DE102021100093A1

DE102021100093A1 - Reflektorelement für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102021100093A1
Application number: DE102021100093.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian SCHMELZER
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2022-07-07
Also published as: WO2022148609A1; US20230349529A1; CN116648379A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reflektorelement (100) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung wenigstens umfassend:- einen Grundkörper (1),- eine über dem Grundkörper (1) angeordnete Spiegelschicht (2), welche Aluminium oder Silber aufweist,- eine über der Spiegelschicht (2) angeordnete Schutzschicht (3), welche Siloxan aufweist, und- eine über der Schutzschicht (3) angeordnete Deckschicht (4), welche ein Übergangsmetalloxid aufweist, wobei die Schutzschicht (3) und die Deckschicht (4) jeweils eine Schichtdicke (D3, D4) von 10 nm bis 100 nm aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reflektorelement für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
STAND DER TECHNIK
Reflektorelemente für Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen aus dem Stand der Technik umfassen einen Grundkörper, typischerweise aus einem Kunststoff, auf welchem eine dünne Spiegelschicht aus Aluminium abgeschieden vorliegt. Zum Schutz vor Korrosion wird üblicherweise eine transparente Schutzschicht auf der Spiegelschicht angeordnet, welche üblicherweise aus einem Plasmapolymer besteht. Derartige Reflektorelemente weisen Reflexionsgrade von ca. 85% im sichtbaren Lichtspektrum auf.
Um eine höhere Lichtausbeute zu realisieren, beispielsweise für Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen mit Mehrfachreflektor-Designs, ist es bekannt, dichroitische Hilfsschichten auf der Spiegelschicht anzuordnen, welche durch Interferenzeffekte zu einer Erhöhung des Reflexionsgrades führen. Den üblicherweise verwendeten dichroitischen Hilfsschichten mangelt es nachteiligerweise an einer Korrosionsschutzwirkung und zudem bedingen die üblicherweise erforderlichen hohen Schichtdicken lange Depositionsdauern, womit eine unerwünscht starke Erwärmung des Grundkörpers einhergehen kann, woraus eine Schädigung oder zumindest Verfärbung desselben resultieren kann.
Als Alternative zu Schutzschichten aus Aluminium sind im Stand der Technik Silberbeschichtungen bekannt, welche durch einen höheren Reflexionsgrad im sichtbaren Lichtspektrum gekennzeichnet sind. Nachteiligerweise ist die Korrosionsbeständigkeit von Silberbeschichtungen besonders gering, insbesondere in Anwesenheit von Schwefelverbindungen. Daher werden im Stand der Technik Schutzschichten mit großer Schichtdicke eingesetzt, wodurch die Reflexionseigenschaften des Reflektorelements verschlechtert werden. Insbesondere fällt der Reflexionsgrad von Silber im Bereich des Blauen stark ab, sodass Spiegelschichten aus Silber per se ein gelbliches Erscheinungsbild aufweisen, welches durch eine dicke Schutzschicht weiter verstärkt wird.
Die DE 10 2015 102 870 A1 offenbart ein Reflektorelement, umfassend ein Kunststoffsubstrat, eine Silberschicht, eine über der Silberschicht angeordnete erste Barriereschicht aus einer mindestens 15 nm dicken Oxidschicht und eine über der ersten Barriereschicht angeordnete zweite Barriereschicht, die ein Siloxan aufweist, wobei die Dicke der zweiten Barriereschicht mindestens 250 nm und höchstens 450 nm beträgt. Die Verwendung einer mehrere 100 nm dicken zweiten Barriereschicht bedingt nachteilig lange Prozesszeiten bei der Herstellung eines derartigen Reflektorelements. Zudem wird die Winkelabhängigkeit des Reflexionsgrades durch das Vorliegen einer derart dicken Einzelschicht unerwünschterweise verstärkt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Reflektorelement für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung vorzuschlagen, welches die vorgenannten Nachteile von Reflektorelementen aus dem Stand der Technik überwindet und einen hohen Reflexionsgrad im gesamten sichtbaren Lichtspektrum bei gleichzeitig hoher Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird von einem Reflektorelement gemäß Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Reflektorelement wenigstens umfasst:

- einen Grundkörper,
- eine über dem Grundkörper angeordnete Spiegelschicht, welche Aluminium oder Silber aufweist,
- eine über der Spiegelschicht angeordnete Schutzschicht, welche Siloxan aufweist, und
- eine über der Schutzschicht angeordnete Deckschicht, welche ein Übergangsmetalloxid aufweist,

Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die Verschlechterung der Reflexionseigenschaften, welche durch die zum Korrosionsschutz notwendige Schutzschicht aus einer Silizium-organischen Verbindung bedingt wird, zu kompensieren, indem darüber eine als optische Verstärkerschicht fungierende Deckschicht aus einem Übergangsmetalloxid appliziert wird. Überraschenderweise und im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Schichtaufbauten ist es dabei erfindungsgemäß ausreichend, die Einzelschichten von Schutzschicht und Deckschicht dünner als 100 nm auszubilden. Das erfindungsgemäße Reflektorelement weist damit eine für den Praxisbetrieb ausreichende Korrosions- und Langzeitbeständigkeit auf, und hinsichtlich der funktional optischen Eigenschaften ist es durch eine Erhöhung seines Reflexionsgrades im Vergleich zu einer reinen Metallschicht gekennzeichnet bei gleichzeitiger Optimierung der Farbneutralität des Erscheinungsbildes. Dank der erfindungsgemäßen geringen Schichtdicken bedarf es bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Reflektorelements nur überaus kurzer Depositionsdauern, sodass ein dabei stattfindender Wärmeeintrag in den üblicherweise wärmeempfindlichen Grundkörper auf ein Minimum beschränkt werden kann.
In vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektorelements weist die Deckschicht ein binäres Übergangsmetalloxid mit einem hohen Brechungsindex im sichtbaren Lichtspektrum auf, insbesondere mit einem Brechungsindex größer als 2. Geeignete Übergangsmetalloxide stellen beispielsweise Titandioxid oder Zirconiumdioxid dar. Aufgrund des hohen Brechungsindexes kann die Schichtdicke der Deckschicht dünn, d.h. insbesondere dünner als 100 nm, ausgebildet sein bei ausreichender optischer Verstärkungswirkung hinsichtlich des Reflexionsgrades des erfindungsgemäßen Reflektorelements.
Beispielsweise weist die Spiegelschicht Aluminium und die Deckschicht Titandioxid auf, wobei die Schutzschicht eine Schichtdicke von 70 nm bis 80 nm, bevorzugt 75 nm, und die Deckschicht eine Schichtdicke von 50 nm bis 60 nm, bevorzugt 55 nm, aufweisen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Spiegelschicht Silber und die Deckschicht Titandioxid auf, wobei die Schutzschicht eine Schichtdicke von 45 nm bis 55 nm, bevorzugt 50 nm, und die Deckschicht eine Schichtdicke von 45 nm bis 55 nm, bevorzugt 50 nm, aufweisen. Die ausgezeichneten Reflexionseigenschaften dieser Ausführungsbeispiele werden nachstehend im Zusammenhang mit den Figuren näher beschrieben.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Reflektorelement ein farbneutrales Erscheinungsbild auf, wobei von dem Reflektorelement in Normalrichtung reflektiertes Weißlicht im CIELAB-Farbraum durch Farbkoordinaten gekennzeichnet ist, welche einen Betrag kleiner als 2, bevorzugt Null, aufweisen. Der CIELAB-Farbraum ist in der EN ISO 11664-4 genormt. Der dreidimensionale CIELAB-Farbraum wird durch eine von den Farbkoordinaten a* und b* aufgespannte Farbebene und einen senkrecht darauf stehenden Helligkeitswert L* aufgespannt. Absolute Farbneutralität liegt dabei vor, falls beide Farbkoordinaten a* und b* identisch Null sind. Das erfindungsgemäße Reflektorelement ist insbesondere derart ausgebildet, dass der intrinsische Gelbstich bei der Weißlichtreflexion an reinem Silber durch eine abgestimmte Kombination von Schutz- und Deckschicht kompensiert wird.
Mit weiterem Vorteil weist das erfindungsgemäße Reflektorelement im sichtbaren Lichtspektrum einen maximalen Reflexionsgrad von 95° bis 99° auf. Neben der Verbesserung der Farbneutralität besteht die Wirkung des erfindungsgemäß aufgebrachten Schichtstapels also insbesondere darin, dass der Reflexionsgrad des erfindungsgemäßen Reflektorelements gegenüber einem reinen Metallspiegelschicht signifikant erhöht wird.
Beispielsweise ist der Grundkörper des erfindungsgemäßen Reflektorelements aus einem Kunststoff ausgebildet und weist insbesondere ein Polycarbonat, ein Polyetherimid oder ein beispielsweise grundlackiertes Bulk-Molding-Compound auf. Diese Werkstoffe sind hinsichtlich ihrer thermo-mechanischen Eigenschaften, ihrer Verarbeitbarkeit sowie unter ökonomischen Aspekten geeignet für die Verwendung in Reflektorelementen von Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen.
Zudem weist das erfindungsgemäße Reflektorelement beispielsweise eine optionale Zwischenschicht mit einer Schichtdicke beispielsweise geringer als 50nm auf, welche zwischen dem Grundkörper und der Spiegelschicht angeordnet ist. Je nach für den Grundkörper verwendetem Werkstoff dient diese Zwischenschicht als eine Haftvermittlungsschicht zwischen dem Grundkörper und der Spiegelschicht und/oder als eine Diffusionsbarriere zum Schutz der Spiegelschicht vor aus dem Grundkörper austretenden Substanzen wie beispielsweise Wasser oder Sauerstoff.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Reflektorelements für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei die Spiegelschicht und die Deckschicht jeweils mittels Sputterns, auch Kathodenzerstäubung genannt, und die Schutzschicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die Schutzschicht wird vorzugsweise durch Plasmapolymerisation von Hexamethyldisiloxan (HMDSO) gebildet. Vorzugsweise wird die Spiegelschicht mittels Gleichspannungs-Sputterns und die Deckschicht mittels Wechselspannungs-Sputterns, bevorzugt Mittelfrequenz-Sputtern bei Frequenzen im Bereich von beispielsweise 20 kHz bis 70 kHz , abgeschieden.
Figurenliste
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 eine schematische quergeschnittene Teilansicht eines erfindungsgemäßen Reflektorelements,
2a den spektralen Reflexionsgrad von Al-basierten Schichtstapeln,
2b den spektralen Reflexionsgrad von Ag-basierten Schichtstapeln,
3a den spektralen winkelabhängigen Reflexionsgrad eines Al-basierten Schichtstapels und
3b den spektralen winkelabhängigen Reflexionsgrad eines Ag-basierten Schichtstapels.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Reflektorelements 100, welches den Grundkörper 1 mit dem darauf applizierten Dünnschichtstapel aus den funktionalen Schichten 2 - 5 umfasst. Der Grundkörper 1 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gefertigt.
Die Spiegelschicht 2 besteht insbesondere aus Silber, welches sich gegenüber dem im Stand der Technik gebräuchlicheren Aluminium durch einen höheren Reflexionsgrad im sichtbaren Lichtspektrum auszeichnet. In Abhängigkeit von der Topographie des Substrats, d.h. der Oberfläche des Grundkörpers 1 und der Zwischenschicht 5, sowie der Depositionsbedingungen ist die Schichtdicke D2 der Spiegelschicht 2 vorzugsweise so gewählt, dass ihre Oberfläche eine möglichst geringe Rauheit, d.h. höchste Spiegelwirkung, aufweist. Die Schichtdicke D2 beträgt dabei typischerweise 50 nm bis 150 nm.
Die optional vor der Deposition der Spiegelschicht 2 auf dem Grundkörper abgeschiedene Zwischenschicht 5 besteht beispielsweise aus einem HMDSO-basierten Plasmapolymer oder aus gesputtertem Titan. In Abhängigkeit von Werkstoff und Oberflächenbeschaffenheit des Grundkörpers 1 kann die Zwischenschicht 5 als Haftvermittler für die Spiegelschicht 2 fungieren und/oder eine Diffusionssperre für aus dem Grundkörper 1 entweichende Spezies, z.B. Wassermoleküle oder Sauerstoff, darstellen, welche eine Schädigung der Spiegelschicht 2 hervorrufen könnten.
Auf der Spiegelschicht 2 ist die insbesondere mittels Plasmapolymerisation von HMDSO abgeschiedene Schutzschicht 3 angeordnet, welche dem Korrosionsschutz dient. Die Dicke D3 der Schutzschicht 3 beträgt erfindungsgemäß weniger als 100 nm. Die auf der Schutzschicht 3 abgeschiedene Deckschicht 4 besteht aus einem hochbrechenden Werkstoff, vorzugsweise aus einem binären Übergangsmetalloxid mit einem Brechungsindex größer als 2 im Bereich des sichtbaren Lichtspektrums, und weist erfindungsgemäß ebenfalls eine geringe Schichtdicke D4 von weniger als 100 nm auf.
2a und 2b zeigen den experimentell bestimmten spektralen Reflexionsgrad im sichtbaren Lichtspektrum, d.h. bei Lichtwellenlängen zwischen 400 nm und 750 nm, von Aluminium- bzw. Silber-basierten Schichtstapeln, jeweils im Vergleich eine reine Spiegelschicht (AI bzw. Ag), eine Spiegelschicht mit einer Schutzschicht aus Siloxan-Plasmapolymer sowie eine Spiegelschicht mit Schutzschicht aus Siloxan-Plasmapolymer und Deckschicht aus Titandioxid (TiO₂). Die Dicken der einzelnen Schichten sind jeweils in den Legenden der Figuren angegeben und betragen wie erfindungsgemäß vorgesehen jeweils weniger als 100 nm.
Der Vergleich der reinen Metallschichten offenbart den höheren intrinsischen Reflexionsgrad von Silber gegenüber Aluminium. Mit Ausnahme von Wellenlängen im Blauen unterhalb von 450 nm weist die reine Spiegelschicht aus Silber einen Reflexionsgrad von mehr als 95% auf, wodurch die besondere Eignung von Silber zur Verwendung in Reflektorelementen demonstriert wird. Der Abfall des Reflexionsgrades im Blauen führt zu einem Gelbstich im Erscheinungsbild der Silberschicht. Der Effekt der Schutzschicht besteht in einer Reduktion des Reflexionsgrades über den gesamten dargestellten Spektralbereich, insbesondere im Blauen, wodurch bei der Kombination mit Silber dessen Gelbstich im Erscheinungsbild nachteiligerweise weiter intensiviert wird. Die Schichtstapel mit abschließender Deckschicht aus Titandioxid sind durch eine signifikante Erhöhung des Reflexionsgrades gekennzeichnet, was die Bezeichnung als optische Verstärkerschicht rechtfertigt. Trotz der Anwesenheit der Schutzschicht aus Plasmapolymer resultiert dabei im Falle des Silber-basierten Schichtstapels ein mittlerer Reflexionsgrad im sichtbaren Lichtspektrum von über 95%. Dabei führt die Anwesenheit der Deckschicht zudem vorteilhafterweise zu einer gewissen Umverteilung des spektralen Gewichtes von Rot nach Blau, was zu einer Korrektur des gelbstichigen Erscheinungsbildes führt, so dass ein erfindungsgemäßes Reflektorelement mit einem derartigen Schichtstapel ein farbneutrales Erscheinungsbild aufweist, bei welchem in Normalrichtung reflektiertes Weißlicht im CIELAB-Farbraum durch Farbkoordinaten betragsmäßig kleiner 2 gekennzeichnet ist.
3a und 3b zeigen auf Grundlage von Simulationen den spektralen winkelabhängigen Reflexionsgrad im sichtbaren Lichtspektrum von Aluminium-Plasmapolymer-Titandioxid bzw. Silber-Plasmapolymer-Titandioxid Schichtstapeln, deren Einzelschichtdicken jeweils im erfindungsgemäß vorgesehenen Bereich zwischen 10 nm und 100 nm liegen. Dargestellt ist der Reflexionsgrad jeweils bei Lichteinfall in Normalenrichtung, d.h. senkrecht im Winkel von 0° auf die (lokale) Oberfläche, sowie bei streifendem Lichteinfall unter einem Winkel von 80°. Bei beiden Schichtstapeln ist der Reflexionsgrad bei streifendem Einfall durch ein Minimum bei einer Lichtwellenlänge um 500 nm gekennzeichnet, was bei Beleuchtung mit Weißlicht einer Veränderung des farblichen Erscheinungsbildes gegenüber Normaleinfall entspricht. Hervorzuheben ist jedoch, dass der mittlere Reflexionsgrad unter dem flachem Sichtwinkel von 80° nur in unbedeutendem Maße geringer ist als in Normalenrichtung. Dies stellt einen weiteren Vorteil von erfindungsgemäßen Reflektorelementen mit Schichtdicken kleiner 100 nm dar, da im Gegensatz dazu bei aus dem Stand der Technik bekannten Reflektorelementen mit Plasmapolymer Schutzschichten höherer Schichtdicke, insbesondere größer 250 nm, ein wesentlich stärkerer Abfall des Reflexionsgrades zu flachen Sichtwinkeln vorliegt. Der Vergleich der 3a und 3b zeigt zudem die Vorzüge von Silber-basierten gegenüber Aluminium-basierten Schichtstapeln hinsichtlich der Winkelabhängigkeit des Reflexionsgrades. Ursache ist eine intrinsisch geringere Abhängigkeit der Reflektivität von Silber von der Polarisation des auftreffenden Lichtes.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

100: Reflektorelement
1: Grundkörper
2: Spiegelschicht
3: Schutzschicht
4: Deckschicht
5: Zwischenschicht
D2, D3, D4: Schichtdicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015102870 A1 [0005]

Claims

Reflektorelement (100) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung wenigstens umfassend: - einen Grundkörper (1), - eine über dem Grundkörper (1) angeordnete Spiegelschicht (2), welche Aluminium oder Silber aufweist, - eine über der Spiegelschicht (2) angeordnete Schutzschicht (3), welche Siloxan aufweist, und - eine über der Schutzschicht (3) angeordnete Deckschicht (4), welche ein Übergangsmetalloxid aufweist, wobei die Schutzschicht (3) und die Deckschicht (4) jeweils eine Schichtdicke (D3, D4) von 10 nm bis 100 nm aufweisen.
Reflektorelement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4) ein binäres Übergangsmetalloxid mit einem hohen Brechungsindex im sichtbaren Lichtspektrum aufweist, insbesondere mit einem Brechungsindex größer 2.
Reflektorelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) Aluminium und die Deckschicht (4) Titandioxid aufweisen, wobei die Schutzschicht (3) eine Schichtdicke (D3) von 70 nm bis 80 nm, bevorzugt 75 nm, und die Deckschicht (4) eine Schichtdicke (D4) von 50 nm bis 60 nm, bevorzugt 55 nm, aufweisen.
Reflektorelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) Silber und die Deckschicht (4) Titandioxid aufweisen, wobei die Schutzschicht (3) eine Schichtdicke (D3) von 45 nm bis 55 nm, bevorzugt 50 nm, und die Deckschicht (4) eine Schichtdicke (D4) von 45 nm bis 55 nm, bevorzugt 50 nm, aufweisen.
Reflektorelement (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (100) ein farbneutrales Erscheinungsbild aufweist, wobei von dem Reflektorelement (100) in Normalenrichtung reflektiertes Weißlicht im CIELAB-Farbenraum durch Farbkoordinaten gekennzeichnet ist, welche einen Betrag kleiner als 2, bevorzugt Null, aufweisen.
Reflektorelement (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (100) im sichtbaren Lichtspektrum einen maximalen Reflexionsgrad von 95% bis 99% aufweist.
Reflektorelement (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) aus einem Kunststoff ausgebildet ist und insbesondere ein Polycarbonat, ein Polyetherimid oder ein Bulk-Molding-Compound aufweist.
Reflektorelement (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (100) eine Zwischenschicht (5) aufweist, welche zwischen dem Grundkörper (1) und der Spiegelschicht (2) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Reflektorelements (100) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) und die Deckschicht (4) jeweils mittels Sputterns und die Schutzschicht (3) mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) mittels Gleichspannungs-Sputterns und die Deckschicht (4) mittels Wechselspannungs-Sputterns, bevorzugt Mittelfrequenz-Sputtern, abgeschieden wird.