DE102016100346A1

DE102016100346A1 - Beständige hybridpigmente einer omnidirektionalen strukturellen farbe für aussenanwendungen

Info

Publication number: DE102016100346A1
Application number: DE102016100346.8A
Authority: DE
Inventors: Debasish Banerjee; Songtao Wu; Khoa Vo
Original assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2016-07-28
Also published as: JP6791637B2; JP7036886B2; CN115612316A; JP2021036049A; JP7307219B2; JP2016186069A; CN105824066A; JP2023115322A; JP2022066377A

Abstract

Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe. Das Pigment weist eine für das menschliche Auge sichtbare Farbe auf und besitzt eine sehr geringe oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung, wenn es breitbandiger elektromagnetischer Strahlung (z. B. weißem Licht) ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45° relativ zu der Normalen einer äußeren Oberfläche des Pigments betrachtet wird. Das Pigment liegt in Form eines mehrschichtigen Stapels mit einer reflektierenden Kernschicht und mindestens zwei Schichten mit hohem Brechungsindex (nh) vor. Eine der nh-Schichten kann eine trocken abgeschiedene dielektrische nh-Schicht sein, die sich über der reflektierenden Kernschicht erstreckt, und eine der Schichten kann eine nass abgeschiedene äußere nh-Schutzbeschichtungslage sein. Eine Absorberschicht, die sich zwischen der trocken abgeschiedenen dielektrischen nh-Schicht und der nass abgeschiedenen äußeren nh-Schutzschicht erstreckt, kann auch beinhaltet sein.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine „Continuation-in-part” (CIP) der am 28. August 2014 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/471,834, die wiederum eine CIP der am 15. August 2014 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/460,511 ist, die wiederum eine CIP der am 1. April 2014 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/242,429 ist, die wiederum eine CIP der am 23. Dezember 2013 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/138,499 ist, die wiederum eine CIP der am 8. Juni 2013 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/913,402 ist, die wiederum eine CIP der am 6. Februar 2013 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/760,699 ist, die wiederum eine CIP der am 10. August 2012 eingereichten 13/572,071 ist, die wiederum eine CIP der am 5. Februar 2011 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/021,730 ist, die wiederum eine CIP der am 4. Juni 2010 eingereichten 12/793,772 ( US-Patent 8,736,959 ) ist, die wiederum eine CIP der am 18. Februar 2009 eingereichten 12/388,395 ( US-Patent 8,749,881 ) ist, die wiederum eine CIP der am 12. August 2007 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 11/837,529 ( US-Patent 7,903,339 ) ist. Die am 8. Juni 2013 eingereichte US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/913,402 ist eine CIP der am 26. Januar 2011 eingereichten 13/014,398, welche eine CIP der am 4. Juni 2010 eingereichten 12/793,772 ist, welche eine CIP der am 13. Januar 2010 eingereichten 12/686,861 ( US-Patent 8,593,728 ) ist, welche eine CIP der am 19. Februar 2009 eingereichten 12/389,256 ( US-Patent 8,329,247 ) ist, die alle in ihrer Gesamtheit durch Verweis mit einbezogen sind.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft mehrschichtige Stapelstrukturen mit Schutzbeschichtungen darauf und insbesondere mehrschichtige Hybridstapelstrukturen mit einer Schutzbeschichtung darauf, die eine minimale oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung aufweisen, wenn sie breitbandiger elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt sind und aus unterschiedlichen Winkeln betrachtet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Pigmente aus mehrschichtigen Strukturen sind bekannt. Darüber hinaus sind auch Pigmente bekannt, die eine omnidirektionale strukturelle Farbe mit hoher Chroma bzw. Buntheit/Sättigung aufweisen oder bereitstellen. Jedoch erfordern derartige Pigmente aus dem Stand der Technik ganze 39 dünne Filmschichten, um gewünschte Farbeigenschaften zu erhalten.
Es versteht sich, dass die mit der Herstellung von dünnschichtigen Mehrschichtpigmenten verbundenen Kosten proportional zur Anzahl der erforderlichen Schichten sind. Demzufolge können die Kosten im Zusammenhang mit der Herstellung von omnidirektionalen strukturellen Farben mit hoher Chroma unter Verwendung von mehrschichtigen Stapeln dielektrischer Materialien untragbar hoch sein. Deshalb wäre eine omnidirektionale strukturelle Farbe mit hoher Chroma wünschenswert, die eine minimale Anzahl von dünnen Filmschichten erfordert.
Zusätzlich zu dem Vorstehenden versteht sich, dass Pigmente, wenn sie Sonnenlicht und insbesondere ultraviolettem Licht ausgesetzt sind, verblassen können, Farbveränderungen aufweisen können, etc. Demzufolge wäre auch ein Pigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe mit hoher Chroma wünschenswert, das wetterbeständig ist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bereitgestellt wird ein Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe. Das Pigment weist eine für das menschliche Auge sichtbare Farbe auf und besitzt eine sehr geringe oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung, wenn es breitbandiger elektromagnetischer Strahlung (z. B. weißem Licht) ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45° betrachtet wird.
Das Pigment liegt in Form eines mehrschichtigen Stapels vor, der hierin auch als ein mehrschichtiger dünner Film bezeichnet wird und der ein Reflexionsband mit einer vorbestimmten vollen Halbwertsbreite (FWHM) von weniger als 300 nm reflektiert. Darüber hinaus besitzt das Reflexionsband eine vorbestimmte Farbverschiebung von weniger als 30° in einem a*b*-Farbdiagramm unter Verwendung des CIELAB-Farbraums, wenn das Pigment breitbandiger elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45° betrachtet wird.
Der mehrschichtige Stapel besitzt eine reflektierende Kernschicht und mindestens zwei Schichten mit hohem Brechungsindex (n_h). Eine der n_h-Schichten kann eine trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht sein, die sich über der reflektierenden Kernschicht erstreckt, und eine der Schichten kann eine trocken abgeschiedene Absorberschicht sein, die sich über der trocken abgeschiedenen dielektrischen n_h-Schicht erstreckt. Der mehrschichtige Stapel beinhaltet auch eine äußere Schutzschicht, die in Form einer nass abgeschiedenen äußeren n_h-Oxidschicht vorliegen kann. In einigen Fällen bedeckt die nass abgeschiedene äußere n_h-Schicht die trocken abgeschiedene Absorberschicht und steht mit dieser in direkter Berührung und kann die Reflektorkernschicht und mindestens zwei n_h-Schichten vollständig umgeben oder umhüllen oder auch nicht.
Die reflektierende Kernschicht kann eine metallische Reflektorkernschicht sein, die eine Dicke zwischen 30–200 nm besitzt. In einigen Fällen ist die metallische Kernreflektorschicht aus mindestens einem aus Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn und Legierungen daraus hergestellt.
Die trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht ist aus mindestens einem aus CeO₂, Nb₂O₅, SiN, SnO₂, SnS, TiO₂, ZnO, ZnS und ZrO₂, oder einem Gemisch hergestellt, das mindestens eines aus CeO₂, Nb₂O₅, SiN, SnO₂, SnS, TiO₂, ZnO, ZnS und ZrO₂ enthält. Darüber hinaus besitzt die trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht eine Dicke zwischen 0,1 QW–4,0 QW für eine gewünschte Steuerwellenlänge, wobei die gewünschte Steuerwellenlänge eine Mittelwellenlänge für ein gewünschtes Farbreflexionsband ist. Die trocken abgeschiedene Absorberschicht ist aus mindestens einem aus Cr, Cu, Au, Sn, Legierungen daraus, amorphem Si, Fe₂O₃ und dergleichen hergestellt und kann eine Dicke zwischen 2–30 nm besitzen. Die nass abgeschiedene äußere n_h-Oxidschicht ist aus mindestens einem aus CeO₂, Nb₂O₅, SnO₂, TiO₂, ZnO und ZrO₂ hergestellt und kann eine Dicke zwischen 5–200 nm besitzen.
In einigen Fällen besitzt die Mehrfachschicht eine mittlere Reflektorkernschicht und ein Paar von trocken abgeschiedenen dielektrischen n_h-Schichten, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und die reflektierende Kernschicht begrenzen. Darüber hinaus kann ein Paar von Absorberschichten einander gegenüberliegend angeordnet sein und das Paar von trocken abgeschiedenen dielektrischen n_h-Schichten begrenzen. Auch kann sich die nass abgeschiedene äußere n_h-Oxidschicht über Außenflächen des Paars von Absorberschichten erstrecken.
Das omnidirektionale strukturelle Hybridfarbpigment besitzt eine Dicke von weniger als 2,0 μm und besitzt in einigen Fällen eine Dicke von weniger als 1,5 μm. Das Pigment, und somit der mehrschichtige Stapel, kann auch weniger als 10 Schichten insgesamt aufweisen und kann in einigen Fällen weniger als 8 Schichten insgesamt aufweisen.
Auch ein Verfahren zum Herstellen eines omnidirektionalen strukturellen Farbpigments wird bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Fertigen des vorstehend erörterten mehrschichten Stapels durch Bereitstellen einer reflektierenden Kernschicht und Trockenabscheiden einer dielektrischen n_h-Schicht, die sich über der reflektierenden Kernschicht erstreckt. Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren Trockenabscheiden einer Absorberschicht, die sich über der dielektrischen n_h-Schicht erstreckt, und Nassabscheiden einer äußeren n_h-Oxidschicht, die sich über der Absorberschicht erstreckt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe, der aus einer dielektrischen Schicht, einer selektiv absorbierenden Schicht (SAL) und einer Reflektorschicht hergestellt ist;
2A ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Feldpunktes von null oder nahe null innerhalb einer dielektrischen ZnS-Schicht, die elektromagnetischer Strahlung (EMR) mit einer Wellenlänge von 500 nm ausgesetzt ist;
2B ist eine graphische Darstellung des absoluten Werts des elektrischen Felds im Quadrat (|E|²) über der Dicke der in 2A gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht, wenn diese einer EMR mit Wellenlängen von 300, 400, 500, 600 und 700 nm ausgesetzt ist;
3 ist eine schematische Darstellung einer dielektrischen Schicht, die sich über einem Substrat oder einer Reflektorschicht erstreckt und elektromagnetischer Strahlung in einem Winkel θ relativ zu einer Normalenrichtung zur äußeren Oberfläche der dielektrischen Schicht ausgesetzt ist;
4 ist eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht mit einer Cr-Absorberschicht, die an dem elektrischen Feldpunkt von null oder nahe null innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht für einfallende EMR mit einer Wellenlänge von 434 nm angeordnet ist;
5 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel ohne eine Cr-Absorberschicht (z. B. 2A) und einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cr-Absorberschicht (z. B. 4), die weißem Licht ausgesetzt sind;
6A ist eine graphische Darstellung von ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt (z. B. 2A);
6B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt, sowie einer Cr-Absorberschicht, die innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 6A gezeigten zweiten Harmonischen absorbiert werden;
6C ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt, sowie einer Cr-Absorberschicht, die innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 6A gezeigten ersten Harmonischen absorbiert werden;
7A ist eine graphische Darstellung eines elektrischen Felds im Quadrat über der Dicke der dielektrischen Schicht, die die Winkelabhängigkeit des elektrischen Felds einer Cr-Absorberschicht für eine Beaufschlagung mit einfallendem Licht bei 0 und 45 Grad zeigt;
7B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Absorption durch eine Cr-Absorberschicht über der reflektierten EMR-Wellenlänge, wenn diese weißem Licht bei Winkeln von 0 und 45° relativ zu der Normalen der äußeren Oberfläche ausgesetzt ist (wobei 0° die Normale zur Oberfläche ist);
8A ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
8B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Absorption der in 8A gezeigten Cu-Absorberschicht über der reflektierten EMR-Wellenlänge für eine Beaufschlagung des in 10A gezeigten mehrschichtigen Stapels mit weißem Licht bei Einfallswinkeln von 0 und 45°;
9 ist ein graphischer Vergleich zwischen Berechnungs-/Simulationsdaten und experimentellen Daten für die prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen Konzeptnachweis des mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe, der weißem Licht bei einem Einfallswinkel von 0° ausgesetzt ist;
10 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
11 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
12 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
13 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
14 ist eine graphische Darstellung eines Abschnitts eines a*b*-Farbdiagramms unter Verwendung des CIELAB-Farbraums, in dem die Chroma und Farbtonverschiebung zwischen einer herkömmlichen Farbe und einer Farbe, die aus Pigmenten gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform hergestellt ist, verglichen werden (Probe (b));
15 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform;
16 ist eine schematische Darstellung eines fünfschichtigen Pigments einer omnidirektionalen strukturellen Farbe, das eine Schutzbeschichtung gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform aufweist;
17 ist eine schematische Darstellung einer Schutzbeschichtung, die zwei oder mehr Schichten gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform enthält;
18 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform; und
19 ist eine schematische Darstellung eines siebenschichtigen Pigments einer omnidirektionalen strukturellen Farbe, das eine Schutzbeschichtung gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform aufweist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bereitgestellt wird ein Pigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe. Die omnidirektionale strukturelle Farbe besitzt die Form eines mehrschichtigen Stapels (hier auch als ein mehrschichtiger dünner Film bezeichnet), der ein enges Band elektromagnetischer Strahlung in dem sichtbaren Spektrum reflektiert und eine geringe oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung besitzt, wenn der mehrschichtige Stapel durch das menschliche Auge aus Winkeln zwischen 0 bis 45 Grad betrachtet wird. Technischer formuliert, reflektiert der mehrschichtige Stapel ein enges Band sichtbarer elektromagnetischer Strahlung mit einer Breite von weniger als 300 nm, wenn er weißem Licht ausgesetzt ist. Darüber hinaus verschiebt sich das enge Band reflektierten sichtbaren Lichts weniger als 30° in einem a*b*-Farbdiagramm unter Verwendung des CIELAB-Farbraums, wenn das Pigment aus Winkeln zwischen 0 bis 45 Grad relativ zu der Normalen einer äußeren Oberfläche des mehrschichtigen Stapels betrachtet wird.
Der mehrschichtige Stapel besitzt eine Reflektorkernschicht, eine sich über der Reflektorkernschicht erstreckende dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex (n_h), eine sich über der dielektrischen n_h-Schicht erstreckende Absorberschicht und eine sich über der Absorberschicht erstreckende äußere n_h-Schutzschicht. In einigen Fällen besitzt das enge Band reflektierter elektromagnetischer Strahlung eine FWHM, die unterhalb von weniger als 200 nm und in anderen Fällen weniger als 150 nm definiert ist. Der mehrschichtige Stapel kann auch eine Farbverschiebung von weniger als 20° und in einigen Fällen weniger als 15° in dem a*b*-Farbdiagramm besitzen.
Ein anderes Maß für die Farbverschiebung ist eine Verschiebung einer Mittelwellenlänge des engen Reflexionsbandes. So gesehen, verschiebt sich eine Mittelwellenlänge des engen Bandes reflektierten sichtbaren Lichts weniger als 50 nm, bevorzugt weniger als 40 nm und bevorzugter weniger als 30 nm, wenn der mehrschichtige Stapel breitbandiger elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad relativ zu der Normalen einer äußeren Oberfläche des mehrschichtigen Stapels betrachtet wird. Auch kann der mehrschichtige Stapel ein separates reflektiertes Band elektromagnetischer Strahlung in dem UV-Bereich und/oder dem IR-Bereich besitzen oder auch nicht.
Die Gesamtdicke des mehrschichtigen Stapels beträgt weniger als 2 μm, bevorzugt weniger als 1,5 μm und noch bevorzugter weniger als 1,0 μm. Demzufolge kann der mehrschichtige Stapel als Farbpigment in Dünnfilmfarbbeschichtungen verwendet werden.
Der mehrschichtige Stapel kann auch eine Reflektorkernschicht beinhalten, über der sich die erste Schicht und die zweite Schicht erstrecken, und die Reflektorkernschicht kann aus Metallen, wie etwa Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn, Legierungen daraus, und dergleichen hergestellt sein. Die Reflektorkernschicht besitzt typischerweise eine Dicke zwischen 30–200 nm.
Die erste Schicht ist aus einem dielektrischen n_h-Material hergestellt, und die zweite Schicht ist aus einem absorbierenden Material hergestellt. Das dielektrische n_h-Material kann CeO₂, Nb₂O₅, SiN, SnO₂, SnS, TiO₂, ZnO, ZnS und ZrO₂ beinhalten, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das absorbierende Material kann selektiv absorbierende Materialien, wie etwa Cu, Au, Zn, Sn, Legierungen daraus, und dergleichen beinhalten oder kann alternativ farbige dielektrische Materialien, wie etwa Fe₂O₃, Cu₂O, Kombinationen daraus und dergleichen beinhalten. Das absorbierende Material kann auch ein nicht-selektiv absorbierendes Material, wie etwa Cr, Ta, W, Mo, Ti, Ti-Nitrid, Nb, Co, Si, Ge, Ni, Pd, V, Eisenoxide, Kombinationen oder Legierungen daraus und dergleichen sein. Die äußere Schutzschicht kann CeO₂, Nb₂O₅, SnO₂, TiO₂, ZnO und ZrO₂ beinhalten, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Die Dicke der dielektrischen n_h-Schicht kann zwischen 0,1 QW–4,0 QW für eine gewünschte Steuerwellenlänge betragen. Die Dicke einer aus selektiv absorbierendem Material hergestellten absorbierenden Schicht beträgt zwischen 20–80 nm, wohingegen die Dicke einer aus einem nicht-selektiv absorbierenden Material hergestellten absorbierenden Schicht zwischen 5–30 nm beträgt. Die Dicke der äußeren Schutzschicht kann zwischen 5–200 nm betragen.
Der mehrschichtige Stapel kann ein enges reflektiertes Band elektromagnetischer Strahlung besitzen, das die Form eines symmetrischen Peaks innerhalb des sichtbaren Spektrums aufweist. Alternativ kann das enge reflektierte Band elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektrum benachbart zu dem UV-Bereich sein, so dass ein Abschnitt des reflektierten Bands elektromagnetischer Strahlung, d. h. der UV-Abschnitt, für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. In einer weiteren Alternative kann das reflektierte Band elektromagnetischer Strahlung einen Abschnitt in dem IR-Bereich derart aufweisen, dass der IR-Abschnitt für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.
Ganz gleich, ob das im sichtbaren Spektrum liegende reflektierte Band elektromagnetischer Strahlung an den UV-Bereich, den IR-Bereich angrenzt oder einen symmetrischen Peak innerhalb des sichtbaren Spektrums besitzt, weisen hier offenbarte mehrschichtige Stapel ein enges reflektiertes Band elektromagnetischer Strahlung in dem sichtbaren Spektrum mit einer geringen, geringfügigen oder nicht wahrnehmbaren Farbverschiebung auf. Die geringe oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung kann in Form einer geringfügigen Verschiebung einer Mittelwellenlänge für ein enges reflektiertes Band elektromagnetischer Strahlung vorliegen. Alternativ kann die geringe oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung in Form einer geringfügigen Verschiebung einer UV-seitigen Grenze oder IR-seitigen Grenze eines reflektierten Bandes elektromagnetischer Strahlung vorliegen, das an den IR-Bereich bzw. UV-Bereich angrenzt. Eine derartige geringfügige Verschiebung einer Mittelwellenlänge, UV-seitigen Grenze und/oder IR-seitigen Grenze beträgt typischerweise weniger als 50 nm, in einigen Fällen weniger als 40 nm und in anderen Fällen weniger als 30 nm, wenn der mehrschichtige Stapel aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad relativ zu der Normalen einer äußeren Oberfläche des mehrschichtigen Stapels betrachtet wird. Die geringe oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung kann auch in Form einer geringfügigen Farbtonverschiebung in einem a*b*-Farbdiagramm unter Verwendung des CIELAB-Farbraums vorliegen. Beispielsweise beträgt die Farbtonverschiebung für den mehrschichtigen Stapel in einigen Fällen weniger als 30°, bevorzugt weniger als 25°, bevorzugter weniger als 20°, noch bevorzugter weniger als 15° und sogar noch bevorzugter weniger als 10°.
Zusätzlich zu dem Vorstehenden kann die omnidirektionale strukturelle Farbe in Form eines mehrschichtigen Stapels in Form einer Mehrzahl von Pigmentpartikeln mit der äußeren Schutzbeschichtung darauf, z. B. einer wetterbeständigen Beschichtung, vorliegen. Die äußere Schutzbeschichtung kann eine oder mehrere n_h-Oxidschichten beinhalten, die die relative photokatalytische Aktivität der Pigmentpartikel verringern. In einigen Fallen beinhaltet die äußere Schutzbeschichtung eine erste Oxidschicht und eine zweite Oxidschicht. Darüber hinaus kann die erste Oxidschicht und/oder die zweite Oxidschicht eine Hybridoxidschicht sein, d. h. eine Oxidschicht, die eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Oxiden ist.
Ein Verfahren zum Herstellen des Pigments einer omnidirektionalen strukturellen Farbe kann die Verwendung einer Säure, einer sauren Verbindung, sauren Lösung und dergleichen beinhalten oder auch nicht. Anders ausgedrückt, kann die Mehrzahl von Pigmentpartikeln einer omnidirektionalen strukturellen Farbe in einer sauren Lösung behandelt werden oder auch nicht. Zusätzliche Lehren und Details des Pigments einer omnidirektionalen strukturellen Farbe und eines Verfahrens zum Herstellen des Pigments werden später im vorliegenden Dokument erörtert.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Gestaltung gezeigt, in der sich über einer untenliegenden Reflektorschicht (RL) eine erste Schicht DL₁ aus dielektrischem Material erstreckt und sich eine selektiv absorbierende Schicht SAL über der DL₁-Schicht erstreckt. Darüber hinaus kann eine weitere DL₁-Schicht vorgesehen sein oder auch nicht und sich über der selektiv absorbierenden Schicht erstrecken. Auch ist in der Figur eine Darstellung gezeigt, wonach die gesamte einfallende elektromagnetische Strahlung von der mehrschichtigen Struktur entweder reflektiert oder selektiv absorbiert wird.
Eine derartige in 1 veranschaulichte Gestaltung entspricht einem anderen Ansatz, der zur Konzeption und Herstellung eines gewünschten mehrschichtigen Stapels verwendet wird. Insbesondere wird nachstehend eine Dicke eines Energiepunktes von null oder nahe null für eine dielektrische Schicht verwendet und erörtert.
Beispielsweise ist 2A eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorkernschicht erstreckt. Die dielektrische ZnS-Schicht besitzt eine Gesamtdicke von 143 nm, und für einfallende elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 500 nm liegt ein Energiepunkt von null oder nahe null bei 77 nm vor. Anders ausgedrückt, weist die dielektrische ZnS-Schicht in einem Abstand von 77 nm von der Al-Reflektorschicht für einfallende elektromagnetische Strahlung (EMR) mit einer Wellenlänge von 500 nm ein elektrisches Feld von null oder nahe null auf. Darüber hinaus sieht 2B für eine Reihe von unterschiedlichen einfallenden EMR-Wellenlängen eine graphische Darstellung des Energiefeldes über der dielektrischen ZnS-Schicht vor. Wie in dem Graphen gezeigt, besitzt die dielektrische Schicht für die Wellenlänge von 500 nm bei einer Dicke von 77 nm ein elektrisches Feld von null, doch für EMR-Wellenlängen von 300, 400, 600 und 700 nm ein von null verschiedenes elektrisches Feld bei der Dicke von 77 nm.
In Bezug auf die Berechnung eines elektrischen Feldpunktes von null oder nahe null veranschaulicht 3 eine dielektrische Schicht 4 mit einer Gesamtdicke 'D', einer inkrementellen Dicke 'd' und einem Brechungsindex 'n' auf einem Substrat oder einer Kernschicht 2 mit einem Brechungsindex n_s. Einfallendes Licht trifft auf der äußeren Oberfläche 5 der dielektrischen Schicht 4 mit einem Winkel θ relativ zu der Linie 6 auf, die zu der äußeren Oberfläche 5 rechtwinklig ist, und wird von der äußeren Oberfläche 5 mit dem gleichen Winkel θ reflektiert. Einfallendes Licht wird durch die äußere Oberfläche 5 und in die dielektrische Schicht 4 mit einem Winkel θ_F relativ zu der Linie 6 übertragen und trifft mit einem Winkel θ_s auf der Oberfläche 3 der Substratschicht 2 auf.
Für eine einzelne dielektrische Schicht gilt θ_s = θ_F, und die Energie/das elektrische Feld (E) kann als E(z) ausgedrückt werden, wenn z = d. Aus den Maxwell-Gleichungen kann das elektrische Feld für eine s-Polarisation ausgedrückt werden als:
und für eine p-Polarisation als:
wobei k = 2π / λ und λ eine zu reflektierende gewünschte Wellenlänge ist. Auch gilt α = n_s, sinθ_s, wobei ,s' dem Substrat in 5 entspricht, und ε ~(z) die Dielektrizitätskonstante der Schicht als eine Funktion von z ist. Demzufolge gilt |E(d)|² = |u(z)|²exp(2ikαy)|_z=d (3) für eine s-Polarisation und
für eine p-Polarisation.
Es versteht sich, dass eine Variation des elektrischen Feldes entlang der Z-Richtung der dielektrischen Schicht 4 durch Berechnen der unbekannten Parameter u(z) und v(z) geschätzt werden kann, wobei gezeigt werden kann, dass:
Normalerweise ist ,i' die Quadratwurzel von –1. Unter Verwendung der Grenzbedingungen u|_z=0 = 1, v|_z=0 = q_s und der folgenden Relationen: q_s = n_scosθ_s für eine s-Polarisation (6) q_s = n_s/cosθ_s für eine p-Polarisation (7) q = ncosθ_F für eine s-Polarisation (8) q = n/cosθ_F für eine p-Polarisation (9) φ = k·n·dcos(θ_F) (10) können u(z) und v(z) ausgedrückt werden als:
und v(z)|_z=d = iqu|_z=0sinφ + v|_z=0cosφ = iqsinφ + q_scosφ (12)
Daher gilt:
für eine s-Polarisation mit φ = k·n·dcos(θ_F), und:
gilt für eine p-Polarisation, wobei gilt: α = n_ssinθ_s = nsinθ_F (15)
Somit gilt für eine einfache Situation, wobei θ_F = 0 oder ein senkrechter Einfall, φ = k·n·d und α = 0:
was es ermöglicht, nach der Dicke ,d' aufzulösen, d. h. der Position oder Stelle innerhalb der dielektrischen Schicht, wo das elektrische Feld null ist.
Unter Bezugnahme auf 4 wurde die Gleichung 19 verwendet, um den elektrischen Feldpunkt von null oder nahe null in der in 2A gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht zu berechnen, wenn diese einer EMR mit einer Wellenlänge von 434 nm ausgesetzt ist. Der elektrische Feldpunkt von null oder nahe null wurde als 70 nm (statt 77 nm für eine Wellenlänge von 500 nm) berechnet. Darüber hinaus wurde bei der Dicke oder dem Abstand von 70 nm ab der Al-Reflektorkernschicht eine 15 nm dicke Cr-Absorberschicht eingefügt, um eine ZnS-Cr-Schnittstelle eines elektrischen Feldes von null oder nahe null zu ermöglichen. Eine derartige erfinderische Struktur erlaubt Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm das Hindurchtreten durch die Cr-ZnS-Schnittstellen, absorbiert jedoch Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm. Anders ausgedrückt, weisen die Cr-ZnS-Schnittstellen ein elektrisches Feld von null oder nahe null in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm auf, und somit gelangt Licht mit 434 nm durch die Schnittstellen. Die Cr-ZnS-Schnittstellen weisen jedoch kein elektrisches Feld von null oder nahe null für Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm auf, und somit wird solches Licht von der Cr-Absorberschicht und/oder den Cr-ZnS-Schnittstellen absorbiert und nicht von der Al-Reflektorschicht reflektiert.
Es versteht sich, dass ein gewisser Prozentsatz von Licht innerhalb von +/–10 nm der gewünschten 434 nm durch die Cr-ZnS-Schnittstelle gelangen wird. Jedoch versteht sich auch, dass ein derart enges Band von reflektiertem Licht, z. B. 434 +/– 10 nm, dennoch einem menschlichen Auge eine scharfe strukturelle Farbe zur Verfügung stellt.
Das Ergebnis der Cr-Absorberschicht in dem mehrschichtigen Stapel in 4 ist in 5 veranschaulicht, wo die prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge gezeigt ist. Wie durch die gestrichelte Linie gezeigt, die der in 4 gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht ohne eine Cr-Absorberschicht entspricht, liegt bei etwa 400 nm ein enger Reflexionspeak vor, doch liegt ein viel breiterer Peak bei etwa 550+ nm vor. Darüber hinaus wird nach wie vor eine beträchtliche Menge Licht in dem Wellenlängenbereich von 500 nm reflektiert. Demzufolge liegt ein Doppel-Peak vor, der verhindert, dass der mehrschichtige Stapel eine strukturelle Farbe besitzt oder aufweist.
Dagegen entspricht die durchgehende Linie in 5 der in 4 gezeigten Struktur mit der vorhandenen Cr-Absorberschicht. Wie in der Figur gezeigt, liegt bei etwa 434 nm ein scharfer Peak vor, und für Wellenlängen größer als 434 nm wird durch die Cr-Absorberschicht ein scharfer Abfall der Reflexion bewirkt. Es versteht sich, dass der durch die durchgehende Linie dargestellte scharfe Peak visuell als scharfe/strukturelle Farbe erscheint. Auch veranschaulicht 5, wo die Breite eines Reflexionspeaks oder -bandes gemessen wird, d. h. die Breite des Bandes wird bei 50% Reflexion der maximal reflektierten Wellenlänge gemessen, auch volle Halbwertsbreite (FWHM) genannt.
Bezüglich des omnidirektionalen Verhaltens der in 4 gezeigten mehrschichtigen Struktur kann die Dicke der dielektrischen ZnS-Schicht derart gestaltet oder eingestellt sein, dass nur die ersten Harmonischen von reflektiertem Licht vorgesehen sind. Es versteht sich, dass dies für eine „blaue” Farbe ausreicht, doch erfordert die Erzeugung einer „roten” Farbe zusätzliche Erwägungen. Beispielsweise ist die Steuerung einer Winkelunabhängigkeit für rote Farbe schwierig, da dickere dielektrische Schichten erforderlich sind, was wiederum zu einer hoch-Harmonischen Gestaltung führt, d. h. das Vorliegen der zweiten und möglicher dritter Harmonischen ist unvermeidlich. Auch ist der Farbtonraum der dunkelroten Farbe sehr eng. Demzufolge weist ein mehrschichtiger Stapel einer roten Farbe eine höhere Winkelvarianz auf.
Um die höhere Winkelvarianz für rote Farbe zu überwinden, offenbart die vorliegende Anmeldung eine einzigartige und neuartige Gestaltung/Struktur, die eine rote Farbe ermöglicht, welche winkelunabhängig ist. Beispielsweise veranschaulicht 6A eine dielektrische Schicht, die erste und zweite Harmonische für einfallendes weißes Licht aufweist, wenn eine äußere Oberfläche der dielektrischen Schicht aus 0 und 45 Grad relativ zu der Normalen der äußeren Oberfläche betrachtet wird. Wie durch die graphische Darstellung gezeigt, wird durch die Dicke der dielektrischen Schicht eine niedrige Winkelabhängigkeit (kleines Δλ_c) vorgesehen, doch weist ein derartiger mehrschichtiger Stapel eine Kombination aus blauer Farbe (1. Harmonische) und roter Farbe (2. Harmonische) auf und ist somit für eine gewünschte „ausschließlich rote” Farbe nicht geeignet. Daher wurde das Konzept/die Struktur der Verwendung einer Absorberschicht zum Absorbieren einer unerwünschten harmonischen Reihe entwickelt. 6A veranschaulicht auch ein Beispiel für die Lage der Reflexionsband-Mittelwellenlänge (λ_c) für einen gegebenen Reflexionspeak und die Verteilung oder Verschiebung der Mittelwellenlänge (Δλ_c), wenn die Probe aus 0 und 45 Grad betrachtet wird.
Bezugnehmend auf 6B wird die in 6A gezeigte zweite Harmonische mit einer Cr-Absorberschicht bei der geeigneten Dicke der dielektrischen Schicht (z. B. 72 nm) absorbiert, und eine scharfe blaue Farbe wird bereitgestellt. Auch veranschaulicht 6C, dass durch Absorbieren der ersten Harmonischen mit dem Cr-Absorber bei einer anderen Dicke der dielektrischen Schicht (z. B. 125 nm) eine rote Farbe bereitgestellt wird. Jedoch veranschaulicht 6C auch, dass die Verwendung der Cr-Absorberschicht noch zu mehr als einer gewünschten Winkelabhängigkeit durch den mehrschichtigen Stapel führen kann, d. h. einem größeren Δλ_c als gewünscht.
Es versteht sich, dass die relativ große Verschiebung von λ_c für die rote Farbe im Vergleich zur blauen Farbe dadurch bedingt ist, dass der dunkelrote Farbtonraum sehr eng ist, und durch die Tatsache, dass die Cr-Absorberschicht Wellenlängen in Verbindung mit einem von null verschiedenen elektrischen Feld absorbiert, d. h. kein Licht absorbiert, wenn das elektrische Feld null oder nahe null ist. Demzufolge veranschaulicht 7A, dass der Null- oder Nicht-Null-Punkt für Lichtwellenlängen bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unterschiedlich ist. Derartige Faktoren führen zu der in 7B gezeigten winkelabhängigen Absorption, d. h. der Differenz der 0°- und 45°-Absorptionskurven. Somit wird, um die Gestaltung des mehrschichtigen Stapels und die Winkelunabhängigkeitsleistung weiter zu verfeinern, eine Absorberschicht verwendet, die z. B. blaues Licht unabhängig davon absorbiert, ob das elektrische Feld null ist oder nicht.
Insbesondere zeigt 8A einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cu-Absorberschicht anstelle einer Cr-Absorberschicht, die sich über einer dielektrischen ZnS-Schicht erstreckt. Die Ergebnisse der Verwendung einer derartigen „farbigen” oder „selektiven” Absorberschicht sind in 8B gezeigt, die eine viel „engere” Gruppierung der 0°- und 45°-Absorptionslinien für den in 8A gezeigten mehrschichtigen Stapel aufzeigt. Demzufolge veranschaulicht ein Vergleich zwischen 8B und 7B die signifikante Verbesserung der Absorptionswinkelunabhängigkeit, wenn anstelle einer nicht-selektiven Absorberschicht eine selektive Absorberschicht verwendet wird.
Basierend auf dem Vorstehenden wurde eine Konzeptnachweis-Mehrschichtstapelstruktur entworfen und hergestellt. Darüber hinaus wurden Berechnungs/Simulationsergebnisse und tatsächliche experimentelle Daten für die Konzeptnachweisprobe verglichen. Insbesondere, und wie durch die graphische Darstellung in 9 gezeigt, wurde eine scharfe rote Farbe erzeugt (Wellenlängen größer als 700 nm werden vom menschlichen Auge typischerweise nicht gesehen), und es wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Berechnung/Simulation und den aus der tatsächlichen Probe erhaltenen experimentellen Lichtdaten erhalten. Anders ausgedrückt, können Berechnungen/Simulationen verwendet werden und/oder werden verwendet, um die Ergebnisse von Mehrschichtstapelgestaltungen gemäß einer oder mehreren hier offenbarten Ausführungsformen und/oder mehrschichtigen Stapeln aus dem Stand der Technik zu simulieren.

Eine Liste von simulierten und/oder tatsächlich hergestellten Mehrschichtstapelproben wird in der nachstehenden Tabelle 1 zur Verfügung gestellt. Wie in der Tabelle gezeigt, beinhalten die hier offenbarten erfinderischen Gestaltungen mindestens 5 unterschiedliche geschichtete Strukturen. Darüber hinaus wurden die Proben simuliert und/oder aus einer breiten Palette von Materialien hergestellt. Proben wurden vorgesehen, die eine hohe Chroma, eine niedrige Farbtonverschiebung (Δh) und eine exzellente Reflexion aufwiesen. Auch besaßen die drei- und fünfschichtigen Proben eine Gesamtdicke zwischen 120–200 nm; die siebenschichtigen Proben besaßen eine Gesamtdicke zwischen 350–600 nm; die neunschichtigen Proben besaßen eine Gesamtdicke zwischen 440–500 nm; und die elfschichtigen Proben besaßen eine Gesamtdicke zwischen 600–660 nm. Tabelle 1

	Durchschn. Chroma (0–45)	Δh (0–65)	Max. Reflexion	Probenname
3 Schichten	90	2	96	3-1
5 Schichten	91	3	96	5-1
7 Schichten	88	1	92	7-1
	91	3	92	7-2
	91	3	96	7-3
	90	1	94	7-4
	82	4	75	7-5
	76	20	84	7-6
9 Schichten	71	21	88	9-1
	95	0	94	9-2
	79	14	86	9-3
	90	4	87	9-4
	94	1	94	9-5
	94	1	94	9-6
	73	7	87	9-7
11 Schichten	88	1	84	11-1
	92	1	93	11-2
	90	3	92	11-3
	89	9	90	11-4

Bezugnehmend auf 10 ist eine Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen omnidirektionalen Reflektor gezeigt, wenn dieser weißem Licht bei Winkeln von 0 und 45° relativ zu der Normalen der äußeren Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Wie durch die Darstellung gezeigt, stellen beide Kurven von 0° und 45° eine sehr niedrige Reflexion dar, z. B. weniger als 20%, die durch den omnidirektionalen Reflektor für Wellenlängen größer 500 nm vorgesehen wird. Jedoch sieht der Reflektor, wie durch die Kurven gezeigt, einen starken Anstieg der Reflexion bei Wellenlängen zwischen 400–500 nm vor und erreicht ein Maximum von etwa 90% bei 450 nm. Es versteht sich, dass der Abschnitt oder Bereich des Graphen auf der linken Seite (UV-Seite) der Kurve den UV-Abschnitt des durch den Reflektor vorgesehenen Reflexionsbandes darstellt.
Der starke Anstieg der durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehenen Reflexion ist durch eine IR-seitige Grenze jeder Kurve charakterisiert, die sich von einem Abschnitt geringer Reflexion bei Wellenlängen über 500 nm bis hin zu einem Abschnitt hoher Reflexion, z. B. > 70%, erstreckt. Ein linearer Abschnitt 200 der IR-seitigen Grenze ist in einem Winkel (β) größer als 60° relativ zu der x-Achse geneigt, weist eine Länge L von etwa 50 auf der Reflexionsachse und eine Neigung von 1,2 auf. In einigen Fällen ist der lineare Abschnitt in einem Winkel größer als 70° relativ zu der x-Achse geneigt, während β in anderen Fällen größer ist als 75°. Auch weist das Reflexionsband eine sichtbare FWHM von weniger als 200 nm und in einigen Fällen eine sichtbare FWHM von weniger als 150 nm und in anderen Fällen eine sichtbare FWHM von weniger als 100 nm auf. Darüber hinaus ist die Mittelwellenlänge λ_c für das in 10 veranschaulichte sichtbare Reflexionsband als die Wellenlänge mit gleichem Abstand zwischen der IR-seitigen Grenze des Reflexionsbandes und der UV-Grenze des UV-Spektrums bei der sichtbaren FHWM definiert.
Der Begriff „sichtbare FWHM” bezieht sich auf die Breite des Reflexionsbandes zwischen der IR-seitigen Grenze der Kurve und der Grenze des UV-Spektrum-Bereichs, über welche hinaus eine durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehene Reflexion für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Auf diese Weise verwenden die hier offenbarten erfinderischen Gestaltungen und mehrschichtigen Stapel den nicht-sichtbaren UV-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, um eine scharfe oder strukturelle Farbe bereitzustellen. Anders ausgedrückt, können die hier offenbarten omnidirektionalen Reflektoren den nicht-sichtbaren UV-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums nutzen, um ein enges Band von reflektiertem sichtbarem Licht bereitzustellen, ungeachtet der Tatsache, dass die Reflektoren ein viel breiteres Band elektromagnetischer Strahlung reflektieren können, das sich in den UV-Bereich erstreckt.
Unter Bezugnahme auf 11 ist ein im Allgemeinen symmetrisches Reflexionsband, das durch einen mehrschichtigen Stapel gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform vorgesehen wird, gezeigt, wenn es bei 0° und 45° betrachtet wird. Wie in der Figur veranschaulicht, besitzt das durch den mehrschichtigen Stapel vorgesehene Reflexionsband eine Mittelwellenlänge λ_c(0°), wenn es bei 0° betrachtet wird, und eine Mittelwellenlänge λ_c(45°), wenn es bei 45° betrachtet wird. Auch verschiebt sich die Mittelwellenlänge weniger als 50 nm, wenn der mehrschichtige Stapel bei Winkeln zwischen 0 und 45° betrachtet wird, d. h. Δλ_c(0–45°) < 50 nm. Darüber hinaus ist die FWHM sowohl des Reflexionsbandes von 0° als auch des Reflexionsbandes von 45° kleiner als 200 nm.
12 zeigt eine Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für eine andere Gestaltung eines omnidirektionalen Reflektors, wenn dieser weißem Licht bei Winkeln von 0 und 45° relativ zu der Normalen der äußeren Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Wie durch die Darstellung gezeigt, stellen beide Kurven von 0° und 45° eine sehr niedrige Reflexion dar, z. B. weniger als 10%, die durch den omnidirektionalen Reflektor für Wellenlängen kleiner 550 nm vorgesehen wird. Jedoch sieht der Reflektor, wie durch die Kurven gezeigt, einen starken Anstieg der Reflexion bei Wellenlängen zwischen 560–570 nm vor und erreicht ein Maximum von etwa 90% bei 700 nm. Es versteht sich, dass der Abschnitt oder Bereich des Graphen auf der rechten Seite (IR-Seite) der Kurve den IR-Abschnitt des durch den Reflektor vorgesehenen Reflexionsbandes darstellt.
Der starke Anstieg der durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehenen Reflexion ist durch eine UV-seitige Grenze jeder Kurve charakterisiert, die sich von einem Abschnitt geringer Reflexion bei Wellenlängen unter 550 nm bis hin zu einem Abschnitt hoher Reflexion, z. B. > 70%, erstreckt. Ein linearer Abschnitt 200 der UV-seitigen Grenze ist in einem Winkel (β) größer als 60° relativ zu der x-Achse geneigt, weist eine Länge L von etwa 40 auf der Reflexionsachse und eine Neigung von 1,4 auf. In einigen Fällen ist der lineare Abschnitt in einem Winkel größer als 70° relativ zu der x-Achse geneigt, während β in anderen Fällen größer als 75° ist. Auch weist das Reflexionsband eine sichtbare FWHM von weniger als 200 nm und in einigen Fällen eine sichtbare FWHM von weniger als 150 nm und in anderen Fällen eine sichtbare FWHM von weniger als 100 nm auf. Darüber hinaus ist die Mittelwellenlänge λ_c für das in 12 veranschaulichte sichtbare Reflexionsband als die Wellenlänge mit gleichem Abstand zwischen der UV-seitigen Grenze des Reflexionsbandes und der IR-Grenze des IR-Spektrums bei der sichtbaren FHWM definiert.
Es versteht sich, dass sich der Begriff „sichtbare FWHM” auf die Breite des Reflexionsbandes zwischen der UV-seitigen Grenze der Kurve und der Grenze des IR-Spektrum-Bereichs bezieht, über welche hinaus eine durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehene Reflexion für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Auf diese Weise verwenden die hier offenbarten erfinderischen Gestaltungen und mehrschichtigen Stapel den nicht-sichtbaren IR-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, um eine scharfe oder strukturelle Farbe bereitzustellen. Anders ausgedrückt, nutzen die hier offenbarten omnidirektionalen Reflektoren den nicht-sichtbaren IR-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, um ein enges Band von reflektiertem sichtbarem Licht bereitzustellen, ungeachtet der Tatsache, dass die Reflektoren ein viel breiteres Band elektromagnetischer Strahlung reflektieren können, das sich in den IR-Bereich erstreckt.
Bezugnehmend auf 13 ist eine Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für eine andere siebenschichtige Gestaltung eines omnidirektionalen Reflektors gezeigt, wenn dieser weißem Licht bei Winkeln von 0 und 45° relativ zu der äußeren Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist eine Definition oder Charakterisierung von omnidirektionalen Eigenschaften gezeigt, die von hier offenbarten omnidirektionalen Reflektoren bereitgestellt werden. Insbesondere, und wenn das durch einen erfinderischen Reflektor vorgesehene Reflexionsband ein Maximum besitzt, d. h. einen Peak, wie in der Figur gezeigt, besitzt jede Kurve eine Mittelwellenlänge (λ_c), die als die Wellenlänge definiert ist, die eine maximale Reflexion aufweist oder erfährt. Der Begriff maximal reflektierte Wellenlänge kann auch für λ_c verwendet werden.
Wie in 13 gezeigt, erfolgt eine Verschiebung oder Verlagerung von λ_c, wenn eine äußere Oberfläche des omnidirektionalen Reflektors aus einem 45°-Winkel betrachtet wird (λ_c(45°)), z. B. wenn die äußere Oberfläche relativ zu einem auf die Oberfläche blickenden menschlichen Auge um 45° geneigt ist, im Vergleich zu dem Fall, dass die Oberfläche aus einem Winkel von 0° (λ_c(0°)) betrachtet wird, d. h. senkrecht zu der Oberfläche. Diese Verschiebung von λ_c (Δλ_c) stellt ein Maß der omnidirektionalen Beschaffenheit des omnidirektionalen Reflektors bereit. Normalerweise wäre eine Verschiebung von null, d. h. überhaupt keine Verschiebung, ein perfekt omnidirektionaler Reflektor. Jedoch können hier offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein Δλ_c von weniger als 50 nm bereitstellen, was dem menschlichen Auge so vorkommen mag, als ob sich die Farbe der Oberfläche des Reflektors nicht verändert hat, und somit ist der Reflektor praktisch gesehen omnidirektional. In einigen Fällen können hier offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein Δλ_c von weniger als 40 nm bereitstellen, in anderen Fällen ein Δλ_c von weniger als 30 nm und in wieder anderen Fällen ein Δλ_c von weniger als 20 nm und in noch anderen Fällen ein Δλ_c von weniger als 15 nm. Eine derartige Verschiebung von Δλ_c lässt sich durch eine Darstellung der tatsächlichen Reflexion über der Wellenlänge für einen Reflektor bestimmen und/oder alternativ durch Modellieren des Reflektors, falls die Materialien und Schichtdicken bekannt sind.
Eine andere Definition oder Charakterisierung der omnidirektionalen Eigenschaften eines Reflektors kann durch die Verschiebung einer seitlichen Grenze für einen gegebenen Satz von Winkelreflexionsbändern bestimmt werden. Beispielsweise und unter Bezugnahme auf 10 stellt eine Verschiebung oder Verlagerung einer IR-seitigen Grenze (ΔS_IR) für eine Reflexion von einem omnidirektionalen Reflektor, der aus 0° (S_IR(0°)) betrachtet wird, im Vergleich zur IR-seitigen Grenze für eine Reflexion durch denselben Reflektor, der aus 45° (S_IR(45°)) betrachtet wird, ein Maß für die omnidirektionale Beschaffenheit des omnidirektionalen Reflektors bereit. Darüber hinaus kann die Verwendung von ΔS_IR als ein Maß für die Omnidirektionalität gegenüber der Verwendung von Δλ_c bevorzugt sein, z. B. für Reflektoren, die ein Reflexionsband ähnlich dem in 10 oder 12 gezeigten vorsehen, d. h. ein Reflexionsband, das sich in den UV- oder IR-Bereich von EMR erstreckt. Es versteht sich, dass die Verschiebung der IR-seitigen Grenze (ΔS_IR) bei der sichtbaren FWHM gemessen wird und/oder gemessen werden kann.
Unter Bezugnahme auf 12 stellt eine Verschiebung oder Verlagerung einer UV-seitigen Grenze (ΔS_UV) für eine Reflexion von einem omnidirektionalen Reflektor, der aus 0° (S_UV(0°)) betrachtet wird, im Vergleich zur IR-seitigen Grenze für eine Reflexion durch denselben Reflektor, der aus 45° (S_UV(45°)) betrachtet wird, ein Maß für die omnidirektionale Beschaffenheit des omnidirektionalen Reflektors bereit. Es versteht sich, dass die Verschiebung der UV-seitigen Grenze (ΔS_UV) bei der sichtbaren FWHM gemessen wird und/oder werden kann.
Normalerweise würde eine Verschiebung von null, d. h. überhaupt keine Verschiebung (ΔS_i = 0 nm; i = IR, UV) einen perfekt omnidirektionalen Reflektor kennzeichnen. Jedoch können hier offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein ΔS_i von weniger als 50 nm bereitstellen, was dem menschlichen Auge so vorkommen mag, als ob sich die Farbe der Oberfläche des Reflektors nicht verändert hat, und somit ist der Reflektor praktisch gesehen omnidirektional. In einigen Fällen können hier offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein ΔS_i von weniger als 40 nm bereitstellen, in anderen Fällen ein ΔS_i von weniger als 30 nm und in wieder anderen Fällen ein ΔS_i von weniger als 20 nm und in noch anderen Fällen ein ΔS_i von weniger als 15 nm. Eine derartige Verschiebung von ΔS_i kann durch eine Darstellung der tatsächlichen Reflexion über der Wellenlänge für einen Reflektor bestimmt werden und/oder alternativ durch Modellieren des Reflektors, falls die Materialien und Schichtdicken bekannt sind.
Die Verschiebung einer omnidirektionalen Reflexion kann auch durch eine geringe Farbtonverschiebung gemessen werden. Beispielsweise beträgt die Farbtonverschiebung von Pigmenten, die aus mehrschichtigen Stapeln gemäß einer hier offenbarten Ausführungsform gefertigt sind, 30° oder weniger, wie in 14 gezeigt (s. z. B. Δθ₁ und Δθ₃), und in einigen Fällen beträgt die Farbtonverschiebung 25° oder weniger, bevorzugt weniger als 20°, bevorzugter weniger als 15° und noch bevorzugter weniger als 10°. Dagegen weisen herkömmliche Pigmente eine Farbtonverschiebung von 45° oder mehr auf (s. z. B. Δθ₂ und Δθ₄). Es versteht sich, dass die mit Δθ₁ verbundene Farbtonverschiebung im Allgemeinen einer roten Farbe entspricht, doch ist die geringe Farbverschiebung für jede Farbe relevant, die von einem hier offenbarten Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe reflektiert wird. Beispielsweise entspricht die in 14 gezeigte geringe Farbtonverschiebung Δθ₃ im Allgemeinen einer blauen Farbe, die von einem beispielhaften Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe bereitgestellt wird, wohingegen die relativ große Farbtonverschiebung eines herkömmlichen blauen Pigments durch Δθ₄ veranschaulicht wird.
Eine schematische Darstellung eines omnidirektionalen mehrschichtigen Stapels gemäß einer anderen hier offenbarten Ausführungsform ist in 15 mit Bezugszeichen 10 gezeigt. Der mehrschichtige Stapel 10 weist eine erste Schicht 110 und eine zweite Schicht 120 auf. Eine fakultative Reflektorschicht 100 kann beinhaltet sein. Beispielhafte Materialien für die Reflektorschicht 100, die gelegentlich als eine Reflektorkernschicht bezeichnet wird, können Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn und Legierungen daraus einschließen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Demzufolge kann die Reflektorschicht 100 eine metallische Reflektorschicht sein, doch ist dies nicht erforderlich. Darüber hinaus liegen beispielhafte Dicken für die Kernreflektorschicht im Bereich zwischen 30 bis 200 nm.
Ein symmetrisches Paar von Schichten kann sich auf einer der Reflektorschicht 100 gegenüberliegenden Seite befinden, d. h. die Reflektorschicht 100 kann eine weitere erste Schicht aufweisen, die gegenüberliegend zu der ersten Schicht 110 angeordnet ist, so dass die Reflektorschicht 100 sandwichartig zwischen einem Paar von ersten Schichten aufgenommen ist. Darüber hinaus kann eine weitere zweite Schicht 120 gegenüberliegend zu der Reflektorschicht 100 angeordnet sein, so dass eine fünfschichtige Struktur bereitgestellt wird. Daher sollte verstanden werden, dass die Erörterung der hier vorgesehenen mehrschichtigen Stapel auch die Möglichkeit einer Spiegelstruktur in Bezug auf eine oder mehrere mittlere Schichten beinhaltet. Demzufolge kann 15 zur Veranschaulichung einer Hälfte eines fünfschichtigen Mehrschichtstapels dienen.
Die erste Schicht 110 kann eine dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex (n_h) sein, die trocken abgeschieden wird. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff Material mit hohem Brechungsindex auf ein Material mit einem Brechungsindex größer oder gleich 2,0. Auch bezieht sich der Begriff „trocken abgeschieden” auf eine Schicht, die unter Verwendung einer Trockenabscheidetechnik, welche dem Fachmann bekannt ist, wie etwa einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), abgeschieden und/oder gebildet wurde. Auch bezieht sich der Begriff „Trockenabscheidung” auf das Abscheiden einer Schicht unter Verwendung einer Trockenabscheidetechnik, die dem Fachmann bekannt ist.
Beispielhafte Materialien für die trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht 110 umfassen CeO₂, Nb₂O₅, SiN, SnO₂, SnS, TiO₂, ZnO, ZnS und ZrO₂, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Darüber hinaus kann/können die trocken abgeschiedene(n) dielektrische(n) n_h-Schicht(en) eine Dicke zwischen 0,1 QW und 4,0 QW für eine gewünschte Steuerwellenlänge besitzen, wobei die gewünschte Steuerwellenlänge eine Mittelwellenlänge für ein Reflexionsband einer gewünschten Farbe ist. Es versteht sich, dass sich der Begriff „QW” oder „QW-Dicke” auf eine Dicke bezieht, die ein Viertel der gewünschten Steuerwellenlänge beträgt, d. h. QW = λ_cw/4, wobei λ_cw die gewünschte Steuerwellenlänge ist.
Die zweite Schicht 120 kann eine trocken abgeschiedene absorbierende Schicht sein. Beispielhafte Materialien einer absorbierenden Schicht umfassen Cr, Cu, Au, Sn, Legierungen daraus, amorphes Si und Fe₂O₃, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, und die Dicke der zweiten Schicht 120 beträgt vorzugsweise zwischen 2 und 30 nm.
16 veranschaulicht ein Pigment 10a einer fünfschichtigen Gestaltung mit symmetrischen Schichten, einschließlich einer äußeren Schutzschicht 200, welche sich über der Reflektorkernschicht 100 erstrecken. Das Pigment 10a weist, gegenüberliegend angeordnet, eine trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht 110a und eine trocken abgeschiedene absorbierende Schicht 120a auf. Die äußere Schutzschicht 200 kann eine nass abgeschiedene Schutzschicht und/oder eine n_h-Oxidschicht sein. Es versteht sich, dass sich der Begriff „nass abgeschieden” auf eine Schicht bezieht, die unter Verwendung einer nasschemischen Technik, die dem Fachmann bekannt ist, wie etwa Sol-Gel-Verarbeitung, Schicht-für-Schicht-Verarbeitung, Spin-Coating und dergleichen, abgeschieden und/oder gebildet wurde. Exemplarische Beispiele für Materialien einer nass abgeschiedenen Schicht umfassen CeO₂, Nb₂O₅, SnO₂, TiO₂, ZnO und ZrO₂, und eine Dicke einer derartigen Schicht kann in einem Bereich von 5–200 nm liegen.

Eine nicht erschöpfende Aufzählung von Materialien, aus denen die trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht und/oder nass abgeschiedenen äußeren proaktiven n_h-Schichten hergestellt sein können, ist in nachstehender Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Materialien mit Brechungsindex (sichtbarer Bereich)		Materialien mit Brechungsindex (sichtbarer Bereich)
Material	Brechungsindex	Material	Brechungsindex
Germanium (Ge)	4,0–5,0	Chrom (Cr)	3,0
Tellurium (Te)	4,6	Zinnsulfid (SnS)	2,6
Galliumantimonid (GaSb)	4,5–5,0	niedrigporöses Si	2,56
Indiumarsenid (InAs)	4,0	Chalkogenidglas	2,6
Silicium (Si)	3,7	Ceroxid (CeO₂)	2,53
Indiumphosphat (InP)	3,5	Wolfram (W)	2,5
Galliumarsenat (GaAs)	3,53	Galliumnitrid (GaN)	2,5
Galliumphosphat (GaP)	3,31	Mangan (Mn)	2,5
Vanadium (V)	3	Nioboxid (Nb₂O₃)	2,4
Arsenselenid (As₂Se₃)	2,8	Zinktellurid (ZnTe)	3,0
CuAlSe₂	2,75	Chalkogenidglas + Ag	3,0
Zinkselenid (ZnSe)	2,5–2,6	Zinksulfid (ZnS)	2,5–3,0
Titandioxid (TiO₂) – Sol-Gel	2,36	Titandioxid (TiO₂) – im Vakuum abgeschieden	2,43
SnO₂	2,0	Hafniumoxid (HfO₂)	2,0
Zinksulfid (ZnS)	2,3 + i(0,015)	Nioboxid (Nb₂O₅)	2,1
Titannitrid (TiN)	1,5 + i(2,0)	Aluminium (Al)	2,0 + i(15)
Chrom (Cr)	2,5 + i(2,5) 4	Siliciumnitrid (SiN)	2,1
Niobpentoxid (Nb₂O₅)	2,	Zirkonoxid (ZrO₂)	2,36
Hafniumoxid (HfO₂)	1,9–2,0

In einigen Fällen kann die äußere Schutzschicht 200 aus zwei in 17 veranschaulichten nass abgeschiedenen Schichten hergestellt sein. Beispielsweise kann eine nass abgeschiedene Schicht 202 ein erstes n_h-Oxid sein, und eine nass abgeschiedene Schicht 204 kann ein zweites n_h-Oxid sein. Darüber hinaus können eine einzelne äußere Schutzschicht 200, die Schicht 202 und/oder die Schicht 204 eine n_h-Mischoxidschicht sein, die ein oder mehrere n_h-Oxid(e) enthält.
Es versteht sich, dass die in 16 gezeigte fünfschichtige Gestaltung eine Absorberschicht 120 und 120a direkt benachbart zu oder unterhalb der äußeren Schutzschicht 200 aufweist. Anders ausgedrückt, weist ein durch Trockenabscheidung erzeugtes fünfschichtiges Pigment vor seiner Beschichtung mit einer äußeren Schutzschicht eine äußere absorbierende Schicht und keine äußere dielektrische Schicht auf. Es versteht sich auch, dass die äußere Schutzschicht nicht nur als eine Schutzschicht, sondern auch als eine farbverstärkende Schicht dienen kann. Beispielsweise und nur zum Zweck der Veranschaulichung kann die äußere Schutzschicht 200 lediglich als eine Schutzschicht dienen und keine Auswirkung auf die Farbe des Pigments 10a haben. Demzufolge wird die gesamte Farbe des Pigments 10a durch die Reflektorkernschicht 100, die trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht 110, 110a und die absorbierende Schicht 120, 120a bereitgestellt. Alternativ kann die äußere Schutzschicht 200 das Pigment 10a mit einem gewissen Farbeffekt versehen, wie etwa einem Anstieg der Chroma des Pigments, einer leichten Verschiebung der „Farbe”, die das Pigment für das menschliche Auge aufweist, einer leichten Zunahme der Omnidirektionalität des Pigments (d. h. einer verringerten Farbverschiebung), einer leichten Abnahme der Omnidirektionalität des Pigments und dergleichen.
Bezugnehmend auf 18 ist mit Bezugszeichen 20 eine weitere Ausführungsform eines erfinderischen mehrschichtigen Stapels gezeigt. Der mehrschichtige Stapel 20 ähnelt dem mehrschichtigen Stapel 10 mit Ausnahme einer zusätzlichen absorbierenden Schicht 105, die sich zwischen der Reflektorkernschicht 100 und der trocken abgeschiedenen dielektrischen n_h-Schicht 110 erstreckt. Ebenfalls ähnlich dem in 16 gezeigten Pigment 10a ist in 19 ein Pigment 20a gezeigt, bei dem sich symmetrische Schichten 105a, 110a und 120a über der Reflektorkernschicht 100 erstrecken und gegenüberliegend zu den Schichten 105, 110 bzw. 120 angeordnet sind. Das Pigment 20a weist auch die nass abgeschiedene äußere n_h-Oxidschutzschicht 200 auf.
Verfahren zur Herstellung der hier offenbarten mehrschichtigen Stapel können irgendein Verfahren oder Prozess sein, welche dem Fachmann bekannt sind, oder Verfahren sein, welche dem Fachmann noch nicht bekannt sind. Typische bekannte Verfahren umfassen Nassverfahren, wie etwa Sol-Gel-Verarbeitung, Schicht-für-Schicht-Verarbeitung, Spin-Coating und dergleichen. Weitere bekannte Trockenverfahren umfassen ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren und ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren, wie etwa Sputtern, Elektronenstrahlabscheidung und dergleichen.
Die hier offenbarten mehrschichtigen Stapel können für fast jede Farbanwendung verwendet werden, wie etwa Pigmente für Farben, dünne Filme bzw. Schichten, welche auf Oberflächen aufgebracht werden, und dergleichen. Darüber hinaus können die in den 16 und 18 veranschaulichten Pigmente omnidirektionale strukturelle Farbeigenschaften aufweisen, wie in den 10–14 gezeigt.
Um die Erfindung besser zu lehren, ohne jedoch ihren Umfang in irgendeiner Weise einzuschränken, werden nachstehend Beispiele für wetterbeständige Pigmente einer omnidirektionalen strukturellen Farbe sowie Verfahrensprotokolle zum Herstellen derartiger Pigmente erörtert.
Protokoll 1 – 5-schichtige, mit einer ZrO₂-Schicht beschichtete Pigmente
Zwei Gramm 5-schichtige Pigmente wurden in 30 ml Ethanol in einem 100 ml-Rundkolben suspendiert und mit 500 UpM bei Raumtemperatur gerührt. Eine in 10 ml Ethanol gelöste Lösung aus 2,75 ml Zirkonbutoxid (80% in 1-Butanol) wurde mit konstanter Geschwindigkeit in 1 Stunde eintitriert. Gleichzeitig wurde 1 ml DI-Wasser, verdünnt in 3 ml Ethanol, eindosiert. Nach der Titration wurde die Suspension weitere 15 Minuten lang gerührt. Das Gemisch wurde filtriert, mit Ethanol und dann Isopropanol gewaschen und 24 Stunden lang bei 100°C getrocknet oder alternativ 24 h lang bei 200°C weiter geglüht, wobei die Endergebnisse ein 5-schichtiges Pigment mit einer in 16 veranschaulichten Struktur waren. Bei Bedarf kann weiteres Glühen bei einer höheren Temperatur Anwendung finden.
Protokoll 2 – 5-schichtige, mit einer TiO₂-Schicht beschichtete Pigmente
Zwei Gramm 5-schichtige Pigmente wurden in 30 ml IPA in einem 100 ml-Rundkolben suspendiert und bei 40°C gerührt. Dann wurde eine in 20 ml IPA gelöste Lösung aus 2,5 ml Titanethoxid (97%) mit konstanter Geschwindigkeit in 2,5 Stunden eintitriert. Gleichzeitig wurden 2,5 ml DI-Wasser, verdünnt in 4 ml IPA, eindosiert. Nach der Titration wurde die Suspension weitere 30 Minuten lang gerührt. Das Gemisch wurde dann auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, filtriert, mit IPA gewaschen und 24 Stunden lang bei 100°C getrocknet oder alternativ 24 h lang bei 200°C weiter geglüht, wobei die Endergebnisse ein 5-schichtiges Pigment mit einer in 16 veranschaulichten Struktur waren. Bei Bedarf kann weiteres Glühen bei einer höheren Temperatur Anwendung finden.

Eine Zusammenfassung von Beschichtungen, des zum Herstellen einer Beschichtung verwendeten Verfahrens, der Beschichtungsdicke, Gleichmäßigkeit der Beschichtungsdicke und der photokatalytischen Aktivität ist in der nachstehenden Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3.

Probe	Kern*	Schicht	Material	Beschichtungsprotokoll	Dicke (nm)	Gleichmäßigkeit	Photokatalytische Aktivität**
1	P5	1.	CeO₂	***	20	G	70%
2	P5	1.	ZrO₂	1	80	G	29%
3	P5	1.	TiO₂	2	80	G	36%
4	P5	1.	TiO₂	2	80	G	27%
		2.	ZrO₂-Al₂O₃	***	15	G

* P5 = 5-schichtiges Pigment
** im Vergleich zu nicht beschichtetem 5-schichtigem Pigment
*** proprietäres Beschichtungsprotokoll

In Anbetracht des Vorstehenden sieht Tabelle 4 eine Aufstellung von verschiedenen Oxidschichten, Substraten, die beschichtet werden können, und Beschichtungsdickenbereichen, welche in den vorliegenden Lehren beinhaltet sind, vor. Tabelle 4.

Oxidschicht	Substrat	Beschichtungsdickenbereich (nm)
SiO₂	Glimmer, P5, Metall, Oxide	10–160
TiO₂	Glimmer, P5, Metall, Oxide	20–100
ZrO₂	Glimmer, P5, Metall, Oxide	20–100
Al₂O₃	Glimmer, P5, Metall, Oxide	5–30
CeO₂	Glimmer, P5, Oxide	~5–40
SiO₂-Al₂O₃	Glimmer, P5, Oxide	20–100
ZrO₂-Al₂O₃	Glimmer, P5, Metall, Oxide	10–50

Zusätzlich zu dem Vorstehenden können die Pigmente einer omnidirektionalen strukturellen Farbe mit einer Schutzbeschichtung einer Oberflächenbehandlung mit Organosilanen unterzogen werden. Beispielsweise wurden in einer veranschaulichenden Organosilan-Protokoll-Behandlung 0,5 g Pigmente, die mit einer oder mehreren der oben erörterten Schutzschichten beschichtet waren, in 10 ml einer EtOH/Wasser-(4:1)-Lösung mit einem pH-Wert von etwa 5,0 (eingestellt durch verdünnte Essigsäurelösung) in einem 100 ml-Rundkolben suspendiert. Die Schlämme wurde 20 Sekunden lang beschallt, dann 15 Minuten lang mit 500 UpM gerührt. Als Nächstes wurden der Schlämme 0,1–0,5 Vol.% eines Organosilan-Mittels zugegeben, und die Lösung wurde weitere 2 Stunden lang mit 500 UpM gerührt. Die Schlämme wurde dann unter Verwendung von DI-Wasser zentrifugiert oder filtriert, und die verbleibenden Pigmente wurden erneut in 10 ml einer EtOH/Wasser(4:1)-Lösung dispergiert. Die Pigment-EtOH/Wasser-Schlämme wurde auf 65°C erhitzt, wobei ein Rückfluss erfolgte, und 30 Minuten lang mit 500 UpM gerührt. Die Schlämme wurde dann unter Verwendung von DI-Wasser und sodann IPA zentrifugiert oder filtriert, um einen Kuchen aus Pigmentpartikeln zu erzeugen. Schließlich wurde der Kuchen 12 Stunden lang bei 100°C getrocknet. Bei Bedarf kann weiteres Glühen bei einer höheren Temperatur Anwendung finden.
Das Organosilan-Protokoll kann irgendein dem Fachmann bekanntes Organosilan-Kupplungsmittel verwenden, das veranschaulichend N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan (APTMS), N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylendiamin, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (MAPTMS), N-[2(Vinylbenzylamino)-ethyl]-3-aminopropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan und dergleichen umfasst.
Die obigen Beispiele und Ausführungsformen dienen lediglich dem Zweck der Veranschaulichung, und Veränderungen, Modifikationen und dergleichen sind für den Fachmann ersichtlich und fallen noch in den Schutzbereich der Erfindung. Dementsprechend ist der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche und alle Äquivalente davon definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8736959 [0001]
US 8749881 [0001]
US 7903339 [0001]
US 8593728 [0001]
US 8329247 [0001]

Claims

Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe, umfassend: einen mehrschichtigen Stapel mit: einer reflektierenden Kernschicht; einer trocken abgeschiedenen dielektrischen Schicht mit hohem Brechungsindex (n_h), die sich über der reflektierenden Kernschicht erstreckt; einer trocken abgeschiedenen Absorberschicht, die sich über der dielektrischen n_h-Schicht erstreckt; und einer nass abgeschiedenen äußeren n_h-Oxidschicht, die sich über der Absorberschicht erstreckt; wobei der mehrschichtige Stapel ein Reflexionsband mit einer vorbestimmten vollen Halbwertsbreite (FWHM) von weniger als 300 nm und eine vorbestimmte Farbtonverschiebung von weniger als 30° besitzt, wenn der mehrschichtige Stapel breitbandiger elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45° relativ zu der Normalen einer Außenoberfläche des mehrschichtigen Stapels betrachtet wird.
Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe nach Anspruch 1, wobei die reflektierende Kernschicht eine metallische Kernreflektorschicht mit einer Dicke zwischen 30–200 nm ist und ein metallisches Material ist, das aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn und Legierungen daraus ausgewählt ist; und diese trockene abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht ein dielektrisches Material ist, das aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus CeO₂, Nb₂O₅, SiN, SnO₂, SnS, TiO₂, ZnO, ZnS and ZrO₂ ausgewählt ist.
Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe nach den Ansprüchen 1–2, wobei die trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht eine Dicke zwischen 0,1 QW–4,0 QW für eine gewünschte Steuerwellenlänge besitzt.
Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe nach den Ansprüchen 1–3, wobei die trocken abgeschiedene Absorberschicht ein Absorbermaterial ist, das aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus Cr, Cu, Au, Sn, Legierungen daraus, amorphem Si und Fe₂O₃ ausgewählt ist; und eine Dicke zwischen 2–30 nm besitzt.
Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe nach den Ansprüchen 1–4, wobei die nass abgeschiedene äußere n_h-Oxidschicht ein Oxid ist, das aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus CeO₂, Nb₂O₅, SnO₂, TiO₂, ZnO und ZrO₂ ausgewählt ist; und eine Dicke zwischen 5–200 nm besitzt.
Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe nach den Ansprüchen 1–5, wobei die trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht ein Paar von dielektrischen n_h-Schichten mit der sich dazwischen erstreckenden reflektierenden Kernschicht ist, wobei die trocken abgeschiedene Absorberschicht ein Paar von trocken abgeschiedenen Absorberschichten mit dem sich dazwischen erstreckenden Paar von dielektrischen n_h-Schichten ist und sich die nass abgeschiedene äußere n_h-Oxidschicht über äußeren Oberflächen des Paars von trocken abgeschiedenen Absorberschichten erstreckt.
Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe nach den Ansprüchen 1–6, wobei der mehrschichtige Stapel eine Dicke von weniger als 2,0 μm, und vorzugsweise weniger als 1,5 μm besitzt.
Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe nach den Ansprüchen 1–7, wobei der mehrschichtige Stapel weniger als 10 Schichten, und vorzugsweise weniger als 8 Schichten besitzt.
Verfahren zum Herstellen eines Pigments einer omnidirektionalen strukturellen Farbe, wobei das Verfahren umfasst: Fertigen eines mehrschichtigen Stapels durch: Bereitstellen einer reflektierenden Kernschicht; Trockenabscheiden einer dielektrischen Schicht mit hohem Brechungsindex (n_h), die sich über der reflektierenden Kernschicht erstreckt; Trockenabscheiden einer Absorberschicht, die sich über der dielektrischen n_h-Schicht erstreckt; und Nassabscheiden einer äußeren n_h-Oxidschicht, die sich über der Absorberschicht erstreckt; wobei der mehrschichtige Stapel ein Reflexionsband mit einer vorbestimmten vollen Halbwertsbreite (FWHM) von weniger als 300 nm und eine vorbestimmte Farbtonverschiebung von weniger als 30° besitzt, wenn der mehrschichtige Stapel breitbandiger elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45° relativ zu der Normalen einer Außenoberfläche des mehrschichtigen Stapels betrachtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die reflektierende Kernschicht eine metallische Kernreflektorschicht mit einer Dicke zwischen 30–200 nm ist, die aus einem metallischen Material hergestellt ist, welches aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn und Legierungen daraus ausgewählt ist; und die trocken abgeschiedene dielektrische n_h-Schicht eine Dicke zwischen 0,1 QW–4,0 QW für eine gewünschte Steuerwellenlänge besitzt und aus einem dielektrischen Material hergestellt ist, das aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus CeO₂, Nb₂O₅, SiN, SnO₂, SnS, TiO₂, ZnO, ZnS und ZrO₂ ausgewählt ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 9–10, wobei die trocken abgeschiedene Absorberschicht eine Dicke zwischen 2–30 nm besitzt und aus einem Absorbermaterial hergestellt ist, das aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus Cr, Cu, Au, Sn, Legierungen daraus, amorphem Si und Fe₂O₃ ausgewählt ist; und die nass abgeschiedene äußere n_h-Oxidschicht eine Dicke zwischen 5–200 nm besitzt und ein Oxid ist, das aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus CeO₂, Nb₂O₅, SnO₂, TiO₂, ZnO und ZrO₂ ausgewählt ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 9–11, wobei der mehrschichtige Stapel weniger als 10 Schichten, und vorzugsweise weniger als 8 Schichten besitzt.
Verfahren nach den Ansprüchen 9–12, wobei der mehrschichtige Stapel eine Gesamtdicke von weniger als 2,0 μm, und vorzugsweise weniger als 1,5 μm besitzt.