DE202012103074U1

DE202012103074U1 - Verbundmaterial

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Publication number: DE202012103074U1
Application number: DE201220103074
Authority: DE
Original assignee: Alanod GmbH and Co KG
Current assignee: Alanod GmbH and Co KG
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2013-11-15
Anticipated expiration: 2022-08-15

Abstract

Verbundmaterial mit einem aus Aluminium bestehenden Träger (1), mit einer auf einer Seite (A) auf dem Träger (1) befindlichen Zwischenschicht (2) und mit einem auf die Zwischenschicht (2) aufgebrachten optisch wirksamen Mehrschichtsystem (3), welches aus mindestens zwei dielektrischen und/oder oxidischen Schichten (4, 5), nämlich einer oberen Schicht (4) und einer darunter liegenden lichtabsorbierenden Schicht (5), besteht, wobei die obere Schicht (4) eine dielektrische Schicht mit einem Brechungsindex n ≤ 1,7 ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) aus metallischem Zirkon und/oder dessen Verbindungen und/oder aus Zirkon und Titan und/oder deren Verbindungen und/oder aus Verbindungen des dreiwertigen Chroms besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial mit einem aus Aluminium bestehenden Träger, mit einer auf einer Seite auf dem Träger befindlichen Zwischenschicht und mit einem auf die Zwischenschicht aufgebrachten optisch wirksamen Mehrschichtsystem, welches aus mindestens zwei dielektrischen und/oder oxidischen Schichten, nämlich einer oberen Schicht und einer darunter liegenden weiteren Schicht – nachfolgend: „lichtabsorbierende Schicht” – mit der Primärfunktion einer Lichtabsorption, insbesondere im solaren Spektralbereich, besteht, wobei die obere Schicht eine dielektrische Schicht mit einem Brechungsindex n ≤ 1,7 ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein Absorber-Verbundmaterial.
Aus der EP 2 336 811 A1 ist ein derartiges Verbundmaterial bekannt, bei dem der Veredlungsvorgang des Aluminiumträgers insbesondere aus zwei unterschiedlichen Prozessen besteht, die beide kontinuierlich betrieben werden können, und zwar aus der Erzeugung einer aus Aluminiumoxid bestehenden Zwischenschicht in einem nasschemischen Prozess, welcher zusammenfassend als Eloxieren bezeichnet wird und ein elektrolytisches Glänzen sowie eine anodische Oxydation umfasst, und aus der Aufbringung des optisch wirksamen Mehrschichtsystems im Vakuum. Bei den Schichten des optischen Mehrschichtsystems handelt es sich dabei allgemein um dielektrische Schichten, wobei die Verwendung oxidischer Schichten, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Titanoxid als oberste Schicht und Siliciumdioxid als mittlere Schicht, einen bevorzugten Sonderfall darstellt.
Allgemein teilt sich bei einem Objekt, auf das eine Strahlung auftrifft, diese Strahlung in einen reflektierten, einen absorbierten und einen transmittierten Anteil auf, die durch den Reflexionsgrad (Reflexionsvermögen), den Absorptionsgrad (Absorptionsvermögen) und den Transmissionsgrad (Transmissionsvermögen) des Objektes bestimmt werden. Reflexionsvermögen, Absorptionsvermögen und Transmissionsvermögen sind optische Eigenschaften, die je nach der Wellenlänge einer einfallenden Strahlung (z. B. im Ultraviolett-Bereich, im Bereich des sichtbaren Lichts, im Infrarot-Bereich und im Bereich der Wärmestrahlung) für ein- und dasselbe Material unterschiedliche Werte annehmen können. Hinsichtlich des Absorptionsvermögens ist dabei das Kirchhoffsche Gesetz bekannt, wonach der Absorptionsgrad jeweils bei einer bestimmten Temperatur und Wellenlänge in konstantem Verhältnis zum Emissionsgrad steht. Somit sind für das Absorptionsvermögen auch das Wiensche Verschiebegesetz bzw. das Plancksche Gesetz sowie das Stefan-Boltzmann-Gesetz von Bedeutung, durch die bestimmte Zusammenhänge zwischen Strahlungsintensität, spektraler Verteilungdichte, Wellenlänge und Temperatur eines sogenannten ”Schwarzen Körpers” beschrieben werden. Dabei ist bei Berechnungen zu beachten, dass der ”Schwarze Körper” als solcher nicht existiert und reale Stoffe in je charakteristischer Weise von der Idealverteilung abweichen.
Bei bestimmten Anwendungsfällen ist in einem Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung ein möglichst hoher Reflexionsgrad und in anderen Bereichen ein möglichst geringer Reflexionsgrad, dafür aber ein umso höherer Absorptionsgrad gefordert. Dies ist z. B. im Bereich der Solarkollektoren so, wo im solaren Wellenlängenbereich (etwa 300 bis etwa 2500 nm) ein maximaler Absorptionsgrad und im Bereich der Wärmestrahlung (oberhalb etwa 2500 nm) ein maximaler Reflexionsgrad gefordert wird. So sind unter dem Namen Tinox^® Absorber für Flachkollektoren bekannt, in denen ein Verbundmaterial, das diese Forderungen erfüllt, zum Einsatz kommt. Dieses Material besteht aus einem Träger aus einem Kupferband, einer darauf aufgebrachten Schicht aus Titanoxinitrid und einer Deckschicht aus Siliciumdioxid.
Aus der EP 1 217 394 A1 ist des Weiteren ein Verbundmaterial der eingangs genannten Art bekannt, das einen aus Aluminium bestehenden Träger, eine auf einer Seite auf dem Träger befindliche Zwischenschicht und ein auf die Zwischenschicht aufgebrachtes optisch wirksames Mehrschichtsystem umfasst. Die Zwischenschicht besteht dabei vorzugsweise aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium, das aus dem Trägermaterial gebildet ist. Das optisch wirksame Mehrschichtsystem besteht aus drei Schichten, wobei die beiden oberen Schichten dielektrische und/oder oxidische Schichten sind, und die unterste Schicht eine auf die Zwischenschicht aufgetragene metallische Schicht ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die oberste Schicht des optischen Mehrschichtsystems eine dielektrische Schicht, vorzugsweise eine oxidische, fluoridische oder nitridische Schicht der chemischen Zusammensetzung MeO_a, MeF_b, MeN_c, mit einem Brechungsindex n < 1,8 und die mittlere Schicht des optischen Mehrschichtsystems eine chromoxidische Schicht der chemischen Zusammensetzung CrO_z ist, und die unterste Schicht des optischen Mehrschichtsystems aus Gold, Silber, Kupfer, Chrom, Aluminium und/oder Molybdän besteht, wobei die Indizes a, b, c und z ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis in den Oxiden, Fluoriden oder Nitriden bezeichnen. Dadurch wird ein Verbundmaterial geschaffen, mit dem in verschiedenen Wellenlängenbereichen Absorptionsgrad und Reflexionsgrad gezielt selektiv einstellbar sind. Darüber hinaus zeichnet sich das bekannte Verbundmaterial auch durch eine gute Verarbeitbarkeit, insbesondere Verformbarkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sowie hohe thermische und chemische Langzeitbeständigkeit aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbundmaterial der eingangs beschriebenen Art mit einer besonderen Eignung für Solarabsorber zu schaffen, das sich bei einer einfachen Herstellungsweise durch in verschiedenen Wellenlängenbereichen unterschiedliche Absorption und Reflexion auszeichnet. Insbesondere soll dabei die Absorption im Bereich des sichtbaren Lichtes groß sein, wobei sie im solaren, also im oben genannten Wellenlängenbereich von etwa 300 bis etwa 2500 nm Spitzenwerte über 90 Prozent erreicht, und die Absorption im Bereich der längerwelligen elektromagnetischen Strahlung soll klein sein, wobei sie im Wellenlängenbereich > ca. 2500 nm Minimalwerte unter 15 Prozent erreicht.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Zwischenschicht aus metallischem Zirkon und/oder dessen Verbindungen und/oder aus Zirkon und Titan und/oder deren Verbindungen und/oder aus Verbindungen des dreiwertigen Chroms besteht.
Bei einem derartigen erfindungsgemäßen Aufbau weist die Zwischenschicht einerseits eine korrosionshemmende Schutzwirkung für den Träger auf und gewährleistet andererseits eine hohe Haftung für das darüberliegende optische Mehrschichtsystem. Verglichen mit den bekannten Aluminiumoxidschichten kann sie dabei mit höherer Härte ausgebildet werden. Auch kann die Zwischenschicht – je nach Zusammensetzung – zusammenwirkend mit dem Träger selbst optisch wirksam werden. Die Zwischenschicht kann vorwiegend reflektierend oder vorwiegend transmissiv ausgebildet sein, wobei sie im zweiten Fall vorteilhafterweise ein derartig hohes Transmissionsvermögen und der Träger ein derartig hohes, durch die Transmission der Zwischenschicht wirksam werdendes Reflexionsvermögen aufweisen kann, dass auf die unterste metallische Schicht des aus der EP 1 217 394 A1 bekannten optischen Mehrschichtsystems ohne Effizienzeinbuße verzichtet werden kann. Damit entfällt einerseits der technologische Schritt der Auftragung einer Schicht und andererseits tritt außerdem eine Materialersparnis ein.
Auch muss bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials kein zusätzlicher nasschemischer Prozessschritt für die Erzeugung eines aus Aluminiumoxid bestehenden Schichtaufbaus vorgesehen werden, wenngleich optional auf dem Aluminiumträger eine solche, insbesondere mit einer Dicke im Bereich von 2 nm bis 200 nm, vorhanden sein kann.
Das erfindungsgemäße optische Mehrschichtsystem ist zunächst – wie bei dem bekannten Verbundmaterial – in vorteilhafter Weise aufbringbar, indem auf umweltgefährdende, zum Teil giftige, Salzlösungen bei der Herstellung verzichtet werden kann. Ebenso kann aber auch – wie bereits erwähnt – auf die metallische Schicht des bekannten optischen Mehrschichtsystems verzichtet werden, bzw. die Zwischenschicht übernimmt in metallischer Ausführung gleichzeitig die Reflexionsfunktion, insbesondere im langwelligen Bereich, so dass bei hoher Effizienz des erfindungsgemäßen Verbundmaterials im Falle seines Einsatzes als Absorbermaterial in jedem Fall der Herstellungsaufwand gesenkt wird.
Die Schichten des optischen Mehrschichtsystems können dabei Sputterschichten, insbesondere durch Reaktivsputtern erzeugte Schichten, CVD- oder PECVD-Schichten oder durch Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugte Schichten sein, so dass das gesamte optische Mehrschichtsystem aus in Vakuumfolge, insbesondere in einem kontinuierlichen Verfahren, aufgetragenen Schichten besteht.
Die lichtabsorbierende Schicht kann dabei bevorzugt ein Titan-Aluminium-Mischoxid und/oder ein Titan-Aluminium-Mischnitrid und/oder ein Titan-Aluminium-Mischoxinitrid der chemischen Zusammensetzung TiAl_qO_xN_y enthalten, wobei die Indizes q, x und y jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen.
Es kann mit Vorteil auch vorgesehen sein, dass die lichtabsorbierende Schicht des optischen Mehrschichtsystems Chromoxid der chemischen Zusammensetzung CrO_z und/oder Chromnitrid der chemischen Zusammensetzung CrN_v und/oder Chromcarbid CrC_p und/oder Chromoxinitrid der chemischen Zusammensetzung CrO_zN_v und/oder Chromoxicarbid CrO_zC_p und/oder Chromoxicarbonitrid CrO_zC_pN_v enthält, wobei die Indizes z, v und p jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen.
Bei der oberen Schicht kann es sich bevorzugt um eine siliciumoxidische Schicht der chemischen Zusammensetzung SiO_w handeln, wobei der Index w wiederum ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis in der oxidischen Zusammensetzung bezeichnet.
Die genannten Verfahren gestatten es vorteilhafterweise dabei, die chemische Zusammensetzung der Schichten hinsichtlich der Indizes p, q, v, w, x, y und z nicht nur auf bestimmte, diskrete Werte einzustellen, sondern das stöchiometrische oder nichtstöchiometrische Verhältnis jeweils innerhalb bestimmter Grenzen fließend zu variieren. Dadurch können beispielsweise der Brechungsindex der reflexionsmindernden obersten Schicht, die auch ein Ansteigen der Werte für die mechanische Belastbarkeit (DIN 58196, Teil 5) bewirkt, und der Absorptionsgrad der lichtabsorbierenden Schicht gezielt eingestellt werden, wobei beispielsweise mit zunehmendem Wert der Indizes x und/oder z die Absorptionsfähigkeit abnimmt. Auch die jeweiligen Anteile des Titan-Aluminium-Mischoxids, -nitrids und/oder -oxinitrids bzw. die Anteile der entsprechenden Chromverbindungen in der lichtabsorbierenden Schicht können so gesteuert werden.
Erfindungsgemäß kann ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Licht-Gesamtreflexionsgrad auf der Seite des optischen Mehrschichtsystems auf einen bevorzugten Wert von weniger als 5 Prozent eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial weist durch seine synergistisch wirkende Eigenschaftskombination

– der Trägerschicht, z. B. deren ausgezeichneter Verformbarkeit, mit der sie Beanspruchungen der Weiterverarbeiter bei den vorzunehmenden Formgebungsprozessen ohne Probleme widersteht, z. B. deren hoher Wärmeleitfähigkeit sowie der Fähigkeit zu einer im solaren Wellenlängenbereich zusätzlich absorptionsfördernden Oberflächengestaltung, der die anderen Schichten dann im Relief folgen, und die außerdem als Metall – wie bereits ausgeführt – eine hohe Reflektivität und damit geringe Emission aufweist und der Tatsache Rechnung trägt, so dass die Strahlungsleistung als speicherbare Wärmeenergie zur Verfügung gestellt wird;
– der Zwischenschicht mit ihren vorstehend erwähnten Vorteilen,
– der lichtabsorbierenden Schicht des optischen Mehrschichtsystems mit ihrer hohen Selektivität des Absorptionsgrades (Spitzenwerte über 90 Prozent im solaren Bereich, Minimalwerte unter 15 Prozent im Wellenlängenbereich > ca. 2500 nm) und ihrer bereits erläuterten Modifikationsfähigkeit der chemischen Zusammensetzung und
– der oberen, insbesondere siliciumoxidischen, Schicht des optischen Mehrschichtsystems, auf deren Vorteile schon vorstehend teilweise verwiesen wurde, und die neben ihrer entspiegelnden Wirkung auch ein hohes Transmissionsvermögen aufweist und dadurch den Anteil der in der lichtabsorbierenden Schicht absorbierbaren Strahlungswerte im solaren Bereich erhöht,

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung enthalten.
Anhand von durch die beiliegende Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials,
2 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials,
3 das Ergebnis einer Tiefenprofilanalyse in einer diagrammatischen Darstellung von Element-Atomkonzentration über einer Schichtabtragungszeit und
4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 3.
Die beschriebenen Ausführungen betreffen jeweils ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial mit einer hohen Selektivität des Absorptions- und Reflexionsgrades im solaren Wellenlängenbereich und im Bereich der Wärmestrahlung.
Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei auch nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels eine erfinderische Bedeutung haben.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind dieselben Teile auch stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass sie in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial besteht jeweils aus einem, insbesondere verformungsfähigen, bandförmigen Träger 1 aus Aluminium, einer auf einer Seite A des Trägers 1 befindlichen Zwischenschicht 2 und einem auf die Zwischenschicht 2 aufgebrachten optisch wirksamen Mehrschichtsystem 3.
Ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Licht-Gesamtreflexionsgrad beträgt auf der Seite A des optischen Mehrschichtsystems 3 weniger als 5 Prozent.
Das Verbundmaterial kann bevorzugt als Coil mit einer Breite bis zu 1600 mm, vorzugsweise von 1250 mm, und mit einer Dicke D von etwa 0,1 bis 1,5 mm, vorzugsweise von etwa 0,2 bis 0,8 mm, ausgebildet sein. Der Träger 1 kann dabei vorzugsweise eine Dicke D₁ von etwa 0,1 mm bis 0,7 mm besitzen.
Das Aluminium des Trägers 1 kann insbesondere eine höhere Reinheit als 99,0 Prozent aufweisen, wodurch seine Wärmeleitfähigkeit gefördert wird.
Die Zwischenschicht 2 besteht erfindungsgemäß aus metallischem Zirkon und/oder dessen Verbindungen oder aus Zirkon und Titan und/oder deren Verbindungen oder aus Verbindungen des dreiwertigen Chroms. Sie kann eine Dicke D₂ im Bereich von 1 nm bis 500 nm, insbesondere im Bereich von 5 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 25 nm bis 80 nm, aufweisen.
Das Mehrschichtsystem 3 der ersten Ausführung umfasst mindestens zwei Einzelschichten 4, 5, und zwar in der dargestellten Ausführung genau zwei Einzelschichten 4, 5.
Die obere Schicht 4 des optischen Mehrschichtsystems 3 ist in beiden Ausführungen eine siliciumoxidische Schicht der chemischen Zusammensetzung SiO_w.
Die untere Schicht 5 der ersten Ausführung ist eine lichtabsorbierende Schicht, die bevorzugt ein Titan-Aluminium-Mischoxid und/oder ein Titan-Aluminium-Mischnitrid und/oder ein Titan-Aluminium-Mischoxinitrid der chemischen Zusammensetzung TiAl_qO_xN_y enthält.
Diese Schicht 5 kann alternativ oder zusätzlich und/oder in einer separaten Teilschicht auch Chromoxid der chemischen Zusammensetzung CrO_z und/oder Chromnitrid der chemischen Zusammensetzung CrN_v und/oder Chromoxinitrid der chemischen Zusammensetzung CrO_zN_v enthalten.
Die Indizes q, v, x, y, z bezeichnen dabei jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis des oxidierten oder nitrierten Stoffes zum Sauerstoff in den Oxiden bzw. im Oxinitrid bzw. des Aluminiums zum Titan. Die stöchiometrischen oder nichtstöchiometrischen Verhältnisse können vorzugsweise im Bereich 0 < q und/oder v und/oder x und/oder y und/oder z < 3 liegen, während das stöchiometrische oder nichtstöchiometrische Verhältnis w Werte im Bereich 1 ≤ w ≤ 2 annehmen kann.
Dadurch, dass die beiden Schichten 4, 5 des optischen Mehrschichtsystems 3 Sputterschichten sein können, insbesondere durch Reaktivsputtern erzeugte Schichten, CVD- oder PECVD-Schichten oder durch Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugte Schichten, ist es möglich, die Verhältnisse q, v, w, x, y, z ungestuft (also auch auf nichtstöchiometrische Werte der Indizes) einzustellen, wodurch die jeweiligen Schichteigenschaften variiert und die Schichten auch als Gradientenschichten mit über die Schichtdicke zunehmenden und/oder abnehmenden Indizes q, v, w, x, y, z ausgebildet werden können.
Die Dicke D₂ der Zwischenschicht 2 wird durch die technologischen Grenzen des zur Herstellung der Zwischenschicht 2 eingesetzten Verfahrens bestimmt.
Außerdem kann sich zusätzlich unter der Zwischenschicht 2 eine (nicht dargestellte), insbesondere durch anodische Oxydation oder elektrolytisches Glänzen und anodische Oyxdation aus dem Trägermaterial gebildete Schicht auf dem Träger 1 befinden, wobei eine natürlicherweise auf der Aluminiumoberfläche vorhandene Oxidschicht beizend entfernt wird, wodurch eine hohe Fettfreiheit, Beschichtbarkeit und Haftung der darüber liegenden Schichten 2, 4, 5 erzielt werden kann.
Die obere Schicht 4 des optischen Mehrschichtsystems 3 kann mit Vorteil eine Dicke D₄ von mehr als 3 nm aufweisen. Bei dieser Dicke D₄ besitzt die Schicht bereits eine ausreichende Effizienz, wobei Zeit-, Material- und Energieaufwand jedoch nur geringe Werte annehmen. Ein oberer Grenzwert der Schichtdicke D₄ liegt unter diesem Gesichtspunkt bei etwa 500 nm. Ein Vorzugsbereich der Dicke D₄ erstreckt sich von 20 nm bis 200 nm und ein besonders bevorzugter Bereich von 40 nm bis 85 nm.
Ein für die lichtabsorbierende Schicht 5 des optischen Mehrschichtsystems 3 unter den genannten Gesichtspunkten optimaler Wert ist eine minimale Dicke D₅ von mehr als 50 nm, maximal etwa 1 μm, insbesondere ein Wert im Bereich von 70 nm bis 300 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 90 nm bis 150 nm.
Die dem optischen Mehrschichtsystem 3 abgewandte Seite B des bandförmigen Trägers 1 kann unbeschichtet bleiben oder auch beispielsweise aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium bestehen.
Die in 2 dargestellte zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials unterscheidet sich von der ersten Ausführung durch das zusätzliche Vorhandensein einer insbesondere aus zwei Teilschichten 6, 7 bestehenden, als Ganzes mit dem Bezugszeichen 8 bezeichneten Schicht im optisch wirksamen Mehrschichtsystem 3. Diese Schicht 8, die im solaren Spektrum des Lichts vorwiegend reflektierend wirkt und daher auch als Reflexionsschicht bezeichnet wird, befindet sich in der dargestellten Ausführung unter, insbesondere unmittelbar unter, der lichtabsorbierenden Schicht 5 und über, insbesondere unmittelbar über, der Zwischenschicht 2.
Für die zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials ist dabei insbesondere folgender Aufbau charakteristisch: Die obere Schicht 4 des optischen Mehrschichtsystems 3 ist eine siliciumoxidische Schicht der chemischen Zusammensetzung SiO₂ und weist eine Dicke D₄ im Bereich von 50 nm bis 100 nm auf. Die lichtabsorbierende Schicht 5 des optischen Mehrschichtsystems 3 enthält überwiegend Chromoxid der chemischen Zusammensetzung CrO_z, ist als Gradientenschicht ausgebildet und weist eine Dicke D₅ im Bereich von 90 nm bis 120 nm auf. Die Reflexionsschicht 8 besteht aus genau zwei Teilschichten 6, 7, von denen die obere Teilschicht 6 aus überwiegend aus Chrom – und zwar insbesondere in metallischer Form – und die untere Teilschicht 7 aus einem anderen Metall, insbesondere aus Aluminium – und zwar vorzugsweise ebenso in metallischer Form – besteht. Die obere Teilschicht 6 befindet unmittelbar unter der lichtabsorbierenden Schicht 5 und die untere Teilschicht 7 unmittelbar auf der Zwischenschicht 2. Die obere Teilschicht 6 weist eine Dicke D₆ auf, die bevorzugt im Bereich von 25 nm bis 40 nm liegen kann, während die untere Teilschicht 7 eine Dicke D₇ aufweist, die bevorzugt im Bereich von 25 nm bis 80 nm liegen kann. Die Zwischenschicht 2 weist eine Dicke D₂ im Vorzugsbereich von 25 nm bis 80 nm auf und enthält – jeweils in elementar metallischer Phase und/oder als chemische Verbindung – Zirkon und/oder dreiwertiges Chrom und/oder Titan. Die Zwischenschicht 2 befindet sich unmittelbar auf der Oberfläche eines aus Aluminium bestehenden Trägers 1, dessen Dicke D₁ hier im Rahmen des oben angegebenen Bereichs von untergeordneter Bedeutung ist.
Bei der Zwischenschicht 2 kann es sich insbesondere um eine Mischschicht handeln, für die eine optionale elementare Zusammensetzung nachfolgend exemplarisch unter Bezugnahme auf 3 und 4 dargestellt ist. Diese beiden Figuren repräsentieren Ergebnisse von Analysen, die mittels der Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) durchgeführt wurden. Das Prinzip dieser Analysenmethode besteht darin, dass durch eine Anregung der Probe mit Röntgenstrahlung eine Herauslösung von sogenannten ”Photoelektronen” erfolgt, die einen für jedes Element charakteristischen Energieinhalt aufweisen, Durch eine Detektierung der Anzahl und der Energie der Photoelektronen kann in einem oberflächennahen Bereich (Informationshefe 3 nm bis 10 nm) für Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 2 (also ausgenommen Wasserstoff und Helium) eine quantitative Elementaranalyse mit einer minimal nachweisbaren Elementkonzentration im Bereich von 0,1 Atomprozent bis 1 Atomprozent vorgenommen werden, Hierbei kann auch eine sogenannte Tiefenprofilanalyse erfolgen, bei der der Elementnachweis jeweilig als Funktion einer Abtragzeit der Schichten erbracht wird, Zum kontinuierlichen Schichtabtrag können dabei, wie bei Verwendung des zur Analyse eingesetzten Gerätes „Quantum 2000” der Firma PHI Physical Electronics, welches auf einer Anregung mit Al-Kα-Strahlung beruht, z. B. mit einer 4 keV-Quelle beschleunigte Argon-Sputterionen eingesetzt werden.
In 3 sind den in Minuten angegebenen Abtragungszeiten (Sputterzeiten) die verschiedenen Schichten 1, 2, 4, 5 und Teilschichten 6, 7 zugeordnet und auch angegeben, wie sich daraus die jeweilige Schicht 8 bzw. das optische Mehrschichtsystem 3 ergibt. Hierzu ist festzustellen, dass im Hinblick auf den Schichtaufbau keine – im Sinne eines diskontinuierlichen Sprunges – scharfe Abgrenzung der Schichtgrenzen voneinander möglich ist. Dies ist einerseits bedingt durch den Herstellungsprozess der Schichten, andererseits durch eine mögliche Diffusion von Schichtbestandteilen, die in hoher Konzentration an einem bestimmten Ort vorliegen, an einen benachbarten Ort mit niedrigerer Konzentration und schließlich durch die o. g. Unschärfe des Analyseprozesses.
Links in 3 ist zunächst die obere Schicht 4 des optischen Mehrschichtsystems 3 zu sehen, welche eine siliciumoxidische Schicht ist und an der Oberfläche einen vernachlässigbar kleinen Anteil an Kohlenstoff aufweist. Das Verhältnis der Atomkonzentrationen von Silicium (Si) zu Sauerstoff (O) beträgt etwa 33,3 Prozent zu 66,6 Prozent in der chemischen Gesamt-Zusammensetzung, wodurch das Vorliegen einer stöchiometrisch zusammengesetzten Siliciumdioxidschicht (SiO₂) veranschaulicht wird. Der Index w der siliciumoxidischen Schicht mit der chemischen Zusammensetzung SiO_w ist also 2.
Weiter nach rechts in 3 schließt sich die lichtabsorbierende Schicht 5 an, in der der Sauerstoffgehalt (O) kontinuierlich abnimmt und der Chromgehalt (Cr) kontinuierlich zunimmt. Der Anteil weiterer Elemente ist unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Unschärfen an den Schichtgrenzen vernachlässigbar klein. Markant sind in dem Kurvenverlauf dabei die Zeitpunkte der Sputterzeiten, welche in der Grafik mit I, II und III bezeichnet sind. Zum Zeitpunkt I, liegt ein Verhältnis der Atomkonzentrationen von Chrom (Cr) zu Sauerstoff (O) von etwa 33,3 Prozent zu 66,6 Prozent in der chemischen Gesamt-Zusammensetzung vor, wodurch an dieser Stelle das Vorliegen einer gegenüber dem dreiwertigen Chrom überstöchiometrisch zusammengesetzten chromoxidischen Schicht (CrO₂) veranschaulicht wird. Der Index z der chromoxidischen Schicht der allgemeinen chemischen Zusammensetzung CrO_z ist hier etwa 2. Zum Zeitpunkt II liegt ein Verhältnis der Atomkonzentrationen von Chrom (Cr) zu Sauerstoff (O) von etwa 40,0 Prozent zu 60,0 Prozent in der chemischen Gesamt-Zusammensetzung vor, wodurch an dieser Stelle das Vorliegen einer im Hinblick auf das dreiwertige Chrom stöchiometrisch zusammengesetzen chromoxidischen Schicht (Cr₂O₃) veranschaulicht wird. Der Index z der chromoxidischen Schicht der allgemeinen chemischen Zusammensetzung CrO_z liegt hier bei etwa 1,5. Zum Zeitpunkt II liegt ein Verhältnis der Atomkonzentrationen von Chrom (Cr) zu Sauerstoff (O) von etwa 40,0 Prozent zu 60,0 Prozent in der chemischen Gesamt-Zusammensetzung vor, wodurch an dieser Stelle das Vorliegen einer im Hinblick auf das dreiwertige Chrom stöchiometrisch zusammengesetzen chromoxidischen Schicht (Cr₂O₃) veranschaulicht wird. Der Index z der chromoxidischen Schicht der allgemeinen chemischen Zusammensetzung CrO_z liegt hier bei etwa 1,5. Mit zunehmender Tiefe wird das Cr-O-Verhältnis der Schicht 5 dann unterstöchiometrisch, wobei zum Zeitpunkt III der Abtragung ein Verhältnis der Atomkonzentrationen von Chrom (Cr) zu Sauerstoff (O) von etwa 50,0 Prozent zu 50,0 Prozent in der chemischen Gesamt-Zusammensetzung bestimmt werden konnte, was an dieser Stelle auf das Vorliegen einer chromoxidischen Schicht der Zusammensetzung CrO hinweist. Der Index z der chromoxidischen Schicht der allgemeinen chemischen Zusammensetzung CrO_z liegt hier bei etwa 1,0 und wird mit zunehmender Schichttiefe kleiner als 1,0. Da der Punkt II schon etwa nach 18 Prozent der Zeit erreicht wurde, die insgesamt zum Absputtern der lichtabsorbierenden Schicht 5 notwendig war, besteht die Schicht 5 also zu mehr als 80 Prozent ihrer Tiefe aus gegenüber dem dreiwertigen Chrom unterstöchiometisch zusammengesetzten Cr-O-Verbindungen.
In der aus den beiden Teilschichten 6, 7 bestehenden Reflexionsschicht 8 ist ein in der oberen Teilschicht 6 um etwa 30 Atomprozent sinkender und dann in der unteren Teilschicht 7 wieder um etwa 10 Atomprozent ansteigender Sauerstoffgehalt zu verzeichnen. Der dabei relativ hohe mittlere Sauerstoffgehalt von etwa 25 Atomprozent in der Reflexionsschicht 8 beeinträchtigt jedoch den grundsätzlich überwiegend metallischen, die Reflexion bewirkenden Charakter der Schicht 8, insbesondere in ihrer oberen Teilschicht 6, in der ein mittlerer Chromgehalt von mehr als 70 Atomprozent vorliegt, nicht. Die darunter liegende Teilschicht 7 ist durch einen bis auf mehr als 50 Atomprozent zunehmenden Aluminiumanteil und einen beginnend von etwa der Schichtmitte auf etwa 15 Atomprozent anwachsenden Kohlenstoffanteil gekennzeichnet. Entsprechend der ermittelten elementaren Zusammensetzung der unteren Teilschicht 7 kann damit neben der Präsenz der funktionsbestimmenden, jeweiligen metallischen Phasen von Chrom und Aluminium auch auf die Anwesenheit von Chrom-Aluminium-Mischoxiden und Chrom-Aluminium-Carboxiden geschlossen werden, die sich nicht unmittelbar aus den dargestellten Ergebnissen ergeben, auf die jedoch im Rahmen der Photoelektronen^® Spektroskopie durch Analyse der ursprünglichen Bindungszustände der freigesetzten Photoelektronen rückgeschlossen werden kann.
Bei der in 3 und – besser ersichtlich – in 4 dargestellten, erfindungsgemäß ausgebildeten Zwischenschicht 2 handelt es sich – wie bereits erwähnt – um eine Mischschicht auf dem Aluminiumträger 1, welche als Elemente in der nachstehend angegebenen Rangfolge der Atomkonzentrationen Aluminium (Al), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Fluor (F), Zirkon (Zr) und Eisen (Fe) enthält.
Insbesondere im Hinblick auf das Chrom, das Aluminium, den Sauerstoff und den Kohlenstoff ist die Zwischenschicht 2 dabei als Gradientenschicht ausgebildet, wobei der Aluminiumgehalt von ihrer Oberfläche ausgehend nach unten auf den Träger 1 zu von etwa 50 Prozent auf über 90 Prozent ansteigt, bis es schließlich in das Reinaluminium des Trägers 1 übergeht. Im überwiegenden Bereich (größer 80 Prozent ihrer Dicke D2) sinkt der Sauerstoffgehalt der Schicht kontinuierlich, insbesondere von etwas über 25 Atomprozent auf nahezu Null ab, Ebenso sinken der Kohlenstoffgehalt und der Chromgehalt auf nahezu Null ab, jedoch nur ausgehend von einem Anfangswert von etwa 20 Atomprozent des Chroms und etwa 15 Atomprozent des Kohlenstoffs. Die bei einem mittleren Gehalt von jeweils etwa 2,5 Atomprozent gleichermaßen innerhalb der Schicht 2 von Null auf ein Maximum von etwa 4 Atomprozent ansteigenden und danach wieder auf Null abfallenden Werte von Zirkon und Fluor weisen darauf hin, dass das erfindungsgemäß vorhandene Zirkon als Fluorid vorliegt. Allerdings sind dabei auch Bindungen an den Sauerstoff (oxidisch) und den Kohlenstoff (carbidisch) nicht auszuschließen, obwohl davon auszugehen ist, dass diese Elemente überwiegend an die in größeren Anteilen vorhandenen Aluminium- und/oder Chrombestandteile sowie auch an das in einem Anteil von weniger als einem Atomprozent vorhandene Eisen gebunden sind, Im Zusammenhang mit dem in 3 und 4 dargestellten Aufbau der Zwischenschicht 2 sei erwähnt, dass es nicht nur für das dargestellte Beispiel, sondern auch im allgemeinen Rahmen der Erfindung als besonders vorteilhaft anzusehen ist, wenn ein mittlerer Anteil von Zirkon oder Zirkon und Titan und/oder dreiwertigem Chrom in der Zwischenschicht 2 im Bereich von 1,0 Atomprozent bis 20,0 Atomprozent, vorzugsweise im Bereich von 1,5 Atomprozent bis 10,0 Atomprozent, besonders bevorzugt im Bereich von 2,0 bis 8,0 Atomprozent, liegt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. So ist es beispielsweise auch möglich, dass die obere Schicht 4 alternativ auch aus Fluoriden oder Nitriden besteht bzw. diese Verbindungen enthalten kann. Ebenso kann die Zwischenschicht 2 Nitride enthalten, und neben dem bereits erwähnten Eisen – sogar auch in höheren Anteilen als das Eisen, nämlich bis zu etwa 2,5 Atomprozent – Magnesium (Mg), welches – wie das Zirkon – bevorzugt fluoridisch gebunden vorliegen kann. Auch kann in der erfindungsgemäß ausgebildeten Zwischenschicht 2 ein nicht vernachlässigbarer Anteil von Phosphor (bis zu etwa 2,0 Atomprozent) enthalten sein, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Träger
2: Zwischenschicht
3: optisches Mehrschichtsystem
4: obere Schicht von 3
5: lichtabsorbierende Schicht von 3
6: erste metallische Teilschicht
7: zweite metallische Teilschicht
8: metallische Schicht
A: Oberseite (Seite von 3)
B: Unterseite (3 abgewandt)
D: (Gesamt-)Dicke
D₁: Dicke von 1
D₂: Dicke von 2
D₄: Dicke von 4
D₅: Dicke von 5
D₆: Dicke von 6
D₇: Dicke von 7

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2336811 A1 [0002]
EP 1217394 A1 [0005, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 58196, Teil 5 [0015]
DIN 5036, Teil 3 [0016]
DIN 5036, Teil 3 [0029]

Claims

Verbundmaterial mit einem aus Aluminium bestehenden Träger (1), mit einer auf einer Seite (A) auf dem Träger (1) befindlichen Zwischenschicht (2) und mit einem auf die Zwischenschicht (2) aufgebrachten optisch wirksamen Mehrschichtsystem (3), welches aus mindestens zwei dielektrischen und/oder oxidischen Schichten (4, 5), nämlich einer oberen Schicht (4) und einer darunter liegenden lichtabsorbierenden Schicht (5), besteht, wobei die obere Schicht (4) eine dielektrische Schicht mit einem Brechungsindex n ≤ 1,7 ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) aus metallischem Zirkon und/oder dessen Verbindungen und/oder aus Zirkon und Titan und/oder deren Verbindungen und/oder aus Verbindungen des dreiwertigen Chroms besteht.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Anteil von Zirkon oder Zirkon und Titan und/oder dreiwertigem Chrom in der Zwischenschicht (2) im Bereich von 1,0 Atomprozent bis 20,0 Atomprozent, vorzugsweise im Bereich von 1,5 Atomprozent bis 10,0 Atomprozent, besonders bevorzugt im Bereich von 2,0 bis 8,0 Atomprozent, liegt.
Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) eine Dicke (D₂) im Bereich von 1 nm bis 500 nm, insbesondere im Bereich von 5 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 25 nm bis 80 nm, aufweist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtabsorbierende Schicht (5) des optischen Mehrschichtsystems (3) ein Titan-Aluminium-Mischoxid und/oder ein Titan-Aluminium-Mischnitrid und/oder ein Titan-Aluminium-Mischoxinitrid der chemischen Zusammensetzung TiAl_qO_xN_y enthält, wobei die Indizes q, x und y jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtabsorbierende Schicht (5) des optischen Mehrschichtsystems (3) Chromoxid der chemischen Zusammensetzung CrO_z und/oder Chromnitrid der chemischen Zusammensetzung CrN_v und/oder Chromcarbid CrC_p und/oder Chromoxinitrid der chemischen Zusammensetzung CrO_zN_v und/oder Chromoxicarbid CrO_zC_p und/oder Chromoxicarbonitrid CrO_zC_pN_v enthält, wobei die Indizes z, v und p jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (4) des optischen Mehrschichtsystems (3) eine siliciumoxidische Schicht der chemischen Zusammensetzung SiO_w ist, wobei der Index w ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnet.
Verbundmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das stöchiometrische oder nichtstöchiometrische Verhältnis w im Bereich 1 ≤ w ≤ 2 liegt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die stöchiometrischen oder nichtstöchiometrischen Verhältnisse p, q, v, x, y, z im Bereich 0 < p und/oder q und/oder v und/oder x und/oder y und/oder z < 3 liegen.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schichten (4, 5) des optischen Mehrschichtsystems (3) und/oder die Zwischenschicht (2) Sputterschichten, insbesondere durch Reaktivsputtern erzeugte Schichten, CVD- oder PECVD-Schichten oder durch Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugte Schichten sind.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) und/oder das optische Mehrschichtsystem (3) aus in Vakuumfolge in einem kontinuierlichen Verfahren aufgetragenen Schichten besteht.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (4) des optischen Mehrschichtsystems (3) eine Dicke (D₄) von mehr als 3 nm und maximal etwa 500 nm, insbesondere im Bereich von 20 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 40 nm bis 85 nm, aufweist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtabsorbierende Schicht (5) des optischen Mehrschichtsystems (3) eine Dicke (D₅) von mehr als 50 nm und maximal etwa 1 μm, insbesondere im Bereich von 70 nm bis 300 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 90 nm bis 150 nm, aufweist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Licht-Gesamtreflexionsgrad auf der Seite (A) des optischen Mehrschichtsystems (3) weniger als 5 Prozent beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium des Trägers (1) eine höhere Reinheit als 99,0 Prozent aufweist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Coil mit einer Breite bis zu 1600 mm, vorzugsweise von 1250 mm, und mit einer Dicke (D) von etwa 0,1 bis 1,5 mm, vorzugsweise von etwa 0,2 bis 0,8 mm.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich unter der Zwischenschicht (2) auf dem Träger (1) eine Aluminiumoxid bestehende Schicht befindet, die vorzugsweise aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Trägermaterial gebildet ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidschicht eine Dicke im Bereich von im Bereich von 2 nm bis 200 nm aufweist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch wirksame Mehrschichtsystem (3) eine zumindest im sichtbaren Bereich des Lichtes reflektierend wirkende, vorzugsweise metallische Reflexionsschicht (8) umfasst, die sich unter der lichtabsorbierenden Schicht (5) und über der Zwischenschicht (2) befindet.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 18, insbesondere nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten (2, 4, 5, 8) des optisch wirksamen Mehrschichtsystems (3), insbesondere die Reflexionsschicht (8), aus zwei oder mehr Teilschichten (6, 7) bestehen.
Verbundmaterial nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Reflexionsschicht (8) aus zwei Teilschichten (6, 7) besteht, von denen die obere Teilschicht (6) aus Chrom und die untere Teilschicht (7) aus einem anderen Metall, insbesondere aus Aluminium, besteht, wobei sich die obere Teilschicht (6) unmittelbar unter der lichtabsorbierenden Schicht (5) befindet, welche Chromoxid der chemischen Zusammensetzung CrO_z und/oder Chromnitrid der chemischen Zusammensetzung CrN_v und/oder Chromoxinitrid der chemischen Zusammensetzung CTO_zN_v enthält, wobei die Indizes z und v jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 20, insbesondere nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten (2, 4, 5, 8) des optisch wirksamen Mehrschichtsystems (3), mindestens eine Schicht (5), vorzugsweise die lichtabsorbierende Schicht (5), als Gradientenschicht(en) ausgebildet ist/sind, in der/denen sich insbesondere mindestens einer der Indizes q, v, w, x, y oder z und/oder der Anteil – vorzugsweise angegeben in Atomprozent – eines in der jeweiligen Schicht (4, 5, 8, 2) enthaltenen, nicht indizierten Elements kontinuierlich ändert.