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Die Erfindung betrifft allgemein ein Solar-Control-Schichtsystem auf einem transparenten, dielektrischen Substrat mit einer dielektrischen Grundschicht, einer Funktionsschicht und mindestens einer dielektrischen Deckschicht aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie eine Glaseinheit.
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Derartige Solar-Control-Schichtsysteme, nachfolgend auch nur als Schichtsysteme bezeichnet, werden, z. B. auf Glas mittels Vakuumbeschichtung aufgebracht, hauptsächlich in der Architektur zur Fenster- und Fassadengestaltung und in der Automobilindustrie verwendet. Ziel ist eine Reduzierung des Gesamtenergiedurchlassgrades g. Die Gesamtenergie setzt sich zusammen aus dem Teil der Solarstrahlungsenergie, der direkt durch das Glas mittels Transmission von sichtbarem Licht und Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarots (ca. 780 nm bis 3 µm) in das Innere des Raumes gelangt und der Energie, die nach vorheriger Glaserwärmung nach innen abgegeben wird, wobei maximal der Anteil abgegeben werden kann, der zuvor absorbiert wurde. Je kleiner der g-Wert, desto höher ist die Sonnenschutzwirkung.
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Beschichtungen und Schichtsysteme mit Sonnenschutzwirkung sind beispielsweise aus
US 2011/0 146 172 A1 ,
JP S63- 252 944 A ,
GB 2 302 101 A und
US 6 218 018 B1 bekannt.
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Das Schichtsystem reduziert durch seinen Aufbau nichtselektiv die Transmission über den gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts von ungefähr 380 nm bis 780 nm gleichermaßen, wobei je nach konkreter Anwendung ein bestimmter Transmissionsgrad erwünscht ist.
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Zudem kann ein vorzugebendes Maß an Reflexions- und/oder Absorptionsvermögen für Strahlung im spektralen Infrarotbereich, insbesondere für Wellenlängen λ, > 3 µm, gefordert sein, um einen Wärmeeintrag von außen zu verringern. Diese Reflexion und/oder Absorption der Infrarotstrahlung wird innerhalb des Schichtsystems hauptsächlich durch eine metallische oder metallnitridische Funktionsschicht, nachfolgend nur als Funktionsschicht bezeichnet, beispielsweise aus CrN, NiCr, Cr, Ni, NiNx, CrNx oder NiCrNx, realisiert.
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Die Funktionsschicht ist dabei regelmäßig zwischen zwei dielektrischen Schichten, einer Grundschicht und einer Deckschicht, eingebettet, die z. B. der Entspiegelung, Verhinderung von Diffusionsprozessen, der Haftungsverbesserung und/oder der Erhöhung der mechanischen Stabilität des Schichtsystems dienen.
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Eine weitere Eigenschaft der beschriebenen Schichtsysteme ist deren Eignung für eine Wärmebehandlung (Tempern), z. B. bei der Herstellung von Sicherheitsglas im Architektur- und Fahrzeugbereich und der Formgebung, z. B. bei der Herstellung von Windschutzscheiben. Da die Beschichtung der Substrate aus prozesstechnischen sowie Kostengründen zumeist vor der Wärmebehandlung stattfindet, kommen vorrangig Schichtsysteme zum Einsatz, deren mechanische und optische Eigenschaften sich durch die Wärmebehandlung nicht oder nicht wesentlich verschlechtern.
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Zur Vermeidung von überwiegend temperaturinduzierten, die Funktionsschicht beeinträchtigenden Diffusions- und Oxidationsvorgänge kann ein- oder beidseitig der Funktionsschicht eine Blockerschicht abgeschieden werden, die als Puffer für die diffundierenden Komponenten dient. Diese Blockerschichten sind entsprechend der auftretenden Temperaturbelastung angeordnet und schützen die empfindliche, oft sehr dünne Funktionsschicht vor dem Einfluss benachbarter Schichten.
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Ein Solar-Control-Schichtsystem wird im Bereich Architekturverglasung in der Regel auf Position 2, das heißt auf der Innenseite der ersten, äußeren Scheibe einer Zweischeibenisolierglaseinheit, aufgebracht. In besonderen Fällen ist jedoch auch ein Aufbringen auf Position 1, das heißt auf der Außenseite der ersten, äußeren Scheibe einer Zweischeibenisolierglaseinheit, möglich.
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Insbesondere für Architekturverglasungen spielt der Farbeindruck der beschichteten Substrate eine wichtige Rolle. Zumeist weisen die beschichteten Substrate eine neutrale oder graue bis blaue substratseitige Reflexionsfarbe auf.
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Neutrale Farben sind im CIE L*a*b*-Farbsystem durch a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte von ca. Null gekennzeichnet, während grüne Farben durch negative a*-Farbwerte, blaue Farben durch negative b*-Farbwerte, rote Farben durch positive a*-Farbwerte und gelbe Farben durch positive b*-Farbwerte charakterisiert sind.
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Es gibt jedoch auch Fälle, in denen zum Beispiel für die Verkleidung von Gebäudefassaden eine ganz bestimmte, mitunter auch intensive, Farbe gewünscht ist, die beispielsweise eine bestimmte Farbassoziation, das heißt eine bestimmte emotionale und psychologische Wirkung, hervorruft oder eine harmonische Anpassung an die Umgebung bewirkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein auf einem Substrat abgeschiedenes Solar-Control-Schichtsystem anzugeben, welches eine intensiv grüne substratseitige Reflexionsfarbe aufweist. Das Schichtsystem soll zudem eine hohe Stabilität, auch hinsichtlich der Farbe, aufweisen und kostengünstig herstellbar sein.
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Zur Lösung der Aufgabe werden ein teiltransparentes Solar-Control-Schichtsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, eine Glaseinheit gemäß Anspruch 8 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der zugehörigen abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Solar-Control-Schichtsystem umfasst eine dielektrische Grundschicht bestehend aus Zinn(IV)-oxid SnO2, Siliziumnitrid Si3N4 oder Titanoxid TiO2. Sie dient insbesondere der Verminderung von unerwünschten Diffusionsvorgängen aus dem Substrat in das darüber liegende Schichtsystem und hier insbesondere in die Funktionsschicht und trägt dadurch zur Stabilität der gesamten Schichtsystems bei. Eine gute Barrierewirkung, welche insbesondere für zu tempernde Schichtsysteme aufgrund der erhöhten Diffusionsneigung bei höheren Temperaturen wichtig ist, wird insbesondere durch solche Schichten erzielt wird, welche neben den spezifischen Ionenfängern speziell für Natriumionen auch eine dichte Struktur aufweisen.
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Aufgrund seiner dichten Struktur und der damit verbundenen guten Barriereeigenschaften gegenüber einer Diffusion von Natriumionen sowie seiner Temperaturstabilität der Aufwachsstruktur ist Si3N4 insbesondere für temperbare Schichtsysteme geeignet, während die vergleichsweise raue Oberfläche einer SnO2-Schicht für eine gute Haftung der nachfolgenden Schichten sorgt. Bei der Wahl von TiO2 als Grundschicht kann durch den hohen Brechungsindex die intensive grüne Farbe bei kleinerer Schichtdicke eingestellt werden. Das System kann auf TiO2 ebenfalls gut haftend aufwachsen, verliert dann aber seine Temperfähigkeit.
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Die Grundschicht kann gleichzeitig auch der Entspiegelung dienen und beeinflusst die Farbeinstellung. Die dielektrische Grundschicht weist erfindungsgemäß für die benannten Materialien eine optische Dicke von mehr als 400 nm, bevorzugt mehr als 450 nm, auf. Für die obere Grenze der optischen Dicke hat sich der Wert von ca. 550 nm als günstig erwiesen. Die optische Dicke ergibt sich aus dem Produkt von Brechzahl x Schichtdicke. Die geometrische Schichtdicke der erfindungsgemäßen Grundschicht beträgt somit mehr als 200 nm, beispielsweise mehr als 240 nm.
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Somit besteht die Möglichkeit einer geringeren geometrischen Schichtdicke der Grundschicht bei Verwendung von TiO2 im Vergleich zu SnO2 oder Si3N4, da TiO2 im Vergleich eine höhere Brechzahl aufweist.
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Auch wenn hier die Grundschicht einteilig beschrieben wird, kann sie mit den oben benannten Materialien und optischen Dicken aus einer oder aus mehr als einer Teilschicht bestehen, wobei die Grundschicht auch mehr als eines der genannten Materialien umfassen kann.
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Über der Grundschicht ist eine Funktionsschicht angeordnet, welche die einfallende Solarstrahlung zumindest teilweise, insbesondere im IR-Bereich, absorbiert und/oder reflektiert. Die Funktionsschicht kann beispielsweise aus Chrom, einer Chromverbindung wie CrNx, Nickel-Chrom NiCr, einer Nickel-Chrom-Verbindung wie NiCrNx oder NiCrOx, einer Nickelverbindung, Titan oder einer Titanverbindung wie TiNx bestehen.
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Über der Funktionsschicht ist mindestens eine dielektrische Deckschicht angeordnet. Diese besteht aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, beispielsweise aus SnO2 und/oder Si3N4 oder Siliziumoxinitrid SiOxNy. Die Deckschicht dient insbesondere dem mechanischen und chemischen Schutz des Schichtsystems und der Entspiegelung.
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Das erfindungsgemäße Schichtsystem kann optional weitere Schichten wie z. B. Haft-, Keim- und/oder Blockerschichten enthalten, welche die Funktion der beschriebenen Schichten unterstützen. Zudem können auch mehrere Funktionsschichten übereinander, jeweils durch dielektrische Zwischenschichten voneinander getrennt, angeordnet sein.
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Das Substrat bildet ein transparentes, dielektrisches Material, insbesondere Glas oder ein Polymermaterial.
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„Bestehend aus“ schließt auf alle Schichten des Schichtsystems bezogen ein, dass technologisch bedingte Verunreinigungen oder technologisch bedingte Beimengungen, die zur Prozessführung während der Abscheidung oder, z. B. bei der Kathodenzerstäubung, zur Targetherstellung dienlich sind, enthalten sein können. Derartige Verunreinigungen oder technologische Beimengungen liegen meist im Bereich von kleiner 1 At.-%, können aber auch einige wenige Prozent betragen. Die genannten stöchiometrischen Verbindungen schließen geringfügige stöchiometrische Abweichungen ein, sofern damit keine wesentlichen Eigenschaftsänderungen verbunden sind. Zudem können auch sogenannte Gradientenschichten eingesetzt werden, das heißt Schichten, deren Zusammensetzung sich über die Schichtdicke ändert. Alternativ kann insbesondere die Funktionsschicht aus mehreren Teilschichten unterschiedlicher Materialien aufgebaut sein.
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Das erfindungsgemäße Schichtsystem zeichnet sich durch eine intensiv grüne substratseitige Reflexionsfarbe aus, da vorrangig Licht mit einer Wellenlänge zwischen 520 nm und 565 nm reflektiert wird. Die Reflexionsfarbe wird vorrangig über die Dicke der Grundschicht eingestellt, wobei für den Farbeindruck die resultierende optische Dicke der Grundschicht ein wesentliches Kriterium ist. Die Materialien der einzelnen Schichten spielen für den erzielbaren Farbeindruck lediglich eine untergeordnete Rolle.
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Das erfindungsgemäße Schichtsystem ist zudem chemisch und mechanisch beständig gemäß den gegenwärtigen Standards und lässt sich aufgrund des einfachen Aufbaus effektiv bezüglich Zeit- und Materialbedarf und damit kostengünstig herstellen. Auf die Kosteneffizienz wirkt sich weiter positiv aus, dass die Herstellung des Schichtsystems mit der gewünschten Farbe mit solchen Materialien erfolgen kann, die in ihrer Verarbeitung und Variabilität bekannt und erprobt sind, und die in regelmäßigen Anlagenkonfigurationen verwendet werden. Damit kann häufig auf Umbauten verzichtet werden, was die Auslastung einer Anlage erhöht.
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Die Verwendung der genannten Grundschichtmaterialien ermöglicht die Abscheidung enorm stabiler Schichten von kostengünstigen Targets. Bei Verwendung von Si3N4 als Material der Grundschicht ist das erfindungsgemäße Schichtsystem zudem temperfähig.
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Gemäß einer Ausführungsvariante weist das Schichtsystem eine Transmission im gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts zwischen 30 und 50 %, bevorzugt zwischen 35 und 45 % auf. Dadurch wird der Gesamtenergiedurchlassgrad g verringert, wodurch sich die Sonnenschutzwirkung entsprechend verbessert. Zudem trägt eine Transmission in diesem Prozentbereich zu einer Intensivierung des Farbeindrucks bei.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante weist das auf dem Substrat abgeschiedene Schichtsystem einen a*(Rg)-Farbwert im Bereich -25 ≤ a*(Rg) ≤ -20 auf, welcher einer besonders intensiven grünen Farbe entspricht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante liegt zusätzlich der Farbwert b*(Rg) des Schichtsystems im Bereich +10 ≤ b*(Rg) ≤ +15. Dieser Farbwert entspricht einem gelben Farbeindruck, so dass sich in Kombination mit einem a*(Rg)-Farbwert im oben genannten Bereich ein frisch-grüner Farbeindruck ergibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante sind die Grundschicht direkt auf dem Substrat, die Funktionsschicht direkt über der Grundschicht und die Deckschicht direkt über der Funktionsschicht angeordnet. Aufgrund der lediglich drei verschiedenen Schichten kann dieses Schichtsystem schnell und kostengünstig hergestellt werden, was insbesondere bei sehr großen Verglasungsflächen, wie z. B. komplett verglasten Außenfassaden von Gebäuden, von Bedeutung ist.
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Vorteilhaft besteht die Funktionsschicht aus Chromnitrid, welches kostengünstig herstellbar ist. Weiter vorteilhaft besteht mindestens eine Deckschicht aus Siliziumnitrid, da mit Siliziumnitrid aufgrund seiner dichten Struktur besonders stabile Schichtsysteme erzeugt werden können.
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Eine erfindungsgemäße Glaseinheit weist zumindest zwei Glassubstrate auf, die mit oder ohne Abstand miteinander über geeignete Mittel zur Verbindung verbunden sind. Die Glaseinheit kann beispielsweise als Isolierglaseinheit fungieren oder aber auch als Verbundglaseinheiten, z. B. als Fahrzeug- oder Sicherheitsverglasungen, bei denen zwei Glassubstrate als Scheiben ohne Zwischenraum über ein Verbindungsmittel, z. B. eine Folie, direkt miteinander verbunden sind.
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Eines der Glassubstrate weist ein erfindungsgemäßes Schichtsystem auf, wobei das beschichtete Glassubstrat innerhalb der Glaseinheit meist so angeordnet ist, dass die Beschichtung zwischen den Substraten, bevorzugt auf Position 2 der Glaseinheit, liegt.
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Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems werden auf einem transparenten, dielektrischen Substrat die Schichten des Schichtsystems durch geeignete PVD-Verfahren abgeschieden. Vorzugsweise erfolgt die Abscheidung mittels Magnetronsputtern, was die Erzeugung von dichten Einzelschichten auch mit geringen Schichtdicken ermöglicht.
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Die Schichteigenschaften können dabei sehr gut und reproduzierbar mittels der Art des Sputterverfahrens, wie z. B. DC (Gleichspannungs)-, MF (Mittelfrequenz)-, pulsed DC (pulsierendes Gleichspannungs)- oder DAS-(Dual-Anode-Sputtering) Sputtern, und den Sputterparametern eingestellt werden. Außerdem können sowohl rohrförmige Targets als auch planare Targets eingesetzt werden.
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Die dielektrischen Grund- und/oder Deckschichten werden bevorzugt mit Mittelfrequenzwechselstrom (MF) vom Doppelrohrtarget abgeschieden. Die Abscheidung der Funktionsschichten erfolgt vorteilhaft mit Gleichstrom (DC) vom Planartarget.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in
- 1 Aufbau eines erfindungsgemäßen Schichtsystems,
- 2 Vergleich der substratseitigen Reflexionsspektren zwischen einem Schichtsystem nach dem Stand der Technik und einem erfindungsgemäßen Schichtsystems.
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Das Solar-Control-Schichtsystem gemäß 1 ist mittels Sputtern auf einem Glassubstrat S abgeschieden. Direkt auf dem Substrat ist eine Grundschicht GS aus Siliziumnitrid Si3N4 mit einer Schichtdicke von 245 ± 3 nm angeordnet. Direkt über der Grundschicht GS befindet sich die Funktionsschicht aus Chromnitrid CrN mit einer Schichtdicke von 28 ± 2 nm. Direkt über der Funktionsschicht FS ist eine Deckschicht aus Siliziumnitrid Si3N4 mit einer Schichtdicke von 38 ± 2 nm angeordnet.
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Das Schichtsystem des Ausführungsbeispiels weist folgende Farbwerte, von der Substratseite aus betrachtet, auf: a*(Rg)= -21,6 und b*(Rg)= 13,6. Die Transmission des Schichtsystems liegt im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts zwischen 30 % und 42 %.
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Das substratseitige Reflexionsspektrum des erfindungsgemäßen Schichtsystems gemäß Ausführungsbeispiel (2) weist ein deutliches Maximum mit einer vergleichsweise geringen Halbwertsbreite bei einer Wellenlänge von ca. 525 nm auf, Das heißt, Licht dieser Wellenlänge wird vorrangig reflektiert, so dass sich im Ergebnis ein grüner Farbeindruck für den Betrachter ergibt.
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Im Gegensatz dazu liegt das Maximum des substratseitigen Reflexionsspektrums eines Schichtsystems nach dem Stand der Technik bei ca. 485 nm, das einem bläulichen Farbeindruck entspricht. Zudem ist die Halbwertsbreite des Maximums deutlich breiter, das heißt, es wird Licht über einen breiten Wellenlängenbereich reflektiert. Durch die Überlagerung der Farben ergibt sich daher ein bläulichgrauer Farbeindruck.
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In Alternativen zum oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Grundschicht GS auch aus Zinnoxid mit einer Schichtdicke von 245 ± 10 nm oder eine Grundschicht GS aus Titandioxid mit einer Schichtdicke von 205 ± 10 nm bestehen. In diesem Fall würden sich für die Funktionsschicht aus Chromnitrid CrN eine Schichtdicke im Bereich von 28 ± 10 nm und für die Deckschicht aus Siliziumnitrid Si3N4 im Bereich von 38 ± 20 nm ergeben.
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Die hier relativ großen Toleranzbereiche der Schichtdicken, insbesondere der Funktions- und Deckschicht, ist durch die möglichen Materialien der Grundschicht bestimmt. Insbesondere bei der Verwendung von Titandioxid können die Schichtdicken der darüber liegenden Schichtdicken, im Vergleich zu den beiden anderen genannten Materialien der Grundschicht, stärker variieren, um die gewünschten Eigenschaften des Schichtsystems zu erzielen. Die geeigneten Schichtdicken aus den genannten Bereichen sind in bekannter durch Versuche oder Simulationen zu ermitteln.
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Die Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems erfolgt mittels Magnetronsputtern. Dabei werden die dielektrische Grund- und Deckschicht werden mit Mittelfrequenzwechselstrom (MF) vom Doppelrohrtarget abgeschieden. Die Abscheidung der Funktionsschicht erfolgt mit Gleichstrom (DC) vom Planartarget.
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Bezugszeichenliste
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- S, S1
- Substrat
- GS
- Grundschicht
- FS
- Funktionsschicht
- DS
- Deckschicht
