DE102015113535B4

DE102015113535B4 - Rote omnidirektionale strukturelle Farbe aus Metall und dielektrischen Schichten

Info

Publication number: DE102015113535B4
Application number: DE102015113535.3A
Authority: DE
Inventors: Debasish Banerjee; Minjuan Zhang; Masahiko Ishii
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: 2014-08-28
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2035-08-18
Also published as: DE102015113535A1; JP6416714B2; JP2016049777A

Abstract

Mehrschichtiger Stapel, der eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt, aufweisend:
eine Kernschicht;
eine Halbleiterschicht, die sich über der Kernschicht erstreckt, wobei die Halbleiterschicht mehr als 70% von einfallendem weißem Licht mit Wellenlängen kleiner als 550 nm absorbiert; und
eine dielektrische Schicht, die sich über der Halbleiterschicht erstreckt, wobei die dielektrische Schicht und die Kernschicht mehr als 70% des einfallenden weißen Lichts mit Wellenlängen größer als 550 nm reflektieren;
wobei die Kernschicht, die Halbleiterschicht und die dielektrische Schicht einen omnidirektionalen Reflektor bilden, wobei der omnidirektionale Reflektor ein enges Band von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung mit einer Mittelwellenlänge zwischen 550 bis 700 nm, einer Breite von weniger als 200 nm breit und einer Farbverschiebung von weniger als 100 nm reflektiert und eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt, wenn der omnidirektionale Reflektor aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine omnidirektionale strukturelle Farbe und insbesondere eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe, die durch einen mehrschichtigen Stapel mit einer Absorberschicht und einer dielektrischen Schicht bereitgestellt ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Pigmente aus mehrschichtigen Strukturen sind bekannt. Darüber hinaus sind auch Pigmente bekannt, die eine omnidirektionale strukturelle Farbe mit hoher Chroma bzw. Buntheit aufweisen oder bereitstellen. Derartige Pigmente aus dem Stand der Technik erfordern jedoch ganze 39 dünne Filmschichten, um gewünschte Farbeigenschaften zu erhalten.
Es versteht sich, dass die mit der Herstellung von dünnschichtigen Mehrschichtpigmenten verbundenen Kosten proportional zur Anzahl der erforderlichen Schichten sind. Demzufolge können die Kosten im Zusammenhang mit der Herstellung von omnidirektionalen strukturellen Farben hoher Buntheit unter Verwendung von mehrschichtigen Stapeln dielektrischer Materialien untragbar hoch sein. Deshalb wäre eine omnidirektionale strukturelle Farbe hoher Buntheit wünschenswert, die eine minimale Anzahl von dünnen Filmschichten erfordert.
Mehrschichtige Interferenzstapel sind dem Fachmann ferner aus dem Stand der Technik DE 691 30 383 T2 bekannt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird durch die Gegenstände des Hauptanspruchs definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Vorgesehen ist ein mehrschichtiger Stapel, der eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe bereitstellt. Der mehrschichtige Stapel beinhaltet eine Kernschicht, eine sich über der Kernschicht erstreckende Halbleiterschicht und eine sich über der dielektrischen Schicht erstreckende dielektrische Schicht. Die Halbleiterschicht absorbiert mehr als 70% von einfallendem weißem Licht mit einer Wellenlänge kleiner als 550 Nanometer (nm). Darüber hinaus reflektiert die dielektrische Schicht in Kombination mit der Kernschicht mehr als 70% von einfallendem weißem Licht mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen größer als 550 nm. In Kombination bilden die Kernschicht, die Halbleiterschicht und die dielektrische Schicht einen omnidirektionalen Reflektor, der: (1) ein enges Band 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 und eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt, wenn der omnidirektionale Reflektor aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird. In einigen Fällen ist die Breite des engen Bandes reflektierter sichtbarer elektromagnetischer Strahlung kleiner als 175 nm, bevorzugt kleiner als 150 nm, bevorzugter kleiner als 125 nm und noch bevorzugter kleiner als 100 nm.
Durch Herstellen einer Beschichtung aus dem mehrschichtigen Stapel auf einer Materialbahn unter Verwendung einer Opferschicht können aus dem mehrschichtigen Stapel Pigmente gefertigt werden. Sobald die Opferschicht entfernt ist, wird die abgehobene Beschichtung zu eigenständigen Flocken bzw. Plättchen mit einer maximalen Oberflächenabmessung von 20 µm und einer Dicke zwischen 0,3-1,5 µm vermahlen. Die Flocken bzw. Plättchen können dann mit Polymermaterialien, wie Bindemitteln, Additiven, einem Basislackharz, etc., vermischt werden, um eine omnidirektionale strukturelle Farbe bzw. einen omnidirektionalen strukturellen farbigen Lack bereitzustellen.
Figurenliste

1A ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Feldpunktes von null oder nahe null innerhalb einer dielektrischen ZnS-Schicht, die elektromagnetischer Strahlung (EMR) mit einer Wellenlänge von 500 nm ausgesetzt ist;
1B ist eine graphische Darstellung des absoluten Werts des elektrischen Felds 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, die sich über einem Substrat oder einer Reflektorschicht erstreckt und elektromagnetischer Strahlung in einem Winkel 0 relativ zu einer Normalenrichtung zur äußeren Oberfläche der dielektrischen Schicht ausgesetzt ist;
3 ist eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht mit einer Cr-Absorberschicht, die an 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 graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel ohne eine Cr-Absorberschicht (z.B. 1A) und einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cr-Absorberschicht (z.B. 3A), die weißem Licht ausgesetzt ist;
5A ist eine graphische Darstellung von ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt (z.B. 1A);
5B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt, sowie einer Cr-Absorberschicht, die innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 5A gezeigten zweiten Harmonischen absorbiert werden;
5C ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt, sowie einer Cr-Absorberschicht, die innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 5A gezeigten ersten Harmonischen absorbiert werden;
6A ist eine graphische Darstellung eines elektrischen Felds im Quadrat über der Dicke der dielektrischen Schicht, welche die Winkelabhängigkeit des elektrischen Felds einer Cr-Absorberschicht für eine Beaufschlagung mit einfallendem Licht bei 0 und 45 Grad zeigt;
6B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Absorption durch eine Cr-Absorberschicht über der reflektierten EMR-Wellenlänge, wenn diese weißem Licht bei Winkeln von 0 und 45° relativ zu der Normalen der äußeren Oberfläche ausgesetzt ist (wobei 0° die Normale zur Oberfläche ist);
7A ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
7B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Absorption der in 7A gezeigten Cu-Absorberschicht über der reflektierten EMR-Wellenlänge für eine Beaufschlagung des in 7A gezeigten mehrschichtigen Stapels mit weißem Licht bei Einfallswinkeln von 0 und 45°;
8 ist ein graphischer Vergleich zwischen Berechnungs-/Simulationsdaten und experimentellen Daten für die prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen Konzeptnachweis des mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe, der weißem Licht bei einem Einfallswinkel von 0° ausgesetzt ist;
9 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
10 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
11 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform; und
12 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
13 ist eine Rasterelektronenmikroskop-(SEM)-Aufnahme von Flocken bzw. Plättchen oder Pigmenten mit einer mehrschichtigen Stapelstruktur gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
14 ist eine REM-Aufnahme eines Querschnitts einer in 13 gezeigten einzelnen Flocke;
15A ist eine schematische Darstellung eines Feldes, das unter Verwendung von Pigmenten bemalt bzw. lackiert ist, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestaltet und gefertigt wurden und die eine orange Farbe mit einem Farbton von 36° in dem in 15D gezeigten Farbdiagramm aufweisen;
15B ist eine schematische Darstellung eines Feldes, das unter Verwendung von Pigmenten bemalt bzw. lackiert ist, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestaltet und gefertigt wurden und die eine dunkelrote Farbe mit einem Farbton von 26° in dem in 15D gezeigten Farbdiagramm aufweisen;
15C ist eine schematische Darstellung eines Feldes, das unter Verwendung von Pigmenten bemalt bzw. lackiert ist, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestaltet und gefertigt wurden und die eine hellrosa Farbe mit einem Farbton von 354° in dem in 15D gezeigten Farbdiagramm aufweisen;
15D ist ein a*b*-Farbdiagramm unter Verwendung des CIELAB-Farbraums;
15E ist eine schematische Darstellung einer elfschichtigen Gestaltung, die für die Pigmente in der in den 15A-15C dargestellten Farbe verwendet wird;
16A ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
16B ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
16C ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
16D ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
17 ist eine graphische Darstellung eines Abschnitts eines a*b*-Farbdiagramms unter Verwendung des CIELAB-Farbraums, in dem die Buntheit und Farbtonverschiebung zwischen einer herkömmlichen Farbe und der Farbe, die zum Bemalen bzw. Lackieren des in 15B veranschaulichten Feldes verwendet wird, verglichen werden;
18 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine siebenschichtige Gestaltung gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
19 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine siebenschichtige Gestaltung gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
20 ist eine schematische Darstellung eines fünfschichtigen Stapels gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform;
21 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine zweischichtige Gestaltung, die einen fünfschichtigen Stapel gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform erzeugt;
22 ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Stapels gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform;
23 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine dreischichtige Gestaltung, die einen siebenschichtigen Stapel gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform erzeugt;
24 ist eine schematische Darstellung eines elfschichtigen Stapels gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform;
25 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine fünfschichtige Gestaltung, die einen elfschichtigen Stapel gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform erzeugt;
26 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine sechsschichtige Gestaltung gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform;
27 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine vierschichtige Gestaltung gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform;
28 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine fünfschichtige Gestaltung gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform; und
29 ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für eine vierschichtige Gestaltung gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist ein mehrschichtiger Stapel, der eine omnidirektionale strukturelle Farbe, z.B. eine rote omnidirektionale Farbe, bereitstellt. Demzufolge findet der mehrschichtige Stapel Verwendung als ein Farbpigment, ein dünner Film, der eine gewünschte Farbe bereitstellt, und dergleichen.
Der mehrschichtige Stapel, der die omnidirektionale strukturelle Farbe bereitstellt, beinhaltet eine Kernschicht, eine Halbleiterschicht, die sich über der Kernschicht erstreckt, und eine dielektrische Schicht, die sich über der Halbleiterschicht erstreckt. Die Halbleiterschicht absorbiert mehr als 70% von einfallendem weißem Licht mit einer Wellenlänge kleiner als 550 nm. Die dielektrische Schicht in Kombination mit der Kernschicht reflektiert mehr als 70% von einfallendem weißem Licht mit einer Wellenlänge größer als 550 nm. Es versteht sich, dass die Dicke der dielektrischen Schicht derart vordefiniert sein kann, dass die Wellenlänge, bei der mehr als 70% von einfallendem weißem Licht reflektiert wird, größer ist als 550 nm, 560 nm, 580 nm, 600 nm, 620 nm, 640 nm, 660 nm, 680 nm oder dazwischenliegende Wellenlängen. Anders ausgedrückt, kann die Dicke der dielektrischen Schicht derart gewählt und hergestellt werden, dass eine bestimmte Farbe mit einem gewünschten Farbton zwischen 35 und 350, Buntheit und/oder Helligkeit in einer Lab-Farbsystemdiagramm reflektiert und durch das menschliche Auge wahrgenommen wird. Auch ist der Farbton im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als tan^-1(b/a) definiert, wobei a und b Farbkoordinaten im Lab-Farbsystem sind.
In einigen Fällen weist der mehrschichtige Stapel einen Farbton zwischen 315° und 45° im Lab-Farbraum auf. Auch weist der mehrschichtige Stapel eine Buntheit von größer als 50 und eine Farbtonverschiebung kleiner als 30° auf. In anderen Fällen ist die Buntheit größer als 55, bevorzugt größer als 60 und bevorzugter größer als 65, und/oder die Farbtonverschiebung ist kleiner als 25°, bevorzugt kleiner als 20°, bevorzugter kleiner als 15° und noch bevorzugter kleiner als 10°.
In einigen Fällen reflektieren die Kernschicht und die dielektrische Schicht mehr als 80% von einfallendem weißem Licht mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen größer als 550 nm und in anderen Fällen mehr als 90%. Auch absorbiert in einigen Fällen die Halbleiterschicht mehr als 80% von Wellenlängen von im Allgemeinen kleiner als 550 nm und in anderen Fällen mehr als 90%.
Es versteht sich, dass sich der Begriff „im Allgemeinen“ in diesem Zusammenhang in einigen Fällen auf plus und/oder minus 20 nm, in anderen Fällen auf plus und/oder minus 30 nm, in wieder anderen Fällen auf plus und/oder minus 40 nm und in noch anderen Fällen auf plus und/oder minus 50 nm bezieht.
Die Kernschicht, die Halbleiterschicht und die dielektrische Schicht bilden einen omnidirektionalen Reflektor, der ein enges Band von elektromagnetischer Strahlung (nachfolgend als einen Reflexionspeak oder ein Reflexionsband bezeichnet) mit einer Mittelwellenlänge zwischen 550 nm und der sichtbaren IR-Grenze des EMR-Spektrums reflektiert. Das Reflexionsband weist eine Breite von weniger als 200 nm und eine Farbverschiebung von weniger als 100 nm auf, wenn der omnidirektionale Reflektor weißem Licht ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird. Die Farbverschiebung kann in Form einer Verschiebung einer Mittelwellenlänge des Reflexionsbandes oder alternativ einer Verschiebung einer UV-seitigen Grenze des Reflexionsbandes vorliegen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Breite des reflektierten Bandes elektromagnetischer Strahlung als die Breite des Reflexionsbandes bei der Hälfte der reflektierten Höhe der maximal reflektierten Wellenlänge innerhalb des sichtbaren Spektrums definiert. Darüber hinaus weist das enge Band reflektierter elektromagnetischer Strahlung, d.h. die „Farbe“ des omnidirektionalen Reflektors, eine Farbtonverschiebung von weniger als 35 Grad und in einigen Fällen von weniger als 25 Grad auf.
Die Kernschicht weist eine Dicke zwischen 50-200 nm auf und kann eine Reflektorkernschicht, eine Absorber-/Reflektorkernschicht oder eine dielektrische Schicht sein. Die Reflektorkernschicht ist aus einem Reflektormaterial, wie Aluminium (Al), Silber (Ag), Platin (Pt) und/oder Legierungen hieraus, hergestellt. Die Absorber-/Reflektorkernschicht ist aus einem Absorber-/Reflektormaterial, wie Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Gold (Au), Zinn (Sn) und/oder Legierungen hieraus, hergestellt. Die dielektrische Kernschicht ist aus einem dielektrischen Material, wie Glas und/oder Glimmer, hergestellt oder alternativ eine farbige dielektrische Kernschicht, die aus einem farbigen dielektrischen Material, wie Fe₂O₃, Cu₂O und/oder Kombinationen hieraus, hergestellt ist.
Die Halbleiterschicht weist eine Dicke zwischen 5-400 nm auf und ist aus einem Halbleitermaterial hergestellt, wie Silicium (Si), amorphem Si, Germanium (Ge), oder eine andere Halbleiterschicht mit einer elektronischen Bandlücke im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Wellenspektrums und Kombinationen hieraus. Es versteht sich, dass sich die Verwendung des Begriffs Si auf kristallines Si bezieht.
Die dielektrische Schicht weist eine Dicke zwischen 0,1 QW - 4,0 QW für eine gewünschte Steuerwellenlänge auf, wobei die Steuerwellenlänge durch eine gewünschte Zielwellenlänge im sichtbaren Lichtspektrum bestimmt wird. Die dielektrische Schicht aus einem dielektrischen Material weist einen Brechungsindex größer als 1,6 auf, wie ZnS, TiO2, Si2N4, HfO2, Nb₂O₅, Ta₂O₅ und Kombinationen hieraus. In einigen Fällen ist die dielektrische Schicht eine farbige dielektrische Schicht, die aus einem farbigen dielektrischen Material, wie Fe₂O₃, Cu₂O und Kombinationen hieraus, hergestellt ist.
In einer hier offenbarten Ausführungsform beinhaltet der omnidirektionale Reflektor eine optionale Teil-Absorberschicht, die sich zwischen der Halbleiterschicht und der dielektrischen Schicht erstreckt. Die Teil-Absorberschicht weist eine Dicke zwischen 2-30 nm auf und kann aus einem ausgewählten Material, wie Cr, Cu, Au, Sn und Legierungen hieraus, hergestellt sein.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet der omnidirektionale Reflektor eine zweite Halbleiterschicht zusätzlich zu der vorgenannten Halbleiterschicht (auch erste Halbleiterschicht genannt). Darüber hinaus erstreckt sich die zweite Halbleiterschicht über der dielektrischen Schicht und ist über die dielektrische Schicht gegenüberliegend zu der ersten Halbleiterschicht angeordnet. In dem Fall, dass eine zweite Halbleiterschicht vorhanden ist, kann der omnidirektionale Reflektor auch eine zweite dielektrische Schicht zusätzlich zu der vorgenannten dielektrischen Schicht (auch erste dielektrische Schicht genannt) beinhalten, welche sich über der zweiten Halbleiterschicht erstreckt und über die zweite Halbleiterschicht gegenüberliegend zu der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist.
Die Halbleiterschicht ist ausgewählt, 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 Halbleiterschicht derart gestaltet und hergestellt sein, dass sie elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen absorbiert, die violett, blau, grün, gelb (z.B. 400-550 nm) entsprechen, und dagegen elektromagnetische Strahlung reflektiert, die rot entspricht (d.h. 580-Infrarot-(IR)-Bereich).
Die Gesamtdicke von mehrschichtigen Stapeln, die den hier offenbarten omnidirektionalen Reflektor bilden, ist geringer als 2 Mikrometer (µm), in einigen Fällen geringer als 1,5 µm, in anderen Fällen geringer als 1,0 µm und in wieder anderen Fällen geringer als 0,75 µm.
In einigen Fällen weist die dielektrische Schicht eine optionale Dicke zwischen 0,1 und 2,0 Viertelwelle (QW) auf, während in anderen Fällen die dielektrische Schicht eine Dicke zwischen 0,1 und 1,8 QW aufweist. In wieder anderen Fällen weist die dielektrische Schicht eine optische Dicke von weniger als 1,9 QW auf, beispielsweise weniger als 1,8 QW, weniger als 1,7 QW, weniger als 1,6 QW, weniger als 1,5 QW, weniger als 1,4 QW, weniger als 1,3 QW, weniger als 1,2 QW oder weniger als 1,1 QW. Alternativ weist die dielektrische Schicht eine optische Dicke größer als 2,0 QW auf.
Die dielektrische Schicht weist einen Brechungsindex größer als 1,60, 1,62, 1,65 oder 1,70 auf und kann aus einem dielektrischen Material, wie ZnS, Si₂N₄, TiO2, HfO2, Nb₂O5, Ta₂O₅, Kombinationen hieraus und dergleichen hergestellt sein. In einigen Fällen ist die dielektrische Schicht eine farbige oder selektive dielektrische Schicht, die aus einem farbigen dielektrischen Material, wie Fe₂O₃, CU₂O und dergleichen, hergestellt ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „farbiges dielektrisches Material“ oder „farbige dielektrische Schicht“ auf ein dielektrisches Material oder eine dielektrische Schicht, welche(s) nur einen Teil von einfallendem weißem Licht überträgt, während ein anderer Teil des weißen Lichts reflektiert wird. Beispielsweise kann die farbige dielektrische Schicht elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 400 und 600 nm übertragen und Wellenlängen größer als 600 nm reflektieren. Demzufolge weist das farbige dielektrische Material oder die farbige dielektrische Schicht eine orange, rote und/oder rötlich-orange visuelle Erscheinung auf.
Die Anordnung der dielektrischen Schicht ist derart, dass zwischen einer Absorberschicht oder einer Halbleiterschicht und der dielektrischen Schicht eine Null- oder Nahe-Null-Energieschnittstelle bzw. eine Energieschnittstelle von null oder nahe null vorliegt. Anders ausgedrückt, weist die dielektrische Schicht eine Dicke derart auf, dass an der Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Halbleiterschicht oder der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht ein Null- oder Nahe-Null-Energiefeld angeordnet ist. Es versteht sich, dass die Dicke der dielektrischen Schicht, an der das Null- oder Nahe-Null-Energiefeld vorliegt, eine Funktion der einfallenden EMR-Wellenlänge ist. Darüber hinaus versteht sich auch, dass die Wellenlänge, die dem elektrischen Feld von null oder nahe null entspricht, durch die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Halbleiterschicht oder der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht übertragen wird, wohingegen Wellenlängen, die nicht dem elektrischen Feld von null oder nahe null an der Schnittstelle entsprechen, nicht hindurchgelangen. Demzufolge ist die Dicke der dielektrischen Schicht derart gestaltet und hergestellt, dass eine gewünschte Wellenlänge von einfallendem weißem Licht durch die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Halbleiterschicht oder die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht übertragen wird, von der Kernschicht reflektiert wird und dann durch die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Halbleiterschicht oder die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht rückübertragen wird. Ebenso ist die Dicke der dielektrischen Schicht derart hergestellt, dass unerwünschte Wellenlängen von einfallendem weißem Licht nicht durch die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Halbleiterschicht oder die Schnittstelle der dielektrischen Schicht und der Absorberschicht übertragen werden.
In Anbetracht des Vorstehenden werden Wellenlängen, die nicht der gewünschten Schnittstelle des elektrischen Felds von null oder nahe null entsprechen, durch die Halbleiterschicht oder die Absorberschicht absorbiert und somit nicht reflektiert. Auf diese Weise wird eine gewünschte „scharfe“ Farbe, auch strukturelle Farbe genannt, bereitgestellt. Darüber hinaus ist die Dicke der dielektrischen Schicht derart, dass eine Reflexion von gewünschten ersten Harmonischen und/oder zweiten Harmonischen erzeugt wird, um eine Oberfläche mit einer roten Farbe bereitzustellen, die auch eine omnidirektionale Erscheinung aufweist.
In Bezug auf die Dicke der dielektrischen Schicht und den elektrischen Feldpunkt von null oder nahe null hinsichtlich einer vorstehend genannten Absorberschicht ist 1A eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt. Die dielektrische ZnS-Schicht weist eine Gesamtdicke von 143 nm auf, und für einfallende elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 500 nm liegt ein Energiepunkt von null oder nahe null bei 77 nm vor. Anders ausgedrückt, weist die dielektrische ZnS-Schicht in 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 auf. Darüber hinaus sieht 1B für eine Reihe von unterschiedlichen einfallenden EMR-Wellenlängen eine graphische Darstellung des Energiefeldes über der dielektrischen ZnS-Schicht vor. Wie in dem Graphen gezeigt, besitzt die dielektrische Schicht für die Wellenlänge von 500 nm bei einer Dicke von 77 nm ein elektrisches Feld von null, doch für EMR-Wellenlängen von 300, 400, 600 und 700 nm ein von null verschiedenes elektrisches Feld bei der Dicke von 77 nm.
Ohne auf die Theorie beschränkt zu sein, wird nachstehend eine Berechnung der Dicke des Energiepunktes von null oder nahe null für eine dielektrische Schicht, wie die in 1A veranschaulichte, erörtert.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine dielektrische Schicht 4 mit einer Gesamtdicke ,D‘, einer inkrementellen Dicke ,d‘ und einem Brechungsindex ,n‘ auf einem Substrat oder einer Kernschicht 2 mit einem Brechungsindex n_s gezeigt. Einfallendes Licht trifft auf der äußeren Oberfläche 5 der dielektrischen Schicht 4 mit einem Winkel θ relativ zu der Linie 6 auf, die zu der äußeren Oberfläche 5 rechtwinklig ist, und wird von der äußeren Oberfläche 5 mit dem gleichen Winkel reflektiert. Einfallendes Licht wird durch die äußere Oberfläche 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 der Oberfläche 3 der Substratschicht 2 auf.
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 ausgedrückt werden als: $\overset{⇀}{E} (d) = {u (z),0, 0} exp (ik α y) |_{z = d}$
und für eine p-Polarisation als: $\overset{⇀}{E} (d) = {0, u (z), - \frac{α}{\tilde{ε} (z)} v (z)} exp (ik α y) |_{z = d}$
wobei $k = \frac{2 π}{λ}$
und λ eine zu reflektierende gewünschte Wellenlänge ist. Auch gilt α=n_ssinθ_s, wobei, s' dem Substrat in 1 entspricht, und ε̃(z) die Dielektrizitätskonstante der Schicht als eine Funktion von z ist. Demzufolge gilt ${| E (d) |}^{2} = {| u (z) |}^{2} exp (2 ik α y) |_{z = d}$
für eine s-Polarisation und ${| E (d) |}^{2} = [{| u (z) |}^{2} + {| \frac{α}{\sqrt{n}} v (z) |}^{2}] exp (2 ik α y) |_{z = d}$
für eine p-Polarisation.
Es versteht sich, dass eine Variation des elektrischen Feldes entlang der Z-Richtung der dielektrischen Schicht 4 durch Berechnen der unbekannten Parameter u(z) und v(z) geschätzt werden kann, wobei gezeigt werden kann, dass: ${(\begin{matrix} u \\ v \end{matrix})}_{z = d} = (\begin{matrix} cos φ & (i/q) sin φ \\ iqsin φ & cos φ \end{matrix}) {(\begin{matrix} u \\ v \end{matrix})}_{z = 0, Substrat}$
Normalerweise ist ,i‘ die Quadratwurzel von -1. Unter Verwendung der Grenzbedingungen u|_z=0 = 1, v|_z=0 = q_s und der folgenden Relationen: $q_{s} = n_{s} cos θ_{s} f \ddot{u} r eine s - Polarisation$
$q_{s} = n_{s} /cos θ_{s} f \ddot{u} r eine p - Polarisation$
$q = n cos θ_{F} f \ddot{u} r eine s - Polarisation$
$q = n/cos θ_{F} f \ddot{u} r eine p - Polarisation$
$φ = k \cdot n \cdot d cos (θ_{F})$
können u(z) und v(z) ausgedrückt werden als: $\begin{matrix} u (z) {|_{z = d} = u |}_{z = 0} cos φ + v |_{z = 0} (\frac{i}{q} sin φ) \\ = cos φ + \frac{i . q_{s}}{q} sin φ \end{matrix}$
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: $\begin{matrix} {| E (d) |}^{2} = [{cos}^{2} φ + \frac{q_{s}^{2}}{q^{2}} {sin}^{2} φ] e^{2 ik αγ} \\ = [{cos}^{2} φ + \frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} {sin}^{2} φ] e^{2 ik αγ} \end{matrix}$
für eine s-Polarisation mit φ = k·n·dcos(θ_F ), und: $\begin{matrix} {| E (d) |}^{2} = [{cos}^{2} φ + \frac{n_{s}^{2}}{b^{2}} {sin}^{2} φ + \frac{α^{2}}{n} (q_{s}^{2} {cos}^{2} φ + q^{2} {sin}^{2} φ)] \\ = [(1 + \frac{α^{2} q_{s}^{2}}{n}) {cos}^{2} φ + (\frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} + \frac{α^{2} q^{2}}{n}) {sin}^{2} φ] \end{matrix}$
gilt 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 $q_{s} = \frac{n_{s}}{c o s θ_{F}}$
Somit gilt für eine einfache Situation, wobei θ_F=0 oder ein senkrechter Einfall, (φ=k·n·d und α=0: ${| E (d) |}^{2} f \ddot{u} r eine s- Polarisation = {| E (d) |}^{2} f \ddot{u} r eine p-Polarisation = [{cos}^{2} φ + \frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} {sin}^{2} φ]$
$= [{cos}^{2} (k \cdot n \cdot d) + \frac{n_{s}^{2}}{n^{2}} {sin}^{2} (k \cdot n \cdot d)]$
was es ermöglicht, nach der Dicke ,d‘ aufzulösen, d.h. der Position oder Stelle innerhalb der dielektrischen Schicht, wo das elektrische Feld null ist.
Unter Bezugnahme auf 3 wurde die Gleichung 19 verwendet, um zu berechnen, dass sich der elektrische Feldpunkt von null oder nahe null in der in 1A gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht bei 70 nm (statt 77 nm für eine Wellenlänge von 500 nm) befindet, wenn diese einer EMR mit einer Wellenlänge von 434 nm ausgesetzt ist. Darüber hinaus wurde bei einer Dicke von 70 nm ab der Al-Reflektorschicht eine 15 nm dicke Cr-Absorberschicht eingefügt, um eine ZnS-Cr-Schnittstelle eines elektrischen Feldes von null oder nahe null zu ermöglichen. Eine derartige erfinderische Struktur erlaubt Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm das Hindurchtreten durch die Cr-ZnS-Schnittstellen, absorbiert jedoch Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm. Anders ausgedrückt, weisen die Cr-ZnS-Schnittstellen ein elektrisches Feld von null oder nahe null in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm auf, und somit gelangt Licht mit 434 nm durch die Schnittstellen. Die Cr-ZnS-Schnittstellen weisen jedoch kein elektrisches Feld von null oder nahe null für Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm auf, und somit wird solches Licht von der Cr-Absorberschicht und/oder den Cr-Zns-Schnittstellen absorbiert und nicht von der Al-Reflektorschicht reflektiert.
Es versteht sich, dass ein gewisser Prozentsatz von Licht innerhalb von +/- 10 nm der gewünschten 434 nm durch die Cr-ZnS-Schnittstelle gelangen wird. Jedoch versteht sich auch, dass ein derart enges Band von reflektiertem Licht, z.B. 434 +/- 10 nm, dennoch einem menschlichen Auge eine scharfe strukturelle Farbe zur Verfügung stellt.
Das Ergebnis der Cr-Absorberschicht in dem mehrschichtigen Stapel in 3 ist in 4 veranschaulicht, wo die prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge gezeigt ist. Wie durch die gestrichelte Linie gezeigt, die der in 3 gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht ohne eine Cr-Absorberschicht entspricht, liegt bei etwa 400 nm ein enger Reflexionspeak vor, doch liegt ein viel breiterer Peak bei etwa 550+ nm vor. Darüber hinaus wird nach wie vor eine beträchtliche Menge Licht in dem Wellenlängenbereich von 500 nm reflektiert. Demzufolge liegt ein Doppel-Peak vor, der verhindert, dass der mehrschichtige Stapel eine strukturelle Farbe besitzt oder aufweist.
Dagegen entspricht die durchgehende Linie in 4 der in 3 gezeigten Struktur mit der vorhandenen Cr-Absorberschicht. Wie in der Figur gezeigt, liegt bei etwa 434 nm ein scharfer Peak vor, und für Wellenlängen größer als 434 nm wird durch die Cr-Absorberschicht ein Abfall der Reflexion bewirkt. Es versteht sich, dass der durch die durchgehende Linie dargestellte scharfe Peak visuell als scharfe/strukturelle Farbe erscheint. Auch veranschaulicht 4, wo die Breite eines Reflexionspeaks oder -bandes gemessen wird, d.h. die Breite des Bandes wird bei 50% Reflexion der maximal reflektierten Wellenlänge gemessen, auch volle Halbwertsbreite (FWHM) genannt.
Bezüglich des omnidirektionalen Verhaltens der in 3 gezeigten mehrschichtigen Struktur kann die Dicke der dielektrischen ZnS-Schicht derart gestaltet oder eingestellt sein, dass nur die ersten Harmonischen von reflektiertem Licht vorgesehen sind. Es versteht sich, dass dies für eine „blaue“ Farbe ausreicht, doch erfordert die Erzeugung einer „roten“ Farbe zusätzliche Erwägungen. Beispielsweise ist die Steuerung einer Winkelunabhängigkeit für rote Farbe schwierig, da dickere dielektrische Schichten erforderlich sind, was wiederum zu einer hoch-Harmonischen Gestaltung führt, d.h. das Vorliegen der zweiten und möglicher dritter Harmonischen ist unvermeidlich. Auch ist der Farbtonraum der dunkelroten Farbe sehr eng. Demzufolge weist ein mehrschichtiger Stapel einer roten Farbe eine höhere Winkelvarianz auf.
Um die höhere Winkelvarianz für rote Farbe zu überwinden, offenbart die vorliegende Anmeldung eine einzigartige und neuartige Gestaltung/Struktur, die eine rote Farbe ermöglicht, welche winkelunabhängig ist. Beispielsweise veranschaulicht 5A eine dielektrische Schicht, die erste und zweite Harmonische für einfallendes weißes Licht aufweist, wenn eine äußere Oberfläche der dielektrischen Schicht aus 0 und 45 Grad betrachtet wird. Wie durch die graphische Darstellung gezeigt, wird durch die Dicke der dielektrischen Schicht eine niedrige Winkelabhängigkeit (kleines Δλ_c) vorgesehen, doch weist ein derartiger mehrschichtiger Stapel eine Kombination aus blauer Farbe (1. Harmonische) und roter Farbe (2. Harmonische) auf und ist somit nicht geeignet für eine gewünschte „ausschließlich rote“ Farbe. Daher wurde das Konzept/die Struktur der Verwendung einer Absorberschicht zum Absorbieren einer unerwünschten harmonischen Reihe entwickelt. 5A veranschaulicht auch ein Beispiel für die Lage der Reflexionsband-Mittelwellenlänge (λ_c) für einen gegebenen Reflexionspeak und die Verteilung oder Verschiebung der Mittelwellenlänge (A9"-), wenn die Probe aus 0 und 45 Grad betrachtet wird.
Bezugnehmend auf 5B wird die in 5A gezeigte zweite Harmonische mit einer Cr-Absorberschicht bei der geeigneten Dicke der dielektrischen Schicht (z.B. 72 nm) absorbiert, und eine scharfe blaue Farbe wird bereitgestellt. Noch wichtiger für die vorliegende Erfindung ist, dass 5C veranschaulicht, dass durch Absorbieren der ersten Harmonischen mit dem Cr-Absorber bei einer anderen Dicke der dielektrischen Schicht (z.B. 125 nm) eine rote Farbe bereitgestellt wird. Jedoch veranschaulicht 5C auch, dass die Verwendung der Cr-Absorberschicht noch zu mehr als einer gewünschten Winkelabhängigkeit durch den mehrschichtigen Stapel führt, d.h. einem größeren Δλ_c als gewünscht.
Es versteht sich, dass die relativ große Verschiebung von λ_c für die rote Farbe im Vergleich zur blauen Farbe dadurch bedingt ist, dass der dunkelrote Farbtonraum sehr eng ist, und durch die Tatsache, dass die Cr-Absorberschicht Wellenlängen in Verbindung mit einem von null verschiedenen elektrischen Feld absorbiert, d.h. kein Licht absorbiert, wenn das elektrische Feld null oder nahe null ist. Demzufolge veranschaulicht 6A, dass der Null- oder Nicht-Null-Punkt für Lichtwellenlängen bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unterschiedlich ist. Derartige Faktoren führen zu der in 6B gezeigten winkelabhängigen Absorption, d.h. der Differenz der 0°- und 45°-Absorptionskurven. Somit wird, um die Gestaltung des mehrschichtigen Stapels und die Winkelunabhängigkeitsleistung weiter zu verfeinern, eine Absorberschicht verwendet, die z.B. blaues Licht unabhängig davon absorbiert, ob das elektrische Feld null ist oder nicht.
Insbesondere zeigt 7A einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cu-Absorberschicht anstelle einer Cr-Absorberschicht, die sich über einer dielektrischen ZnS-Schicht erstreckt. Die Ergebnisse der Verwendung einer derartigen „farbigen“ oder „selektiven“ Absorberschicht sind in 7B gezeigt, die eine viel „engere“ Gruppierung der 0°- und 45°-Absorptionslinien für den in 7A gezeigten mehrschichtigen Stapel aufzeigt. Demzufolge veranschaulicht ein Vergleich zwischen 6B und 7B die signifikante Verbesserung der Absorptionswinkelunabhängigkeit, wenn anstelle einer nicht-selektiven Absorberschicht eine selektive Absorberschicht verwendet wird.
Basierend auf dem Vorstehenden wurde eine Konzeptnachweis-Mehrschichtstapelstruktur entworfen und hergestellt. Darüber hinaus wurden die Berechnungs-/Simulationsergebnisse und tatsächliche experimentelle Daten für die Konzeptnachweisprobe verglichen. Insbesondere, und wie durch die graphische Darstellung in 8 gezeigt, wurde eine scharfe rote Farbe erzeugt (Wellenlängen größer als 700 nm werden vom menschlichen Auge typischerweise nicht gesehen), und es wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Berechnung/Simulation und den aus der tatsächlichen Probe erhaltenen experimentellen Lichtdaten erhalten. Anders ausgedrückt, können und/oder werden Berechnungen/Simulationen verwendet, um die Ergebnisse von Mehrschichtstapelgestaltungen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und/oder mehrschichtigen Stapeln aus dem Stand der Technik zu simulieren.

Eine Liste von simulierten und/oder tatsächlich hergestellten Mehrschichtstapelproben wird in der nachstehenden Tabelle 1 zur Verfügung gestellt. Wie in der Tabelle gezeigt, beinhalten die hier offenbarten erfinderischen Gestaltungen mindestens 5 unterschiedliche geschichtete Strukturen. Darüber hinaus wurden die Proben simuliert und/oder aus einer breiten Palette von Materialien hergestellt. Proben wurden vorgesehen, die eine hohe Buntheit, eine niedrige Farbtonverschiebung und eine exzellente Reflexion aufwiesen. Auch 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

	Durchschn. Buntheit (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

Bezüglich der tatsächlichen Reihenfolge der Schichten veranschaulicht 9 die Hälfte einer fünfschichtigen Gestaltung mit Bezugszeichen 10. Der omnidirektionale Reflektor 10 weist eine Reflektorschicht 100, eine sich über der Reflektorschicht 100 erstreckende dielektrische Schicht 110 und eine sich über der dielektrischen Schicht 110 erstreckende Absorberschicht 120 auf. Es versteht sich, dass eine weitere dielektrische Schicht und eine weitere Absorberschicht gegenüberliegend zu der Reflektorschicht 100 angeordnet sein können, um die fünfschichtige Gestaltung bereitzustellen.
Das Bezugszeichen 20 in 10 veranschaulicht die Hälfte einer siebenschichtigen Gestaltung, bei der sich eine weitere dielektrische Schicht 130 derart über der Absorberschicht 120 erstreckt, dass die dielektrische Schicht 130 über die Absorberschicht 120 gegenüberliegend zu der dielektrischen Schicht 110 angeordnet ist.
11 veranschaulicht die Hälfte einer neunschichtigen Gestaltung, bei der eine zweite Absorberschicht 105 zwischen der Reflektorschicht 100 und der dielektrischen Schicht 110 angeordnet ist. Schließlich veranschaulicht 12 die Hälfte einer elfschichtigen Gestaltung, bei der sich eine weitere Absorberschicht 140 über der dielektrischen Schicht 130 erstreckt und sich noch eine 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, die die mehrschichtige Struktur zeigt. Derartige Pigmente wurden zur Herstellung von drei verschiedenen roten Farben verwendet, welche dann zum Testen auf drei Felder aufgetragen wurden. Die 15A-15C sind schematische Darstellungen der tatsächlich bemalten Felder, denn tatsächliche Photographien der Tafeln erscheinen grau/schwarz, wenn sie gedruckt und kopiert werden, und schwarzweiß. 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 hellrosa Farbe mit einem Farbton von 354° in dem in 15D gezeigten Farbdiagramm dar. Auch wies die in 15B dargestellte dunkelrote Farbtafel eine Helligkeit L* von 44 und eine Buntheit C* von 67 auf.

15E ist eine schematische Darstellung einer elfschichtigen Gestaltung, die die Pigmente darstellt, die zum Bemalen der in den 15A-15C veranschaulichten Felder verwendet wurden. Bezüglich beispielhafter Dicken der verschiedenen Schichten stellt Tabelle 2 die tatsächlichen Dicken für jeden der entsprechenden mehrschichtigen Stapel/Pigmente bereit. Wie durch die Dickenwerte in Tabelle 2 gezeigt, ist die Gesamtdicke der elfschichtigen Gestaltung kleiner als 2 Mikrometer und kann kleiner sein als 1 Mikrometer. Tabelle 2

Farbe =>	Orange	Dunkelrot	Hellrosa
	Schichtdicke	Schichtdicke	Schichtdicke
Schicht ↓↓	(nm)	(nm)	(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 versteht sich, dass siebenschichtige Gestaltungen und siebenschichtige Mehrschichtstapel verwendet werden können, um derartige Pigmente herzustellen. Beispiele für vier siebenschichtige Mehrschichtstapel sind in den 16A-16D gezeigt. 16A veranschaulicht einen siebenschichtigen Stapel, der aufweist: (1) Reflektorschicht 100; (2) ein Paar von dielektrischen Schichten 110, die sich über der Reflektorschicht 100 erstrecken und über diese einander gegenüberliegend angeordnet sind; (3) ein Paar von selektiven Absorberschichten 120a, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von dielektrischen Schichten 110 erstrecken; und (4) ein Paar von dielektrischen Schichten 130, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von selektiven Absorberschichten 120a erstrecken.
Normalerweise ist die Dicke der dielektrischen Schicht 110 und der selektiven Absorberschicht 120a derart, 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 in Bezug auf eine gewünschte Lichtwellenlänge in dem Rosa-Rot-Orange-Bereich (315° < Farbton < 45° und/oder 550 nm < λ_c < 700 nm) des in 15D gezeigten Farbdiagramms aufweisen. Auf diese Weise gelangt ein gewünschtes rotfarbiges Licht durch die Schichten 130-120a-110, reflektiert an der Schicht 100 und gelangt zurück durch die Schichten 110-120a-130. Dagegen wird nicht-rotfarbiges Licht durch die selektive Absorberschicht 120a absorbiert. Ferner weist die selektive Absorberschicht 120a eine winkelunabhängige Absorption für nicht-rotfarbiges Licht auf, wie oben erörtert und in den 7A-7B gezeigt.
Es versteht sich, dass die Dicke der dielektrischen Schicht 100 und/oder 130 derart ist, dass die Reflexion von rotfarbigem Licht durch den mehrschichtigen Stapel omnidirektional ist. Die omnidirektionale Reflexion wird durch ein kleines Δλ_c des reflektierten Lichts gemessen oder bestimmt. Beispielsweise ist Δλ_c in einigen Fällen kleiner als 120 nm. In anderen Fällen ist Δλ_c kleiner als 100 nm. In wieder anderen Fällen ist Δλ_c kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 60 nm, noch bevorzugter kleiner als 50 nm und sogar noch bevorzugter kleiner als 40 nm.
Die omnidirektionale Reflexion kann auch durch eine geringe Farbtonverschiebung gemessen werden. Beispielsweise beträgt die Farbtonverschiebung von Pigmenten, die aus mehrschichtigen Stapeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, 30° oder weniger, wie in 17 gezeigt (s. A0i), und in einigen Fällen beträgt die Farbtonverschiebung 25° oder weniger, bevorzugt weniger als 20°, bevorzugter weniger als 15° und noch bevorzugter weniger als 10°. Dagegen weisen herkömmliche Pigmente eine Farbtonverschiebung von 45° oder mehr auf (s. Δθ₂).
16B veranschaulicht einen siebenschichtigen Stapel, der aufweist: (1) eine selektive Reflektorschicht 100a; (2) ein Paar von dielektrischen Schichten 110, die sich über der Reflektorschicht 100a erstrecken und über diese einander gegenüberliegend angeordnet sind; (3) ein Paar von selektiven Absorberschichten 120a, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von dielektrischen Schichten 110 erstrecken; und (4) ein Paar von dielektrischen Schichten 130, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von selektiven Absorberschichten 120a erstrecken.
16C veranschaulicht einen siebenschichtigen Stapel, der aufweist: (1) eine selektive Reflektorschicht 100a; (2) ein Paar von dielektrischen Schichten 110, die sich über der Reflektorschicht 100a erstrecken und über diese einander gegenüberliegend angeordnet sind; (3) ein Paar von nicht-selektiven Absorberschichten 120, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von dielektrischen Schichten 110 erstrecken; und (4) ein Paar von dielektrischen Schichten 130, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von Absorberschichten 120 erstrecken.
16D veranschaulicht einen siebenschichtigen Stapel, der aufweist: (1) eine Reflektorschicht 100; (2) ein Paar von dielektrischen Schichten 110, die sich über der Reflektorschicht 100 erstrecken und über diese zueinander gegenüberliegend angeordnet sind; (3) ein Paar von Absorberschichten 120, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von dielektrischen Schichten 110 erstrecken; und (4) ein Paar von dielektrischen Schichten 130, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von selektiven Absorberschichten 120 erstrecken.
Bezugnehmend 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, stellen beide Kurven von 0° und 45° eine sehr geringe Reflexion dar, z.B. kleiner als 10%, die durch den omnidirektionalen Reflektor für Wellenlängen kleiner als 550 nm vorgesehen wird. Jedoch sieht der Reflektor, wie durch die Kurven gezeigt, einen starken Anstieg der Reflexion bei Wellenlängen zwischen 560-570 nm vor und erreicht ein Maximum von etwa 90% bei 700 nm. Es versteht sich, dass der Abschnitt oder Bereich des Graphen auf der rechten Seite (IR-Seite) der Kurve den IR-Abschnitt des durch den Reflektor vorgesehenen Reflexionsbandes darstellt.
Der starke Anstieg der durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehenen Reflexion ist durch eine UV-seitige Grenze jeder Kurve, die sich von einem Abschnitt geringer Reflexion bei Wellenlängen unter 550 nm bis hin zu einem Abschnitt hoher Reflexion, z.B. > 70%, erstreckt. Ein linearer Abschnitt 200 der UV-seitigen Grenze ist in einem Winkel (β) größer als 60° relativ zu der x-Achse geneigt, weist eine Länge L von etwa 40 auf der Reflexionsachse und eine Neigung von 1,4 auf. In einigen Fällen ist der lineare Abschnitt in einem Winkel größer als 70° relativ zu der x-Achse geneigt, während β in anderen Fällen größer ist als 75°. Auch weist 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 auf. Darüber hinaus ist die Mittelwellenlänge λ_c für das in 18 veranschaulichte sichtbare Reflexionsband als die Wellenlänge mit gleichem Abstand zwischen der UV-seitigen Grenze des Reflexionsbandes und der IR-Grenze des IR-Spektrums bei der sichtbaren FHWM definiert.
Es versteht sich, dass sich der Begriff „sichtbare FWHM“ auf die Breite des Reflexionsbandes zwischen der UV-seitigen Grenze der Kurve und der Grenze des IR-Spektrum-Bereichs bezieht, über welche hinaus eine durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehene Reflexion für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Auf diese Weise verwenden die hier offenbarten erfinderischen Gestaltungen und mehrschichtigen Stapel den nicht-sichtbaren IR-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, um eine scharfe oder strukturelle Farbe bereitzustellen. Anders ausgedrückt, nutzen die hier offenbarten omnidirektionalen Reflektoren den nicht-sichtbaren IR-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, um ein enges Band von reflektiertem sichtbarem Licht bereitzustellen, ungeachtet der Tatsache, dass die Reflektoren ein viel breiteres Band elektromagnetischer Strahlung reflektieren können, das sich in den IR-Bereich erstreckt.
Unter Bezugnahme auf 19 ist eine Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für eine andere siebenschichtige Gestaltung eines omnidirektionalen Reflektors gezeigt, wenn dieser weißem Licht bei Winkeln von 0 und 45° relativ zu der Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist eine Definition oder Charakterisierung von omnidirektionalen Eigenschaften gezeigt, die durch hier offenbarte omnidirektionale Reflektoren bereitgestellt werden. Insbesondere, und wenn das durch einen erfinderischen Reflektor bereitgestellte Reflexionsband ein Maximum aufweist, d.h. einen Peak wie in der Figur gezeigt, besitzt jede Kurve eine Mittelwellenlänge (λ_c), die als die Wellenlänge definiert ist, die eine maximale Reflexion aufweist oder erfährt. Der Begriff maximal reflektierte Wellenlänge kann auch für λ_c verwendet werden.
Wie in 19 gezeigt, erfolgt eine Verschiebung oder Verlagerung von λ_c, wenn eine äußere Oberfläche des omnidirektionalen Reflektors aus einem 45°-Winkel betrachtet wird (λ_c(45°)), z.B. wenn die äußere Oberfläche relativ zu einem auf die Oberfläche blickenden menschlichen Auge um 45° geneigt ist, im Vergleich zu dem Fall, dass die Oberfläche aus einem Winkel von 0° (λ_c(0°)) betrachtet wird, d.h. senkrecht zu der Oberfläche. Diese Verschiebung von λ_c(Δλ_c) sieht ein Maß der omnidirektionalen Beschaffenheit des omnidirektionalen Reflektors vor. Normalerweise wäre eine Verschiebung von null, d.h. überhaupt keine Verschiebung, ein perfekt omnidirektionaler Reflektor. Jedoch können hier offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein Δλ_c von weniger als 100 nm bereitstellen, was dem menschlichen Auge so vorkommen mag, als ob sich die Farbe der Oberfläche des Reflektors nicht verändert hat, und somit ist der Reflektor praktisch gesehen omnidirektional. In einigen Fällen können hier offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein Δλ_c von weniger als 75 nm bereitstellen, in anderen Fällen ein Δλ_c von weniger als 50 nm und in wieder anderen Fällen ein Δλ_c von weniger als 25 nm und in noch anderen Fällen ein Δλ_c von weniger als 15 nm. Eine derartige Verschiebung von Δλ_c lässt sich durch eine Darstellung der tatsächlichen Reflexion über der Wellenlänge für einen Reflektor bestimmen und/oder alternativ durch Modellieren des Reflektors, falls die Materialien und Schichtdicken bekannt sind.
Eine andere Definition oder Charakterisierung der omnidirektionalen Eigenschaften eines Reflektors kann durch die Verschiebung einer seitlichen Grenze für einen gegebenen Satz von Winkelreflexionsbändern bestimmt werden. Beispielsweise stellt eine Verschiebung oder Verlagerung einer UV-seitigen Grenze (ΔS_L) für eine Reflexion von einem omnidirektionalen Reflektor, der aus 0° (S_L(0°)) betrachtet wird, im Vergleich zur UV-seitigen Grenze für eine Reflexion durch denselben Reflektor, der aus 45° (S_L(45°)) betrachtet wird, ein Maß für die omnidirektionale Beschaffenheit des omnidirektionalen Reflektors bereit. Darüber hinaus kann die Verwendung von ΔS_L als ein Maß für die Omnidirektionalität gegenüber der Verwendung von Δλ_c bevorzugt sein, z.B. für Reflektoren, die ein Reflexionsband ähnlich dem in 18 gezeigten vorsehen, d.h. ein Reflexionsband mit einem Peak, der einer maximal reflektierten Wellenlänge entspricht, die nicht im sichtbaren Bereich liegt (s. 18). Es versteht sich, dass die Verschiebung der UV-seitigen Grenze (ΔS_L) bei der sichtbaren FWHM gemessen wird und/oder kann.
Normalerweise würde eine Verschiebung von null, d.h. überhaupt keine Verschiebung (ΔS_L = 0 nm) einen perfekt omnidirektionalen Reflektor kennzeichnen. Jedoch können die hier offenbarten omnidirektionalen Reflektoren ein ΔS_L von weniger als 100 nm bereitstellen, was dem menschlichen Auge so vorkommen mag, als ob sich die Farbe der Oberfläche des Reflektors nicht verändert hat, und somit ist der Reflektor praktisch gesehen omnidirektional. In einigen Fällen können hier offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein ΔS_L von weniger als 75 nm bereitstellen, in anderen Fällen ein ΔS_L von weniger als 50 nm und in wieder anderen Fällen ein ΔS_L von weniger als 25 nm und in noch anderen Fällen ein ΔS_L von weniger als 15 nm. Eine derartige Verschiebung von ΔS_L kann durch eine Darstellung der tatsächlichen Reflexion über der Wellenlänge für einen Reflektor bestimmt werden und/oder alternativ durch Modellieren des Reflektors, falls die Materialien und Schichtdicken bekannt sind.
Bezugnehmend auf 20 ist mit Bezugszeichen 30 eine fünfschichtige Gestaltung gemäß einer anderen Ausführungsform schematisch gezeigt. Der fünfschichtige Stapel besitzt eine Kernschicht 300, ein Paar von Halbleiterschichten 310, die sich über der Kernschicht 300 erstrecken und über diese zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, und ein Paar von dielektrischen Schichten 320, die sich über einer äußeren Oberfläche des Paars von Halbleiterschichten 310 erstrecken. Die Kernschicht weist eine Dicke zwischen 50-200 nm auf und kann eine Reflektorkernschicht, eine Absorber-/Reflektorkernschicht oder eine dielektrische Kernschicht sein. Die Reflektorkernschicht ist aus einem Reflektormaterial, wie A1, Ag, Pt, Legierungen hieraus und dergleichen, hergestellt. Die Absorber-/Reflektorkernschicht ist aus einem Absorber-/Reflektormaterial, wie Cr, Cu, Au, Sn, Legierungen hieraus und dergleichen, hergestellt. Die dielektrische Kernschicht ist aus einem dielektrischen Kernmaterial, wie Glas, Glimmer und dergleichen, hergestellt. Alternativ kann das dielektrische Kernmaterial ein farbiges dielektrisches Material, wie Fe₂O₃, Cu₂O und dergleichen, sein.
Die Halbleiterschicht 310 weist eine Dicke zwischen 5-400 nm auf und ist aus irgendeinem Halbleitermaterial hergestellt, das eine elektronische Bandlücke im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Wellenspektrums aufweist, wie Si, amorphes Si, Ge, Kombinationen hieraus und dergleichen. Darüber hinaus weist die dielektrische Schicht 320 eine Dicke zwischen 0,1 QW - 4,0 QW auf und kann aus irgendeinem dem Fachmann bekannten dielektrischen Material mit einem Brechungsindex größer als 1,6 hergestellt sein, darunter beispielsweise ZnS, TiO₂, Si₂N₄, HfO2, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Kombinationen hieraus und dergleichen.
Das Reflexionsspektrum für einen derartigen fünfschichtigen Stapel ist in 21 gezeigt, wo die prozentuale Reflexion (%R) über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einem Paar von amorphen Si-Halbleiterschichten 310 und einem Paar von dielektrischen Si₃N₄-Schichten 320 auf einer Kernschicht 300 gezeigt ist. Wie in der Figur gezeigt, reflektiert der mehrschichtige Stapel mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen 640 nm und absorbiert mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen von im Allgemeinen kleiner als 550 nm. Ferner, obgleich dies nicht aus der Figur hervorgeht, ist das Reflexionsspektrum für einen Betrachtungswinkel von 0°, d.h. senkrecht zu der Oberfläche, gezeigt, und bei einer Betrachtung bei 45° verschiebt sich der Peak des Reflexionsbandes um weniger als 45 nm.
Bezugnehmend auf 22 ist eine siebenschichtige Gestaltung gemäß einer anderen Ausführungsform allgemein mit dem Bezugszeichen 32 gezeigt. Der mehrschichtige Stapel 32 ist ähnlich dem in 20 gezeigten mehrschichtigen Stapel 30, doch ist zwischen der Halbleiterschicht 310 und der dielektrischen Schicht 320 eine optionale Teil-Absorberschicht 315 vorhanden. Die Teil-Absorberschicht weist eine Dicke zwischen 2-30 nm auf und kann aus einem Teil-Absorbermaterial, wie Cr, Cu, Au, Sn, Legierungen hieraus und dergleichen hergestellt sein.
Ein Reflexionsspektrum eines derartigen siebenschichtigen Stapels mit einer Kernschicht 300, einem Paar von amorphen Si-Halbleiterschichten 310, einem Paar von Cr-Teil-Absorberschichten 315 und einem Paar von dielektrischen Si₃N₄-Schichten 320 ist in 23 gezeigt. Wie in der Figur gezeigt, reflektiert der mehrschichtige Stapel mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen 640 nm und absorbiert mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen von im Allgemeinen kleiner als 550 nm. Ferner, obgleich dies nicht aus der Figur hervorgeht, ist das Reflexionsspektrum für einen Betrachtungswinkel von 0°, d.h. senkrecht zu der Oberfläche, gezeigt, und bei einer Betrachtung bei 45° verschiebt sich der Peak des Reflexionsbandes um weniger als 45 nm.
Eine elfschichtige Gestaltung gemäß einer anderen Ausführungsform ist in 24 mit dem Bezugszeichen 34 gezeigt. Insbesondere ist die elfschichtige Gestaltung ähnlich der in 22 gezeigten siebenschichtigen Gestaltung 32, mit der Ausnahme der Hinzufügung eines zweiten Paars von Halbleiterschichten 330, die sich über den ersten dielektrischen Schichten 320 erstrecken, und eines zweiten Paars von dielektrischen Schichten 340, die sich über dem zweiten Paar von Halbleiterschichten 330 erstrecken. Es versteht sich, dass die elfschichtige Gestaltung 34 die optionale Teil-Absorberschicht 315 beinhaltet; dies ist jedoch nicht erforderlich.
Ein Reflexionsspektrum eines derartigen elfschichtigen Stapels mit einer Kernschicht 300, einem Paar von ersten amorphen Si-Halbleiterschichten 310, einem Paar von Cr-Teil-Absorberschichten 315, einem Paar von ersten dielektrischen Si₃N₄-Schichten 320, einem Paar von zweiten Si-Halbleiterschichten 330 und einem Paar von zweiten dielektrischen Si3N4-Halbleiterschichten 320 ist in 25 gezeigt. Wie in der Figur gezeigt, reflektiert der mehrschichtige Stapel mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen größer als 550 nm und absorbiert mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen von im Allgemeinen kleiner als 550 nm. Ferner, obgleich dies nicht aus der Figur hervorgeht, ist das Reflexionsspektrum für einen Betrachtungswinkel von 0°, d.h. senkrecht zu der Oberfläche, gezeigt, und bei einer Betrachtung bei 45° verschiebt sich der Peak des Reflexionsbandes um weniger als 45 nm.
26 zeigt ein Reflexionsspektrum für einen dreizehnschichtigen Stapel mit einer Kernschicht 300, einem Paar von ersten amorphen Si-Halbleiterschichten 310, einem Paar von ersten dielektrischen Si₃N₄-Schichten 320, einem Paar von zweiten Si-Halbleiterschichten 330, einem Paar von zweiten dielektrischen Si₃N₄-Schichten 340 sowie einem Paar von dritten Si-Halbleiterschichten, die sich über äußeren Oberflächen des Paars von zweiten dielektrischen Si₃N₄-Schichten 340 erstrecken, und einem Paar von dritten dielektrischen Si₃N₄-Schichten, die sich über äußeren Oberflächen des Paars von dritten Si-Halbleiterschichten erstrecken. Wie in der Figur gezeigt, reflektiert der mehrschichtige Stapel mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen größer als 550 nm und absorbiert mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen von im Allgemeinen kleiner als 550 nm. Ferner, obgleich dies nicht aus der Figur hervorgeht, ist das Reflexionsspektrum für einen Betrachtungswinkel von 0°, d.h. senkrecht zu der Oberfläche, gezeigt, und bei einer Betrachtung bei 45° verschiebt sich der Peak des Reflexionsbandes um weniger als 45 nm.
27 zeigt ein Reflexionsspektrum für eine neunschichtige Gestaltung mit einer Kernschicht 300, einem Paar von ersten amorphen Si-Halbleiterschichten 310, einem Paar von ersten dielektrischen Si₃N₄-Schichten 320, einem Paar von zweiten Si-Halbleiterschichten 330 und einem Paar von zweiten dielektrischen Si₃N₄-Schichten 340. Wie in der Figur gezeigt, nutzt der mehrschichtige Stapel den nicht-sichtbaren IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums, reflektiert mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen größer als 550 nm und absorbiert mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen von im Allgemeinen kleiner als 550 nm. Ferner, obgleich dies nicht aus der Figur hervorgeht, ist das Reflexionsspektrum für einen Betrachtungswinkel von 0°, d.h. senkrecht zu der Oberfläche, gezeigt, und bei einer Betrachtung bei 45° verschiebt sich der Peak des Reflexionsbandes um weniger als 45 nm.
28 zeigt ein Reflexionsspektrum für eine siebenschichtige Gestaltung mit einer Kernschicht, einem Paar von ersten dielektrischen Si₃N₄-Schichten, die sich über der Kernschicht erstrecken, einem Paar von ersten Si-Halbleiterschichten, die sich über äußeren Oberflächen des Paars von ersten dielektrischen Si₃N₄-Schichten erstrecken, einem Paar von zweiten dielektrischen Si₃N₄-Schichten, die sich über äußeren Oberflächen der ersten Si-Halbleiterschichten erstrecken, einem Paar von zweiten Si-Halbleiterschichten, die sich über äußeren Oberflächen der zweiten dielektrischen Si₃N₄-Schichten erstrecken, und einem Paar von dritten dielektrischen Si₃N₄-Schichten, die sich über äußeren Oberflächen der zweiten Si-Halbleiterschichten erstrecken. Wie in der Figur gezeigt, nutzt der mehrschichtige Stapel den nicht-sichtbaren IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums, reflektiert mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen größer als 550 nm und absorbiert mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen von im Allgemeinen kleiner als 550 nm. Ferner, obgleich dies nicht aus der Figur hervorgeht, ist das Reflexionsspektrum für einen Betrachtungswinkel von 0°, d.h. senkrecht zu der Oberfläche, gezeigt, und bei einer Betrachtung bei 45° verschiebt sich der Peak des Reflexionsbandes um weniger als 45 nm.
29 zeigt ein Reflexionsspektrum für eine neunschichtige Gestaltung mit einer Cr-Absorber-/Reflektorschicht 300, einem Paar von ersten amorphen Si-Halbleiterschichten 310, einem Paar von ersten dielektrischen TiO₂-Schichten 320, einem Paar von zweiten amorphen Si-Halbleiterschichten 330 und einem Paar von zweiten dielektrischen TiO2-Schichten 340. Obgleich der mehrschichtige Stapel nicht mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen größer als 550 nm reflektiert, verdeutlicht die Gestaltung, dass der nicht-sichtbare IR-Bereich genutzt wird und mehr als 70% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen von im Allgemeinen kleiner als 550 nm absorbiert wird. Ferner veranschaulicht die Figur, wie die erfinderischen Ausführungsformen eine Verschiebung der UV-seitigen Grenze, gemessen bei der sichtbaren FWHM, von weniger als 40 nm, z.B. weniger als 30 nm, aufweisen können.
Verfahren zur Herstellung der hier offenbarten mehrschichtigen Stapel können irgendein Verfahren oder Prozess sein, 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 hier offenbarten mehrschichtigen Stapel können für fast jede Farbanwendung verwendet werden, wie Pigmente für Farben, dünne Filme bzw. Schichten, welche auf Oberflächen aufgebracht werden, und dergleichen. Beispielsweise werden Pigmente durch Abscheiden mehrerer gewünschter Schichten auf einer Materialbahn mit einer Opferschicht hergestellt. Sobald die Opferschicht entfernt ist, wird die abgehobene Beschichtung zu eigenständigen Flocken bzw. Plättchen mit einer maximalen Oberflächenabmessung von 20 µm und einer Dicke zwischen 0,3-1,5 µm vermahlen. Die Flocken werden dann mit Polymermaterialien, wie Bindemitteln, Additiven und einem Basislackharz, vermischt, um eine omnidirektionale strukturelle Farbe bzw. einen omnidirektionalen strukturellen farbigen Lack bereitzustellen.
Die obigen Beispiele und Ausführungsformen dienen lediglich Veranschaulichungszwecken, 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, der eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt, aufweisend: eine Kernschicht; eine Halbleiterschicht, die sich über der Kernschicht erstreckt, wobei die Halbleiterschicht mehr als 70% von einfallendem weißem Licht mit Wellenlängen kleiner als 550 nm absorbiert; und eine dielektrische Schicht, die sich über der Halbleiterschicht erstreckt, wobei die dielektrische Schicht und die Kernschicht mehr als 70% des einfallenden weißen Lichts mit Wellenlängen größer als 550 nm reflektieren; wobei die Kernschicht, die Halbleiterschicht und die dielektrische Schicht einen omnidirektionalen Reflektor bilden, wobei der omnidirektionale Reflektor ein enges Band von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung mit einer Mittelwellenlänge zwischen 550 bis 700 nm, einer Breite von weniger als 200 nm breit und einer Farbverschiebung von weniger als 100 nm reflektiert und eine rote omnidirektionale strukturelle Farbe zeigt, wenn der omnidirektionale Reflektor aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird.
Mehrschichtiger Stapel nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht eine Dicke zwischen 5 bis 400 nm besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Halbleiterschicht aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si, amorphem Si, Ge, oder einer anderen Halbleiterschicht mit einer elektronischen Bandlücke im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Wellenspektrums und Kombinationen hieraus.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dielektrische Schicht eine Dicke zwischen 0,1 QW bis 4,0 QW besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die dielektrische Schicht aus einem dielektrischen Material hergestellt ist, das einen Brechungsindex größer als 1,6 besitzt und aus der Gruppe bestehend aus ZnS, TiO2, Si₂N₄, HfO2, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Fe₂O₃, Cu₂O und Kombinationen hieraus ausgewählt ist.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend eine Teil-Absorberschicht, die sich zwischen der Halbleiterschicht und der dielektrischen Schicht erstreckt.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Teil-Absorberschicht eine Dicke zwischen 2 bis 30 nm besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Teil-Absorberschicht aus einem Teil-Absorbermaterial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Cu, Au, Sn und Legierungen hiervon, hergestellt ist.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend eine zweite Halbleiterschicht zusätzlich zu der vorstehend erwähnten Halbleiterschicht, wobei sich die zweite Halbleiterschicht über der dielektrischen Schicht erstreckt und über die dielektrische Schicht gegenüberliegend zu der Halbleiterschicht angeordnet ist; wobei die Kernschicht, die Halbleiterschicht, die dielektrische Schicht und die zweite Halbleiterschicht den omnidirektionalen Reflektor bilden.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Halbleiterschicht eine Dicke zwischen 5 bis 400 nm besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Halbleiterschicht aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si, amorphem Si, Ge, oder einer anderen Halbleiterschicht mit einer elektronischen Bandlücke im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Wellenspektrums und Kombinationen hieraus.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner aufweisend eine Teil-Absorberschicht, die sich zwischen der zweiten Halbleiterschicht und der dielektrischen Schicht erstreckt.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Teil-Absorberschicht eine Dicke zwischen 2 bis 30 nm besitzt.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Teil-Absorberschicht aus einem Teil-Absorbermaterial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Cu, Au, Sn und Legierungen hiervon, hergestellt ist.
Mehrschichtiger Stapel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner aufweisend eine zweite dielektrische Schicht zusätzlich zu der vorstehend erwähnten dielektrischen Schicht, wobei sich die zweite dielektrische Schicht über der zweiten Halbleiterschicht erstreckt und über die zweite Halbleiterschicht gegenüberliegend zu der dielektrischen Schicht angeordnet ist; wobei die Kernschicht, die Halbleiterschicht, die dielektrische Schicht, die zweite Halbleiterschicht und die zweite dielektrische Schicht den omnidirektionalen Reflektor bilden.