DE102011116191A1

DE102011116191A1 - Mehrschichtsysteme für eine selektive Reflexion elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102011116191A1
Application number: DE102011116191A
Authority: DE
Inventors: Roland Thielsch; Ronny Kleinhempel; Andre Wahl
Original assignee: Southwall Europe GmbH
Current assignee: Southwall Europe GmbH
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-04-18
Also published as: AU2012323155C1; BR112014008831A2; CN103874939A; WO2013053608A1; MX2014003751A; UA109973C2; SG11201401353RA; US20140233093A1; AU2012323155A1; JP2015502559A; KR20140084169A; IL231956A0; CA2848581A1; EP2766751A1; AU2012323155B2

Abstract

Die Erfindung betrifft Mehrschichtsysteme für eine selektive Reflexion elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts und ein Verfahren zu Herstellung dieser auf geeigneten vorzugsweise polymeren Trägermaterialen. Ein solches erfindungsgemäßes Mehrschichtsystem ist mit mindestens einer Schicht aus Silber – bzw. einer Silberlegierung, die mit jeweils einer Keimschicht (seed layer) und einer Deckschicht (cap layer) an beiden Oberflächen vollflächig beschichtet ist, gebildet. Die Keim- und Deckschicht sind dabei aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet. Dies sind ZnO und/oder ZnO:X. Mindestens ein solches Mehrschichtsystem ist dabei auf einem flexiblen polymeren Substrat, bevorzugt einer im sichtbaren Spektralbereich optisch transparenten Folie ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft Mehrschichtsysteme für eine selektive Reflexion elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts und ein Verfahren zu Herstellung dieser auf geeigneten vorzugsweise polymeren Trägermaterialen.
Die bevorzugte, aber nicht ausschließliche Verwendung eines solchen Verbundmaterials, bestehend aus besagten Mehrschichtsystemen mit besagtem Träger ist die Herstellung von laminierten Verbundverglasungen in Verbindung mit weiteren polymeren Klebefolien und Glas.
Eine weitere Verwendung ist eine Kombination des besagten Verbundmaterials mit weiteren beschichteten oder unbeschichteten Folien sowie Klebern zur Verwendung als „Window-Film” zum nachträglichen Aufbringen auf Verglasungen.
Solche Mehrschichtsysteme werden für eine gezielte selektive Beeinflussung der Transmission sowie Reflexion von elektromagnetischer Strahlung, die von der Sonne emittiert wird, eingesetzt und dabei auf für die elektromagnetische Strahlung transparenten Substraten, wie insbesondere Glas oder Polymerfolien als Dünnschichten durch an sich bekannte Vakuumbeschichtungsverfahren, insbesondere PVD-Verfahren ausgebildet. Damit ist das Ziel verbunden, einen möglichst hohen Anteil der Strahlung im nicht-sichtbaren Bereich (z. B. solarer Energiebereich, bzw. nahinfraroter Spektralbereich) zu reflektieren, so dass der Anteil an transmittierter solarer Energie minimiert wird. Ein besonderes Ziel besteht darin, den Wert der durch eine Verbundverglasung, die mit einem derartigem Mehrschichtsystem auf besagtem Träger ausgestattet ist, der hindurch gelassen totalen solaren Transmission T_TS (Berechnet nach DIN ISO 13837, Fall 1) auf maximal 40%, der von der Sonne emittierten und auf der Erdoberfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, zu begrenzen. Dadurch soll die Erwärmung im Inneren von Räumen oder Fahrzeugen minimiert und der energetische Aufwand zur Schaffung eines dem im Innern befindlichen Personen angenehmen Umgebungsklimas reduziert werden. Im Gegensatz dazu, soll aber ein möglichst hoher Anteil der Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts nicht reflektiert, möglichst auch nicht absorbiert werden, so dass der für das menschliche Auge sichtbare Anteil der Sonnenstrahlung (T_vis, berechnet nach ASTM E 308 für Beleuchtungsquelle A und Beobachter 2°) oberhalb 70% gehalten werden kann. Diese Anforderung für T_vis ist für die Anwendung bei Fahrzeugverglasungen gesetzlich vorgeschrieben.
Hierfür werden seit langem Mehrschichtsysteme eingesetzt, die auf Substraten (Glas oder Kunststoff) ausgebildet sind. Dabei kann es sich um Wechselschichtsysteme handeln, bei denen hoch und niedriger brechende Schichten dielektrischer Materialien aufeinander ausgebildet werden.
Häufig werden auch dünne Metallschichten im Wechsel mit dünnen dielektrischen Schichten (Oxide und Nitride) eingesetzt. Diese Oxide oder Nitride sollen optische Brechzahlen bei einer Wellenlänge von 550 nm im Bereich 1,8 bis 2,5 aufweisen.
Neben anderen reflektierenden Metallen, wie Gold oder Kupfer werden für die Metallschichten vorzugsweise Silber oder Silberlegierungen (Ag-Au, Ag-Cu, Ag-Pd und andere) eingesetzt, die sehr gute optische Eigenschaften für diese Anwendungen aufweisen.
Dabei ist es von Vorteil, eine solche Silber- bzw. Silberlegierungsschicht auf einer Keimschicht abzuscheiden.
Um ein komplexes Mehrschichtsystem aus einer Folge von Oxidschichten und Ag-Schichten aufzubringen, ist es üblich, dass eine bereits aufgetragene/abgeschiedene Ag-Schicht mit Oxiden in einem reaktiven Sputterprozess überbeschichtet wird.
Bekanntlich oxidiert Ag leicht in Anwesenheit oxidierender Medien wie O₂ oder H₂O, besonders aber in einem reaktiven Plasma, dass diese Gase enthält. Mit der Oxidation geht eine deutliche Verschlechterung der Eigenschaften des Ag einher, sodass im Regelfall ohne besondere Gegenmaßnahmen die erwünschten visuellen und energetischen Eigenschaften eines solchen Mehrschichtsystems nicht erreicht werden. Eine, dem Stand der Technik entsprechende, Schutzmaßnahme ist das Aufbringen einer sehr dünnen Metallschicht auf die Silberschicht.
Als Deckschichten werden bisher meist Ti oder NiCr-Legierungen mit einer typischen Schichtdicke < 5 nm eingesetzt. Dadurch soll die Oxidation des Silbers an der Schichtoberfläche vermieden werden, da der direkte Kontakt der Oberfläche mit dem Sauerstoff sowie anderen reaktiven Bestandteilen der Atmosphäre (Plasma) bei der nachfolgenden Ausbildung einer dielektrischen Schicht vermieden werden kann. Das Silber wird in dieser Form vor Degradation geschützt, wobei die metallische Deckschicht oxidieren kann.
Da für die Abscheidung der dünnen Deckschicht eine separate Beschichtungsstation in der Beschichtungsmaschine nötig ist, kann diese nicht für die Abscheidung von dielektischem Material (was für die optische Wirkung des Schichtsystems nötig ist) verwendet werden. Dies führt im Allgemeinen zu höherer Beschichtungsdauer und damit erhöhten Beschichtungskosten.
Bei Mehrschichtsystemen steigt im Allgemeinen die Grenzflächenrauheit mit zunehmender Anzahl der Schichten. Dies kann im Falle von dünnen Silberschichten dazu führen, dass die zweite und dritte Silberschicht in einem Mehrschichtsystem schlechtere elektrische und optische Eigenschaften bei vergleichbarer Dicke aufweist. Dies ist indirekt z. B. über die Messung des elektrischen Widerstandes nachweisbar. Durch zusätzliche Absorptionseffekte an der rauen Grenzfläche zwischen Silber und dielektrischen Schichten reduziert sich zusätzlich die Transparenz für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Mehrschichtsystem für die Anwendungsfälle „Glaslaminat” für Fahrzeugverglasung bzw. „Window-Film” zur Verfügung zu stellen, das verbesserte Eigenschaften aufweist.
Dies sind zum einen eine hohe Transmission und geringe Reflexion im sichtbaren Spektralbereich und zum anderen eine niedrige Transmission sowie eine hohe Reflexion von Strahlungsanteilen aus dem nicht sichtbaren Spektralbereich (naher Infrarotbereich).
Gleichzeitig ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein für die industrielle Herstellung dieses besagten Mehrschichtsystems geeignetes Verfahren zur Abscheidung auf einem geeigneten Träger bereitzustellen. Im besonderen Maße ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine Methode für eine kostengünstige, im Rolle-zu-Rolle-Verfahren anwendbare Aufbringung auf ein polymeres Trägermaterial bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Mehrschichtsystemen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Ein Herstellungsverfahren für diese Mehrschichtsysteme ist mit dem Anspruch 8 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Ein erfindungsgemäßes Mehrschichtsystem für eine selektive Reflexion elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts ist mit mindestens einer Schicht aus Silber – bzw. einer Silberlegierung, die mit jeweils einer Keimschicht (seed layer) und einer Deckschicht (cap layer) an beiden Oberflächen vollflächig beschichtet ist und die Keim- und Deckschicht aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet sind, gebildet. Dabei sind die Keimschicht und auch die Deckschicht aus ZnO und/oder ZnO:X gebildet. Mindestens ein solches Mehrschichtsystem ist dabei auf einem flexiblen polymeren Substrat, bevorzugt einer im sichtbaren Spektralbereich optisch transparenten Folie ausgebildet. Eine Keimschicht und eine Deckschicht können aus dem reinen ZnO, dem dotierten Zinkoxid oder jeweils eine der beiden Schichten aus dem ZnO und die andere Schicht aus dem dotierten ZnO gebildet sein. Es kann neben reinem Silber auch eine Silberlegierung in der Au, Pd oder Cu mit geringen Anteilen enthalten sind, eingesetzt werden. Nachfolgend werden die Schichten generell als Silberschicht bezeichnet. Bei Silberlegierungen sollte der Anteil an enthaltenem weiteren Metall sehr klein, möglichst kleiner 2% gehalten sein.
Ein solches Mehrschichtsystem oder mehrere dieser Mehrschichtsysteme können übereinander auf dem Substrat ausgebildet worden sein. Dabei kann auf herkömmliche Vakuumbeschichtungsverfahren, insbesondere PVD-Verfahren und besonders vorteilhaft auf Magnetronsputtern zurückgegriffen werden. Die Beschichtung auf Kunststoffsubstrate (Polymerfolien) wird häufig im Batchbetrieb durchgeführt, da diese Substrate in der Regel in Rollenform mit endlicher Länge zur Verfügung gestellt werden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn sowohl die Keimschicht als auch die Deckschicht vom gleichen Targetmaterial gesputtert werden können. D. h. das gleiche Material erfüllt prinzipiell die entsprechende Funktion. Dabei ist es möglich das jeweilige in den Beschichtungsbereich zugeführte Gasgemisch zum einen für die Keimschicht und zum anderen für die Deckschicht in jedem Beschichtungsschritt anzupassen, um somit die jeweilige Funktion zu optimieren. Dies erlaubt eine besonders ökonomische Vorwärts + Rückwärtsbeschichtung durch Hin- und Herwickeln (bei jedem Umwickeln wird ein System mit Keimschicht – Silber – Deckschicht abgeschieden). Das Mehrschichtsystem kann ohne zeitaufwändige Belüftungsvorgänge zum Umhängen der Rolle auch mit mehreren Silberschichten sowie Keim- und Deckschichten hergestellt werden. Die Targets für die Ausbildung der Keimschicht, der Silberschicht und der Deckschicht sind dabei in Vorschubachsrichtung des Substrats nacheinander angeordnet. Die Targets für die Ausbildung der Keimschicht und der Deckschicht können aus dem gleichen Material gebildet sein.
Wird bei der Beschichtung das Substrat von Rolle zu Rolle gewickelt, kann je nach Vorschubrichtung des Substrats alternierend wechselnd mit jeweils einem Target einmal eine Keimschicht und bei entgegengesetzter Vorschubrichtung eine Deckschicht ausgebildet werden. Dadurch können insbesondere bei Mehrschichtsystemen mit mehreren Silberschichten, die jeweils von einer Keim- und einer Deckschicht eingeschlossen sind, die Zeit und der Aufwand für die Herstellung verringert werden.
Es ist dabei nicht zwingend notwendig, dass mehrere erfindungsgemäße Mehrschichtsysteme durch Hin- und Herwickeln abgeschieden werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin nach jedem Beschichtungsschritt (zur Abscheidung eines Mehrschichtsystems) die beschichtete Rolle zu entnehmen und die Rolle auf die ursprüngliche Abwickelstation zu laden und ebenso wie im Beschichtungsschritt 1 zu beschichten.
Für die Ausbildung der Keim- und Deckschicht können Mischoxide ZnO:X mit X z. B. Al₂O₃, Ga₂O₃, SnO₂, In₂O₃ oder MgO verwendet werden. Dabei können entsprechende Targets mit der jeweiligen Zusammensetzung, also reines ZnO oder mindestens ein weiteres der genannten Oxide für die Beschichtung genutzt werden. Der Anteil dieser Oxide, die zusätzlich zum ZnO in der Keim- und Deckschicht enthalten ist, sollte maximal 20% Massenprozent betragen, ein Anteil von 10 Masse-% ist dann zu bevorzugen, um vor allem die Ausprägung der kristallinen Struktur für die Keimschicht zu gewährleisten.
Die Keimschicht und/oder die Deckschicht sollten eine Schichtdicke im Bereich 5 nm bis 15 nm und die Silberschicht eine Schichtdicke zwischen 5 nm und 25 nm, bevorzugt 10 nm aufweisen.
Es besteht vorteilhaft die Möglichkeit, zusätzliche dielektrische Schichten auszubilden, die ein solches Mehrschichtsystem von beiden Seiten einfassen.
Zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Mehrsilberschichtsystems sind in einer Abfolge von Beschichtungsschritten zwei oder mehrere Einsilberschichtsysteme, bevorzugt drei Einsilberschichtsysteme gemäß 2 auf einem Substrat abzuscheiden. Bei einem Einsilberschichtsystem handelt es sich um einen Aufbau aus einer dielektrischen Schicht, einer dünnen Keim-, einer Silberschicht, einer Deckschicht und einer abschließenden dielektrischen Schicht (siehe 1).
Um die gewünschten optischen Eigenschaften erreichen zu können, sind die Dicken der Silberschichten sowie die Dicken der dielektrischen Schichten anzupassen. Die dielektrischen Schichten haben eine Brechzahl von n > 1,8 bei einer Wellenlänge von 550 nm sowie geringere Absorption, und können bevorzugt aus In₂O₃ ausgebildet sein.
Ein zwischen zwei Silberschichten ausgebildeter dielektrischer Schichtaufbau, die sich aus Deckschicht, dielektrischer Schicht und Keimschicht zusammensetzt, hat die Wirkung einer dielektrischen Abstandsschicht in einem optischen Filtersystem zur Definition der Lage des spektralen Transmissionsbereiches und der farblichen Anmutung eines Verbundglases, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es ist von besonderem, erfindungsgemäßen Vorteil, dass die Dicken der Keim- und Deckschichten zur Schichtdicke dielektrischer Abstandsschichten beitragen, da sie eine entsprechende optische Wirkung, wie andere dielektrische Materialien hervorrufen und zur gesamten optischen Wirkung beitragen. Der Beitrag der Keim- und Deckschicht zur dielektrischen Dicke im Schichtsystem kann mit ihrer optischen Brechzahl und geometrischen Dicke im Aufbau des Mehrschichtsystems berücksichtigt werden. Die optische Brechzahl von ZnO bei einer Wellenlänge von 550 nm beträgt je nach Abscheidebedingungen ca. 1,95–2,05. Sie kann durch den Anteil an weiterem Oxid, das in einer Keim- und/oder Deckschicht enthalten ist geringfügig davon abweichen. Dadurch ist eine Anpassung an die gewünschte optische Wirkung im Zusammenwirken mit anderen dielektrischen Schichten aus anderen Werkstoffen möglich.
Bei der Ausbildung der Mehrschichtsysteme kann bei der Vakuumbeschichtung für die Ausbildung der Silberschicht sowie der Keim- und Deckschicht auf drei Targets zurückgegriffen werden, die in Vorschubachsrichtung bei der Beschichtung nacheinander angeordnet sind, und/oder genutzt werden können. Dies hat insbesondere bei einer Beschichtung von Rolle zu Rolle, wie es im Batchbetrieb bei der Beschichtung von Foliensubstraten durchgeführt wird, den Vorteil, dass bei einer Ausbildung eines Schichtaufbaus, bei dem mehrere erfindungsgemäße Mehrschichtensysteme übereinander ausgebildet werden sollen, der apparative Aufbau und der Zeitaufwand reduziert werden können. So kann unabhängig von der Bewegungsrichtung des Substrats zuerst eine Keimschicht mit einem keramischen Target ZnO und/oder ZnO:X, dann die Silberschicht mit einem Silbertarget und die Deckschicht mit einem zweiten ZnO und/oder ZnO:X Target ausgebildet werden. Die Verfahrensbedingungen und hier insbesondere die Gaszusammensetzung, die in den Beschichtungsbereich für Keimschicht/Deckschicht zugeführt wird, können in jedem Beschichtungsschritt dabei konstant bzw. gleich gehalten werden.
Während der Ausbildung der Keim- und Deckschichten sollte das eingesetzte Gasgemisch (Sputtergas) aus Argon, Sauerstoff und Wasserstoff bestehen und eine für die Keim- sowie Deckschicht abgestimmte Zusammensetzung aufweisen. Dabei sollte der Anteil an Sauerstoff und Wasserstoff im Sputtergas in einem bestimmten Bereich (Orientierungswert ist < 10%, kann aber durch entsprechendes Beschichtungsequipment, wie Gaseinlass und Pumpenanordnung abweichen) liegen, um zum einen die gewünschte Schichtstruktur für eine optimale, das Schichtwachstum der nachfolgend aufgebrachten Silberschicht positiv beeinflussende Keim-Wirkung zu erreichen und zum anderen optisch transparente (absorptionsfreie) Schichten abzuscheiden. Die Beschichtung kann bei einem typischen Druck innerhalb des Beschichtungsbereiches von 0,4–1,0 Pa erfolgen.
Für die Deckschicht auf dem Silber ist ebenso eine geeignete Gaszusammensetzung zu wählen, um eine ausreichende Schutzwirkung zu gewährleisten. Hierbei ist die Sauerstoffkonzentration gering zu halten (Orientierungswert ist < 10% bezogen auf die Gesamtgasmenge). Hierfür ist es zusätzlich von Vorteil, den Anteil an Wasserstoff höher als den Sauerstoffanteil zu wählen (Orientierungswert ist < 15% bezogen auf die Gesamtgasmenge).
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Keim- und Deckschichten aus ZnO und/oder ZnO:X kann die Qualität der Silberschichten verbessert werden. Dies ist einerseits durch ein verbessertes Silberwachstum, und andererseits durch die entsprechende Schutzwirkung der Deckschicht erklärbar. Als weiterer positiver Einfluss ist die Ausbildung sehr glatter Grenzschichten zwischen der Keimschicht und der nachfolgenden Silberschicht und zwischen der abgeschiedenen Silberschicht und der auf sie aufgebrachten Deckschicht anzusehen.
Es ist bekannt, dass dünne Silberschichten auf Grund wachstumsbedingter, struktureller Eigenschaften über Eigenschaften verfügen, die sich von denen des massiven Materials noch erheblich unterscheiden und die erzielbaren Eigenschaften der Schichtsysteme limitieren.
Durch das Aufbringen einer wachstumsbeeinflussenden dünnen Keimschicht oder im englischen Sprachraum „Seedlayer” genannten Schicht soll erreicht werden, dass durch ein bereits bei niedriger Schichtdicke einsetzendes geordnetes Wachstum (Schichtbildung) bessere, dem massiven Ag ähnlichere Eigenschaften erzielt werden. Bei der Erfindung gelingt dies besonders gut, da die Keimschichten aus dem ZnO und/oder ZnO:X eine kristalline Struktur aufweisen, deren Struktur eine epitaktische Beziehung zur Struktur des Silbers aufweist.
Wichtig ist insbesondere, dass es die Beschichtungsbedingungen erlauben, dass die Keimschicht a) überwiegend kristallin aufwächst und b) gleichzeitig die für das auf ihr angestrebte geordnete Wachstum der Silberschicht eine bestimmte kristalline Vorzugsrichtung besitzt.
Bei Mehrsilberschichtsystemen, bei denen mehrere Mehrschichtsysteme übereinander ausgebildet sind, konnte auch über Messung des Flächenwiderstandes nachgewiesen werden, dass die elektrische Leitfähigkeit der zweiten, dritten und auch vierten Silberschicht vergleichbar zur ersten ist. Mit anderen Worten, es kann damit gezeigt werden, dass die Schichtqualität der Silberschichten und damit auch die geringe Rauheit der Grenzschichten in einem Schichtstapel, der aus mehreren, solcher Schicht – Sequenzen besteht, realisiert werden (siehe 3).
An hocheffizienten Sonnenschutzschichten für Verglasungen im Automobilbau konnte eine angestrebte total solare Transmission T_TS < 40% sowie T_vis > 70% und R_vis < 10% realisiert werden. Es sind aber auch Schichtsysteme möglich, die einen höheren R_vis-Wert aufweisen.
Die Schichtdicken der Keim- und der Deckschicht(en) können auch so gewählt werden, dass sie gezielt zur Interferenz bestimmter elektromagnetischer Strahlung genutzt werden können. Bei Mehrschichtsystemen mit mehreren Silberschichten können die Keim- und/oder Deckschichten auch unterschiedliche Schichtdicken aufweisen, so dass sie Interferenz bei unterschiedlichen Wellenlängen bewirken können.
So konnte bei einem erfindungsgemäßen Mehrschichtsystemaufbau mit drei von jeweils mit einer Keim- und- Deckschicht sowie dielektrischen Schichten eingefassten Silberschichten auf einer PET-Folie als Substrat und der Verwendung einer so beschichteten Folie in einem Glaslaminat (4) ein Gesamtanteil an transmittierter Strahlung T_TS < 40%, der Anteil an transmittierter Strahlung im Wellenlängenspektrum des sichtbaren Lichts T_vis > 70%, der Anteil der reflektierten Strahlung im Wellenlängenspektrum des sichtbaren Lichts R_vis < 10% gehalten werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form ein Beispiel, bei dem eine Silberschicht von einer Keim- und Deckschicht eingeschlossen ist;
2 ein Beispiel in schematischer Form, bei dem drei Silberschichten mit jeweils einer Keim- und Deckschicht in einem Mehrschichtsystemaufbau vorhanden sind;
3 ein Diagramm mit berechneten und gemessenen elektrischen Flächenwiderständen bei unterschiedlicher Anzahl von Silberschichten innerhalb eines Mehrschichtsystems und
4 eine schematische Darstellung für den Einbau eines erfindungsgemäßen Mehrschichtsystems mit in einem Verbundglas eingebetteter Kunststofffolie.
Das in 1 gezeigte Beispiel eines Mehrschichtsystems mit einer Silberschicht 4 wurde in einem Beschichtungsschritt auf dem PET-Substrat 1 aufgetragen. Dabei wurde als dielektrische Schicht eine In₂O₃ Schicht 2 mit einer Schichtdicke von 25 nm mittels Magnetronsputtern in einem reaktiven Prozess unter Verwendung von metallischen Indiumtargets appliziert. In der darauf folgenden Beschichtungsstation wurde die Keimschicht 3 mit einer Schichtdicke von 8 nm von einem keramischen mit 2% Al₂O₃ dotiertem ZnO:X-Target abgeschieden. Dabei wurden dem Sputtergas Argon jeweils ca. 5% Sauerstoff und Wasserstoff beigemengt. Die Abscheidung der metallischen Silberschicht 4 von 10 nm geschah durch Magnetronzerstäubung in einem Argonplasma. Für die Abscheidung der Deckschicht 5 (Schichtdicke 7 nm) wurde ebenfalls ein mit 2% Al₂O₃ dotiertes ZnO:X-Target verwendet. Dem Argon wurden in diesem Fall 5% Sauerstoff und 8% Wasserstoff beigemengt. Die abschließende dielektrische Schicht 6 aus In₂O₃ mit einer Schichtdicke von 30 nm wurde wiederum durch einen reaktiven Prozess unter Verwendung von metallischen Indiumtargets realisiert.
Mit diesem Einsilberschichtsystem wurde bei der einen Silberschicht 4 ein Flächenwiderstand von 6,2 Ohm☐ erreicht.
Der in 2 gezeigte Mehrschichtsystemaufbau mit drei Silberschichten 4, die jeweils zwischen einer Keimschicht 3 und Deckschicht 5 ausgebildet worden sind, wurde durch drei Beschichtungsschritte realisiert. Zur Demonstration der Funktion der Keimschicht 3 und Deckschicht 5 wurde das zur 1 beschriebene Mehrschichtsystem identisch dreimal aufeinander beschichtet.
Für die Realisierung der geforderten Eigenschaften hinsichtlich T_TS, T_vis und R_vis mussten jedoch die Dicken der In₂O₃-Schichten 2 und 6 sowie der Silberschichten 4 angepasst werden. Die Keimschichten 3 und Deckschichten 5 wurden in jedem Beschichtungsschritt unter gleichen Bedingungen hergestellt.
In 2 ist ein Aufbau gezeigt, bei dem auf einem PET-Substrat 1 drei erfindungsgemäße Mehrschichtsysteme, die jeweils mit einer Keimschicht 3, einer Silberschicht 4 und einer Deckschicht 5 gebildet sind, ausgebildet worden sind. Die Schichtdicken und die Zusammensetzung der Keimschichten 3 und der Deckschichten 5 entsprechen dem Beispiel gemäß 1.
So sollte die auf dem Substrat 1 ausgebildete dielektrische Schicht 2 aus In₂O₃ eine Schichtdicke von 20 nm bis 50 nm, die dielektrischen Schichten aus In₂O₃, die zwischen einer Keimschicht 3 und einer Deckschicht 5 ausgebildet sind, sollten eine Dicke im Bereich 40 nm bis 150 nm aufweisen. Die dielektrische Schicht aus In₂O₃, die an der äußeren dem Substrat 1 abgewandten Oberfläche ausgebildet ist, sollte eine Dicke im Bereich 20 nm bis 70 nm haben. Sämtliche Silberschichten sollten eine Schichtdicke im Bereich 7 nm bis 25 nm aufweisen.
Anhand des experimentell bestimmten elektrischen Flächenwiderstandes an einem Mehrschichtsystem mit einer Silberschicht und einer Schichtdicke von 10 nm wurde der zu erwartende elektrische Flächenwiderstand bei einer Parallelschaltung mit weiteren 10 nm dicken Silberschichten abgeschätzt. Die ermittelten elektrischen Widerstände in den Mehrschichtsystemaufbauten mit mehreren Silberschichten wurden mit theoretisch berechneten Werten verglichen. Die Darstellung in 3 verdeutlicht, dass die berechneten Werte mit den Messwerten für ein Zwei-, Drei- und Viersilber-Schichtsystem kongruent sind. Dies bestätigt, dass auch die zweite, dritte und vierte Silberschicht in einem Mehrschichtsystem mit vergleichbar guten Silbereigenschaften herzustellen ist. Dieser Sachverhalt ergibt sich aus dem in 3 gezeigten Diagramm und belegt, dass es keine Erhöhung der Grenzflächenrauheit an den Silberschichten mit steigender Anzahl an Silberschichten gibt.
Im Weiteren kann das Mehrschichtsystem bestehend aus drei übereinander ausgebildeten der Erfindung entsprechenden Mehrschichtsystemen durch Anpassung einzelner Schichtdicken dahingehend optimiert werden, um die Eigenschaften T_TS < 40%, T_vis > 70% und R_vis < 10% in einem Glaslaminat zu realisieren. Der Aufbau des „Glaslaminates” ist in 4 aufgezeigt. Dabei sind 1 ein PET Substrat, 7 ein erfindungsgemäßes Mehrschichtsystem mit drei Silberschichten 4, 8 PVB(Polyvinyl Butyral)-Schichten und 9 Glas.
Im in 4 dargestellten Beispiel wurden die Schichtdicken für die Keimschichten 3 bei 8 nm sowie die Deckschichten 5 bei 7 nm belassen. Die Silberschichten 4 hatten folgende Dicken (vom Substrat 1 beginnend) erste Silberschicht = 8,7 nm, zweite Silberschicht = 16,9 nm und dritte Silberschicht = 13,7 nm. Die dielektrischen Schichten 6 wurden aus In₂O₃ hergestellt und hatten folgende Dicken ebenfalls ausgehend vom Substrat 1 – 1. Schicht aus In₂O₃ = 24 nm, 2. Schicht aus In₂O₃ = 76 nm, 3. Schicht aus In₂O₃ = 90 nm und 4. Schicht aus In₂O₃ = 32 nm.
Mit diesem Schichtsystem wurden im „Glaslaminat” folgende Werte erreicht: T_vis(A, 2°) = 72,4% R_vis(A, 2°) = 9,1% T_TS(ISO) = 38,1%
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN ISO 13837, Fall 1 [0004]
ASTM E 308 [0004]

Claims

Mehrschichtsystem für eine selektive Reflexion elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts, das mit mindestens einer Schicht aus Silber oder einer Silberlegierung, die mit jeweils einer Keimschicht und einer Deckschicht an beiden Oberflächen vollflächig beschichtet ist und die Keim- und Deckschicht aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet sind, auf einem flexiblen polymeren Substrat ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht (3) und die Deckschicht (5) aus ZnO und/oder ZnO:X gebildet sind.
Mehrschichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass X ausgewählt ist aus Al₂O₃, Ga₂O₃, SnO₂, In₂O₃ und MgO und mit einem Anteil von maximal 20 Masse-% enthalten ist.
Mehrschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht (3) und/oder die Deckschicht (5) eine Schichtdicke im Bereich 5 nm bis 15 nm und die Silberschicht (4) eine Schichtdicke zwischen 5 nm und 25 nm aufweist.
Mehrschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Deckschicht (5), die auf einer Silberschicht (4) ausgebildet ist, und einer Keimschicht (3), die unter einer weiteren Silberschicht (4) ausgebildet ist, eine Schicht aus einem dielektrischen Werkstoff, bevorzugt In₂O₃, ausgebildet ist.
Mehrschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bevorzugt drei Mehrschichtsysteme mit jeweils einer Silberschicht (4) auf einem Substrat (1) übereinander ausgebildet sind.
Mehrschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dielektrische Schicht (2) zwischen einem Substrat (1) und einem Mehrschichtsystem ausgebildet ist, die eine Schichtdicke im Bereich 20 nm bis 50 nm aufweist.
Mehrschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Mehrschichtsystemen mit jeweils einer Silberschicht (4) jeweils eine dielektrische Schicht (6) mit einer Schichtdicke im Bereich 40 nm bis 150 nm und/oder an der äußeren, dem Substrat (1) abgewandten Oberfläche eine weitere dielektrische Schicht (6) mit einer Schichtdicke im Bereich 20 nm bis 70 nm ausgebildet ist/sind.
Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Vakuumbeschichtungsverfahren, insbesondere Magnetronsputtern, Targets für die Ausbildung der Keimschicht(en) (3), der Silberschicht(en) (4) und der Deckschicht(en) (5) eingesetzt werden, die in Vorschubachsrichtung des Substrats (1) nacheinander angeordnet und dabei die Targets für die Ausbildung der Keimschicht(en) (3) und der Deckschicht(en) (5) aus dem gleichen Material gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch, das für die Ausbildung der Keimschicht(en) (3) und der Deckschicht(en) (5) eingesetzt wird, auf die jeweilige Schichtausbildung für die Keimschicht(en) (3) und die Deckschicht(en) (5) abgestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch im Gasgemisch für die Ausbildung der Deckschicht(en) (5) ein kleinerer Sauerstoffanteil und ein höherer Wasserstoffanteil, als bei der Ausbildung der Keimschicht(en) (3) eingehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat bei der Beschichtung von Rolle zu Rolle gewickelt wird, so dass je nach Vorschubrichtung des Substrats alternierend wechselnd mit jeweils einem Target einmal eine Keimschicht (3) und bei entgegengesetzter Vorschubrichtung eine Deckschicht (5) ausgebildet wird.