DE112015001639T5

DE112015001639T5 - Nicht-farbverschiebende mehrschichtige Strukturen

Info

Publication number: DE112015001639T5
Application number: DE112015001639.2T
Authority: DE
Inventors: Debasish Banerjee; Minjuan Zhang; Masahiko Ishii
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: CN106461834B; US20180045865A1; WO2015153043A1; US20230350110A1; JP2020181211A; JP6741586B2; US11086053B2; JP6947885B2; CN106461834A; US11726239B2; US20210325579A1; DE112015001639B4; JP2017511502A

Abstract

Vorgesehen ist ein omnidirektionaler mehrschichtiger dünner Film. Der mehrschichtige dünne Film beinhaltet einen mehrschichtigen Stapel mit einer ersten Schicht eines ersten Materials und einer zweiten Schicht eines zweiten Materials, wobei sich die zweite Schicht über der ersten Schicht erstreckt. Der mehrschichtige Stapel reflektiert ein enges Band elektromagnetischer Strahlung mit einer vollen Halbwertsbreite (FWHM) von weniger als 300 Nanometern (nm) und einer Farb-/Farbtonverschiebung von weniger als 30 Grad, wenn der mehrschichtige Stapel elektromagnetischer Breitbandstrahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird. In einigen Fällen besitzt der mehrschichtige Stapel eine Gesamtdicke von weniger als 2 Mikrometern (μm). Vorzugsweise besitzt der mehrschichtige dünne Film eine Gesamtdicke von weniger als 1,5 μm und stärker bevorzugt weniger als 1,0 μm.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der am 1. April 2014 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/242,429, die eine „Continuation-in-part” (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 ist, die wiederum eine CIP der am 18. Februar 2009 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/388,395 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, die eine CIP der am 4. Juni 2010 eingereichten 12/793,772 ist. Die am 26. Januar 2011 eingereichte US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/014,398 ist eine CIP der am 13. Januar 2010 eingereichten 12/686,861 ( US-Patent 8,593,728 ), die eine CIP der am 19. Februar 2009 eingereichten 12/389,256 ( US-Patent 8,329,247 ) ist, welche alle in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit einbezogen sind.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft mehrschichtige Dünnfilmstrukturen und insbesondere mehrschichtige Dünnfilmstrukturen, die eine minimale oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung aufweisen, wenn sie elektromagnetischer Breitbandstrahlung 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 hoher Chroma bzw. Buntheit aufweisen oder bereitstellen. Derartige Pigmente aus dem Stand der Technik erfordern jedoch ganze 39 dünne Filmschichten, um gewünschte Farbeigenschaften zu erhalten.
Es versteht sich, dass die mit der Herstellung von Dünnfilm-Mehrschichtpigmenten verbundenen Kosten proportional zur Anzahl der erforderlichen Schichten sind. Demzufolge können die Kosten im Zusammenhang mit der Herstellung von omnidirektionalen strukturellen Farben hoher Chroma unter Verwendung von mehrschichtigen Stapeln dielektrischer Materialien untragbar hoch sein. Deshalb wäre eine omnidirektionale strukturelle Farbe hoher Chroma wünschenswert, die eine minimale Anzahl von dünnen Filmschichten erfordert.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist ein omnidirektionaler, mehrschichtiger dünner Film. Der mehrschichtige dünne Film beinhaltet einen mehrschichtigen Stapel mit einer ersten Schicht eines ersten Materials und einer zweiten Schicht eines zweiten Materials, wobei sich die zweite Schicht über der ersten Schicht erstreckt. Der mehrschichtige Stapel reflektiert ein enges Band elektromagnetischer Strahlung mit einer vollen Halbwertsbreite (FWHM) von weniger als 300 Nanometern (nm) und besitzt in einigen Fällen eine FWHM von weniger als 200 nm. Der mehrschichtige Stapel besitzt auch eine Farbverschiebung in Form einer Mittelwellenlängenverschiebung von weniger als 50 nm, vorzugsweise weniger als 40 nm und stärker bevorzugt weniger als 30 nm, wenn der mehrschichtige Stapel elektromagnetischer Breitbandstrahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird. Alternativ kann die Farbverschiebung in Form einer Farbtonverschiebung von weniger als 30°, vorzugsweise weniger als 25° und stärker bevorzugt weniger als 20° vorliegen. Darüber hinaus kann der mehrschichtige Stapel ein Band elektromagnetischer Strahlung in dem Ultraviolett(UV)-Bereich reflektieren und/oder ein Band elektromagnetischer Strahlung in dem Infrarot(IR)-Bereich reflektieren, oder auch nicht.
In einigen Fällen besitzt der mehrschichtige Stapel eine Gesamtdicke von weniger als 2 Mikrometern (μm). Vorzugsweise besitzt der mehrschichtige dünne Film eine Gesamtdicke von weniger als 1,5 μm und stärker bevorzugt weniger als 1,0 μm.
Der mehrschichtige Stapel kann aus dielektrischen Schichten hergestellt sein, d. h. die erste Schicht und die zweite Schicht können aus dielektrischen Materialien hergestellt sein. Alternativ kann die erste Schicht ein dielektrisches Material sein und die zweite Schicht kann ein absorbierendes Material sein. Die erste Schicht besitzt eine Dicke zwischen 30–300 nm. Das absorbierende Material kann ein selektiv absorbierendes Material oder alternativ ein nicht-selektiv absorbierendes Material sein. Das selektiv absorbierende Material absorbiert lediglich einen gewünschten Teil des sichtbaren elektromagnetischen Strahlungsspektrums und kann aus Materialien wie etwa Kupfer (Cu), Gold (Au), Zink (Zn), Zinn (Sn), Legierungen davon und dergleichen hergestellt sein. Alternativ kann das selektiv absorbierende Material aus einem farbigen dielektrischen Material wie etwa Fe₂O₃, Cu₂O und Kombinationen daraus hergestellt sein. Eine solche aus einem selektiv absorbierenden Material hergestellte zweite Schicht kann eine Dicke zwischen 20–80 nm besitzen.
Das nicht-selektiv absorbierende Material/die nicht-selektiv absorbierende Schicht absorbiert generell das gesamte sichtbare elektromagnetische Strahlungsspektrum und kann aus Materialien wie etwa Chrom (Cr), Tantal (Ta), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Titan (Ti), Titannitrid, Niob (Nb), Kobalt (Co), Silizium (Si), Germanium (Ge), Nickel (Ni), Palladium (Pd), Vanadium (V), Eisenoxid und Kombinationen oder Legierungen davon hergestellt sein. Eine solche nicht-selektiv absorbierende Schicht besitzt eine Dicke zwischen 5–20 nm.
Der mehrschichtige Stapel kann ferner eine Reflektorschicht beinhalten, wobei sich die erste und zweite Schicht über der Reflektorschicht erstrecken. Die Reflektorschicht kann aus einem Metall wie etwa Aluminium (Al), Silber (Ag), Au, Platin (Pt), Cr, Cu, Zn, Sn und Legierungen davon hergestellt sein. Ferner besitzt der Reflektor eine Dicke zwischen 5–200 nm.
Das enge Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung, das für den mehrschichtigen dünnen Film charakteristisch ist, kann einen im Allgemeinen symmetrischen Peak besitzen. Alternativ besitzt das enge Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung keinen symmetrischen Peak. In einigen Fällen sieht der mehrschichtige dünne Film ein enges Band reflektierter elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich vor, indem er den nicht-sichtbaren UV-Bereich und/oder IR-Bereich nutzt. Anders ausgedrückt, kann der mehrschichtige Film ein im Allgemeinen breites Band elektromagnetischer Strahlung reflektieren; jedoch ist nur ein enges Band sichtbar. Darüber hinaus besitzt das enge Band sichtbarer elektromagnetischer Strahlung eine sehr geringe Farbverschiebung, z. B. eine Mittelwellenlängenverschiebung von weniger als 50 nm, wenn der mehrschichtige dünne Film aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird.
Der mehrschichtige dünne Film kann auch eine geringe Farbtonverschiebung besitzen, wenn er aus 0 und 45 Grad betrachtet wird. Zum Beispiel kann der mehrschichtige dünne Film eine Farbtonverschiebung von weniger als 30 Grad besitzen, wenn der dünne Film zwischen Winkeln von 0 und 45 Grad betrachtet wird. Alternativ kann der mehrschichtige dünne Film eine Farbtonverschiebung von weniger als 25 Grad, vorzugsweise weniger als 20 Grad besitzen, wenn der dünne Film zwischen Winkeln von 0 und 45 Grad betrachtet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A ist eine schematische Darstellung einer dielektrischen Schicht (DL), die einfallende elektromagnetische Strahlung reflektiert und überträgt;
1B ist eine schematische Darstellung einer Reflektorschicht (RL), die einfallende elektromagnetische Strahlung reflektiert;
1C ist eine schematische Darstellung einer absorbierenden Schicht (AL), die einfallende elektromagnetische Strahlung absorbiert;
1D ist eine schematische Darstellung einer selektiv absorbierenden Schicht (SAL), die einfallende elektromagnetische Strahlung reflektiert, absorbiert und überträgt;
2 ist eine schematische Darstellung der Reflexion und Übertragung einfallender elektromagnetischer Strahlung durch einen mehrschichtigen dünnen Film der 1. Generation einer omnidirektionalen, strukturellen Farbe, der aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten hergestellt ist;
3 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen dünnen Films der 1. Generation einer omnidirektionalen, strukturellen Farbe, der aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten hergestellt ist;
4 ist eine graphische Darstellung, die einen Vergleich des Verhältnisses von Bereich zu mittlerem Bereich von 0,2% für den transversal-magnetischen Mode und den transversal-elektrischen Mode elektromagnetischer Strahlung zeigt;
5 ist eine graphische Darstellung der Reflexion als Funktion der Wellenlänge für den in 4 gezeigten Fall III;
6 ist eine graphische Darstellung der Dispersion der Mittelwellenlänge in dem in 4 gezeigten Fall I, II und III;
7 ist eine schematische Darstellung der Reflexion und Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung durch einen mehrschichtigen dünnen Film der 2. Generation einer omnidirektionalen, strukturellen Farbe, der aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten und einer absorbierenden Schicht hergestellt ist;
8 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen dünnen Films der 2. Generation einer omnidirektionalen, strukturellen Farbe, der aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten und einer absorbierenden Schicht und/oder reflektierenden Schicht hergestellt ist;
9A ist eine schematische Darstellung eines 5-schichtigen Mehrschichtdünnfilms der 2. Generation einer omnidirektionalen, strukturellen Farbe, hergestellt aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten und einer absorbierenden/reflektierenden Schicht, mit einer Chroma (C*) von 100 und einer Reflexion (Max R) von 60%;
9B ist eine graphische Darstellung der Reflexion über der Wellenlänge für den in 9A gezeigten 5-schichtigen Mehrschichtstapeldünnfilm der 2. Generation im Vergleich zu einem 13-schichtigen Mehrschichtdünnfilm der 1. Generation für Betrachtungswinkel von 0 und 45 Grad;
10 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen dünnen Films der 3. Generation einer omnidirektionalen strukturellen Farbe, der aus einer dielektrischen Schicht, einer selektiv absorbierenden Schicht (SAL) und einer Reflektorschicht hergestellt ist;
11A 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;
11B ist eine graphische Darstellung des absoluten Werts des elektrischen Felds im Quadrat (|E|2) über der Dicke der in 1A gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht, wenn diese einer EMR mit Wellenlängen von 300, 400, 500, 600 und 700 nm ausgesetzt ist;
12 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;
13 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;
14 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel ohne eine Cr-Absorberschicht (z. B. 1A) und einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cr-Absorberschicht (z. B. 3A), die weißem Licht ausgesetzt sind;
15A ist eine graphische Darstellung von ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt (z. B. 4A);
15B 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 außerdem einer Cr-Absorberschicht, die innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 8A gezeigten zweiten Harmonischen absorbiert werden;
15C 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 außerdem einer Cr-Absorberschicht, die innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 8A gezeigten ersten Harmonischen absorbiert werden;
16A ist eine graphische Darstellung eines elektrischen Felds im Quadrat über der Dicke der dielektrischen Schicht, welche die Winkelabhängigkeit des elektrischen Felds einer Cr-Absorberschicht für eine Beaufschlagung mit einfallendem Licht bei 0 und 45 Grad zeigt;
16B 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);
17A ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Absorption der in 10A 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°;
18 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;
19 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
20 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
21 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
22 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
23 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 Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist (Probe (b)), verglichen werden;
24 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
25 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
26 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist eine omnidirektionale strukturelle Farbe. Die omnidirektionale strukturelle Farbe besitzt die Form eines mehrschichtigen dünnen Films (hierin auch als ein mehrschichtiger Stapel bzw. Mehrschichtstapel bezeichnet), der ein enges Band elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektrum reflektiert und eine geringe oder nicht-wahrnehmbare Farbverschiebung besitzt, wenn der mehrschichtige dünne Film aus Winkeln zwischen 0 bis 45 Grad betrachtet wird. Der mehrschichtige dünne Film kann als Pigment in einer Farb- bzw. Lackzusammensetzung, ein durchgehender dünner Film auf einer Struktur und dergleichen verwendet werden.
Der mehrschichtige dünne Film beinhaltet einen mehrschichtigen Stapel mit einer ersten Schicht und einer sich über der ersten Schicht erstreckenden zweiten Schicht. In einigen Fällen reflektiert der mehrschichtige Stapel ein enges Band elektromagnetischer Strahlung mit einer FWHM von weniger als 300 nm, vorzugsweise weniger als 200 nm und in einigen Fällen weniger als 150 nm. Der mehrschichtige dünne Film besitzt auch eine Farbverschiebung von weniger als 50 nm, vorzugsweise weniger als 40 nm und stärker bevorzugt weniger als 30 nm, wenn der mehrschichtige Stapel elektromagnetischer Breitbandstrahlung, z. B. weißem Licht, ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird. Auch kann der mehrschichtige Stapel ein separates Reflexionsband 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, vorzugsweise weniger als 1,5 μm und noch stärker bevorzugt weniger als 1,0 μm. Dementsprechend kann der mehrschichtige Stapel als Farb- bzw. Lackpigment in Dünnfilm-Farb- bzw. Lackbeschichtungen verwendet werden.
Die erste und die zweite Schicht können aus dielektrischem Material hergestellt sein, oder alternativ können die erste und/oder die zweite Schicht aus einem absorbierenden Material hergestellt sein. Absorbierende Materialien beinhalten selektiv absorbierende Materialien wie etwa Cu, Au, Zn, Sn, Legierungen davon und dergleichen, oder alternativ farbige dielektrische Materialien wie etwa Fe₂O₃, Cu₂O, Kombinationen daraus und dergleichen. Das absorbierende Material kann auch ein nicht-selektiv absorbierendes Material sein, wie etwa Cr, Ta, W, Mo, Ti, Ti-Nitrid, Nb, Co, Si, Ge, Ni, Pd, V, Eisenoxide, Kombinationen oder Legierungen davon und dergleichen. Die Dicke einer aus selektiv absorbierendem Material hergestellten absorbierenden Schicht beträgt zwischen 20–80 nm, wohingegen die Dicke einer aus nicht-selektiv absorbierendem Material hergestellten absorbierenden Schicht zwischen 5–30 nm beträgt.
Der mehrschichtige Stapel kann auch eine Reflektorschicht beinhalten, über der sich die erste Schicht und die zweite Schicht erstrecken, wobei die Reflektorschicht aus Metallen wie etwa Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn, Legierungen davon und dergleichen hergestellt ist. Die Reflektorschicht besitzt typischerweise eine Dicke zwischen 30–200 nm.
Der mehrschichtige Stapel kann ein enges Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung besitzen, das die Form eines symmetrischen Peaks innerhalb des sichtbaren Spektrums besitzt. Alternativ kann das enge Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektrum benachbart zum UV-Bereich sein, so dass ein Abschnitt des Reflexionsbandes elektromagnetischer Strahlung, d. h. der UV-Abschnitt, für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Alternativ kann das Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung einen Abschnitt im IR-Bereich derart besitzen, dass der IR-Abschnitt für das menschliche Auge ebenfalls nicht sichtbar ist.
Ganz gleich, ob das Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung, welches im sichtbaren Spektrum liegt, an den UV-Bereich oder den IR-Bereich angrenzt oder einen symmetrischen Peak innerhalb des sichtbaren Spektrums besitzt, besitzen die hierin offenbarten mehrschichtigen dünnen Filme ein enges Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektrum mit einer geringen, geringfügigen oder nicht wahrnehmbaren Farbverschiebung. Die geringe oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung kann in Form einer geringen Verschiebung einer Mittelwellenlänge für ein enges Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung vorliegen. Alternativ kann die geringe oder nicht wahrnehmbare Farbverschiebung in Form einer geringen Verschiebung einer UV-seitigen Grenze oder IR-seitigen Grenze eines Reflexionsbandes elektromagnetischer Strahlung vorliegen, das an den IR-Bereich bzw. UV-Bereich angrenzt. Eine solche geringe 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 dünne Film aus Winkeln zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird.
Bezugnehmend auf 1 veranschaulichen die 1A–1D die Grundkomponenten einer Gestaltung einer omnidirektionalen strukturellen Farbe. Insbesondere veranschaulicht 1A eine dielektrische Schicht, die einfallender elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist. Darüber hinaus reflektiert die dielektrische Schicht (DL) einen Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung und überträgt einen Teil davon. Darüber hinaus ist die einfallende elektromagnetische Strahlung gleich dem übertragenen Teil und dem reflektierten Teil, und typischerweise ist der übertragene Teil viel größer als der reflektierte Teil. Dielektrische Schichten sind aus dielektrischen Materialien wie etwa SiO₂, TiO₂, ZnS, MgF₂ und dergleichen hergestellt.
In deutlichem Gegensatz dazu veranschaulicht 1B eine reflektierende Schicht (RL), bei der die gesamte einfallende elektromagnetische Strahlung reflektiert wird und eine Übertragung von im Wesentlichen null vorliegt. Reflektorschichten sind typischerweise aus Materialien wie etwa Aluminium, Gold und dergleichen hergestellt.
1C veranschaulicht eine absorbierende Schicht (AL), bei der einfallende elektromagnetische Strahlung durch die Schicht absorbiert und nicht reflektiert oder übertragen wird. Eine solche absorbierende Schicht kann beispielsweise aus Graphit hergestellt sein. Auch wird die gesamte einfallende elektromagnetische Strahlung absorbiert und Übertragung und Reflexion sind annähernd null.
1D veranschaulicht eine teilweise oder selektiv absorbierende Schicht (SAL), bei der ein Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durch die Schicht absorbiert wird, ein Teil übertragen wird und ein Teil reflektiert wird. Dementsprechend ist die übertragene, absorbierte und reflektierte Menge an elektromagnetischer Strahlung gleich der Menge an einfallender elektromagnetischer Strahlung. Darüber hinaus können solche selektiv absorbierenden Materialien aus Material wie etwa einer dünnen Schicht aus Chrom, Schichten aus Kupfer, Messing, Bronze und dergleichen hergestellt sein.
In Bezug auf die vorliegende Erfindung werden drei Generationen einer Gestaltung und Fertigung dünner Filme einer omnidirektionalen strukturellen Farbe offenbart.
Erste Generation
Bezugnehmend auf 2 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen dünnen Films mit einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten gezeigt. Darüber hinaus sind die Reflexion und Übertragung einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung schematisch gezeigt. Wie oben ausgeführt, ist die Übertragung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung viel größer als deren Reflexion, und somit sind viele Schichten erforderlich.
3 zeigt einen Teil eines mehrschichtigen dünnen Films, der aus dielektrischen Schichten mit einem ersten Brechungsindex (DL₁) und einem zweiten Brechungsindex (DL₂) hergestellt ist. Es sollte verstanden werden, dass die doppelten Linien zwischen den Schichten einfach eine Schnittstelle zwischen den verschiedenen Schichten repräsentieren.
Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, ist ein Verfahren oder Ansatz zur Gestaltung und Fertigung eines gewünschten mehrschichtigen Stapels wie folgt.
Wenn elektromagnetische Strahlung auf einer Materialoberfläche auftrifft, können Wellen der Strahlung von dem Material reflektiert oder durch dieses übertragen werden. Wenn ferner elektromagnetische Strahlung auf dem ersten Ende 12 der mehrschichtigen Struktur 10 im Winkel θ₀ auftrifft, sind die Reflexionswinkel, die die elektromagnetischen Wellen mit der Oberfläche der Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex bilden, θ_H bzw. θ_L. Unter Verwendung des Snelliusschen Gesetzes: n₀Sinθ₀ = n_LSinθ_L = n_HSinθ_H (1) können die Winkel θ_H und θ_L bestimmt werden, wenn die Brechungsindizes n_H und n_L bekannt sind.
Im Hinblick auf die omnidirektionale Reflektivität erfordert eine notwendige, jedoch nicht hinreichende Bedingung für den TE-Mode und den TM-Mode von elektromagnetischer Strahlung, dass der maximale Brechungswinkel (θ_H,MAX) innerhalb der ersten Schicht kleiner ist als der Brewster-Winkel (θ_B) der Schnittstelle zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird der TM-Mode elektromagnetischer Wellen bei der zweiten und allen anschließenden Schnittstellen nicht reflektiert und wird somit durch die Struktur übertragen. Unter Verwendung dieser Erwägung gilt:
und
Womit erforderlich ist:
Zusätzlich zu der durch Gleichung (4) repräsentierten notwendigen Bedingung gilt, falls elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge λ mit einem Winkel θ₀ auf eine mehrschichtige Struktur fällt und die einzelnen Doppelschichten der mehrschichtigen Struktur Dicken d_H und d_L in Bezug auf jeweilige Brechungsindizes n_H und n_L besitzen, dass sich die charakteristische Translationsmatrix (F_T) ausdrücken lässt als:
was auch ausgedrückt werden kann als:
und wobei gilt:
Darüber hinaus gilt
wobei
Wird ρ_T explizit nach TE und TM aufgelöst, so gilt:
Eine betrachtungswinkelabhängige Bandstruktur kann aus einer Grenzbedingung für die Kante, auch als die Bandkante bekannt, der gesamten Reflexionszone erhalten werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist Bandkante als die Gleichung für diejenige Linie definiert, die die gesamte Reflexionszone von der Übertragungszone für die gegebene Bandstruktur trennt.
Eine Grenzbedingung, die die Bandkantenfrequenzen des hochreflektierenden Bandes bestimmt, kann angegeben werden durch: Spur|F_T| = –1 (16)
Somit gilt aus Gleichung 3:
oder anders ausgedrückt:
Kombiniert man die Gleichungen 15 und 7, so erhält man die folgende Bandkantengleichung:
Wobei gilt: L₊ = n_Hd_HCosθ_H + n_Ld_LCoSθ_L (20) und: L_– = n_Hd_HCosθ_H – n_Ld_LCosθ_L (21)
Das + Zeichen in der oben gezeigten Bandkantengleichung repräsentiert die Bandkante für die lange Wellenlänge (λ_lang), und das – Zeichen repräsentiert die Bandkante für die kurze Wellenlänge (λ_kurz). Bei Neuaufstellung der Gleichungen 20 und 21 gilt:
für den TE-Mode, und:
für den TM-Mode.
Eine Näherungslösung der Bandkante kann durch den folgenden Ausdruck bestimmt werden: L_– = n_Hd_HCosθ_H – n_Ld_LCosθ_L ~ 0 (24)
Diese Näherungslösung ist sinnvoll bei Betrachtung einer Viertelwellengestaltung (nachstehend ausführlicher beschrieben) und optischer Dicken der alternierenden Schichten, die zueinander gleich gewählt sind. Darüber hinaus führen relativ kleine Unterschiede der optischen Dicken der alternierenden Schichten zu einem Kosinus nahe eins. Somit ergeben die Gleichungen 23 und 24 die Bandkantennäherungsgleichungen:
für den TE-Mode, und:
für den TM-Mode.
Aus den Gleichungen 7, 8, 14, 15, 20 und 21 können Werte für L₊ und ρ_TM als Funktion des Einfallswinkels erhalten werden, wodurch Berechnungen für λ_lang und λ_kurz im TE- und TM-Mode als Funktion des Einfallswinkels ermöglicht werden.
Die Mittenwellenlänge eines omnidirektionalen Reflektors (λ_c) kann aus der Relation bestimmt werden: λ_c = 2(n_Hd_HCosθ_H + n_Ld_LCosθ_L) (30)
Die Mittelwellenlänge kann ein wichtiger Parameter sein, da ihr Wert den ungefähren Bereich einer zu reflektierenden elektromagnetischen Wellenlänge und/oder eines zu reflektierenden Farbspektrums angibt. Ein weiterer wichtiger Parameter, der einen Hinweis auf die Breite eines Reflexionsbandes liefern kann, ist als das Verhältnis eines Bereichs von Wellenlängen innerhalb des omnidirektionalen Reflexionsbandes zu dem mittleren Bereich von Wellenlängen innerhalb des omnidirektionalen Reflexionsbandes definiert. Dieses „Verhältnis von Bereich zu mittlerem Bereich” (η) wird mathematisch ausgedrückt als:
für den TE-Mode, und:
für den TM-Mode. Es versteht sich, dass das Verhältnis von Bereich zu mittlerem Bereich als ein Prozentsatz ausgedrückt werden kann, und für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden der Begriff Verhältnis von Bereich zu mittlerem Bereich und prozentuales Verhältnis von Bereich zu mittlerem Bereich austauschbar verwendet. Es versteht sich ferner, dass ein hierin vorgesehener Wert eines „Verhältnisses von Bereich zu mittlerem Bereich”, an den sich ein ,%'-Zeichen anschließt, ein prozentualer Wert des Verhältnisses von Bereich zu mittlerem Bereich ist. Die Verhältnisse von Bereich zu mittlerem Bereich für den TM-Mode und den TE-Mode können numerisch aus den Gleichungen 31 und 32 berechnet und als Funktion eines hohen Brechungsindexes und eines niedrigen Brechungsindexes dargestellt werden.
Es versteht sich, dass die Dispersion der Mittelwellenlänge minimiert werden muss, um das enge omnidirektionale Band zu erhalten. Somit kann aus Gleichung 30 die Dispersion der Mittelwellenlänge ausgedrückt werden als:
wobei gilt:
und F_c, der Mittelwellenlängen-Dispersionsfaktor, kann ausgedrückt werden als:
Angesichts des Vorstehenden kann aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex, das einen Brechungsindex n_L und eine oder mehrere Schichten mit einer Dicke d_L besitzt, und einem Material mit hohem Brechungsindex, das einen Brechungsindex n_H und eine oder mehrere Schichten mit einer Dicke d_H besitzt, ein mehrschichtiger Stapel mit einer gewünschten geringen Mittelwellenlängenverschiebung (Δλ_c) gestaltet werden.
Insbesondere sieht 4 eine graphische Darstellung eines Vergleichs des Verhältnisses von Bereich zu mittlerem Bereich von 0,2% für den transversal-magnetischen Mode und den transversal-elektrischen Mode elektromagnetischer Strahlung vor, dargestellt als Funktion eines hohen Brechungsindexes gegenüber einem niedrigen Brechungsindex. Wie in der Figur gezeigt, sind drei Fälle veranschaulicht, wobei sich Fall I auf eine große Differenz zwischen dem transversal-magnetischen Mode und dem transversal-elektrischen Mode bezieht, Fall II sich auf eine Situation für eine geringere Differenz zwischen dem transversal-magnetischen Mode und dem transversal-elektrischen Mode bezieht und sich Fall III auf eine Situation für eine sehr geringe Differenz zwischen dem transversal-magnetischen Mode und dem transversal-elektrischen Mode bezieht. Darüber hinaus veranschaulicht 5 eine prozentuale Reflexion über der Wellenlänge für reflektierte elektromagnetische Strahlung für einen zu Fall III analogen Fall.
Wie in 5 gezeigt, ist eine geringe Dispersion der Mittelwellenlänge für einen mehrschichtigen dünnen Film entsprechend Fall III gezeigt. Darüber hinaus und bezugnehmend auf 6 sieht Fall II eine Verschiebung der Mittelwellenlänge von weniger als 50 nm (Fall II) vor, wenn eine mehrschichtige Dünnfilmstruktur zwischen 0 und 45 Grad betrachtet wird, und Fall III sieht eine Mittelwellenlängenverschiebung von weniger als 25 nm vor, wenn die Dünnfilmstruktur elektromagnetischer Strahlung zwischen 0 und 45 Grad ausgesetzt ist.
Zweite Generation
Bezugnehmend auf 7 ist eine veranschaulichende Struktur/Gestaltung gemäß einer zweiten Generation gezeigt. Die in 7 gezeigte mehrschichtige Struktur besitzt eine Mehrzahl von dielektrischen Schichten und eine untenliegende absorbierende Schicht. Darüber hinaus wird nichts von der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durch die Struktur übertragen, d. h. die gesamte einfallende elektromagnetische Strahlung wird reflektiert oder absorbiert. Eine solche in 7 gezeigte Struktur erlaubt eine Verringerung der Anzahl von dielektrischen Schichten, die nötig sind, um einen geeigneten Reflexionsbetrag zu erhalten.
Zum Beispiel sieht 8 eine schematische Darstellung einer solchen Struktur vor, bei der ein mehrschichtiger Stapel eine zentrale absorbierende Schicht aus Cr, eine sich über der absorbierenden Cr-Schicht erstreckende erste dielektrische Materialschicht (DL₁), eine sich über der DL₁-Schicht erstreckende zweite dielektrische Materialschicht (DL₂) und dann eine sich über der DL₂-Schicht erstreckende weitere DL₁-Schicht aufweist. Bei einer derartigen Gestaltung kann die Dicke der ersten dielektrischen Schicht und der dritten dielektrischen Schicht gleich sein oder auch nicht.
Insbesondere zeigt 9A eine graphische Darstellung einer Struktur, bei der eine zentrale Cr-Schicht durch zwei TiO₂-Schichten begrenzt wird, welche wiederum durch zwei SiO₂-Schichten begrenzt werden. Wie durch die Darstellung gezeigt, ist die Dicke der TiO₂- und SiO₂-Schichten nicht gleich zueinander. Darüber hinaus zeigt 9B ein Spektrum der Reflexion über der Wellenlänge der in 9A gezeigten 5-schichtigen Struktur im Vergleich zu einer 13-schichtigen Struktur, die gemäß der Gestaltung der ersten Generation hergestellt ist. Wie in 19B veranschaulicht, ist eine Verschiebung der Mittelwellenlänge von weniger als 50 nm und vorzugsweise weniger als 25 nm vorgesehen, wenn die Strukturen bei 0 und 45 Grad betrachtet werden. Auch ist in 9B die Tatsache gezeigt, dass eine 5-schichtige Struktur gemäß der zweiten Generation eine zu einer 13-schichtigen Struktur der ersten Generation gleichwertige Leistung besitzt.
Dritte Generation
Bezugnehmend auf 10 ist eine Gestaltung der dritten Generation gezeigt, bei der eine untenliegende Reflektorschicht (RL) eine sich darüber erstreckende erste dielektrische Materialschicht DL₁ und eine sich über der DL₁-Schicht erstreckende selektiv absorbierende Schicht SAL aufweist. Darüber hinaus kann eine weitere DL₁-Schicht vorgesehen sein und sich über der selektiv absorbierenden Schicht erstrecken oder auch nicht. In der Figur ist auch eine Darstellung gezeigt, wonach die gesamte einfallende elektromagnetische Strahlung entweder reflektiert oder durch die mehrschichtige Struktur selektiv absorbiert wird.
Eine solche in 10 veranschaulichte Gestaltung entspricht einem anderen Ansatz, der zur Gestaltung und Fertigung eines gewünschten mehrschichtigen Stapels verwendet wird. Insbesondere wird nachstehend eine Dicke eines Energiepunkts von null oder nahe null für eine dielektrische Schicht verwendet und erörtert.
Beispielsweise ist 11A eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt. Die dielektrische ZnS-Schicht besitzt eine Gesamtdicke von 143 nm, und für einfallende elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 500 nm liegt bei 77 nm ein Energiepunkt von null oder nahe null vor. Anders ausgedrückt, weist die dielektrische ZnS-Schicht in einem Abstand von 77 nm von der Al-Reflektorschicht für einfallende EMR mit einer Wellenlänge von 500 nm ein elektrisches Feld von null oder nahe null auf. Darüber hinaus sieht 11B eine graphische Darstellung des Energiefeldes über der dielektrischen ZnS-Schicht für eine Reihe von unterschiedlichen einfallenden EMR-Wellenlängen vor. Wie in dem Graphen gezeigt, besitzt die dielektrische Schicht bei einer Dicke von 77 nm ein elektrisches Feld von null für die Wellenlänge von 500 nm, jedoch 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 12 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, welche zu der äußeren Oberfläche 5 rechtwinklig ist, und wird von der äußeren Oberfläche 5 mit dem gleichen Winkel 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: E ⇀(d) = {u(z), 0, 0}exp(ikαy)|_z=d (37) und für eine p-Polarisation als:
wobei k = 2π / λ und λ eine zu reflektierende gewünschte Wellenlänge ist. Auch gilt α = n_ssinθ_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 (39) 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 (42) q_s = n_s/cosθ_s für eine p-Polarisation (43) q = ncosθ_F für eine s-Polarisation (44) q = n/cosθ_F für eine p-Polarisation (45) φ = k·n·dcos(θ_F) (46) können u(z) und v(z) ausgedrückt werden als:
Daher gilt:
für eine s-Polarisation mit φ = k·n·dcos(θ_F), und:
gilt für eine p-Polarisation, wobei gilt
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, an der das elektrische Feld null ist.
Bezugnehmend auf 13 wurde die Gleichung 55 verwendet, um zu berechnen, dass sich der elektrische Feldpunkt von null oder nahe null in der in 11A gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht, wenn diese einer EMR mit einer Wellenlänge von 434 nm ausgesetzt ist, bei 70 nm befindet (statt 77 nm für eine Wellenlänge von 500 nm). Darüber hinaus wurde bei einer Dicke von 70 nm ausgehend von der Al-Reflektorschicht 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, besitzen die Cr-ZnS-Schnittstellen ein elektrisches Feld von null oder nahe null in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm, und somit gelangt Licht mit 434 nm durch die Schnittstellen. Die Cr-ZnS-Schnittstellen besitzen jedoch kein elektrisches Feld von null oder nahe null für Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm, 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 reflektierten Lichts, 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 13 ist in 14 veranschaulicht, wo die prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge gezeigt ist. Wie durch die gestrichelte Linie gezeigt, die der in 13 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 14 der in 13 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 starker Abfall der Reflexion bewirkt. Es versteht sich, dass der durch die durchgehende Linie dargestellte scharfe Peak visuell als eine scharfe/strukturelle Farbe erscheint. Auch veranschaulicht 14, wo die Breite eines Reflexionspeaks oder -bandes gemessen wird, d. h. die Breite des Bandes wird bei 50% Reflexion der maximal reflektierten Wellenlänge bestimmt, auch volle Halbwertsbreite (FWHM) genannt.
Bezüglich des omnidirektionalen Verhaltens der in 13 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 besitzt ein mehrschichtiger Stapel einer roten Farbe eine höhere Winkelvarianz.
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 15A 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 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 nicht für eine gewünschte „ausschließlich rote” Farbe geeignet. Daher wurde das Konzept/die Struktur der Verwendung einer Absorberschicht zum Absorbieren einer unerwünschten harmonischen Reihe entwickelt. 15A veranschaulicht auch ein Beispiel für die Lage der Reflexionsband-Mittelwellenlänge (λ_c) für einen gegebenen Reflexionspeak und die Dispersion oder Verschiebung der Mittelwellenlänge (Δλ_c), wenn die Probe aus 0 und 45 Grad betrachtet wird.
Bezugnehmend auf 15B wird die in 15A 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. Noch wichtiger für die vorliegende Erfindung ist, dass 15C veranschaulicht, 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 15C 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 Farbtonraum der dunkelroten Farbe 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 16A, dass der Null- oder Nicht-Null-Punkt für Lichtwellenlängen bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unterschiedlich ist. Derartige Faktoren führen zu der in 16B 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 17A 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 17B gezeigt, die eine viel „engere” Gruppierung der 0°- und 45°-Absorptionslinien für den in 17A gezeigten mehrschichtigen Stapel aufzeigt. Demzufolge veranschaulicht ein Vergleich zwischen 16B und 17B die signifikante Verbesserung der Winkelunabhängigkeit der Absorption, wenn anstelle einer nicht-selektiven Absorberschicht eine selektive Absorberschicht verwendet wird.
Basierend auf dem Vorstehenden wurde eine Konzeptnachweis-Mehrschichtstapelstruktur entworfen und angefertigt. Darüber hinaus wurden Berechnungs-/Simulationsergebnisse und tatsächliche experimentelle Daten für die Konzeptnachweisprobe verglichen. Insbesondere, und wie durch die graphische Darstellung in 18 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 Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und/oder mehrschichtigen Stapeln aus dem Stand der Technik zu simulieren.

Eine Aufstellung simulierter und/oder tatsächlich hergestellter Mehrschichtstapelproben ist in der nachstehenden Tabelle 1 vorgesehen. Wie in der Tabelle gezeigt, beinhalten die hierin 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 und eine hervorragende 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 19 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 Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Wie durch die Darstellung gezeigt, stellen beide Kurven von 0° und 45° eine sehr geringe Reflexion dar, z. B. kleiner als 20%, die durch den omnidirektionalen Reflektor für Wellenlängen größer als 550 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 gekennzeichnet, 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, besitzt eine Länge L von etwa 50 auf der Reflexionsachse und eine Neigung von 1,2. 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 besitzt 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. Darüber hinaus ist die Mittelwellenlänge λ_c für das in 19 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.
Es versteht sich, dass sich der Begriff „sichtbare FWHM” auf die Breite des Reflexionsbandes zwischen der IR-seitigen Grenze der Kurve und der Grenze des UV-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 hierin offenbarten erfinderischen Gestaltungen und mehrschichtigen Stapel den nicht-sichtbaren UV-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, um eine scharfe oder strukturelle Farbe bereitzustellen. Anders ausgedrückt, nutzen die hierin offenbarten omnidirektionalen Reflektoren den nicht-sichtbaren UV-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 UV-Bereich erstreckt.
Bezugnehmend auf 20 ist ein im Allgemeinen symmetrisches Reflexionsband, das durch einen mehrschichtigen Stapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird, gezeigt, wenn es bei 0° und 45° betrachtet wird. Wie in der Figur veranschaulicht, besitzt das Reflexionsband, das durch den mehrschichtigen Stapel vorgesehen wird, wenn dieser bei 0° betrachtet wird, eine Mittelwellenlänge (λ_c(0°)), die sich um weniger als 50 nm verschiebt, wenn der mehrschichtige Stapel bei 45° (λ_c(45°)) betrachtet wird, d. h. λ_c(0–45°) < 50 nm. Darüber hinaus beträgt die FWHM sowohl des Reflexionsbandes von 0° als auch des Reflexionsbandes von 45° weniger als 200 nm.
21 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 Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Ähnlich wie 19, und wie durch die Darstellung gezeigt, stellen beide Kurven von 0° und 45° eine sehr geringe Reflexion dar, z. B. kleiner als 10%, die durch den omnidirektionalen Reflektor für Wellenlängen kleiner als 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 gekennzeichnet, 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, besitzt eine Länge L von etwa 40 auf der Reflexionsachse und eine Neigung von 1,4. 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 besitzt 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. Darüber hinaus ist die Mittelwellenlänge λ_c für das in 18 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 hierin 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 hierin 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 22 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 Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist eine Definition oder Charakterisierung von omnidirektionalen Eigenschaften gezeigt, die durch hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren bereitgestellt werden. Insbesondere, und wenn das durch einen erfinderischen Reflektor bereitgestellte 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 22 gezeigt, erfolgt eine Verschiebung oder Verlagerung von λ_c, wenn eine äußere Oberfläche des omnidirektionalen Reflektors aus einem 45°-Winkel (λ_c(45°)) betrachtet wird, 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) sieht ein Maß der omnidirektionalen Beschaffenheit des omnidirektionalen Reflektors vor. Normalerweise wäre eine Verschiebung von null, d. h. überhaupt keine Verschiebung, ein perfekt omnidirektionaler Reflektor. Jedoch können hierin 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 hierin 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 bezugnehmend auf 19 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 19 gezeigten vorsehen, d. h. ein Reflexionsband mit einem Peak, der einer maximal reflektierten Wellenlänge entspricht, die nicht im sichtbaren Bereich liegt (s. 19 und 21). Es versteht sich, dass die Verschiebung der IR-seitigen Grenze (ΔS_IR) bei der sichtbaren FWHM gemessen wird und/oder werden kann.
Bezugnehmend auf 21 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 UV-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 hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein ΔS_L 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 hierin 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 Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefertigt sind, 30° oder weniger, wie in 23 gezeigt (s. Δθ₁), und in einigen Fällen beträgt die Farbtonverschiebung 25° oder weniger, vorzugsweise weniger als 20°, stärker bevorzugt weniger als 15° und noch stärker bevorzugt weniger als 10°. Dagegen weisen herkömmliche Pigmente eine Farbtonverschiebung von 45° oder mehr auf (s. Δθ₂).
Zusammenfassend ist in 24 eine schematische Darstellung eines omnidirektionalen mehrschichtigen dünnen Films gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem sich eine zweite Schicht 120 über einer ersten Schicht 110 erstreckt. Eine optionale Reflektorschicht 100 kann beinhaltet sein. Auch kann sich ein symmetrisches Paar von Schichten auf einer der Reflektorschicht 100 gegenüberliegenden Seite befinden, d. h. die Reflektorschicht 100 kann eine zu der in der Figur gezeigten Schicht 110 gegenüberliegend angeordnete erste Schicht 110 derart aufweisen, dass die Reflektorschicht 100 sandwichartig zwischen einem Paar von ersten Schichten 110 angeordnet ist. Darüber hinaus kann eine zweite Schicht 120 gegenüberliegend zu der Reflektorschicht 100 derart angeordnet sein, dass eine fünfschichtige Struktur bereitgestellt wird. Daher sollte verstanden werden, dass die Erörterung der hierin vorgesehenen mehrschichtigen dünnen Filme auch die Möglichkeit einer Spiegelstruktur in Bezug auf eine oder mehrere zentrale Schichten beinhaltet. Demzufolge kann 24 zur Veranschaulichung einer Hälfte eines fünfschichtigen Mehrschichtstapels dienen.
Die erste Schicht 110 und zweite Schicht 120 können dielektrische Schichten sein, d. h. aus einem dielektrischen Material hergestellt sein. Alternativ kann eine der Schichten eine absorbierende Schicht sein, z. B. eine selektiv absorbierende Schicht oder eine nicht-selektiv absorbierende Schicht. Zum Beispiel kann die erste Schicht 110 eine dielektrische Schicht sein und die zweite Schicht 120 kann eine absorbierende Schicht sein.
25 veranschaulicht mit Bezugszeichen 20 die Hälfte einer siebenschichtigen Gestaltung. Der mehrschichtige Stapel 20 weist eine zusätzliche Schicht 130 auf, die sich über der zweiten Schicht 120 erstreckt. Zum Beispiel kann die zusätzliche Schicht 130 eine dielektrische Schicht sein, die sich über einer absorbierenden Schicht 110 erstreckt. Es versteht sich, dass die Schicht 130 das gleiche oder ein anderes Material sein kann als die Schicht 110. Darüber hinaus kann die Schicht 130 auf den mehrschichtigen Stapel 20 unter Verwendung des gleichen oder eines anderen Verfahrens als jenem, das zum Aufbringen der Schichten 100, 110 und/oder 120 verwendet wird, wie etwa mit einem Sol-Gel-Verfahren, auf den mehrschichtigen Stapel 20 hinzugefügt werden.

26 veranschaulicht mit Bezugszeichen 24 die Hälfte einer neunschichtigen Gestaltung, bei der noch eine zusätzliche Schicht 105 zwischen der optionalen Reflektorschicht 100 und der ersten Schicht 110 angeordnet ist. Zum Beispiel kann die zusätzliche Schicht 105 eine absorbierende Schicht 105 sei, die sich zwischen der Reflektorschicht 100 und einer dielektrischen Schicht 110 erstreckt. Eine nicht erschöpfende Aufstellung von Materialien, aus denen die verschiedenen 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
Silizium (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	Zinksulfat (ZnSO₄)	2,5–3,0
Titandioxid(TiO₂) – Sol-Gel	2,36	Titandioxid (TiO₂) – im Vakuum abgeschieden	2,43
Aluminiumoxid (Al₂O₃)	1,75	Hafniumoxid (HfO₂)	2,0
Yttriumoxid (Y₂O₃)	1,75	Natrium-Aluminiumfluorid (Na₃AlF₆)	1,6
Polystyrol	1,6	Polyethersulfon (PES)	1,55
Magnesiumfluorid (MgF₂)	1,37	hochporöses Si	1,5
Bleifluorid (PbF₂)	1,6	Indiumzinnoxid-Nanoröhrchen (ITO)	1,46
Kaliumfluorid (KF)	1,5	Lithiumfluorid (LiF₄)	1,45
Polyethylen (PE)	1,5	Kalziumfluorid	1,43
Bariumfluorid (BaF₂)	1,5	Strontiumfluorid (SrF₂)	1,43
Siliziumdioxid (SiO₂)	1,5	Lithiumfluorid (LiF)	1,39
PMMA	1,5	PKFE	1,6
Aluminiumarsenat (AlAs)	1,56	Natriumfluorid (NaF)	1,3
Sol-Gel-Siliziumdioxid (SiO₂)	1,47	nanoporöses Siliziumdioxid (SiO₂)	1,23
N,N'-bis-(1-naphthyl)-4,4'-diamin (NPB)	1,7	gesputtertes Siliziumdioxid (SiO₂)	1,47
Polyamidimid (PAI)	1,6	vakuumabgeschiedenes Siliziumdioxid (SiO₂)	1,46
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)	Siliziunmitrid (SiN)	2,1
Niobpentoxid (Nb₂O₅)	2,4	Glimmer	1,56
Zirkonoxid (ZrO₂)	2,36	Polyallomer	1,492
Hafniumoxid (HfO₂)	1,9–2,0	Polybutylen	1,50
Fluorcarbon (FEP)	1,34	Ionomere	1,51
Polytetrafluorethylen (PTFE)	1,35	Polyethylen (niedriger Dichte)	1,51
Fluorcarbon (FEP)	1,34	Nylon (PA) Typ II	1,52
Polytetrafluorethylen (PTFE)	1,35	Multipolymer-Acryle	1,52
Chlortrifluorethylen (CTFE)	1,42	Polyethylen (mittlere Dichte)	1,52
Cellulosepropionat	1,46	Thermoplastisches Styrol-Butadien	1,52–1,55
Celluloseacetatbutyrat	1,46–1,49	(Hart-)PVC	1,52–1,55
Celluloseacetat	1,46–1,50	Nylon (Polyamid) Typ 6/6	1,53
Methylpenten-Polymer	1,485	Harnstoff-Formaldehyd	1,54–1,58
Acetalhomopolymer	1,48	Polyethylen (hoher Dichte)	1,54
Acryl	1,49	Styrol-Acrylnitril-Copolymer	1,56–1,57
Cellulosenitrat	1,49–1,51	Polystyrol (thermisch & chemisch)	1,57–1,60
Ethylcellulose	1,47	Polystyrol (für allgemeine Zwecke)	1,59
Polypropylen	1,49	Polycarbonat (ungefüllt)	1,586
Polysulfon	1,633	SnO₂	2,0

Verfahren zur Herstellung der hierin offenbarten mehrschichtigen Stapel können Verfahren oder Prozesse sein, die dem Fachmann bekannt sind, oder Verfahren, die dem Fachmann noch nicht bekannt sind. Typische bekannte Verfahren beinhalten Nassverfahren, wie eine Sol-Gel-Verarbeitung, eine Schicht-für-Schicht-Verarbeitung, Spin-Coating und dergleichen. Weitere bekannte Trockenverfahren beinhalten ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren und ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren, wie Sputtering, Elektronenstrahlabscheidung und dergleichen.
Die hierin offenbarten mehrschichtigen Stapel können für die meisten Farbanwendungen verwendet werden, wie etwa Pigmente für Farben, dünne Filme, die auf Oberflächen aufgebracht werden, und dergleichen.
Die vorstehenden Beispiele und Ausführungsformen dienen lediglich Veranschaulichungszwecken, und Veränderungen, Modifikationen und dergleichen erschließen sich dem Fachmann und fallen noch in den Schutzbereich der Erfindung. Dementsprechend ist der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche und alle Äquivalente davon definiert.

Claims

Omnidirektionaler mehrschichtiger dünner Film zum Bedecken eines Substrats, wobei der mehrschichtige dünne Film umfasst: einen mehrschichtigen Stapel mit einer ersten Schicht eines ersten Materials und einer zweiten Schicht eines zweiten Materials, wobei sich die zweite Schicht über der ersten Schicht erstreckt; wobei der mehrschichtige Stapel ein Band elektromagnetischer Strahlung mit einer vorbestimmten vollen Halbwertsbreite (FWHM) von weniger als 300 nm und einer vorbestimmten Farbverschiebung von weniger als 30° reflektiert, wenn der mehrschichtige Stapel elektromagnetischer Breitbandstrahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45° betrachtet wird.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, wobei der mehrschichtige Stapel eine Gesamtdicke von weniger als 2 μm besitzt.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 2, wobei die Gesamtdicke des mehrschichtigen Stapels weniger als 1,5 μm beträgt.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 3, wobei die Gesamtdicke des mehrschichtigen Stapels weniger als 1,0 μm beträgt.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, wobei die Farbverschiebung des engen Reflexionsbandes elektromagnetischer Strahlung weniger als 25° beträgt, wenn der mehrschichtige Stapel elektromagnetischer Breitbandstrahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45° betrachtet wird.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 2, wobei die Farbverschiebung des engen Reflexionsbandes elektromagnetischer Strahlung weniger als 30 nm beträgt, wenn der mehrschichtige Stapel elektromagnetischer Breitbandstrahlung ausgesetzt ist und aus Winkeln zwischen 0 und 45° betrachtet wird.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, wobei das erste Material und das zweite Material dielektrische Materialien sind.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, wobei das erste Material eine dielektrische Schicht ist und das zweite Material ein absorbierendes Material ist.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 8, wobei die erste Schicht eine Dicke zwischen 30–300 nm besitzt.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 8, wobei das absorbierende Material ein selektiv absorbierendes Material ist.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 10, wobei das selektiv absorbierende Material aus der Gruppe bestehend aus Cu, Au, Zn, Sn, amorphem Si, kristallinem Si und Legierungen davon ausgewählt ist.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 10, wobei das selektiv absorbierende Material aus der Gruppe bestehend aus Fe₂O₃, Cu₂O, amorphem Si, kristallinem Si und Kombinationen daraus ausgewählt ist.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 10, wobei die aus dem selektiv absorbierenden Material hergestellte zweite Schicht eine Dicke zwischen 20–80 nm besitzt.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 8, wobei das absorbierende Material ein nicht-selektiv absorbierendes Material ist.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 14, wobei das nicht-selektiv absorbierende Material aus einer Gruppe bestehend aus Cr, Ta, W, Mo, Ti, Ti-Nitrid, Nb, Co, Si, Ge, Ni, Pd, V, Eisenoxid, amorphem Si, kristallinem Si und Kombinationen oder Legierungen davon ausgewählt ist.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 14, wobei die aus dem nicht-selektiv absorbierenden Material hergestellte zweite Schicht eine Dicke zwischen 5–30 nm besitzt.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, ferner umfassend den mehrschichtigen Stapel, der ein Band elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich reflektiert.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, ferner umfassend den mehrschichtigen Stapel, der ein Band elektromagnetischer Strahlung im IR-Bereich reflektiert.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Reflektorschicht, wobei sich die erste und zweite Schicht über der Reflektorschicht erstrecken.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 19, wobei die Reflektorschicht aus einem Metall hergestellt ist, das aus der Gruppe bestehend aus Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn, amorphem Si, kristallinem Si und Legierungen davon ausgewählt ist.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 20, wobei die Reflektorschicht eine Dicke zwischen 50–200 nm besitzt.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, wobei das enge Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung ein symmetrischer Peak innerhalb eines sichtbaren Spektrums elektromagnetischer Strahlung ist.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, wobei das enge Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung durch einen UV-Bereich elektromagnetischer Strahlung begrenzt wird.
Mehrschichtiger dünner Film nach Anspruch 1, wobei das enge Reflexionsband elektromagnetischer Strahlung durch einen IR-Bereich elektromagnetischer Strahlung begrenzt wird.