Möglichst praxisnah

In der Photovoltaik, bei Halbleitern, aber auch generell bei Metall- oder Glasbeschichtungen finden Wärmeprozesse zunehmend unter Vakuumbedingungen statt. Scheiben, Platten oder Werkteile werden bei sehr hohen Temperaturen verarbeitet und dabei muss ein Oxidationsprozess verhindert werden.

Meist wird Infrarot-Wärmetechnologie für den erforderlichen Wärmeprozess eingesetzt, denn Infrarot-Strahlung überträgt Energie kontaktfrei und mit hoher Leistung.

„Wir haben schnell fest gestellt, dass die umgebende Atmosphäre die Effizienz der Infrarot-Strahlung beeinflussen kann,“ sagt Martin Klinecky, Spezialist für Vakuumanwendungen bei Heraeus, „wir testen möglichst praxisnah, um Infrarot-Anlagen optimal auslegen zu können.“

Wenn beispielsweise Metalle beim Aufheizen unter Lufteinfluss oxidieren, ändert sich häufig ihre Oberflächenbeschaffenheit und -farbe und damit ändert sich ebenfalls ihr Absorptionsvermögen für Infrarot-Strahlung. Testergebnisse können dann nicht einfach auf Vakuumbedingungen übertragen werden.

Weil Kunden immer häufiger nach Testmöglichkeiten für Infrarot-Strahlung im Vakuum fragten, wurde bei Heraeus Noblelight im firmeneigenen Anwendungszentrum eine Vakuumkammer mit Infrarot-Wärmetechnologie aufgebaut. In der Kammer können Drücke von 1000 mbar bis 10-6 mbar erzeugt werden, je nach Kundenanforderung. Für die Tests können kurzwellige Infrarot-Strahler oder mittelwellige Carbon Infrarot-Strahler gewählt werden. Diese erwärmen die Materialien entweder direkt in der Kammer oder über ein Quarzglashüllrohr. Wenn ein Hüllrohr verwendet wird, ist ein einfacher Austausch der Strahler von außen möglich. Die Versuche werden mit Hilfe von Temperatursensoren computergestützt protokolliert und zusammen mit dem Kunden ausgewertet.

Manchmal mit verblüffenden Ergebnissen: „Einige Metalle heizen sich im Vakuum doppelt so schnell auf als in Atmosphäre, bei anderen ist praktisch kein Unterschied fest zu stellen,“ so Martin Klinecky, das hängt stark von den übrigen Rahmenbedingungen des Aufheizprozesses ab!“

Ein Beispiel sind Aluminiumteile, die einmal bei 1000 mbar und zum Vergleich bei 10-4 mbar mit kurzwelligen Infrarot-Strahlern erwärmt wurden. In normaler Atmosphäre wurden 150 °C nach 4 Minuten, im Vakuum dagegen bereits nach 2 Minuten erreicht.

Farbe und Art des Materials genauso wie Farbe und Dicke der Beschichtung, aber auch die erforderliche Temperatur und Trocknungszeit beeinflussen die Auslegung des Wärmeprozesses. Gerade bei innovativen Beschichtungen und ganz neuen Materialien lohnen sich Tests, damit die Anlage möglichst energieeffizient ausgelegt werden kann.

Reflektoren direkt auf den Strahlern unterstützen die gezielte Erwärmung, meist handelt es sich dabei um Gold oder andere Metalloxide. QRC-Infrarot-Strahler (QRC = quartz reflective coating) besitzen einen Nanoreflektor aus Quarzmaterial. Strahler aus Quarzglas mit einem Quarzreflektor helfen, die Kontaminationen bei der Fertigung hochreiner Produkte zu minimieren.

Mit dem QRC-Reflektor ist es Heraeus gelungen, einen direkt am Strahler sitzenden Reflektor für Vakuumanwendungen herzustellen.

Infrarot-Strahler mit Quarzreflektor werden bereits bei der Herstellung von Solarzellen eingesetzt. Sie erwärmen Trägermaterialien vor oder während der Beschichtung besonders effektiv, weil diese Prozesse im Vakuum oder bei sehr hohen Umgebungstemperaturen stattfinden.