten Bereich des Lichts und somit eine verringerte Emissivität.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Energieeintrag über die Energiedichte, d.h. Leistung, Einwirkfläche der elektromagnetischen Strahlung und die Transportgeschwindigkeit des beschichteten Substrats, mit dem es unter der die elektromagnetische Strahlung erzeugenden Vorrichtung hinweggeführt wird, eingestellt. Da der Kurzzeittemperschritt in der abgeschiedenen low-e Schicht erfolgt, kann diese gezielt mit signifikant höherem Energieeintrag behandelt werden, d.h. auf signifikant höhere Temperaturen erhitzt werden, während das eigentliche Substratmaterial sich aufgrund seiner niedrigen thermischen Leitfähigkeit nur geringfügig oder mit einer deutlich zeitlichen Verzögerung auf eine wesentlich niedrigere Temperatur erwärmt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die elektromagnetische Strahlung zum Kurzzeittempern derart eingestellt, dass sie eine linienförmige Intensitätsverteilung senkrecht zur Transportrichtung des Substrats aufweist. Dabei entspricht die Länge der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung zum Kurzzeittempern zumindest der Breite der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht in Richtung der Längserstreckung der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung. Dadurch werden Bereiche des niedrigemittierenden Schichtsystems in Längserstreckung der linienförmigen Intensitätsverteilung gleichzeitig kurzzeitig bestrahlt und abgekühlt, was zu einer homogenen Strukturierung der low-e Beschichtung in dem bestrahlten Bereich führt. Somit ist durch das erfindungsgemäße Verfahren eine gezielte, selektive Erwärmung und Beeinflussung der Schichteigenschaften der niedrigemittierenden Beschichtung in einem Verfahrensschritt möglich. Ein weiterer Vorteil ist die Vermeidung von teureren Strahlablenkungseinrichtungen oder der x, y Substratmanipulation, welche nötig wären, wenn die Linienbreite der Intensitätsverteilung kleiner wäre als die Breite der auf dem Substrat in Richtung der Längserstreckung der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung abgeschiedenen Schicht, bzw. kleiner wäre als die Überlappungsbereiche an den Schnittstellen der sequentiell aktivierten Bereiche. Vorzugsweise sind sowohl die Länge als auch die Leistungsdichte der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung zum Kurzzeittempern veränderbar.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung der low-e Schicht durch einen Linienlaser. Dies hat den Vorteil, dass mit einem Linienlaser auf einfache Art und Weise eine linienförmige Intensitätsverteilung erreicht wird.
Aufgrund einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung der low-e Schicht mittels mehrerer Laser, bevorzugt zweier Linienlaser. Dabei kann die niedrigemittierende Schicht mittels zweier Linienlaser bei gleicher Emissionswellenlänge der Strahlung oder bei zwei unterschiedlicher Wellenlängen der Strahlung thermisch nachbehandelt werden. Dies ermöglicht den Energieeintrag an die Prozessparameter, wie beispielsweise an die Absorption, maximale Temperatur der niedrigemittierende Schicht, Energiedichte des Lasers und Transportgeschwindigkeit des Substrats, anzupassen und sie zu regeln. Dadurch kann der Absorptionsgrad der Strahlung, die das Substrat absorbiert, beispielsweise im oder in der Nähe des UV-Bereichs, durch die Anordnung eines zweiten Lasers mit unterschiedlicher Emissionswellenlänge der Laserstrahlung reguliert werden, so dass eine Erwärmung bzw. eine zu hohe Erwärmung des Substrats vermieden wird. In dieser Hinsicht kann die niedrigemittierende Schicht mit einem Laser bei einer Wellenlänge aus dem Wellenlängenbereich von 250 nm bis kleiner als 500 nm, bevorzugt im Bereich von 250 nm bis 350 nm, und mit einem zweiten Laser bei einer Wellenlänge im Bereich von 650 nm bis 850 nm behandelt werden. Die Bestrahlung erfolgt dabei simultan oder nacheinander, in der Reihenfolge unabhängig.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Linienlaser auf einer Linie senkrecht zur Transportrichtung ausgerichtet. Ein erster Linienlaser wird auf eine ebene Substratebene, auf der Seite der niedrigemittierenden Beschichtung fokussiert und der zweite Linienlaser wird defokussiert. Beim Transport eines Substrats durch die Anlage variiert aufgrund des Transports selbst oder aufgrund der Verbiegungen des Substrats der Abstand zwischen Laser und der zu behandelnden Oberfläche des Substrats. Dies führt zu einer inhomogenen Behandlung der Substratoberfläche und damit zur unterschiedlichen Farberscheinung des beschichteten Substrats. Diese Anordnung der zwei Linienlaser ermöglicht die Energiedichte der Strahlung und somit den Energieeintrag bei kleinen als auch bei größeren Variationen des Abstands bis +/–5 mm möglichst konstant zu halten. Es ist auch eine Anordnung von mehr als zwei Linienlasern denkbar, die zum Teil fokussiert und zum Teil defokussiert sind.
Erfindungsgemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Linienlaser aus mehreren Lasern mit entsprechender Optik aufgebaut. Dadurch können die einzelnen Laser zum Teil fokussiert und zum Teil defokussiert werden, um eine Abstandsvariation zwischen dem Laser und der zu behandelnden Oberfläche des Substrats zu kompensieren, so dass der Energieeintrag bei der Bestrahlung konstant bleibt.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung der low-e Schicht durch kontinuierlich emittierende Diode bzw. Dioden. Diese bietet den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades sowie der gerichteten Emission, welche die Fokussierung entlang einer Linie sehr verlustarm bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von ca. 10m/min für Laserleistungen von 500 W/cm ermöglicht. Ein weiterer positiver Aspekt ist die Regelbarkeit der Leistung dieser Dioden zwecks schneller Anpassung an den jeweiligen Prozess.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung der low-e Schichten durch Vorbeifahren an einer CW-Lampe, einer kontinuierlich betriebenen Lampe.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung der low-e Schichten mittels eines Elektronenstrahls.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält zumindest eine low-e Schicht Silber oder besteht daraus. Dünne Silberfilme in einer benetzten Konfiguration sind im solaren und/oder sichtbaren Spektralbereich transparent und gleichzeitig im infraroten Wellenlängenbereich hochreflektierend. Im Herstellungsverfahren lassen sich herkömmlicherweise dünne Silberschichten meist nicht ideal konform abscheiden und neigen zur Entnetzung. Dies resultiert in einer korrugierten, nicht ideal gleichmäßigen Schichtdickenverteilung, was für wärmedämmende Beschichtungen sehr nachteilig ist. Durch die nachträgliche thermische Behandlung der Schicht im Kurzzeittemperschritt mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt aufgrund der durch die Temperaturerhöhung verursachten Diffusionsprozesse eine ganzflächige Benetzung und somit Glättung der Silberschichten.
Es ist allerdings denkbar, dass die niedrigemittierende Schicht andere Materialien beispielsweise auf Metalloxid-Basis aufweist oder aus solchen besteht. Hierbei können Metalloxide, wie beispielsweise Zinn dotiertes Indiumoxid (ITO), Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO), Aluminium dotiertes Zinkoxid (Al:ZnO) oder Antimon dotiertes Zinnoxid (ATO) eingesetzt werden, die einen geringen thermischen Emissionsgrad im Infrarotbereich bei einem hohen Transmissionsgrad im sichtbaren Spektrum aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat aus Glas.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren im Schritt des Ausbildens zumindest einer niedrigemittierenden Schicht mehrere Schichten zur Bildung eines niedrigemittierenden Schichtsystems. Dabei können die Schichten mittels elektromagnetischer Strahlung im Kurzzeittemperschritt der niedrigemittierenden Schicht oder/und in einem weiteren Kurzzeittemperschritt thermisch behandelt werden. Vorzugsweise umfasst das niedrigemittierende Schichtsystem mindestens zwei dielektrische Schichten. Bevorzugt wird eine low-e Silberschicht zwischen zumindest zwei dielektrischen Schichten angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt sowohl die Beschichtung als auch der Kurzzeittemperschritt der abgeschiedenen low-e Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung in einer inline Vakuumbeschichtungsanlage. In Bezug auf die vorliegenden Erfindung meint eine „inline-Prozessführung“ einen körperlichen Transport des Substrates von einer Beschichtungsstation zur weiteren Bearbeitungsstation, um Schichten aufbringen und behandeln zu können, wobei das Substrat während des Beschichtungsvorgangs und/oder der Laserbestrahlung auch weitertransportiert wird. Dabei wird das Substrat bevorzugt mit einer derartigen Transportgeschwindigkeit bewegt, dass es sich nicht zu sehr erwärmt. Das Verfahren kann in Durchlaufanlagen mit kontinuierlich transportierendem Substratband, entweder ein Endlos-Substrat und eine Rolle-zu-Rolle Beschichtung oder eine quasi-kontinuierliche Abfolge von synchron bewegten, aufeinander folgenden flächigen Stückgutsubstraten, betrieben werden.
Die Erfindung soll nachfolgend am Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Anlagesystems zur kombinierten Beschichtung und nachfolgenden thermischen Behandlung mittels eines Lasersystems;
2 Transmission-(T) und Reflektionsspektren (R) von der Schicht-(Rf) und Glasseite (Rg), jeweils vor (ac) und nach (laser) der thermischen Behandlung der low-e Schicht und
3 eine Tabelle 1 mit einer quantitativen Analyse der Ergebnisse.
Die im Folgenden detailliert beschriebenen konkreten Prozessschritte und Apparaturen sind nur als illustrative Beispiele zu verstehen. Die Erfindung ist daher nicht auf die hier genannten Prozessparameter, Apparaturen und Materialien beschränkt.
1 zeigt den schematischen Aufbau des Anlagesystems 1 zur kombinierten Beschichtung und nachfolgenden thermischen Behandlung mittels eines Lasersystems 50. Sie besteht aus einer längserstreckten Vakuumanlage 1 mit einem Substrattransportsystem 11, mittels dessen die großflächigen Substrate 10 in einer Transportrichtung unter verschiedenen Bearbeitungsstationen, u.a. Beschichtungsmodule 30, hindurch bewegt werden. In einem Beschichtungsmodul 30 wird auf das Substrat 10 ein low-e Schichtsystem 20 aufgebracht, das zumindest eine low-e Schicht aufweist. Es sind auch mehrere low-e Schichten denkbar.
Nach der erfolgten Beschichtung wird das mit dem Schichtsystem 20 versehene Substrat 10 in eine Position zur Behandlung mit einem Lasersystem 50 gebracht. Das Lasersystem 50 besteht hierbei aus einem Linienlaser, so dass auf einfache Art und Weise eine linienförmige Intensitätsverteilung senkrecht zur Transportrichtung des Substrats erreicht wird. Dabei entspricht die Länge der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung des Lasers der Breite der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht in Richtung der Längserstreckung der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung. Nach der erfolgten thermischen Behandlung kann das abgeschiedene Substrat 10 anschließend zu einer weiteren Bearbeitungsstation 31 transportiert oder die thermische Behandlung wiederholt werden.
Optional weist die Anlage 1 eine Regelung 41 des Energieeintrags der Temperung des low-e Schichtsystems auf. Die Regelgröße entspricht dabei einem Energieeintrag, der notwendig ist, um eine vorgebbare Endtemperatur des low-e Schichtsystems im nachfolgenden Schritt der thermischen Behandlung zu erhalten. Dabei muss die Endtemperatur des abgeschiedenen Schichtsystems 20 innerhalb bestimmter Grenzen erreicht werden, indem eine Einstellung und somit die Verbesserung ihrer Schichteigenschaften, wie zum Beispiel Transmission, Reflektion und Widerstand, erfolgt, und nicht eine Zerstörung der Struktur, wie Versprödung, verursacht aufgrund der Überschreitung der Maximaltemperatur der abgeschiedenen Schicht.
Diesbezüglich kann die Einstellung des Energieeintrags der Bestrahlung sowohl unter Berücksichtigung der Parameter der Laserstrahlung, wie ihre Wellenlänge, Energiedichte und Einwirkfläche, als auch der Temperatur der abgeschiedenen Schicht bzw. aus der Temperatur der abgeschiedenen Schicht und des Substrats erfolgen. Zu diesem Zweck ist eine Anordnung der Temperaturmessmittel 40 in der Anlage 1 und eine Temperaturmessung vor dem Kurzzeittemperschritt denkbar.
Der ermittelte Wert des Energieeintrags wird über die Steuereinrichtung 41 an das Lasersystem 50 übermittelt und dient als Regelgröße zur Bestimmung der Parameter des Kurzzeittemperschritts und zur Durchführung des nachfolgenden Kurzzeittemperschritts. Das bedeutet, dass die Parameter des Kurzzeittemperschritts, wie Wellenlänge, Dauer, Art und Weise der elektromagnetischen Strahlung, so angepasst werden, dass das zu behandelnde Schichtsystem den ermittelten Energieeintrag erhält und dadurch die low-e Schicht die vorgebbare Endtemperatur erreicht.
Ausführungsbeispiel:
Ein Glassubstrat mit den Abmessungen 10 × 10 cm² wird in eine Vakuumkammer eingeschleust und mit einem temperbaren einfach-low-e Schichtstapel beschichtet, welcher eine Silberschicht zwischen zwei dielektrischen Deckschichten aufweist. Die Probe stellt ein kommerziell erhältliches Schichtsystem dar. Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der low-e Schichtstapel wird mit einem Linienlasersystem bei einer Wellenlänge von 980 nm, die nicht unter die Erfindung fällt, mit einem Fokus von 100 µm und einer Leistungsdichte von 375 W/mm² bestrahlt. Seine Scangeschwindigkeit wird bei 9,5 m/min eingestellt. Daraus werden eine Belichtungsdauer von 570 µs und ein Energieeintrag von 0,21 J/mm² der Laserbestrahlung erreicht. Der Flächenwiderstand des low-e Schichtstapels vor und nach der Bestrahlung wird mit einem Wirbelstrommessgerät bestimmt, da die Silberschicht durch die dielektrischen Deckschichten nicht direkt kontaktiert werden kann. Die Bestrahlung des low-e Schichtstapels resultiert in einer Verringerung des Flächenwiderstands der low-e Schicht von 7,5 Ohm auf 5,6 Ohm. Die Verringerung des Flächenwiderstands weist auf eine Verdichtung und Homogenisierung der Silberschicht hin, was das charakteristische Merkmal der zu erwartenden Verbesserung der Emissivität darstellt.
In 2 sind die jeweiligen Transmissions- und Reflektionsspektren der Probe dargestellt. Dabei entspricht der Buchstabe „T“ dem Transmissionsspektrum der Probe vor (ac) und nach der Bestrahlung (laser) und der Buchstabe „R“ dem Reflektionsspektrum vor der Schichtseite (Rf) und der Glasseite (Rg) vor (ac) und nach der Bestrahlung (laser). Der Vergleich der gegebenen Spektren ergibt eine deutliche Zunahme der Transmission im visuellen spektralen Bereich sowie eine vorteilhafte höhere Reflektion im infraroten Wellenlängenbereich.
Die quantitative Analyse der Ergebnisse ist in der Tabelle 1 dargestellt. Die Analyse basiert auf dem im Stand der Technik bekannten CIE Lab-Farbmodel, das zur Farbbestimmung verwendet wird und nach dem die Werte L*, a*, b* entsprechend den Helligkeitswert, den Rot-Grün-Wert und den Gelb-Blau-Wert bezeichnen. Der Wert ∆E* gibt den Abstand zwischen L_ac*, a_ac*, b_ac* und L_laser*, a_laser*, b_laser* an, indem ∆E* = ((∆L*)² + (∆a*)² + (∆b*)²)^1/2 ist, wobei ∆L* = L_laser* – L_ac*, ∆a* = a_laser* – a_ac*, ∆b* = b_laser* – b_ac* ist. Dabei bezeichnet der Index „ac“ entsprechend der 2 die ermittelten Werte der Beschichtung bzw. den beschichteten Gegenstand vor der Bestrahlung, d.h. vor dem Kurzzeittemperschritt, und der Index „laser“ die Werte der Beschichtung bzw. den beschichteten Gegenstand nach dem Kurzzeittemperschritt. Die verwendeten Zahlen sind die diejenigen, die durch die CIE LAB L*, a*, b* Koordinatentechnik berechnet sind. Der Wert „Y“ entspricht dem Grün-(und Hellbezugs-)Wert im XYZ-Farbraum.
Wie in der Tabelle 1 dargestellt ist, führt die Widerstandsverbesserung zu einer Verringerung der aus den Spektren extrapolierten Emissivität von 9% auf 7 %, was eine Verringerung der Emissivität um 27% ergibt. Die simultane Verschiebung der Farbwerte ist dabei vergleichbar mit den Werten, welche aus einem Konvektionstemperprozess resultieren. Daher lässt sich der optische Eindruck angleichen, unabhängig davon, ob die Scheiben zu Sicherheitsglas getempert wurden oder nicht. Ein großer Vorteil neben der reinen Kostenersparnis ist hierbei die Beibehaltung der Konfektionierbarkeit der lasergetemperten Scheibe und damit die wesentlich leichtere Verarbeitbarkeit.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit im Vergleich zu konventionellen Konvektionsöfen energieeffizienter und mit weniger Bruchverlusten verbunden. Die mit dem Verfahren erreichte Farbverschiebung des niedrigemittierenden Schichtsystems ist vergleichbar zu den Werten, welche für konventionelles Tempern beobachtet werden, was optische Unterschiede egalisiert und die parallele Montage beider Scheiben ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Beschichtungsanlagesystem
2: Vakuumanlage
10: Substrat
11: Transportsystem
20: Beschichtungssystem/Schicht
30: Beschichtungsmodul/Beschichtungsstation
31: Bearbeitungsmodul/Bearbeitungsstation
40: Mittel zur Temperaturmessung
41: Mittel zur Regelung des Energieeintrags der Einrichtung zum Kurzzeittempern
50: Lasersystem

Claims

Verfahren zur Herstellung eines niedrigemittierenden Schichtsystems auf zumindest einer Seite eines Substrats mit zumindest einer niedrigemittierenden, transparenten metallischen Schicht, umfassend die Schritte von – Bereitstellen des Substrats, – Ausbilden der niedrigemittierenden Schicht mittels Abscheidung, – nachfolgendem Kurzzeittempern der abgeschiedenen, niedrigemittierenden Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung unter Vermeidung einer sofortigen Aufheizung des gesamten Substrats, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wellenlänge, Dauer sowie Art und Weise der elektromagnetischen Strahlung zum Kurzzeittempern derart eingestellt werden, dass die niedrigemittierende, getemperte Schicht hinsichtlich ihres Flächenwiderstandes, ihrer Transmission und ihrer Reflexionsfarbe gleiche Schichteigenschaften aufweist wie eine niedrigemittierende, konventionell getemperte Schicht eines Sicherheitsglases, – dass der Kurzzeittemperschritt der niedrigemittierenden Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung bei einer Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung erfolgt, bei der die elektromagnetische Strahlung durch die abgeschiedene niedrigemittierende Schicht zumindest teilweise absorbiert wird und – dass der Kurzzeittemperschritt der niedrigemittierenden Schicht bei einer Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Bereich von 250 nm bis kleiner als 500 nm erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung zum Kurzzeittempern derart eingestellt wird, dass die niedrigemittierende Schicht im Bestrahlungsbereich einen vorgebbaren Energieeintrag erhält.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung zum Kurzzeittempern derart eingestellt wird, dass sie eine linienförmige Intensitätsverteilung senkrecht zu einer Transportrichtung des Substrats aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung zum Kurzzeittempern zumindest der Breite der auf dem Substratabgeschiedenen, niedrigemittierenden Schicht in Richtung der Längserstreckung der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Länge als auch die Leistungsdichte der linienförmigen Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung zum Kurzzeittempern veränderbar sind.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Bestrahlung der niedrigemittierenden Schicht durch einen Linienlaser erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Bestrahlung der niedrigemittierenden Schicht mittels mehrerer Laser, bevorzugt zweier Linienlaser, erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag, den die niedrigemittierende Schicht im Bestrahlungsbereich erhält, durch das Verhältnis der Energiedichte der an der Bestrahlung beteiligten Linienlaser reguliert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Linienlaser auf eine ebene Substratebene, auf der Seite der niedrigemittierenden Beschichtung, fokussiert und mindestens ein Linienlaser defokussiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Bestrahlung der niedrigemittierenden Schicht durch kontinuierlich emittierende Dioden, mittels einer CW-Lampe oder mittels eines Elektronenstrahls erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Schritt des Ausbildens zumindest einer niedrigemittierenden Schicht mehrere Schichten zur Bildung eines niedrigemittierenden Schichtsystems umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine niedrigemittierende Schicht Silber aufweist oder aus Silber besteht.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Inline-Vakuumbeschichtungsanlage erfolgt.