DE69118348T2

DE69118348T2 - Transparente Antireflexionsschicht

Info

Publication number: DE69118348T2
Application number: DE69118348T
Authority: DE
Inventors: Charles J Amberger; Hulya Demiryont; Kenneth E Nietering
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1990-12-10
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2011-11-01
Also published as: EP0494493B1; CA2052865A1; EP0494493A1; CA2052865C; US5106671A; DE69118348D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antireflexbeschichtung, die für Licht mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich im wesentlichen transparent ist. Die Antireflexbeschichtung dieser Erfindung ist insbesondere geeignet für die Verwendung bei Verglasungen wie etwa Automobil- oder Gebäudefenstern.
Antireflexbeschichtungen werden seit einiger Zeit in verschiedenen Bereichen verwendet. Anwendungsbeispiele sind etwa Linsen, Verglasungen, Spiegel und dergleichen. Die Verwendung von Antireflexbeschichtungen wird mehr und mehr bei Automobil- oder Gebäudeverglasungen angestrebt, besonders an den inneren und/oder äußeren Oberflächen von Kraftfahrzeugwindschutzscheiben. Eine geeignete Antireflexbeschichtung auf der Innenseite einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges würde die Verwendung heller gefärbter Materialien für das Armaturenbrett erleichtern. Ohne eine Antireflexbeschichtung könnte die Sicht durch die Windschutzscheibe dadurch beeinträchtigt werden, daß Licht von der oberen Oberfläche solch eines heller gefärbten Armaturenbretts auf die Innenseite der Windschutzscheibe reflektiert wird. Eine Antireflexbeschichtung auf der Außenseite einer Windschutzscheibe steigert die durchgelassene Lichtintensität und trägt dazu bei, die zu berücksichtigenden minimalen Transparenzanforderungen zu erfüllen. Gegenwärtig beträgt die minimale Transparenz für sichtbares Licht für Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen in den USA 70% und in Europa 45%. Soll die Antireflexbeschichtung zur Verwendung in Automobilwindschutzscheiben oder anderen Verglasungen geeignet sein, darf sie daher die Transparenz der Verglasung nicht auf ein inakzeptables Maß reduzieren.
Es sind zahlreiche Antireflexbeschichtungen bekannt, von denen viele aus einem Dünnschichtstapel bestehen, bei dem ein erster Film aus Material mit einem relativ hohen Brechungsindex mit einem zweiten Film aus Material mit einem niedrigeren Brechungsindex gepaart ist. So schlägt zum Beispiel US-A-4,846,151 vor, daß verschiedene Oberflächen von transparenten Platten, die in Sonnenkollektoren verwendet werden, mit Antireflex-Material beschichtet werden können. Es werden beispielhafte Materialien aufgeführt, die Mehrlagenbeschichtungen wie Siliziumdioxid in der Kombination mit Aluminiumoxid oder Titandioxid einschließen. Ähnlich legt US-A-4,822,748 die Verwendung einer Antireflexbeschichtung auf Glas, das in Bilderrahmen und dergleichen verwendet wird, nahe. Es wird insbesondere die Herstellung eines Schichtstapels aus drei Lagen nahegelegt, bei dem ein Titanoxidfilm zwischen Filmen aus Siliziumdioxid eingebettet wird. Andere Materialien, wie Zirkoniumoxid, Tantaloxid und Magnesiumoxid werden ebenfalls erwähnt. Die Verwendung von Siliziummonoxid als Antireflexbeschichtung für optische Komponenten aus Kunstharz wird in US-A-4,497,539 nahegelegt. In US- A-4,822,120 wird Siliziummonoxid ebenfalls, wie auch Siliziumdioxid, als Antireflexschicht mit hoher Infrarotreflektivität und hoher Durchlässigkeit für sichtbares Licht zur Verwendung in Hitzespiegeln empfohlen. In US-A-4,81 5,821 wird eine lichtdurchlässige Glasplatte mit einer Oberflächenbeschichtung aus einer Siliziummonoxidschicht auf einer Titanoxidschicht empfohlen. Die Siliziummonoxidschicht soll dabei durch eine lichtabsorbierende Schicht aus kolloidalem Kohlenstoff von der Titandioxidschicht getrennt werden. Eine transparente optische Komponente wie eine Linse wird in US-A-4,765,729 beschrieben. Siliziumdioxid wird als geeignete Antireflexbeschichtung für die Oberfläche des Gegenstandes vorgeschlagen.
Die Verwendung einer Antireflexbeschichtung sowohl auf der Innen- wie auch auf der Außenseite eines Brillenglases wird in US-A-4,070,097 empfohlen. Jede der beiden Beschichtungen besteht aus zwei Schichten, einer Dielektrikumschicht und einer Metallschicht. Für die Metalischicht werden als geeignete Materialien unter anderem Nickel, Chrom, Inconel und Nichrom (ein Material, das im wesentlichen aus Nickel und Chrom besteht) erwähnt. Die Metallschicht soll typisch eine Stärke zwischen 10 und 40 Angstrom besitzen. Verschiedene Materialien werden für die Dielektrikumschicht aufgelistet, unter anderem Siliziumdioxid. US-A-3,990,784 betrifft mit einer Mehrfachbeschichtung auf der Oberfläche beschichtetes Bauglas. Die Beschichtung soll eine erste und eine zweite Metallschicht umfassen, die durch eine zwischen ihnen angebrachte Dielektrikumschicht getrennt sind. Eine zusätzliche Metalloxidschicht wird wahlweise als Antireflexschicht verwendet. Nickel wird als geeignetes Metall zusammen mit Siliziumdioxid für die Dielektrikumschicht erwähnt.
Die optischen Eigenschaften des Silizium/Siliziumdioxid-Mehrschichtsystems werden in Stone et al., "Reflectance, Transmittance and Lost Spectra of Multilayer Si/SiO&sub2; Thin Film Mirrors and Antireflection Coatings for 1,5 µm", Applied Optics, Bd. 29, Nr.4 (1 Februar 1990) erörtert. Stone et al. empfehlen im Spektralbereich zwischen 1,0 und 1,6 µm Silizium und Siliziumdioxid als geeignete und leicht handhabbare Kombination für Doppelschichten. Der Artikel befaßt sich mit der Herstellung von Mehrschichtsystemen. Darin wird erwähnt, daß die Zahl der Schichten, die benötigt wird, um die gewünschte Reflektivität zu erreichen, desto kleiner ist, je größer der Unterschied der Brechungsindizes der Doppelschichten ist. Silizium wird als Material mit relativ hohem Brechungsindex aufgeführt. In dem Artikel wird festgestellt, daß Silizium für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 1,0 µm nicht als Material in der Doppelschicht verwendet werden kann, zum Beispiel für sichtbares Licht, da es für Licht in diesem Bereich eine starke Absorption aufweist. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge im Bereich von 0.4 bis 0,75 µm. Obwohl der Artikel darauf hinweist, daß eine einfache Antireflexbeschichtung mit zwei Schichten aus Silizium und Siliziumdioxid hergestellt werden kann, zeigt er doch deutlich, daß solch eine Antireflexbeschichtung nicht für Anwendungen geeignet ist, die Transparenz für sichtbares Licht erfordern. Der Artikel erwähnt, daß Si/SiO&sub2;-Doppelschichten für stark reflektierende Spiegel und Antireflexbeschichtungen durch reaktives Sputtern aufgebracht wurden. Die Beschichtungen, die in dem Artikel behandelt werden, wurden durch Elektronenstrahlverdampfung auf Glassubstrate aufgebracht. Die in dem Artikel von Stone et al. beschriebenen Antireflexbeschichtungen bestehen aus einer etwa 150 Angstrom dicken Siliziumschicht mit einer SiO&sub2;-Schicht darauf, deren Stärke so gewählt ist, daß minimale Reflexion erreicht wird. Eine Siliziumschicht dieser Stärke ist für sichtbares Licht im wesentlichen undurchlässig, und der Prozentsatz der Reflexion wird in diesem Artikel nur für Licht weit oberhalb des sichtbaren Bereiches gezeigt. Für eine Siliziumschicht dieser Stärke verwenden Stone et al. eine SiO&sub2;-Schicht von etwa 2800 Angstrom. Desweiteren wird festgestellt, daß der Wert der minimalen Reflexion in einem Stärkenbereich von 75 bis 200 Angstrom nicht sehr empfindlich von der Stärke der Siliziumschicht abhängt. Sogar am unteren Ende dieses Stärkenbereiches wäre jedoch die Siliziumschicht für den sichtbaren Anteil des gewöhnlichen Sonnenlichts im wesentlichen undurchlässig.
Ähnliche Lehren werden in Pawlewicz et al., "1315 nm Dielectric Mirror Fabrication By Reactive Sputtering", gezogen, das beim "Topical Meeting on High Power Laser Optical Components" vorgestellt wurde, welches am 18. und 19. Oktober 1984 in Boulder, Colorado, stattfand. Niedrige Lichtabsorptionswerte werden in diesem Artikel für fünf reaktiv gesputterte amorphe Materialien für optische Beschichtungen, umfassend eine Si:H/SiO&sub2;-Doppelschicht, wiedergegeben. Die niedrige Absorption wurde für Licht im 1,3-µm-Bereich gemessen, und in dem Artikel wird als Schlußfolgerung gelehrt, daß das Si:H- Material bei sichtbaren Wellenlängen nicht verwendbar ist. Dieselbe Feststellung treffen Pawlewicz et al. in "Optical Thin Films - Recent Developments In Reactively Sputtered Optical Thin Films", Proceedings of the SPIE, Bd. 325, S. 105-112 (26.-27. Januar, 1982). In Tabelle 1 dieses Artikels sind Lichtwellenlängen zwischen 1000 und 9000 nm (1,0 bis 9,0 µm) als der Bereich aufgeführt, in dem optische Beschichtungen aus Silizium nützlich sind. Dünnfilmbeschichtungen aus Si1-xHx zur Reduzierung der Lichtabsorption bei den Infrarotlaser-Wellenlängen 1,06, 1,315 und 2,7 µm werden in Pawlewicz et al., "Improved Si-Based Coating Materials for High Power Infrared Lasers" (November 1981), erörtert.
Die optischen Eigenschaften von Si:H werden auch in Martin et al., "Optical Coatings for Energy Efficiency and Solar Applications", Proceedings of the SPIE, Bd. 324, S. 184-1 90 (28.-29. Januar 1982), erörtert. Es wird die Auswirkung von Wasserstoffgehalt und Si:H-Bindung auf verschiedene optische Eigenschaften bei 2 µm, einer unsichtbaren Wellenlänge, erörtert. Es werden auch mehrschichtige Si:H/SiO&sub2;-Laserspiegel beschrieben, die bei den unsichtbaren Wellenlängen 1,315, 2,7 und 3,8 µm eine Reflektivität von mehr als 99% aufweisen. In dem Artikel wird erwähnt, daß mehrschichtige Beschichtungen aus Si:H/SiO&sub2; leicht durch Sputtern hergestellt werden können, da nur ein einziges Si-Target benötigt wird, wobei entweder H&sub2; oder O&sub2; in die Sputterkammer eingeleitet werden, damit sich Si:H bzw. SiO&sub2; bildet. Aufgrund des hohen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren Bereich sind dünne Filme aus Si:H zur Verwendung in Solarzellen geeignet, um Sonnenstrahlung zu absorbieren.
Die Anforderungen verschiedener Glasprodukte würden durch ein neues Antireflexbeschichtungssystem erfüllt werden, das für sichtbares Licht im wesentlichen transparent ist und mittels wirtschaftlich und industriell durchführbarer Techniken auf eine Substratoberfläche aufgebracht werden kann. Darüber hinaus verlangen gewisse Verglasungen, wie etwa die oben erwähnte Innenfläche von Automobilwindschutzscheiben, nach besonders harten und haltbaren Antireflexbeschichtungssystemen. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Antireflexbeschichtungssystem oder eine Glaseinheit mit einer Antireflexbeschichtung darauf bereitzustellen, die eine oder mehrere dieser Produktanforderungen erfüllt. Zusätzliche Eigenschaften und Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Darlegung und Beschreibung davon ersichtlich werden. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Antireflexbeschichtung bereitgestellt, die einen Siliziumfilm mit einer Stärke von 5 bis 50 Angström und einen Siliziumdioxidfilm mit einer Stärke von 500 bis 1700 Angström direkt über dem Siliziumfilm umfaßt, wobei die Antireflexbeschichtung für sichtbares Licht im wesentlichen transparent ist.
Die Antireflexbeschichtungen, die diese Erfindung umfaßt, sind für sichtbares Licht im wesentlichen transparent. Dennoch wird in der vorliegenden Erfindung Silizium in einem im wesentlichen transparenten Antireflexbeschichtungssystem verwendet. Überraschend wurde herausgefunden, daß insbesondere ein ultradünner Siliziumfilm, vorzugsweise 10 bis 45 Angström dick, wirksam als stark brechendes Material in einer Doppelschicht mit Siliziumdioxid dienen kann, wenn die Schichtdicke des Siliziumdioxids an den Siliziumfilm in geeigneter Weise angepaßt wird. Dies bedeutet, daß festgestellt wurde, daß der stark brechende Siliziumfilm zusammen mit einem Siliziumdioxidfilm geeigneter Stärke als Doppelschicht mit hohem und niedrigem Brechungsindex wirken kann, obwohl seine Stärke nur in der Größenordnung von etwa 1/500 der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes liegt.
Entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Glasprodukt bereitgestellt, das an einer oder mehreren Oberflächen eine Antireflexbeschichtung besitzt, wie oben beschrieben wurde. Es wurde festgestellt, daß der Siliziumdioxidfilm als äußere Schicht der Doppelschicht als harte Schutzschicht wirkt und so der Antireflexbeschichtung eine große Haltbarkeit verleiht. So dient zum Beispiel das in dieser Erfindung beschriebene Antireflexbeschichtungssystem in einem Kraftfahrzeug vorteilhaft als Antireflexbeschichtung auf einer Windschutzscheibe. Die Antireflexbeschichtung bewirkt auf der Innenfläche eine Reduzierung des vom Armaturenbrett reflektierten Lichts. Auf der Außenseite erhöht sie die Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts in den Innenraum. Die Silizium- und Siliziumdioxidfilme können durch Sputtern oder andere kommerziell bekannte Verfahren aufgebracht werden, die wirtschaftlich und industriell durchführbar sind. Die Beschichtung ist vor allem geeignet für die Verwendung auf Glas, das auf Silizium basiert, da hier eine besonders dauerhafte Haftung zwischen den Schichten erreicht wird. Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung erklären sich dem Fachmann unter Bezug auf die obige Darlegung und die folgende detaillierte Beschreibung gewisser bevorzugter Ausführungsformen.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen mit Hilfe von Beispielen weiter beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 einen Querschnitt einer laminierten Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe darstellt, die eine Antireflexbeschichtung in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
Abb. 2 ein Schaubild darstellt, das die prozentuale Durchlässigkeit sichtbaren Lichts durch die Glaseinheit aus Abb. 1 als Funktion der Stärke des Siliziumfilms bei verschiedenen Stärken des Siliziumdioxidfilmes zeigt; und
Abb. 3 ein Schaubild darstellt, das die prozentuale Reflexion sichtbaren Lichtes von der Glaseinheit aus Abb.1 (d.h. von der Oberfläche, die die Antireflexbeschichtung der Erfindung trägt) als Funktion der Stärke des Siliziumfilms bei verschiedenen Stärken des Siliziumdioxidfilmes zeigt.
Es sollte klar sein, daß die Eigenschaften und Bestandteile der Ausführungsformen der Erfindung, die ein Abb.1 dargestellt sind, nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sind. Zur Erleichterung der Darstellung und der Verständlichkeit sind die Schichtdicken der Antireflexbeschichtung größer gezeigt als es dem wahren Maßstab entspricht.
Im Lichte der vorliegenden Darlegung werden sich dem Fachmann zahlreiche Anwendungen der vorliegenden Erfindung zeigen. Exemplarisch wird die Erfindung unter Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die eine Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe mit einer Antireflexbeschichtung im Einklang mit der Erfindung auf der inneren Oberfläche umfassen (also auf der Oberfläche, die dem Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges zugewandt ist). Die Antireflexbeschichtungen dieser Erfindung und die Windschutzscheiben, die diese aufweisen, bieten einige bedeutende Vorteile. Das Glas, das gegenwärtig in Kraftfahrzeug-Windschutzscheiben verwendet wird, weist gewöhnlich eine Zusammensetzung auf Siliziumbasis auf. Es wurde herausgefunden, daß die auf Silizium basierenden Antireflexbeschichtungen dieser Erfindung eine gute Haftung der Schichten auf einem Glassubstrat auf Siliziumbasis aufweisen. Darüber hinaus liefert der Siliziumdioxidfilm, der die exponierte Oberfläche der Glaseinheit bildet, eine harte und haltbare Oberfläche, die den Anforderungen der Nutzungsumgebung, der eine Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe ausgesetzt ist, gut angepaßt ist.
Es sollte verstanden werden, daß, soweit nicht anders erwähnt, der Hinweis darauf, daß die in dieser Erfindung vorgestellte Antireflexbeschichtung und die Verglasungen, die diese aufweisen, "im wesentlichen transparent für sichtbares Licht" seien, im allgemeinen bedeutet, daß der Wert für die Durchlässigkeit mindestens etwa 50% und vorzugsweise mindestens etwa 70% beträgt, so daß er die gegenwärtigen US-Richtlinien für Kraftfahrzeug-Windschutzscheiben und auch die Produktanforderungen für gewisse architektonische Anwendungen erfüllt. Der Ausdruck "sichtbares Licht" wird allgemein verwendet, um Licht in irgendeinem Wellenlängenbereich zu bezeichnen, das für einen menschlichen Beobachter wahrnehmbar ist. Man geht allgemein davon aus, daß sichtbares Licht einen Wellenlängenbereich von etwa 400 bis 750 nm umfaßt. Im Bereich sichtbarer Wellenlängen beträgt die Summe aus prozentualer Durchlässigkeit, prozentualer Absorption und prozentualer Reflexion 100%. Bei Verglasungen, bei denen das Substrat aus nicht getöntem Glas oder dergleichen besteht, kann man die Absorption von Licht mit sichtbaren Wellenlängen vernachlässigen, so daß für den Zweck dieser Erörterung die Summe aus der prozentualen Durchlässigkeit und der prozentualen Reflexion 100% gleichgesetzt werden kann.
Nun ist unter Bezugnahme auf Abb.1. ein Querschnitt einer Kraftfahrzeug- Windschutzscheibe 10 sichtbar, die eine äußere Lage 12 umfaßt, die mittels einer laminierenden Lage 14 aus Polyvinylbutyral (PVB) auf eine Lage 16 des Substrats laminiert ist. Die exponierte Oberfläche 18 der Substratschicht 16 trägt eine Antireflexbeschichtung 20 im Einklang mit dieser Erfindung. Die äußere Lage 12 und die Substratschicht 16 können jeweils aus Kunststoff oder vorzugsweise aus Glas bestehen. In jedem Fall ist die Substratschicht 16 vorzugsweise starr und nicht dehnbar, so daß die Dünnfilme, aus denen die Antireflexbeschichtung 20 besteht, nicht durch Strecken der Substratschicht 1 6 während des Beschichtungsprozesses oder während des Einbaus oder des Gebrauchs der Verglasung reißen.
Die Antireflexbeschichtung 20 der bevorzugten Ausführungsform aus Abb. 1 besteht aus dem Siliziumfilm 22 direkt auf der Oberfläche 18 der Substratschicht 16. Siliziumdioxidschicht 24 liegt direkt über Siliziumfilm 22. Der Fachmann wird erkennen, daß die Stärken der verschiedenen Lagen und Filme nicht maßstabsgetreu wiedergegeben wurden. Zur leichteren Darstellung und Verständlichkeit wurden die Stärken der Schichten 22 und 24 übertrieben. Obwohl dies nicht bei allen Anwendungen notwendig ist, wird die Antireflexbeschichtung auf einer Windschutzscheibe gewöhnlich deren gesamte Innenfläche bedecken. Silizium besitzt einen Brechungsindex von etwa 3.5. Wie oben ausgeführt wurde, ist die Verwendbarkeit von Silizium als stark brechendem Material in einer Doppelschicht, die für eine transparente Antireflexbeschichtung verwendet werden soll, angesichts der starken Absorption durch Silizium im sichtbaren Wellenlängenbereich sehr überraschend. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Hürde teilweise durch Verwendung eines ultradünnen Siliziumfilms. Die Wirksamkeit gegen Reflexion wird erreicht, obwohl das stark brechende Material so dünn ist. Es wurde herausgefunden, daß die Antireflexwirkung durch eine ultradünne Siliziumschicht in Verbindung mit einer Siliziumdioxidschicht geeigneter Stärke als schwach brechendem Material erreicht wird. Siliziumdioxid besitzt einen Brechungsindex von etwa 1.46. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein ultradünner Siliziumfilm mit einer optischen Weglänge von etwa 1/500 Wellenlänge zusammen mit einem darüberliegenden Siliziumdioxidfilm mit einer optischen Weglänge von etwa einem Viertel bis einem Drittel der Wellenlänge verwendet. In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform wurden bei Verwendung einer Antireflexschicht aus einem 30 Angstrom dicken, durch Sputtern auf der Oberfläche eines Glassubstrates aufgebrachten Siliziumfilm und einer etwa 1000 Angstrom dicken, durch Sputtern direkt auf das Silizium aufgebrachten Siliziumdioxidschicht hervorragende Ergebnisse erzielt. Während das unbeschichtete Glas eine Reflexion von ungefähr 8% des sichtbaren Lichtes aufwies, betrug die Reflexion von sichtbarem Licht nach Aufbringen solch einer Antireflexbeschichtung weniger als 5%. Das Glas bewahrte dabei seine wesentliche Transparenz für sichtbares Licht.
Die Silizium- und Siliziumdioxidschichten der Antireflexbeschichtungen der Erfindung können mit Geräten und Techniken hergestellt werden, die handelsüblich und Fachleuten wohlbekannt sind. So können die Filme auf Glas oder ein anderes Substrat durch reaktives Sputtern oder auch durch Elektronenstrahlbeschichtungsverfahren aufgebracht werden. Es ist denkbar, daß eine Steigerung der Schichtdicken durch die geeignete Anpassung der Beschichtungsparameter oder der Abscheidungstechnik oder durch Verwendung alternativer Beschichtungsverfahren auch unter Einhaltung einer vorgegebenen Transparenzanforderung erreichbar ist. Generell stellt es einen Vorteil der Erfindung dar, daß der Siliziumfilm, weil er so dünn ist, schnell und daher wirtschaftlich aufgebracht werden kann. Typisch wird der Siliziumfilm auf die Oberfläche einer Schicht, zum Beispiel einer Glasscheibe, und der Siliziumdioxidfilm auf den Siliziumfilm aufgebracht.
Bei einem alternativen Verfahren wird eine Siliziumschicht aufgebracht, die dicker als gewünscht ist und dann erhitzt wird. Ohne sich auf den theoretischen Aspekt festlegen zu wollen, geht man davon aus, daß ein Teil des Siliziums oxidiert wird. In jedem Fall sind die optischen Eigenschaften des Films nach dem Erhitzen dieselben, wie sie auch eine Beschichtung aus einem dünneren Siliziumfilm aufweist. Das Erhitzen verbessert die Haftung der Beschichtung auf dem Glassubstrat. Es verbessert ebenso die mechanische und gleichermaßen die chemische Haltbarkeit des Filmestapels. Es scheint, daß dieses Verfahren eine diffundierte Schnittstelle zwischen dem Silizium und dem Glassubstrat bereitstellt. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform dieses Beschichtungsverfahrens wird ein Siliziumfilm, gefolgt von einem SiO&sub2;-Film, auf der Oberfläche einer Glaslage aufgebracht. Die beschichtete Glaslage wird dann auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, die ungefähr der Erweichungstemperatur entspricht, typisch mindestens etwa 1000º F, zum Beispiel 1040ºF. Nachdem das Glas bei dieser Temperatur während einer Zeitdauer ausgeglüht wurde, die genügt, um die optischen Eigenschaften des Systems zu verändern, vorzugsweise mindestens eine Stunde, wird das Glas langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Dieses Verfahren wurde für eine Beschichtung angewandt, bei der eine 1500 Angstrom dicke SiO&sub2;- Schicht auf eine 60 Angstrom dicke Siliziumschicht auf einem Glassubstrat aufgebracht wurde. Nach einstündigem Ausglühen bei 1040ºF, gefolgt von langsamem Abkühlen auf Raumtemperatur, wurde festgestellt, daß die optischen Eigenschaften dieselben waren wie bei einer Beschichtung aus einem mehr als 1500 Angstrom dicken SiO&sub2;-Film über einem 27 Angstrom dicken Siliziumfilm.
In einem bevorzugten Verfahren der Erfindung wird eine im wesentlichen transparente, laminierte Glaseinheit hergestellt, indem ein 5 bis 50, vorzugsweise etwa 25 Angstrom dicker Siliziumfilm auf eine Hauptfläche einer im wesentlichen nicht dehnbaren Substratschicht gesputtert wird. Eine 500 bis 1700, vorzugsweise etwa 1200 Angstrom dicke Siliziumdioxidschicht wird über den Siliziumfilm gesputtert. Die Substratschicht wird dann mittels einer Laminierschicht aus PVB oder einem anderen flexiblen Polymermaterial auf eine weitere Schicht aus Glas, Plastik, usw. laminiert. Insbesondere ist die Laminierschicht zwischen die Substratschicht und die Zusatzschicht eingebettet und diese werden durch Anwendung von Hitze oder Druck und unter Umständen Vakuum laminiert. Die Oberfläche der Substratschicht, die die Antireflexbeschichtung trägt, wird vorzugsweise als die Außenfläche der Glaseinheit gewählt, die dem Betrachter am nächsten ist.
In Abb. 1 ist der Pfad des einfallenden Lichtes durch eine Glasscheibe mit Antireflexbeschichtung entsprechend der Erfindung dargestellt. Insbesondere trifft das einfallende Licht 30 auf die Oberfläche 26 der Antireflexschicht 20, und ein wesentlicher Teil davon passiert die Antireflexschicht und den Rest der Glasscheibe, um durch die Oberfläche 13 der Außenlage 12 als transmittiertes Licht 32 auszutreten. Typisch wird ein Teil des einfallenden Lichtes an jeder Schnittstelle zwischen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes zurückreflektiert. An den beiden Glas/PVB-Schnittstellen 31a und 31b wird praktisch kein Licht reflektiert, da der Brechungsindex von Glas dem von PVB sehr nahe kommt. An einer Glas/Luft-Schnittstelle werden normalerweise etwa 4% des einfallenden Lichtes reflektiert. Daher besitzt reines Glas, wie oben erwähnt und in Abb. 2 gezeigt, eine Gesamtreflexion R von etwa 8%, also 4% an jeder Glasoberfläche. Bei gewissen besonders bevorzugten Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung wird die Gesamtreflexion durch Verwendung einer Antireflexschicht auf einer Oberfläche auf bis zu etwa 4% reduziert. Insbesondere reduziert sich die Reflexion an der Oberfläche, die die Antireflexschicht dieser Erfindung trägt, auf nahezu 0%, so daß nur die 4% von der Luft/Glas-Schnittstelle der gegenüberliegenden Oberfläche bleiben. In einer anderen Ausführungsform wird auf beiden Oberflächen eine Antireflexschicht verwendet, was die Gesamtreflexion der Glasscheibe auf nahezu null reduziert.
Unter Bezug auf Abb. 1 wird dies leichter verständlich. Das einfallende Licht 30 trifft auf die Oberfläche 26 der Antireflexschicht 20. Die Gesamtreflexion, ausgedrückt in Prozent des einfallenden Lichtes 30, setzt sich zusammen aus: (i) dem an der Luft/SiO&sub2;-Schnittstelle der Oberfläche 26 reflektierten Licht 34; (ii) dem an der Si/SiO&sub2;-Schnittstelle 27 reflektierten Licht 35; (iii) dem an der Si/Glas- Schnittstelle der Oberfläche 18 reflektierten Licht 36 und (iv) dem an der Glas/Luft-Schnittstelle der Oberfläche 28 reflektierten Licht 37. Wie oben erwähnt, können die beiden Glas/PVB-Schnittstellen vernachlässigt werden, da die Brechungsindizes der beiden Materialien fast identisch sind. Der Prozentsatz, der durch Oberfläche 13 tritt, ist der Durchlässigkeitsprozentsatz T%. Die Reflexion von der Glasoberfläche 18 ohne die Antireflexbeschichtung der Erfindung wäre, wie oben erwähnt, etwa 4%. Entsprechend gewissen, am stärksten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beträgt diese Reflexion mit der Antireflexschicht 20, also die Summe von 34, 35 und 36, etwa null. Folglich beträgt die Reflexion dieser Glaseinheit insgesamt nur etwa 4%, wobei nahezu dieser ganze Betrag von der Reflexion 37 herrührt. Die Reflexion 36 an der Si/Glas-Schnittstelle ist tatsächlich im wesentlichen null, obwohl wegen des großen Unterschieds im Brechungsindex für diese beiden Materialien hier eine nicht zu vernachlässigende Reflexion zu erwarten gewesen wäre. Ohne sich weiter auf den theoretischen Aspekt festlegen zu wollen, wird dies gegenwärtig damit erklärt, daß die Reflexion 36 nahezu null ist, weil der ultradünne Si-Film zu dünn ist, um eine optisch bedeutsame Schnittstelle zum Glas darzustellen. Wie oben erwähnt, wurde selbstverständlich festgestellt, daß dieser Film dennoch genügt, um als das stark brechende Material in einer Doppelschicht mit SiO&sub2; in der in dieser Erfindung beschriebenen Antireflexbeschichtung zu dienen. Aus dem Vorstehenden erklärt sich, daß eine Ausführungsform der Erfindung, die außerdem eine Antireflexbeschichtung auf Oberfläche 13 der äußeren Glaslage 12 umfaßt, eine Gesamtreflexion von etwa null aufweisen würde.
Die optischen Eigenschaften der Antireflexbeschichtungen der Erfindung, insbesondere Durchlässigkeit und Reflexion, sind in den Graphen in Abb. 2 und 3 dargestellt. Spektrophotometrische Werte für Reflexion (R%) und Durchlässigkeit (T%) wurden unter Verwendung eines Computerprogrammes berechnet, das integrierte Werte für R und T im UV-, sichtbaren und IR-Bereich für einen vorgegebenen Einfallswinkel mit der Mehrfachbeschichtung auf einem Glassubstrat liefert. Experimentell bestimmte optische Konstanten, der Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient von Silizium- und Siliziumdioxidschichten, wurden bei der Berechnung der R- und T-Werte verwendet. Das Computerprogramm lieferte T %- und R%-Werte zu Parameterwerten dSi und dSiO2. Es wurden Kurven von R als Funktion von dSi sowie von T als Funktion von dSi aufgezeichnet, wobei ausgewählte Stärken des SiO&sub2;-Films als Parameter dienten. Diese Kurven wurden verwendet, um zu entscheiden, welche Stärken der experimentell aufgetragenen Si- und SiO&sub2;-Doppelschichten minimale Reflexion bei maximaler Durchlässigkeit liefern. Die folgenden tatsächlich untersuchten Si/SiO &sub2;-Doppelschichten wurden von einem Si-Target gesputtert: 60/1000; 40/1000; 20/1000; 20/1200; 30/1200; 25/1200; 27/1500; 27/2000.
Spektrophotometrische Aufzeichnungen der Reflexion und Durchlässigkeit dieser tatsächlich untersuchten Proben wurden unter Verwendung eines Lambda 9 Spektrophotometers von Perkin-Elmer erhalten. Die experimentellen Resultate stimmten sehr gut mit den Werten überein, die von dem Multischicht- Computerprogramm vorhergesagt worden waren. Die in Abb. 2 und 3 gezeigten Ergebnisse gelten bei senkrechtem Einfall. Ein ähnliches Verfahren wurde bei schrägem Einfall angewandt, einschließlich eines Winkels von 65º, welches der Einbauwinkel (vom Fahrer des Fahrzeugs aus gesehen) einer typischen Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe ist. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Si/SiO&sub2;-Doppelschicht aus einem 1500 Angstrom dickem SiO&sub2;-Fiim direkt über einem 27 Angstrom dicken Si-Film erzielt.
Abb. 2 zeigt die prozentuale Durchlässigkeit von sichtbarem Licht als Funktion der Siliziumschichtdicke dSi für einige unterschiedliche Siliziumdioxidschichtdicken dSiO2. In dem Schaubild ist der Wert von 92% für die Durchlässigkeit eines reinen Glassubstrates angegeben. Auch die gegenwärtig von den US-Richtlinien für Kraftfahrzeugwindschutzscheiben geforderten 70% Durchlässigkeit Tmin sind angegeben. Man sieht, daß die Durchlässigkeit mit wachsender Stärke des Siliziumfilms rasch und im wesentlichen linear abfällt. Ein Siliziumfilm mit einer Stärke von etwa 47 Angstrom ist immer noch im wesentlichen transparent, wenn er zusammen mit einem Überzug aus Siliziumdioxid einer Stärke von 1000-1300, vorzugsweise 1200, Angstrom verwendet wird. Man kann sehen, daß im allgemeinen Siliziumfilmdicken von weniger als 50 Angstrom mit einem Siliziumdioxidfilm geeigneter Stärke kombiniert werden können, so daß die Beschichtung im wesentlichen transparent wird. Vorzugsweise wird Silizium in einem Bereich zwischen 5 und 50 Angström verwendet, und der verwendete Siliziumdioxidfilm liegt im Bereich zwischen 500 und 1700 Angström. Es wurde herausgefunden, daß diese Stärkenbereiche im wesentlichen transparente Beschichtungen mit guten Antireflexeigenschaften liefern. Da dünnere Filme durch Sputtern oder andere Methoden schneller und damit ökonomischer aufgetragen werden können, was zu einer höheren Produktivität führt, werden generell dünnere Filme dickeren Schichten vorgezogen, solange die Leistungsanforderungen erfüllt sind.
Nun wird unter Bezugnahme auf Abb. 3 die prozentuale Reflexion der laminierten Verglasung mit einer Antireflexschicht, wie sie in dieser Erfindung beschrieben wurde, als Funktion der Siliziumschichtdicke für eine Reihe von Siliziumdioxidschichtdicken gezeigt. Im Schaubild sind die 8% Reflexion einer reinen Glasscheibe angedeutet. Man sieht, daß eine Doppelbeschichtung aus Silizium und Siliziumdioxid bei einer Stärke der Siliziumdioxidschicht von 2000 Angstrom bei keiner Siliziumdicke antireflektierend wirkt. Die Reflexion steigt sogar über den Wert von 8% für die Reflexion von reinem Glas. Beschichtungen entsprechend dieser Erfindung besitzen Siliziumdioxidschichtdicken von weniger als etwa 1700 Angström. Es wurde festgestellt, daß sich Siliziumdioxidschichtdicken von weniger als etwa 500 Angström generell nicht als schwach brechende Schicht zusammen mit einem Siliziumfilm geeigneter Stärke eignen. Es ist ersichtlich, daß eine Antireflexbeschichtung mit einem Siliziumfilm von 20 bis 30 Angström Stärke und einem Siliziumdioxidfilm von etwa 1200 Angstrom eine Reflexion von 4% für sichtbares Licht aufweist. Man sieht, daß ein 25 Angstrom dicker Siliziumfilm zusammen mit einem 1200 Angström dicken Siliziumdioxidfilm solch eine niedrige Reflexion aufweist und damit eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Bezieht man sich noch einmal auf Abb. 2, so sieht man, daß die gerade als Beispiel erwähnten Doppelschichten eine im wesentlichen transparente Verglasung liefern. Antireflexbeschichtungen mit einer Siliziumfilmdicke von etwa 10 bis 40 Angström und Siliziumdioxidfilmdicken von etwa 1000 bis 1200 Angström sind allgemein am meisten zu bevorzugen.

Claims

1. Eine Antireflexbeschichtung, die einen Siliziumfilm (22) mit einer Stärke zwischen 5 und 50 Angström und einen Siliziumdioxidfilm (24) mit einer Stärke von 500 bis 1 700 Angström direkt über dem Siliziumfilm umfaßt, wobei die Antireflexbeschichtung für sichtbares Licht im wesentlichen transparent ist.

2. Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, worin der Siliziumfilm eine Stärke zwischen 10 und 40 Angström und der Siliziumdioxidfilm direkt über dem Siliziumfilm eine Stärke von 1000 bis 1300 Angström aufweist, wobei die Antireflexbeschichtung mindestens 70% Durchlässigkeit und weniger als 8% Reflexion für sichtbares Licht besitzt, das auf die Antireflexbeschichtung einfällt.

3. Eine Verglasung, die ein Substrat und eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2 umfaßt, die auf einer Oberfläche des Substrates bereitgestellt ist.

4. Eine laminierte Verglasung, die eine äußere Schicht, eine mittels einer Laminierschicht aus flexiblem Polymermaterial auf die äußere Schicht laminierte, im wesentlichen nicht dehnbare Substratschicht und eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2 auf einer größeren Außenfläche der Substratschicht umfaßt.

5. Eine laminierte Verglasung nach Anspruch 4, worin die äußere Schicht und die Substratschicht aus Glas und die Laminierschicht aus Polyvinylbutyral besteht.

6. Ein Verfahren zur Herstellung einer im wesentlichen transparenten Verglasung mit einer für sichtbares Licht im wesentlichen transparenten Antireflexbeschichtung, wobei das Verfahren das Aufbringen eines Siliziumfilms mit einer Stärke zwischen 5 und 50 Angström auf eine Oberfläche einer Substratschicht der Verglasung und dann die Aufbringung eines Siliziumdioxidfilms mit einer Stärke zwischen 500 und 1700 Angström direkt über den Siliziumfilm umfaßt.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 6, worin diese Filme durch Sputtern aufgebracht werden.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 6, worin die Verglasung eine Glasschicht umfaßt, und das Verfahren weiterhin das Erhitzen der Glasschicht mit den Filmen darauf auf eine hohe Temperatur und während eines Zeitraumes umfaßt, die ausreichen, um deren optische Eigenschaften zu verändern.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, worin die hohe Temperatur etwa der Erweichungstemperatur der Glasschicht entspricht.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 8, worin die Verglasung mindestens eine Stunde lang auf mindestens 528ºC (1000ºF) erhitzt wird.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, umfassend die Schritte des Einbettens einer flexiblen Polymer-Laminierschicht zwischen die Substratschicht und einer weiteren Schicht und des Laminierens derselben, wobei diese Oberfläche der Substratschicht mit der darin enthaltenen Antireflexbeschichtung eine äußere Oberfläche der Verglasung darstellt.