DE19634576C1

DE19634576C1 - Vorsatzfilter für selbstleuchtende Bildschirme

Info

Publication number: DE19634576C1
Application number: DE19634576A
Authority: DE
Inventors: Andreas Pein
Original assignee: Deutsche Spezialglas AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2016-08-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorsatzfilter für selbstleuchtende Bildschirme, z. B. von Kathodenstrahlröhren, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Vorsatzfilter für selbstleuchtende Bildschirme besitzen eine verringerte Lichttrans mission, wodurch eine Kontrastanhebung bei äußerer Lichteinwirkung erreicht wird. Denn das von außen kommende Licht kann erst nach zweimaligem Filterdurchgang als Streulicht vom Bildschirm kommend das Auge des Betrachters erreichen. Dage gen wird das vom Bildschirm selbst emittierte Nutzlicht beim Filterdurchgang nur einmalig geschwächt.

Zur Vermeidung störender Lichtreflexionen an der Oberfläche des Filters ist eine möglichst wirksame Entspiegelung eines derartigen Filters wünschenswert.

Es sind beidseitig interferenzoptisch entspiegelte Vorsatzfilter bekannt. Die Be schichtung ist praktisch absorptionsfrei, so daß zur Verringerung der Lichttransmis sion als Träger für die Entspiegelungsschichten Graugläser eingesetzt werden müs sen, die jedoch höhere Rohmaterial kosten verursachen als klare Floatgläser.

Es ist ferner seit langem bekannt, daß man durch eine auf das Glas aufgebrachte sehr dünne Metallschicht, z. B. Chrom, Chrom-Nickel-Legierungen oder Molybdän, die Transmission durch das Glas um bis zu 30% senken kann, was gleichermaßen einer Kontrastanhebung entspricht. Zusätzlich haben diese Metallschichten den Vorteil, daß sie, von der Glasseite her betrachtet, noch einen Beitrag zur Refle xionsminderung liefern (Hugo Anders, Dünne Schichten für die Optik, Wissenschaft liche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart, 1965, S. 25-26). Ein weiterer Vorteil einer solchen Metallschicht besteht in ihrer elektrischen Leitfähigkeit. Eine leitende Be schichtung eines Vorsatzfilters ist erwünscht, weil man diese Schicht erden kann und dadurch das Anziehen von Staub verhindert wird. Eine Reinigung der dem Bild schirm zugewandten Seite zur Staubentfernung ist nämlich schwierig, da das Vor satzfilter fest am Bildschirm angebracht ist. Weiterhin schützt eine derartige elek trisch leitfähige Beschichtung das Bedienpersonal vor hochfrequenten elektroma gnetischen Abstrahlungen der Bildröhre.

Aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 018 667 A1 ist eine kleinformatige Bildröhre für Oszillographen mit auf der Innenseite des Bildschirms eingebranntem Koordinatennetz bekannt, bei dem zwischen dem Glas des Bildschirms (mit einge branntem Koordinatennetz) und der Phosphorschicht wenigstens ein Absorptionspa ket, bestehend aus einer ersten, d. h. auf dem Glas befindlichen, metallischen Schicht und einer zweiten, dielektrischen angeordnet ist. Auf der Vorderseite des Schirms kann noch eine reflexionsvermindernde Beschichtung angeordnet sein. Es handelt sich hierbei nicht um ein Vorsatzfilter, und die interferenzoptische Wirkung ist bei einer solchen Anordnung eine andere.

Als Vorsatzscheiben sind auch kombinierte Anordnungen aus vom Betrachter aus gesehen vorderseitigen, dielektrischen Entspiegelungsschichten und einer rückseitig direkt auf der Glasoberfläche aufgetragenen Metallschicht, vorzugsweise einer Cr-Schicht (DE 36 29 996 A1) bekannt. Eine solche Anordnung stellt zwar gegenüber den ausschließlich entspiegelten Vorsatzfiltern einen erheblichen Fortschritt dar, ist aber noch verbesserungsbedürftig. So liegt die erreichbare Transmissionsminderung nur bei ca. 30% gegenüber dem unbeschichteten Glas. Eine größere Transmissi onsminderung ist zwar wünschenswert, kann aber nicht ohne Qualitätsverlust er reicht werden, weil bei einer Anhebung der Schichtdicke der Metallschicht zuneh mend die reflektierenden Eigenschaften der Metallschicht zum Tragen kommen, was eine derartige Vorsatzscheibe für den geplanten Einsatzzweck unbrauchbar macht.

Weiterhin sind auch Anordnungen von dielektrischen Schichten zusammen mit lichtabsorbierenden, elektrisch leitfähigen Schichten auf der Vorderseite einer Glas scheibe bekannt. Diese Anordnungen müssen jedoch durchweg mit den eher auf wendigen Vakuumverfahren aufgetragen werden. Außerdem reichen in diesem Falle insgesamt drei Schichten auf der Vorderseite meist nicht aus um eine gute Entspie gelungswirkung zu erzielen, dazu sind dann fünf oder mehr Schichten erforderlich. Die Rückseite muß oft noch zusätzlich mit der bekannten, dünnen, lichtabsorbieren den Schicht, z. B. Chrom versehen werden, um auch sie zu entspiegeln. Dadurch ist wiederum ein sehr hoher Beschichtungsaufwand gegeben.

Elektrisch leitfähige Schichten auf der Vorderseite können bei mangelhafter Erdung auch zusätzliche Probleme bereiten, da dann die gesammelte elektrostatische La dung bei Berührung schlagartig abgegeben wird, was eine Gefahr für die Bedien person darstellt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bildschirmvorsatzfilter für selbstleuchtende Bildschirme mit einer transmissionsvermindernden Metallschicht zu finden, das ne ben einer ausgezeichneten Verminderung störender Reflexe eine Verringerung der Transmission um über 30% und damit eine ausgezeichnete Kontrastanhebung be sitzt und das darüber hinaus einfach herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Bildschirmvorsatzfilter gemäß dem Hauptanspruch gelöst.

Das erfindungsgemäße Vorsatzfilter für selbstleuchtende Bildschirme stellt eine beidseitig beschichtete Glasscheibe dar, die, vom Betrachter aus gesehen, vorder seitig eine dielektrische Antireflexbeschichtung, die aus einem konventionellen Schichtenpaket besteht, und rückseitig eine Absorptionsbeschichtung auf Metallba sis mit elektrischer Leitfähigkeit aufweist. Dieses vorderseitige Schichtenpaket be steht aus, von der Glasseite aus gesehen, wenigstens einer mittelbrechenden, einer hochbrechenden und einer äußeren niedrigbrechenden Schicht. Auf der dem Bild schirm zugewandten Seite des Filters, also vom Betrachter aus gesehen auf der Rückseite, befindet sich auf der Glasscheibe, also noch vor der Absorptionsschicht auf Metallbasis, ein weiteres dielektrisches Schichtenpaket, da sich vom vorderseiti gen nur durch das Fehlen der äußeren niedrigbrechenden Schicht unterscheidet.

Für eine gute Entspiegelungswirkung ist es bei der vorliegenden Erfindung schon durchaus ausreichend, wenn die vorderseitige dielektrische Antireflexbeschichtung aus drei Schichten besteht. Solche Antireflexschichtenpakete aus 3 Schichten sind bekannt. Ihre Brechungsindices stehen in folgender Relation zueinander:

n_Mitte < n_innen < n_außen

Wie dem Fachmann bekannt ist, sollten folgende Bedingungen ungefähr erfüllt sein:

n_Mitte < 2,0
n_außen ≈ n_Mitte ^½
n_innen ≲ (n_Mitte · n_Glas)^½

Auch sind dem Fachmann die Anforderungen an die (optische) Dicke hinsichtlich der Wellenlänge bekannt.

Die Antireflexbeschichtung kann auch aus mehr als drei Schichten bestehen.

Dadurch, daß die sich zwischen Glasscheibe und rückseitiger Absorptionsbeschich tung befindenden dielektrischen Interferenzschichten in Material, Brechungsindex, Schichtdicke und Reihenfolge identisch sind mit der vorderseitigen Antireflexbe schichtung, abgesehen von deren äußeren niedrigbrechenden Abschlußschicht, können das innere und das äußere Schichtenpaket zumindest teilweise gleichzeitig, insbesondere durch Tauchen hergestellt werden, was kostengünstiger ist als Vaku umbeschichtungsverfahren für einseitige Beschichtungen wie z. B. Kathodenzerstäu bung.

Die Brechungsindices n und die Dicken der Schichten d der Antireflexbeschichtung sollten in den folgenden Bereichen liegen:

Für die erste, d. h. die innere, mittelbrechende Schicht:
n = 1,65-1,85; d = 50-80 nm;
für die zweite, die hochbrechende Schicht:
n = 2,0-2,2; d = 90-125 nm
im Falle der vorderseitigen Beschichtung für die dritte Schicht
n = 1,39-1,45; d = 80-105 nm

Diese dielektrischen Schichten bestehen aus einem oder mehreren der Oxide des Silicium, Aluminium, Titan, Zirconium, Zinn, Cer oder Tantal. Bevorzugt ist die Ver wendung von Silicium und Titan.

Im Tauchverfahren nach dem wohlbekannten Sol-Gel-Prozeß werden alkoholische Lösungen von organischen Verbindungen, z. B. Alkoxiden, hydrolysierten Alkoxiden oder Chlorid-Alkoxiden dieser Elemente eingesetzt. Die Oxid-Schicht wird anschlie ßend durch Aushärten bei Temperaturen von 400 bis 520°C erzeugt.

Wenn auf diese Weise alle drei Schichten beidseitig aufgebracht werden, kann nun im Verlauf eines ohnehin notwendigen Waschprozesses auf einer Seite die äußere niedrigbrechende Antireflex-Schicht, die beim Sol-Gel-Prozeß aus SiO₂ besteht, abgelöst, z. B. mit einer sehr verdünnten flußsäurehaltigen Lösung abgeätzt werden. Ein solches Ablösen oder Abätzen nur einer der Schichten der Antireflexbeschich tung ist möglich, weil die äußere aus SiO₂ bestehende Schicht einem Flußsäurean griff im Gegensatz zur tieferliegenden hochbrechenden zumeist aus TiO₂, seltener aus ZrO₂, SnO₂, CeO₂ oder Ta₂O₅ bestehenden Schicht praktisch keinen Wider stand entgegensetzt.

Abschließend wird einseitig, und zwar auf der Seite, auf der die äußere niedrigbre chende Abschlußschicht entfernt wurde, die Absorptionsschicht aufgebracht. Dazu können Vakuumverfahren, z. B. Kathodenzerstäubungsverfahren, verwendet wer den.

Die einschichtige Absorptionsbeschichtung kann beispielsweise aus Chrom oder auch aus Ni oder Mo oder aus Legierungen dieser Metalle bestehen.

Es ist ferner auch möglich, vor dem Aufbringen der dritten (letzten) Entspiegelungs schicht eine Seite der Scheibe abzudecken, so daß die dritte Schicht nur auf einer Seite erzeugt wird.

Es ist jedoch auch möglich, nur den inneren Teil der Schichtpakete durch Tauchen zu erzeugen und die beiden äußeren Schichten separat aufzubringen.

Es hat sich überraschenderweise als günstig erwiesen, die Metallschicht derart zu dotieren, daß Sauerstoff und/oder auch Stickstoff homogen eingebaut wird. Im Falle des Sauerstoffeinbaus entstehen Suboxide MeO_x. Besonders günstig ist ein Sauer stoffanteil, der einer Zusammensetzung MeO_x mit x = 0,1-0,4 entspricht.

Eine solche Dotierung kann leicht dadurch realisiert werden, daß während der Va kuumbeschichtung eine geringe Menge von Sauerstoff sowie gegebenenfalls von Stickstoff, der jedoch weniger reaktiv ist, im einfachsten Fall von gereinigter Luft, in die Beschichtungskammer zudosiert wird. Durch diese Störung der metallischen Struktur durch Dotierung ergibt sich überraschenderweise ein flacheres Spektrum der rückseitigen Restreflexion als bei der Beschichtung mit einer reinen Metall schicht.

Die Dicke der Absorptionsschicht wird so gewählt, daß durch das Zusammenwirken mit den rückseitigen dielektrischen Schichten eine optimale Entspiegelung der Rückseite eintrifft. Es ergibt sich so von der Glasseite her betrachtet ein Gesamtre flexionsminimum.

Die erfindungsgemäße vorderseitige und rückseitige Schichtenfolge führt zu einem Bildschirm-Vorsatzfilter, das eine Gesamt-Restreflexion zwischen 0,3 und 0,6% besitzt.

Beim erfindungsgemäßen Vorsatzfilter kann durch die geeignete Wahl der Dicke der Absorptionsschicht die Gesamttransmission, also der Lichttransmissionsgrad, um bis zu etwa 50% abgesenkt werden. Die gewünschte hohe Transmissionsverminderung wird also schon bei Verwendung einer farblosen klaren Glasscheibe realisiert.

Bei Verwendung von grauem Glas, beispielsweise mit einer ursprünglichen Ge samttransmission von ca. 62%, wird die Gesamttransmission entsprechend auf 30 bis 35% herabgesetzt.

Meist wird Floatglas verwendet.

Besteht die Absorptionsschicht aus Chrom oder Chromsuboxid, so beträgt ihre Dicke zur Erzielung der genannten Eigenschaften zwischen 5 und 15 nm.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung und des Ausführungsbei spiels näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Vorsatzfilter,

Fig. 2 die graphische Darstellung der spektralen Restreflexion eines erfindungs gemäßen Vorsatzfilters.

Fig. 1 zeigt eine Glasscheibe 1, auf deren Vorderseite vom Betrachter aus gese hen sich eine dielektrische Antireflexbeschichtung, bestehend aus drei Einzel schichten 3a-3c, befindet. Davon hat die äußerste Schicht 3c den niedrigsten Bre chungsindex (n_(c)), die mittlere Schicht 3b einen hohen Brechungsindex (n_(b)) und die innere, direkt auf dem Glas aufliegende Schicht 3a einen mittleren Brechungsindex (n_(a))

Es gilt also: n_(b) < n_(a) < n_(c).

Auf der Rückseite der Glasscheibe 1 befindet sich ein identisches Schichtsystem abzüglich der äußeren, niedrigbrechenden Abschlußschicht 3c, bestehend also aus den zwei dielektrischen Schichten 3a und 3b. Darauf folgend ist die Absorptionsbe schichtung 2 aufgebracht.

In Fig. 2 ist der Reflexionsgrad eines erfindungsgemäßen Vorsatzfilters gemäß dem unten folgenden Ausführungsbeispiel gegen die Wellenlänge aufgetragen. Der Bereich zwischen 425 und 700 nm ist markiert.

Eine mögliche Zusammensetzung der Schichten sowie eine Herstellungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Vorsatzfilters beschreibt das Ausführungsbeispiel:

Die Oberfläche einer klaren, 3 mm dicken Floatglasscheibe aus Kalk-Natron-Glas wurde in einem herkömmlichen Tauchverfahren beidseitig dreifach dielektrisch be schichtet. Verwendet wurden dazu die folgenden Substanzen: Si(OCH₃)₄ und TiCl₂(OC₂H₅)₂, gelöst in Ethanol.

Die jeweiligen Lösungskonzentrationen betrugen für die erste Beschichtung 8,1 g/l SiO₂ und 8,6 g/l TiO₂,für die zweite 29,3 g/l TiO₂ und 5,5 g/l SiO₂ und für die dritte 27,5 g/l SiO₂.

Die Scheibe wurde in die jeweilige Lösung getaucht und anschließend mit einer Ziehgeschwindigkeit von 450 mm/min bzw. 330 mm/min bzw. 270 mm/min langsam und gleichmäßig wieder herausgezogen. Die Aushärtung der Schichten erfolgte ab schließend gemeinsam.

So wurden folgende Schichten aufgebracht: Die erste, direkt auf dem Glas auflie gende Schicht 3a bestand aus einem Gemisch von SiO₂ und TiO₂ mit 51,5 Gew.-% TiO₂ und besaß einen Brechungsindex n_(a) von 1,75 und eine Schichtdicke von 60 nm. Die zweite Schicht 3b bestand zu 84 Gew.-% aus TiO₂, wies einen Brechungs index n_(b) von 2,06 auf und hatte eine Dicke von 98 nm. Die darauffolgende dritte Schicht 3c bestand aus SiO₂ und besaß einen Brechungsindex n_(c) von 1,45 und ei ne Dicke von 87 nm.

Von einer der beiden Glasscheibenseiten wurde diese äußere Schicht, die SiO₂-Schicht mit einer Ätzlösung aus Wasser, 1% HF und 5% H₂SO₄, die ca. 60 s bei 20°C einwirkte, abgelöst. Danach wurde die Glasscheibe in einen normalen Wasch prozeß mit basischen Waschlösungen eingeschleust, gespült und getrocknet.

In einer Kathodenzerstäubungsanlage wurde die nur noch zwei dielektrische Schichten aufweisende Seite der Scheibe mit Chrom beschichtet. Durch Zugabe von gereinigter Luft zur Restgasatmosphäre während dieser Vakuumbeschichtung wurde eine Schicht erzeugt, die, in die Metallschicht eingebaut, 1/6 an Teilen Sauerstoff enthielt, die also aus Chromsuboxid CrO_x mit x = 0,2 bestand. Die Dicke dieser Schicht betrug 8 nm und war damit so bemessen, daß sich, von der Glasseite her betrachtet, ein Gesamtreflexionsminimum ergab. Das so hergestellte erfindungsge mäße Vorsatzfilter besitzt eine Gesamt-Restreflexion von 0,4%, eine Lichttransmis sion von 48% und einen Flächenwiderstand von 500 Ω/.

Das erfindungsgemäße beidseitig beschichtete Vorsatzfilter für selbstleuchtende Bildschirme mit zusätzlichen dielektrischen Interferenzschichten zwischen Glas scheibenrückseite und Absorptionsbeschichtung weist, verglichen mit einem Vor satzfilter, dessen Absorptionsbeschichtung direkt auf der Glasrückseite aufgebracht ist, folgende Vorteile auf:
Durch das interferenzoptische Zusammenwirken der Absorptionsbeschichtung mit den dielektrischen Schichten tritt eine optimale Entspiegelung der Rückseite nun bei deutlich größerer Schichtdicke der Absorptionsbeschichtung ein. Dadurch wird die Lichttransmission stärker abgesenkt, so daß auch schon bei Verwendung von kla rem Floatglas eine gute kontrastanhebende Filterwirkung erzielt wird.

Während bei der Anordnung von Chrom direkt auf der Rückseite einer klaren Float glasscheibe die Lichttransmission nur um etwa 33% abgesenkt wird, sind es bei dem erfindungsgemäßen Vorsatzfilter etwa 50%.

Durch die dickere metallische Absorptionsbeschichtung wird auch eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit erreicht. Dies entspricht gleichermaßen einer wün schenswerten Absenkung des Flächenwiderstandes.

Während bei der Anordnung von Chrom direkt auf der Rückseite einer klaren Float glasscheibe der Flächenwiderstand etwa 1 kΩ/ beträgt, sind es bei dem erfindungs gemäßen Vorsatzfilter etwa 0,5 kΩ/.

Auch bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Vorsatzfilters ergeben sich Vortei le: Dadurch daß die Schichtenpakete auf Vorder- und Rückseite der Glasscheibe teilweise identisch sind, können zumindest die identischen Schichten in einem ver gleichsweise kostengünstigen Tauchverfahren durch beidseitige Beschichtung auf gebracht werden.

Claims

1. Beidseitig beschichtetes Vorsatzfilter für selbstleuchtende Bildschirme, beste hend aus einer Glasscheibe mit vom Betrachter aus gesehen einer vorderseiti gen dielektrischen Antireflexbeschichtung, die aus einem konventionellen Schichtenpaket aus von der Glasseite aus gesehen wenigstens einer mittelbre chenden, einer hochbrechenden und einer äußeren niedrigbrechenden Schicht besteht, und einer rückseitigen Absorptionsbeschichtung auf Metallbasis mit elektrischer Leitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der dem Bildschirm zugewandten Seite des Filters ein Schichten paket befindet, das sich von den auf der Vorderseite aufgebrachten Schichten lediglich dadurch unterscheidet, daß die äußere Schicht durch die Absorpti onsbeschichtung auf Metallbasis ersetzt ist.

2. Vorsatzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die direkt auf dem Glas aufliegenden Schichten (3a) einen Brechungsin dex n_(a) zwischen 1,65 und 1,85 sowie eine Schichtdicke zwischen 50 und 80 nm und die jeweiligen zweiten Schichten (3b) einen Brechungsindex n_(b) zwi schen 2,0 und 2,2 sowie eine Schichtdicke zwischen 90 und 125 nm aufweisen.

3. Vorsatzfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten aus einem oder mehreren der Oxide des Sili cium, Aluminium, Titan, Zirconium, Zinn, Cer oder Tantal bestehen.

4. Vorsatzfilter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einschichtige Absorptionsbeschichtung aus Cr und/oder Ni und/oder Mo besteht.

5. Vorsatzfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsschicht aus Suboxiden der Metalle MeO_x mit x = 0,1-0,4 besteht.

6. Vorsatzfilter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsschicht eine Dicke aufweist, die die Gesamttransmission um etwa 50% absenkt.

7. Vorsatzfilter nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Absorptionsschicht bei der Verwendung von Chrom oder Chromsuboxid CrO_x zwischen 5 und 15 nm beträgt.