BE1019415A3 - Geëmailleerd visueel communicatiebord. - Google Patents

Abstract

Communicatiebord (1) met een geëmailleerd oppervlak, daardoor gekenmerkt dat op de zichtbare zijde van de emaillaag een meervoudige antireflectielaag is aangebracht, bestaande uit tenminste drie glazige of keramische lagen, waarbij tenminste één laag een optische laagdikte heeft buiten het bereik van 50 tot 200 nm en waarbij de optische laagdikte van deze laag gelijk is aan een kwart van de golflengte van het invallend licht in nm, gedeeld door de brekingsindex van de glazige of keramische laag en waarbij deze brekingsindex tussen 1,3 en 1,5 ligt.

Description

Geëmailleerd visueel communicatiebord.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een geëmailleerd visueel communicatiebord, met een geëmailleerd oppervlak dat onder andere beschreven kan worden met stiften of met krijt.

Dergelijke communicatieborden kunnen al dan niet interactief zijn. Interactieve borden zijn in staat de gegevens welke bijvoorbeeld tijdens een presentatie op het communicatiebord worden geschreven, digitaal op te slaan, en eventueel simultaan te projecteren en diverse andere interacties te voorzien tussen het communicatiebord, een computer en diverse randapparatuur. Dergelijke interactieve communicatieborden uit geëmailleerd staal, die gebruik maken van een optisch leesbaar positie-coderingspatroon, werden beschreven in het octrooi BE 1.015.482.

Een probleem dat zich stelt, is dat bepaalde geëmailleerde communicatieborden hinderlijke lichtreflecties vertonen van lichtbronnen, zoals verlichting of een projectorlamp, waardoor de leesbaarheid van het communicatiebord verminderd wordt, zowel voor de toeschouwer, als voor de optische systemen die in het geval van interactieve communicatieborden een beeld van het oppervlak registreren.

Om dit nadeel te verhelpen, is het bekend communicatieborden met. een geëmailleerd oppervlak te voorzien van één of meerdere antireflectielagen. Zo beschrijft het BE 1.016.588 het afdekken van het geëmailleerd oppervlak met een glazige of keramische antireflectielaag, die als sol-gel dispersie wordt aangebracht, en vervolgens getemperd wordt bij een gepaste hogere temperatuur.

De voornoemde sol-gel dispersie bestaat hierbij uit een colloïdale oplossing van anorganische metaalzouten en/of organische metaalverbindingen, zoals metaal-alkoxiden, waarbij deze oplossing, of meer bepaald deze vloeibare dispersie, tijdens een droogproces omgezet wordt van de 'sol' in de 'gel' toestand en na temperen bij hogere temperatuur de voornoemde antireflectielaag vormt.

In de regel is het bekend dat de optische dikte van de sol-gel laag zodanig is dat ze overeenstemt met een vierde van de golflengte van het zichtbare licht of van het licht van een lichtbron gebruikt voor het lezen van een interactief communicatiebord door een computer of voor het projecteren van een beeld, wat meer bepaald neerkomt op een laagdikte voor de sol-gel laag die meestal in het bereik van 50 tot 200 nm ligt.

Het licht weerkaatst door het oppervlak, dat de overgang tussen de omgevingslucht en de sol-gel laag vormt, wordt ten minste ten dele geneutraliseerd door het licht dat weerkaatst wordt door het oppervlak dat de overgang tussen de sol-gel laag en de onderliggende emaillaag vormt, waardoor de afdeklaag als antireflectielaag fungeert.

Indien de sol-gel laag een optische dikte heeft van een vierde van de golflengte van het licht waarvan men beoogt de reflectie te verminderen, en de sol-gel laag over een brekingsindex beschikt die kleiner is dan die van de onderliggende laag, in dit geval een emaillaag, dan vertonen de twee weerkaatste golven een faseverschil van 180° en heffen ze elkaar geheel of gedeeltelijk op door interferentie, althans de golven die loodrecht op het oppervlak invallen. De lichtgolven die invallen onder een van de voornoemde loodrechte richting afwijkende invalshoek worden eveneens onderdrukt, zij het in mindere mate.

Mathematisch wordt dat uitgedrukt als

met n de brekingsindex van de sol-gel laag, d de dikte van de laag en λ de golflengte van het invallende licht. Het product van n en d wordt de optische dikte van de laag genoemd.

Deze antireflectielaag verlaagt de glans van het bord en vermindert storende lichtreflectie. Omdat het oppervlak van de antireflectielaag glad is, zorgt ze tevens voor een goede uitveegbaarheid van bijvoorbeeld inkt van viltstiften waarmee op het communicatiebord geschreven werd.

Een nadeel van een dergelijke antireflectielaag is dat de antireflecterende werking van één afdeklaag enkel optimaal is voor één golflengte die veelal gekozen wordt in het midden van het spectrum van het zichtbare licht, namelijk 550 nm. Een dergelijke afdeklaag vertoont bijgevolg een minimale reflectie in het midden van het spectrum van het zichtbare licht, maar niet daarbuiten.

Deze minimale reflectie hangt af van de grootte van de brekingsindex van de sol-gel laag. Het optimum wordt berekend als

waarbij no staat voor de brekingsindex van het omgevende medium (gebruikelijk lucht waarbij n0 = 1) en waarbij ns de brekingsindex van het substraat is. In vele toepassingen is het substraat glas of een polymeer materiaal met een brekingsindex ns van ongeveer 1,5.

In dit geval zou de ideale brekingsindex van de sol-gel laag 1,22 bedragen.

De beschikbaarheid van materialen met zulk een lage brekingsindex beperkt de effectiviteit van een antireflectie afwerking bestaande uit één laag. De meest gebruikte materialen betreffen MgF2 met een brekingsindex van 1,38 en ook het nanoporeuze SiC>2 wordt vaak aangewend.

In het geval, waar het substraat een wit geëmailleerde plaat betreft, wordt de witte kleur bekomen door een neerslag van Ti02. De eigenschappen van email zijn vrij gelijkaardig aan die van borosilicaat glas, maar door de aanwezigheid van Ti02 in het email, wordt de brekingsindex 1,65 tot 1,7, hetgeen door de uitvinder via ellipsometrische metingen werd bepaald.

Het is ook bekend dat een antireflectie afwerking veel effectiever gemaakt kan worden door de antireflectielaag op te bouwen uit twee of meerdere lagen met verschillende brekingsindices. Een antireflectie afwerking met twee lagen waarvan de optische dikte van elke laag gelijk is aan λ/4 voor het licht waarvan men de reflectie wil reduceren, heeft nog een relatief eenvoudige opbouw.

De opbouw van een antiref lectie afwerking met meer dan twee lagen wordt echter complexer en het ontwerp ervan vereist gecompliceerde berekeningen. In dit geval worden bijvoorbeeld ook soms lagen voorzien waarvan de optische dikte overeenstemt met λ/2 van de te reduceren lichtreflectie.

Zo beschrijft BE 1.017.572 niet alleen het gebruik van één afdeklaag met een optische dikte overeenstemmend met een vierde van de golflengte van het spectrum voor zichtbaar licht, maar ook het gebruik van drie op elkaar afgestemde lagen, en dit voor communicatieborden van het interactieve type.

Deze drie lagen vertonen elk een verschillende brekingsindex en een verschillende laagdikte, die zo zijn gekozen dat ze een optimale antireflecterende werking vertonen voor de lichtbron die de reflectie veroorzaakt.

Zo vertoont de eerste laag een optische dikte van λ/4, de tweede laag een dikte van λ/2 en een derde laag weer een dikte van λ/4, waarbij λ de golflengte is van de lichtbron waarvan de reflectie onderdrukt dient te worden, bijvoorbeeld 550 nm voor het midden van het zichtbare licht.

Alhoewel het gereflecteerde licht met de drievoudige afdeklaag over een breder golflengtebereik van het zichtbare licht wordt onderdrukt, is dit golflengtebereik klein voor de gebruikers van geëmailleerde communicatieborden of aan de eisen van het optisch systeem gebruikt in interactieve communicatieborden op basis van geëmailleerd staal.

Het doel van de uitvinding is de spectrale bandbreedte waarover het gereflecteerde licht wordt onderdrukt nog te verbreden tot een groter deel van het spectrum van zichtbaar licht of van het spectrum van een gebruikte lichtbron.

Daartoe betreft de huidige uitvinding een communicatiebord waarbij op de zichtbare zijde van de emaillaag een meervoudige antireflectielaag is aangebracht, bestaande uit tenminste drie glazige of keramische lagen, waarbij tenminste één laag een laagdikte heeft buiten het bereik van 50 tot 200 nm.

De keuze van deze brekingsindex wordt bepaalt door de vierkantswortel uit de brekingsindex van het email, die door de uitvinder werd vastgesteld op 1,65 tot 1,70 zodat de ideale brekingsindex voor een glazige of keramische laag 1,3 tot 1,4 bedraagt.

Een anti-reflectie afwerking kan inderdaad nog effectiever gemaakt worden door het voorzien van drie, vier, vijf of meer antiref lectielagen die op elkaar afgestemd zijn, waarbij de laagdiktes berekend worden en gekozen worden ook buiten het interval van 50 tot 200 nm, en waarbij voor elke laag verschillende brekingsindices gebruikt kunnen worden.

De verhoogde effectiviteit blijkt uit het reflectiespectrum dat over een breder golflengtebereik de reflectie van het invallend licht onderdrukt, waardoor het licht onder een grotere hoek mag invallen zonder dat de antireflectie-eigenschappen van de coating verloren gaan.

Optioneel kan het communicatiebord een interactief bord zijn, voorzien van een positie-coderingspatroon dat het gebruik van een beelddetector toelaat waarmee de positie op het bord van de pen of de stift bepaald kan worden en waarmee een beeld van wat er op het bord is getekend of geschreven, opgeslagen kan worden in een computer.

De meervoudige antireflectielaag kan op de lichtbron van een pen of stift voor een interactief bord worden afgestemd, waarbij voorkomen wordt dat de detectie van het coderingspatroon door hinderlijke reflecties wordt beïnvloed.

Bij voorkeur worden de meervoudige antireflectielagen bekomen uit verschillende colloïdale oplossingen van anorganische metaalzouten en/of organische metaalverbindingen, zoals metaal alkoxiden, waarbij deze vloeibare dispersies als sol op het communicatiebord aangebracht worden en tijdens een droogproces omgezet worden in een gel toestand en waarbij, na temperen bij temperaturen boven 300 °C, droge en uitgeharde antireflectielagen gevormd worden.

Een voordeel van deze samenstellingen is dat ze in gewenste laagdiktes kunnen worden aangebracht door dip coating aan een gepaste snelheid.

Nog een voordeel is dat deze samenstellingen zich laten mengen tot oplossingen met een gewenste brekingsindex.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven, bestaande uit een vijfvoudige antireflectielaag van een al dan niet interactief visueel communicatiebord op basis van een geëmailleerd oppervlak volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 schematisch een doorsnede van een communicatiebord met een vijfvoudige antireflectielaag volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 het reflectiespectrum van figuur 1 weergeeft ; figuur 3 een doorsnede van een communicatiebord met één antireflectielaag weergeeft; figuur 4 het reflectiespectrum van figuur 3 weergeeft; figuur 5 een doorsnede van een communicatiebord met een drievoudige antireflectielaag weergeeft; figuur 6 het reflectiespectrum van figuur 5 weergeeft.

Het visueel communicatiebord 1, zoals weergegeven in figuur 1, bestaat in hoofdzaak uit een stalen plaat 2 van in dit geval 0,35 mm dik, die aan de voorzijde is voorzien van een hoofdzakelijk witte emaillaag 3 van in dit geval 0,10 mm dik.

Met de voorzijde wordt bedoeld de zijde die bij het gebruik van het communicatiebord 1 gericht is naar de toeschouwer.

Op de witte emaillaag 3 zijn volgens de uitvinding vijf glazige of keramische lagen 4 tot 8 aangebracht. Het resulterend reflectiespectrum 9 van dit oppervlak wordt in figuur 2 weergegeven.

Door middel van een computerprogramma, bijvoorbeeld gebaseerd op de matrix berekeningsmethode van Abeles, kan de reflectie en transmissie van een antireflectielaag bestaande uit meerdere lagen, aangebracht op een substraat, worden berekend.

Deze berekeningsmethode wordt in detail beschreven en aangetoond in het boek : "Basics of Opties of Multilayer Systems" door Sh. Furman en A.V. Tikhonravov, Edition Frontières, Gif-sur Yvette, 1992.

Met deze methode werd door de uitvinder berekend, gebruik makend van de experimenteel bepaalde brekingsindices van het geëmailleerd substraat en van de verschillende lagen, dat voor de golflengte 550 nm, een optimale vijfvoudige antireflectielaag als volgt is opgebouwd:

Tabel I : berekende vijfvoudige anti-reflectielaag op een geëmailleerd oppervlak met een brekingsindex van 1,6.

Een dergelijke opbouw werd in de praktijk verwezenlijkt uitgaande van twee oplossingen met volgende samenstellingen : 1) Si02 oplossing (TEOS = tetraethoxysilaan)

Tabel II : Samenstelling van de Si02 oplossing

Het totaal volume van deze samenstelling bedraagt 725,67 ml.

2) Ti02 oplossing

Tabel III : Samenstelling van de Ti02 oplossing

Het totaal volume van deze samenstelling bedraagt 705,38 ml.

De eerste laag 4 op de geëmailleerde laag wordt verkregen door de Si02 oplossing te mengen met de Ti02 oplossing in een volumetrische verhouding 70/30,- waarbij een brekingsindex van 1,7 verkregen wordt.

Dit mengsel wordt aangebracht op het geëmailleerd substraat 3 door dip coaten met een snelheid van 1,4 0 cm/sec zodat, na 5 minuten drogen bij 400 °C, een laagdikte overblijft van 85 nm.

Hierover wordt op analoge wijze met een dip coating snelheid van 0,40 cm/sec een laag aangebracht van de Ti02 samenstelling en deze tweede laag 5 wordt eveneens gedroogd gedurende 5 minuten bij 400 °C, waarbij een laagdikte van 59 nm met brekingsindex 2,1 overblijft.

Hierover wordt op analoge wijze een derde laag 6 aangebracht bestaande uit het mengsel Si02/ Ti02, zoals hierboven beschreven, op gelijke wijze bij een dip coating snelheid van 0,47 cm/sec , doch voor een dunnere laagdikte die na het drogen bij 400 °C gedurende 5 minuten een laagdikte oplevert van 32 nm en brekingsindex 1,7.

Hierover wordt op analoge wijze een vierde laag 7 aangebracht bestaande uit de Ti02 samenstelling bij een dip coating snelheid van 0,31 cm/sec, die na drogen gedurende 5 minuten bij 400 °C een laagdikte oplevert van 39 nm en brekingsindex 2,1.

Tenslotte wordt een vijfde laag 8 aangebracht bestaande uit de Si02 oplossing hierboven beschreven bij een dip coating snelheid van 0,91 cm/sec , die na drogen gedurende ditmaal 10 minuten bij 400 °C een laagdikte oplevert van 98 nm en brekingsindex 1,4.

Het resulterend reflectiespectrum 9 bij een loodrechte invalshoek van het licht wordt weergegeven in figuur 2, waaruit blijkt dat de reflectie van de zichtbare golflengtes sterk onderdrukt wordt vanaf golflengtes boven 450 nm. Het door het oppervlak gereflecteerde licht wordt uitgedrukt als % van het invallend licht en wordt weergegeven in functie van de golflengte λ van het invallend licht, uitgedrukt in nanometer (nm).

De geïntegreerde reflectie over het voorgestelde golflengtebereik is lager dan 1,2 %, en wordt als volgt gedefinieerd :

In figuur 3 wordt in doorsnede een communicatiebord uit geëmailleerd staal 10 getoond, voorzien van een enkelvoudige antireflectielaag 11 en in figuur 4 het reflectiespectrum 12 van dit oppervlak bij loodrechte invalshoek.

De antireflectielaag bestaat uit een Si02 oplossing, als sol-gel aangebracht via dip coating.

De SiC>2 oplossing bevat volgende ingrediënten :

Tabel IV : Samenstelling van de S1O2 oplossing

Het totaal volume van deze samenstelling bedraagt 725,67 ml.

Deze oplossing werd aangebracht op de geëmailleerde laag 3 door dip coaten bij een snelheid van 10 mm/sec en nadien gedroogd bij een temperatuur van 400 °C gedurende 10 minuten, waarna een droge laagdikte van 100 nm bekomen werd.

Het resulterend reflectiespectrum 12 bij een loodrechte lichtinvalshoek wordt weergegeven in figuur 4, waaruit blijkt dat de reflectie van de zichtbare golflengtes minder sterk onderdrukt wordt dan voor een vijfvoudige antireflectielaag.

In figuur 5 wordt in doorsnede een communicatiebord 13 uit geëmailleerd staal 2 getoond, voorzien van een drievoudige anti'reflectielaag 14,15,16.

Zo werd berekend dat voor de golflengte 550 nm, een optimale drievoudige antireflectielaag als volgt is opgebouwd :

Tabel V : berekende drievoudige antiréflectielaag op een geëmailleerd oppervlak met een brekingsindex van 1,6.

Een dergelijke opbouw werd experimenteel verwezenlijkt uitgaande van dezelfde twee oplossingen, namelijk een S1O2 oplossing en een T1O2 oplossing met dezelfde samenstellingen, zoals beschreven voor de vijfvoudige antireflectielaag in figuur 1.

De eerste laag 14 op het geëmailleerd oppervlak bestaat uit een mengsel van de S1O2 oplossing met de T1O2 oplossing in een volumetrische verhouding 40/60 en levert een brekingsindex van 1,85.

De eerste laag 14 wordt aangebracht met een dip coating snelheid van 1,3 cm/sec, resulterend in een laagdikte na drogen van 94 nm.

De tweede laag 15 bestaat uit de T1O2 oplossing, die aangebracht wordt met een dip coating snelheid van 42 mm/sec, resulterend in een laagdikte na drogen van 29 nm.

De derde laag 16 bestaat uit de Si02 oplossing, die aangebracht wordt met een dip coating snelheid van 91 mm/sec, resulterend in een laagdikte na drogen van 101 nm.

Het resulterend reflectiespectrum 17 voor een invalshoek van 0° voor deze antireflectieafwerking bestaande uit 3 lagen wordt weergegeven in figuur 6.

Uit de vergelijking van de reflectiespectra van de enkel-, drie- of vijf-voudige lagen, blijkt dat de uitvoering met vijf lagen het gereflecteerde licht over het breedste golf lengtegebied onderdrukt, hetgeen een geïntegreerde reflectie tussen 380 en 780 nm oplevert van minder dan 1,2%, hetgeen de onderdrukking over een breed golflengtegebied weergeeft.

Het spreekt voor zich dat de antireflecterende eigenschappen nog verder verbeterd kunnen worden door het aanbrengen van nog bijkomende lagen, voor zover ze oordeelkundig gekozen werden qua laagdikte en brekingsindex.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvorm, doch meerdere antireflectie-coatings met drie of meer lagen voor een communicatiebord kunnen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Zo kan het geëmailleerd oppervlak langs één of twee zijden op een drager bevestigd zijn of kan de drager bestaan uit een honingraatkern opgebouwd uit een thermoplastisch polymeer dat bijvoorbeeld in-line gefabriceerd wordt in het productieproces van het communicatiebord, waarop in-line geëmailleerde staalplaat gelamineerd wordt.

Claims (7)

1. Communicatiebord (1) met een geëmailleerd oppervlak, daardoor gekenmerkt dat op de zichtbare zijde van de emaillaag een meervoudige antireflectielaag is aangebracht, bestaande uit tenminste drie glazige of keramische lagen, waarbij tenminste één laag een optische laagdikte heeft buiten het bereik van 50 tot 200 nm en waarbij de optische laagdikte van deze laag gelijk is aan een kwart van de golflengte van het invallend licht in nm, gedeeld door de brekingsindex van de glazige of keramische laag en waarbij deze brekingsindex tussen 1,3 en 1,5 ligt.

2. Communicatiebord (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het communicatiebord een interactief bord is, voorzien van een positie-coderingspatroon dat het gebruik van een beelddetector toelaat waarmee de positie op het bord van de pen of de stift bepaald kan worden en waarmee een beeld van wat er op het bord is getekend of geschreven, opgeslaan kan worden in een computer.

3. Communicatiebord volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de meervoudige antireflectielaag (4 tot 8) samengesteld is uit verschillende colloïdale oplossingen van anorganische metaalzouten en/of organische metaalverbindingen, zoals metaal alkoxiden, waarbij deze vloeibare dispersies als sol op het communicatiebord aangebracht worden en tijdens een droogproces omgezet worden in een gel toestand en na temperen bij temperaturen boven 300 °C de droge en uitgeharde antireflectielaag vormen.

4. Communicatiebord (1)volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het communicatiebord bestaat uit een geëmailleerd oppervlak (3), dat langs één of twee zijden op een drager (2) is bevestigd.

5. Communicatiebord (1) volgens conclusie 4, daardoor gekenmerkt dat de drager (2) bestaat uit een laag staal bevestigd op een honingraatkern opgebouwd uit een thermoplastisch polymeer.

6. Communicatiebord (1) volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de honingraat kern van de drager inline gefabriceerd wordt in het productieproces van het communicatiebord (1).

7. Communicatiebord (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het oppervlak met de meervoudige antireflectielaag (4 tot 8) een geïntegreerde reflectie tussen 380 en 780 nm vertoont van minder dan 1,2 %.