DE29812559U1 - Verbundmaterial für Reflektoren - Google Patents

Verbundmaterial für Reflektoren

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Description

8734/VIII
ALANOD Aluminium-Veredlung GmbH & Co,
Egerstraße 12, D-58256 Ennepetal
Verbundmaterial für Reflektoren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, insbesondere für Reflektoren, mit einem aus Aluminium bestehenden Träger, mit einer auf dem Träger befindlichen Zwischenschicht und mit einem auf die Zwischenschicht aufgebrachten optisch wirksamen Mehrschichtsystem, welches aus drei Schichten besteht, wobei die beiden oberen Schichten dielektrische Schichten sind und die unterste Schicht eine auf die Zwischenschicht aufgetragene metallische Schicht ist.
Ein derartiges Verbundmaterial hat als oberflächenveredeltes Aluminiumband unter dem Namen MIRO® weite Verbreitung für die Beleuchtungstechnik, Tageslichtsysteme und dekorative Anwendungen gefunden. Die Oberflächenbehandlung dient dabei dazu, die empfindliche Aluminumoberflache besser zu schützen und den Lichtreflexionsgrad zu erhöhen. Der Veredlungsvorgang besteht aus zwei unterschiedlichen Prozessen, die beide kontinuierlich betrieben werden können, und zwar aus der Erzeugung der Zwischenschicht in einem naßchemischen Prozeß, der zusammenfassend als Eloxieren bezeichnet wird und ein elektrolytisches Glänzen sowie eine anodische Oxydation umfaßt, und aus der Aufbringung des optisch wirksamen Mehrschichtsystems im Vakuum. Zu Einzel-
heiten des bekannten MIRO®-Verfahrens wird in vollem Umfang auf "elektrowärme international" 53 (1995) B 4 - November, S. B 215-B 223 Bezug genommen.
Zur Charakterisierung der Reflexionseigenschaften eines derartigen Verbundmaterials kann man den spektralen Grad der Gesamtreflexion und den der diffusen Reflexion (DIN 5036) messen. Der Grad der Gesamtreflexion erreicht bei dem Material der eingangs beschriebenen Art (MIRO®) vorteilhafterweise Spitzenwerte von bis zu 95 Prozent und liegt damit bedeutend höher als bei einem Material ohne das optisch wirksame Mehrschichtsystem. Beispielsweise erreicht der Grad der Gesamtreflexion bei einer ausschließlich eloxierten Oberfläche nur Werte bis zu 87 Prozent. Allerdings zeigen genauere Vergleichsuntersuchungen, daß die Abriebfestigkeit einer Eloxal-Oberfläche geringfügig höher liegt als die der Oberfläche des optisch wirksamen Mehrschichtsystems.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verbundmaterial, insbesondere für Reflektoren, der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem in wenig aufwendiger und damit kostensparender Weise je nach Bedarf ein hoher Gesamtreflexionsgrad erreicht werden kann und das an seiner Oberfläche eine verbesserte mechanische und chemische Beständigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf dem optischen Mehrschichtsystem eine nichtmetallische, aus einem absorptionsarmen Material bestehende, mechanische Schutzschicht aufgebracht ist, die eine optische Dicke aufweist, die kleiner ist als ein Zehntel der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnet!-
sehen Strahlung. Entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die optische Dicke der Schutzschicht auch etwa ein ganzzahliges Vielfaches der halben Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung betragen.
Die erfindungsgemäße Beschichtung des Trägermaterials ist in ihrer Gesamtheit wischfest und widersteht den Beanspruchungen der Weiterverarbeiter im Leuchtenbau, insbesondere auch bei den vorzunehmenden Formgebungsprozessen, ohne Probleme .
Nach dem bekannten Wissensstand in der optischen Physik verschlechtert jede weitere Schicht, die auf ein optisches Mehrschichtsystem aufgetragen wird, das z.B. aus einer metallischen Reflexionsschicht und zwei darüberllegenden reflektionserhöhenden Interferenzschichten besteht, die optischen Kennwerte des Schichtsystems beträchtlich. Überraschenderweise gelingt es jedoch erfindungsgemäß - im Gegensatz zu diesem allgemein anerkannten Wissensstand - nicht nur die Werte für die mechanische Belastbarkeit (DIN 58165 T5) entscheidend zu steigern, sondern auch den Gesamtreflexionsgrad gegenüber dem bekannten MIRO®-Material noch um circa einen Prozentpunkt zu erhöhen. Dabei kann durch den Bezug auf die Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden bzw. der einfallenden elektromagnetischen Strahlung eine genaue Anpassung an den Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verbundmaterials erfolgen.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung enthalten. Anhand eines durch die beiliegende Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels wird die
Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei eine prinzipielle Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial .
Die beschriebene Ausführung betrifft ein Reflektormaterial für sichtbares Licht, bei dem insbesondere ein nach DIN 503 6 bestimmter Licht-Gesamtreflexionsgrad mindestens 95 % beträgt.
Das erfindungsgemäße, insbesondere zur Herstellung von Reflektoren geeignete, Verbundmaterial besteht beispielsweise aus einem, insbesondere verformungsfähigen, bandförmigen Träger 1 aus Aluminium, einer auf den Träger 1 aufgetragenen, vorzugsweise aus einem porösen Oxid bestehenden, Zwischenschicht 2 und einem auf die Zwischenschicht 2 aufgebrachten optischen Mehrschichtsystem 3. Auf dem optischen Mehrschichtsystem 3 ist eine nichtmetallische mechanische Schutzschicht 4 aus einem absorptionsarmen Material aufgebracht, die eine optische Dicke D4 aufweist, die kleiner ist als ein Zehntel der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung.
Vorzugsweise kann die optische Dicke D4 dieser Schicht auch kleiner als ein Zwanzigstel der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung sein.
Alternativ kann auf dem optischen Mehrschichtsystem 3 eine nichtmetallische, aus einem absorptionsarmen Material bestehende, mechanische Schutzschicht 4 aufgebracht sein, die eine optische Dicke D4 aufweist, die etwa einem ganzzahligen Vielfachen der halben Mittenwellenlänge des Spektral-
bereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Die auf das optische Mehrschichtsystem aufgetragene Schutzschicht 4 besteht mit Vorteil aus einem oxidischem dielektrischen Material, insbesondere aus niedrigbrechendem SiO2 (Brechungszahl n=l,44). Die Schutzschicht 4 kann beispielsweise für Anwendungen im Bereich des sichtbaren Lichtes (Wellenlänge 380 bis 780 nm) eine Dicke D4 von 0,5 bis 20 nm, vorzugsweise von 0,5 bis 10 nm, besitzen, und kann in einem kontinuierlichen Vakuum-Bandbeschichtungsprozeß auf dem optischen Mehrschichtsystem 3 aufgebracht sein. In alternativer Ausführung könnte die Schutzschicht im vorliegenden Fall aber auch etwa eine Dicke D4 von etwa 282 nm bzw. für HfO2 (Brechungszahl n=l,95) von etwa 550 nm aufweisen.
Die Zwischenschicht 2 (Dicke D2) besteht vorzugsweise aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium, wobei die Poren der Aluminiumoxidschicht in der letzten Phase der naßchemischen Prozeßkette weitestgehend durch eine Heißverdichtung verschlossen werden können, so daß eine dauerhaft beständige Oberfläche entsteht.
Auf der Zwischenschicht 2 befindet sich das optische Mehrschichtsystem 3, das ebenfalls mit Vorteil im kontinuierlichen Vakuum-Bandbeschichtungsprozeß auf der Zwischenschicht
2 aufgebracht werden kann. Das optische Mehrschichtsystem
3 besteht aus drei Schichten, wobei die beiden oberen Schichten 6, 7 dielektrische Schichten sind und die unterste Schicht 8 eine auf die Zwischenschicht 2 aufgetragene metallische Schicht ist. Letztere kann mit Vorteil durch
• ·
Sputtern oder durch Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugt werden.
Die unterste Schicht 8 des optischen Mehrschichtsystems 3 besteht insbesondere aus Aluminium, und ihre Dicke D8 ist so bemessen, daß die Transmission durch die Schicht 8 bei der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung weniger als etwa 0,5 % beträgt. Diese Dicke D8 kann in der beschriebenen Ausführung etwa bei 60 nm liegen.
Das Material der beiden oberen Schichten 6, 7 des optischen Mehrschichtsystems 3 kann chemisch insbesondere der Gruppe der Metalloxide zugehörig sein, wobei die beiden oberen Schichten 6, 7 unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen sollten. Auch die beiden oberen Schichten 6, 7 des optischen Mehrschichtsystems 3 können - wie die unterste Schicht 8 - Sputterschichten, insbesondere durch Reaktivsputtern erzeugte Schichten sein oder durch reaktives Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugt werden. Außerdem können CVD- oder PECVD-Auftragungsverfahren für die Schichtbildung zur Anwendung kommen. Derartige Auftragsverfahren zeichnen sich durch geringe erzielbare Schichtdickentoleranzen aus; und zwar überschreiten diese nicht relative Abweichungen im Bereich von etwa ± 5 %. Insbesondere können die beiden oberen Schichten 6, 7 des optischen Mehrschichtsystems 3, aber auch die mechanische Schutzschicht 4, durch reaktive Kondensation im Plasma erzeugte Schichten sein.
Die jeweilige optische Dicke D6, D7 der oberen und der mittleren Schicht 6, 7 des optischen Mehrschichtsystems 3 soll-
te - damit die Schichten 6, 7 als reflexionserhöhende Interferenzschichten wirken können - so bemessen sein, daß sie etwa ein Viertel der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung beträgt.
Die mittlere Schicht 7 des optischen Mehrschichtsystems 3 ist mit Vorteil eine möglichst niedrigbrechende, z.B. aus SiO2 bestehende Schicht, die für Anwendungen im sichtbaren Bereich des Lichtes eine Dicke D7 von etwa 100 nm aufweisen kann, während die darüberliegende oberste Schicht 6 des optischen Mehrschichtsystems 3 einen vergleichsweise hohen Brechungsindex besitzen sollte, aus TiO2 bestehen und eine Dicke D6 von etwa 65 nm aufweisen kann.
Beide Schichten 6, 7 sind absorptionsarm. Sie weisen im Spektralbereich der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung eine verschwindend geringe Absorption auf. Das komplette Schichtsystem 3 einschließlich der Schutzschicht 4 wirkt durch die Wahl der entsprechenden Schichtdicken und des Materials nahezu farbneutral.
Insbesondere kann dabei eine solche Dimensionierung der Breite des Materials und der Dicke D1, D2, D4, D6, D7, D8 der einzelnen Schichten 1, 2, 4, 6, 7, 8 erfolgen, daß das erfindungsgemäße Verbundmaterial als Coil mit einer Breite bis zu 1600 mm und mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 1,5 mm ausgebildet ist. Der Träger 1 kann dabei vorzugsweise eine Dicke D1 von etwa 0,1 bis 0,7 mm, besitzen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen.
Anstelle von Oxiden können beispielsweise auch Verbindungen aus der Gruppe der Nitride, Oxi-Nitride, Carbide, Fluoride oder Sulfide zur Anwendung kommen. Je nach Anwendungsfall, d.h. beispielsweise für Anwendungen im ultravioletten Bereich (200 bis 380 nm) oder im Bereich des infraroten Lichtes (780 bis 12000 nm) , können die beiden oberen Schichten 6, 7, insbesondere die oberste Schicht 6 des optischen Mehrschichtsystems 3 mit Vorteil auch aus einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Hafnium, Lanthan, Magnesium, Praseodym, Tantal, Yttrium, Ytterbium oder Zirkon oder aus einer Mischung von Oxiden dieser Elemente bestehen.
Die erfindungsgemäße Schutzschicht 4 muß nicht zwangsläufig aus SiO2 bestehen. Als Werkstoffe kommen hier auch Materialien aus den gleichen chemischen Stoffgruppen in Frage, wie sie auch für die beiden oberen Schichten 6, 7 des optischen Mehrschichtsystems 3 einsetzbar sind. Es kann sich dabei zusätzlich auch um Verbindungen der Elemente Calcium, Cerium, Neodymium, Thorium, Titan oder Vanadium oder um eine Mischung derselben handeln.
Die Schutzschicht 4 kann auch aus einer auf der Basis eines Sol-Gel-Prozesses hergestellten Zusammensetzung, vorzugsweise aus einem organisch modifizierten anorganischen SiIicatnetzwerk, bestehen. Dieses Netzwerk kann unter Einsatz von hydrolisierbaren Silanen, insbesondere Siloxanen, gebildet sein, aus denen durch Hydrolyse und Kondensation zu Polysiloxan unter Abspaltung von Alkohol bzw. Wasser die als Sol bezeichnete, auf das optische Mehrschichtsystem 3 auftragbare kolloidale Lösung entsteht. Die Viskosität des Sols kann vorteilhafterweise durch die Reaktionstemperatur, die eingesetzten Lösungsmittel und die verwendeten Reaktanden gesteuert werden, wobei die Sol-Stabilität bis zu meh-
reren Monaten aufrechterhalten werden kann. Das feste Gel der Schutzschicht 4 entsteht dann durch einen Flockungsvorgang, der in verschiedenartiger Weise ablaufen und z.B. durch Temperatur, Strahlung bzw. chemische Mittel gezielt beeinflußt werden kann.
Es ist dabei des weiteren auch möglich, daß anorganische Silicatnetzwerk derart zu modifizieren, daß Siliciumatome teilweise durch Heterometallatome, wie Titan, Aluminium oder Zirkon, ersetzt sind. Beispielsweise läßt sich insbesondere durch Aluminiumheteroatome die mechanische Beständigkeit stark erhöhen. Durch den Einbau der genannten Heteroatome in das Silicatnetzwerk läßt sich bedarfsweise auch der Brechungsindex der entstandenen Gel-Schicht gezielt einstellen.
Der Auftrag der Sol-Schicht kann durch Standardtechniken, wie Walzen, Rakeln, Tauchen, Sprühen usw. erfolgen. Die Sol-Schicht kann jedoch auch plasmaunterstützt als Niederschlag in einem chemischen Gasphasenprozeß gebildet werden.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkma1skombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, daß grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
Bezugszeichen
1 Träger
2 Zwischenschicht
3 optisches Mehrschichtsystem
4 Schutzschicht
6 obere Schicht von
7 mittlere Schicht von 3
8 untere Schicht von 3
D1 Dicke von 1
D2 Dicke von 2
D4 Dicke von 4
D6 Dicke von 6
D7 Dicke von 7
Da Dicke von 8

Claims (20)

1. Verbundmaterial, insbesondere für Reflektoren, mit einem aus Aluminium bestehenden Träger (1), mit einer auf dem Träger (1) befindlichen Zwischenschicht (2) und mit einem auf die Zwischenschicht (2) aufgebrachten optisch wirksamen Mehrschichtsystem (3), welches aus drei Schichten (6, 7, 8) besteht, wobei die beiden oberen Schichten (6, 7) dielektrische Schichten sind und die unterste Schicht (8) eine auf die Zwischenschicht (2) aufgetragene metallische Schicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem optischen Mehrschichtsystem (3) eine nichtmetallische, aus einem absorptionsarmen Material bestehende, mechanische Schutzschicht (4) aufgebracht ist, die eine optische Dicke (D4) aufweist, die kleiner ist als ein Zehntel der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung.
2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (4) eine optische Dicke (D4) aufweist, die kleiner ist als ein Zwanzigstel der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung.
3. Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (4) eine Dicke (D4) von 0,5 bis 20 nm, vorzugsweise von 0,5 bis 10 nm, aufweist.
4. Verbundmaterial für Reflektoren, mit einem aus Aluminium bestehenden Träger (1), mit einer auf dem Träger (1) befindlichen Zwischenschicht (2) und mit einem auf die Zwischenschicht (2) aufgebrachten optischen Mehrschichtsystem (3), welches aus drei Schichten (6, 7, 8) besteht, wobei die beiden oberen Schichten (6, 7) dielektrische Schichten sind und die unterste Schicht (8) eine auf die Zwischenschicht (2) aufgetragene metallische Schicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem optischen Mehrschichtsystem (3) eine nichtmetallische, aus einem absorptionsarmen Material bestehende, mechanische Schutzschicht (4) aufgebracht ist, die eine optische Dicke (D4) aufweist, die etwa einem ganzzahligen Vielfachen der halben Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung entspricht.
5. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium besteht.
6. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (D8) der untersten Schicht (8) des optischen Mehrschichtsystems (3) so bemessen ist, daß ihre Transmission bei der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung weniger als etwa 0,5% beträgt.
7. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Schicht (6) des optischen Mehrschichtsystems (3) aus einem im Anwendungsspektralbereich möglichst absorptionsarmen und möglichst hochbrechenden Material, wie Titandioxid, besteht.
8. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Schicht (6) des optischen Mehrschichtsystems (3) aus einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Hafnium, Lanthan, Magnesium, Praseodym, Tantal, Yttrium, Ytterbium oder Zirkon oder aus einer Mischung von Oxiden dieser Elemente besteht.
9. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (7) des optischen Mehrschichtsystems (3) aus einem im Anwendungsspektralbereich möglichst absorptionsarmen und möglichst niedrigbrechenden Material, wie z. B. für den sichtbaren Spektralbereich insbesondere Siliciumdioxid, besteht.
10. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (7) des optischen Mehrschichtsystems (3) aus einem reinen Oxid eines der Elemente Aluminium, Calcium, Cerium, Lanthan, Magnesium, Silicium oder einer Mischung daraus besteht.
11. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schutzschicht (4) aus einem reinen Oxid oder einem Oxi-Nitrid eines der Elemente Aluminium, Calcium, Cerium, Hafnium, Lanthan, Magnesium, Neodymium, Praseodymium, Silicium, Tantal, Thorium, Titan, Vanadium, Yttrium, Ytterbium oder Zirkonium oder einer Mischung daraus besteht.
12. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige optische Dicke (D6, D7) der oberen und der mittleren Schicht (6, 7) des optischen Mehrschichtsystems (3) so bemessen sind, daß sie etwa ein Viertel der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung beträgt.
13. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden oberen Schichten (6, 7) des optischen Mehrschichtsystems (3) im Spektralbereich der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung eine verschwindend geringe Absorption aufweisen.
14. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden oberen Schichten (6, 7) des optischen Mehrschichtsystems (3) und/oder die mechanische Schutzschicht (4) durch reaktive Kondensation im Plasma erzeugte Schichten sind.
15. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schutzschicht (4) aus einer auf der Basis eines Sol-Gel-Prozesses hergestellten Zusammensetzung besteht.
16. Verbundmaterial nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schutzschicht (4) aus einem organisch modifizierten anorganischen Silicatnetzwerk besteht.
17. Verbundmaterial nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Silicatnetzwerk aus hydrolisierbaren Siloxanen gebildet ist.
18. Verbundmaterial nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Silicatnetzwerk derart modifiziert ist, daß Siliciumatome teilweise durch Heterometallatome, wie Titan, Aluminium oder Zirkon, ersetzt sind.
19. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schutzschicht (4) eine durch Walzen, Rakeln, Tauchen oder Sprühen erzeugte Auftragschicht ist.
20. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Coil mit einer Breite bis zu 1600 mm und mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 1,5 mm.
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