ITTO950763A1

ITTO950763A1 - Superficie anti-riflettente a rugosita' predeterminata, particolarmente per plance di autoveicoli

Info

Publication number: ITTO950763A1
Application number: IT95TO000763A
Authority: IT
Inventors: Piero Perlo; Sabino Sinesi; Luca Sardi
Original assignee: Fiat Ricerche
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-03-26
Also published as: DE69627088T2; ES2194090T3; DE69627088D1; EP0766102A1; US5817396A; IT1281359B1; EP0766102B1

Abstract

Viene descritta una superficie anti - riflettente a rugosità controllata in modo tale da mantenere bassa la riflettanza della radiazione incidente. Profili con rugosità di altezza pari a molte lunghezze d'onda della radiazione intrappolano la radiazione stessa indipendentemente dal suo stato di polarizzazione e anche per grandi angoli di incidenza.(Figura 4).

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Superficie anti-riflettente a rugosità predeterminata, particolarmente per plance di autoveicoli" ,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda una superficie avente un profilo tridimensionale con rugosità predeterminata in modo tale da mantenere bassa la riflettanza della radiazione incidente.

Il problema della riduzione della riflettanza nei materiali, in particolare nei materiali plastici, utilizzati ad esempio per plance di autoveicoli, è stato affrontato in diversi modi.

Il metodo più immediato consiste nello scegliere materiali di bassa riflettanza, come ad esempio materiali plastici di colore nero o grigio scuro, che sono comunemente utilizzati nelle plance degli autoveicoli. Nonostante il colore scuro, la riflettanza speculare ad incidenza normale è difficilmente inferiore al 6%, anche in presenza di una superficie non levigata e della cosiddetta lavorazione a pelle. La rugosità random (causale) della superficie fa si che la componente diffusa della luce riflessa sia prevalente sulla componente speculare; tuttavia quest'ultima cresce con il crescere dell'angolo di incidenza secondo le leggi dell'ottica. Alla rugosità random viene, talvolta, associata una tessitura, avente un carattere stilistico che può contribuire alla diminuzione della componente speculare. Angoli di incidenza superiori a 50 " sono tipici in una plancia di autoveicolo. Pertanto, nonostante la scelta di un materiale plastico scuro, e nonostante l'introduzione di una rugosità random e della tessitura stilistica, la porzione di luce riflessa sul parabrezza rimane consistente e fastidiosa per il guidatore. Il disturbo visivo dovuto alla luce riflessa sul parabrezza impone quindi limiti di forma alla plancia o in generale alle soluzioni stilistiche .

Un altro metodo noto consiste nel trattare la superficie con rivestimenti ottici anti-riflesso. In questo caso, poiché la radiazione incide con angoli molto variabili ed elevati, sarebbero necessari più strati. Oltre a questo problema di fondo, la soluzione non è attuata talvolta anche per la complessità o le grandi dimensioni delle parti che necessiterebbero di tali trattamenti. In ogni caso i trattamenti superficiali introdurrebbero un costo aggiuntivo -Sono pure note superfici anti-riflesso (P.B. Clapman e M.C. Hutley, "Reduction of lens reflection by thè moth eye principle", Nature (Londra), pagine 244, 281-282 (1973) e US-A-5007 708 rilasciato il 16 aprile 1991 a Gaylord ed altri), che vengono indicate con termini quali" SUBWAVELENGTH STRUCTURED SURFACES" (SWS) oppure "Moth eye structures" o ancora "ZERO ORDER GRATINGS" che vengono applicate come superfici anti-riflesso, oppure per il controllo dello stato di polarizzazione, per la divisione dei fasci ed ancora per il controllo dei colori. Esempi di strutture di questo tipo si trovano in natura e risultano determinanti per le caratteristiche anti-riflesso della cornea di alcuni tipi di insetti, della colorazione di alcuni tipi di farfalle o delle caratteristiche di assorbimento o riflessione selettiva di alcune foglie o vegetali. La descrizione matematica delle proprietà di tali superfici è limitata a casi di profili periodici particolari. Tali strutture hanno caratteristiche fortemente dipendenti dalla lunghezza d'onda, dallo stato di polarizzazione e dall'angolo di incidenza del fascio di radiazioni incidente. Le caratteristiche del materiale sono poco influenti sulle proprietà ottiche conclusive; queste sono quasi univocamente determinate dal profilo della superficie, che ha rilievi di altezza pari ad una frazione della lunghezza d'onda della radiazione. Con le cosiddette superiici di ordine zero si ottiene un comportamento selettivo della lunghezza d'onda ed è possibile lasciare invariato il fronte d'onda di un fascio di luce che attraversa ad esempio una lastra di vetro o di plastica.

Soluzioni di superfici anti-riflettenti aventi rilievi di altezza inferiore alla lunghezza d'onda che abbiano caratteristiche anti-rif lettenti su tutto lo spettro visibile e per grandi intervalli degli angoli di incidenza non sono note in letteratura. La natura puramente difrattiva di tali superfici per grandi intervalli dell'angolo di incidenza in presenza di un ampio spettro di radiazione può inoltre creare effetti di iridescenza difrattiva indesiderata. Alle difficoltà proprie descritte per questo tipo di soluzione, si aggiungono le dimensioni estese e la complessità tipica di una superficie quale quella di una plancia auto. La soluzione con superfici aventi rilievi di altezza pari ad una frazione della lunghezza d'onda della radiazione è perciò difficilmente attuabile su tutta la superficie.

Nel caso in cui siano necessarie soltanto caratteristiche anti-riflesso, ad esempio per componenti di materia plastica, le superfici del tipo di ordine zero o SWS sono valide per uno spettro di lunghezza d'onda di ampiezza limitata e comportano notevoli complicazioni tecnologiche.

Lo scopo della presente invenzione è quello di superare le complessità tecnologiche associate alle superfici del tipo di ordine zero o SWS, ottenendo un comportamento anti-riflettente per un ampio spettro di lunghezze d'onda.

Secondo l'invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie alle caratteristiche formanti oggetto dell’annessa rivendicazione 1. Ulteriori caratteristiche vantaggiose dell'invenzione sono indicate nelle rivendicazioni dipendenti dalla rivendicazione 1.

Le figure 1, 2 e 3 dei disegni annessi illustrano in modo schematico i metodi convenzionali utilizzabili sia per realizzare una superficie rugosa con profilo random e tessitura aggiuntiva del tipo noto che è stato menzionato sopra e che viene comunemente applicato alle plance di autoveicoli, sia del tipo con profilo predeterminato puramente difrattivo del tipo SWS con rilievi di dimensioni pari ad una frazione della lunghezza d'onda, sia per realizzare la superficie anti-riflettente secondo la presente invenzione. La figura 1 illustra la realizzazione di una superficie rugosa 1 su una faccia di una lastra di materiale plastico 2 mediante calandratura fra due cilindri controrotanti 3, 4, il primo dei quali presenta un profilo dentato atto a ricavare la superficie rugosa con il profilo desiderato. La figura 2 illustra una lavorazione simile a quella della figura 1, in cui l'operazione di calandratura è associata ad un'operazione di laminazione di un materiale di sopporto 5 sulla faccia della lastra di materiale plastico 2 che è opposta alla superficie anti-riflettente 1. La figura 3 illustra il caso in cui il corpo di materiale plastico 2 viene ricavato direttamente con la superficie anti-riflettente 1 mediante iniezione di materiale plastico attraverso un canale 6 nella cavità definita fra due elementi 7, 8 di uno stampo.

Mentre i metodi per la riproduzione della superficie anti-riflettente sono simili indipendentemente dalla soluzione attuata, molto diversi sono i metodi per ottenere lo stampo od il "master" che viene utilizzato per la riproduzione.

Nel caso in cui la superficie abbia rugosità random convenzionale, i rilievi hanno altezze e spaziature che possono variare da una frazione di lunghezza d'onda a molte lunghezze d'onda e vengono generati con le tecniche classiche della fotolitografia, secondo procedure note nella tecnica. Ciò vale per la calandratura, per la laminazione e per lo stampaggio. Nel caso di rilievi puramente difrattivi del tipo SWS, con dimensioni inferiori o dell'ordine della lunghezza d'onda, sono necessarie tecnologie complesse e costose quali quelle olografiche, litografiche a fasci elettronici a raggi x, seguite da altre tecniche di etching ad alta risoluzione al plasma o a ioni, etc. La complessità ed i costi per la produzione di stampi o di master sono tanto più elevati quanto inferiore è la lunghezza d'onda. Il loro utilizzo è quindi prevalentemente orientato alle lunghezze d'onda del campo elettromagnetico fino allo spettro infrarosso, raramente allo spettro visibile. Un ulteriore complessità deriva dalle dimensioni e dalla forma dei componenti da realizzare, per cui è più facile la realizzazione con la tecnica di calandratura o laminazione, mentre in generale è molto difficile 1'implementazione dello stampaggio su grandi forme complesse ed in particolare su quelle della plance di autoveicoli.

Tutti i suddetti inconvenienti vengono risolti con la superficie formante oggetto della presente invenzione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

la figura 1 è una vista schematica che illustra un primo procedimento per la realizzazione di una superficie secondo l'invenzione,

le figure 2, 3 illustrano due procedimenti alternativi,

la figura 4 illustra il percorso tipico di un raggio luminoso in una struttura unidimensionale con profilo a rilievi triangolari,

la figura 5 illustra un profilo a rilievi triangolari cui si sovrappone una rugosità random, la figura 6 è un diagramma che mostra la variazione della riflettanza con l'angolo di incidenza del raggio luminoso per una struttura anti-riflesso a rilievi piramidali secondo 1'invenzione,

la figura 7 è una visualizzazione ottenuta con elaboratore di una superficie anti-riflesso,

l'altezza h del profilo triangolare di ciascun rilievo. Ad ogni riflessione il raggio perde una parte della sua energia. Note le caratteristiche del materiale e gli angoli di incidenza ad ogni riflessione è facilmente ricavabile anche il valore percentuale dell'energia e lo stato di polarizzazione del raggio uscente 2. Definito il valore minimo accettato del valore di riflettanza speculare resta definito anche il profilo della superficie e nel caso specifico il valore di b e di h. Considerazioni analoghe valgono quando un raggio 3 incide con un angolo rispetto alla normale al piano a diverso da zero; anche in questo caso il valore energetico del raggio uscente 4 dipende dalle caratteristiche del materiale e dal numero M delle riflessioni che ha subito sulle pareti numero che dipende come in precedenza dal profilo della superficie e nel caso particolare dei valori b e h. Poiché l'angolo di incidenza rispetto alla normale alla parete è sempre molto elevato, la rugosità residua random visibile nella figura 5 lungo il profilo a rilievi triangolari influenza mi imamente il valore globale della radiazione soggetta a scattering, poiché a grandi angoli di incidenza è dominante il valore della radiazione riflessa specularmente, che è la responsabile principale del disturbo visivo riscontrabile ad esempio in una plancia di autoveicolo.

Un possibile problema riscontrabile per il tipo di profili in discussione è dovuto agli effetti di diffrazione evidenziabili in particolare quando i raggi incidenti hanno un grande angolo rispetto alla normale alla superficie piana a ed il periodo è di poche lunghezze d'onda, ad esempio tra 5 e 20 volte la lunghezza d'onda della radiazione. In questo caso, nonostante il valore della riflettanza speculare sia contenibile ad un valore basso, possono presentarsi effetti di iridescenza difrattiva non desiderata. Una prima soluzione a questo problema si può ottenere imponendo periodi e quindi altezze, dei profili, di qualche decina di lunghezze d'onda, ad esempio maggiori di venti volte la lunghezza d'onda. Una seconda soluzione è ottenibile variando l'altezza dei profili all'interno del singolo periodo quando questo in particolare ha la lunghezza tra 5 e 20 lunghezze d'onda. Esempi di tale soluzione sono descritti nel seguito con riferimento alle figure 6 e 7.

Nella figura 6 viene presentato il grafico del valore della riflettanza media calcolata su tutto lo spettro visibile per angoli di incidenza variabili fra -60 e 60. Il calcolo è relativo ad una superficie con rilievi piramidali costituita da un materiale levigato, con rilievi conici si ottengono risultati analoghi. L'altezza delle piramidi è di 100 micron ossia di circa 200 lunghezze d'onda, con un rapporto altezza/base uguale a 2. Il calcolo è relativo ad una superficie di plastica con una riflettanza pari a 0,2 ad un angolo di incidenza di 0". Tale superficie può essere costituita da un materiale plastico scuro, come quello solitamente utilizzato nelle plance di autoveicoli, oppure può anche essere realizzato in un colore diverso, ad esempio rosso o verde. Il valore della riflettanza a grandi angoli di incidenza può essere controllato in modo tale per cui, ad esempio, il colore del materiale base della plancia rimane visibile ad occhio nudo senza che quanto riflesso dal parabrezza possa creare disturbo al guidatore. Un analogo comportamento riflettente si ha anche utilizzando un materiale metallico. Più alto è il rapporto tra l'altezza e la base dei rilievi piramidali, e migliori risultano le caratteristiche anti-riflesso. Grafici analoghi sono ottenibili con altezze a partire da poche lunghezze d'onda, ad esempio 5 lunghezze d'onda. Tuttavia, quando le altezze sono pochi micron, il vincolo costituito dalla necessità di avere un rapporto altezza/base maggiore di 1 comporta la presenza di effetti rifrattivi indesiderati accentuati ad angoli di incidenza levati. In effetti, una consistente porzione della radiazione si trova prossima alle punte dei rilievi, dove gli effetti di rifrazione sono più marcati.

Nella figura 7 viene descritta una struttura tipica anti-riflesso con rilievi di altezza di poche lunghezze d'onda, aventi la caratteristica di mantenere le proprie peculiarità a grandi angoli di incidenza ed indipendentemente dall'angolo di azimut del fascio di radiazione incidente. Alternando piramidi di altezze differenti, ad angoli di incidenza elevati diminuisce l'effetto di diffrazione indesiderata sulle punte di rilievi. La percentuale di radiazione prossima alle punte più esterne viene in tal modo ridotta. Con un tale accorgimento si possono utilizzare rilievi di altezze di poche lunghezze d'onda senza generare effetti di iridescenza. I valori di riflettanza rimangono inferiori all'1% anche ad angoli di incidenza di 60%.

La figura 8 illustra l'applicazione di una struttura anti-riflesso al caso specifico di una plancia di autoveicolo. La superficie anti-riflesso può coprire l'intera plancia 10 nella zona sottostante al parabrezza 11, oppure soltanto l'area prossima alle bocchette di ventilazione 12, ove il disturbo della radiazione speculare è più marcato.

La figura 9 illustra la superficie di una cella solare con rilievi 13 definenti fra essi scanalature 14 sul fondo delle quali sono ricevuti i fili conduttori solitamente utilizzati nelle celle solari .

La figura 10 illustra la superficie di un collettore solare ad alta conducibilità termica. La superficie anti-riflesso può essere ricoperta da uno strato 16 di un materiale semiconduttore o ceramico o polimerico utilizzato per migliorare l’assorbimento della radiazione solare; questa viene intrappolata sulla superficie. Il pannello conduttore è a contatto con un fluido di raffreddamento circolante in un passaggio 17.

La generazione del master o dello stampo per la riproduzione della superficie anti-riflettente secondo l’invenzione può essere effettuata con le tecniche convenzionali ad utensile meccanico, con la tecnica fotolitografica o litografica a scrittura laser o ancora con la tecnologia della proiezione di maschere irraggiate da fasci di radiazione di alta potenza per ottenere direttamente il profilo desiderato sul master o sullo stampo o per evaporazione o ablazione del materiale. I profili del tipo delle superfici oggetto della presente invenzione, includenti rilievi con altezze e periodi che sono multipli interi della lunghezza d'onda, consentono in generale una facile adattabilità di molte tecnologie alla generazione del master o direttamente degli stampi per produrre forme estese complesse. La replica di massa delle superfici antiriflesso descritte può essere effettuata con le tecnologie note dello stampaggio per iniezione, un cui schema è portato in figura 3, oppure secondo la tecnologia della calandratura, o embossing, descritta nella figura 1, oppure ancora secondo la tecnologia della laminazione descritta nella figura 2 o secondo la tecnologia più convenzionale dello stampaggio a caldo o a freddo.

Naturalmente fermo restando al principio del trovato, i particolari di costruzione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Superficie anti-riflettente o ad alto assorbimento con rugosità predeterminata, per materiali dielettrici, conduttori, semiconduttori, ceramici, plastici o metallici, presentante un profilo, periodico o aperiodico, con rilievi aventi un’altezza pari ad un multiplo intero della lunghezza d'onda della radiazione, preferibilmente compresa fra 5 e 300 volte la lunghezza d'onda, in modo tale per cui la radiazione elettromagnetica è sostanzialmente assorbita principalmente per effetto di fenomeni di riflessione, rifrazione ed assorbimento e parzialmente per effetto di fenomeni di diffrazione.
2. Superficie anti-riflettente secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che presenta un profilo con rilievi aventi un rapporto altezza/base maggiore di 1, in modo tale per cui la radiazione è costretta a subire un numero elevato di riflessioni, per cui la riflettanza speculare di detta superficie risulta inferiore ad un valore predeterminato .
3. Superficie anti-riflettente secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che presenta caratteristiche anti-riflettenti per angoli di incidenza che vanno da 0<” >fino a 60“ ed oltre. con rilievi di altezza non costante compresa fra 5 lunghezze d'onda e 20 lunghezze d'onda.
4. Componente per l'abitacolo di un autoveicolo, costituito di materia plastica o di metallo, caratterizzato dal fatto che presenta una superficie anti-riflesso secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni .
5. Plancia di autoveicolo, costituita da un materiale plastico scuro o colorato, caratterizzata dal fatto che presenta superfici anti-riflesso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3.
6. Superficie anti-riflesso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che è ottenuta mediante lavorazioni del tipo calandratura o embossing, o laminazione, o stampaggio ad iniezione, o stampaggio convenzionale a freddo o a caldo.
7. Cella solare includente una superficie ad alto assorbimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3.
8. Collettore di energia solare, caratterizzato dal fatto che presenta una superficie ad alto assorbimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, ulteriormente provvista di un rivestimento semiconduttore ceramico o polimerico destinato ad aumentare ulteriormente l'efficienza, l 'assorbimento e la resistenza alle condizioni ambientali. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.