Low-E
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1 Großflächige Glasbeschichtungen: Produkte und Anforderungen an neue Beschichtungssysteme aus der Sicht eines Floatglasherstellers Norbert Wruk Pilkington Deutschland AG Inhalt Herstellung von Glas A Anwendungen d Beschichtungen auf Glas: Funktionen und Verfahren Anforderungen an Beschichtungssysteme Zusammenfassung ThGOT 2015 3 Kleine Glasgeschichte ~ -25000 Bearbeitung von natürlichen Gläsern (Tektide: Meteoreinschläge, Obsidian: Vulkanismus) ~ -3000 wahrscheinlich erstmalige Herstellung von Glas (Natrongläser, Formung über Tonkernen) Entwicklung von Verzierungen (Farbgebung, Fadeneinlagen, Fritten) ~ -100 Erfindung der Glasmacherpfeife verbesserte Tiegelmaterialien lassen höhere Schmelztemperaturen zu Ersatz von Na2CO3 durch Pottasche (K2CO3): „Waldgläser“, stark grünlich (Eisen) ~ 600 erste Fenster aus Glas ~ 1100 erste kleine Spiegel ~ 1300 Glasfenster in Deutschland ~ 1450 Herstellung von klarem Glas 1857 erster Glasofen mit Regenerativfeuerung 1859 Halbautomatische Flaschenblasmaschine 1867 Kontinuierlicher Wannenofen (Fa. Siemens) 1900 Z li d bl Zylinderblasmaschine hi zur Fensterglasherstellung F t l h t ll 1916 Produktion von Flachglas mit Ziehmaschine (Fourcault) 1960 Entwicklung des Floatglasprozesses (Pilkington) 1965 Li htl itf Lichtleitfaser für fü Datenübertragung D t üb t ThGOT 2015 4 Herstellung von Floatglas • Glasschmelze fließt über eine Lippe auf flüssiges Zinn und schwimmt auf dessen Oberfläche • Einstellung eines Gleichgewichts für die Glasdicke, wird bestimmt durch: - Oberflächenspannung - Schwerkraft - Ziehgeschwindigkeit • Ausbildung zweier planparalleler, glatter Oberflächen • Abkühlung auf ca. 600°C, wodurch weiterer T Transport t mittels itt l R Rollen ll ermöglicht ö li ht wird, i d ohne h dass die Oberfläche sichtbar beschädigt wird • Vorteile: • • Hervorragende optische Qualität ohne Nacharbeit (polieren) • geringere Kosten • Scheibengröße (3,21m x 6m) Standardverfahren für Flachglas ThGOT 2015 5 Herstellung von Floatglas ThGOT 2015 6 Produktionsprozess Rohstoff-Aufbereitung T =1500 °C η = 101.5 Pa s Schmelzen Formgebung T = 600 °C Kühlen η = 1018 Pa s Qualitätsprüfung Schneiden Ab t Abstapeln l T = 20 °C Versand ThGOT 2015 7 Herstellung: Schmelzwanne ThGOT 2015 8 Herstellung: Floatbad ThGOT 2015 9 Ende des Kühlkanals 10 ThGOT 2015 Schneiden 15 ThGOT 2015 11 Transport im Innenlader ThGOT 2015 12 Ladungssicherung ThGOT 2015 13 Glasdicken und -abmessungen Nenndicke Toleranz ( mm) (mm) 2 + 0,2 3 + 0,2 4 + 0,2 5 + 0,2 6 + 0,2 02 8 + 0,3 10 + 0,3 12 + 0,3 15 + 0,5 19 + 1,0 10 25 + 1,0 ThGOT 2015 Bandmaße: 6000 x 3210 mm² 5100 x 3210 mm² 4500 x 3210 mm mm² geteilte Bandmaße: 3210 x 2550 mm² 3210 x 2400 mm² 3210 x 2250 mm² 3210 x 2000 mm² (nach EN 572-2) 14 Materialeigenschaften von Floatglas • Optische Eigenschaften • Transmission und Farbe variierbar • Streulicht vernachlässigbar • Chemische Eigenschaften • Beständigkeit gegen Wasser, Säuren und Laugen • Mechanische Eigenschaften • sprödes Material • hohe Druckfestigkeit • geringere Zugfestigkeit • Thermische Eigenschaften • Schlechter Wärmeleiter • Elektrische Eigenschaften • Nichtleiter ThGOT 2015 15 Physikalische Eigenschaften von Floatglas Eigenschaft Symbol Zahlenwert und Einheit Dichte bei 18°C ρ 2 500 kg/m³ Härte 6 Einheiten nach Mohs Elastizitätsmodul E 7 x 1010 Pa Poissonzahl μ 0,2 Spezifische Wärmekapazität c 0 72 x 103 J/(kg 0,72 J/(kg·K) K) Mittlerer thermischer Ausdehnungs- α 9 x 10-6 K-1 koeffizient (20°C bis 300°C) Wärmeleitfähigkeit λ 1 W / (m·K) Mittlerer Brechungsindex im n 1,5 σchar 45 MPa sichtbaren Bereich (380-780 nm) Charakteristische Biegefestigkeit ThGOT 2015 16 Optische Qualität • Bestimmende Parameter: • Ebenflächigkeit Eb flä hi k it der d beiden b id Glasoberflächen Gl b flä h • Homogenität des Glases • Charakterisierende Messgrößen: • Brechkraft (ortsabhängig) • Brechkraftänderung (ortsabhängig) • Zusammenhang mit optischen Effekten nichtlinear! (Verzerrungen, scheinbare Objektbewegung) • Fü Für Architekturanwendungen A hit kt d iin d der R Regell kkein i P Problem, bl für fü Automobilglas aber ein wichtiges Thema ThGOT 2015 17 Glasfunktionen • Transparenz • Wärmeschutz • Sonnenschutz • Design • Selbstreinigung • Strahlungsmanagement • Sicherheit • Schallschutz • Brandschutz Veredlung, insbesondere Beschichtung notwendig! ThGOT 2015 18 Anwendung: Sicherheitsgläser Floatglas Einscheiben Sicherheitsglas ThGOT 2015 VerbundVerbund sicherheitsglas 19 Anwendung: ESG • Aufbau eines sehr hohen, in sich im Gleichgewicht befindlichen Spannungszustandes: • Druckspannungen p g an den Oberflächen • Zugspannungen im Kern • Herstellung: e ste u g • Aufheizen des Glases bis in den Erweichungsbereich (> 600 oC) • Abschrecken durch eine Luftdusche • Zusammenwirken von Wärmedehnung und zeitlich versetzter Erstarrung: zuerst außen, dann innen • Eigenschaften: g • Erhöhte Bruchfestigkeit aufgrund der Vorspannung • Feines Bruchbild ThGOT 2015 20 Anwendung: VSG Glas Zwischenschicht Glas • Primäres Ziel ist die Vermeidung von Verletzungen bei Glasbruch • Weitere Einsatzbereiche sind Einbruch- und Beschusshemmung, UVSchutz, Schallschutz, strukturelle Anwendungen • Material für die Zwischenschicht ist der Regel g Polyvinylbutyral y y y ((PVB)) • Entwickelt und optimiert für den Einsatz im Verbundglas, keine weiteren Einsatzfelder • Gängige Folienstärken sind 0,38; 0 38; 0,76; 0 76; 1,52 1 52 mm • In Windschutzscheiben in der Regel 0,76 mm • Prozesstemperaturen bis etwa 130°C ThGOT 2015 21 Wozu brauchen wir Beschichtungen ? Mit Hilfe von Beschichtungen können die optischen und energetischen Eigenschaften von Glas in weiten Grenzen maßgeschneidert werden. Eigenschaft 4mm Float Licht-Transmission 90% 0 bis 98% Licht-Reflexion 8% 0 bis 99% Energietransmission 84% 0 bis 87% Emissivität (IR-Absorption) 89% 1 bis 99% > 1MΩ 1 bis >1000 Ω Flächenwiderstand 100 100 80 Traansmission (%) Tra nsm ission (% ) beschichtetes Glas 60 40 20 0 300 800 1300 1800 2300 Wellenlänge (nm) ThGOT 2015 90 80 l -e low 70 60 Doppel-Silber Einfach-Silber 50 40 30 20 10 0 300 800 1300 1800 2300 Wellenlänge (nm) 22 Glasanwendungen mit Beschichtung • Architektur: • Technische Anwendungen • Wärmeschutz • Elektrische Leitfähigkeit • Sonnenschutz • Natriumblockerschichten • Design (Farbe) • Filter • Reduzierung des Reinigungsaufwandes • Antireflex • Kratzfestigkeit • Photovoltaik • Elektrische Leitfähigkeit • Dünnschicht-PV • Anti Anti-Reflex Reflex • Automobil: • Sonnenschutz • Flächenheizung ThGOT 2015 23 Solarstrahlung und ferne Infrarotstrahlung 53% ISO 9050 55% EN 410 UV sichtbares Licht ThGOT 2015 44% ISO 9050 42% EN 410 IR 24 Wechselwirkung Strahlung - Glas 100% Sichtbares Licht und nahes Infrarot 300-2500 nm 11% Reflexion 4% 8% Reflexion 4% 100% fernes Infrarot Wärmestrahlung 2 5μm - 50 μm 2,5μm 4% Absorption 88% Transmission 0% Transmission 89% Absorption = 89% Emissiviät Transmission + Reflexion + Absorption = 100% ThGOT 2015 25 Wärmetransport durch Isolierglas außen innen Absorption WärmeSt hl Strahlung Solarstrahlung 300nm - 2500nm Konvektion n Wärmetransfer nach innen Reflexion Wärmetransfer nach außen Wärmestrahlung, Wärmeleitung, Konvektion Wärmeleitung ThGOT 2015 Wärmestrahlung, Wärmeleitung, Konvektion Te direkte Strahlungstransmission 26 Isolierglas: Wärmetransport durch Strahlung außen 0°C unbeschichtetes Glas, ε = 0,89 Wärmeaustausch innen 20°C 5mm-50mm 12°C 1 1 1 Str 4 1 Tm3 a i Low E Glas, ε = 0.03 0°C 0 C 20°C 20 C 17°C ThGOT 2015 27 Low-E - Beschichtungen Für die niedrige Emissivität, d.h. hohe Reflexion im fernen Infrarot b öti t man eine benötigt i hohe h h elektrische l kt i h Leitfähigkeit. L itfähi k it Gleichzeitig Gl i h iti muß ß das Material aber auch für sichtbares Licht transparent sein. 1. Leitfähige , dotierte Oxide z.B. SnO2:F Man benötigt ca. 300 nm Schichtdicke und hohe Temperaturen. 2. Dünne Metallschichten z.B. Ag, g, Cu,, Au Alle anderen Metalle haben zu hohe Absorption für sichtbares Licht. Nur Ag ist farblos in der Durchsicht. ThGOT 2015 28 Position der Low-E Beschichtung Absorbierte Strahlung wird in Wärme umgewandelt 300nm-2500nm -> 5mm-50mm Solarstrahlung 300nm - 2500nm Wärmetransfer nach innen qi Reflexion der Außenscheibe g = Te + qi Wärmetransfer nach außen Te Direkte Strahlungstransmission Relexion der Innenscheibe g-Wert g Wert soll hoch sein Beschichtung auf Pos. 3 ThGOT 2015 29 Position der Sonnenschutzbeschichtung Solarstrahlung 300nm - 2500nm Absorbierte Strahlung wird in Wärme umgewandelt 300nm-2500nm -> 5mm-50mm Wärmetransfer nach innen qi g = Te + qi Reflexion der Außenscheibe ß h b Te Wärmetransfer nach außen Direkte Transmission Reflexion der Innescheibe g - Wert soll möglichst klein sein – Beschichtung auf Pos. 2 ThGOT 2015 30 Beschichtungsverfahren Online direkt an der Floatlinie (CVD) Offline in Vakuum – Offli Beschichtungsanlagen ( g (Magnetron-Sputtern) p ) 31 ThGOT 2015 31 Online - CVD Technologie • Die Online CVD-Technologie erlaubt die Herstellung verschiedener hi d M Materialien: i li • Transparente leitfähige Oxide wie SnO2:F, SnO2:Sb:F, ITO • Oxide wie TiO2, SiO2 • Nitride, z.B. TiN • Silizium • Die hohe Prozesstemperatur ist vorteilhaft für • Polykristalline Schichten • Beschichtungsraten >100nm / s • Prozesstemperatur, Atmosphäre und Beschichtungsraten sind durch die Glaserzeugung vorgegeben ThGOT 2015 32 Beispiele für CVD-Reaktionen (SiH4)gas (Si) solid + 2(H2)gas ((SiH4)gas + O2 ((SiO2) solid + 2(H ( 2) gas SnCl4 + 2 H2O (SnO2) solid + 4 HCl • The doping of the SnO2 layer is achieved through the addition of a mixture of HF and H2O. O • Instead of SnCl4 and HF other components such as SnCl2(CH3)2 and CF3 COOH which are less aggressive are used. ThGOT 2015 33 Vor- und Nachteile Online-CVD • Vorteile: • sehr Kratzfeste, chemisch stabile Schichten • vorspannbar • gute g te Haftung Haft ng zum m Glas • Glasoberfläche ist frisch und sauber • Nachteile: • hohe Temperaturen • Emissivität > 0,15 for low-e Beschichtungen • sehr begrenzte Zahl von Materialien, keine Metalle • vergleichsweise dicke, kristalline Schichten • Dadurch rau und mit Streulicht ThGOT 2015 34 Vor- und Nachteile Offline • Vorteile: • • viele Materialien möglich: Metalle, Metalle Oxide, Oxide Nitride etc etc. • ausgezeichnete Gleichmäßigkeit (+/- 1%) • sehr niedrige g Emissivitität möglich g ((< 2%)) • hoch selektive Sonnenschutzbeschichtungen Nachteile: • komplexes Vakuumverfahren • Silb Silber-basierte b i Beschichtungen hi h sind i d an der d Luft f auf Dauer nicht beständig • Metallschichten verkratzen leicht • Glas muss vorher gereinigt werden ThGOT 2015 35 Anforderungen an die Glasoberfläche • frisch, keine Korrosion, < 4 Wochen alt • Beschichtungsseite g ist die Luftseite • Deionisiertes Wasser für die Waschmaschinen (<1μS) • alle Oberflächenfehler werden durch die Beschichtung verstärkt (Saugerabdrücke, Fingerabdrücke, Wasserrückstände Schneidölreste etc.) Wasserrückstände, etc ) • Kratzer und Glasfehler sind deutlicher sichtbar als ohne Beschichtung ThGOT 2015 36 Gedächtnis von Glasoberflächen ThGOT 2015 37 Low-E Beschichtungen einfache AgAg Beschichtung Low-E Low E Beschichtung Oxid 2 ε = 0,04 0 04 Silber Glas ε = 0,04 T = 47% Silber Oxid 1 T = 87% R = 4% R = 45% Glas ThGOT 2015 38 Schichtdicken Offline Die Schichtdicken liegen im Bereich 70nm (low-e) bis 180nm (Suncool) Größenanalogie S h Schneedecke d k 2cm 2 Beschichtung 180nm Haus 10m hoch Haar 100 µm Glas 4mm Berg 400m ThGOT 2015 39 Low E und Sonnenschutz 100 90 Float 80 Transmission (%) 70 60 Low E 50 40 30 20 Doppelsilber 10 0 300 800 1300 1800 2300 Wellenlänge (nm) ThGOT 2015 40 Farbgleichmäßigkeit • Kritischste Größe ist die Farbe der Außenreflexion • Der Farbeindruck hängt von den Beleuchtungsverhältnissen ab • Die Reflexionsfarbe hängt vom Betrachtungswinkel ab • Weniger kritisch für Beschichtungen mit hoher Transmission • Transmissionsfarbe kritisch bei Dachverglasungen ThGOT 2015 41 Sichtbares Licht - Farbe ThGOT 2015 42 Lab - Farbraum L* 116 3 Y 16 100 X Y a* 500 3 3 95.018 100 Y Z 3 3 b* 200 100 108.845 Die Farbe wird durch 3 Zahlen L, a*, b* sowie i die di Beleuchtungsart, B l ht t z.B. B D65, D65 bestimmt b ti t ThGOT 2015 43 Farbunterschiede im Lab - Farbraum Ziel: E E* 3 ∆ELab between 0 und 1 ∆ELab between 1 und 2 ∆ELab between 2 und 3,5 ∆ELab between 3,5 und 5 ∆ELab above 5 ThGOT 2015 Usually non visible deviation Very small deviation, only visible for the educated eye Medium deviation, already visible for the uneducated eye Significant deviation Strong g deviation 44 Wahrnehmung von Farbabweichungen ThGOT 2015 45 Farbe entsteht durch Interferenz destruktive Interferenz niedrige Reflexion für Blau konstruktive Interference hohe Reflexion für Rot dünne Schicht Glas ThGOT 2015 46 Beispiel: Doppelsilber-Schichten Oxid 33 oxide 40 nm Silber 2 17 nm • Für E E* 3 muss die Dickenvariation kleiner als 2% sein. 85 nm • Für eine Silberschicht von 8 nm b d t t dies bedeutet di eine i Toleranz T l von < 0,16 nm. Oxid 2 Silber 1 Oxid 1 8 nm 25 nm • Durchmesser eines Silberatoms : 0,3 nm Glas ThGOT 2015 47 RZVK Köln - Brilliant 50/25 OW, OPTITHERM SN ThGOT 2015 48 EUROHAUS Frankfurt Suncool Silber 50/30 und E 120 ThGOT 2015 49 Messe Essen Suncool 66/33 50 ThGOT 2015 50 Centre Nautique France Suncool 70/40 Active ThGOT 2015 51 Channeltower Hamburg Suncool 66/33 ThGOT 2015 52 HELLA Lippstadt Suncool 50/27 ThGOT 2015 53 Farbabweichungen ThGOT 2015 54 Wozu brauchen wir Beschichtungen ? Oberflächeneigenschaften können verändert werden Hydrophile Beschichtungen Pilkington Activ:15nm ThGOT 2015 leitfähige Beschichtungen Pilkington KGlas : 300nm 55 Glasoberflächen nach Beregnung… Pilkington Optifloat ThGOT 2015 Pilkington Activ 56 …und nach dem Abtrocknen Pilki t Optifloat Pilkington O tifl t ThGOT 2015 Pilki t Activ Pilkington A ti 57 Antireflex-Beschichtungen • Reduzierung von störender Lichtreflexion • Schaufenster • Vitrinen • Aquarien • Für optimalen l Effekt ff k auff b beiden d Oberflächen b fl h • Erhöhung der Lichttransmission • Nicht mit einer Einzelschicht erreichbar • Daher Folge von hoch- und niedrigbrechenden Schichten • Verbleibende Reflexion gering, aber oft farbintensiv • Winkelabhängigkeit • Sowohl online- als auch offline-Lösungen • Tauchschichten ThGOT 2015 58 Vitrine mit Antireflex-Beschichtung ThGOT 2015 59 Schaufenster mit Antireflex-Beschichtung A/R / Glass / PVB / Glass / A/R ThGOT 2015 60 60 Isolierglas mit Antireflex-Beschichtungen ThGOT 2015 61 Verarbeitung nach dem Beschichten Abstapeln Lagerung Transport Schneiden Waschen Transport Waschen Vorpannen p (> ( 600°C)) Isolierglasfertigung Abstapeln Lagerung Transport Waschen Transportt T Schneiden Waschen ThGOT 2015 Verbundglasfertigung (130°C) Isolierglasfertigung 62 Anforderungen an großflächige Beschichtungen g auf Glas • Für Transport und Weiterverarbeitung • Kratzfestigkeit • Transportfähigkeit (Straße und Schiene) • Verarbeitbarkeit Ve a beitba keit (Schneiden und nd Waschen) • Vorspannfähigkeit (T = 620°C) • Für die Anwendung: • Reflexionsfarbe und Farbgleichmäßgkeit • Geringe g Winkelabhängigkeit gg des optischen Eindrucks • Transmissionsfarbe • Keine Beschichtungsfehler und/der Schichtbeschädigungen • Dauerhaftigkeit • Verträglichkeit mit anderen Materialien ThGOT 2015 63 Unverträglichkeit ThGOT 2015 64 Zusammenfassung • Abmessungen der zu beschichtenden Gläser bis 6,00 x 3,21 m² • Häufigste Funktionen sind Low E, Sonnenschutz, Design (Farbe), Leitfähigkeit, Anti-Reflex, Benetzbarkeit • Et Etablierte bli t Prozesse P für fü große ß Abmessungen Ab und d Mengen M sowie niedrige Herstellkosten • Neben der Funktion wichtigste g Anforderungen g an Beschichtungen: • Für die Weiterverarbeitung mechanische, chemische und thermische Stabilität • Für den Endkunden Farbgleichmäßigkeit und Dauerhaftigkeit ThGOT 2015 65
