Infrarot-Sperrfilter für den Einsatz in Schweissschutzhelmen

Beim Schweissen entsteht augenschädigende UV- und IR-Strahlung. Um dieses Risiko zu reduzieren, entwickelt die Firma Optrel AG Lösungen für Schweisshelme, die vor schädlicher UV- und IR-Strahlung schützen. Bisher wurde der Schutz vor Infrarotstrahlung durch den Einsatz von IR-absorbierendem Farbglas gewährleistet. Die Firma Optrel AG will dieses Absorptionsglas durch IR-Sperrfilter ersetzen, die auf rein optischen Beschichtungen basieren. Dadurch erhält die Firma Optrel AG mehr Freiheiten und neue Gestaltungsmöglichkeiten beim Helmdesign. 

IR-Sperrfilter werden üblicherweise durch Sputtern hergestellt. Die Herausforderung bei der Entwicklung von IR-Sperrfiltern besteht darin, dass die Filter sowohl aus dielektrischen als auch aus sehr dünnen Metallschichten bestehen. Die Qualität des Filters und des Designs hängt stark von der erreichbaren Qualität der Metallschichten ab.

Tina Strüning hat in ihrer Masterarbeit einen IR-Sperrfilter entwickelt, der Infrarotstrahlung im Bereich von 780 nm bis 3000 nm reflektiert. Der Filter soll in diesem Spektralbereich eine mittlere Transmission von <1% aufweisen. Im Spektralbereich von 380 nm bis 780 nm soll der Filter eine möglichst hohe Transmission aufweisen.

Die Entwicklung optischer Beschichtungen erfordert geeignete Designs, die heute mit Hilfe von Dünnschichtsimulationsprogrammen erstellt werden. In Tina Strünings Arbeit wurden verschiedene Filterdesigns aus unterschiedlichen Materialkombinationen von SiO₂, TiO₂ und Silber mit OptiLayer erstellt und evaluiert.

Für die Herstellung der Filterstapel wurden Prozessentwicklungen für die jeweiligen einzelnen Materialien durchgeführt. Die Prozessentwicklung der dielektrischen SiO₂ - und TiO₂-Schichten beinhaltete die Optimierung von absorptionsfreien Schichten, um möglichst hohe Transmissionen zu gewährleisten. Um möglichst dünne (<20 nm) Silberschichten mit homogener Oberflächenmorphologie zu entwickeln, wurde der Arbeitsdruck in der Sputterkammer optimiert. Die Oberflächenmorphologie konnte anhand von REM-Aufnahmen charakterisiert werden.

Mit 3-Schichtsystemen konnten Effekte an den Grenzflächen zwischen den Einzelschichten festgestellt werden, die auf eine Oxidation der Silberschicht hindeuten. Mit einer zusätzlichen Getterschicht zwischen den Schichten im Filterstapel konnten diese Effekte an den Grenzflächen reduziert werden.

Mit den Erkenntnissen aus den Prozessentwicklungen konnte ein Filterstapel mit 15 Schichten aus den Materialien SiO₂ und Ag abgeschieden werden. Die Qualifizierung des IR-Sperrfilters erfolgte über den wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad. Die Transmissionsmessung des Filterstapels wurde mit dem Design verglichen. Das Design zeigt im sichtbaren Spektralbereich eine mittlere Transmission von 31.9%, während der beschichtete Filter eine mittlere Transmission von 27.6% aufweist.

Im IR zeigt das Design eine mittlere Transmission von 0.0012% und der Filter eine mittlere Transmission von 0.0046%. Hinsichtlich der Anforderungen an IR-Schutzfilter für Schweisshelme erfüllt der beschichtete Filterstapel die Anforderungen im IR-Bereich. Um höhere Transmissionen im sichtbaren Bereich zu erreichen, ist eine Weiterentwicklung insbesondere der Silberschichten erforderlich.