EP0987966B1 - Schmuckstein - Google Patents

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EP0987966B1
EP0987966B1 EP98952636A EP98952636A EP0987966B1 EP 0987966 B1 EP0987966 B1 EP 0987966B1 EP 98952636 A EP98952636 A EP 98952636A EP 98952636 A EP98952636 A EP 98952636A EP 0987966 B1 EP0987966 B1 EP 0987966B1
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EP
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decorative stone
pyramid
stone according
carrier
layer
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EP98952636A
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English (en)
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Ernst Michael Winter
Lothar SCHÄFER
Thorsten Matthee
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Winter CVD Technik GmbH
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Winter CVD Technik GmbH
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    • A44—HABERDASHERY; JEWELLERY
    • A44C—PERSONAL ADORNMENTS, e.g. JEWELLERY; COINS
    • A44C27/00—Making jewellery or other personal adornments
    • A44C27/001—Materials for manufacturing jewellery
    • A44C27/005—Coating layers for jewellery
    • A44C27/007—Non-metallic coatings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
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    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness
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    • Y10T428/24612—Composite web or sheet

Definitions

  • the invention relates to artificial gemstones.
  • Gemstones especially gemstones, are made before they are held in the metal body of a piece of jewelry, sanded or sanded to the incident Spectrally decomposing and reflecting light, thereby brings about the brilliance and fire of a gem becomes.
  • this sets a minimum size and purity ahead of the gem. So about two are suitable
  • Third of the mined diamonds are not for production of gemstones by grinding them because either have too little physicality or depth or only industrial because of their color or inclusions have it recycled (for technical purposes).
  • the diamond maintains the brilliance or shine all in that a large part of the in the gem incident light almost in the direction is scattered back from where it came from. This is achieved in that the light which is transmitted through the upper facets fell into the diamond crystal is reflected in the lower brilliant area and can emerge again through the upper facets.
  • the Light is generated in at least two reflection steps mirrored by a total of about (180 ° ⁇ x °). The order the facet angle to each other must be the optical one Properties of the diamond / air interface wear so that the angle of total reflection never exceeded becomes.
  • the angles of the light beam path are getting bigger than that of the total reflection angle. That is, the Light is reflected back upwards, on the other hand the light must shine on the top facets and the chalkboard impinging at such an angle that the light can leak.
  • the diamond diamonds are not like that ground that the light is thrown back exactly in that direction from which it came (like it would be the case with the cat’s eye). Rather lies between incoming and outgoing beam an opening angle, which leads to the eye-catching reflexes. The exit angle is due to the dispersion for different wavelengths different.
  • the dispersion is essential for the fire of the diamond of the light in the diamond that causes the light is broken down like a prism and then as Spectral colors are perceived by the eye.
  • the object of the invention is to create artificial Gemstones obtained by vapor deposition large layers of gemstone, which despite the unfavorable dimensions, d. H. of limited strength these layers get an attractive appearance.
  • This object is achieved with a gem solved that from a preferably tabular Carrier or substrate consists of one surface has at least one pyramid-shaped depression and preferably by vapor deposition gemstone layer obtained by the CVD or PVD method wearing.
  • the gemstone- especially diamond layer one gemstone according to the invention has brilliance, must whose on the carrier, e.g. B. a silicon wafer Underside be designed accordingly, so that it is like a single-crystal natural diamond to reflect much of the incident Light comes.
  • a silicon wafer Underside be designed accordingly, so that it is like a single-crystal natural diamond to reflect much of the incident Light comes.
  • This can be done by an appropriate Pretreatment of the surface to be coated Silicon wafers can be achieved. After this pretreatment the silicon wafer has the necessary shape as Negative form on, so that the back or bottom the diamond layer that forms accordingly receives positive form.
  • such materials are also suitable, such as precious metals, tungsten, molybdenum or hard metal, that can be coated well with diamond and in the surface of which incorporates a corresponding structure can be.
  • Incorporation of the structure in the to be coated Carrier can either depending on its material mechanically, e.g. B. by grinding a certain Profiles, electrolytically or, in particular for a silicon wafer, chemical or plasma technology can be achieved by etching.
  • isotropic as well as anisotropic processes are used.
  • anisotropic etchant z. B. KOH. This base leads to the formation of pyramidal etching pits in the single crystal wafer.
  • Etching mask can also be done using an isotropic etchant a pyramidal structure etched into a base become.
  • a suitable composition of the etching solution can create the required angles of the pyramid. As mentioned above, should be a gradual mirroring by approximately 180 ° ⁇ x °, the angles of the Pyramid to be adjusted accordingly.
  • edge areas of the carrier of the gemstone layer can have different pyramid angles than in the middle area can be set. But it is also possible that reflective surfaces (facets) on the underside align the layer with different angles, to be independent in this way the brilliance and the fire from each other.
  • the angles of the facets are chosen so that the light in the Gem layer reflected back and forth several times is, causing a strong splitting of the spectral Colors is achieved.
  • Orientations other than (100) or (111) Wafers are used. What matters is that targeted interaction of crystal orientation the gem layer and direction of the etching attack, to achieve an optimal optical effect.
  • a polycrystalline, e.g. B. after CVD process produced artificial diamond layer are still unlike a diamond single crystal Grain boundaries present by a different Refractive index as additional refractive areas are taken into account.
  • the grain boundaries advantageously in their structure, for. B. must be columnar to be positive To have an effect on brilliance and fire. In each Fall must be the influence of the grain boundaries in the optical Effect.
  • the light can also are scattered back by the fact that the back or Bottom of the gas phase gem, especially CVD diamonds additionally z. B. by gold or titanium is mirrored. Then the reflection is easy by reflection on the gold or titanium surface.
  • the surface of the artificial diamond layer is advantageous, which is subsequently ground into it.
  • the angles in the bottom are modified Adjust exit conditions.
  • Gemstone-coated supports can be used as gemstones in a conventional manner, e.g. B. in the metal body of a piece of jewelry.
  • the one bearing the deposited layer of gemstone does not have to be flat his; it can e.g. B. be convex to artificial Gemstones in the shape of a cabochon or boutton to obtain.
  • artificial gemstones especially diamonds not only with special optical Characteristics like brilliance and fire, but also with surface dimensions, e.g. B. by multiple dimensioning, win as with those in the Natural stones not nearly accessible are and also with other synthetic methods, in particular the high-pressure high-temperature technology from economic-technical Reasons are not available.
  • the gemstones according to the invention can be used in the production its own due to the composition of the gas phase Body color (e.g. blue through boron or yellow through Nitrogen) are awarded, what their use in every conceivable piece of jewelry or every conceivable Embellishment with precious stones enables.
  • the gem layer 1 has on the underside Variety of pyramid-shaped elevations 2 with one Angle "A" on and is at the top with a Octagonal facet cut.
  • the carrier on which the gemstone layer is applied does not have to be the dimensions of the later gem to have. From a large support with Gemstone layer can be separated and made into one Gemstone can be processed or edited.

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Description

Die Erfindung betrifft künstliche Schmucksteine.
Schmucksteine, insbesondere Edelsteine, werden, bevor sie im Metallkörper eines Schmuckstückes gefaßt werden, geschliffen oder angeschliffen, um das einfallende Licht spektral zu zerlegen und zu reflektieren, wodurch die Brillanz und das Feuer eines Schmucksteines bewirkt wird. Dies setzt jedoch eine Mindestgröße und Reinheit des Schmucksteines voraus. So eignen sich etwa zwei Drittel der geschürften Diamanten nicht zur Herstellung von Schmucksteinen durch Schleifen, weil sie entweder zu geringe Körperlichkeit bzw. Tiefe haben oder sich wegen ihrer Farbe oder ihrer Einschlüsse nur industriell (für technische Zwecke) verwerten lassen.
Die Brillanz bzw. den Glanz erhält der Diamant vor allem dadurch, daß ein großer Teil des in den Schmuckstein einfallenden Lichtes nahezu in die Richtung zurückgestreut wird, aus der es gekommen ist. Dies wird dadurch erreicht, daß das Licht, welches durch die oberen Facetten in den Diamantkristall eingefallen ist, im unteren Brillantbereich reflektiert wird und durch die oberen Facetten wieder austreten kann. Das Licht wird dabei in mindestens zwei Reflexionsschritten um insgesamt etwa (180° ± x°) gespiegelt. Die Anordnung der Facettenwinkel zueinander muß dabei den optischen Eigenschaften der Grenzfläche Diamant/Luft Rechnung tragen, so daß der Winkel der Totalreflexion nie überschritten wird.
Es ist beim Strahlengang im Diamanten wichtig, daß in den Rückfacetten, also im unteren Teil des Diamanten, die Winkel des Lichtstrahlengangs immer größer als die des Totalreflexionswinkels sind. D. h. das Licht wird nach oben zurückreflektiert, andererseits muß das Licht auf die oberen Facetten und die Tafel in einem solchen Winkel auftreffen, daß das Licht austreten kann. Die Diamantbrillanten sind nicht derart geschliffen, daß das Licht exakt in die Richtung zurückgeworfen wird, aus der es gekommen ist (wie es beim Katzenauge der Fall wäre). Vielmehr liegt zwischen einfallendem und austretendem Strahl ein Öffnungswinkel, der zu den ins Auge fallenden Reflexen führt. Der Austrittswinkel ist aufgrund der Dispersion für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich.
Wesentlich für das Feuer des Brillanten ist die Dispersion des Lichtes im Diamanten, die dazu führt, daß das Licht wie in einem Prisma zerlegt und dann als Spektralfarben vom Auge wahrgenommen wird.
Ein weiterer Effekt, der beim Betrachten eines Brillanten auftritt, sind die vielen Reflexe, die aus den Facetten ins Auge fallen, wenn der Brillant gedreht wird. Dies sind die wesentlichen Aufgaben, die die Facetten zu erfüllen haben.
Künstliche nach dem CVD-Verfahren hergestellte Diamantschichten sind entweder zu teuer oder zu dünn, um daraus geschliffene Schmucksteine, z. B. Brillanten, herzustellen, die den beeindruckenden Glanz aufweisen, der ihren Wert begründet. Wichtig für den Glanz ist die Einhaltung einer genauen geometrischen Form, um einen möglichst großen Anteil des einfallenden Lichtes in die Einfallsrichtung zu reflektieren.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von künstlichen Schmucksteinen aus durch Gasphasenabscheidung erhaltenen großflächigen Edelsteinschichten, die trotz der ungünstigen Abmessungen, d. h. der begrenzten Stärke dieser Schichten ein attraktives Aussehen erhalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Schmuckstein gelöst, der aus einem vorzugsweise tafelförmigen Träger oder Substrat besteht, dessen eine Oberfläche mindestens eine pyramidenförmige Vertiefung aufweist und eine durch Gasphasenabscheidung vorzugsweise nach dem CVD- oder PVD-Verfahren erhaltene Edelsteinschicht trägt.
Damit die Edelstein- insbesondere Diamantschicht eines erfindungsgemäßen Schmucksteines Brillanz hat, muß deren auf dem Träger, z. B. einem Siliziumwafer, aufliegende Unterseite entsprechend ausgebildet sein, so daß es wie beim einkristallinen natürlichen Brillanten zu einer Reflexion eines Großteils des einfallenden Lichtes kommt. Dies kann durch eine entsprechende Vorbehandlung der Oberfläche des zu beschichtenden Siliziumwafers erreicht werden. Nach dieser Vorbehandlung weist der Siliziumwafer die notwendige Form als Negativform auf, so daß die Rückseite oder Unterseite der sich bildenden Diamantschicht die entsprechend positive Form erhält. Als Träger oder Unterlage für derartige künstlich hergestellte Diamantschichten eignen sich neben Siliziumwafern auch solche Werkstoffe, wie Edelmetalle, Wolfram, Molybdän oder Hartmetall, die sich gut mit Diamant beschichten lassen und in deren Oberfläche eine entsprechende Struktur eingearbeitet werden kann.
Die Einarbeitung der Struktur in den zu beschichtenden Träger kann in Abhängigkeit von dessen Werkstoff entweder mechanisch, z. B. durch Einschleifen eines bestimmten Profils, elektrolytisch oder aber, insbesondere bei einem Siliziumwafer, chemisch bzw. plasmatechnisch durch Ätzen erreicht werden. Hier können isotrope wie auch anisotrope Verfahren zum Einsatz kommen. Als anisotropes Ätzmittel bietet sich z. B. KOH an. Diese Base führt zur Ausbildung von pyramidalen Ätzgruben im einkristallinen Wafer. Bei Verwendung einer Ätzmaske kann auch mittels eines isotropen Ätzmittels eine pyramidale Struktur in eine Unterlage geätzt werden. Eine geeignete Zusammensetzung der Ätzlösung kann die erforderlichen Winkel der Pyramide erzeugen. Sollte, wie oben erwähnt, eine schrittweise Spiegelung um etwa 180° ± x° erfolgen, müssen die Winkel der Pyramide entsprechend angepaßt werden.
In den Randbereichen des Trägers der Edelsteinschicht können andere Pyramidenwinkel als im mittleren Bereich eingestellt werden. Es ist aber auch möglich, die reflektierenden Flächen (Facetten) an der Unterseite der Schicht mit unterschiedlichen Winkeln auszurichten, um auf diesem Weg die Brillanz und das Feuer unabhängig voneinander einzustellen. Dabei können die Winkel der Facetten so gewählt werden, daß das Licht in der Edelsteinschicht mehrfach hin und her reflektiert wird, wodurch eine starke Aufspaltung der spektralen Farben erreicht wird.
Am einfachsten ist es, durch einen einzigen Ätzangriff auf der gesamten Oberfläche des Trägers gleiche Winkel einzubringen, die z. B. etwa einen Pyramidenöffnungswinkel von 109° aufweisen. Dieser Winkel läßt sich durch Ätzprozeduren leicht erreichen. Vor der Ätzprozedur kann die Oberfläche des Trägers einer Laserschädigung unterworfen werden, um die gewünschte Geometrie leicht zu erreichen.
Es können auch andere Orientierungen als (100) oder (111) Wafer zum Einsatz kommen. Maßgebend ist, das gezielt eingestellte Zusammenspiel von Kristallorientierung der Edelsteinschicht und Richtung des Ätzangriffs, um einen optimalen optischen Effekt zu erreichen. In einer polykristallinen, z. B. nach dem CVD-Verfahren hergestellten künstlichen Diamantschicht sind im Gegensatz zu einem Diamanteinkristall noch Korngrenzen vorhanden, die durch einen abweichenden Brechungsindex als zusätzlich brechende Bereiche zu berücksichtigen sind. Das hat zur Folge, daß die Korngrenzen vorteilhafterweise in ihrer Struktur z. B. säulenartig ausgerichtet sein müssen, um einen positiven Effekt auf Brillanz und Feuer zu haben. In jedem Fall muß der Einfluß der Korngrenzen beim optischen Effekt berücksichtigt werden.
Bei einer einfachen Pyramidenform kann das Licht auch dadurch zurückgestreut werden, daß die Rückseite bzw. Unterseite des Gasphasen-Edelsteines, insbesondere CVD-Diamanten zusätzlich z. B. durch Gold oder Titan verspiegelt wird. Dann erfolgt die Reflexion einfach durch Spiegelung an der Gold- oder Titanoberfläche.
Um der Brillanz und dem Feuer von Einkristallbrillanten möglichst nahe zu kommen, ist eine achteckige Form der Oberfläche der künstlichen Diamantschicht vorteilhaft, die nachträglich in diese eingeschliffen wird. Dabei sind die Winkel in der Unterseite an die geänderten Austrittsverhältnisse anzupassen.
Diese mit einer durch Gasphasenabscheidung erhaltenen Edelsteinschicht versehenen Träger können als Schmucksteine in herkömmlicher Weise, z. B. im Metallkörper eines Schmuckstückes gefaßt werden.
Die die niedergeschlagene Edelsteinschicht tragende Fläche des Trägers oder Substrates muß nicht eben sein; sie kann z. B. konvex sein, um künstliche Schmucksteine in Gestalt eines Cabochon oder Boutton zu erhalten.
Mit der Erfindung lassen sich künstliche Schmucksteine, insbesondere Diamanten nicht mit nur besonderen optischen Eigenschaften wie Brillanz und Feuer, sondern auch mit Oberflächendimensionen, z. B. durch Mehrfachdimensionierung, gewinnen, wie sie mit den in der Natur vorkommenden Steinen nicht annähernd erreichbar sind und auch mit anderen Syntheseverfahren, insbesondere der Hochdruck-Hochtemperatur-Technik aus ökonomisch-technischen Gründen nicht zu erhalten sind. Den erfindungsgemäßen Edelsteinen kann bei der Herstellung durch die Zusammensetzung der Gasphase eine eigene Körperfarbe (z. B. Blau durch Bor oder Gelb durch Stickstoff) verliehen werden, was deren Einsatz bei jedem nur denkbaren Schmuckstück oder jeder denkbaren Verzierung mit Edelsteinen ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schmucksteines wird noch an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1:
Eine schematische Seitenansicht der Edelsteinschicht eines Schmucksteines.
Fig. 2:
Eine schematische Ansicht des Bereiches Y der Fig. 1 im vergrößerten Maßstab.
Fig. 3:
Eine schematische Draufsicht auf die Edelsteinschicht nach Fig. 1.
Fig. 4:
Eine schematische Ansicht der Edelsteinschicht nach Fig. 1 von unten.
Fig. 5:
Eine schematische Ansicht des Bereiches X der Fig. 4 im vergrößerten Maßstab.
In den Zeichnungen ist aus Gründen der Vereinfachung und Klarheit nur die Edelsteinschicht 1 ohne deren Träger dargestellt, dessen an die Edelsteinschicht 1 angrenzende Seite spiegelbildlich geformt ist.
Die Edelsteinschicht 1 weist auf der Unterseite eine Vielzahl von pyramidenförmigen Erhebungen 2 mit einem Winkel "A" auf und ist an ihrer Oberseite mit einem Achtkantfacettenschliff versehen.
Die auf dem nicht dargestellten Träger fest haftende und geschliffene Edelsteinschicht 1 bildet den erfindungsgemäßen Schmuckstein, der in einem Schmuckstück, z. B. einem Ring, gefaßt werden kann.
Der Träger, auf den die Edelsteinschicht aufgebracht wird, muß nicht die Abmessungen des späteren Schmucksteines haben. Von einem großflächigen Träger mit Edelsteinschicht können Teile abgetrennt und zu einem Schmuckstein ver- bzw. bearbeitet werden.

Claims (15)

  1. Schmuckstein, gekennzeichnet durch einen vorzugsweise tafelförmigen Träger, dessen eine Oberfläche mindestens eine pyramidenförmige Vertiefung aufweist und eine durch Gasphasenabscheidung erhaltene Edelsteinschicht (1) trägt.
  2. Schmuckstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Siliziumwafer ist.
  3. Schmuckstein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein (100) oder (111) Wafer ist.
  4. Schmuckstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Edelmetall besteht.
  5. Schmuckstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Hartmetall besteht.
  6. Schmuckstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Refraktärmetall wie Wolfram oder Molybdän besteht.
  7. Schmuckstein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die pyramidenförmigen Vertiefungen mechanisch, z. B. durch Schleifen oder Prägen, erhalten wurden.
  8. Schmuckstein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die pyramidenförmigen Vertiefungen durch Ätzen erhalten wurden.
  9. Schmuckstein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyramidenwinkel der Vertiefungen eines Trägers verschieden sind.
  10. Schmuckstein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyramidenwinkel der Vertiefungen etwa 109° beträgt.
  11. Schmuckstein, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrenzen der Edelsteinschicht (1) säulenartig ausgerichtet sind.
  12. Schmuckstein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pyramidenförmigen Vertiefungen verspiegelt sind.
  13. Schmuckstein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Edelsteinschicht (1) geschliffen ist.
  14. Schmuckstein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelsteinschicht (1) durch Dotierung eine Körperfarbe aufweist.
  15. Schmuckstein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Edelsteinschicht (1) tragende Fläche des Trägers gekrümmt ist.
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