DE102007010124A1

DE102007010124A1 - Schichtsystem für wischfeste Reflektoren

Info

Publication number: DE102007010124A1
Application number: DE102007010124A
Authority: DE
Inventors: Torsten Schmauder
Original assignee: Leybold Optics GmbH
Current assignee: Buehler Alzenau GmbH
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-11
Also published as: WO2008104389A3; TWI417565B; WO2008104389A2; TW200900726A

Abstract

Bei dem Schichtsystem für wischfeste optische Reflektoren auf einem Substrat, umfassend eine optisch reflektierende Metallschicht und einen auf der dem Substrat entgegengesetzten Seite der Metallschicht angeordneten transparenten oberen Schichtaufbau mit einer Deckschicht aus einer plasmagestützt abgeschiedenen harten Schicht, die auf zumindest einer Silizium-organischen Verbindung basiert, und optional mit zumindest einer Zwischenschicht, ist vorgesehen, dass die Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus so gewählt ist, dass ein von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängiger spektraleum Rmax aufweist, ein spektraler Mittelwert Rs eines von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrads einen Wert > Rmetal - 1/3 DeltaR aufweist, wobei Rmetal ein analog wie Rs gebildeter spektraler Mittelwert Rmetal eines analog wie Rs bestimmten Reflexionsgrads der ungeschützten Metallschicht und DeltaR = Rmetal - Rmin ist und Rmin das Minimum des von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrads bezeichnet oder zwischen einem von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Farbeindruck Fs = (L*s, a*s, b*s) und dem Farbeindruck der ungeschützten Metallschicht Fm = (L*m, a*m, b*m) ein Farbabstand DeltaE* = Wurzel[(L*s - L*m)2 + (a*s - a*m)2 + (b*s - b*m)2] < 2,0 besteht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems nach den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
Beschichtungen von Indoor-Downlight-Reflektoren mit einer transparenten harten Deckschicht sind bekannt. Wie beispielsweise in der DE 196 34 334 C1 beschrieben ist, gibt es für die Herstellung von Reflektionsbeschichtungen mit einer optischen Reflektionsschicht und einer abschließenden Schutzschicht grundsätzlich zumindest zwei unterschiedliche relevante Verfahren. Gemäß einem ersten Verfahren erfolgt eine Vakuummetallisierung durch die eine Reflektionsschicht aus einem Metall aufgebaut wird, auf der wiederum mittels eines Tauch- oder Spritzverfahrens ein abschließender Schutzlack aufgebracht wird, der die Reflektionsschicht gegen mechanische Beanspruchung, wie Wischen schützt. Bei diesem Verfahren besteht ein erhöhter Investitionsaufwand durch die von einander getrennten Verfahrensschritte der Vakuumbeschichtung und der Lackierung, die jeweils eine Vakuumbeschichtungskammer und eine Tauch- oder Spritzanlage notwendig machen. Da im Lackierprozess Qualitätseinbußen aufgrund von Staub- und Tropfenbildung zu einer erhöhten Ausschussrate führen, erhöhen sich die Kosten weiter. Ferner werden nicht selten geringe Haltbarkeiten der Lacke beobachtet.
Bei einem zweiten Verfahren wird eine Reflektionsbeschichtung mit einer plasmagestützt abgeschiedenen Schutzschicht versehen. Auf einer mittels Vakuummetallisierung hergestellten reflektierenden Metallschicht wird dabei mittels eines Verfahrens der Plasmapolymerisation eine silizium-organische Verbindung abgeschieden und damit eine harte Deckschicht hergestellt. Als silizium-organische Verbindung werden dabei häufig Hexamethyldisiloxan (HMDSO) oder Tetramethyldisiloxan (TMDSO) eingesetzt.
Um eine für die Praxis ausreichende abriebschützende Wirkung einer Plasma-CVD (PCVD)-Schicht zu gewährleisten ist eine gewisse Schichtdicke erforderlich, wobei bei dickeren Schichten Farbverfälschungen des reflektierten Lichtes auftreten. In der DE 196 34 334 C1 ist daher zur Erhöhung der mechanischen Stabilität von dünnen HMDSO-Schichten vorgeschlagen worden, einen möglichst großen Teil der vor Abrieb schützenden Schicht unter die reflektierende Metallschicht zu legen und nur einen geringen Teil als harte Deckschicht auf die reflektierende Metallschicht aufzubringen. Daher wird gemäß der DE 196 34 334 C1 eine dünne HMDSO-Schutzschicht mit Dicken von 50 bis 100 nm mittels einer dicken harten Lack- oder Schicht unterstützt und die Abscheidung der HMDSO-Schicht beendet, wenn die Bildung von Interferenzfarben gerade beginnt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Schichtsystem für wischfeste optische Reflektoren sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schichtsystems zu schaffen, welches eine harte Deckschicht mit einer ausreichenden Abriebfestigkeit aufweist und gleichzeitig einen gegenüber der zu schützenden Metallschicht möglichst unverfälschten optischen Eindruck aufweist.
Die Erfindung löst die Aufgabe für das Schichtsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Aufgabe wird für das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Schichtsystem für wischfeste optische Reflektoren auf einem Substrat, umfassend eine optisch reflektierende Metallschicht und einen auf der dem Substrat entgegen gesetzten Seite der Metallschicht angeordneten transparenten oberen Schichtaufbau mit einer Deckschicht aus einer plasmagestützt abgeschiedenen harten Schicht, die auf zumindest einer silizium-organischen Verbindung basiert und optional mit zumindest einer Zwischenschicht, ist die Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus so gewählt, dass ein spektraler Reflexionsgrad ein für den jeweiligen Anwendungsfall vorgegebenes Maximum aufweist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass mit wachsender Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus und insbesondere der Deckschicht unerwünschte Effekte, wie eine zunehmende Farbverfälschung durch wellenlängenabhängige Interferenz mit einem variierenden Reflexionsgrad über das jeweilige Spektrum auftritt und der Reflexionsgrad abnimmt, dass jedoch im Bereich einer bestimmten Dicke der Deckschicht diese Effekte abnehmen und ein gegenüber der ungeschützten Metallschicht weitgehend neutraler Farbeindruck der Reflektion auftritt. Bei einer weiteren Erhöhung der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus über den besagten Bereich hinausgehend, erhält man einen scharfen Abfall des Reflexionsgrades insbesondere bei kurzen Wellenlängen und damit eine erhöhte Farbverfälschung des reflektierten Lichts. Bei einer noch weiteren Erhöhung der Schichtdicke erhält man erneut reflektiertes Licht mit einem weitgehend neutralen Farbeindruck. Überraschenderweise ist es möglich, eine sehr geringe Farbverfälschung dadurch zu erreichen, dass die Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus derart gewählt wird, dass ein mittlerer spektraler Reflexionsgrad ein Maximum R_max annimmt.
Als spektraler Mittelwert des Reflexionsgrades R_s wird der Mittelwert des gemessenen Reflexionsgrades, gebildet mit einer geeigneten Gewichtungsfunktion über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich der reflektierten Strahlung definiert, der für Anwendungen im sichtbaren Spektrum vorzugsweise den Bereich von 360 nm bis 830 nm, mindestens jedoch den Bereich von 400 nm bis 700 nm umfasst. Die Mittelwertbildung wird mit einer von dem konkreten Anwendungsfall abhängigen Gewichtungsfunktion vorgenommen. Beispielsweise kann im einfachsten Fall ein arithmetischer Mittelwert verwendet werden, obwohl auch andere Funktionen sinnvoll sind.
Da der Reflexionsgrad vom Betrachtungs- und Einfallswinkel der reflektierten Strahlung abhängt, wird bevorzugt der Reflexionsgrad in Richtung einer typischen Betrachtungsposition des Reflektors und für einen typischen Einfallswinkel der einfallenden Strahlung bestimmt.
Das konkrete Verfahren der spektralen Mittelwertbildung des Reflexionsgrades wird der jeweiligen konkreten Anwendungsaufgabe der Reflektorschicht angepasst bezüglich des Wellenlängenbereichs und der relativen Gewichtung der darin enthaltenen Wellenlängen, in dem der Reflektor arbeiten soll.
Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus so gewählt, dass
ein spektraler Mittelwert R_s eines von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrads einen Wert > R_metal – 1/3ΔR aufweist, wobei R_metal ein analog wie R_s gebildeter spektraler Mittelwerts R_metal eines analog wie R_s bestimmten Reflexionsgrads der ungeschützten Metallschicht und ΔR = R_metal – R_min ist und R_min das Minimum des von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrads R_s bezeichnet oder
zwischen einem von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Farbeindruck F_S = (L*_s, a*_s, b*_s) und dem Farbeindruck der ungeschützten Metallschicht F_m = (L*_m, a*_m, b*_m) ein Farbabstand ΔE* = Wurzel[(L*_s – L*_m)² + (a*_s – a*_m)² + (b*_s – b*_m)²] < 2,0 besteht.
Der analog wie R_s gebildete spektrale Mittelwert R_metal wird mit der gleichen Gewichtungsfunktion und über den gleichen Wellenlängenbereich wie R_s gebildet. Der analog wie R_s bestimmte Reflexionsgrad der ungeschützten Metallschicht wird unter den gleichen Bedingungen und mit dem gleichen Messverfahren wie der von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängige Reflexionsgrad bestimmt.
Als L*a*b*-Farbsystem wird das von CIE-Kommission entwickelte Standardsystem zur psychophysikalischen Farbstimulusspezifizierung bezeichnet (Commission Internationale de I'Éclairage, Publication CIE No. 15.2, Colorimetry, 2nd ed., Central Bureau of the CIE, Vienna, 1986), wie es beispielsweise in der ASTM Designation 308-01 (Standard Practice for Computing the Colors of Objects by Using the CIE System, November 2001) beschrieben ist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird der Farbeindruck L*a*b* mit einem der CIE Standard Iluminanten, vorzugsweise D65 und einem 2° oder 10° Beobachter ermittelt. Für die Messungen des spektralen Reflexionsgrades kann beispielsweise ein Farbmessgerät der Firma X-Rite Inc. (4300 44^th Street SE, Grand Rapids, MI, 49512 USA) Modell SP60 eingesetzt werden.
Wenn erfindungsgemäß eine Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus derart gewählt wird, dass ein spektraler Mittelwert R_s eines von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus
abhängigen Reflexionsgrades einen Wert > R_metal – 1/3ΔR aufweist, erhält man einen optischen Reflektor, dessen reflektiertes Licht weitgehend unverfälscht ist und der gleichzeitig eine hohe Wisch- und Kratzfestigkeit aufweist. Hierbei ist R_metal ein analog wie R_s gebildeter spektraler Mittelwert eines analog wie R_s bestimmten Reflexionsgrades der ungeschützten Metallschicht und ΔR = R_metal – R_min, wobei R_min das Minimum des von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrades R_s bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus gewählt, für die der spektrale Mittelwert R_s eines von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrades einen Wert > R_metal – cΔR mit c in einem Bereich von 1/10 bis ¼ aufweist.
Überraschender Weise sind die globalen Parameter R_metal und ΔR geeignet, die Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus so zu bestimmen, dass ein weitgehend farbneutraler Eindruck des Schichtsystems realisiert wird.
Alternativ wird vorgeschlagen zur Charakterisierung des reflektierten Lichts das L*a*b*-Farbsystem einzusetzen und die Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus so zu wählen, dass zwischen einem von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Farbeindruck F_s = (L*_s, a*_s, b*_s) und einem Farbeindruck der ungeschützten Metallschicht F_m = (L*_m, a*_m, b*_m) ein Farbabstand ΔE* von kleiner als 2,0 besteht.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird der Farbeindruck in Abhängigkeit der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus mit dem Farbeindruck der ungeschützten Metallschicht verglichen. Das L*a*b*-Farbsystem basiert auf den Eigenschaften der menschlichen Wahrnehmung und ist für die Charakterisierung des Farbeindrucks optischer Reflektoren besser geeignet als beispielsweise ein arithmetischer Mittelwert des Reflexionsgrades. L* ist ein Maß für die Helligkeit, a* für den Rot-Grün- und b* für den Gelb-Blau-Wert des Farbeindrucks.
Die Erfindung kann bei unterschiedlichen Reflektoren angewendet werden.
Ein Autoscheinwerferreflektor, bei dem es sich um den Primärreflektor handelt, wird auf beste Reflexion der spezifischen Strahlung des eingesetzten Leuchtmittels ausgelegt, wobei die Mittelwertbildung die meist relativ kurzwellige (bläuliche) Halogen- oder Xenonstrahlung stärker als relativ langwellige Strahlung gewichtet.
Zierteile werden im Stand der Technik bisher häufig galvanisch beispielsweise verchromt, um eine harte Beschichtung zu erreichen. Da die galvanische Beschichtung, insbesondere die Chromgalvanik größere Mengen giftiger Stoffe erfordert, ist die Anwendung dieses Verfahrens mit einem hohen Aufwand für die Prozesssicherheit und Entsorgung verbunden und sollte daher grundsätzlich vermieden werden.
Ein Zierteil soll die definierte, dekorative Farbe der Metallschicht wiedergeben, also wird erfindungsgemäß ein Farbabstand ΔE* < 2 erreicht.
Eine Deckenleuchte für die Verteillung von angenehm wirkendem weissen Licht wird für eine bestmögliche Reflexion mit einer spektralen Mittelung entsprechend der Empfindlichkeit des menschlichen Auges optimiert werden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dickere Schutzschichten einzusetzen als bisher, da die üblichen Farbverfälschungen und Reflektionseinbußen mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem vermieden werden können. Da die Abriebfestigkeit des Schichtsystems mit der Dicke der Deckschicht wächst, lassen sich erfindungsgemäß optische Reflektoren mit hoher Wisch- und Kratzfestigkeit und gleichzeitig hoher optischer Qualität zur Verfügung stellen.
Die Schichtdicke der Deckschicht liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 110 nm und 200 nm, so dass hohe Abriebfestigkeiten des Schichtsystems erreicht werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass auf der dem Substrat zugewandten Seite der Metallschicht eine Grundschicht vorgesehen ist, die die Haftung der Metallschicht an dem Substrat oder die mechanische Stabilität des Schichtsystems erhöht.
Die Grundschicht kann eine plasmagestützt abgeschiedene Schicht sein, in die auf zumindest einer silizium-organischen Verbindung basiert. Ferner kann die Grundschicht eine Lackschicht sein. Bevorzugt wird eine harte Grundschicht eingesetzt, die ein mechanisches Durchbrechen der über ihr angeordneten Schichten verhindert und es ermöglicht, die Abriebfestigkeit weiter zu erhöhen, wenn eine Erhöhung der Dicke der Deckschicht vermieden werden soll, da andernfalls der optische Eindruck des Reflektors sich verschlechtern würde.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Deckschicht und der Metallschicht mindestens eine obere Zwischenschicht angeordnet. Vorzugsweise weist diese obere Zwischenschicht eine Sauerstoffschutz-Funktion für die Metallschicht auf.
Ferner kann zwischen der Grundschicht und der Metallschicht mindestens eine zusätzliche untere Zwischenschicht angeordnet sein, insbesondere mit einer Sauerstoffschutzfunktion für die Metallschicht.
Die untere und/oder obere Zwischenschicht hat vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 10 nm und 20 nm.
Bei der silizium-organischen Verbindung handelt es sich vorzugsweise um HMDSO oder TMDSO, die mittels eines Plasmas aufgebrochen werden und als Schicht oder Schichtbestandteile abgeschieden werden. Bei der Herstellung einer harten plasmagestützt abgeschiedenen Schicht wird Sauerstoff und/oder Stickstoff in die Schicht eingelagert, die als Reaktivkomponente bei der Herstellung zugeführt werden. Vorzugsweise wird die Reaktivkomponente in einem Flussratenverhältnis von 1:0,5 bis 1:20 von HMDSO oder TMDSO zur Reaktivkomponente zugeführt, wie an sich bekannt ist.
Für optische Reflektoren besonders geeignet erweist sich eine Metallschicht, die wenigstens ein Mitglied der aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, Magnesium, Eisen, Stahl, Chrom gebildeten Gruppe oder der aus ihnen gebildeten Legierungen umfasst, da diese hoch reflektierende metallische Schichten bilden. Die Metallschicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 20 und 150 nm auf. Das erfindungsgemäße Schichtsystem kann effektiv kostengünstig und in hoher Qualität unter Verwendung von mittel- bis niederfrequenter elektromagnetischer Anregung, beispielsweise mit einer Frequenz von 40 kHz in einer konventionellen Ein-Kammer-Beschichtungsanlage hergestellt werden.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen.
Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems
2 eine Veranschaulichung eines schichtdickenabhängigen Reflexionsgrades
3 ein gemessener Reflexionsgrad eines Substrats mit einem Schichtsystem aufgetragen über der Wellenlänge des reflektierten Lichts für verschiedene Schichtdicken
1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Schichtsystems mit einem Substrat 10, einer Metallschicht 20, einer Deckschicht 30, einer oberen Zwischenschicht 40, einer unteren Grundschicht 50 und einer unteren Zwischenschicht 60. Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um ein Kunststoffsubstrat, beispielsweise aus Polycarbonat oder um ein Metallsubstrat für einen optischen Reflektor. Bei der Metallschicht 20 kann es sich um Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, Magnesium, Eisen, Stahl, Chrom oder einer aus ihnen gebildeten Legierung handeln, die durch ein Sputterverfahren, ein physikalisches oder chemisches Verdampfungsverfahren oder ein Ionenstrahlverfahren aufgebracht wurde. Die Deckschicht 30 ist eine plasmagestützt abgeschiedene harte Schicht, die auf zumindest einer silizium-organischen Verbindung basiert und die eine hohe Abriebfestigkeit hat. Die Grundschicht 50 ist eine plasmagestützt abgeschiedene silicium-organische Verbindung oder eine Lackschicht. Vorzugsweise handelt es sich dabei um harte Schichten. Die obere Zwischenschicht 40 und die untere Zwischensicht 60 sind vorzugsweise plasmagestützt abgeschieden und basieren auf einer silicium-organische Verbindung. Als silizium-organische Verbindung wird vorzugsweise HMDSO oder TMDSO gewählt.
In 2 ist die typische Schichtdickenabhängigkeit eines mittleren Reflektionsgrades R für ein Schichtsystem mit einem Schichtaufbau aus einer Deckschicht und optional einer Zwischenschicht dargestellt. Typischerweise nimmt der Reflektionsgrad mit wachsender Schichtdicke ausgehend von dem Wert einer ungeschützten Metallschicht zunächst ab und erreicht ein Minimum R_min um anschließend ein erstes Maximum und später weitere Maxima anzunehmen. Mit wachsender Schichtdicke nimmt der Wert der Maxima ab, während der Wert der zwischen den Maxima liegenden Minima zunimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Schichtsystem ist der Wert der Schichtdicke des Schichtaufbaus derart gewählt, dass der mittlere Reflektionsgrad R > R_metal – 1/3ΔR ist. Besonders bevorzugt ist ein Schichtsystem mit einer Schichtdicke, die zu einem mittleren Reflektionsgrad im Bereich des ersten oder zweiten Maximums führt. In der Darstellung der 3 sind es Schichtdicken im Bereich von S₁ bzw. S₂.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems wird ein optischer Reflektor in eine Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage, beispielsweise einer PylonMet 1V-Anlage der Anmelderin eingebracht, in der sich Glimmelektroden zum Einspeisen elektromagnetischer Energie und Magnetron-Sputterkathoden mit Targets aus Aluminium befinden. Der Reflektor wird gegenüber den Targets angeordnet, wobei die zu beschichtende Oberfläche den Targets gegenüberliegt. Die plasmagestützte Abscheidung der Schichten erfolgt mittels zwei Plattenelektroden, die an einem 40 kHz Generator mit einer maximalen Leistung von 5 kW angeschlossen sind.
Auf ein ca. 3 mm starkes Polycarbonatsubstrat erfolgt die Aufbringung eines wischfesten Schichtsystem mit mit folgenden Prozessschritten.
Plasmavorbehandlung
Die Vakuumkammer wird auf einen Druck von 3 × 10^–2 mbar evakuiert. Argongas wird mit ca. 800 sccm in die Vakuumkammer eingeleitet, wobei mittels elektromagnetischer Energie mit einer Leistung von 5 kW und einer Frequenz von 40 kHz für ca. 30 Sekunden ein Plasma gezündet wird. Das Substrat wird durch das Plasma gereinigt und zur besseren Haftung der nachfolgenden Schicht aktiviert.
Plasma CVD einer harten Grundschicht
Eine 350 nm dicke harte Schicht mittels elektromagnetischer Energie bei einer elektromagnetischen Anregung von 40 kHz mit einer Leistung von 4,5 kW und Gasflüssen von 150 sccm HMDSO und 750 sccm Sauerstoff bei einem Prozessdruck von ca. 4 × 10^–2 mbar bei einer Prozessdauer von 240 Sekunden aufgebracht.
Plasma CVD einer Zwischenschicht
Bei einem Prozessdruck von 4 × 10^–2 mbar wird HMDSO mit einer Flussrate von 100 sccm in die Vakuumkammer eingeleitet und es wird mittels elektromagnetischer Energie mit einer Leistung von 4,5 kW und einer Frequenz von 40 kHz für ca. 20 Sekunden ein Plasma gezündet, wobei eine Zwischenschicht auf dem Substrat von ca. 5 bis 10 nm Schichtdicke abgeschieden wird.
Sputtern einer Metallschicht
Die Vakuumkammer wird auf einen Basisdruck von weniger als 10^–5 mbar evakuiert und es erfolgt anschließend bei einem Argonfluss von 540 sccm bei 3 × 10^–3 mbar Prozessdruck und 70 kW Sputterleistung die Aufbringung einer reflektierenden Aluminiumschicht mit einer Schichtdicke von ca. 80 nm bei einer Prozessdauer von 15 s.
Plasma CVD einer Zwischenschicht
Bei einem Prozessdruck von 4 × 10^–2 mbar wird HMDSO mit einer Flussrate von 100 sccm in die Vakuumkammer eingeleitet und mittels elektromagnetischer Energie mit einer Leistung von 4,5 kW und einer Frequenz von 40 kHz für ca. 20 Sekunden ein Plasma gezündet, wobei eine Zwischenschicht auf dem Substrat von ca. 5 bis 10 nm Schichtdicke abgeschieden wird.
Plasma CVD der Deckschicht
In die Vakuumkammer werden HMDSO mit einer Flussrate von 150 sccm und Sauerstoff mit einer Flussrate von 600 sccm einer 40 kHz Anregung mit 4 kW Plasmaleistung eingeleitet. Bei einer Dauer dieses Schritts von 90 Sekunden erfolgt die Abscheidung einer 160 nm dicken Schutzschicht. Kürzere beziehungsweise längere Prozesszeiten führen zu einer dünneren beziehungsweise dickeren Schutzschicht.
Nach der Belüftung der Kammer kann das beschichtete Substrat entnommen werden.
Das Reflektionsspektrum eines derartig behandelten Substrats ergab die Farbkoordinaten L* = 94,3, a* = –1,8 und b* = 1,5 bei einem mittleren Reflexionsgrad von 83%, wobei eine arithmetische Mittelwertbildung bei einem Wellenlängenbereich von 400–700 nm erfolgte. Die Schicht bestand mehrere Klebeband-Abzüge bei einem Tesa 4124-Paketband an einem vorher angebrachten Gitterschnitt ohne Schichtablösungen sowie eine 30minütige Einwirkung von 1prozentiger NaOH-Lösung ohne sichtbare Beschädigungen.
In 3 ist der spektrale Reflexionsgrad eines auf einer Polycarbonatplatte von ca. 3 mm Dicke aufgebrachten Schichtsystems aufgetragen für verschiedene Schichtdicken eines oberen Schichtaufbaus aus einer harten Deckschicht und einer Zwischenschicht in einem Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 700 nm dargestellt. Die Messungen wurden mit einem Spektral-Photometer SP60 der Firma X-Rite für einen D65 Illuminanten und einen 2°-Beobachter vorgenommen. Die Metallschicht bestand aus Magnetron – gesputterten Aluminium mit einer Schichtdicke von 100 nm. Das Schichtsystem wurde nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren hergestellt mit einer oberen Zwischenschicht von 10 nm.
Aus der 3 ist ersichtlich, dass über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich der Reflektionsgrad der ungeschützten Metallschicht, dass heisst einem Schichtsystem mit einer Dicke der Deckschicht von 0 am höchsten ist. Bereits bei einer Deckschicht mit einer Schichtdicke von 40 nm ist ein Einbruch des Reflektionsgrades bei kurzen Wellenlängen festzustellen. Bei einer weiteren Erhöhung der Schichtdicke der Deckschicht beobachtet man eine Verringerung des Reflektionsgrades zu größeren Wellenlängen hin. Bei einer Schichtdicke von 160 nm ist in einem mittleren Wellenlängenbereich zwischen 450 und 600 nm ein erhöhter Reflektionsgrad zu erkennen. Bei einer Schichtdicke von 180 nm findet sich wieder ein starker Abfall des Reflektionsgrads hin zu kürzeren Wellenlängen.

In Tabelle 1 sind die der 3 entsprechenden numerischen Werte für den CIE L*a*b* Farbeindruck, ΔE* sowie den mittlere Reflektionsgrad in % bezogen auf die Intensität der einfallenden Strahlung dargestellt. Ferner ist eine Einschätzung des subjektiven Farbeindrucks in einer Spalte „Bemerkungen" hinzugefügt. Das Schichtsystem mit einer Schichtdicke von 160 nm weist einen maximalen Reflektionsgrad und ein ΔE* < 1,4 auf. Erkennbar ist, dass bei einer Deckschicht von 180 nm zwar eine relativ hohe Helligkeit L* auftritt, die aber einen gelblichen Farbeindruck aufweist.

Deckschicht, Schichtdicke in nm	Farbeindruck			DeltaE*	R_s (400 nm–700 nm), %	Bemerkungen
Deckschicht, Schichtdicke in nm	L*	a*	b*	DeltaE*	R_s (400 nm–700 nm), %	Bemerkungen
0	95,31	–0,4	2,06	0,0	87,5	Referenz: Aluminiumschicht
40	92,29	–0,1	3,11	3,3	80,4	zunehmend Gelb
80	91,53	–0,18	–0,42	5,0	79,9	minimale Reflexion
120	93,01	–1,51	–1,02	4,2	82,2	geringe Reflexion
160	94,72	–1,71	0,71	1,4	85,0	neutraler Farbeindruck Reflexion
180	94,88	–1,7	4,71	3,0	83,9	gelblich

Tabelle 1

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 19634334 C1 [0002, 0004, 0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Commission Internationale de I'Éclairage, Publication CIE No. 15.2, Colorimetry, 2nd ed., Central Bureau of the CIE, Vienna, 1986 [0015]
- Standard Practice for Computing the Colors of Objects by Using the CIE System, November 2001 [0015]

Claims

Schichtsystem für wischfeste optische Reflektoren auf einem Substrat, umfassend eine optisch reflektierende Metallschicht und einen auf der dem Substrat entgegen gesetzten Seite der Metallschicht angeordneten transparenten oberen Schichtaufbau mit einer Deckschicht aus einer plasmagestützt abgeschiedenen harten Schicht, die auf zumindest einer silizium-organischen Verbindung basiert und optional mit zumindest einer Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus so gewählt ist, dass ein von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängiger spektraler mittlerer Reflexionsgrad R_s ein Maximum R_max aufweist, ein spektraler Mittelwert R_s eines von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbausabhängigen Reflexionsgrads einen Wert > R_metal – 1/3ΔR aufweist, wobei R_metal ein analog wie R_s gebildeter spektraler Mittelwert R_metal eines analog wie R_s bestimmten Reflexionsgrads der ungeschützten Metallschicht und ΔR = R_metal – R_min ist und R_min das Minimum des von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrads bezeichnet oder zwischen einem von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Farbeindruck F_s = (L*_s, a*_s, b*_s) und dem Farbeindruck der ungeschützten Metallschicht F_m = (L*_m, a*_m, b*_m) ein Farbabstand ΔE* = Wurzel[(L*_s – L*_m)² + (a*_s – a*_m)² + (b*_s – b*_m)²] < 2,0 besteht.
Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Substrat zugewandten Seite der Metallschicht zwischen Metallschicht und Substrat eine Grundschicht vorgesehen ist.
Schichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht eine plasmagestützt abgeschiedene, vorzugsweise harte Schicht ist, die auf zumindest einer silizium-organischen Verbindung basiert oder eine vorzugsweise harte Lackschicht ist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Deckschicht und der Metallschicht mindestens eine obere Zwischenschicht angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Grundschicht und der Metallschicht mindestens eine zusätzliche untere Zwischenschicht angeordnet ist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere und/oder obere Zwischenschicht mit einer Sauerstoffschutz-Funktion für die Metallschicht vorgesehen ist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die silizium-organische Verbindung Hexamethyldisiloxan oder Tetramethyldisiloxan ist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der harten Schichten Sauerstoff und/oder Stickstoff eingelagert ist.
Schichtsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht wenigstens ein Mitglied der aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, Magnesium, Eisen, Stahl, Chrom gebildeten Gruppe oder der aus ihnen gebildeten Legierungen umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystem für wischfeste optische Reflektoren auf einem Substrat, wobei auf eine optisch reflektierende Metallschicht auf der dem Substrat entgegen gesetzten Seite der Metallschicht ein transparenter oberer Schichtaufbau mit einer Deckschicht aus einer plasmagestützt abgeschiedenen harten Schicht, die auf zumindest einer silizium-organischen Verbindung basiert und optional mit zumindest einer Zwischenschicht, aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus so gewählt wird, dass ein ein von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängiger spektraler mittlerer Reflexionsgrad R_s ein Maximum R_max aufweist, dass ein spektraler Mittelwert R_s eines von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrad einen Wert > R_metal – 1/3ΔR aufweist, wobei R_metal ein analog wie R_s gebildeter spektraler Mittelwert R_metal eines analog wie R_s bestimmten Reflexionsgrads der ungeschützten Metallschicht und ΔR = R_metal – R_min ist und R_min das Minimum des von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Reflexionsgrads bezeichnet oder dass zwischen einem von der Schichtdicke des oberen Schichtaufbaus abhängigen Farbeindruck F_s = (L*_s, a*_s, b*_s) und dem Farbeindruck der ungeschützten Metallschicht F_m = (L*_m, a*_m, b*_m) ein Farbabstand ΔE* = Wurzel[(L*_s – L*_m)² + (a*_s – a*_m)² + (b*_s – b*_m)²] < 2,0 besteht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum während der Herstellung ungebrochen bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht durch ein Sputterverfahren, ein physikalisches oder chemisches Verdampfungsverfahren oder ein Ionenstrahlverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die silizium-organische Verbindung Hexamethyldisiloxan oder Tetramethyldisiloxan ist, wobei bei der Herstellung der Deckschicht eine Reaktivkomponente wie Sauerstoff und/oder Stickstoff zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivkomponente in einem Flussratenverhältnis von 1:0.5 bis 1:20 von Hexamethyldisiloxan oder Tetramethyldisiloxan zur Reaktivkomponente zugeführt wird.