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Entwicklungsschritte und Trends

60 Jahre JOT I Entwicklungsschritte und Trends

Blick in die Zukunft der Oberflächentechnik

In den sechzig Jahren seit dem ersten Erscheinen von Schleifen und Polieren, der Vorgänger zeitschrift von JOT, hat sich die Oberflächentechnik ganz erheblich verändert. Wie wird die Entwicklung in den kommenden Jahren aussehen? Die JOT-Redaktion hat Experten befragt.

Lackierroboter, wasserbasierte Lacke, Pul- ten Entwicklungsschritte und Trends sein? ter Stelle bei der Auswahl von Verfahren verbeschichtungen, automatisierte La- Wie und wohin wird sich die Oberflächen- und Produkten. ckierverfahren, neue Verfahren der Tei- technik entwickeln? David Kubala, Chief Executive Officer lereinigung und des Korrosionsschutzes: der Helios Group: „Hier wird immer stär- In den vergangenen sechzig Jahren gab Nachhaltigkeit und ker der 'Cradle-to-grave'-Ansatz heran- es zahlreiche Technologiesprünge in der Individualisierung als Trends gezogen werden, um die Auswirkun- Oberflächentechnik. Das Jubiläum der gen auf die Umwelt entlang der gesamten JOT gibt Anlass, die Zeit Revue passie- Nach Einschätzung der Helios Group, zu Wertschöpfungskette bewerten zu kön- ren zu lassen. Schließlich hat das Maga- der mit Rembrandtin ein namhafter Spezi- nen.“ Unter diesen Vorzeichen, so David zin über alle relevanten Trends berichtet. alist für Pulverlacke gehört, stehen künf- Kubala, werden moderne Lacksysteme wie Mindestens ebenso interessant aber ist tig weiterhin die Ressourceneffizienz sowie Wasserlacke, Ultra-High-Solids, UV-härten- es, einen Blick in die Zukunft zu werfen: der Einsatz von klima- und umweltscho- de Systeme und Niedrigtemperatur-Pulver- Was werden (voraussichtlich) die nächs- nenden Farb- und Lacksystemen an obers- lacke weiter stark an Bedeutung gewinnen. © Fraunhofer IST Fraunhofer ©

Beispiel für Digitalisierung: Simulation des Teilchentransports in einer Sputteranlage für optische Hochpräzisionsfilter.

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Und: Die Produktion wird stärker regiona- spiel modulare Lackfabriken – und neuen und Lackindustrie schaffen und auch tradi- lisiert, um lange und umweltschädliche Applikationsverfahren wie Digital Prin- tionelle Märkte ablösen.“ Transportwege zu vermeiden. ting wird Individualisierung und Industri- Außerdem gehen die Verantwortlichen von alisierung zunehmend stärker verbinden. Funktionen in die Oberfläche einer stärkeren Individualisierung der Pro- Darüber hinaus werden technische und gebracht dukte beziehungsweise der Oberflächen gesellschaftliche Megatrends wie Shared aus. David Kubala: „Die Kombination aus Economy, E-Mobility und nachhaltige Ener- Aus Sicht von BASF Coatings – dem nach modernster Produktionstechnik – zum Bei- giegewinnung neue Märkte für die Farben- eigenen Angaben weltweit größten Her- steller von Lacken und Bautenanstrich- mitteln – steht das Thema „Funktionale Oberflächen“ im Fokus der künftigen Entwicklung. Dirk Bremm, Leiter des Un- ternehmensbereichs Coatings von BASF: „Funktionale Lösungen werden in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung David Kubala, Chief Executive Officer gewinnen – sowohl für die Mobilität der der Helios Group: Zukunft als auch für andere industriel- „Megatrends wie Shared Economy, le Anwendungen. Die Oberfläche wird E-Mobility und nachhaltige durch spezifische Beschichtungstechnik Energiegewinnung werden neue nicht nur geschützt, sondern für die jeweiligen Anwendungszwecke gezielt op- Märkte für die Farben- und timiert und wird so integraler Bestandteil Lackindustrie schaffen und auch des Gesamtprodukts.“ traditionelle Märkte ablösen.” Das Unternehmen hat sich bereits auf die-

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„Hier stellen wir uns gezielt mit innovativen Produkten und Prozessen auf, die ein vielfältiges Spektrum der Ober- flächentechnik abdecken.“ Außerdem wird, so Dirk Bremm, die Digitalisie- Dirk Bremm, rung die Vernetzung von Herstellern Leiter des Unternehmensbereichs und Kunden fördern: „So können in- Coatings von BASF: dividuelle Lösungsansätze effizienter „Funktionale Lösungen werden in entwickelt und durch automatisierte den kommenden Jahren weiter an Produktionsprozesse schneller umge- setzt werden.“ Bedeutung gewinnen – sowohl für die Mobilität der Zukunft als auch für Automobillackierung: andere industrielle Anwendungen.“ Nachhaltigkeit und Flexibilität

Im Gründungsjahr von „Schleifen und Polieren“, der Vorläuferin von JOT, war in vielen Bereichen der Oberflächentechnik noch präzise Handarbeit gefragt, wo heute automatisierte Prozesse stattfinden. Dürr gehört zu den Unternehmen, die diese Entwicklung vor allem in der Au- tomobillackierung vorangetrieben haben. Der Trend zur Automation wird auch in Zukunft anhalten, wobei aber zwei weitere Aspekte stär- kere Bedeutung haben werden. Dr. Dr. Jochen Weyrauch, Dürr AG: Jochen Weyrauch, stellvertretender „Die Lackieranlage der Zukunft ist Vorstandsvorsitzender der Dürr Akti- engesellschaft und CEO der Dürr Sys- ressourcenschonend, flexibel in der tems AG: „Immer höhere Stückzahlen Fertigung und effizient im Prozess.“ und größere Modellvielfalt erfordern weitere Fortschritte in Effizienz und Flexibilität.“

© Dürr Die Effizienz wird nicht nur aus Grün- den der Wirtschaftlichkeit gesteigert werden müssen, sondern auch, weil die Nachhaltigkeit und der Wunsch nach Ressourceneinsparung stärker in den Fokus rücken: „Für die Heraus- forderungen an eine nachhaltige Pro- duktion mit immer weniger Ressour- cenverbrauch werden innovative Lö- sungen gesucht.“ Stichworte sind hier, so Dr. Jochen Weyrauch, Anlagenkon- zepte ohne starre Fertigungslinien sowie digitale Analysetools auf KI-Basis. Und was die Einsparung von Ressour- Robert Wittmann, cen betrifft, wird nach Einschätzung Vorstand/COO der Nanogate SE: von Dürr das oversprayfreie Lackieren „Basierend auf einer zukunfts eine entscheidende Rolle spielen. weisenden Folientechnologie lassen sich Produkte zukünftig ganz anders Intelligente Oberflächen konzipieren. Sie könnten effizienter als Zukunftsmarkt produziert werden, sind kleiner und Nanogate sieht für die nahe Zukunft gewichtssparender als bislang.“ ein weiterhin erhebliches Potenzial für

10 JOT 7-8 I 20 derm neue Designs und innovative Bedien- konzepte von Gebrauchsgütern oder Fahr- zeuge ermöglichen. Robert Wittmann, Vor- stand/ COO der Nanogate SE: „Integrated Smart Surfaces umfasst für uns die Integra- tion elektronischer Benutzerfunktionen in Prof. Dr. N. A. Reinke, Kunststoffkomponenten, gepaart mit mul- Co-CEO der Coatmaster AG: tifunktionalen Eigenschaften und hoch- „Mit einer Kombination aus wertigem Design. Basierend auf einer zu- bildgebender Schichtdickenmessung kunftsweisenden Folientechnologie lassen und Algorithmen für das maschinelle sich Produkte ganz anders konzipieren. Sie Lernen werden die Beschichtungs könnten effizienter produziert werden, sind anlagen der Zukunft sowohl sehend kleiner und gewichtssparender als bislang. Das Ergebnis: Kunden und Verbraucher er- als auch intelligent.“

leben ein völlig neues User-Erlebnis.“ © Coatmaster Zielmärkte für diese einzigartigen Schnitt- stellen zwischen Mensch und Maschine sieht Nanogate vor allem in Märkten wie schmutzvorgaben mit Partikelgrößen im ner Reinigungsanlage ermöglicht. Solche Mobility, Home Appliances und Consumer µm-Bereich, die aufgrund der nachgela- komplexeren Verfahren setzen aber kun- Electronics. Das Unternehmen erwartet, gerten Produktionsprozesse notwendig denspezifische (Vergleichs-)Tests mit un- solche Komponenten im dritten Quartal sind.“ Für diese Anforderungen hat das terschiedlichen Verfahrensschritten vo- am Standort Fohnsdorf in Österreich pro- Unternehmen eine Technologie entwi- raus, die im Labor qualifiziert werden. duzieren zu können. Die Zukunft ist also ckelt, die eine Verwendung von Lösemit- Deshalb hat Hemo in sein Technikum in- nicht mehr fern. tel und wässrigen Medien innerhalb ei- vestiert: „Nur so können wir künftig ge-

Selbstoptimierende Beschichtungsanlagen

Für die Messtechnik blickt Prof. Dr. Nils A. Reinke, Co-CEO der Coatmaster AG, in die Zukunft: „In der kommenden Dekade wird der Druck zur Digitalisierung und Automatisierung in der Oberflächentech- nik weiter anwachsen. Mit einer Kombina- Informieren Sie sich jetzt: tion aus bildgebender Schichtdickenmes- VACUDEST ZLD! sung und Algorithmen für das maschinel- Für Ihren Weg in eine le Lernen werden Beschichtungsanlagen abwasserfreie Produktion. sowohl sehend als auch intelligent. Dieser neue Anlagentyp wird in der Lage sein, aus seinen Fehlern zu lernen und sich selbst zu optimieren. Dadurch wird eine stets perfekte Schichtdickenverteilung bei einem hocheffizienten Materialeinsatz er- möglicht. Gleichzeitig werden Fehlerquo- ten und Betreuungsaufwand auf ein Mini- mum reduziert.“ Die zunehmende digitale Vernetzung wird es ermöglichen, dass ein Produktionsleiter mehrere Beschich- tungsanlagen betreuen kann – und das weltweit. Effiziente Abwasseraufbereitung mit VACUDEST Vakuumverdampfern. Teilereinigung: Immer reiner Schonen Sie unsere Profitieren Sie von einer knappen Frischwasser- abwasserfreien Produktion Die Zukunftsperspektiven und -trends ressourcen und sparen mit VACUDEST Vakuum- der Teilereinigung beschreibt Andreas Sie bares Geld. destillationssystemen! Fritz, Geschäftsführer der Hemo GmbH: „In einigen Bereichen wie Medizin- und Lebensmitteltechnik geht der Trend ein- H2O GmbH | Germany | Telefon: +49 7627 9239-0 deutig in Richtung hochreine Oberflä- [email protected] | www.h2o-de.com chen. Hier gelten immer strengere Rest-

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meinsam mit den Anwendern maßge- schneiderte, hocheffiziente Lösungen entwickeln, die den steigenden Anfor- derungen gerecht werden.“

Nachholbedarf bei Andreas Fritz, Digitalisierung aufholen Geschäftsführer der Hemo GmbH: „In einigen Bereichen der Die Wissenschaft beobachtet die Zu- Teilereinigung wie Medizin- und kunftstrends nicht nur, sondern setzt Lebensmitteltechnik geht der Trend sie auch. Dr. Stefan Dieckhoff, Abtei- eindeutig in Richtung hochreine lungsleiter Adhäsions- und Grenzflä- Oberflächen.“ chenforschung des Fraunhofer Insti- tutes für Fertigungstechnik und An-

© Hemo gewandte Materialforschung IFAM, weist jedoch darauf hin, dass die Trends in der Oberflächentechnik derzeit stark durch externe Impulse bestimmt werden: „Dazu zählen die Notwendigkeit zum effizienteren Um- gang mit Ressourcen und neue Gesetz- gebungen. Dem überlagert sind bereits laufende interne Prozesse wie etwa die fortschreitende Digitalisierung der Produktionsabläufe, die Verarbei- tung additiv gefertigter Produkte oder auch neue Geschäftsmodelle.“ Dr. Stefan Dieckhoff, Abteilungsleiter Bei der Digitalisierung registriert Dr. Adhäsions- und Grenzflächen Stefan Dieckhoff noch großen Nach- forschung des Fraunhofer IFAM: holbedarf. Zugleich sieht er hier viel- „Die Trends in der Oberflächen versprechende neue Forschungsinitiati- technik werden derzeit stark durch ven. Sie haben unter anderm zum Ziel, externe Impulse bestimmt. Dazu Expertenwissen zum Kleben, Lackie- gehören die Notwendigkeit zum ren und zur Oberflächenbehandlung effizienteren Umgang mit Ressourcen mit innovativen Algorithmen zur Da- tenauswertung zu verknüpfen. und neue Gesetzgebungen.“ Ein weiteres zukünftiges Handlungs-

© Fraunhofer IFAM Fraunhofer © feld wird die Oberflächenbehandlung von additiv in großen Stückzahlen ge- fertigten Bauteilen sein: „Zur Nutzung von Wettbewerbsvorteilen kommt hier der Digitalisierung der gesamten Pro- duktionskette – einschließlich al- ler oberflächentechnischen Vor- und Nacharbeiten sowie einer automa- tisierten Qualitätssicherung – eine Schlüsselrolle zu.“ Damit wird ein Handlungsfeld für innovative Herstel- ler und auch Dienstleister der Branche Prof. Herrmann, aufgezeigt. Leiter des Fraunhofer IST: „Digitalisierung und Big Data- Big Data und Kreislaufwirtschaft Konzepte werden als Innovations als Innovationstreiber treiber neue ökonomische und ökologische Potenziale eröffnen. Prof. Dr. Christoph Herrmann, Insti- Außerdem wird die Oberflächen tutsleiter des Fraunhofer-Instituts für technik den Anforderungen einer Schicht- und Oberflächentechnik IST nachhaltigen Kreislaufwirtschaft und des Instituts für Werkzeugmaschi- genügen müssen.“ nen und Fertigungstechnik (IWF) der

12 JOT 7-8 I 20 Oberflächentechnik den Anforderungen Glückwünsche zum Jubiläum einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft ge- nügen müssen.“ „Wir freuen uns darauf, dass die JOT die Entwicklungen auch in Zukunft mit fachlich fun dierten Beiträgen begleiten wird. Dürr bedankt sich herzlich für 60 spannende Jahre und Es gibt viel zu tun wünscht der JOT eine lange Fortsetzung ihrer Erfolgsgeschichte!“ Dr. Jochen Weyrauch, stellvertretender Vorstandsvorsitzender der Dürr Aktiengesellschaft und Zieht man ein Resümee der Expertenmei- CEO der Dürr Systems AG nungen, kann man feststellen: Von der Digitalisierung wird das größte Entwick- lungspotenzial erwartet, und auch die „Bei dieser Gelegenheit möchten wir dem gesamten Team der JOT zum 60. Geburtstag wachsende Bedeutung des Themenfelds ihres wertvollen Branchenmagazins herzlich gratulieren.“ Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft Andreas Fritz, Geschäftsführer, Hemo GmbH wird große Veränderungen nach sich zie- hen und die Branche beschäftigen. Außer- dem sind neue Entwicklungen bei funktio nalen oder sogar intelligenten Oberflächen sierung den größten „Hebel“ für künftigen wicklungszyklen verkürzen und Ressourcen zu erwarten. Fortschritt: „Digitalisierung und Big Data- schonen, und digitale Zwillinge werden ein Es gibt also viel zu tun. Welcher der ge- Konzepte werden auch in der Oberflächen- schnelles, effizientes und höchst präzises nannten Aspekte und Faktoren wie stark technik Innovationstreiber sein und neue Design von Hochleistungsschichtsystemen auf die Oberflächentechnik wirkt, wird ökonomische und ökologische Potenziale er- und Oberflächen ermöglichen. sich zeigen. Die Zukunft kann man nicht öffnen, ebenso wie die Kombination ober- Neben der Digitalisierung ist die Nachhal- voraussagen. Sicher aber ist ist eins: Wel- flächentechnischer Verfahren und deren In- tigkeit ein Faktor, in dem der Leiter des che Trends es auch sein werden – die JOT tegration in Prozessketten.“ Zudem werden Fraunhofer IST großes Entwicklungspo- wird darüber berichten. // – so Professor Herrmann – Modellierung, Si- tenzial sieht: „Als integraler Bestandteil Gerald Scheffels, mulation, KI und maschinelles Lernen Ent- der jeweiligen Produktionskette wird die Fachjournalist, Wuppertal

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13 Rückblick

60 Jahre JOT I Rückblick

Dünne Schichten für eine bessere Welt – Eine Zeitreise durch vier Jahrzehnte

In der Geschichte der Dünnschichttechnologie wurden zahlreiche Meilensteine erreicht, die in den letzten vier Jahrzehnten zu einer Revolution in der Informations- und Unterhaltungsbranche geführt haben. Zudem konnten mittels dünner Schichten viele Fertigungsprozesse optimiert sowie Arbeitsbedingungen verbessert werden.

Prof. Dr. Günter Bräuer

Zur Sicherung einer nachhaltigen Ent- gibt es für etwa die Hälfte dieses Preises die auf den Eigenschaften dünner Schich- wicklung auf ökonomischer, sozialer und ein ähnlich großes Kästchen, mit dem ten beruhen, haben eine Revolution in der ökologischer Ebene trat am 1. Januar 2016 man das Wissen der Welt abfragt, Nach- Welt der Information und Unterhaltung die erste globale Entwicklungsagenda der richten empfängt oder sendet, Videos bewirkt. Sie haben weiterhin zur Opti- Vereinten Nationen „Ziele für nachhaltige schaut und sogar in hoher Qualität foto- mierung vieler Fertigungsprozesse und Entwicklung“ (Sustainable Development grafiert. Nebenbei lässt sich damit auch der Schaffung besserer Arbeitsbedingun- Goals) in Kraft. Sie hat eine Laufzeit von telefonieren. gen in den Werkhallen beigetragen. Mo- 15 Jahren und gilt für alle Staaten. Mitgeholfen hat bei dieser und ähnli- derne Glasarchitektur ist durch dünne Von den 17 dokumentierten Zielen sind chen atemberaubenden Entwicklungen Schichten erst möglich geworden. Zudem mindestens 8 direkt oder indirekt mit die Dünnschichttechnologie. Produkte, leisten sie einen entscheidenden Beitrag Oberflächenfunktionalisierung beziehungsweise Beschichtungen verknüpft. Dies zeigt einmal mehr die enorme Be- deutung der Oberflächentechnik als Quer- schnitts- und Schlüsseldisziplin. Während der letzten vier Jahrzehnte wurden hier in fast jeder Branche Meilensteine erreicht und stetig neue Anwendungsfelder er- schlossen. Dazu gehören aktuell Batterie- und Wasserstofftechnologie sowie die Le- benswissenschaften mit den Schwerpunk- ten Gesundheit, Ernährung und sauberes Trinkwasser.

Dünnschichttechnologie als Innovationstreiber © Fraunhofer IST Fraunhofer © Als Mitte der 1970er die ersten Taschen- rechner mit wissenschaftlichen Funktio nen auf den Markt kamen, kosteten sie Bild 1 > Bohrtests zeigen deutlich die Überlegenheit von TiN- und TiAlN-Schichten gegenüber zwischen 1500 und 2000 DM. Heute dem unbeschichteten Werkzeug.

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Bild 2 > Aufbau von CD/CD-ROM (oben) und doppellagiger wiederbeschreibbarer DVD-8,5 RW (unten).

bei dem Wechsel von fossiler zu regene- rativer Energie. Dünne Schichten überdecken einen Be- reich zwischen etwa 10 nm und 10 µm, wobei die Grenzen fließend sind. Sie kom- men in unterschiedlichsten Anwendungs- bereichen zum Einsatz und können viel- fältige Funktionen übernehmen, zum Bei- spiel: ●● Reibung und Verschleiß reduzieren ●● Optik verbessern ●● warmhalten oder kühlen ●● Korrosion hemmen ●● Sauberkeit sichern ●● Bild und Ton erzeugen ●● Informationen speichern ●● Energie wandeln ●● Störgeräusche reduzieren

Reib- und verschleißarme Kohlenstoffmodifikationen

Begeben wir uns auf eine Zeitreise durch IST Fraunhofer © die Welt der dünnen Schichten, gelangen wir an zahlreiche Stationen, die das heu- tige Leben und die industrielle Entwick- tion aus dem Jahr 1987 [1] wird die deut- dar. Diamantähnliche Kohlenstoffschich- lung entscheidend geprägt haben. Wir liche Überlegenheit von TiN- und TiAlN- ten (diamond-like carbon oder DLC), ei- beginnen unsere Reise im Jahr 1980 mit Schichten gegenüber dem unbeschichteten ne amorphe Mischung aus den beiden einem Meilenstein in der Werkzeugbe- Werkzeug demonstriert (Bild 1). Basisallotropen Graphit und Diamant, er- schichtung: Das Unternehmen Gühring Reibung, Verschleiß und Korrosion sind reichen Härten bis 4.000 HV bei Reibkoef- stellte die ersten TiN-beschichteten Boh- Phänomene, die Lebensdauer, Belastbar- fizienten um 0,1. Mitte der neunziger Jah- rer vor. Mit einer Mikrohärte von 2000 bis keit und Einsatzgrenzen von Bauteilen re wurden DLC-Schichten erstmalig auf 2500 HV (etwa viermal so hart wie gehär- und Werkzeugen bestimmen. Der entspre- Automobilkomponenten für die Diesel- teter Stahl) und einer Arbeitstemperatur chende volkswirtschaftliche Verlust wird hochdruckeinspritzung eingesetzt, sie ha- bis 500 °C ist TiN heute der „Klassiker“ in hochentwickelten Industrieländern auf ben damit wesentlich zur Leistungsfähig- unter den Hartstoffschichten. Die Goldfar- 2 bis 3 % des Bruttosozialprodukts ge- keit heutiger Dieselmotoren beigetragen. be macht es zudem attraktiv für dekorati- schätzt – in Deutschland sind dies rund ve Anwendungen. 50 Mrd. Euro jährlich. Optische Datenträger – Auf TiN folgte einige Jahre später TiAlN Die Entwicklung von reib- und ver- Von der Schallplatte zur Blu-ray mit einer Mikrohärte bis über 3000 HV schleißarmen Kohlenstoffmodifikationen und einer Erweiterung des Arbeitstempe- stellt seit Mitte der achtziger Jahre einen Auch im Bereich der Datenspeicherung raturbereichs bis 800 °C. In einer Publika- Schwerpunkt der Dünnschichttechnologie spielt die Dünnschichttechnologie eine

27 60 Jahre JOT I Rückblick © links: Leybold-Heraeus; Mitte: Leybold-Heraeus, Mitte: Leybold-Heraeus; links: © Singulus rechts:

Bild 3 > Metallisierung von Compact Discs in Batch-Anlagen 1983 (links) sowie Kurztaktanlagen 1987 (Mitte) und 1998 (rechts).

bedeutsame Rolle. Die Schallplatte hatte lich der Datendichte auf optischen Spei- wirkt, die hohe Transmission im sichtba- gerade ihren 100. Geburtstag gefeiert, als cherplatten einen weiteren Meilenstein ren Spektrum aber nur unwesentlich be- die Musikbranche eine neue Revolution darstellt. einflusst. Die Silberschicht wird dabei in erlebte: die Digital Audio Compact Disc. weitere Schutz- und Funktionsschichten Sie verdrängte innerhalb weniger Jahre Effiziente Wärmedämmverglasung „eingepackt“ (Bild 4). die schwarze Vinylscheibe vom Markt. durch eingebettete Silberschicht Heute gibt es vielfältige Ausprägungen Zum Auslesen benötigt die CD eine etwa von Low-E-Schichten (Bild 5), wobei ne- 55 nm dicke Aluminiumschicht (Bild 2). In den frühen achtziger Jahren intensi- ben den optischen und thermischen Ei- Der „Audio-Revolution“ folgte ein Para- vierten sich Entwicklungsarbeiten im Be- genschaften die Temper- und Biegbarkeit digmenwechsel in der Beschichtungs- reich der Wärmedämm-(Low-E) und Son- des beschichteten Glases im Vordergrund technik: Zwischen 1983 und 1987 lösten nenschutzbeschichtungen (Solar Control) steht. Sonnenschutzschichten verbinden Einzelplattenanlagen („Ringläufer“) die von Architekturglas. Modular aufgebau- auf ideale Weise Funktion mit Ästhetik. etablierten Batchanlagen ab, wobei Platz- te Durchlauf-Sputteranlagen für die Pro- Hier werden dünne metallische Absorber und Personalbedarf dramatisch reduziert zessierung der 3,21 m × 6,00 m „Jumbo- zwischen hochbrechenden Schutzschich- werden konnten (Bild 3). Seit 1997 gibt es Scheiben“ erlangten technologische Reife. ten eingesetzt; angepasste Schichtdicken die DVD, wobei ihre Vorläufer schon in Allein der Vakuumteil einer solchen An- führen über Interferenzeffekte zu einer den siebziger Jahren zu finden sind, denn lage ist heute 70 bis 80 Meter lang und breiten Palette von Farben. die Firma Bosch stellte bereits 1977 ei- enthält 25 bis 30 Magnetronkathoden. Pro Am 1. Januar 1995 trat die dritte Wärme- nen 30 cm Plattenspeicher vor, der 25.000 Stunde können bis zu 1500 Quadratmeter schutzverordnung in Kraft, die Neubau- Farbbilder speichern oder 17 Minuten Bild Floatglas beschichtet werden. ten oder Renovierungen ohne den Ein- und Ton aufzeichnen konnte. Herzstück einer effizienten Wärmedämm- satz beschichteter Fenster praktisch un- Wie bei allen späteren optischen Daten- verglasung ist, neben der Doppel- oder möglich machte. Erwartungsgemäß folgte trägern ist zum Lesen eine dünne Metall- Dreifachscheibenarchitektur, eine etwa 10 ein Boom bei der Produktion von Wärme- schicht als Reflektor für den Laser not- bis 12 nm dicke Silberschicht, die als Spie- dämmglas und der Installation entspre- wendig. Seit 2008 ist die Blu-ray Disc gel für die Temperaturstrahlung im Fer- chender Anlagen. Der Wärmedämmwert

(BD) im Handel erhältlich, die hinsicht- nen Infrarot (Raumtemperaturstrahlung) UG richtet sich dabei nach den verschiede- © Fraunhofer IST Fraunhofer © © Fraunhofer IST Fraunhofer ©

Bild 4 > Klassische Variante einer Wärmedämmbeschichtung (Low-E) in einer

Doppelverglasung. Bild 5 > Low-E-Beschichtung mit Si3N4 als Deckschicht.

28 JOT 7-8 I 20 nen Verglasungen – von der Einzelscheibe bis zur heute weit verbreiteten Dreifach- verglasung mit zwei beschichteten Schei- ben (Bild 6).

Magnetronsputtertechnik erschloss neue Anwendungsbereiche

Die vielfältigen neuen Anwendungen vor allem im Bereich der Tribologie, der optischen Datenspeicher sowie der energie- sparenden Verglasung stellten die entspre- chenden Beschichtungsprozesse vor enorme Herausforderungen. Die Entwicklung © Fraunhofer IST Fraunhofer © der Magnetronkathode bis hin zur indus triellen Reife, die vor allem gegen Ende der siebziger Jahre stattfand, hatte die wirt- schaftliche Applikation von Schichten auf großen Substratflächen und für hohe Bild 6 > Entwicklung des Wärmedämmwertes UG für die verschiedenen Verglasungen. Stückzahlen erst möglich gemacht. Ein Problem blieb weiterhin die langzeit- stabile Deposition von hochohmigen oder Oxide und Nitride darstellt. Das Puls- aus SiO2 und TiO2, ein ähnliches System isolierenden Verbindungsschichten wie Magnetron-Sputtern nutzt zwei identi- wird heute von dem Unternehmen Glas

SiO2, Al2O3 oder Si3N4. Bei den auf Nie- sche Sputterkathoden, zwischen denen Trösch unter der Marke Luxar [3] vertrie- derdruckplasmen gestützten Beschich- das Plasma im Mittelfrequenzbereich ben. Die Wirkung von entspiegeltem und tungstechnologien ist das Plasma Teil ei- (10 kHz bis 100 kHz) geschaltet wird. damit „unsichtbarem“ Glas demonstriert nes Strompfads, wobei die Elektroden in In jeder Halbwelle wirkt eine der beiden Bild 8. industriellen Anlagen beim Sputtern ei- Plasmaquellen als Anode, so dass ein sta- nerseits vom Sputtertarget (Kathode) und biler Strompfad aufrechterhalten werden Flachbildschirme und andererseits von den Kammerwänden ge- kann [2]. Dünnschicht-Solarzellen bildet werden. Wachsen auf den Elektro- Neuen Beschichtungstechnologien folgen den isolierende Schichten auf, so wird der neue Produkte und neue Anwendungen. In den Jahren zwischen 1990 und 2010 Strompfad hochohmig. Bei Plasmaanre- So wurde die Wärmedämmbeschichtung wurde intensiv an Schichtanwendungen gung durch Gleichspannung bilden sich auf der Basis von TiO2 und Si3N4 erst mit gearbeitet, die man unter dem Begriff Bogenentladungen (Arcing) sowie driften- der Pulssputtertechnik möglich. Die Ent- „Großflächenelektronik“ zusammenfas- de Potenziale (verschwindende Anode). spiegelung großer Glasflächen, zum Bei- sen kann. Flachbildschirme und Dünn- In mehreren Entwicklungsgruppen gleich- spiel für Vitrinen oder Schaufenster, war schicht-Solarzellen sind die herausragen- zeitig wurde in den neunziger Jahren an bis zur Einführung des Puls-Magnetron- den Produkte aus dieser Kategorie. Eine einer Lösung gearbeitet, die noch im glei- Sputterns der von Schott entwickelten Sol- Schlüsselrolle für die Großflächenelektro- chen Jahrzehnt industrielle Verbreitung Gel-Tauchtechnik vorbehalten. nik spielen transparente Leiter, unter de- fand und heute den Standard in der Ma- Bild 7 zeigt die spektrale Reflexion eines nen das Indium-Zinn-Oxid (In2O3-SnO2) gnetronsputtertechnik für dielektrische sogenannten Breitband-Antireflexsystems wegen seines niedrigen elektrischen Wi- © Fraunhofer IST Fraunhofer © Balhorn© U.

Bild 7 > Reflexionsverlauf einer gesputterten Breitbandentspiegelung Bild 8 > Entspiegeltes Glas (links) weist eine besonders niedrige Licht auf Floatglas. reflexion auf und bietet daher maximale Transparenz und Durchsicht.

29 60 Jahre JOT I Rückblick

Bild 9 > Das OLED-Display erlaubt die Realisierung von flexiblen Großbildschirmen.

ganic Light Emitting Diode) als Nachfol- ger des LCD erlaubt die Realisierung von flexiblen Großbildschirmen Bild( 9) und wird vermutlich die zukünftigen Märkte dominieren. Die Dünnschicht-Photovoltaik boom- te vor allem zwischen 2000 und 2010. In Deutschland entstanden erhebliche Pro- duktionskapazitäten für die verschiedenen Zellvarianten mit den Absorber- schichten aus a-Si, CdTe und CIS. Mit dem Zusammenbruch der Märkte in der zwei- ten Hälfte des ausgehenden Jahrzehnts er- starben jedoch auch die Entwicklungsak- tivitäten. Heute wird an neuen Konzepten, beispielsweise auf Basis von Perovskiten, gearbeitet.

Magnetronzerstäubung schließt Lücke zwischen Dampfen und Ionenstrahlzerstäubung

Präzisionsoptische Schichten gehören bereits seit etwa 60 Jahren zum Alltag der optischen Industrie und zählen somit zum

© Günter Bräuer „Urgestein“ der Dünnschichtanwendun- gen. Sie gehen zurück auf Pionierarbei- ten von Alexander Smakula (Patent zur derstands (beste Werte des spezifischen ther glass“). Die Substratabmessungen la- Entspiegelung optischer Flächen bei Zeiss Widerstands liegen um 100 µΩcm) das be- gen 1990 bei 300 mm × 400 mm und be- Jena um 1935) sowie Walter Geffcken und gehrteste Material ist. Heute finden sich tragen heute 3200 mm × 3600 mm. Unter Marga Faulstich (diverse Patente zur Inter- etwa drei Viertel des geförderten Indiums den verschiedenen Displaytypen hat sich ferenzoptik bei Schott in Mainz zwischen in Schichten für Flachbildschirme. das Liquid Crystal Display (LCD) durchge- 1939 und 1942). In der Displaytechnologie gab es eine kon- setzt; die Anzahl der produzierten LCD- Interferenzsysteme bestehen aus niedrig- tinuierliche Weiterentwicklung hinsichtlich Fernseher stieg von 50.000 in 2006 auf brechenden Oxiden wie MgF2, SiO2 und der zu prozessierenden Glasformate („mo- 250.000 in 2015. Das OLED-Display (Or- hochbrechenden Oxiden wie Ta2O5 oder

TiO2. Traditionell wird die Welt der Prä- zisionsoptik durch das Vakuumverdamp- fen dominiert. Die Depositionsraten sind hoch und die Prozesse seit Jahrzehnten industriell ausgereift. Verdampfte Atome besitzen allerdings nur etwa 10 Prozent der Energie eines zerstäubten Atoms, wo- durch Dichte und Haftfestigkeit der er- zeugten Schichten negativ beeinflusst werden können. Am anderen Ende der Skala steht die Ionenstrahlzerstäubung (Ion Beam Sputtering oder IBS) mit her- ausragenden Schichteigenschaften, aber niedriger Produktivität. Die Bedeutung des Begriffs „Präzision“ in der Präzisionsoptik hat in den vergangenen Jahren eine starke Wandlung erfah- ren. Um 1980 war „Präzisionsoptik“ ver- © Fraunhofer IST Fraunhofer © bunden mit Schichtdickentoleranzen von Bild 10 > Schema der Sputteranlage EOSS. 2 bis 3 % bei typischerweise 50 Einzel-

Bild 11 > Die Deposition der dielektrischen Materialien Bild 12 > Strahlteiler für den Einsatz in Weltraumanwendungen. erfolgt von Doppelrohr-Magnetronkathoden.

schichten, heute versteht die Fachwelt da- nimieren. Die Deposition der dielektri- ten sich die Entwickler in den vergange- runter Schichtdickentoleranzen von we- schen Materialien erfolgt von Doppelrohr- nen dreißig Jahren weiteren Herausforde- niger als 0,5 % bei 100 bis 1000 Einzel- magnetrons (Bild 11). Es sind verschiede- rungen zu stellen. schichten. ne Prozessvarianten von metallisch bis In Zukunft werden die Themen Energie- Mit den ständig steigenden Anforderun- vollreaktiv möglich. speicher und Wasserstofftechnologie die gen stößt das etablierte Aufdampfen zu- Die Entwicklungsaufgaben auf dem Ge- Oberflächentechnik besonders stark be- nehmend an seine Grenzen. Magnet- biet präzisionsoptischer Beschichtungen schäftigen. Auch unter dem Aspekt der ronzerstäubung mit wirtschaftlichen sind vielfältig und komplex. So weist bei- ambitionierten Wünsche zur Verbreitung Depositionsraten und Schichten hoher spielsweise ein Strahlteiler mit 120 mm von Elektrofahrzeugen könnte der „Groß- Qualität wird in Zukunft die Lücke zwi- Durchmesser, wie er für spektroskopische flächenelektronik“ eine „Großflächen schen Dampfen und Ionenstrahlzerstäu- Untersuchungen bei Weltraummissionen optik“ folgen. So wird die Wärmebelas- bung schließen. zum Einsatz kommt (Bild 12), im Spekt- tung der Fahrgastzelle eines Pkw zu zwei ralbereich von 400 nm bis 900 nm unter Dritteln durch die Verglasung verursacht. Comeback der Präzisionsoptik einem Einfallswinkel von 30° eine Refle- Die Dünnschichttechnologie hält entspre- xion von mehr als 98 % und gleichzeitig chende Lösungen schon bereit, doch bis Derzeit erlebt die Präzisionsoptik eine im NIR-Bereich von 920 nm bis 3200 nm zur Markteinführung sind noch einige Renaissance, da ein hoher Bedarf an Er- eine Transmission von mehr als 92 % auf. Hürden zu nehmen – insbesondere hin- satz bestehender Aufdampfanlagen durch Das System besteht aus insgesamt etwa sichtlich der Kosten. // Sputteranlagen erkannt wird. Bei der am 150 Einzelschichten auf beiden Seiten der Fraunhofer IST betriebenen EOSS-Platt- Komponente. form (EOSS = Enhanced Optical Sput- ter System) werden zehn Substrate mit Zusammenfassung und Ausblick Durchmessern von bis zu 200 mm aus ei- Literaturhinweise ner Einschleuskammer auf einen Drehtel- Harte und superharte Schichten, Wärme- [1] W.-D. Münz et al.: Industrieanzeiger ler geladen, der sich mit präzise einstellba- dämmung und Sonnenschutz für Archi- 13/1987 rer Geschwindigkeit bis 250 Umdrehungen tekturglas sowie optische Plattenspeicher [2] G. Bräuer et al.: Vacuum 84 (2010) pro Minute über den Zerstäubungs- bezie- prägten die Dünnschichtentwicklung in 1354-1359 hungsweise Plasmaquellen dreht (Bild 10). den achtziger und neunziger Jahren des [3] www.glastroesch/de/glas/470-luxar.html Diese „sputter-up“-Konfiguration soll die vergangenen Jahrhunderts. Mit der Dis- Partikelkontaminationen der Schicht mi- playtechnologie und der Photovoltaik hat-

Glückwunsch zum Jubiläum Autor

Kleinschmidt Florian © Das Journal für Oberflächentechnik berichtet seit 60 Jahren praxisnah und anwender Prof. Dr. Günter Bräuer orientiert neben vielen verwandten Themen auch über dünne Schichten. Die in diesem Institutsleiter Beitrag angesprochenen Themen hat es über Jahrzehnte begleitet. Gratulation zum Fraunhofer-Institut für Schicht- und Jubiläum und alles Gute für die nächsten Jahrzehnte! Oberflächentechnik IST, Braunschweig Fraunhofer IST – Bräuer [email protected] www.ist.fraunhofer.de