DE602005003328T2

DE602005003328T2 - Auf kohlenstoff basierende schmutzabweisende überzüge für glasoberflächen

Info

Publication number: DE602005003328T2
Application number: DE602005003328T
Authority: DE
Inventors: Annette J. Sauk City KRISKO; Robert B. Spring Green BOND; Roger P. Spring Green STANEK; Gary L. Cazenovia PFAFF
Original assignee: Cardinal CG Co
Current assignee: Cardinal CG Co
Priority date: 2004-01-02
Filing date: 2005-01-03
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2025-01-04
Also published as: US20050106397A1; ATE378298T1; DE602005003328D1; WO2005068387A1; EP1699744A1; CA2551681A1; EP1699744B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für Glassbustrate und dergleichen, die der Ansammlung von Staub und Wasserflecken gegenüber widerstandsfähig ist. Beschichtete Glassubstrate gemäß der Erfindung können in Isolierglaseinheiten verwendet werden, wobei die Beschichtung gemäß der Erfindung an der Außenfläche einer Glasscheibe vorhanden ist, während eine reflektierende Beschichtung an der entgegengesetzten Seite derselben Glasscheibe aufgebracht ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Sauberhalten von Fenstern und anderen Glasoberflächen ist ein verhältnismäßig kostspieliges und zeitraubendes Verfahren. Während die Reinigung eines einzelnen Fensters nicht besonders mühevoll ist, kann das Sauberhalten einer großen Anzahl von Fenstern eine beträchtliche Last darstellen. Beispielsweise sind bei modernen Bürotürmen mit Glasfassade beträchtliche Aufwendungen an Zeit und Kosten erforderlich, um Fensterputzer regelmäßig die äußere Oberfläche der Fenster säubern zu lassen.
Fenster und andere Glasoberflächen können auf verschiedene Weise schmutzig werden. Zwei der hauptsächlichen Arten, auf die Fenster Staub sammeln können, betreffen die Wirkung von Wasser auf die Glasoberfläche. Zunächst kann das Wasser selbst Schmutz, Mineralien oder dergleichen auf der Glasoberfläche abscheiden oder ansammeln. Schmutziges Wasser, das auf das Glas auftrifft, hinterläßt den mitgeschleppten oder gelösten Schmutz nach dem Trocknen auf dem Glas. Selbst wenn verhältnismäßig sauberes Wasser auf die äußere Oberfläche eines Fensters auftrifft, neigt jedes Wasser tröpfchen, das auf dem Fenster sitzt, dazu, Staub und andere aus der Luft stammende Teilchen beim Trocknen anzusammeln. Diese Teilchen und andere Chemikalien, die in dem Wasser gelöst werden, konzentrieren sich im Lauf der Zeit, wonach sie einen charakteristischen Fleck oder Trocknungsring auf der Glasoberfläche hinterlassen.
Die zweite Art, auf die Wasser dazu neigt, einem Fenster oder einer anderen Glasoberfläche ein verschmutztes oder wenig ansprechendes Aussehen zu verleihen, ist mit einem Angriff auf die Glasoberfläche selbst verbunden. Wenn sich ein Tröpfchen von selbst verhältnismäßig sauberem Wasser auf einem Glas absetzt, fängt es an, alkalische Komponenten aus dem Glas auszulaugen. Bei einem typischen Kalk-Natron-Glas werden Natrium und Calcium aus dem Glas herausgelaugt, wobei der pH-Wert des Tröpfchens steigt. Mit steigendem pH-Wert wird der Angriff auf die Glasoberfläche heftiger. Schließlich wird das Glas, welches unter einem trocknenden Wassertropfen liegt, ein klein wenig rauher, wenn das Wassertröpfchen mit der Zeit vollständig trocknet. Außerdem setzten sich die alkalischen Komponenten, die aus dem Glas herausgelaugt worden sind, in Form eines Trockungsringes erneut auf der Glasoberfläche ab. Dieses getrockente alkalische Material macht nicht nur das Aussehen des Glases schlechter, sondern es hat zugleich die Tendenz, sich wieder aufzulösen, wenn die Glasoberfläche erneut naß wird, wobei es den pH-Wert des nächsten Wassertropfens, der auf der Glasoberfläche zusammenläuft, rasch erhöht.
Beim Aufbewahren und Verschicken von plattenförmigen Glas ist die Anwesenheit von Wasser auf der Oberfläche zwischen einander benachbarten Glasscheiben ein chronisches Problem. Man kann Maßnahmen ergreifen, um das Glas vor unmittelbarem Kontakt mit Wasser zu schützen. Wenn jedoch Glas in feuch ter Umgebung aufbewahrt wird, kann Wasser aus der Atmosphäre auf der Glasoberfläche kondensieren.
Dies wird noch problematischer, wenn große Glasstapel zusammengetragen werden. Große Stapel aus Glas besitzen eine verhältnismäßig große thermische Masse und brauchen viel Zeit, um sich zu erwärmen. Demzufolge sind sie häufig kühler aus die Umgebungsluft, wenn die Umgebungstemperatur steigt (beispielsweise am Morgen), und veranlassen Feuchtigkeit in der Luft, auf der Oberfläche des Glases zu kondensieren. Zufolge der beschränkten Luftzirkulation benötigt jede Feuchtigkeit, die zwischen den Glasscheiben kondensiert, eine beträchtliche Zeit, um zu trocknen. Dies gibt der kondensierten Feuchtigkeit die Gelegenheit, die alkalischen Komponenten aus dem Glas auszulaugen und die Glasoberfläche zu schädigen. Die Geschwindigkeit des Angriffs kann etwas verlangsamt werden, wenn man eine Säure auf die Oberfläche des Glases aufbringt. Dies erfolgt im allgemeinen durch Zugabe einer schwachen Säure, beispielsweise Adipinsäure, zu dem Trennmittel, welches dazu verwendet wird, die Glasscheiben daran zu hindern, aneinander zu kleben und gegeneinander zu kratzen.
Zahlreiche Versuche sind unternommen worden, um eine Glasscheibe dazu zu befähigen, längere Zeit ein sauberes Aussehen zu behalten. Ein Weg der gegenwärtigen Forschung besteht in einer "selbstreinigenden" Oberfläche für Glas und andere keramische Werkstoffe. Die Forschung auf diesem Gebiet gründet sich auf der Fähigkeit bestimmter Metalloxide, ultraviolettes Licht zu absorbieren und biologische Materialien, wie beispielsweise Öl, Pflanzenmaterie, Fette usw. photokatalytisch abzubauen. Das stärkste dieser photokatalytischen Metalloxide scheint Titandioxid zu sein, wenngleich andere Metalloxide, die diesen photokatalytischen Effekt zu besitzen scheinen, Oxide von Eisen, Silber, Kup fer, Wolfram, Aluminium, Zink, Strontium, Palladium, Gold, Platin, Nickel und Kobalt sind.
Während derartige photokatalytische Beschichtungen einen gewissen Vorteil bei der Entfernung von Material biologischen Ursprungs haben, ist ihre unmittelbare Wirkung auf andere Materialien unklar und scheint mit der Exposition gegenüber ultroviolettem Licht zu variieren. Demzufolge wird den oben erwähnten Schwierigkeiten, die mit Wasser auf der Oberfläche von derartigen beschichteten Gläsern zusammenhängen, durch derartige photokatalytische Beschichtungen nicht unmittelbar entgegengewirkt.
Zahlreiche Versuche sind unternommen worden, um die Wirkung von Wasser auf Glasoberflächien zu verringern, indem man das Wasser dazu veranlaßt, sich in kleine Tröpfchen aufzuperlen. Beispielsweise ist es aus US-PS 5,424,130 bekannt, eine Glasoberfläche mit einer auf Siliciumoxid basierenden Beschichtung, die Fluoralkylgruppen enthält, zu versehen. Hierfür soll ein Silicium-alkoxid-Anstrich auf die Oberfläche des Glases aufgebracht werden, wobei der Anstrich getrocknet wird und die getrocknete Farbe anschließend an der Luft eingebrannt wird. Es wird die Bedeutung des Ersatzes eines Teils der nichtmetallischen Atome, d. h., Sauerstoff in einer Schicht aus SiO₂, durch eine Fluoralkylgruppe hervorgehoben. Bis zu 1,5% der Sauerstoffatome sollen auf diese Weise ersetzt werden. Es wird angegeben, daß, wenn weniger als 0,1% der Sauerstoffatome durch eine Fluoralkylgruppe ersetzt werden, das Glas das Wasser nicht richtig abstoßen würde, weil der Kontaktwinkel zwischen Wasser und Glasoberfläche geringer als 80° sein würde.
Derartige "wasserabstoßende" Beschichtungen führen leicht dazu, daß Wasser an der Oberfläche von Glas sich in Perlen verteilt. Wenn die Beschichtung auf eine Automobil-Wind schutzscheibe oder dergleichen aufgebracht wird, wo eine konstante Strömung schnell bewegter Luft über die Oberfläche bläst, kann dieses Sich-aufperlen des Wassers dazu beitragen, Wasser von der Glasoberfläche zu entfernen, indem die Tröpfchen von der Oberfläche geblasen werden. Bei ruhigeren Anwendungen jedoch bleiben diese Tröpfchen auf der Oberfläche des Glases sitzen und verdampfen langsam. Demzufolge löst diese vermutete "wasserabstoßende" Beschichtung nicht die oben erwähnten, mit Wasser verbundenen Fleckbildungsprobleme. Im Gegenteil, durch Veranlassen, daß das Wasser leichter aufperlt, kann das Problem tatsächlich verschärft werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein beschichteter Gegenstand aus Glas mit einer Außenfläche, die periodisch der Berührung mit Wasser ausgesetzt ist, und einer Innenfläche vorgesehen, wobei die Außenfläche einen äußeren, Wasser zu einer zusammenhängenden Masse formenden Überzug trägt, der aus einer Graphit-Schicht von einer Dicke von 50 bis 100 Å gebildet und entweder unmittelbar auf die Außenfläche des Gegenstandes durch Sputtering aufgebracht oder auf einer durchsichtigen Grundschicht ausgebildet wird, die unmittelbar auf die Außenfläche des Gegenstandes aufgebracht wird, wobei der Überzug den Kontaktwinkel des Wassers auf der beschichteten Außenfläche auf unter 25° verringert und veranlaßt, daß Wasser, welches auf die beschichtete Außenfläche aufgebracht wird, zusammenläuft.
Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt die Glasfläche eine Innenfläche, die eine reflektierende Beschichtung trägt. Die reflektierende Beschichtung kann eine reflektierende Metallschicht und mindestens eine dielektrische Schicht umfassen.
Ein Verfahren zum Widerstandsfähigmachen einer Glasoberfläche gegenüber Verschmutzung und Fleckenbildung kann daraus bestehen, daß man zunächst eine Glasscheibe mit einer Innenoberfläche und einer Außenoberfläche herstellt. Die innere und äußere Oberfläche des Glases werden gesäubert. Danach wird die Innenoberfläche der Glasscheibe mit einem reflektierenden Überzug durch Sputtering überzogen, wobei nacheinander zunächst eine erste dielektrische Schicht, mindestens eine Metallschicht und mindestens eine zweite dielektrische Schicht aufgebracht werden. Die Außenoberfläche des Glases wird mit einer Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung versehen, indem man Kohlenstoff unmittelbar auf die Außenoberfläche der Glasplatte oder Glasscheibe sputtert. Gewünschtenfalls kann die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung mit derselben Sputter-Beschichtungsvorrichtung aufgebracht werden, wie sie zur Herstellung der reflektierenden Beschichtung verwendet wird. Bei geeigneter Auswahl des Materials können die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung und eine der dielektrischen Schichten der reflektierenden Beschichtung sogar in derselben Sputteringkammer in nichtoxidierender Atmosphäre aufgebracht werden. Gewünschtenfalls kann die Glasscheibe sowohl auf der Innenoberfläche als auch der Außenoberfläche beschichtet werden, während das Glas in einer konstanten Ausrichtung gehalten wird, in der die Innenoberfläche oberhalb der Außenoberfläche positioniert ist.
Es kann eine Sputtering-Linie vorgesehen werden, bei eine Reihe von Sputtering-Kammern angeordnet ist, die jede einen Träger für eine Glasscheibe aufweist. Mindestens eine der Sputtering-Kammern besitzt eine Sputtering-Kammer mit doppelter Ausrichtung, die eine obere Targetposition oberhalb des Trägers und eine untere Targetposition unterhalb des Trägers besitzt. Die Innen- und Außenoberfläche des Glases werden gereinigt und danach die Glasscheibe auf dem Träger in der Kammer für das Sputtering in zwei Richtungen derart angeordnet, daß die Innenoberfläche in Richtung auf das obere Target und die Außenfläche in Richtung auf das untere Target orientiert werden. Das obere Target wird gesputtert, um eine dielektrische Schicht abzuscheiden. Diese dielektrische Schicht kann unmittelbar auf die Innenoberfläche des Glases oder auf eine zuvor abgeschiedene Schicht eines Überzugsstapels auf der Innenoberfläche des Glases abgeschieden werden. Während die Glasscheibe in der Sputtering-Kammer für zwei Richtungen verbleibt, wird das untere Target gesputtert, um eine Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung auf der Außenschicht des Glases abzuscheiden. Bei einer möglichen bevorzugten Ausführungsform werden sowohl das obere Target als auch das untere Target in nichtoxidierender Atmosphäre innerhalb derselben Sputtering-Kammer gesputtert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematischer Querschnitt einer Glasscheibe mit einer Beschichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung;
1A ist ein schematischer Querschnitt einer Glasscheibe mit einer Beschichtung, die eine durchsichtige Grundschicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist;
2 ist eine Erläuterung einer Mehrscheiben-Isolierglaseinheit mit einer Wasser ablaufen lassenden Beschichtung gemäß der Erfindung, teilweise als Querschnittsansicht;
3 ist ein schematischer Querschnitt einer laminierten Fensterstruktur derart, wie sie gewöhnlich als Automobil-Windschutzscheibe verwendet wird, die eine Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung gemäß der Erfindung aufweist;
4 ist eine schematische Darstellung eines Sputtering-Kammer mit doppelter Sputtering-Richtung zur Verwendung bei der Herstellung eines Gegenstandes gemäß der Erfindung, und
5 ist eine schematische Darstellung einer Sputtering-Kammer mit doppelter Sputtering-Richtung in Form einer multiplen Zone zur Verwendung bei der Herstellung eines Gegenstandes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
EINZELBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 erläutert schematisch eine Glasscheibe, die ein Paar Beschichtungen gemäß einer nützlichen Ausführungsform der Erfindung trägt. Die Glasscheibe 10 umfaßt eine äußere Fläche 12 und eine innere Fläche 14. Die Bezeichnung "innere" und "äußere" Fläche in der nachfolgenden Erörterung ist etwas willkürlich. Es wird jedoch angenommen, daß in den meisten Fällen die äußere Fläche einer Umgebung ausgesetzt wird, in der sie in Kontakt mit Schmutz, Wasser und dergleichen tritt. Die Innenfläche kann auch derselben Art von Umgebung ausgesetzt sein. Bei den Ausführungsformen gemäß 2 und 3 ist diese "innere" Fläche tatsächlich geschützt, und eine zweite Glasscheibe steht zwischen dieser inneren Fläche und der Umgebung).
Für die Zwecke der Erfindung eignet sich eine Vielzahl von Substraten. In den meisten Fällen ist das Substrat plattenartig (beispielsweise besitzt es zwei allgemein einander gegenüberliegende Hauptoberflächen). Beispielsweise kann das Substrat eine Platte oder Scheibe aus durchsichtigem Material (d. h., eine durchsichtige Scheibe) sein. Beispielsweise können in einigen Fällen opake Substrate von Nutzen sein. Jedoch ist davon auszugehen, daß für die meisten Anwendungszwecke das Substrat ein durchsichtiges oder durchscheinendes Material, wie beispielsweise Glas oder klaren Kunststoff, umfaßt. In vielen Fällen ist das Substrat eine Glasscheibe. Die Glassubstrate 10, die sich zur Verwendung in Verbindung mit der Erfindung eignen, umfassen jegliche herkömmliche Glassubstrate, die dem Fachmann zur Herstellung von beschichteten Glasgegenständen bekannt sind. Ein typisches Glassubstrat, das bei der Herstellung von Fahrzeugfenstern und Plattenglas verwendet wird, wird allgemein als Kalk-Natron-Silicat-Glas bzeichnet. Andere geeignete Gläser können allgemein als Kalk-Alkali-Silicat-Glas, Borosilicat-Glas, Aluminosilicat-Glas, Boroaluminosilicat-Glas, Phosphat-Glas, geschmolzenes Siliciumoxid usw. sowie als Kombinationen davon bezeichnet werden. Eine bevorzugte Glasplatte oder -scheibe 10 wird aus Kalk-Natron-Silicat-Glas hergestellt.
Substrate verschiedener Größe können erfindungsgemäß verwendet werden. Gewöhnlich werden großflächige Substrate verwendet. Bestimmte Ausführungsformen sind durch ein Substrat gekennzeichnet, welches eine Breite von mindestens etwa 0,5 m, vorzugsweise mindestens etwa 1 m und insbesondere mindestens 1,5 m (beispielsweise zwischen etwa 2 und etwa 4 m) und in einigen Fällen mindestens etwa 3 m aufweist.
Substrate verschiedener Stärke können erfindungsgemäß verwendet werden. Üblicherweise werden Substrate (beispielsweise Glasscheiben) mit einer Stärke von etwa 1 bis 5 mm verwendet. Bestimmte Ausführungsformen sind durch ein Substrat mit einer Dicke von etwa zwischen 2,3 und etwa 4,8 mm und vorzugsweise von zwischen etwa 2,5 und etwa 4,8 mm gekennzeichnet. In einigen Fällen wird eine Glasscheibe (beispielsweise ein Kalk-Natron-Glas) mit einer Stärke von etwa 3 mm verwendet.
Die Innenfläche 14 des Glases 10 trägt eine reflektiertende Beschichtung 30. Wie der Fachmann erkennt, kann diese reflektierende Beschichtung je nach den gewünschten Eigenschaften eine beliebige gewünschte Form aufweisen. Eine große Vielzahl verschiedener derartiger Überzüge ist in der Technik bekannt, und die genauer Natur der reflektierenden Beschichtung 30 befindet sich außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
Wenn beispielsweise der Glasgegenstand als Spiegel verwendet werden soll, kann die Beschichtung 30 einfach eine verhältnismäßig starke Schicht aus einem reflektierenden Metall aufweisen. Gewünschtenfalls kann eine Schutzbeschichtung aus einem dielektrischen Material auf der Oberfläche des Metalls gegenüber dessen Kontaktfläche mit der Obefläche des Glases aufgebracht werden. Wie bekannt, trägt dies dazu bei, die Metallschicht vor chemischem und physiaklischem Angriff zu schützen. Man könnte ebenso eine beliebige Art von Spiegelbeschichtungen verwenden, die in der Technik bekannt sind und eine Schicht aus dielektrischem Material auf einer Seite einer reflektierenden Metallschicht umfassen; viele dichroitische Spiegel, die in der Fachwelt bekannt sind, besitzen eine derartige Sruktur.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist die reflektierende Beschichtung 30 als Infrarot-Strahlung reflektierende Beschichtung der Art, wie sie gewöhnlich bei Überzügen für Solarkontrolle mit niedrigem Emissionsvermögen verwendet wird, anzusehen. Typischerweise umfassen derartige Überzüge eine Metallschicht, die sandwichartig zwischen einem Paar dielektrischer Schichten angeordnet ist. Diese Struktur kann wiederholt werden, um die Infrarot-Licht reflektierenden Eigenschaften des Überzugsstapels weiter zu erhöhen.
Ein Beispiel für einen nützlichen, Infrarot-Strahlung reflektierenden Überzugsstapel ist in US-PS 5,302,449 von Eby et al. beschrieben.
Der Überzugsstapel 30 gemäß 1 umfaßt eine Grundbeschichtung 32, die eine oder mehrere Schichten aus dielektrischen Materialien umfassen kann. Beispielsweise kann diese Grundbeschichtung 32 Zinkoxid umfassen, welches in einer Stärke von etwa 150 bis 275 Å aufgebracht ist. Eine erste Metallschicht 34 kann unmittelbar auf die Oberfläche dieser Grundbeschichtung 32 aufgebracht werden. Dieses Metall kann beispielsweise Silber sein, welches mit einer Stärke von etwa zwischen 100 und etwa 150 Å aufgebracht wird. Eine zweite dielektrische Schicht 38 kann über der ersten Metallschicht 34 aufgebracht werden. Die Stärke dieser dielektrischen Schicht 38 hängt mindestens teilweise davon ab, ob eine zweite Metallschicht 40 in den Überzugsstapel einbezogen wird. In einem Überzugsstapel mit zwei Metallschichten, wie dargestellt, kann diese zweite dielektrische Schicht 38 typischerweise eine verhältnismäßig dicke Schicht aus einem Metalloxid sein, wie beispielsweise Zinkoxid in einer Stärke von 700 bis 750 Å. Gewünschtenfalls kann eine verhältnismäßig dünne Opferschicht 36 zwischen der Metallschicht 34 und der dielektrischen Schicht 38 aufgebracht werden. Dies trägt dazu bei, die Metallschicht 34 während der Abscheidung der dielektrischen Schicht 38 durch Sputtering zu schützen. Die Opferschicht 36 kann beispielsweise eine Schicht aus metallischem Titan sein, die in einer Stärke von 25 Å oder darunter aufgebracht wird. Dieses metallische Titan wird während der Abscheidung eines dielektrischen Metalloxids 38 "aufopfernd" oxidiert, wobei es Schaden an der darunterliegenden Silberschicht 34 in Grenzen hält.
Bei dem erläuterten Überzugsstapel ist eine zweite Metallschicht 40 über der zweiten dielektrischen Schicht 38 angeordnet. Die zweite Metallschicht 40 besteht normalerweise aus demselben Material wie die erste Metallschicht 34. Beispielsweise kann die zweite Metallschicht 40 aus Silber in einer Stärke von etwa 125–175 Å bestehen. Wiederum kann eine Opferschicht 42 aus Titan oder dergleichen über der Metallschicht 40 aufgebracht werden, um die Metallschicht während der anschließenden Abscheidung der darüberliegenden Dielektrika 44 und 46 zu schützen. Eine dritte dielektrische Schicht 44 wird über der Opferschicht 42 aufgebracht. Diese dielektrische Schicht 44 kann auch ein Metalloxid sein, beispielsweise Zinkoxid in einer Stärke von etwa 250–300 Å. Gewünschtenfalls kann eine Überzugsschutzschicht 46 aus einem anderen dielektrischen Material über die dielektrische Schicht 44 aufgebracht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann diese Überzugsschicht 46 eine Schicht aus Si₃N₄ in einer Stärke von 50–60 Å sein.
Die Wasser zum Zusammenlaufen bringende Beschichtung 20 gemäß der Erfindung umfaßt zweckmäßigerweise Kohlenstoff, der unmittelbar auf die äußere Oberfläche 12 des Glases 10 abgeschieden wird. Während eine stark ins Einzelne gehende Oberflächenanalyse nicht durchgeführt worden ist, so nimmt man dennoch an, daß die Oberfläche der Kohlenstoffbeschichtung verhältnismäßig hart und glatt ist. Wegen des Fehlens der detaillierten Analyse ist die genaue Stärke der Kohlenstoffüberzüge, die sich als beträchtliche funktionelle Verbesserung erwiesen haben, nicht bekannt. Aus Informationsberichten betreffend die Sputtering-Geschwindigkeiten von Kohlenstoff und den bekannten Leistungs- und Glasgeschwindigkeiten, die bei der Herstellung dieser Beschichtungen angewandt wurden, ist es aber möglich, eine qualifizierte Abschätzung dieser Stärken vorzunehmen und eine Überzeugung bezüglich der Stärken, die gute Ergebnisse erzielen lassen, auszubilden. Die Beschichtung 20 sollte eine Dicke von etwa zwischen 50 und etwa 100 Å aufweisen. Eine bevorzugte Art, in der diese Beschichtung 20 auf die äußere Oberfläche 12 des Glases 10 aufgebracht wird, wird im einzelnen weiter unten erörtert.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht in der Schaffung von Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtungen der äußeren Oberfläche mit einer durchsichtigen Grundschicht, wie in 1A gezeigt. Die durchsichtige Grundschicht 22 soll einen besonderen Nutzen für wärmebehandelbare Beschichtungen von niedrigem Emissionsvermögen haben. Beispielsweise wurde gefunden, daß die Aufbringung einer durchsichtigen Grundschicht 22 auf die äußere Glasoberfläche 12 die Rauheit der Oberfläche glättet und winzige Risse in Nanogröße verringert oder beseitigt, wodurch das Anhaften einer Wasser zum Zusammenlaufen bringenden Beschichtung 20 an dem Substrat 10 verbessert wird. Außerdem wurde gefunden, daß die Aufbringung einer durchsichtigen Grundschicht 22 auf das Substrat 10 vor dem Aufbringen der Wasser zum Zusammenlaufen bringenden Beschichtung 20 das Substrat versiegelt und die Möglichkeit der Natrium-Korrosion der Beschichtung verhindert.
Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt die durchsichtige Grundschicht 22 nicht einen beträchtlichen unmittelbaren Einfluß auf die optische Funktion der Überzugsschichten, die darüber abgeschieden werden. Das heißt, daß das Vorhandensein der Grundschicht 22 selbst in dem beschichteten Endprodukt keinen wesentlichen Einfluß auf die optischen Eigenschaften des beschichteten Produktes besitzt. Jedoch liefert die Grundschicht 22 eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschlechterung (beispielsweise Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften) der Überzugsstapel, in die sie eingearbeitet ist. So kann die Grundschicht 22 aus einem Material gebildet werden, welches einen Brechungsindex aufweist, der dem des Substrates nahekommt, auf das die Grundschicht aufgebracht wird. Vorzugsweise besteht die Grundschicht aus einem Material mit einem Brechungsindex, der gleich demjenigen oder praktisch gleich demjenigen des Barunterliegenden Substrates ist. In vielen Fällen wird das Substrat aus einem Material gebildet, welches einen Brechungsindex von zwischen etwa 1,35 und etwa 1,65, noch häufiger zwischen etwa 1,4 und etwa 1,55, aufweist. In diesen Fällen kann die Grundschicht aus einem Material mit einem Brechungsindex von weniger als etwa 1,7, vorzugsweise weniger als 1,55 und insbesondere weniger als etwa 1,65 ausgebildet werden. Jedoch ist es in diesen Fällen noch mehr bevorzugt, die Grundschicht aus einem Material mit einem Brechungsindex von zwischen etwa 1,35 und etwa 1,65 oder zwischen etwa 1,4 und etwa 1,55 auszubilden.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist die Grundschicht 22 ein amorpher Überzug. In vielen Fällen wird angenommen, daß es von Vorteil ist, die Grundschicht 22 aus einem Überzug auszubilden, der so amorph wie möglich ist. Beispielsweise ist eine Grundschicht 22 aus Siliciumdioxid besonders bevorzugt. Eine amorphe Grundschicht 22 dieser Art kann mit Vorteil durch Sputtering abgeschieden werden, wie weiter unten beschrieben. Während ein praktisch amorpher Überzug (beispielsweise Siliciumnitrid) bei manchen Ausführungsformen verwendet werden kann, ist die Grundschicht 22 vorzugsweise ein praktisch nicht kristalliner Überzug. Während Siliciumdioxid im einzelnen als bevorzugtes amorphes Material beschrieben wird, kann der Fachmann den Wunsch haben, andere amorphe Materialien zur Verwendung als Grundschicht 22 auszuwählen.
Wie oben erwähnt, umfaßt bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung die Grundschicht Siliciumdioxid. Siliciumdi oxid besitzt typischerweise einen Brechungsindex von etwa 1,4. Natürlich können andere Materialien mit einem Brechungsindex von etwa zwischen 1,35 und 1,65 oder bevorzugt zwischen etwa 1,4 und 1,55 ebensogut verwendet werden. Beispielsweise kann der Fachmann andere Materialien mit geeigneten Brechungsindices auswählen. Jedoch ist die Grundschicht 22 unabhängig von dem ausgewählten Material vorzugsweise aus praktisch unporösem Material gebildet. Außerdem wird die Grundschicht 22 vorzugsweise aus einem Material gebildet, welches gut an dem gewünschten Substrat anhaftet.
Die vorliegende Grundschicht 22 ist vielleicht von größtem Vorteil, wenn sie in Verbindung mit einem Substrat verwendet wird, welches korrosionsempfindlich ist (beispielsweise durch Exposition gegenüber Feuchtigkeit). Beispielsweise kann das Substrat eine Glasscheibe sein. Die verschiedensten Arten Glas können verwendet werden, wenngleich Kalk-Natron-Glas vielleicht das am meisten bevorzugte ist. Kalk-Natron-Glas besitzt typischerweise einen Brechungsindex von zwischen etwa 1,4 und etwa 1,55.
Die Grundschicht 22 wird vorzugsweise unmittelbar auf eine Oberfläche 12 des Substrates 10 abgeschieden. Wie oben erwähnt, wird angenommen, daß Kalk-Natron-Glas das bevorzugte Substrat für viele Anwendungszwecke ist. Es ist wohlbekannt, daß Kalk-Natron-Glas in großem Maße aus Siliciumdioxid hergestellt wird. Somit wird bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen eine Grundschicht 22 aus Siliciumdioxid unmittelbar auf eine Scheibe aus Kalk-Natron-Glas aufgebracht. Bei Ausführungsformen dieser Art ist die erhaltene Bindung zwischen dem Siliciumdioxid und dem Glas nach verbreiteter Ansicht außerordentlich stark. Demzufolge ist Siliciumdioxid ein besonders bevorzugtes Material für die Grundschicht 22, da es unwahrscheinlich ist, daß es von dem Substrat während der nachfolgenden Verarbeitung oder während des nachfolgenden Gebrauches delaminiert wird.
Die durchsichtige Grundschicht 22 besitzt zweckmäßigerweise eine Stärke von mindestens etwa 25 Å. Beispielsweise kann die Grundschicht 22 eine Stärke von etwa zwischen etwa 25 und etwa 100 Å aufweisen. Besonders gute Ergebnisse sind erzielt worden, wenn man Siliciumdioxid-Grundschichten in diesen Stärkebereichen verwendete. Da der Brechungsindex der durchsichtigen Grundschicht etwa derselbe ist wie der des Substrates, kann die Grundschicht in einen Überzugsstapel auf dem Substrat in praktisch jeder Stärke eingebracht werden, ohne daß die sichtbare Durchlässigkeit, Reflektion oder Farbe des beschichteten Substrates wesentlich verändert wird. Demzufolge besitzt diese Schicht keine strenge maximale Stärke.
Jedoch ist es zeit- und kostenwirksam, die Stärke der Grundschicht auf ein Minimum herabzudrücken. Dies ist besonders der Fall, wenn die Grundschicht 22 aus gesputtertem Siliciumdioxid besteht (zufolge der geringen Sputtering-Geschwindigkeit von Siliciumdioxid). Die Herstellung einer starken gesputterten Siliciumdioxid-Grundschicht würde eine nicht annehmbare Länge der Verfahrensdauer bedeuten und entweder eine nicht annehmbare große Anzahl von Sputtering-Kammern (das heißt, eine unannehmbar lange Sputtering-Linie) oder eine unannehmbar geringe Substratgeschwindigkeit (was eine unannehmbare Wirkung auf den Durchsatz haben würde) erfordern. Außerdem erhöht sich die Spannung in der Grundschicht 22 typischerweise mit zunehmender Stärke dieser Schicht 22. Während dies weniger wichtig sein mag, wenn die Grundschicht 22 aus gesputtertem Siliciumdioxid gebildet wird (da gesputtertes Siliciumdioxid nicht dazu neigt, eine besonders hohe Spannung zu entwickeln), läßt sich doch einiger Vorteil durch die Anwesenheit geringer Spannung durch Minimieren der Stärke erzielen. Überraschenderweise wurden gute Ergebnisse erzielt, wenn eine durchsichtige Grundschicht 22 in einer Stärke von weniger als 100 Å und selbst in einer Stärke von weniger als etwa 90 Å (beispielsweise etwa 50 bis 70 Å) verwendet wurde. Grundschichten 22 aus Silliciumdioxid ergeben beispielsweise in diesen Stärken gute Resultate.
Bei bestimmten, besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist die durchsichtige Grundschicht 21 ein aufgesputteter Überzug. Gesputterte Überzüge besitzen eine außergewöhnliche Glattheit und Dickengleichmäßigkeit. Beide Eigenschaften sind für ein verbessertes Anhaften von zusätzlichen Überzügen, die auf die Grundschicht 22 aufgesputtert werden, von großer Bedeutung. Im einzelnen fördert eine niedrige Oberflächenrauheit einer gesputterten Grundschicht 22 eine besonders gute Dickengleichmäßigkeit der darüberliegenden Überzüge. Gesputterte Siliciumdioxid-Grundschichten sind besonders von Vorteil, da sie dazu neigen, eine sehr erwünschte amorphe Struktur aufzuweisen. Sputtering-Techniken und -ausrüstungen sind in der Fachwelt wohlbekannt. Beispielsweise sind Sputtering-Kammern mit einem Magnetron und dazugehörige Ausrüstungsteile von vielen Bezugsquellen im Handel erhältlich (beispielsweise von Leybold und BOC Coating Technology). Nützliche Magnetron-Sputtering-Techniken und -ausrüstungen sind außerdem in US-PS 4,166,018 von Chapin beschrieben.
Zum Aufbringen der durchsichtigen Grundschicht 22 können herkömmliche Sputtering-Techniken und -ausrüstungen mit einem Magnetron verwendet werden. Wie oben erwähnt, kann die Grundschicht 22 vorteilhafterweise aus Siliciumdioxid abgeschieden werden. Beispielsweise könnte diese Schicht 22 durch Sputtering von Silicium-Targets in einer inerten Atmosphäre abgeschieden werden. Jedoch kann es äußerst schwierig sein, Siliciumdioixd-Targets zuverlässig zu sputtern. Dies ist deswegen der Fall, weil Targets als Kathoden bei einem herkömmlichen Sputtering-Verfahren mit Magnetron verwendet werden und weil Siliciumdioxid ein schlechter Leiter ist. Demzufolge ist es bevorzugt, Siliciumdioxid abzuscheiden, indem man Targets verwendet, die metallisches Silicium statt Siliciumdioxid enthalten. Das tatsächlich auf dem Substrat abgeschiedene Material kann durch Verwendung einer Sputtering-Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, zu Siliciumdioxid umgewandelt werden.
Die Siliciumtargets werden vorzugsweise nicht aus reinem Silicium gebildet. Vielmehr enthalten die Targets vorzugsweise eine Verbindung aus Silicium und Aluminium oder einem anderen elektrisch leitenden Material. Reine Silciumtargets lassen sich in einer konsistenten, kontrollierten Weise schlecht sputtern, weil Silicium ein Halbleiter ist. Demzufolge wird ein Teil des Siliciumdioxids (welches nicht leitend ist), das emittiert wird, wenn reine Siliciumtargets gesputtert werden, erneut auf der Targetoberfläche sowie auf den Anoden und umgebenden Abschirmungen in der Sputtering-Kammer abgeschieden. Das kann den Stromfluß beeinträchtigen, was seinerseits die Bildung eines Lichtbogens hervorrufen kann, wenn das Sputtering fortgesetzt wird. Um die Entstehung eines Lichtbogens zu vermindern, ist es somit bevorzugt, daß die Targets zwischen etwa 5 und 15% Aluminium oder ein anderes elektrisch leitendes Material enthalten. Silicium/Aluminium-Targets sind von einer Reihe bekannter Anbieter im Handel erhältlich, wie beispielsweise von Bekaert VDS nv aus Deinze, Belgien.
Die Atmosphäre in der Sputtering-Kammer kann variiert werden, um eine optimierte Sputtering-Geschwindigkeit zu erzielen. Eine oxidierende Sputtering-Atmosphäre wird vorzugsweise in solchen Fällen verwendet, bei denen Silicium- oder Silicium/Aluminium-Targets verwendet werden. Natürlich braucht in diesen Fällen die Sputtering-Atmosphäre nicht aus reinem Sauerstoff zu bestehen. Im Gegenteil, ein Gemisch aus Sauerstoff und Inertgas (beispielsweise Argon) führt dazu, daß die Sputtering-Geschwindigkeit erhöht wird. Beispielsweise wird angenommen, daß eine Sputtering-Atmosphäre aus Sauerstoff und bis etwa 40% Argon (vorzugsweise 0 bis 20% Argon), die bei einem Druck von 3 × 10^–3 mbar gehalten wird, ausreicht. Die Leistung, mit der jedes Target betrieben wird, wird vorzugsweise optimiert, um eine Bildung von Lichtbögen zu verhindern und doch die Sputtering-Geschwindigkeit zu maximieren. Leistungshöhen von bis zu 80 kW je Target sollen gute Ergebnisse liefern.
Eine Herstellungsanordnung, die zu guten Ergebnissen geführt hat, besteht aus drei rotierenden Sputtering-Targets aus Silicium, welches mit etwa 5 bis 15% Aluminium dotiert ist (d. h., zwischen etwa 95% Silicium/etwa 5% Aluminium und etwa 85% Silicium/etwa 15% Aluminium enthält), wobei jedes Target mit einer Leistung von etwa 42 kW betrieben wird. Die Atmosphäre in der Sputtering-Kammer kann 100% Sauerstoff bei einem Druck von etwa 2,5 bis 4,5 mTorr enthalten. Alternativ kann eine Atmosphäre verwendet werden, die etwa 80% Sauerstoff und etwa 20% Argon bei einem Druck von etwa 3 × 10^–3 mbar enthält. Das Substrat kann an den Sputtering-Targets vorbei mit einer Geschwindigkeit von 2,54 bis 12,7 m/min (100 bis 500 Zoll je Minute) geführt werden. Natürlich können die genauen Betriebsbedingungen (beispielsweise die Substratgeschwindigkeit, die Leistung, die Zusammensetzung des Plasmas, die Zusammensetzung des Targets usw.), unter denen eine Siliciumdioxid-Grundschicht 22 aufgebracht werden kann, nach Wunsch verändert werden, um die Abscheidung dieser Schicht 22 mit unterschiedlicher Stärke zu optimieren. Unter Anleitung durch die angegebene Lehre kann der Fachmann die Betriebsbedingungen leicht aus wählen und in geeigneter Weise abwandeln, um eine Siliciumdioxid-Grundschicht von unterschiedlicher Dicke aufzubringen.
Bei einem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung kann somit eine Siliciumdioxid-Grundschicht 22 dadurch abgeschieden werden, daß man ein Glassubstrat 10 unter einer Anzahl von Silicium/Aluminium-Targets hindurchfährt, während man die Targets in einer oxidierenden Atmosphäre sputtert. Gewünschtenfalls kann diese Atmosphäre im wesentlichen aus Sauerstoff und Inertgas bestehen. Wenngleich dies keinesfalls erforderlich ist, haben Sputtering-Atmosphären dieser Art zu guten Ergebnissen geführt. Eine Grundschicht 22, die nach einem derartigen Verfahren abgeschieden worden ist, sollte im wesentlichen aus Siliciumdioxid und einer geringen Menge Aluminium (oder einem anderen Metall, das in den Targets vorhanden ist, um ihre Leitfähigkeit zu erhöhen) bestehen, zumindestens dann, wenn sie zu Anfang abgeschieden wird. Als nächstes wird die Wasser zum Zusammenlaufen bringende Beschichtung 20 abgeschieden, indem man ein Glassubstrat 10 unter einer Anzahl Graphit-Targets vorbeiführt, während die Targets in einer inerten Atmosphäre, beispielsweise aus Argon, gesputtert werden. 1A zeigt eine besonders bevorzugte Beschichtung gemäß der Erfindung.
In dem Überzugsstapel, der in 1A dargestellt ist, wird die durchsichtige Grundschicht 22 unmittelbar auf dem Glassubstrat 10 ausgebildet. Auf die Grundschicht 22 wird eine zweite Schicht 20 abgeschieden, die einen oder mehrere Graphitüberzüge enthalten kann.
2 ist eine schematische Erläuterung einer Mehrscheiben-Isolierglaseinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Isolierglaseinheiten sind in der Technik wohlbekannt und brauchen deshalb hier nicht im einzelnen erörtert zu werden. Kurz sei jedoch gesagt, daß eine derartige Isolierglaseinheit allgemein zwei Scheiben aus Glas 10, 100, die von einem Abstandshalter 110 in einem Abstand voneinander gehalten werden, umfaßt. Bei dieser Ausführungsform wird die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung 20, die von der äußeren Oberfläche des Glases 10 getragen wird, in der Richtung weg von der zweiten Glasscheibe 100 angeordnet, während die reflektierende Beschichtung 30, die von der inneren Fläche des Glases 10 gehalten wird, in Richtung auf die zweite Glasscheibe 100 angeordnet wird. Der Abstandshalter 110 ist an einer Seite an die Innenfläche 102 der zweiten Glasscheibe 100 und an der anderen Seite an die erste Glasscheibe 10 gebunden. Wie dem Fachmann bekannt, kann der Abstandshalter unmittelbar mit der Innenoberfläche 14 des Glases 10 verbunden sein, oder die reflektierende Beschichtung 30 kann sich nach außerhalb an die Ränder des Glases 10 erstrecken und der Abstandshalter unmittelbar an diese Beschichtung 30 gebunden werden.
Typischerweise wird der Abstandshalter aus Metall oder dergleichen hergestellt und enthält in seinem Inneren ein Trocknungsmittel 112. Dieses Trockungsmittel wird mit dem Gas in dem Zwischenscheibenraum 115 in Berührung treten gelassen, um Feuchtigkeit, die zwischen die Scheiben des Glases eindringen kann, zu entfernen. Eine äußere Abdichtung 114 kann rund um den äußern Umfang des Abstandshalters 110 angeordnet sein, um einem zuverlässige Gas- und Feuchtigkeitssperre auszubilden.
Bei einer Abwandlung der in 2 dargestellten Struktur ist eine Wasser zum Zusammenlaufen führende Beschichtung (nicht dargestellt) praktisch die gleiche wie die oben für die Beschichtung 20 von 1 beschriebene und kann auf der äußeren Oberfläche 104 der zweiten Glasscheibe 100 auf gebracht sein. Diese Beschichtung kann entweder statt der oder zusätzlich zu der Beschichtung 20 verwendet werden, die auf der äußeren Oberfläche der ersten Scheibe 10 dargestellt ist. Daher beträgt bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform die äußere Oberfläche 12 der ersten Glasscheibe 10 eine Wasser zum Zusammenlaufen bringende Beschichtung gemäß der Erfindung; die innere Oberfläche 14 der ersten Glasscheibe trägt eine aus mehreren Schichten bestehende Infrarotlicht reflektierende Beschichtung 30; die innere Oberfläche 102 der zweiten Glasscheibe 100 besitzt keine sekundäre Beschichtung; und die äußere Oberfläche 104 der zweiten Glasscheibe trägt eine zweite Wasser zum Zusammenlaufen bringende Beschichtung, die praktisch die gleiche ist wie die Beschichtung 20 auf der äußeren Oberfläche der ersten Scheibe.
3 erläutert eine weitere Anwendung für einen beschichteten Glasgegenstand gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Glasscheibe 10 an eine zweite Glasscheibe 100 durch eine dazwischen angeordnete reißfeste Kunststoffolie 130 unter Ausbildung einer laminierten Struktur gebunden. Derartige laminierte Fensterstrukturen sind auf dem Gebiet der Automobilfenster wohlbekannt. Typischerweise nimmt diese Kunststoffolie 130 die Form einer relativ dicken Schicht aus Polyvinylbutyral oder dergleichen ein, die durch Wärmeeinwirkung mit den anderen beiden Glasscheiben verschmolzen wird. Gewünschtenfalls kann die Beschichtung 30 weggelassen werden. Vorzugsweise jedoch umfaßt der reflektierende Überzug 30 einen temperbaren Infrarotstrahlung reflektierenden Überzug. Eine Vielzahl derartiger Überzüge sind dem Fachmann bekannt, und die genaue Natur eines derartigen Überzuges liegt außerhalb des Umfanges der Erfindung, jedoch kann jeder beliebige geeignete temperbare Überzug 30 verwendet werden.
Wie oben erwähnt, wird die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung zweckmäßigerweise durch Sputtering aufgebracht – wie auch die reflektierende Beschichtung 30, wenn sie vorhanden ist. Diese getrennten Beschichtungen können unter Verwendung herkömmlicher Sputtering-Ausrüstungen durch Aufbringen der beiden Beschichtungen in getrennten Durchläufen durch eine Sputtering-Linie hergestellt werden. Beispielsweise kann vor der Aufbringung der reflektierenden Beschichtung die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung 20 gemäß der Erfindung auf die äußere Oberfläche des Glases dadurch aufgebracht werden, daß die Oberfläche des Glases unter einem Kohlenstoff enthaltenden Target in einer nichtoxidierenden Sputtering-Atmosphäre angeordnet wird. Danach kann eine aus mehreren Schichten bestehende reflektierende Beschichtung unter Verwendung einer Reihe von Sputtering-Kammern in herkömmlicher Weise aufgebracht werden, wobei jede Kammer derart eingerichtet ist, daß sie eine oder mehrere spezifische Schichten des gewünschten Überzugsstapels aufsputtert.
4 erläutert schematisch eine Sputtering-Kammer mit doppelter Ausrichtung. Sputtering-Kammern mit einem Magnetron sind dem Fachmann wohlbekannt und aus verschiedenen Quellen im Handel erhältlich. Während eine gründliche Erörterung derartiger Sputtering-Kammern mit Magnetron außerhalb des Umfanges der vorliegenden Offenbarung liegt, ist eine relativ nützliche Struktur eines derartigen Gerätes aus US-PS 5,645,699 von Sieck bekannt.
Allgemein gesagt, besteht ein Sputtering mit Magnetron darin, daß ein Target aus einem Metall oder Dielektrikum gebildet wird, welches auf dem Substrat abzuscheiden ist. Dieses Target wird mit einer negativen Ladung versehen, und neben dem Target wird eine relativ positiv geladene Anode angeordnet. Durch Einführung einer verhältnismäßig geringen Menge eines gewünschten Gases in die Kammer neben dem Target kann ein Plasma dieses Gases erzeugt werden. Atome in diesem Plasma stoßen mit dem Target zusammen, wobei Targetmaterial aus dem Target herausgeschossen und auf das zu beschichtende Substrat gesputtert wird. Außerdem ist dem Fachmann bekannt, einen Magneten hinter dem Target anzuordnen, um das Plasma zu formen und es in einem Gebiet in der Nähe der Oberfläche des Targets zu fokussieren.
Gemäß 4 wird eine Glasscheibe 10, die beschichtet werden soll, auf einer Anzahl von Trägerwalzen 210 angeordnet, die längs der Länge der Sputtering-Kammer 200 im Abstand voneinander vorgesehen sind. Während der genaue Abstand zwischen diesen Walzen 210 aus weiter unten näher erläuterten Gründen variiert werden kann, ist es zweckmäßig, daß diese Walzen mindestens längs einer Zwischenstrecke der Kammer 200 etwas weiter voneinander angeordnet werden, um die wirksame Beschichtungsfläche von dem unteren Target 260 zu erhöhen.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Glasscheibe 10 derart angeordnet, daß sie waagerecht über diese Walzen, beispielsweise von links nach rechts, wandert. Die innere Oberfläche 14 des Glases ist nach oben gerichtet, während die äußere Oberfläche des Glases nach unten gerichtet ist und auf den Walzen 210 ruht. (Während dies vermutlich die typischste Konfiguration ist, muß darauf hingewiesen werden, daß die relative Anordnung des Glases innerhalb der Sputtering-Kammer 200 ausgetauscht werden kann, solange die relativen Positionen der oberen Targets 200 und des unteren Targets 260 ebenfalls ausgetauscht werden. Demzufolge ist zu bemerken, daß die Bezeichnung dieser Targets als "obere" oder "untere" lediglich zur Vereinfachung erfolgt und die relative Anordnung dieser Elemente innerhalb der Sputtering-Kammer gewünschtenfalls leicht umgekehrt werden kann).
Die Sputtering-Kammer 200, die in 4 dargestellt ist, umfaßt zwei voneinander im Abstand angeordnete obere Sputtering-Targets 220a und 220b. Während diese Targets planare Targets sein können, sind sie als sogenannte rotierende oder zylindrische Targets dargestellt. Diese Targets sind allgemein parallel zueinander angeordnet, wobei sich eine Vielzahl von Anoden 230 horizontal und allgemein parallel zu diesen Targets erstreckt. Wie gemäß US-PS 5,645,699 vorgeschlagen, kann eine Zwischenanode 230 ebenfalls zwischen diesen beiden Targets angeordnet sein.
Um das Sputtering-Gas in die Kammer neben den Targets 220a und 220b einzuleiten, wird ein Gasverteilungssystem verwendet. Während eine Anzahl von Gasverteilungssystemen dem Fachmann bekannt ist, kann dieses Verteilungssystem einfach ein Paar Röhren 235 umfassen, die eine Anzahl von voneinander beabstandeten Öffnungen oder Düsen aufweisen, die allgemein in Richtung auf das Target angeordnet sind.
Die Verwendung von Mehrfach-Targets, die über einem Glassubstrat in einer Sputtering-Kammer mit einem Magnetron angeordnet sind, ist auf dem Fachgebiet ziemlich üblich. Jedoch ist der einzige Aspekt der in 4 dargestellten Sputtering-Kammer 200 das Vorhandensein des "unteren" Targets 260. Dieses Target ist dasjenige, welches dazu verwendet wird, die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung 20 gemäß der Erfindung unmittelbar auf die äußere Oberfläche 12 des Glases aufzusputtern. Wie es bei den oberen Targets 220a und 220b der Fall ist, ist das untere Target 260 mit mindestens einer und vorzugsweise zwei Anoden 270 in hinreichender Nachbarschaft versehen, um ein stabiles Plasma zu erzeugen. Die Gasverteilungsleitungen 235, die neben den oberen Targets 220a und 220b dargestellt sind, sind von dem unteren Target 260 unzweckmäßig weit entfernt, und die in der Mitte vorhandene Glasscheibe 10 teilt die Sputte ring-Kammer 200 in zwei getrennte funktionale Bereiche auf. Demzufolge ist es bevorzugt, getrennte Gasverteilungsrohre 275 vorzusehen, die unterhalb des Glases neben dem unteren Target 260 angeordnet sind, um eine konsistente Gasversorgung für das Plasma neben dem Target sicherzustellen. Gewünschtenfalls können die unteren Rohre 275 und die oberen Rohre 235 Teil desselben Gasverteilungssystems sein, d. h., beide Arten von Röhren können an eine einzige Gasversorgung angeschlossen sein.
Die Art des Gases, das durch die unteren Rohre 275 heranbefördert wird, hängt mindestens zum Teil von der Art des zu sputternden Targets 260 ab. Beim herkömmlichen Sputtering mit Magnetron muß das Target als Kathode dienen. Es versteht sich, daß beim Aufbringen einer Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung 20 gemäß der Erfindung ein Graphit-Target in nichtoxidierender (und vorzugsweise anaerober) Atmosphäre gesputtert wird. Graphit ist verhältnismäßig leitfähig und fest und steif, was ihm geeignete mechanische Eigenschaften verleiht, um als Targetmaterial zu dienen. Selbst dann ist es wahrscheinlich, daß bei der großtechnischen Herstellung das Target eine Metallstütze benötigt, die eine Graphit-Sputtering-Schicht trägt. Rotierende Targets zur Verwendung gemäß der Erfindung können aus einer hohlen Stützröhre aus Metall bestehen, (die aus rostfreiem Stahl hergestellt sein kann) und auf die eine Kohlenstoffschicht abgeschieden worden ist, beispielsweise durch Plasmasprühen in nichtoxidierender (und vorzugsweise leicht redizierender) Atmosphäre oder durch Sintern von Graphitpulver. Die Kohlenstoffschicht ist im folgenden zeitweise als "Graphit"überzug bezeichnet, jedoch muß darauf hingewiesen werden, daß der Kohlenstoff jede andere kristalline oder amorphe Form annehmen kann, solange er richtig sputtert und eine geeignete Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung 20 auf Kohlenstoffgrundlage gemäß der Erfindung bildet. Je doch ist die Wasser zusammenlaufende Beschichtung 20 auf Kohlenstoffbasis vorzugsweise aus nicht-hydriertem Graphit zusammengesetzt. Darüber hinaus ist die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung auf Kohlenstoffgrundlage allgemein aus etwa mehr als 70% Graphit, vorzgusweise mehr als etwa 85% Graphit und insbesondere mehr als etwa 90% Graphit zusammengesetzt. Es ist allgemein bekannt, daß Graphit aus Kohlenstoff besteht, der vorherrschend trigonal planare (sp²)-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufweist. Derartige Beschichtungen sind allgemein hydrophil und fördern daher das Zusammenlaufen von Wasser während des Kontaktes des Wassers mit der Beschichtungsoberfläche.
Während die aufeinanderfolgenden Glasscheiben 10 wirksam die Sputtering-Kammer aufteilen, schließt dies nicht aus, daß Gas, welches in einem Bereich der Kammer eingeführt worden ist, sonst wohin in die Kammer wandert. So wie es bevorzugt ist, das das untere Target 260 ein Graphit-Target ist, das in einer nichtoxidierenden Atmosphäre gesputtert wird, so ist es bevorzugt, daß das Sputtering der oberen Targets 220a und 220b nicht beträchtliche Mengen an Sauerstoff in dem Sputtering-Plasma erforderlich macht, um die gewünschte Beschichtungszuammensetzung abzuscheiden. Dies kann die Verwendbarkeit dieser Sputtering-Kammer 200 mit doppelter Ausrichtung zur Abscheidung einer Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung 20 auf einer Seite der Glasscheibe und des Sputterns eines metallischen Targets in einer stark oxidierenden Atmosphäre für die Abscheidung eines dielektrischen Metalloxids auf der anderen Oberfläche einschränken.
Von größerem Vorteil ist es, daß die doppelte Ausrichtung der Sputtering-Kammer gemäß 4 dafür verwendet werden kann, eine dielektrische Schicht auf der Innenoberfläche 14 des Glases und die Wasser zusammenlaufende lassende Be schichtung 20 auf Kohlenstoffgrundlage auf der äußeren Oberfläche 12 des Glases in einer einzigen Kammer abzuscheiden. Das gesputterte Dielektrikum kann ein Metalloxid sein.
Wie sich aus einigen der weiter unten angegebenen Versuchsbeispiele ergibt, ist es bevorzugt, die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung 20 auf Kohlenstoffgrundlage gemäß der Erfindung unter Verwendung einer nichtoxidierenden Atmosphäre aus vorzugsweise Argon oder Stickstoff aufzubringen. Gewünschtenfalls kann die Kammer gemäß 4 zum Sputtering in doppelter Richtung dazu verwendet werden, eine Metallschicht oder ein Metallnitrid auf der Innenoberfläche 14 des Glases zugleich mit der Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung auf der Außenoberfläche 12 des Glases abzuscheiden. Selbst wenn das durch die untere Röhre 275 zugeführte Gas reines Argon und das in die obere Röhre 235 eingeführte Gas reiner Stickstoff oder eine Kombination aus Argon und Stickstoff wäre, würde eine Vermischung dieser beiden Gase das Aufbringen einer Metallnitrid-Schicht unter Verwendung der oberen Targets und das gleichzeitige Aufbringen einer Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung 20 auf Kohlenstoffgrundlage unter Verwendung von Graphit-Targets nicht wesentlich beeinträchtigen. Beispielsweise können ein oder beide Targets 220a und 220b aus metallischem Silicium, welches mit bis zu 5 Aluminium dotiert ist, hergestellt sein und das Gas, das durch beide Arten der Gaszuleitungen 235 und 275 zugeführt wird, aus einem in geeigneter Weise ausgewogenen Gemisch aus Argon und Stickstoff oder selbst reinigendem Stickstoff bestehen.
Bei herkömmlichen Sputtering-Kammern mit einem Magnetron wird der Abstand zwischen den Walzen 210, die dazu verwendet werden, das Glas zu haltern, ziemlich eng gehalten, um kleinere Glassubstrate auf der Linie ohne großes Risiko, daß das Glas zwischen die Walzen fällt, verarbeiten zu können. Um die Störung durch die Walzen beim Aufbringen der Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung auf die Außenfläche 12 des Glases auf einem Minimum zu halten, kann dieser Abstand jedoch vergrößert werden. Der maximale sichere Abstand muß von Fall zu Fall für einen gegebenen Bereich der gewünschten Glasgrößen bestimmt werden. Je größer jedoch der Zwischenraum zwischen den Walzen auf dem Weg zwischen dem unteren Target 260 zu der äußeren Oberfläche 12 des Glases ist, desto größer ist der Anteil an gesputtertem Kohlenstoff, der auf dem Glas abgeschieden wird. Natürlich können die Walzen in anderen Bereichen der Sputtering-Apparatur in ihrem normalen Abstand voneinander gehalten werden. Es kann zweckmäßig sein, einige wenige der Walzen in der Zwei-Richtungs-Sputtering-Kammer 200 derart auszugestalten, daß sie leicht entfernt werden können, so daß die Kammer von der dargestellten Konfiguration auf eine konventioneller betriebene Kammer umgebaut werden kann, die lediglich eine Seite des Glases mit einem Überzug versieht und deren Walzen näher aneinander angeordnet sind.
Statt daß man den Abstand zwischen den Walzen verändert, kann man auch die Walzen kleiner im Durchmesser ausbilden. Herkömmliche Walzen sind hohle Metallröhren. Gewünschtenfalls können die Walzen mit geringerem Durchmesser ausgesteift werden, beispielsweise durch Füllen mit einem starren Schaumstoff. Um dieselbe Transportgeschwindigkeit des Glases längs des Trägers aufrechtzuerhalten, würden die Walzen mit geringerem Durchmesser schneller betrieben werden müssen, beispielsweise mittels eines Paares von Getrieben mit dem gewünschten Übersetzungsverhältnis.
Die Walzen 210 können von jeder beliebigen herkömmlichen Struktur sein. Es wird gefunden, daß gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn man zylindrische Aluminiumwalzen verwendet, um die in Spiralform ein Seil aus Kevlar^® gewunden ist, wobei das Kevlar^® die Oberfläche darstellt, mit der das Glas in unmittelbarer Berührung steht.
Bei bestimmten spezifischen Anwendungsformen kann die Zwei-Richtungs-Sputtering-Kammer 200 gemäß 4 ausreichen, um die gesamte gewünschte Beschichtung sowohl auf die innere als auch auf die äußere Oberfläche des Glases aufzubringen. Häufiger jedoch pflegt die Sputtering-Kammer 200 Teil einer Sputtering-Linie zu sein, die aus einer Reihe von Sputtering-Kammern besteht. Jede Sputtering-Kammer der Linie kann sowohl ein oberes als auch ein unteres Target enthalten, bei den meisten herkömmlichen Anwendungszwecken ist jedoch der Überzugsstapel, der auf die obere Fläche des Glases aufgebracht wird, komplexer (d. h., umfaßt eine Reihe von unterschiedlichen Schichten mit variierender Zusammensetzung) und dicker als die Wasser zum Ablaufen bringende Beschichtung gemäß der Erfindung. Demzufolge kann die Mehrzahl der Sputtering-Kammern aus herkömmlichen, nach unten sputternden Kammern bestehen, die lediglich ein oberes Target aufweisen und unterhalb der Träger kein Target besitzen.
Wenn die Sputtering-Linie aus einer Kombination von nach unten sputternden Kammern und Kammern 200 mit Zwei-Richtungs-Sputtering besteht, kann die Stellung der Zwei-Richtungs-Kammern längs der Sputtering-Linie verändert werden. Wenn die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung gemäß der Erfindung durch Sputtering von Graphit in einer Stickstoffatmosphäre aufgebracht wird, sollte man beispielsweise nicht versuchen, eine Metalloxidschicht von einem Metalltarget aus auf die obere Oberfläche des Glases in derselben Kammer abzuscheiden. Demzufolge können mindestens diejenigen Kammern, die dazu verwendet werden, eine Metalloxid-Schicht zu sputtern, als nach unten gerichtete Sputtering- Kammern durch Weglassen des unteren Targets betrieben werden. Es wäre jedoch möglich, ein Metallnitrid (beispielsweise Si₃N₄ oder TiN oder eine Kombination aus Si₃N₄ und SiC) auf der oberen Oberfläche des Glases in derselben Kammer abzuscheiden.
Herkömmliches Fachwissen würde es dem Fachmann nahelegen, die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung gemäß der Erfindung in der ersten Sputtering-Kammer oder nötigenfalls den ersten Sputtering-Kammern aufzubringen, um sicherzustellen, daß die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung aufgebracht ist, bevor die Glasoberfläche durch Berührung mit den Walzen, die das Glas innerhalb der Kammer haltern, beschädigt oder verschmutzt wird. Ganz überraschend wurde jedoch gefunden, daß das Gegenteil zutrifft – die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung gemäß der Erfindung wird optimalerweise in der letzten Sputtering-Kammer aufgebracht. Wenn mehr als eine Zwei-Richtungs-Sputtering-Kammer 200 erforderlich ist, um eine hinreichend starke Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung ohne übermäßige Senkung der Glasgeschwindigkeit durch die Sputtering-Linie abzuscheiden, wird die Wasser zuammenlaufen lassende Beschichtung optimalerweise in den letzten Sputtering-Kammern aufgebracht.
Wenn die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung gemäß der Erfindung am Anfang der Sputtering-Linie aufgebracht wird, wird der Hauptanteil der äußeren Oberfläche des Glases die gewünschten Wasser zusammenlaufen lassenden Eigenschaften aufweisen. Jedoch die Ränder des Glases könnten diese verbesserten Eigenschaften nicht in konsistenter Weise aufweisen. Dies ist vermutlich einem leichten Übersprühen der auf die obere Oberfläche des Glases nach Abscheidung der Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung aufgebrachten Beschichtung zurückzuführen, wobei eine sehr ge ringe Menge an Material, das auf die obere Oberfläche aufgebracht wird, nach unten auf die untere Oberfläche wandert und über der Wasser zum Zusammenlaufen bringenden Beschichtung an den Rändern der Glasscheibe zu liegen kommt. Obwohl diese übergesprühte Beschichtung so dünn ist, daß sie keinen leicht erkennbaren Einfluß auf die optischen Eigenschaften des Glases besitzt, verringert diese praktisch unsichtbare Beschichtung etwas die Vorteile der Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung um die Ränder des Glases herum. Durch Aufbringen des Kohlenstoffs auf die äußere Oberfläche des Glases in der Nähe des Endes der Sputtering-Linie kann das Ausmaß der Übersprühung, die sich auf der Kohlenstoffbeschichtung absetzt, auf ein Minimum herabgedrückt werden und die vorteilhaften Wasser zusammenlaufen lassenden Wirkungen dieser Beschichtung erhalten bleiben.
Eine Zwei-Richtungs-Sputtering-Kammer 200, wie sie in 4 dargestellt ist, sollte die Kosten minimieren und die Herstellungswirksamkeit beim Aufbringen der Beschichtungen auf beiden Seiten der Glasscheibe maximieren. Weniger wünschenswert ist es, eine Wasser zum Zusammenlaufen bringende Beschichtung gemäß der Erfindung in einem einzigen Durchgang aufzubringen und die reflektierende Beschichtung auf der anderen Seite des Glases in einem zweiten Durchgang, wobei ein Herumdrehen des Glases zwischen den Durchgängen erforderlich ist, um zu gestatten, daß sämtliche Targets auf derselben Seite der Träger in der Kammer oder in den Kammern angeordnet sind. Dies ist viel weniger wirksam als das oben beschriebene Verfahren, und es ist nicht anzunehmen, daß sich dieses Verfahren zur großtechnischen Glasherstellung mit niedrigen Kosten eignet.
Während sich das Glassubstrat durch die Kammer bewegt, gibt es Zeiten, zu denen das Glas die oberen Targets 200a und 200b vor dem unteren Target 260 oder umgekehrt nicht wirk sam abschirmt. Demzufolge kann Material von oberen Targets auf dem unteren Target und Material von dem unteren Target auf einem oder beiden der oberen Targets abgeschieden werden. Während sich die Sputtering-Kammer 200 gemäß 4 in idealer Weise zum Sputtering eignet, wenn die oberen Targets 220a, 220b und das untere Target 260 praktisch die gleiche Zusammensetzung besitzen, ist dies nicht erforderlich. Wenn die oberen Targets eine abweichende Zusammensetzung von der des unteren Targets aufweisen, muß nötigenfalls Sorge dafür getragen werden, die wechselseitige Verunreinigung der unterschiedlichen Targets auf ein Minimum herabzudrücken.
Mindestens in der Theorie kann diese Schwierigkeit dadurch überwunden werden, daß man unabhängig voneinander die Leistung steuert, mit der jedes der Sputtering-Targets betrieben wird, um sicherzustellen, das jedes Target lediglich dann sputtert, wenn das Glas so positioniert ist, daß es die oberen und unteren Targets voneinander abschirmt. Handelsübliche Energieversorgungs-Steuergeräte sind jedoch bisher nicht entwickelt worden. Außerdem kann die Steuerungslogik für eine derartige Anordnung übermäßig schwierig sein, wenn die Sputtering-Linie dazu verwendet wird, Glassubstrate verschiedener Größe statt solcher von konsistenter Größe zu beschichten.
5 erläutert eine mögliche Sputtering-Kammer 300, die dazu verwendet werden kann, sowohl die innere Oberfläche 14 als auch die äußere Oberfläche 12 des Substrats in einem einzigen Durchgang ohne bedeutende wechselseitige Verunreinigung der Sputtering-Targets zu beschichten. Elemente, die eine analoge Funktion wie Elemente, die in 4 dargestellt sind, aufweisen, tragen die gleichen Bezugszahlen, sind jedoch um 100 erhöht sind, so daß beispielsweise die oberen Gasverteilungsleitungen 335 gemäß 5 funktiona le Analoga zu den oberen Gasverteilungsleitungen 235 gemäß 4 sind.
Die Sputtering-Kammer 300 gemäß 5 läßt sich wirksam in drei Beschichtungszonen 300a, 300b und 300c durch jeweils ein Paar Sperren 340 unterteilen. Ein Teil des Gases in einer Beschichtungszone kann in eine andere Beschichtungszone strömen, so daß es am besten ist, die gleiche Atmosphäre in allen drei Zonen zu verwenden. Jedoch dienen die Barrieren oder Sperren 340 dazu, die Menge an in einer Beschichtungszone gesputtertem Material, die auf einem Target in einer anderen Beschichtungszone landet, wirksam zu begrenzen.
In der Ausführungsform gemäß 5 ist jede der drei Beschichtungszonen 300a–300c dazu eingerichtet, bis zu vier Targets zu enthalten, wobei zwei Targets oberhalb des Substrats und zwei unterhalb des Substrats angeordnet sind. Daher sind sechs obere Target-Befestigungsstellen 321–326 oberhalb des Glasweges und sechs untere Targets-Befestigungsstellen 361–366 unterhalb des Glasweges vorgesehen. Dies erlaubt eine maximale Flexibilität bei der Verwendung dieser einzigen multizonalen Sputtering-Kammer 300, um Erzeugnisse mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. 5 erläutert schematisch jede der oberen Target-Befestigungsstellen 321–326, die mit je einer der unteren Target-Befestigungsstellen 361–366 senkrecht in Flucht stehen. Es ist jedoch zu beachten, daß die Targets nicht senkrecht in dieser Stellung in Flucht stehen müssen, sondern in vorteilhafterer Weise in einer waagerechten versetzten Anordnung positioniert sein können.
In der in 5 dargestellten Anordnung besitzt die erste Beschichtungszone 300a zwei obere Targets (320a und 320b), jedoch kein unteres Target auf den unteren Target-Befesti gungsstellen 361 und 362. Während ein Sputtering-Gas zu den oberen Gasverteillungsleitungen 335 geleitet und die oberen Anoden 330 in der ersten Beschichtungszone mit Energie versorgt werden, besteht keine Notwendigkeit, irgendwelche Mengen an Gas in die unteren Gasverteilungsleitungen 375 einzuleiten oder irgendeine Energie den unteren Anoden 370 zuzuführen. Die zweite Beschichtungszone 300b besitzt zwei untere Targets 360c und 360d, jedoch trägt keine der oberen Target-Befestigungsstellen 323 und 324 Sputtering-Targets. Analog besitzt die dritte Beschichtungszone 300c zwei untere Targets 360e und 360f, doch keine der oberen Target-Be-Festigungsstellen 325 und 326 trägt Sputtering-Targets. Optimalerweise (wie oben erörtert), wird die erste Beschichtungszone 300a dazu verwendet, die äußerste Schicht des reflektierenden Überzugsstapels, die von der Innenoberfläche 14 der Substrate getragen wird, aufzubringen, und die letzten beiden Beschichtungszonen 300b und 300c dazu, die Wasser ablaufen lassende Beschichtung 20 auf die äußere Oberfläche 12 der Substrate abzuscheiden.
Die Anordnung von Targets in der multizonalen Sputtering-Kammer 300 gemäß 5 ist lediglich zur Erläuterung dargestellt, und es versteht sich, daß die Target-Anordnung variiert werden kann, um die Produktionswirksamkeit für unterschiedliche Produkte zu maximieren. Wenn beispielsweise eine dickere Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung mit derselben Glasbeförderungsgeschwindigkeit erwünscht ist, kann ein Graphit-Target oder dergleichen an jeder der unteren Target-Befestigungsstellen 361–366 montiert werden, während keine der oberen Target-Befestigungsstellen 321–326 ein Target trägt. Wenn eine dünnere Beschichtung ausreicht (oder wenn die Glastransportgeschwindigkeit durch die Beschichtungskammer in geeigneter Weise vermindert wird), können lediglich die letzten beiden unteren Target-Befestigungsstellen 365 und 366 mit Targets versehen wer den, während sämtliche vier ersten oberen Target-Befestigungsstellen 321–324 Sputtering-Targets tragen. Natürlich kann jede oder können mehrere der Beschichtungszonen 300a–300c ganz ähnlich wie bei der Zwei-Richtungs-Sputtering-Kammer 200 gemäß 4 betrieben werden, indem man immer Targets an den oberen und den unteren Target-Befestigungsstellen derselben Zone montiert.
Die Vorrichtung gemäß den 4 und 5 und das Verfahren zur Abscheidung von Beschichtungen unter Verwendung derartiger Beschichtungssysteme ist in der vorliegenden Anmeldung hauptsächlich im Zusammenhang mit dem Aufbringen eines reflektierenden Überzugsstapels auf einer Seite des Glases und einer Wasser zum Zusammenlaufen bringenden Beschichtung auf der anderen Seite des Glases erörtert. Selbstverständlich können diese Vorrichtung und dieses Verfahren auch dazu eingesetzt werden, Beschichtungen auf beiden Seiten einer Glasscheibe aufzubringen, unabhängig von der Art der darauf aufgebrachten Beschichtungen. Beispielsweise kann die Vorrichtung dazu verwendet werden, eine anti-reflektive Beschichtung auf beiden Seiten einer Glasscheibe, Infrarot-Strahlung reflektierende Beschichtungen auf beiden Seiten eines durchsichtigen oder durchscheinenden organischen Substrates oder eine Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung auf jeder Seite desselben Substrates aufzubringen.
Der Vorteil des in den 4 und 5 erläuterten Systems besteht darin, daß ein Substrat auf beiden Seiten mit einer aufgesputterten Beschichtung versehen werden kann (unabhängig von deren Zusammensetzung), welche in einem einzigen Durchgang durch die Beschichtungsvorrichtung aufgebracht wird, wobei das Glas in einer konstanten Ausrichtung gehalten wird, d. h., wobei es nicht notwendig ist, es umzuklappen, zu wenden oder anderweitig zu manipulieren. Dies ermöglicht die Verwendung eines einfachen Satzes üblicher Transportwalzen, um das Glas längs der Produktionslinie zu befördern. Ohne die Erfindung hätte man typischerweise das Glas entweder manuell handhaben müssen, um es umzuklappen und es zurück in die Beschichtungsvorrichtung zu einem getrennten Durchgang zu schicken oder ein kompliziertes Glasbehandlungssystem einzusetzen, welches das Substrat haltern und es an einem bestimmten Punkt während des Herstellungsverfahrens umklappen müßte. Somit wird es ermöglicht, Glas mit Beschichtungen auf beiden Seiten besonders wirtschaftlich ohne Qualitätsverlust bei Beschichtung herzustellen.
In der Vergangenheit nahm man an, daß selbst dann, wenn nur die Unterseite des Glases zu beschichten war, der Kontakt mit den Walzen die Beschichtung zerkratzen und bzw. oder die Bodenfläche des Glases vor dem Aufbringen der Beschichtung beschädigen würde. Überraschenderweise zeigt die Erfindung jedoch, daß beide Seiten des Glases in einem einzigen Durchgang mit ausgezeichneten Ergebnissen beschichtet werden können.
Die genauen Betriebsbedingungen (beispielsweise Zusammensetzung des Targets, Zusammensetzung des Plasmas usw.), unter denen die Wasser zum Zusammenlaufen bringende Beschichtung gemäß der Erfindung aufgebracht wird, können, wie erforderlich, variiert werden, um die Abscheidung einer Beschichtung der gewünschten Dicke zu optimieren. Aufgrund der vorliegenden Lehre als Anleitung muß ein Durchschnittsfachmann in der Lage sein, geeignete Betriebsbedingungen auszwählen, um eine Beschichtung gemäß der Erfindung ohne übermäßige Versuchsanstellung aufzubringen.
Bei der Herstellung von Floatglas wird geschmolzenes Glas auf einem Bad aus geschmolzenem Zinn schwimmen gelassen, wobei die obere Seite als obere Seite und die untere Seite als "Zinnseite" bezeichnet wird. Wenn üblicherweise Float glas mit einer reflektierenden Beschichtung versehen wird, wird die Beschichtung auf die Oberseite des Glases wegen einiger kleiner Oberflächenunvollkommmenheiten auf der Zinnseite des Glases zufolge der Berührung mit Trägerwalzen in dem Temperungskühlofen aufgebracht. Wenn eine Scheibe aus Floatglas 10 mit sowohl einer Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung 20 als auch einer reflektierenden Schicht 30 versehen werden soll, ist es bevorzugt, daß die obere Oberfläche der Glasscheibe als die Innenoberfläche 14 des Glases verwendet wird und die reflektierende Beschichtung 30 erhält, während die Zinnseite des Glases als äußere Oberfläche verwendet wird und die Wasser zusammenlaufenlassende Beschichtung 20 erhält.
Das Verhalten einer Glasscheibe, die mit einer Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung gemäß der Erfindung versehen ist, ist sichtbar verschieden von denjenigen einer ähnlichen Glasscheibe, die die vorliegende Beschichtung nicht trägt. Eine Glasoberfläche, die eine Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung 20 trägt, läßt Wasser leichter zusammenlaufen und ist merklich einfacher zu reinigen, ohne sichtbare Streifen oder Mängel hervorzurufen, als eine vergleichbare Scheibe aus unbeschichtetem Glas unter den selben Bedingungen.
Eine herkömmliche Reinigungslösung, die unter der Handelsmarke "Windex^®" im Handel erhältlich ist, wurde auf die Oberfläche der Glasscheibe gesprüht, die den Überzug 20 trägt und die Oberfläche wurde mit einem Papiertuch so lange gewischt, bis die Fläche trocken erschien. Derselbe Vorgang wurde mit einer einfachen, unbeschichteten Floatglasscheibe derselben Zusammensetzung wiederholt, und es wurde festgestellt, daß die Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung 20 gemäß der Erfindung in kürzerer Zeit und mit weniger eingesetzer Anstrengung trocken und streifenfrei erschien als das standardmäßige Floatglas. Während derartige sichtbare Streifen schließlich auch trocknen können, ohne beträchtliche Reststreifen auf dem Glas zu hinterlassen, wird angenommen, daß eine durchschnittliche Reinigungskraft dazu neigen würde, das Wischen der Glasoberfläche solange fortzusetzen, bis sämtliche sichtbaren Streifen verschwunden sind, was bedeutet, daß die Reinigungskraft weniger Zeit und Arbeitseinsatz aufwenden muß, um einen Glasgegenstand mit einer Wasser zusammenlaufenen lassenden Beschichtung 20 statt eines Glasgegenstandes ohne eine derartige Beschichtung zu säubern.
Die Veränderung in den Oberflächeneigenschaften, die durch die Erfindung hervorgerrufen wird, lassen sich leicht qualitativ erkennen, jedoch kann es schwieriger sein, diese Unterschiede in bedeutungsvoller Weise zu quanitfizieren. Dessen ungeachtet sollen die folgenden Beispiele den Unterschied zwischen einer unbeschichteten Glasscheibe und einer Glasscheibe mit einer Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung 20 gemäß der Erfindung zu erläutern.
Versuchsbeispiel 1
Es wurden fünf gleiche Scheiben aus Kalk-Natron-Glas hergestellt. Zwei der Scheiben (Probe A1 und Probe A2) wurden mit einer Kohlenstoffbeschichtung 20 gemäß der Erfindung unter Argonatmosphäre versehen. Zwei der Proben (Probe B1 und Probe B2) wurden mit einer gleichen Beschichtung in einer Stickstoffatmosphäre versehen. Die fünfte Probe (Probe C) wurde unbeschichtet gelassen.
Sämtliche Kohlenstoffbeschichtungen wurden in einer herkömmlichen Standard-Sputtering-Linie aufgebracht, wobei ein rotierendes Target mit einem Metallkern verwendet wurde, über dem eine teilchenförmige Graphitschicht aufgesprüht worden war. Probe A1 wurde mit einer Leistung von etwa 15,5 kW bei 485 V in einer Argonatmosphäre aufgebracht, die bei etwa 4,0 mT und einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 627 sccm angewandt wurde, wobei die Glasbewegung mit einer Geschwindigkeit von etwa 8,89 m/min (350 Zoll pro Minute) erfolgte. Die Probe A2 wurde mit einer Leistung von etwa 15,7 kW bei 513 V in einer Argonatmosphäre aufgebracht, die bei 4,0 mT gehalten wurde und eine Strömungsgeschwindigkeit von 616 sccm aufwies, wobei die Glasbewegung mit einer Geschwindigkeit von etwa 12,7 m/min. (500 Zoll je Minute) erfolgte. Die dritte Probe B1 wurde mit einer Leistung von etwa 15 kW bei 576 V bei einer Stickstoffatmosphäre von etwa 4,0 mT und einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1204 sccm aufgebracht, wobei die Glasbewegung mit einer Geschwindigkeit von etwa 8,89 m/min. (350 Zoll pro Minute) erfolgte. Schließlich wurde die Probe B2 mit einer Leistung von etwa 15,3 kW bei 603 V in einer Stickstoffatmosphäre von etwa 4,0 mT und einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1187 sccm aufgebracht, wobei die Glasbewegung mit einer Geschwindigkeit von etwa 12,7 m/min. (500 Zoll je Minute) erfolgte.
Der Kontaktwinkel von Wasser auf der beschichteten Seite des Glases wurde dann unter Verwendung eines herkömmlichen Standard-Gerätes zum Messen derartiger Kontaktwinkel bestimmt. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt. Jede der Proben wurde in eine Feuchtigkeitstestkammer (Singleton Model SL23) eingebracht, die etwa 15 Tage lang bei 90 relativer Feuchtigkeit und etwa 120°F (etwa 49°C) gehalten wurde. Jede Probe wurde dann aus der Testkammer entfernt, mit Leitungswasser abgesprüht und trocknen gelassen. Danach wurden die getrockneten Proben visuell untersucht, um die Sauberkeit der Oberfläche mit einer Skala von 1 bis 5 zu bewerten, wobei 1 den saubersten und 5 den schmutzigsten Zustand bedeuten. Diese schmutzigen Glasoberflächen wurden anschließend mit Windex^® besprüht und mit einem Papiertuch der Marke Kim Wipe^® abgewischt. Während dieses Reinigungsverfahrens wurden Bestimmungen der Leichtigkeit der Reinigung und der Leichtigkeit des Abwischens vorgenommen, wobei eine ähnliche 5-Punkte-Bewertungsskala verwendet wurde mit 1 als der leichtesten und 5 als der schwierigsten jeweiligen Behandlung. Die Werte für die Sauberkeit, Leichtigkeit der Säuberung und Leichtigkeit des Abwischens sind ebenfalls in Tabelle 1 zusammengefaßt. TABELLE 1

Probe Kontaktwinkel Sauberkeit Leichtigkeit d. Reinigung Leichtigkit d. Abwischens

A1 43° 4 3 3

A2 43° 4 3–4 3

B1 17° 3 2 2

B2 24° 4 3 2

C 4 3 3
Diese Ergebnisse zeigen, daß die beschichteten Proben gemäß der Erfindung mindestens ebenso gut waren wie die unbeschichteten Gläser. Vielleicht überraschend besaß das Gas in dem zur Aufbringung der Beschichtung 20 verwendeten Plasma einen ausgesprochenen Einfluß auf die Eigenschaften des Glases. Insbesondere die beiden Proben, bei denen eine Kohlenstoffbeschichtung einer einer Stickstoffatmosphäre aufgebracht worden war (B1 und B2), besaßen einen beträchtliche niedrigeren Kontaktwinkel als die Proben mit den Beschichtungen, die unter Verwendung von Argon aufgesputtert worden waren. Die Probe B1 zeigte außerdem ein etwas verbessertes Verhalten hinsichtlich Sauberkeit, Leichtigkeit der Reinigung und Leichtigkeit des Abwischens gegenüber dem einfachen, unbeschichteten Glas. Daher sollte die Beschichtung länger als unbeschichtetes Glas sauber bleiben, wenn sie derselben Umgebung ausgesetzt wird, und beträchtlich leichter zu reinigen sein, wenn sie schmutzig geworden ist.
Versuchsbeispiel 2
Ähnliche Proben wurden unter Verwendung eines "Q Panel Model QUV"-Testgerätes einem Bewitterungstest unterzogen, der dazu verwendet wird, die Verschlechterungen zu simulieren, die durch Wasser, wie Regen oder Tau, und längere Expositionen gegenüber Ultraviolett-Energie in Sonnenlicht verursacht werden. Während einer Periode von etwa 7 Tagen wurden die Proben einem Zyklus aus vier Stunden Exposition gegenüber einer Ultraviolett-Lichtquelle bei etwa 60°C und anschließend etwa vier Stunden einer Kondensation bei etwa 50°C (d. h., die relative Feuchtigkeit in der Kammer war so hoch, daß Wasser auf der Glasoberfläche bei dieser Temperatur kondensierte) unterzogen. Dieselben Bewertungen für Sauberkeit, Leichtigkeit der Reinigung und Leichtigkeit des Abwischens wurden mit den folgenden Ergebnissen vorgenommen: TABELLE 2

Probe d. Abwischens Sauberkeit Leichtigkeit d. Reinigung Leichtigkeit d. Abwischens

A1 3 1 4

A2 3 1 4

B1 2 1 3

B2 2 1 3

C 4 3 3
Diese Daten zeigen eine noch auffälligere Verbesserung. Jede der Proben, die eine Beschichtung 20 gemäß der Erfindung aufwies, blieb sauberer als das unbeschichtete Glas und ließ sich viel leichter reinigen. Das einzige Negativum bestand darin, daß die Proben, die in einer Argonatmosphäre beschichtet waren, schwieriger abwischbar waren als die anderen Proben. Wiederum zeigt sich, daß die Proben mit einer Wasser zusammenlaufen lassenden Beschichtung, die in Stickstoff aufgesputtert worden war, bessere Ergebnisse zeigten als Beschichtungen, die in einer Argonatmosphäre aufgebracht worden waren.
Versuchsbeispiel 3
Die Leichtigkeit, mit der Glasoberflächen gereinigt werden konnten, wurde unter Verwendung einer etwas stärkeren Sorte von Verschmutzungsmitteln verglichen. Insbesondere wurde eine Glasoberfläche, die eine Wasser zusammenlaufen lassende Beschichtung 20 aufwies und eine unbeschichtete Glasoberfläche jeweils mit Leitungswasser, Schmutzwasser, Regenwasser, "ChapStik (einem Lippenbalsam, der einen wachsigen Rest hinterläßt) und Fingerabdrücken von ungewaschenen Händen verschmutzt. Nichtsdestoweniger wurde die Leichtigkeit der Reinigung insgesamt für die unbeschichtete Glasprobe auf der obigen 5-Punkte-Skala mit 4 und die Leichtigkeit der Reinigung der mit Kohlenstoff überzogenen Oberfläche gemäß der Erfindung insgesamt wesentlich besser mit 2 bewertet.

Claims

Beschichteter Gegenstand aus Glas mit einer Außenfläche, die periodisch der Berührung mit Wasser ausgesetzt ist, und einer Innenfläche, wobei die Außenfläche einen äußeren, Wasser zu einer zusammenhängenden Masse formenden Überzug trägt, der aus einer Graphitschicht von einer Dicke von 50–100 Å gebildet und entweder unmittelbar auf die Außenfläche des Gegenstandes durch Sputtering aufgebracht oder auf einer durchsichtigen Grundschicht ausgebildet wird, die unmittelbar auf die Außenfläche des Gegenstands aufgebracht wird, wobei der Überzug den Kontaktwinkel des Wassers auf der beschichteten Außenfläche auf unter 25 Grad verringert und veranlaßt, daß Wasser, welches auf die beschichtete Außenfläche aufgebracht wird, zusammenläuft.
Beschichteter Gegenstand aus Glas gemäß Anspruch 1, wobei die Stärke der Kohlenstoffschicht 15–40 Å beträgt.
Beschichteter Gegenstand aus Glas gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Wasser zu einer zusammenhängenden Masse formende Überzug nichthydrierten Kohlenstoff enthält.
Beschichteter Gegenstand aus Glas gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der außerdem eine reflektierende Beschichtung auf der Innenfläche aufweist, die eine Metallschicht enthält, welche zwischen der Innenfläche und einer dielektrischen Schicht angeordnet ist.
Beschichteter Gegenstand aus Glas gemäß Anspruch 4, wobei die reflektierende Beschichtung eine Infrarotlicht reflektierende Beschichtung ist, die eine innere dielek trische Schicht zwischen der Metallschicht und der Innenfläche aufweist.
Beschichteter Gegenstand aus Glas gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine durchsichtige Grundschicht aufweist, die einen Brechungsindex besitzt, der im wesentlichen dem des Substrats gleich ist.
Beschichteter Gegenstand aus Glas gemäß Anspruch 6, wobei die durchsichtige Grundschicht einen Brechungsindex aufweist, der unter etwa 1,7, vorzugsweise zwischen 1,35 und 1,65 und insbesondere zwischen 1,4 und 1,55 liegt.
Beschichteter Gegenstand aus Glas gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine durchsichtige Grundschicht aus Siliciumdioxid aufweist.
Beschichteter Gegenstand aus Glas gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine durchsichtige Grundschicht von einer Stärke von unter etwa 100 Å, vorzugsweise von etwa 25–100 Å und insbesondere von etwa 50–70 Å aufweist.