DE102014119261B4

DE102014119261B4 - Rote omnidirektionale strukturelle Farbe aus Metall und dielektrischen Schichten

Info

Publication number: DE102014119261B4
Application number: DE102014119261.3A
Authority: DE
Inventors: Debasish Banerjee; Minjuan Zhang; Masahiko Ishii; Li Qin Zhou; Yumi Kato
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc; Toyota Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2034-12-20
Also published as: CN104730737A; DE102014119261A1; JP2015120350A; JP6437817B2; CN104730737B

Abstract

Mehrschichtiger Stapel, welcher eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt, aufweisend:eine Reflektorschicht;eine dielektrische Schicht, welche sich auf der Reflektorschicht erstreckt, wobei die Reflektorschicht und die dielektrische Schicht mehr als 70% von einfallendem weißen Licht mit Wellenlängen größer als 550 nm reflektieren; undeine selektive Absorberschicht, welche sich auf der dielektrischen Schicht erstreckt, wobei die selektive Absorberschicht mehr als 70% des einfallenden weißen Lichts mit Wellenlängen kleiner als 550 nm absorbiert;wobei die Reflektorschicht, die dielektrische Schicht und die selektive Absorberschicht einen omnidirektionalen Reflektor bilden, wobei der omnidirektionale Reflektor ein enges Band von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung mit einer Mittelwellenlänge zwischen 550-700 nm, einer Breite von weniger als 200 nm breit und einer Farbverschiebung von weniger als 60 nm reflektiert, wenn der omnidirektionale Reflektor aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird, wobei der omnidirektionale Reflektor eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung ist eine „Continuation-in-part“ (CIP) der U.S.-Patentanmeldung mit der Nummer 13/913,402 , welche am 8. Juni 2013 eingereicht wurde, die wiederum eine CIP der U.S.-Patentanmeldung mit der Nummer 13/760,699 ist, welche am 6. Februar 2013 eingereicht wurde, die wiederum eine CIP der 13/572,071 ist, welche am 10. August 2012 eingereicht wurde, die wiederum eine CIP der U.S.-Patentanmeldung mit der Nummer 13/021,730 ist, welche am 5. Februar 2011 eingereicht wurde, die wiederum eine CIP der 12/793,772 ist, welche am 4. Juni 2010 eingereicht wurde, die wiederum eine CIP der U.S.-Patentanmeldung mit der Nummer 12/388,395 ist, welche am 18. Februar 2009 eingereicht wurde, die wiederum eine CIP der U.S.-Patentanmeldung mit der Nummer 11/837,529 ist, welche am 12. August 2007 eingereicht wurde (U.S.-Patent mit der Nummer 7,903,339). Die U.S.-Patentanmeldung mit der Nummer 13/021,730, welche am 5. Februar 2011 eingereicht wurde, ist ebenso eine CIP der 11/837,529, welche am 12. August 2007 eingereicht wurde (U.S.-Patent mit der Nummer 7,903,339). Die U.S.-Patentanmeldung mit der Nummer 13/760,699, welche am 6. Februar 2013 eingereicht wurde, ist ebenso eine CIP der 12/467,656, welche am 18. Mai 2009 eingereicht wurde, die alle in ihrer Gesamtheit durch Inbezugnahme mit aufgenommen sind.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine omnidirektionale strukturelle Farbe und insbesondere eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe, welche durch einen mehrschichtigen Stapel mit einer Absorberschicht und einer dielektrischen Schicht vorgesehen ist.
Hintergrund der Erfindung
Die Druckschrift US 6,686,042 B1 offenbart ein farbveränderliches Pigmentplättchen, umfassend mindestens eine Reflektorschicht mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; eine erste selektive Absorberschicht auf der ersten Oberfläche der Reflektorschicht; eine erste dielektrische Schicht auf der ersten selektiven Absorberschicht; und eine erste Absorberschicht auf der ersten dielektrischen Schicht. Das Pigmentplättchen weist eine diskrete Farbverschiebung auf, so dass das Pigmentplättchen eine erste Farbe in einem ersten Winkel des einfallenden Lichts oder der Betrachtung und eine zweite Farbe, die sich von der ersten Farbe in einem zweiten Winkel des einfallenden Lichts oder der Betrachtung unterscheidet, aufweist.
Pigmente aus mehrschichtigen Strukturen sind bekannt. Zusätzlich sind Pigmente bekannt, welche eine omnidirektionale strukturelle Farbe mit hoher Chroma aufweisen oder vorsehen. Solche Pigmente des Standes der Technik benötigen jedoch nicht weniger als 39 dünne Filmschichten, um gewünschte Farbeigenschaften zu erhalten.
Es wird erkannt, dass sich die Kosten in Zusammenhang mit der Herstellung von dünnschichtigen Mehrschicht-Pigmenten proportional zu der Anzahl an erforderlichen Schichten verhalten. Dementsprechend können die Kosten in Zusammenhang mit der Herstellung von Hoch-Chroma omnidirektionalen strukturellen Farben unter Verwendung von mehrschichtigen Stapeln von dielektrischen Materialien hinderlich sein. Daher ist eine omnidirektionale, strukturelle Farbe mit hoher Chroma wünschenswert, welche eine minimale Anzahl an dünnen Filmschichten benötigt.
Kurzfassung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorgesehen ist ein mehrschichtiger Stapel, welcher eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe bereitstellt. Der mehrschichtige Stapel enthält eine Reflektorschicht, eine dielektrische Schicht, welche sich über der Reflektorschicht erstreckt, und eine Absorberschicht bzw. Absorptionsschicht, welche sich über der dielektrischen Schicht erstreckt. Die dielektrische Schicht in Kombination mit der Reflektorschicht reflektiert mehr als 70% von einfallendem weißen Licht mit einer Wellenlänge größer als 550 Nanometer (nm). Zusätzlich absorbiert die Absorberschicht mehr als 70% von einfallendem weißen Licht mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen weniger als 550 nm. In Kombination bilden die Reflektorschicht, die dielektrische Schicht und die Absorptionsschicht einen omnidirektionalen Reflektor, welcher: (1) ein schmales Band von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung (Reflexionspeak oder -band) mit einer Mittelwellenlänge zwischen 550-700 nm und einer Breite von weniger als 200 nm breit reflektiert; und (2) eine Farbverschiebung von weniger als 100 nm aufweist, wenn der omnidirektionale Reflektor aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird. In einigen Fällen ist die Breite des schmalen Bandes von reflektierter sichtbarer elektromagnetischer Strahlung kleiner als 175 nm, vorzugsweise kleiner als 150 nm, bevorzugter kleiner als 125 nm, und noch bevorzugter kleiner als 100 nm.
Die Reflektorschicht besitzt eine Dicke zwischen 50-200 nm und ist aus Metallen, wie Aluminium, Silber, Platin, Zinn, Legierungen davon und dergleichen hergestellt.
In einigen Fällen besitzt die dielektrische Schicht eine optische Dicke zwischen 0,1 und 2,0 Viertelwelle (QW) einer gewünschten reflektierten Mittelwellenlänge. In anderen Fällen besitzt die dielektrische Schicht eine optische Dicke größer als 2,0 QW einer gewünschten reflektierten Mittelwellenlänge. Die dielektrische Schicht besitzt außerdem einen Brechungsindex größer als 1,6 und enthält ein dielektrisches Material, wie Zinksulfid (ZnS), Titandioxid (TiO₂), Hafniumoxid (HfO2), Nioboxid (Nb₂₃), Tantaloxid (Ta₂O₅), Kombinationen davon und dergleichen. Die dielektrische Schicht kann ebenso ein farbiges dielektrisches Material, wie Eisenoxid (Fe₂O₃), Kupferoxid (Cu₂O), Kombinationen davon und dergleichen enthalten.
Die Absorptionsschicht, welche hierin ebenso als eine Absorberschicht bezeichnet ist, kann eine farbige oder selektive Absorptionsschicht sein. Beispielsweise kann eine nicht farbige oder nicht selektive Absorberschicht eine Schicht aus Chrom, Silber, Platin usw. enthalten. Alternativ kann die Absorptionsschicht eine farbige oder selektive Absorberschicht aus Kupfer, Gold, Legierungen davon, wie Bronze, Messing und dergleichen, sein. Bei einer weiteren Alternative enthält die farbige oder selektive Absorberschicht ein farbiges dielektrisches Material, wie Fe₂O₃, Cu₂O, Kombinationen davon und dergleichen.
Es wird erkannt, dass die selektive Absorberschicht ausgewählt ist, um einen gewünschten Bereich von Wellenlängen innerhalb des Spektrums von weißem Licht zu absorbieren, und einen anderen gewünschten Bereich des Spektrums von weißem Licht zu reflektieren. Beispielsweise kann die selektive Absorberschicht derart gestaltet und hergestellt sein, dass diese elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen entsprechend violett, blau, grün, gelb (beispielsweise 400-550 nm) absorbiert, und hingegen elektromagnetische Strahlung entsprechend rot (d.h. 580-Infrarot (IR)-Bereich) reflektiert.
In einigen Fällen enthält der mehrschichtige Stapel zusätzlich zu der vorstehend erwähnten dielektrischen Schicht (d.h. der ersten dielektrischen Schicht) eine zweite dielektrische Schicht, wobei sich die zweite dielektrische Schicht über der Absorptionsschicht erstreckt und über die Absorptionsschicht gegenüberliegend zu der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist. Zusätzlich sind weitere Ausführungsformen vorgesehen, welche eine zweite Absorptionsschicht, eine dritte dielektrische Schicht usw. enthalten. Die Gesamtdicke von mehrschichtigen Stapeln, welche hierin offenbart sind, ist jedoch kleiner als 2 Mikrometer (µm), in einigen Fällen klein als 1,5 µm, in weiteren Fällen kleiner als 1,0 µm, und in noch weiteren Fällen kleiner als 0,75 µm.
Figurenliste

1A ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Feldpunktes von null oder nahe null (Null-Energie-Punkt) innerhalb einer dielektrischen ZnS-Schicht, welche elektromagnetischer Strahlung (EMR) mit einer Wellenlänge von 500 nm ausgesetzt ist;
1B ist eine grafische Darstellung des Absolutwerts des elektrischen Feldes im Quadrat (|E|²) über der Dicke der in 1A gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht, wenn diese einer EMR mit Wellenlängen von 300, 400, 500, 600 und 700 nm ausgesetzt ist;
2 ist eine schematische Darstellung einer dielektrischen Schicht, welche sich über ein Substrat oder eine Reflektorschicht erstreckt und elektromagnetischer Strahlung mit einem Winkel von Θ relativ zu einer Normalenrichtung zu der äußeren Oberfläche der dielektrischen Schicht ausgesetzt ist;
3 ist eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht mit einer Cr-Absorberschicht, welche bei dem elektrischen Feldpunkt von null oder nahe null innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht für einfallende EMR mit einer Wellenlänge von 434 nm angeordnet ist;
4 ist eine grafische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel ohne eine Cr-Absorberschicht (beispielsweise 1A) und einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cr-Absorberschicht (beispielsweise 3A), welche weißem Licht ausgesetzt sind;
5A ist eine grafische Darstellung von ersten Harmonischen (Grundschwingungen) und zweiten Harmonischen (erste Oberschwingungen), welche durch eine sich über eine Al-Reflektorschicht erstreckende dielektrische ZnS-Schicht bereitgestellt werden (beispielsweise 1A);
5B ist eine grafische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einer dielektrischen ZnS-Schicht, welche sich über eine Al-Reflektorschicht erstreckt, mit einer Cr-Absorberschicht, welche innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 5A gezeigten zweiten Harmonischen absorbiert werden;
5C ist eine grafische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einer dielektrischen ZnS-Schicht, welche sich über eine Al-Reflektorschicht erstreckt, mit einer Cr-Absorberschicht, welche innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 5A gezeigten ersten Harmonischen absorbiert werden;
6A ist eine grafische Darstellung eines elektrischen Feldes im Quadrat über der Dicke der dielektrischen Schicht, welche die Winkelabhängigkeit des elektrischen Feldes einer Cr-Absorberschicht für die Beaufschlagung mit einfallendem Licht bei 0 und 45 Grad zeigt;
6B ist eine grafische Darstellung der prozentualen Absorption durch eine Cr-Absorberschicht über der reflektierten EMR-Wellenlänge, wenn diese weißem Licht bei 0 und 45° Winkeln relativ zu der Normalen der äußeren Oberfläche ausgesetzt ist (0° entspricht der Normalen zu der Oberfläche);
7A ist eine schematische Darstellung eines Rot-Omnidirektional-Struktur-Farb-Mehrschichtstapels bzw. eines mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7B ist eine grafische Darstellung der prozentualen Absorption der in 7A gezeigten Cu-Absorberschicht über der reflektierten EMR-Wellenlänge für die Beaufschlagung des in 7A gezeigten mehrschichtigen Stapels mit weißem Licht bei Einfallswinkeln von 0 und 45°;
8 ist ein grafischer Vergleich zwischen Berechnungs-/Simulations-Daten und experimentellen Daten für die prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen Konzeptnachweis des mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe, welcher weißem Licht bei einem Einfallswinkel von 0° ausgesetzt ist;
9 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine Rasterelektronenmikroskop (SEM)-Aufnahme von Flocken bzw. Plättchen oder Pigmenten mit einer mehrschichtigen Stapelstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ist eine SEM-Aufnahme eines Querschnitts eines in 13 gezeigten einzelnen Plättchens;
15A ist eine schematische Darstellung eines Feldes, welches unter Verwendung von Pigmenten bemalt bzw. lackiert ist, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestaltet und hergestellt sind und eine orange Farbe mit einem Farbton von 36° in dem in 15D gezeigten Farbdiagramm besitzen;
15B ist eine schematische Darstellung eines Feldes, welches unter Verwendung von Pigmenten bemalt bzw. lackiert ist, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestaltet und hergestellt sind und eine dunkelrote Farbe mit einem Farbton von 26° in dem in 15D gezeigten Farbdiagramm besitzen;
15C ist eine schematische Darstellung eines Feldes, welches unter Verwendung von Pigmenten bemalt bzw. lackiert ist, welche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestaltet und hergestellt sind und eine hellpinke Farbe mit einem Farbton von 354° in dem in 15D gezeigten Farbdiagramm besitzen;
15D ist ein a*b*-Farbdiagramm unter Verwendung des CIELAB-Farbraums;
15E ist eine schematische Darstellung einer elfschichtigen Gestaltung, welche für Pigmente in der in den 15A bis 15C dargestellten Farbe verwendet wird;
16A ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16B ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16C ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16D ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 ist eine grafische Darstellung eines Abschnittes eines a*b*-Farbdiagramms unter Verwendung des CIELAB-Farbraums, bei welchem die Chroma und die Farbtonverschiebung zwischen einer herkömmlichen Farbe und derjenigen Farbe verglichen sind, welche verwendet wird, um das in 15B dargestellte Feld zu bemalen;
18 ist eine grafische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine siebenschichtige Gestaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
19 ist eine grafische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine siebenschichtige Gestaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Vorgesehen ist ein mehrschichtiger Stapel, welcher eine omnidirektionale strukturelle Farbe liefert, beispielsweise eine rote omnidirektionale Farbe. Dementsprechend verwendet der mehrschichtige Stapel als ein Farbpigment einen dünnen Film, welcher eine gewünschte Farbe vorsieht, und dergleichen.
Der mehrschichtige Stapel, welcher die omnidirektionale strukturelle Farbe liefert, enthält eine Reflektorschicht und eine dielektrische Schicht, welche sich über der Reflektorschicht erstreckt. Die Reflektorschicht und die dielektrische Schicht reflektieren mehr als 70% von einfallendem weißen Licht mit einer Wellenlänge größer als 550 nm. Es wird erkannt, dass die Dicke der dielektrischen Schicht derart vordefiniert sein kann, dass die Wellenlänge, bei welcher mehr als 70% von einfallendem weißen Licht reflektiert wird, größer als 550 nm, 560 nm, 580 nm, 600 nm, 620 nm, 640 nm, 660 nm oder 680 nm ist, oder Wellenlängen dazwischen entspricht. Anders ausgedrückt kann die Dicke der dielektrischen Schicht derart ausgewählt und hergestellt sein, dass eine bestimmte Farbe mit einem gewünschten Farbton, Chroma und/oder Helligkeit in einem Lab-Farbsystem-Diagramm reflektiert und durch das menschliche Auge wahrgenommen wird.
In einigen Fällen besitzt der mehrschichtige Stapel einen Farbton zwischen 315° und 45° im Lab-Farbraum. Außerdem besitzt der mehrschichtige Stapel eine Chroma bzw. Buntheit größer als 50 und eine Farbtonverschiebung kleiner 30°. In anderen Fällen ist die Chroma größer 55, vorzugsweise größer 60, und noch bevorzugter größer 65, und/oder die Farbtonverschiebung ist kleiner als 25°, vorzugsweise kleiner als 20°, bevorzugter kleiner als 15° und noch bevorzugter kleiner als 10°.
Eine Absorptionsschicht, welche mehr als 70% des einfallenden weißen Lichts für alle Wellenlängen im Allgemeinen kleiner als die Wellenlängen entsprechend der gewünschten reflektierten Wellenlänge der dielektrischen Schicht absorbiert, erstreckt sich über der dielektrischen Schicht. Falls die dielektrische Schicht beispielsweise eine Dicke besitzt, so dass 70% von einfallendem weißen Licht mit einer Wellenlänge größer als 600 nm reflektiert wird, absorbiert die Absorptionsschicht, welche sich über der dielektrischen Schicht erstreckt, mehr als 70% von einfallendem weißen Licht mit einer Wellenlänge im Allgemeinen kleiner als 600 nm. Auf diese Art und Weise wird ein spitzer reflektierter Peak mit einer Wellenlänge in dem roten Farbraum vorgesehen. In einigen Fällen reflektieren die Reflektorschicht und die dielektrische Schicht mehr als 80% von einfallendem weißen Licht mit einer Wellenlänge größer als 550 nm, und in anderen Fällen mehr als 90%. Außerdem absorbiert die Absorberschicht in einigen Fällen mehr als 80% von Wellenlängen im Allgemeinen kleiner als die Wellenlängen entsprechend der gewünschten reflektierten Wellenlänge der dielektrischen Schicht, und in anderen Fällen mehr als 90%.
Es wird erkannt, dass sich der Ausdruck „im Allgemeinen“ in diesem Zusammenhang in einigen Fällen auf ein mehr und/oder weniger von 20 nm, in anderen Fällen auf ein mehr und/oder weniger von 30 nm, in noch anderen Fällen auf ein mehr und/oder weniger von 40 nm, und in noch anderen Fällen auf ein mehr und/oder weniger von 50 nm bezieht.
Die Reflektorschicht, die dielektrische Schicht und die Absorptionsschicht bilden einen omnidirektionalen Reflektor, welcher ein enges Band von elektromagnetischer Strahlung (nachfolgend als Reflexionspeak oder Reflexionsband bezeichnet) mit einer Mittelwellenlänge zwischen 550 nm und der sichtbaren IR-Grenze des EMR-Spektrums reflektiert, ein Reflexionsband mit einer Breite von weniger als 200 nm und eine Farbverschiebung von weniger als 100 nm, wenn der omnidirektionale Reflektor weißem Licht ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird. Die Farbverschiebung kann sich in einer Verschiebung einer Mittelwellenlänge des Reflexionsbands oder alternativ einer Verschiebung einer UV-seitigen Grenze des Reflexionsbands darstellen. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ist die Breite des Reflexionsbands von elektromagnetischer Strahlung als die Breite des Reflexionsbands bei der Hälfte der reflektierten Höhe der maximalen reflektierten Wellenlänge innerhalb des sichtbaren Spektrums definiert. Zusätzlich besitzt das enge Band von reflektierter elektromagnetischer Strahlung, das heißt die „Farbe“ des omnidirektionalen Reflektors, eine Farbtonverschiebung von weniger als 25 Grad. In einigen Fällen besitzt die Reflektorschicht eine Dicke zwischen 50-200 nm und ist aus Metall, wie Aluminium, Silber, Platin, Zinn, Legierungen davon und dergleichen, hergestellt oder besteht aus diesen.
Mit Bezug auf die dielektrische Schicht, welche sich über der Reflektorschicht erstreckt, besitzt die dielektrische Schicht eine optische Dicke zwischen 0,1 und 2,0 QW. In einigen Fällen besitzt die dielektrische Schicht eine optische Dicke zwischen 0,1 und 1,9 QW, während die dielektrische Schicht in anderen Fällen eine Dicke zwischen 0,1 und 1,8 QW aufweist. In noch weiteren Fällen besitzt die dielektrische Schicht eine optische Dicke kleiner als 1,9 QW, beispielsweise kleiner als 1,8 QW, kleiner als 1,7 QW, kleiner als 1,6 QW, kleiner als 1,5 QW, kleiner als 1,4 QW, kleiner als 1,3 QW, kleiner als 1,2 QW oder kleiner als 1,1 QW. Alternativ besitzt die dielektrische Schicht eine optische Dicke größer als 2,0 QW.
Die dielektrische Schicht besitzt einen Brechungsindex größer als 1,60, 1,62, 1,65 oder 1,70 und diese kann aus einem dielektrischen Material, wie ZnS, TiO₂, HfO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Kombinationen davon und dergleichen hergestellt sein. In einigen Fällen ist die dielektrische Schicht eine farbige oder selektive dielektrische Schicht, welche aus einem farbigen dielektrischen Material, wie Fe₂O₃, Cu₂O und dergleichen hergestellt ist. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Ausdruck „farbiges dielektrisches Material“ oder „farbige dielektrische Schicht“ auf ein dielektrisches Material oder eine dielektrische Schicht, welche lediglich einen Teil von einfallendem weißen Licht hindurchlässt, während ein anderer Teil des weißen Lichts reflektiert wird. Die farbige dielektrische Schicht kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 400 und 600 nm hindurchlassen und Wellenlängen größer als 600 nm reflektieren. Dementsprechend besitzt das farbige dielektrische Material oder die farbige dielektrische Schicht eine orange, rote und/oder rötlich-orange optische Erscheinung.
Zusätzlich zu einer dielektrischen Schicht kann der omnidirektionale Reflektor eine selektive Absorberschicht enthalten, welche eine Dicke zwischen 5-200 nm besitzt. In einigen Fällen nimmt die farbige Absorberschicht die Stelle der vorstehend beschriebenen Absorberschicht ein oder ersetzt diese. In ähnlicher Art und Weise zu der vorstehenden Beschreibung kann eine selektive Absorberschicht Licht mit Wellenlängen in Zusammenhang mit violett, blau, gelb, grün usw. absorbieren und jedoch Wellenlängen entsprechend orange, rot, rötlich-orange usw. reflektierten. In einigen Fällen besteht die farbige Absorberschicht aus einem farbigen Material, wie Kupfer, Gold, Legierungen davon, wie Bronze, Messing usw., und dergleichen, oder ist aus diesem hergestellt. In noch anderen Fällen kann die farbige Absorberschicht ein farbiges dielektrisches Material, wie Fe₂O₃, Cu₂O usw., enthalten oder aus diesem hergestellt sein.
Die Absorberschicht ist derart angeordnet, dass zwischen der Absorberschicht und der dielektrischen Schicht eine Null- oder Nahe-Null-Energie-Schnittstelle vorliegt. Anders ausgedrückt besitzt die dielektrische Schicht eine Dicke, so dass bei der Schnittstelle zwischen der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht ein Null- oder Nahe-Null-Energiefeld bzw. ein Energiefeld von null oder nahe null angeordnet ist. Es wird erkannt, dass die Dicke der dielektrischen Schicht, bei welcher ein Null- oder Nahe-Null-Energiefeld vorliegt, eine Funktion der einfallenden EMR-Wellenlänge ist. Zusätzlich wird ebenso erkannt, dass die Wellenlänge entsprechend dem Null- oder Nahe-Null-Elektrischen-Feld bzw. dem elektrischen Feld von null oder nahe null durch die Schnittstelle zwischen der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht übertragen wird, wohingegen Wellenlängen, welche nicht dem elektrischen Feld von null oder nahe null bei der Schnittstelle entsprechen, diese nicht durchlaufen. Dementsprechend ist die Dicke der dielektrischen Schicht derart gestaltet und hergestellt, dass eine gewünschte Wellenlänge von einfallendem weißen Licht durch die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht übertragen wird, von der Reflektorschicht reflektiert wird und anschließend durch die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht zurück übertragen wird. In gleicher Art und Weise ist die Dicke der dielektrischen Schicht derart hergestellt, dass ungewünschte Wellenlängen von einfallendem weißen Licht nicht durch die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht übertragen werden.
In Anbetracht des Vorstehenden werden Wellenlängen, welche nicht der gewünschten Schnittstelle des elektrischen Feldes von null oder nahe null entsprechen, durch die Absorberschicht absorbiert und daher nicht reflektiert. In dieser Art und Weise wird eine gewünschte „scharfe“ Farbe vorgesehen, welche ebenso als strukturelle Farbe bekannt ist. Zusätzlich ist die Dicke der dielektrischen Schicht derart gewählt, dass eine Reflexion von gewünschten ersten Harmonischen und/oder zweiten Harmonischen erzeugt wird, um eine Oberfläche mit einer roten Farbe vorzusehen, welche ebenso eine omnidirektionale Erscheinung besitzt.
Der mehrschichtige Stapel kann zusätzlich zu der vorstehend erwähnten dielektrischen Schicht (ebenso bekannt als die erste dielektrische Schicht) eine zweite dielektrische Schicht enthalten, wobei sich die zweite dielektrische Schicht über der Absorberschicht erstreckt. Zusätzlich ist die zweite dielektrische Schicht über die Absorberschicht gegenüberliegend zu der ersten erwähnten dielektrischen Schicht angeordnet.
Hinsichtlich der Dicke der dielektrischen Schicht und dem vorstehend erwähnten elektrischen Feldpunkt von null oder nahe null ist 1A eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht, welche sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt. Die dielektrische ZnS-Schicht besitzt eine Gesamtdicke von 143 nm und für eine einfallende elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 500 nm liegt bei 77 nm ein Null- oder Nahe-Null-Energiepunkt vor. Anders ausgedrückt, die dielektrische ZnS-Schicht liefert bei einem Abstand von 77 nm von der Al-Reflektorschicht für einfallende EMR mit einer Wellenlänge von 500 nm ein elektrisches Feld von null oder nahe null. Zusätzlich sieht 1B eine grafische Darstellung des Energiefelds über die dielektrische ZnS-Schicht für eine Anzahl von unterschiedlichen einfallenden EMR-Wellenlängen vor. Wie in dem Graphen gezeigt ist, besitzt die dielektrische Schicht für die 500 nm Wellenlänge bei einer Dicke von 77 nm ein elektrisches Feld von null, für EMR-Wellenlängen von 300, 400, 600 und 700 nm bei der Dicke von 77 nm jedoch ein elektrisches Feld abweichend von null.
Ohne durch die Theorie beschränkt zu sein, ist nachstehend eine Berechnung der Null- oder Nahe-Null-Energiepunkt-Dicke für eine dielektrische Schicht, wie der in 1A dargestellten, erörtert.
Bezug nehmend auf 2 ist eine dielektrische Schicht 4 mit einer Gesamtdicke ,D', einer inkrementellen Dicke ,d' und einem Brechungsindex ,n' auf einem Substrat oder einer Kernlage 2 mit einem Brechungsindex von n_s gezeigt. Einfallendes Licht trifft mit einem Winkel © relativ zu einer Linie 6, welche sich rechtwinklig zu der äußeren Fläche 5 befindet, auf die äußere Fläche 5 der dielektrischen Schicht 4 und wird von der äußeren Fläche 5 mit dem gleichen Winkel reflektiert. Einfallendes Licht wird durch die äußere Fläche 5 und in die dielektrische Schicht 4 mit einem Winkel Θ_F relativ zu der Linie 6 übertragen und trifft mit einem Winkel Θ_s auf die Oberfläche 3 der Substratschicht 2.
Für eine einzelne dielektrische Schicht gilt Θ_s= Θ_F und die Energie/das elektrische Feld (E) kann als E(z) ausgedrückt werden, wenn z=d. Aus den Maxwell-Gleichungen kann das elektrische Feld für eine s-Polarisation folgendermaßen ausgedrückt werden: $\overset{⇀}{E} (d) = {u (z), 0, 0} exp (ik α y) |_{z = d}$
und für eine p-Polarisation folgendermaßen ausgedrückt werden: $\overset{⇀}{E} (d) = {0, u (z), - \frac{α}{\tilde{ε} (z)} v (z)} exp (ik α y) |_{z = d}$
wobei $k = \frac{2 π}{λ}$
und λ einer zu reflektierenden gewünschten Wellenlänge entspricht. Außerdem gilt α = n_s sinθ_s, wobei ,s' dem Substrat in 1 entspricht und ε̃ (z) der Dielektrizitätskonstante der Schicht als Funktion von z entspricht. Dementsprechend gilt, ${| E (d) |}^{2} = {| u (z) |}^{2} exp (2ik α y) |_{z = d}$
für eine s-Polarisation, und ${| E (d) |}^{2} = [{| u (z) |}^{2} + {| \frac{α}{\sqrt{n}} v (z) |}^{2}] exp (2ik α y) |_{z = d}$
für eine p-Polarisation.
Es wird erkannt, dass eine Variation des elektrischen Feldes entlang der Z-Richtung der dielektrischen Schicht 4 durch eine Berechnung der unbekannten Parameter u(z) und v(z) bestimmt werden kann, wobei gezeigt werden kann, dass: ${(\begin{matrix} u \\ v \end{matrix})}_{z = d} = (\begin{matrix} cos φ & (i/q) sin φ \\ iqsin φ & cos φ \end{matrix}) {(\begin{matrix} u \\ v \end{matrix})}_{z = 0,substrate}$
Normalerweise stellt ,i' die Quadratwurzel von -1 dar. Unter Verwendung der Grenzbedingungen u|_z=0 = 1, v|_z=0 = q_s und der nachfolgenden Gleichungen: $q_{s} = n_{s} cos θ_{s} für eine s - Polarisation$
$q_{s} = n_{s} /cos θ_{s} für eine p - Polarisation$
$q = n cos θ_{F} für eine s - Polarisation$
$q = n/cos θ_{F} für eine p - Polarisation$
$φ = k \cdot n \cdot d cos (θ_{F})$
können u(z) und v(z) folgendermaßen ausgedrückt werden: $\begin{matrix} u (z) |_{z = d} = u |_{z = 0} cos φ + v |_{z = o} (\frac{i}{q} sin φ) \\ = cos φ + \frac{i {.q}_{s}}{q} sin φ \end{matrix}$
und $\begin{matrix} v (z) |_{z = d} = iqu |_{z = 0} sin φ + v |_{z = 0} cos φ \\ = iqsin φ + q_{s} cos φ \end{matrix}$
Daher gilt: $\begin{matrix} {| E (d) |}^{2} = [{cos}^{2} φ+ \frac{q_{s}^{2}}{q^{2}} {sin}^{2} φ] e^{2 ik α γ} \\ = [{cos}^{2} φ+ \frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} {sin}^{2} φ] e^{2 ik α γ} \end{matrix}$
für eine s-Polarisation mit φ = k·n·dcos (θ_F), und: $\begin{matrix} {| E (d) |}^{2} = [{cos}^{2} φ+ \frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} {sin}^{2} φ+ \frac{α^{2}}{n} (q_{s}^{2} {cos}^{2} φ+ q^{2} {sin}^{2} φ)] \\ = [(1 + \frac{α^{2} q_{s}^{2}}{n}) {cos}^{2} φ+ (\frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} + \frac{α^{2} q^{2}}{n}) {sin}^{2} φ] \end{matrix}$
für eine p-Polarisation, wobei gilt: $α = n_{s} sin θ_{s} = n sin θ_{F}$
$q_{s} = \frac{n_{s}}{c o s θ_{s}}$
und $q_{s} = \frac{n}{c o s θ_{F}}$
Daher gilt für eine einfache Situation, wobei Θ_F=0 oder ein normaler Einfall, φ=k·n·d, und α=0: $\begin{array}{l} {| E (d) |}^{2} für eine s - Polarisation = {| E (d) |}^{2} für eine p - Polarisation = \\ = [{cos}^{2} φ+ \frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} {sin}^{2} φ] \\ = [{cos}^{2} (k \cdot n \cdot d) + \frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} {sin}^{2} (k \cdot n \cdot d)] \end{array}$
was ermöglicht, nach der Dicke ,d' aufzulösen, das heißt, der Position oder der Stelle innerhalb der dielektrischen Schicht, wo das elektrische Feld null beträgt.
Bezug nehmend auf 3 wurde die Gleichung 19 verwendet, um zu berechnen, dass sich der elektrische Feldpunkt von null oder nahe null in der dielektrischen ZnS-Schicht, welche in 1A gezeigt ist, bei 70 nm befindet (anstatt von 77 nm für eine 500 nm- Wellenlänge), wenn diese EMR mit einer Wellenlänge von 434 nm ausgesetzt ist. Zusätzlich wurde bei einer Dicke von 70 nm ausgehend von der Al-Reflektorschicht eine Cr-Absorberschicht eingefügt, um eine ZnS-Cr-Schnittstelle eines elektrischen Feldes von null oder nahe null zu ermöglichen. Solch eine erfinderische Struktur ermöglicht es Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm, die Cr-ZnS-Schnittstellen zu durchlaufen, absorbiert jedoch Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm. Anders ausgedrückt, die Cr-ZnS-Schnittstellen besitzen bezüglich Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm ein elektrisches Feld von null oder nahe null und dadurch durchläuft Licht mit 434 nm die Schnittstellen. Die Cr-ZnS-Schnittstellen besitzen jedoch kein elektrisches Feld von null oder nahe null für Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm und daher wird solches Licht durch die Cr-Absorberschicht und/oder Cr-ZnS-Schnittstellen absorbiert und nicht durch die Al-Reflektorschicht reflektiert.
Es wird erkannt, dass ein gewisser Prozentsatz von Licht innerhalb von +/- 10 nm der gewünschten 434 nm die Cr-ZnS-Schnittstelle durchlaufen wird. Jedoch wird ebenso erkannt, dass solch ein enges Band von reflektiertem Licht, beispielsweise 434 +/- 10 nm, nach wie vor eine scharfe strukturelle Farbe für das menschliche Auge vorsieht.
Das Ergebnis der Cr-Absorberschicht in dem mehrschichtigen Stapel in 3 ist in 4 dargestellt, wo eine prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge gezeigt ist. Wie durch die unterbrochene Linie gezeigt ist, welche der in 3 gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht ohne eine Cr-Absorberschicht entspricht, liegt bei etwa 400 nm ein enger Reflexionspeak vor, jedoch liegt bei etwa 550+ nm ein wesentlich breiterer Peak vor. Zusätzlich wird in dem Wellenlängenbereich von 500 nm nach vor ein wesentlicher Betrag von Licht reflektiert. Dementsprechend liegt ein Doppel-Peak vor, was verhindert, dass der mehrschichtige Stapel eine strukturelle Farbe besitzt oder aufweist.
Im Gegensatz dazu entspricht die durchgehende Linie in 4 der in 3 gezeigten Struktur mit der vorliegenden Cr-Absorberschicht. Wie in der Figur gezeigt ist, liegt bei etwa 434 nm ein scharfer Peak vor und für Wellenlängen größer als 434 nm wird durch die Cr-Absorberschicht ein starker Abfall der Reflexion hervorgerufen. Es wird erkannt, dass der scharfe Peak, welcher durch die durchgehende Linie dargestellt ist, visuell als scharfe/strukturelle Farbe erscheint. Außerdem stellt 4 dar, wo die Breite eines Reflexionspeaks oder -bandes gemessen wird, das heißt, die Breite des Bandes wird bei 50%-Reflexion der maximal reflektierten Wellenlänge ermittelt, ebenso bekannt als vollständige Halbwertsbreite (FWHM).
Hinsichtlich des omnidirektionalen Verhaltens der in 3 gezeigten mehrschichtigen Strukturen kann die Dicke der dielektrischen ZnS-Schicht derart gestaltet oder eingestellt sein, dass lediglich die ersten Harmonischen von reflektiertem Licht vorgesehen werden. Es wird erkannt, dass dies für eine „blaue“ Farbe ausreichend ist, jedoch erfordert die Herstellung einer „roten“ Farbe zusätzliche Erwägungen. Beispielsweise ist die Steuerung einer Winkel-Unabhängigkeit für eine rote Farbe schwierig, da dickere dielektrische Schichten benötigt werden, was wiederum zu einer Hoch-Harmonischen-Gestaltung führt, d.h., das Vorliegen der zweiten und möglicherweise dritten Harmonischen wird unvermeidlich. Außerdem ist der dunkelrote Farbton-Raum sehr eng. Dementsprechend besitzt ein mehrschichtiger Stapel einer roten Farbe eine höhere Winkelvarianz.
Um die höhere Winkelvarianz für die rote Farbe zu beseitigen, offenbart die vorliegende Anmeldung eine einzigartige und neue Gestaltung/Struktur, welche eine rote Farbe bereitstellt, die winkelunabhängig ist. Beispielsweise stellt 5A eine dielektrische Schicht dar, welche erste und zweite Harmonische für einfallendes weißes Licht aufweist, wenn eine äußere Fläche der dielektrischen Schicht aus 0 und 45 Grad betrachtet wird. Wie durch die grafische Darstellung gezeigt ist, wird durch die Dicke der dielektrischen Schicht eine geringe Winkelabhängigkeit (kleines Δλ_c ) vorgesehen, jedoch besitzt solch ein mehrschichtiger Stapel eine Kombination aus blauer Farbe (1. Harmonische) und roter Farbe (2. Harmonische) und ist daher für eine gewünschte „lediglich rote“ Farbe nicht geeignet. Daher wurde das Konzept/die Struktur der Verwendung einer Absorberschicht entwickelt, um eine ungewünschte harmonische Reihe zu absorbieren. 5A stellt ebenso ein Beispiel der Position der Reflexionsband-Mittelwellenlänge (λ_c ) für einen gegebenen Reflexionspeak und die Verteilung oder Verschiebung der Mittelwellenlänge (Δλ_c ) dar, wenn das Beispiel aus 0 und 45 Grad betrachtet wird.
Bezug nehmend auf 5B wird die in 5A gezeigte zweite Harmonische mit einer Cr-Absorberschicht bei einer geeigneten Dicke der dielektrischen Schicht (beispielsweise 72 nm) absorbiert und es wird eine scharfe blaue Farbe vorgesehen. Noch bedeutender in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stellt 5C dar, dass durch Absorbieren der ersten Harmonischen mit dem Cr-Absorber bei einer anderen Dicke der dielektrischen Schicht (beispielsweise 125 nm) eine rote Farbe vorgesehen wird. Jedoch stellt 5C ebenso dar, dass sich die Verwendung der Cr-Absorberschicht noch dazu weitreichender als in der gewünschten Winkelabhängigkeit durch den mehrschichtigen Stapel auswirkt, das heißt einem größeren Δλ_c als erwünscht.
Es wird erkannt, dass die relativ große Verschiebung in λ_c für die rote Farbe im Vergleich zu der blauen Farbe darin begründet ist, dass der dunkelrote Farbraum sehr eng ist und in der Tatsache, dass die Cr-Absorberschicht Wellenlängen in Zusammenhang mit einem elektrischen Feld von nicht null absorbiert, d.h. kein Licht absorbiert, wenn das elektrische Feld null oder nahe null beträgt. Dementsprechend stellt 6A dar, dass der Null- oder Nahe-Null-Punkt für Licht-Wellenlängen bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unterschiedlich ist. Solche Faktoren resultieren in der in 6B gezeigten winkelabhängigen Absorption, das heißt der Differenz bei den 0° und 45° Absorptionskurven. Um daher die Gestaltung des mehrschichtigen Stapels und die Winkel-Unabhängigkeitsleistung weiter zu verfeinern, wird eine Absorberschicht verwendet, welche beispielsweise blaues Licht ungeachtet dessen absorbiert, ob das elektrische Feld null beträgt.
Insbesondere zeigt 7A einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cu-Absorberschicht anstatt einer Cr-Absorberschicht, welche sich über einer dielektrischen ZnS-Schicht erstreckt. Die Ergebnisse der Verwendung solch einer „farbigen“ oder „selektiven“ Absorberschicht sind in 7B gezeigt, welche eine wesentlich „engere“ Gruppierung der 0° und 45° Absorptionslinien für den in 7A gezeigten mehrschichtigen Stapel darstellt. Dementsprechend stellt ein Vergleich zwischen 6B und 7B die wesentliche Verbesserung der Absorptionswinkel-Unabhängigkeit dar, wenn anstatt einer nicht-selektiven Absorberschicht eine selektive Absorberschicht verwendet wird.
Basierend auf dem Vorstehenden wurde ein Machbarkeitsstudien-Mehrschichtstapel gestaltet und hergestellt. Zusätzlich wurden Berechnungs-/Simulations-Ergebnisse und tatsächliche experimentelle Daten für die Machbarkeitsstudienprobe verglichen. Insbesondere wurde, wie durch die grafische Abbildung in 8 gezeigt ist, eine scharfe rote Farbe hergestellt (Wellenlängen größer als 700 nm werden durch das menschliche Auge typischerweise nicht gesehen) und es wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Berechnung/Simulation und experimentellen Licht-Daten, welche aus der tatsächlichen Probe erhalten werden, erhalten. Anders ausgedrückt, Berechnungen/Simulationen können und/oder werden dazu verwendet, um die Ergebnisse von Mehrschichtstapel-Gestaltungen zu simulieren, gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und/oder mehrschichtigen Stapeln des Standes der Technik.

In der nachstehenden Tabelle 1 ist eine Liste von simulierten und/oder tatsächlich hergestellten Mehrschichtstapel-Proben vorgesehen. Wie in der Tabelle gezeigt ist, enthalten die hierin offenbarten erfinderischen Gestaltungen mindestens fünf unterschiedlich geschichtete Strukturen. Zusätzlich wurden die Proben aus einem großen Bereich von Materialien simuliert und/oder hergestellt. Es wurden Proben vorgesehen, welche eine hohe Chroma, niedrige Farbtonverschiebung und exzellente Reflexion aufweisen. Außerdem besaßen die drei- und fünfschichtigen Proben eine Gesamtdicke zwischen 120-200 nm; die siebenschichtigen Proben besaßen eine Gesamtdicke zwischen 350-600 nm; die neunschichtigen Proben besaßen eine Gesamtdicke zwischen 440-500 nm; und die elfschichtigen Proben besaßen eine Gesamtdicke zwischen 600-660 nm. Tabelle 1

	Durchschnittliche Chroma (0-45)	Δh (0-65)	Max. Reflexion	Probenname
3 Schichten	90	2	96	3-1
5 Schichten	91	3	96	5-1
7 Schichten	88	1	92	7-1
	91	3	92	7-2
	91	3	96	7-3
	90	1	94	7-4
	82	4	75	7-5
	76	20	84	7-6
9 Schichten	71	21	88	9-1
	95	0	94	9-2
	79	14	86	9-3
	90	4	87	9-4
	94	1	94	9-5
	94	1	94	9-6
	73	7	87	9-7
11 Schichten	88	1	84	11-1
	92	1	93	11-2
	90	3	92	11-3
	89	9	90	11-4

Hinsichtlich der tatsächlichen Reihenfolge von Schichten stellt 9 mit Bezugszeichen 10 die Hälfte einer fünfschichtigen Gestaltung dar. Der omnidirektionale Reflektor 10 besitzt eine Reflektorschicht 100, eine dielektrische Schicht 110, welche sich über der Reflektorschicht 100 erstreckt, und eine Absorberschicht 120, welche sich über der dielektrischen Schicht 110 erstreckt. Es wird erkannt, dass eine weitere dielektrische Schicht und eine weitere Absorberschicht gegenüberliegend zu der Reflektorschicht 100 angeordnet sein können, um die fünfschichtige Gestaltung vorzusehen.
Das Bezugszeichen 20 in 10 stellt die Hälfte einer siebenschichtigen Gestaltung dar, bei welcher sich eine weitere dielektrische Schicht 130 über der Absorberschicht 120 erstreckt, so dass die dielektrische Schicht 130 über die Absorberschicht 120 gegenüberliegend zu der dielektrischen Schicht 110 angeordnet ist.
11 stellt die Hälfte einer neunschichtigen Gestaltung dar, bei welcher eine zweite Absorberschicht 105 zwischen der Reflektorschicht 100 und der dielektrischen Schicht 110 angeordnet ist. 12 stellt schließlich die Hälfte einer elfschichtigen Gestaltung dar, bei welcher sich über der dielektrischen Schicht 130 eine weitere Absorberschicht 140 erstreckt und sich eine noch weitere dielektrische Schicht 150 über der Absorberschicht 140 erstreckt.
Eine Rasterelektronenmikroskop (SEM)-Aufnahme einer Mehrzahl von Pigmenten mit einer mehrschichtigen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 13 gezeigt. 14 ist eine SEM-Aufnahme eines der Pigmente mit einer größeren Vergrößerung, welche die mehrschichtige Struktur zeigt. Solche Pigmente wurden dazu verwendet, um drei unterschiedliche rote Farben herzustellen, welche anschließend zum Testen auf drei Felder bzw. Tafeln aufgebracht wurden. Die 15A bis 15C sind schematische Darstellungen der tatsächlich bemalten Felder, da tatsächliche Fotografien der Felder grau/schwarz erscheinen, wenn diese ausgedruckt und kopiert werden, und in schwarz und weiß. 15A stellt eine orange Farbe mit einem Farbton von 36° dar, 15B stellt eine dunkelrote Farbe mit einem Farbton von 26° dar und 15C stellt eine hellpinke Farbe mit einem Farbton von 354° auf dem in 15D gezeigten Farbdiagramm dar. Außerdem besitzt die in 15B dargestellte dunkelrote Farbtafel eine Helligkeit von L* von 44 und eine Chroma C* von 67.

15E ist eine schematische Darstellung einer elfschichtigen Gestaltung, welche die Pigmente darstellt, die dazu verwendet werden, um die in den 15A bis 15C dargestellten Felder zu bemalen. Hinsichtlich der beispielhaften Dicken der verschiedenen Schichten sieht Tabelle 2 die tatsächlichen Dicken für jeden der entsprechenden mehrschichtigen Stapeln/Pigmente vor. Wie durch die Dickenwerte in Tabelle 2 gezeigt ist, ist die Gesamtdicke der elfschichtigen Gestaltung kleiner als 2 Mikrometer, und diese kann kleiner als 1 Mikrometer sein. Tabelle 2

Farbe =>	Orange	Dunkelrot	Hellpink
Schicht ↓↓	Schichtdicke (nm)	Schichtdicke (nm)	Schichtdicke (nm)
ZnS	28	31	23
Cu	25	28	28
ZnS	141	159	40
Cu	32	36	72
ZnS	55	63	41
A1	80	80	80
ZnS	55	63	41
Cu	32	36	72
ZnS	141	159	40
Cu	25	28	28
ZnS	28	31	23

Es wird erkannt, dass siebenschichtige Gestaltungen und siebenschichtige mehrschichtige Stapel verwendet werden können, um solche Pigmente herzustellen. Beispiele von vier siebenschichtigen Mehrschichtstapel sind in den 16A bis 16D gezeigt. 16A stellt einen siebenschichtigen Stapel dar, welcher folgendes aufweist: (1) eine Reflektorschicht 100; (2) ein Paar von dielektrischen Schichten 110, welche sich über der Reflektorschicht 100 erstrecken und über die Reflektorschicht 100 zueinander gegenüberliegend angeordnet sind; (3) ein Paar von selektiven Absorberschichten 120a, welche sich über einer äußeren Fläche des Paares von dielektrischen Schichten 110 erstrecken; und (4) ein Paar von dielektrischen Schichten 130, welche sich über einer äußeren Fläche des Paares von selektiven Absorberschichten 120a erstrecken.
Normalerweise ist die Dicke der dielektrischen Schicht 110 und der selektiven Absorberschicht 120a derart gewählt, dass die Schnittstelle zwischen der selektiven Absorberschicht 120a und der dielektrischen Schicht 110, und die Schnittstelle zwischen der selektiven Absorberschicht 120a und der dielektrischen Schicht 130 ein elektrisches Feld von null oder nahe null bezüglich einer gewünschten Licht-Wellenlänge in dem Pink-Rot-Orange-Bereich (315°<Farbton<45° und/oder 550 nm< λ_c<700 nm) des in 15D gezeigten Farbdiagramms zeigt. Auf diese Art und Weise durchläuft ein gewünschtes rot gefärbtes Licht die Schichten 130-120a-110, reflektiert an der Schicht 100, und läuft durch die Schichten 110-120a-130 zurück. Im Gegensatz dazu wird ein nicht rot gefärbtes Licht durch die selektive Absorberschicht 120a absorbiert. Darüber hinaus besitzt die selektive Absorberschicht 120a eine winkelunabhängige Absorption für nicht rot gefärbtes Licht, wie vorstehend erörtert und in den 7A-7B gezeigt ist.
Es wird erkannt, dass die Dicke der dielektrischen Schicht 100 und/oder 130 derart gewählt ist, dass die Reflexion von rot gefärbtem Licht durch den mehrschichtigen Stapel omnidirektional ist. Die omnidirektionale Reflexion wird durch ein kleines Δλ_c des reflektierten Lichts gemessen oder ermittelt. Beispielsweise ist in einigen Fällen Δλ_c kleiner als 120nm. In anderen Fällen ist Δλ_c kleiner als 100 nm. In noch anderen Fällen ist Δλ_c kleiner als 80 nm, vorzugsweise kleiner als 60 nm, bevorzugter kleiner als 50 nm und noch bevorzugter kleiner als 40 nm.
Die omnidirektionale Reflexion kann ebenso durch eine kleine Farbtonverschiebung gemessen werden. Beispielsweise beträgt die Farbtonverschiebung von Pigmenten, welche aus mehrschichtigen Stapeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, 30° oder weniger, wie in 17 gezeigt ist (siehe ΔΘ₁), und in einigen Fällen beträgt die Farbtonverschiebung 25° oder weniger, vorzugsweise weniger als 20°, bevorzugter weniger als 15° und noch bevorzugter weniger als 10°. Im Gegensatz dazu zeigen herkömmliche Pigmente eine Farbverschiebung von 45° oder mehr (siehe ΔΘ₂).
16B stellt einen siebenschichtigen Stapel dar, welcher folgendes aufweist: (1) eine selektive Reflektorschicht 100a; (2) ein Paar von dielektrischen Schichten 110, welche sich über der Reflektorschicht 100a erstrecken und über die Reflektorschicht 100a zueinander gegenüberliegend angeordnet sind; (3) ein Paar von selektiven Absorberschichten 120a, welche sich über einer äußeren Fläche des Paares von dielektrischen Schichten 110 erstrecken; und (4) ein Paar von dielektrischen Schichten 130, welche sich über einer äußeren Fläche des Paares von selektiven Absorberschichten 120a erstrecken.
16C stellt einen siebenschichtigen Stapel dar, welcher folgendes aufweist: (1) eine selektive Reflektorschicht 100a; (2) ein Paar von dielektrischen Schichten 110, welche sich über der Reflektorschicht 100a erstrecken und über die Reflektorschicht 100a zueinander gegenüberliegend angeordnet sind; (3) ein Paar von nicht-selektiven Absorberschichten 120, welche sich über einer äußeren Fläche des Paares von dielektrischen Schichten 110 erstrecken; und (4) ein Paar von dielektrischen Schichten 130, welche sich über einer äußeren Fläche des Paares von Absorberschichten 120 erstrecken.
16D stellt einen siebenschichtigen Stapel dar, welcher folgendes aufweist: (1) eine Reflektorschicht 100; (2) ein Paar von dielektrischen Schichten 110, welche sich über der Reflektorschicht 100 erstrecken und über die Reflektorschicht 100 gegenüberliegend zueinander angeordnet sind; (3) ein Paar von Absorberschichten 120, welche sich über einer äußeren Fläche des Paares von dielektrischen Schichten 110 erstrecken; und (4) ein Paar von dielektrischen Schichten 130, welche sich über einer äußeren Fläche des Paares von selektiven Absorberschichten 120 erstrecken.
Bezug nehmend auf 18 ist eine Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für eine siebenschichtige Gestaltung eines omnidirektionalen Reflektors gezeigt, wenn dieser weißem Licht bei Winkeln von 0° und 45° relativ zu der Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Wie durch die Darstellung gezeigt ist, stellen beide Kurven von 0° und 45° für Wellenlängen kleiner als 550 nm eine sehr niedrige Reflexion dar, beispielsweise kleiner als 10%, welche durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehen wird. Jedoch sieht der Reflektor, wie durch die Kurven gezeigt ist, bei Wellenlängen zwischen 560-570 nm eine starke Zunahme der Reflexion vor und erreicht bei etwa 700 nm ein Maximum von etwa 90%. Es wird erkannt, dass der Abschnitt oder der Bereich des Graphen auf der rechten Seite (IR-Seite) der Kurve den IR-Abschnitt des durch den Reflektor vorgesehenen Reflexionsbandes darstellt.
Die durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehene starke Zunahme der Reflexion ist durch eine UV-seitige Grenze jeder Kurve charakterisiert, welche sich von einem Abschnitt niedriger Reflexion bei Wellenlängen unter 550 nm hin zu einem Abschnitt hoher Reflexion, beispielsweise >70% erstreckt. Ein linearer Abschnitt 200 der UV-seitigen Grenze ist durch einen Winkel (β) geneigt, welcher relativ zu der X-Achse größer als 60° ist, besitzt eine Länge L von etwa 40 auf der Reflexions-Achse und eine Neigung von 1,4. In einigen Fällen ist der lineare Abschnitt mit einem Winkel größer als 70° relativ zu der X-Achse geneigt, während in anderen Fällen β größer als 75° ist. Außerdem besitzt das Reflexionsband eine sichtbare FWHM von weniger als 200 nm und in einigen Fällen eine sichtbare FWHM von weniger als 150 nm, und in anderen Fällen eine sichtbare FWHM von weniger als 100 nm. Zusätzlich ist die Mittelwellenlänge λ_c für das sichtbare Reflexionsband, welches in 18 dargestellt ist, als diejenige Wellenlänge mit dem gleichen Abstand zwischen der UV-seitigen Grenze des Reflexionsbands und der IR-Grenze des IR-Spektrums bei der sichtbaren FWHM definiert.
Es wird erkannt, dass sich der Ausdruck „sichtbare FWHM“ auf die Breite des Reflexionsbandes zwischen der UV-seitigen Grenze der Kurve und der Grenze des IR-Spektrum-Bereichs bezieht, über welchem hinaus eine Reflexion durch den omnidirektionalen Reflektor für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Auf diese Art und Weise verwenden die hierin offenbarten erfinderischen Gestaltungen und mehrschichtigen Stapel den nicht sichtbaren IR-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungs-Spektrums, um eine scharfe oder strukturelle Farbe vorzusehen. Anders ausgedrückt, der hierin offenbarte omnidirektionale Reflektor nutzt den nicht sichtbaren IR-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungs-Spektrums, um ein enges Band von reflektiertem sichtbaren Licht vorzusehen, ungeachtet der Tatsache, dass die Reflektoren ein wesentlich breiteres Band von elektromagnetischer Strahlung reflektieren können, welches sich in den IR-Bereich erstreckt.
Bezug nehmend auf 19 ist eine Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für eine weitere siebenschichtige Gestaltung eines omnidirektionalen Reflektors gezeigt, wenn diese weißem Licht bei Winkeln von 0° und 45° relativ zu der Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Zusätzlich ist eine Definition oder Charakterisierung von omnidirektionalen Eigenschaften, welche durch die hierin offenbarten omnidirektionalen Reflektoren bereitgestellt werden, gezeigt. Insbesondere wenn das durch einen erfinderischen Reflektor vorgesehene Reflexionsband ein Maximum aufweist, das heißt einen Peak, wie in der Figur gezeigt, besitzt jede Kurve eine Mittelwellenlänge (λ_c ), welche als diejenige Wellenlänge definiert ist, welche eine maximale Reflexion aufweist oder erfährt. Der Ausdruck maximal reflektierte Wellenlänge kann ebenso für λ_c verwendet werden.
Wie in 19 gezeigt ist, gibt es eine Veränderung oder Verschiebung von λ_c , wenn eine äußere Oberfläche des omnidirektionalen Reflektors aus einem Winkel von 45° (λ_c (45°)) betrachtet wird, beispielsweise wenn die äußere Oberfläche relativ zu einem menschlichen Auge, welches auf die Oberfläche blickt, um 45° geneigt ist, im Vergleich zu dem Fall, wenn die Oberfläche aus einem Winkel von 0° (λ_c (0°)) betrachtet wird, d.h. normal bzw. senkrecht auf die Oberfläche geblickt wird. Diese Verschiebung von λ_c (Δλ_c ) sieht ein Maß an omnidirektionalen Eigenschaften des omnidirektionalen Reflektors vor. Normalerweise wäre eine Verschiebung von null, das heißt überhaupt keine Verschiebung, ein perfekter omnidirektionaler Reflektor. Jedoch können hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein Δλ_c von weniger als 100 nm vorsehen, was für das menschliche Auge in einer Art und Weise erscheinen kann, dass sich die Oberfläche des Reflektors hinsichtlich der Farbe nicht verändert hat, und daher ist der Reflektor praktisch gesehen omnidirektional. In einigen Fällen können hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein Δλ_c von weniger als 75 nm, in anderen Fällen ein Δλ_c von weniger als 50 nm, und in noch anderen Fällen ein Δλ_c von weniger als 25 nm, in noch weiteren Fällen ein Δλ_c von weniger als 15 nm vorsehen. Solch eine Verschiebung in Δλ_c kann durch ein Diagramm einer tatsächlichen Reflexion über einer Wellenlänge für einen Reflektor, und/oder alternativ durch Modellieren des Reflektors, falls die Materialien und die Schichtdicken bekannt sind, ermittelt werden.
Eine weitere Definition oder Charakterisierung der omnidirektionalen Eigenschaften eines Reflektors kann durch die Verschiebung einer seitlichen Grenze für einen gegebenen Satz von Winkel-Reflexionsbändern ermittelt werden. Beispielsweise sieht eine Veränderung oder Verschiebung einer UV-seitigen Grenze (ΔS_L ) für eine Reflexion von einem omnidirektionalen Reflektor, welcher aus 0° (S_L (0°)) betrachtet wird, im Vergleich zu der UV-seitigen Grenze für eine Reflexion durch den gleichen Reflektor, welcher aus 45° (S_L (45°)) betrachtet wird, ein Maß der omnidirektionalen Eigenschaften des omnidirektionalen Reflektors vor. Zusätzlich kann die Verwendung von ΔS_L als Maß für die Omnidirektionalität der Verwendung von Δλ_c vorgezogen werden, beispielsweise für Reflektoren, welche ein Reflexionsband ähnlich dem in 18 gezeigten aufweisen, d.h. ein Reflexionsband mit einem Peak entsprechend einer maximal reflektierten Wellenlänge, welche nicht in dem sichtbaren Bereich liegt (siehe 18). Es wird erkannt, dass die Verschiebung der UV-seitigen Grenze (ΔS_L ) bei der sichtbaren FWHM gemessen wird und/oder gemessen werden kann.
Normalerweise würde eine Verschiebung von null, das heißt überhaupt keine Verschiebung (ΔS_L=0nm), einen perfekten omnidirektionalen Reflektor kennzeichnen. Jedoch können hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein ΔS_L von weniger als 100 nm vorsehen, was für das menschliche Auge in einer Art und Weise erscheinen kann, als dass sich die Oberfläche des Reflektors hinsichtlich der Farbe nicht verändert hat, und daher ist der Reflektor praktisch gesehen omnidirektional. In einigen Fällen können hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein ΔS_L von weniger als 75 nm, in anderen Fällen ein ΔS_L von weniger als 50 nm, und in noch anderen Fällen ein ΔS_L von weniger als 25 nm, in noch weiteren Fällen ein ΔS_L von weniger als 15 nm vorsehen. Solch eine Verschiebung in ΔS_L kann durch ein Diagramm einer tatsächlichen Reflexion über einer Wellenlänge für einen Reflektor, und/oder alternativ durch Modellieren des Reflektors, falls die Materialien und die Schichtdicken bekannt sind, ermittelt werden.
Verfahren zum Herstellen der hierin offenbarten mehrschichtigen Stapel können jedem Verfahren oder jedem Prozess entsprechen, welche dem Fachmann bekannt sind, oder Verfahren sein, welche dem Fachmann noch nicht bekannt sind. Typische bekannte Verfahren enthalten Nassverfahren, wie eine Sol-Gel-Verarbeitung, eine Schicht-Für-Schicht-Verarbeitung, Spin-Coating und dergleichen. Weitere bekannte Trockenverfahren enthalten ein chemisches Gasphasenabscheidungs-Verfahren und ein physikalisches Gasphasenabscheidungs-Verfahren, wie Bedampfung, Elektronenstrahlabscheidung und dergleichen.
Die hierin offenbarten mehrschichtigen Stapel können für die meisten Farbanwendungen verwendet werden, wie Pigmente für Farben, dünne Filme bzw. Schichten, welche auf Oberflächen aufgebracht werden, und dergleichen.
Die vorstehenden Beispiele und Ausführungsform dienen lediglich zum Zwecke der Darstellung und Veränderungen, Modifikationen und dergleichen sind für den Fachmann ersichtlich und fallen noch in den Schutzbereich der Erfindung. Dementsprechend ist der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche und alle Äquivalente davon definiert.

Claims

Mehrschichtiger Stapel, welcher eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt, aufweisend: eine Reflektorschicht; eine dielektrische Schicht, welche sich auf der Reflektorschicht erstreckt, wobei die Reflektorschicht und die dielektrische Schicht mehr als 70% von einfallendem weißen Licht mit Wellenlängen größer als 550 nm reflektieren; und eine selektive Absorberschicht, welche sich auf der dielektrischen Schicht erstreckt, wobei die selektive Absorberschicht mehr als 70% des einfallenden weißen Lichts mit Wellenlängen kleiner als 550 nm absorbiert; wobei die Reflektorschicht, die dielektrische Schicht und die selektive Absorberschicht einen omnidirektionalen Reflektor bilden, wobei der omnidirektionale Reflektor ein enges Band von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung mit einer Mittelwellenlänge zwischen 550-700 nm, einer Breite von weniger als 200 nm breit und einer Farbverschiebung von weniger als 60 nm reflektiert, wenn der omnidirektionale Reflektor aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird, wobei der omnidirektionale Reflektor eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 1, wobei die Reflektorschicht eine Dicke zwischen 50-200 nm besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 2, wobei die dielektrische Schicht eine Dicke zwischen 30-300 nm besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 3, wobei die selektive Absorberschicht eine Dicke zwischen 20-80 nm besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 4, wobei der omnidirektionale Reflektor eine Gesamtdicke von weniger als 2 Mikrometer besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 4, wobei der omnidirektionale Reflektor eine Gesamtdicke von weniger als 1 Mikrometer besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 2, wobei die Reflektorschicht ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn und Legierungen davon enthält.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 1, wobei die Mittelwellenlänge eine Farbtonverschiebung von weniger als 30 Grad besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht eine optische Dicke größer als 0,1 QW und kleiner als 3,0 QW besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht eine optische Dicke größer als 0,1 QW und kleiner als 2,0 QW besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht einen Brechungsindex größer als 1,6 besitzt und ein dielektrisches Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ZnS, TiO2, HfO2, Nb2O5, Ta2O5 und Kombinationen davon enthält oder ein farbiges dielektrisches Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe2O3, Cu2O und Kombinationen davon enthält.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 1, wobei die selektive Absorberschicht ein farbiges Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Au, Zn, Sn und Legierungen davon enthält oder ein farbiges dielektrisches Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe2O3, Cu2O und Kombinationen davon enthält.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine zweite dielektrische Schicht zusätzlich zu der vorstehend erwähnten dielektrischen Schicht, wobei sich die zweite dielektrische Schicht über der selektiven Absorberschicht erstreckt und über die selektive Absorberschicht gegenüberliegend zu der dielektrischen Schicht angeordnet ist; wobei die Reflektorschicht, die dielektrische Schicht, die selektive Absorberschicht und die zweite dielektrische Schicht den omnidirektionalen Reflektor bilden.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 13, ferner aufweisend eine zweite selektive Absorberschicht zusätzlich zu der vorstehend erwähnten selektiven Absorberschicht, wobei sich die zweite selektive Absorberschicht über der zweiten dielektrischen Schicht erstreckt und über die zweite dielektrische Schicht gegenüberliegend zu der selektiven Absorberschicht angeordnet ist; wobei die Reflektorschicht, die dielektrische Schicht, die selektive Absorberschicht, die zweite dielektrische Schicht und die zweite selektive Absorberschicht den omnidirektionalen Reflektor bilden.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 14, ferner aufweisend eine dritte dielektrische Schicht, welche sich über der zweiten Absorberschicht erstreckt und über die zweite selektive Absorberschicht gegenüberliegend zu der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist; wobei die Reflektorschicht, die dielektrische Schicht, die selektive Absorberschicht, die zweite dielektrische Schicht, die zweite selektive Absorberschicht und die dritte dielektrische Schicht den omnidirektionalen Reflektor bilden.