Dekorative Oberflächenveredelung mit PVD-Technologien

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1 Frank Hollstein, Jana Scholz, Rudolf Förster, Klaus Seibt Hochschule Zittau/Görlitz (FH) - Institut für Oberflächentechnik Dekorative Oberflächenveredelung mit PVD-Technologien 1 Oberflächenveredelung mit PVD-Dünnschichttechnik 2 Licht und Farbe 3 Farben von PVD-Schichten Eigenfarben Interferenzfarben 4 Ergebnisse am Beispiel der Mg-Oberflächenveredelung Zusammenfassung und Ausblick 1 Oberflächenveredelung mit PVD-Dünnschichttechnik PVD = Physical Vapour Deposition Dünnschichttechnik steht als Teildisziplin der Oberflächentechnik für alle technischen Methoden, Verfahren und Technologien -zur Erzeugung von Dünnschichten, -zur stofflichen und/oder strukturellen Modifizierung randzonennaher Bereiche fester Körper sowie für die Anwendung -dazu notwendiger Anlagentechnik und -Oberflächenanalytik für die Qualitätssicherung.

2 0 100 nm 10 µm mittlere Schichtdicke Nanoschichten Dünnschichten Dickschichten Für Bereichseinteilung existiert keine Norm, die Einteilung steht jedoch im Konsenz mit überwiegend praktischen und industriellen Vorstellungen. Schichtstärke: 0,1 bis 0,5 µm dekorativ 3 bis 10 µm funktionell Zigarettenpapier 0,03 mm menschl. Haar 0,05 mm Schweineborste 0,1 mm Deko-Schicht 0,0003 mm Zeitungspapier 0,08 mm Quelle: L. Siegert: Schichttechnologie für Praktiker, Zittau,

3 Relevante Funktionen von Dünnschichten -tribologischer Verschleißschutz / Kratzschutz -Reibungsminderung / Trockenschmierung -Korrosions- / Chemikalienschutz / Sterilisationsfestigkeit -Informastionsspeicherung -Dekoration / Farbe / Glanz -optische Reflektion / Entspiegelung -elektrische Leitfähigkeit / elektrische Isolation / elektro-magnetische Abschirmung -Biokompatibilität / mikrobieller Bewuchs / Mikrobenabweisung -Träger chemischer Katalysatoren / Photokatalyse -Wärmeleitung / Flamm- / Wärme- / Kälteschutz / Thermoschockwiderstand -3D-Oberflächenstrukturierung / Mikroreaktoren / nanotechnologische Funktionen -2D-Flächenstrukturierung (Druck etc.) -Diffusionssperre -Benetzbarkeit / Haftvermittlung / Antihaftung / Schmutzabweisung -Sensorik / Aktorik / Mikrotechnik -Photovoltaik Dekoration

4 Hauptkategorien von PVD-Beschichtungstechnologien: A) Thermisches Verdampfen (thermal evaporation) B) Vakuumbogenverdampfen (arc evaporation) C) Zerstäuben Atom oder Ion mit kinetis cher Energie Oberfläche Atom, Ion e - (sputtern) 2 Licht und Farbe Licht - elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen etwa 380 und 770 nm

5 Farbe - wahrnehmungspsychologisches Phänomen DIN 5033 T.1: Farbe ist diejenige Gesichtsempfindung eines dem Auge strukturlos erscheinenden Teil des Gesichtsfeldes, durch die sich dieser Teil bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge von einem gleichzeitig gesehenen, ebenfalls strukturlosen angrenzenden Bezirk allein unterscheiden kann. Anatomischer Einschub Auge Netzhaut: A B C E D Stäbchen (S-W-Sehen bei Dunkelheit; 120 Mio.) Zapfen (Farbsehen bei Tag; 6.5 Mio.) Zellkern einer Zapfenzelle Pigmentepithel Zellkern eines Pigmentepithel verschiedene Farben unterscheidbar Zapfen und Stäbchen (Photorezeptoren) pro mm² Zapfen / mm² im gelben Fleck!!

6 Lichtsensorik -> Kodierung -> Wahrnehmung Unsere Farbwahrnehmung ist ein Konstrukt des Gehirns Körperfarben und Lichtfarben Körperfarbe (Oberflächenabsorbtion und -reflektion) Auf ein grünes Blatt einfallendes Intensitätsspektrum Von einem grünen Blatt reflektiertes Intensitätsspektrum Lichtfarbe (Selbstleuchter)

7 3 Farben von PVD-Schichten Eigenfarben der wichtigsten industriellen PVDHartstoffschichten T in T ic N A lt in C rn Z in Z ic N Nb N metallisch-silber, gold-geld, gold, dunkel-braun, schwarz F. Hollstein: Dekorative Oberflächenveredelung mit PVD-Technologien Zwickau, 5. Oktober 2006 Farbmetrik Bereich der Me-C-N Eigenfarben CIE-L*a*b*Koordinaten Spektralfarben als Primärvalenzen Rot R = 700,0 nm Grün G = 546,1 nm Blau B = 435,8 nm F. Hollstein: Dekorative Oberflächenveredelung mit PVD-Technologien Zwickau, 5. Oktober 2006

8 Interferenzfarben von PVD-abgeschiedenen und anodisch oxidierten Niob-Dünnschichten auf Messing Quelle: W.-D. Münz, H. Paritong: Interferenzfarben von PVD-Niobschichten. Praxishandbuch moderne Beschichtungen, 2001, ISBN , S Interferenzfärbung durch Anodische Oxidation ( ) k α k := 2 d n 2 sin 2 α k k - integer α k - destruction wavelength n - refraction index d - film thickness Anodische Oxidation d Air d ~ U 0 Incident Beam Reflected Beam Fractional Beams n (Nb 2 O 5 ) = 2,3 n (H 2 O) = 1,3 Interferenz 10 V 20 V 30 V 40 V 50 V 60 V 70 V 80 V 90 V 100 V 110 V 120 V 130 V Anodisier- Farbe Spannung U 0 Nb 2 O 5

9 4 Ergebnisse am Beispiel der Mg-Oberflächenveredelung Multilagenbeschichtung PVD - Sputtering Nb Korrosionsschutz PVD - Sputtering TiAl Schichtverstärkung PVD - Sputtering Nb Korrosionsschutz Anodic Oxidation Nb2O5 Interferenzfärbung Anodische Oxidation PVD Nb Nb2O5 TiAl Nb AZ31HP-Substrat AZ31HP-Substrat F. Hollstein: Dekorative Oberflächenveredelung mit PVD-Technologien Zwickau, 5. Oktober 2006 PVD-Equipment PVD-Sputter-Equipment HTC 1000/4 ABS Nb, 0,5 µm TiAl, 1,5 µm Nb, 0,5 µm AZ31HP-Substrat F. Hollstein: Dekorative Oberflächenveredelung mit PVD-Technologien Zwickau, 5. Oktober 2006

10 Anodische Oxidation - Laboreinrichtung Power Supply: TTI EX752M ( V, 0.15 A) Electrolyt: Zitronensäure (0.03 mol/l, 20 C, ph = 2) Anodische Oxidation Nb 2 O 5 AZ31HP-Substrat Interferenz-Farben Referenzsubstrat V2A - CIE-LAB-Werte Spannung [V] L * a * b * Farbe 20 30,03 22,06-38, ,08-4,79-35, ,37-9,18-22, ,07 0,86 62, ,78 38,74-48, ,58-37,41 24, ,87-37,35 17,47 Lichtspektrum CIE-LAB Koordinatensystem AZ31HP Substrat - CIE-LAB-Werte Spannung [V] L * a * b * Farbe 20 28,86 23,18-37, ,40-4,31-35, ,83-8,97-20, ,68-4,09 58, ,93 29,15-49, ,22-34,08 32, ,81-24,96 13,88

11 Zusammenfassung und Ausblick 1. Eigenfarbangebot von PVD-Schichten ist beschränkt auf die Farbnuancen metallisch-silber, gold-gelb, gold, bräunlich, dunkel-braun, schwarz 2. Interferenzfärbung durch Anodische Oxidation von PVD-Dünnschichten aus Ventilmetallen (Al, Ti, Zr, Nb, Ta) werden gegenwärtig für unterschiedliche Substratmaterialien entwickelt. 3. Methoden der klassischen chemischen Metallfärbung von metallischen Dünnschichten stellen eine bisher kaum betrachtete Alternative dar.