涂层制造方法与流程

1.本发明涉及一种用于制造施加到非金属表面的涂层的方法以及一种用于施加到非金属表面的涂层。


背景技术：

2.非金属表面如塑料制构件的表面目前通常配设有金属薄膜涂层，以改变其外观和/或获得其它期望膜层性能。
3.构件的期望的金属外观例如可以利用所选金属的薄层获得，其厚度不再必须为了消除其外观与全金属构件的差异而大于约10至100纳米。这种金属层尤其可以利用真空涂覆过程如蒸镀法或溅射法来施加。
4.但大多数的金属层在电磁频谱的大部分内具有低透光性，这使其不适用于许多应用场合。因此，金属层例如在雷达技术设备应用所需的76-77ghz频率范围内强烈吸收或反射电磁波，使得金属涂层因为其在该范围内的低透光性而不适用于这种应用。
5.前不久知道了这种期望的金属外观也可以利用半导体薄膜获得，在这里，该层膜因其半导体性能而对于电磁波是基本透射的并因此例如也可被用于雷达技术设备、电容式传感器等。在此情况下，这种层膜的金属外观源自在光学区域内的高折射率n，其已经在层膜很薄的情况下导致高反射。此外，半导体材料的使用具有以下优点，即，彩色的外表形象与观察角度具有低相关性，这在使用自然金属层时也是如此。
6.在此，通过选择合适的层厚和/或使用“厚”的多层层系而可能能够获得看似金属的非灰色色调的某个区域。
7.但不利的是，可通过这种方式获得的看似金属的色调局限于颜色坐标系(例如cie l*a*b*)的狭窄范围。另外，将由半导体材料构成的薄光学干涉层膜用来产生金属外观具有以下缺点，即，因为在光学区域内的大的折射率和低的吸收性而在反射最小值和最大值之间存在巨大差异。这又造成不希望的“刺眼的”色调感。


技术实现要素：

8.因此，本发明的任务是至少部分消除已知涂层及其制造方法的上述缺点。本发明的任务尤其是提供一种涂层，其基本上与观察角度无关地具有吸引人的外表形象并且可多用途地使用、尤其是也用在雷达领域。
9.前述的任务通过一种具有独立方法权利要求的特征的方法以及一种根据权利要求13的涂层来完成。本发明的其它的特征和细节来自各自从属权利要求、说明书和图。在此，关于本发明的方法所描述的特征和细节也与本发明的涂层相关地是适用的，反之均亦然，因此关于对各个发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。
10.在此情况下，根据本发明的方法包括如下步骤：施加半导体材料至基材以形成半导体材料层，并且同时或随后施加金属材料或附加半导体材料，其中，该金属材料或附加半导体材料为了调整该涂层的光学性能被有针对性地加入该半导体材料层中。
11.半导体材料最好是指由半导体元素或半导体化合物形成的材料，它所具有的电导率尤其在104s/cm到10-8
s/cm之间。在此，附加半导体材料优选是指如下的半导体材料，它不同于用于形成半导体材料层的半导体材料，并且优选仅为了掺杂被加入。根据本发明，金属优选是指由元素金属构成的材料。在本发明范围内，基材尤其是指涂层的基层或基础，例如像显示器、车身等。根据本发明，“有针对性地将金属材料加入半导体材料层”尤其可以包括：待施加金属材料量的选择和/或待施加金属材料的施加区域的选择。该光学性能还可以尤其是包含涂层的与光学区域内的波长相关的绝对和/或相对反射性。同样，该光学性能可以涉及在电磁频谱的其它频率范围内、例如像在雷达领域中76-77ghz时的透明度，或者包含外表形象的观察角度相关性。
12.根据本发明，为了能完成涂层光学性能的尽量有针对性的调整而可以有利地规定，该半导体材料以高纯物质的形式被添加，其中，该半导体材料优选由硅或锗或硒或砷化镓构成。关于提高与涂层光学性能调整、尤其是涂层的各不同光学性能的调整相关的灵活性还可能有利的是，该半导体材料作为各不同半导体材料的混合物存在，其中，该半导体材料可以优选包含硅和/或锗和/或硒和/或砷化镓。
13.同样，可以关于尽量有针对性地调整涂层光学性能而规定，该金属材料以高纯物质的形式被添加，其中，该金属材料优选由铬或钼或铝或锆构成。关于提高与涂层光学性能调整相关的灵活性，同样还可能有利的是该金属材料作为各不同金属构成的混合物形式存在，其中，该金属优选可以包含铬和/或钼和/或铝和/或锆。
14.根据本发明，关于很有效且有针对性地调整涂层光学性能而还可以规定，待施加金属材料和/或待施加金属材料量和/或待施加金属材料的施加区域至少部分基于在光学区域内的金属材料吸收系数k来选择。在此，在本发明范围内已认识到涂层的反射最小值与反射最大值之差尤其造成不希望的“刺眼”外表形象。此外在本发明范围内认识到具有大的吸收系数k的金属有效地尽量减小造成不希望的“刺眼”外表形象的涂层反射最小值与反射最大值之差。这因此尤其是可行的，因为在光线在涂层的第一界面射入涂层之后，因增强的涂层吸收(在光学范围内)使得在涂层的第二界面的光线反射明显减弱，这因此减小在涂层的第一和第二界面处反射的光线的相消干涉和相长干涉，进而有效尽量减小涂层反射最小值与反射最大值之差。这尤其导致优选的“更柔和”的(对比度较小)颜色过渡。在此，光学区域在本发明范围内尤其是指电磁光谱的在约350-750nm范围内的光学频率范围。也还可以想到待施加金属材料的选择和/或待施加金属材料量的选择和/或待施加金属材料的施加区域的选择至少部分基于在光学区域内的金属材料导电能力进行，因为它至少部分与吸收系数k相关。此外还有利的是，待施加金属材料的选择和/或待施加金属材料量的选择和/或待施加金属材料的施加区域的选择至少部分关于所用半导体材料、尤其关于所用半导体材料在光学区域内的折射率n相关地进行。
15.根据本发明，在膜层材料施加时尽量精密掺杂的结构简单可能方式范围内可以有利地规定，半导体材料的施加和/或金属材料的施加通过热处理进行，其中，该热处理优选在高于400℃、尤其高于800℃的温度进行。或者，“掺杂”可以例如已经固着在“靶”上。
16.在此尤其可以想到，施加的金属材料量和/或施加的金属材料关于半导体材料与金属材料之和的份额通过处理时间的改变和/或处理温度的改变进行。待施加材料的量或份额的这种调节尤其在真空条件下的涂覆过程中是有利的，因为处理温度和处理时间的改
变可以通过简单方式从外部在涂覆腔室外来控制。
17.在结构简单但还是灵活且可精密调节的涂层材料施加的范围内，本发明可以尤其有利地规定，“施加半导体材料到基材”至少部分与金属材料部分的施加同时地进行，其中，待施加的半导体材料和待施加的金属优选被预混合和/或在施加期间被相互混合。因此可以在例如在采用溅射法来施加涂层的情况下同时进行半导体材料和金属材料施加的范围内使用用合适的金属合金化的半导体靶例如像用铬合金化的硅靶，或者在共溅射方法范围内由不同靶施加金属材料(例如铬)和半导体材料(例如硅)。同样，可以在使用蒸镀法来施加涂层的情况下在坩埚等中已经使用预混合材料或金属材料与半导体材料的合金或者这些材料分开地至少部分同时从两个坩埚被蒸发出。
18.关于可能的施加方法还可以想到的是，所述半导体材料和金属材料的施加通过化学和/或物理涂覆法、优选是化学气相沉积法(cvd法)和/或物理气相沉积法(pvd法)、尤其是等离子体辅助化学气相沉积法(pa-cvd法)和/或高功率脉冲磁控溅射(hipims)和/或阴极电弧沉积法和/或电子束辅助物理气相沉积法(eb-pvd法)进行。
19.此外，为了修改尤其在具有离子化步骤的涂覆方法中的施加条件而可以想到，在施加半导体材料时(例如在使用直流电压时)加载负偏电压至待涂覆基材，其中，该负偏电压小于200v、优选小于150v、尤其是小于100v。或者，显然也可以想到采用交流电压。
20.此外，在可控施加涂层材料的范围内可以想到，在施加半导体材料时采用保护气体，其中，该保护气体优选以氮气和/或氩气形式形成。
21.根据本发明，为了使得涂层材料在基材上更好附着而还可以规定，在施加半导体材料至基材之前进行基材表面的预处理，以造成半导体材料层在基材上的更强附着，其中，该预处理尤其可以包括：施加附着层至基材表面，在这里，尤其能以漆层形式形成附着层。
22.为了将改善的保护或附加性能加入本发明主题的涂层中，还可以有利地规定，在施加半导体材料和同时或随后施加金属材料之后最终施加一个保护层，其中，保护层尤其以漆层的形式形成。
23.另外，本发明的主题也是一种用于施加至非金属表面的涂层，其尤其可以通过前述的方法制造。在此情况下，该涂层包括具有被集成在半导体材料层内的金属材料部分或附加半导体材料部分的半导体材料层。因此，根据本发明的涂层具有与关于本发明的方法所明确描述的一样的优点。
24.在尽量薄地设计层厚的范围内，尤其可以根据本发明而规定，该涂层以单层膜的形式构成。小的层厚在此情况不仅可能出于节省涂层材料考虑、也出于涂层施加过程时间节约考虑是有利的。
25.在此情况下，在尽量薄地设计层厚的范围内尤其可以想到的是，该涂层所具有的层厚不到120nm，优选不到100nm，尤其不到80nm。
26.关于同时保证最小层厚以确保所需耐用性还可以想到，该涂层所具有的层厚在20-120nm之间，优选在40-100nm之间，尤其在50-60nm之间。
27.根据本发明，在获得对大部分电磁频谱、例如在76-77ghz范围内的有利透明度和与之相关作为涂层用于雷达应用或电容式传感器的可应用性的范围内还可以有利地规定，存在于涂层内的金属材料不到50重量％、优选不到25重量％、尤其是不到10重量％。随着金属材料添加量增多而预期涂层的透明度在电磁频谱的大部分内降低，这对许多应用场合不
利。
28.关于尽量有效地尽量减小涂层反射最小值与反射最大值之差可以有利地规定，涂层所具有的在光学区域内的平均吸收系数k为大于2、优选大于3、尤其是大于4。或者，代替在光学区域内的平均吸收系数k，也可以使用在某个波长(例如620nm)下的吸收系数k。如上面已经描述地，涂层的反射最小值和反射最大值之间的大差异导致在该涂层内的不希望的“刺眼”色调感。
29.对于本发明主题涂层在雷达技术设备中的可能应用尤其有利的是，该涂层在所用频率范围内是尽可能透明的。因此可以有利地规定，该涂层在76-77ghz之间的频率范围内具有大于80％、优选大于90％、尤其是大于95％的透明度。
30.根据本发明，为了能完成尽量有针对性的涂层光学性能调整，可以有利地规定，该半导体材料以高纯物质的形式存在，其中，该半导体材料优选由硅或锗或硒或砷化镓构成。关于提高与涂层光学性能调整、尤其是涂层的各不同光学性能的调整相关的灵活性还可能有利的是，该半导体材料作为由各不同半导体材料构成的混合物形式存在，其中，该半导体材料优选可以包含硅和/或锗和/或硒和/或砷化镓。
31.同样可以关于尽量有针对性地调整涂层光学性能而可以规定，该金属材料以高纯物质的形式存在，其中，该金属材料优选由铬或钼或铝或锆构成。关于就涂层光学性能调整而言的灵活性的增强，也还可能有利的是该金属材料以各不同金属构成的混合物形式存在，其中，该金属优选可以包含铬和/或钼和/或铝和/或锆。
附图说明
32.本发明的其它的优点、特征和细节来自以下参照图对本发明实施例详细说明的描述。在此情况下，在权利要求书和说明书中提到的特征分别可以本身单独地或在任何组合中对本发明是重要的，其中：
33.图1a-c示出关于本发明涂层的金属含量描绘l*a*b颜色空间的l值(a)、a值(b)和b值(c)的示意图，
34.图2示出描绘在350-750nm波长范围内的各不同涂层的反射率(％)的示意图，
35.图3示出描绘在350-750nm波长范围内的各不同涂层的反射率(％)的示意图，
36.图4示出关于根据第一实施例的本发明涂层的层厚以及参考测量层厚来描绘l*a*b颜色空间的l值(上)、a值(中)和b值(下)的示意图，
37.图5示出本发明的制造用于施加至非金属表面的涂层的方法的各个步骤的示意图。
具体实施方式
38.图1a-c示出与本发明涂层的金属含量相关的l*a*b颜色空间的l值(图1a)、a值(图1b)和b值(图1c)的描绘示意图。
39.如结合图1a-c可看到地，l*a*b颜色空间的l值、a值和b值与本发明涂层的组成相关地相应改变。在本发明涂层中的金属含量在此情况下与蒸发功率(以kw为单位)成比例。因此，本发明的涂层的l值随增加的金属含量而首先减小，随后它在约为0.5kw值的情况下短暂增大且随后在进一步添加金属材料时继续减小。而在约为0.5kw的值之前，a值连续增
大，随后从约为0.5kw的值起连续减小。而b值从第一次添加金属材料起连续减小。
40.因此结合根据图1a-c的绘图可以看到，通过有目的地混合或施加金属材料可以有目的地改变本发明涂层的光学性能。
41.图2示出在350-750nm波长范围内的不同涂层的反射率(％)的描绘示意图。涂层1在此情况下由纯硅构成，而涂层2是根据本发明的具有硅和低铬含量的涂层，涂层3是根据本发明的具有硅和高铬含量的涂层。
42.如结合图2可看到地，在350-750nm光学区域内的反射率明显与涂层组成相关。因此，这三个涂层1-3的反射率变化曲线在波长范围350-750nm内虽然基本相似，但涂层1(纯si)在500-750nm之间显示出最高反射率。而涂层2(si 少量cr)在500-750nm之间具有明显较小的反射率，但其仍大于涂层3(si 大量cr)的反射率。
43.图3示出在波长范围350-750nm内的不同涂层的反射率(％)的描绘示意图。在这里，涂层1'由纯硅构成，而涂层2'是根据本发明的具有硅和高锗含量的涂层(半导体材料 掺杂的附加半导体材料，附加半导体材料不同于用于形成半导体材料层的半导体材料)，涂层3'是根据本发明的具有硅和中等锗含量的涂层，涂层4'是具有硅和低锗含量的涂层。
44.如结合图3可看到地，在350-750nm光学范围内的反射率明显取决于涂层的组成。因此，在350-750nm波长范围内的四个涂层1'-4'的反射率变化曲线原则上相似，但是，涂层1'(纯si)在500-750nm之间显示出最高反射率。涂层2'(si 大量ge)在500-750nm之间具有更低反射率，但还高于涂层3'(si 中等含量的ge)和4'(si 少量ge)。
45.图4示出与根据第一实施例的本发明涂层(圆圈)以及参考测量(方块)之层厚相关的l*a*b颜色空间的l值(上)、a值(中)和b值(下)的描绘示意图。
46.如结合图4可看到地，参考测量(纯si)原则上示出与涂层(si cr)一样的关于l值、a值和b值的变化曲线，即，l值随增大的层厚而减小，a值随增大的层厚而增大，b值随增大的层厚而首先恒定变化且接着略减。但能清楚看到用于纯半导体材料的l值和a值、尤其是b值明显较大且因此获得有时不希望的更刺眼的色调感。
47.图5示出根据本发明的、制造用于施加到非金属表面上的涂层的方法的各个步骤的示意图。
48.在此情况下，根据本发明的方法在此首先包括：将基材表面预处理100以造成半导体材料层更强附着在基材上的第一可选步骤。预处理100在此优选可以包括：施加附着层，其中，该附着层尤其能以漆层形式形成。
49.根据本发明的方法，接着施加120半导体材料到基材以形成半导体材料层以及施加140金属材料，其中，该金属材料为了调整涂层的光学性能被有针对性地加入半导体材料层中。“施加140金属材料”在此情况下可以与半导体材料的施加120同时地或也可以跟随其后地进行。
50.为了将改善的保护或附加的性能集成到本发明主题的涂层中，最后还能可选地施加160一个保护层，其中，该保护层尤其能以漆层等形式形成。
51.借助本发明的方法或本发明的涂层，尤其通过有针对性地将金属材料加入半导体层中而可以产生具有吸引人的金属外表形象的涂层，其可以多用途使用并且尤其是也可用于雷达应用或电容式传感器领域，且其外表形象同时基本上与观察角度无关。
52.附图标记列表
53.100
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预处理基材表面
54.120
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施加半导体材料
55.140
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施加金属材料
56.160
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施加保护层