DE102007061419A1

DE102007061419A1 - Transparente Kunststofffolie zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen und Verfahren zum Herstellen einer solchen Kunststofffolie

Info

Publication number: DE102007061419A1
Application number: DE102007061419A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Fahland; Tobias Vogt; Nicolas Dr. Schiller; Waldemar SCHÖNBERGER; Steffen Dr. Ing. Günther; John Fahlteich
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-06-25
Also published as: CN101904232B; WO2009080139A1; US20100307812A1; US8535810B2; CN101904232A; JP2011507290A; KR20100095579A; KR101462302B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine transparente Kunststofffolie zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen, umfassend ein transparentes Foliensubstrat und ein Schichtsystem, welches mindestens eine Silber-Schicht aufweist, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kunststofffolie, wobei die Silber-Schicht zwischen zwei Nioboxid-Schichten eingebettet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine transparente Kunststofffolie, welche zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen geeignet ist, und ein Verfahren, mittels dem eine solche transparente Kunststofffolie hergestellt werden kann.
Geräte und Anlagen aus dem Bereich moderner Technologien wie beispielsweise Mobilfunk, Satellitenfernsehen, Mikrowellen- oder Radartechnik sind Quellen elektromagnetischer Felder. Diesen Feldern sind sowohl andere elektrische Geräte als auch biologische Systeme (Menschen, Tiere und Pflanzen) ausgesetzt, wodurch deren Funktionsfähigkeit bzw. deren Lebensqualität negativ beeinflusst werden kann.
Es ist bekannt, dass elektrische Geräte bezüglich der Beeinflussung durch elektromagnetische Strahlung geschützt werden können, und umgekehrt, dass die von elektrischen Geräten ausgehende elektromagnetische Störstrahlung unterdrückt werden kann.
Der Stand der Technik offenbart daher verschiedene Einrichtungen zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen, mittels denen entweder das Abstrahlen elektromagnetischer Felder vermindert oder das Einwirken von elektromagnetischen Feldern, die von anderen Einrichtungen erzeugt werden, reduziert werden kann.
Der Schutz vor elektromagnetischen Feldern beruht im Wesentlichen auf zwei physikalischen Prinzipien. Zum einen ist es möglich, elektromagnetische Felder mittels dielektrischer Materialien zu absorbieren. Zum anderen besteht aber auch die Möglichkeit, elektromagnetische Wellen mittels elektrisch leitenden Werkstoffen zu reflektieren.
Weit verbreitet ist die Methodik der Beschichtung von Gehäuseteilen mit elektrisch leitfähigen Schichten, bestehend aus Metallen, die den elektrischen Strom sehr gut leiten, wie beispielweise Kupfer oder Aluminium. Eine andere Methodik besteht im Verwenden von Verbundwerkstoffen, die elektrisch leitfähige Bestandteile enthalten. So sind beispielsweise Folien bekannt, die mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet sind ( DE 199 11 304 A1 ). Werden derartig beschichtete Folien beispielsweise auf dem Gehäuse eines elektrisch betriebenen Gerätes aufgebracht, können elektromagnetische Wellen, die auf das Gerät einwirken, abgeschirmt und somit die Funktionstüchtigkeit des Gerätes aufrechterhalten werden.
Viele moderne Geräte benötigen transparente Teile, um eine optoelektronische Funktion zu gewährleisten. Oftmals ist ein solches transparentes Teil als Anzeigeelement oder Bildschirm ausgebildet, der als Informationsschnittstelle dient. Für diese Anwendungsfälle sind die oben genannten weit verbreiteten Methoden der elektromagnetischen Abschirmung nicht anwendbar, weil sie nicht transparent sind.
Eine mögliche Alternative besteht in der Beschichtung eines transparenten Bauteils mit einer transparenten und leitfähigen Schicht, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid. Häufig weisen solche Schichten jedoch nur eine ungenügende Abschirmung bezüglich elektromagnetischer Strahlung auf. Der Grund hierfür liegt darin, dass die spezifische Leitfähigkeit solcher transparenter Schichten gegenüber den oben genannten Metallen deutlich nachsteht. Während die besten Schichten aus Indium-Zinn-Oxid einen spezifischen Widerstand von 1 × 10^–4 Ohmcm erreichen, liegt der Wert für Kupfer bei etwa 1.7 × 10^–6 Ohmcm und der für Aluminium bei etwa 2.6 × 10^–6 Ohmcm. Der spezifische Widerstand eines transparenten Oxids ist also viel größer. Ist ein zu beschichtendes Bauteil aus Kunststoff und nicht aus Glas, ist der Unterscheid noch größer. In dem Falle erreicht man wegen der nach oben hin begrenzten Temperaturen während des Beschichtungsvorgangs nur etwa 5 × 10^–4 Ohmcm bei der Verwendung von Indium-Zinn-Oxid.
Eine Verbesserung hinsichtlich des spezifischen Widerstands bieten sogenannte IMI-(Isolator-Metall-Isolator)-Schichtsysteme. Bei diesen Schichtsystemen wird die elektromagnetische Abschirmung nahezu ausschließlich durch die dünne Metallschicht, die zwischen den zwei Isolator-Schichten eingebettet ist, bewirkt. Als Metall werden meist Silber oder Silberlegierungen verwendet, in einigen Fällen auch Gold.
Eine Isolator-Schicht aus einem IMI-Schichtsystem kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Weit verbreitet ist Indiumoxid, dotiert mit 10% Zinnoxid (auch als ITO bezeichnet). Bekannt ist auch die Verwendung von Materialien wie Zinnoxid, Zinkoxid oder Titanoxid. Eine der Schwierigkeiten bei der Verwendung von IMI-Schichtsystemen ist der beschränkte spektrale Transmissionsbereich dieser Schichtsysteme. Üblicherweise versucht man, die Schichtdicken und die Schichteigenschaften der einzelnen Schichten so aufeinander abzustimmen, dass eine hohe Transmission im sichtbaren Spektralbereich, das heißt im Wellenlängenbereich des Lichts zwischen 380 nm und 780 nm, erreicht wird. Typische IMI-Schichtsysteme der Struktur ITO-Silber-ITO auf PET-Folie erreichen eine Transmission von über 80% bei der Lichtwellenlänge von 550 nm (Gesamttransmission einschließlich der Folie). Ein typischer Wert für die Schichtdicke der ITO-Schicht liegt dabei zwischen 30 nm und 40 nm. Der Transmissionswert an den Rändern des sichtbaren Spektralbereichs sinkt jedoch erheblich ab. Beispielsweise zeigt das oben genannte typische Schichtsystem ITO-Silber-ITO bei der Lichtwellenlänge von 400 nm eine Transmission von nur noch 60%.
Ein weiterer Nachteil solcher Schichtsysteme besteht darin, dass das Silber im Laufe der Zeit in benachbarte Schichten oder gar in ein Foliensubstrat diffundiert, wodurch die Transparenz und somit die Funktionalität des Schichtsystems negativ beeinflusst wird.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde eine transparente Kunststofffolie, umfassend ein Schichtsystem zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kunststofffolie, zu schaffen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere soll die Kunststofffolie eine langzeitstabile hohe Transparenz im gesamten sichtbaren Spektralbereich und das Schichtsystem eine hohe Haftfestigkeit auf dem Foliensubstrat aufweisen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 16. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Eine erfindungsgemäße transparente Kunststofffolie zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen, umfassend ein transparentes Foliensubstrat und ein Schichtsystem, welches mindestens eine Silber-Schicht aufweist, sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer solchen Kunststofffolie zeichnen sich dadurch aus, dass die Silber-Schicht zwischen zwei Nioboxid-Schichten eingebettet ist/wird. Unter einer Silber-Schicht im erfindungsgemäßen Sinne ist hierbei eine Schicht zu verstehen, deren Silberanteil höher als 50% ist. Eine Silber-Schicht kann daher sowohl eine reine Silber-Schicht, eine Silber-Schicht, die Dotierungselemente aufweist oder auch eine Silberlegierung sein.
Bei der Gestaltung der Silber-Schicht-Dicke sind zwei gegenläufige Aspekte zu beachten. Für eine hohe Transparenz wäre es vorteilhaft, wenn die Silber-Schicht so dünn wie möglich ist. Die Silberschicht sollte daher nicht dicker als 20 nm sein. Für eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Silber-Schicht und somit für gute Abschirmeigenschaften gegenüber elektromagnetischen Wellen ist hingegen eine dicke Silber-Schicht vorteilhaft. Die Silber-Schicht sollte daher nicht dünner als 5 nm sein. Ein guter Kompromiss bezüglich hoher Transparenz einerseits und guter elektrischer Leitfähigkeit andererseits wird in einem Schichtdickenbereich von 8 bis 15 nm erzielt.
Hinsichtlich der Transparenz des Gesamtschichtsystems ist auch die Schichtdicke der Nioboxid-Schichten begrenzt. Die Nioboxidschichten sollten daher nicht dicker als 50 nm sein. Hervorragende Eigenschaften hinsichtlich der Transparenz werden bei den Nioboxidschichten in einem Schichtdickenbereich von 40 nm plus/minus 10 nm erreicht.
Beim Einbetten der Silber-Schicht zwischen zwei Nioboxid-Schichten konnten zwei weitere Vorteile beobachtet werden. So weist eine Nioboxid-Schicht eine hohe Haftfestigkeit sowohl gegenüber einer Kunststofffolie als auch gegenüber der Silber-Schicht auf, wodurch eine hohe Festigkeit des Schichtsystems erzielt wird. Des Weiteren verhindert eine Nioboxid-Schicht das Diffundieren von Partikeln aus der Silber-Schicht. Dadurch kann eine langzeitstabile Transparenz des Schichtsystems gewährleistet werden.
Bei einer Ausführungsform werden die Nioboxid-Schichten auf der der Silber-Schicht zugewandten Seite unterstöchiometrisch ausgebildet. Der Sauerstoffmangel in diesen unterstöchiometrischen Bereichen der Nioboxidschicht schränkt das Oxidieren von Silberpartikeln, die an die Nioboxid-Schichten angrenzen, ein. Das Oxidieren von Silberpartikeln kann sowohl die Transparenz als auch die elektrische Leitfähigkeit der Silber-Schicht negativ beeinflussen und wird durch das Ausbilden von unterstöchiometrischen Nioboxid-Schichtbereichen unterbunden.
Eine Nioboxid-Schicht kann daher bezüglich der Stöchiometrie als Gradientenschicht ausgebildet sein, so dass die Nioboxid-Schicht auf der Silber-Schicht-Seite unterstöchiometrisch und hin zur anderen Seite stöchiometrisch ausgebildet ist. Der Übergang vom unterstöchiometrischen Bereich hin zum stöchiometrischen Bereich kann dabei kontinuierlich oder aber auch in Stufen erfolgen. Alternativ kann eine Nioboxid-Schicht aus zwei Teilschichten bestehen, wobei angrenzend an die Silber-Schicht eine unter stöchiometrische Nioboxid-Teilschicht und daran anschließend eine stöchiometrische Nioboxid-Schicht abgeschieden werden. Die stöchiometrische Teilschicht bzw. der stöchiometrische Bereich einer Nioboxid-Schicht kann beispielsweise als Nb₂O₅ ausgebildet werden. Für den unterstöchiometrischen Bereich einer Nioboxid-Schicht bzw. für die unterstöchiometrische Nioboxid-Teilschicht sind Schichtdicken von bis zu 5 nm geeignet. Vorteilhaft liegen diese Schichtdicken in einem Bereich von 2 bis 3 nm.
Geeignet für das Abscheiden von Silber-Schicht und Nioboxid-Schichten sind Sputterverfahren, insbesondere weil sich mit diesen Verfahren auch die sehr dünnen unterstöchiometrischen Nioboxid-Schichtbereiche bzw. -Teilschichten präzise mit sehr geringen Schichtdickentoleranzen abscheiden lassen.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen transparenten Kunststofffolie;
2 eine graphische Darstellung des Transmissionsspektrums der erfindungsgemäßen transparenten Kunststofffolie aus 1;
3 eine schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen transparenten Kunststofffolie.
In 1 ist schematisch eine transparente Kunststofffolie 11 zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen dargestellt. Auf einem 75 μm dicken Foliensubstrat 12 aus PET wurde zunächst eine Nioboxid-Schicht 13 abgeschieden. Die Nioboxid-Schicht 13 besteht aus zwei Teilschichten, einer an das Foliensubstrat 12 angrenzenden 30 nm dicken stöchiometrischen Nioboxid-Teilschicht 14 aus Nb₂O₅ und einer darauf abgeschiedenen nur 3 nm dicken unterstöchiometrischen Nioboxid-Teilschicht 15 aus Nb₂O_x (X < 5). Auf der Nioboxid-Schicht 13 befindet sich eine 12 nm dicke Silberschicht 16, an die eine weitere Nioboxid-Schicht 17 angrenzt. Auch die Nioboxid-Schicht 17 weist eine nur 3 nm dicke unterstöchiometrische Nioboxid-Teilschicht 18 aus Nb₂O_x (X < 5) auf und eine darauf abgeschiedene 30 nm dicke stöchiometrische Nioboxid-Teilschicht 19 aus Nb₂O₅. Alle Schichten und Teilschichten wurden mittels eines Magnetron-Sputterverfahrens abgeschieden.
Die Kunststofffolie 11 zeichnet sich durch eine hohe Haftfestigkeit der einzelnen Schichten und Teilschichten aus und ist durch eine hohe Transparenz im sichtbaren Bereich charakterisiert. Die Transmission der Kunststofffolie 11 ist in 2 graphisch über einen Wellenlängenbereich abgebildet. Aus 2 ist zu erkennen, dass die maximal erreichte Transmission der Kunststofffolie 11 deutlich über 80% liegt. Weiterhin ist zu erkennen, dass über den gesamten sichtbaren Spektralbereich, das heißt im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm, eine Transmission oberhalb von 70% aufrechterhalten werden kann. Zum Vergleich: Die Transmission des unbeschichteten PET-Foliensubstrats 12 beträgt über den sichtbaren Spektralbereich 88%.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer transparenten Kunststofffolie 31 zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen. Kunststofffolie 31 umfasst ein 75 μm dickes Foliensubstrat 32 aus PET und zwei 40 nm dicke Nioboxid-Schichten 33 und 37, zwischen die eine 12 nm dicke Silber-Schicht 36 eingebettet ist. Die Nioboxid-Schichten 33 und 37 sind als Gradientenschichten derart ausgebildet, dass diese auf der der Silber-Schicht 36 zugewandten Seite als unterstöchiometrische Schicht Nb₂O_x (X < 5) und auf der der Silber-Schicht 36 abgewandten Seite als stöchiometrische Schicht Nb₂O₅ ausgebildet sind. Dabei ändert sich der Stöchiometriegradient innerhalb einer Schichtdicke von 5 nm angrenzend an die Silber-Schicht 36 kontinuierlich von der unterstöchiometrischen bis hin zu einer vollständig stöchiometrischen Zusammensetzung. Auch hierbei wurden alle Schichten mittels eines Magnetron-Sputterverfahrens abgeschieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19911304 A1 [0006]

Claims

Transparente Kunststofffolie zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen, umfassend ein transparentes Foliensubstrat und ein Schichtsystem, welches mindestens eine Silber-Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Schicht zwischen zwei Nioboxid-Schichten eingebettet ist.
Kunststofffolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten auf der der Silber-Schicht zugewandten Seite unterstöchiometrisch ausgebildet sind.
Kunststofffolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten auf der der Silber-Schicht abgewandten Seite stöchiometrisch ausgebildet sind.
Kunststofffolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten jeweils aus zwei Teilschichten bestehen, bei denen jeweils die der Silber-Schicht zugewandte Seite einer Teilschicht unterstöchiometrisch und die der Silberschicht abgewandte Seite stöchiometrisch ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der stöchiometrische Bereich einer Nioboxid-Schicht oder -Teilschicht als Nb₂O₅ ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten einen Gradienten derart aufweisen, dass ein Übergang vom unterstöchiometrischen Schichtbereich zum stöchiometrischen Schichtbereich hin ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang kontinuierlich ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang stufenweise ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Schicht mit einer Dicke von 5 bis 20 nm ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Schicht mit einer Dicke von 8 nm bis 15 nm ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der unterstöchiometrische Bereich einer Nioboxid-Schicht oder eine unterstöchiometrisch ausgebildete Nioboxid-Teilschicht mit einer Dicke von bis zu 5 nm ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der unterstöchiometrische Bereich einer Nioboxid-Schicht oder eine unterstöchiometrisch ausgebildete Nioboxid-Teilschicht mit einer Dicke von 2 nm bis 3 nm ausgebildet ist.
Kunststofffolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten mit einer Dicke von bis zu 50 nm ausgebildet sind.
Kunststofffolie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten mit einer Dicke von 30 bis 50 nm ausgebildet sind.
Kunststofffolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberschicht und die Nioboxidschichten durch Sputtern abgeschieden sind.
Verfahren zum Herstellen einer zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen geeigneten transparenten Kunststofffolie, umfassend ein transparentes Foliensubstrat und ein Schichtsystem, welches mindestens eine Silber-Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Schicht zwischen zwei Nioboxid-Schichten abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten auf der der Silber-Schicht zugewandten Seite unterstöchiometrisch ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten auf der der Silber-Schicht abgewandten Seite stöchiometrisch ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten jeweils in zwei Teilschichten abgeschieden werden, bei denen jeweils die der Silber-Schicht zugewandte Seite einer Teilschicht unterstöchiometrisch und die der Silberschicht abgewandte Seite stöchiometrisch ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der stöchiometrische Bereich einer Nioboxid-Schicht oder -Teilschicht als Nb₂O₅ ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten mit einem Gradienten derart abgeschieden werden, dass ein Übergang vom unterstöchiometrischen Schichtbereich zum stöchiometrischen Schichtbereich hin ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Schicht mit einer Dicke von 5 nm bis 20 nm ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Schicht mit einer Dicke von 8 nm bis 15 nm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der unterstöchiometrische Bereich einer Nioboxid-Schicht oder eine unterstöchiometrisch ausgebildete Nioboxid-Teilschicht mit einer Dicke von bis zu 5 nm ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der unterstöchiometrische Bereich einer Nioboxid-Schicht oder eine unterstöchiometrisch ausgebildete Nioboxid-Teilschicht mit einer Dicke von 2 nm bis 3 nm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten mit einer Dicke von bis zu 50 nm ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nioboxid-Schichten mit einer Dicke von 30 bis 50 nm ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberschicht und die Nioboxidschichten durch Sputtern abgeschieden werden.