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Die
Erfindung betrifft ein optisch wirkendes Schichtsystem für transparente
Substrate, wobei das Schichtsytem insbesondere eine hohe Antireflexwirkung
aufweist.
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Es
gibt eine breite Palette von Schichtsytemen für Substrate, insbesondere für Glas,
die bestimmte optische Funktionen erfüllen. Die vorliegende Erfindung
betrifft die Gattung der Antireflexschichten bzw. die Antireflexschichtsysteme.
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Die
Druckschrift
DE 39 42
797 A1 beschreibt ein 5-Schichtsystem mit hoher Antireflexwirkung
mit einer Schichtfolge aus dielektrischer Schicht mit Metalloxid
(A) und Nitridschicht (B) in einer Schichtfolge, betrachtet ab Substrat:
ABABA.
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Die
US Patentschrift
US 4,690,871 (Gordon)
beschreibt eine Zinnoxid von 300-800 Å Dicke, die eine darunterliegende
Titannitridschicht während
des Annealingvorgangs schützt.
Die Titannitridschicht fungiert als Wärmeschutzschicht auf einem
Glassubstrat.
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Durch
die deutsche Offenlegungsschrift 36 29 996 A1 ist ein Vorsatzaggregat
für die
Katodenstrahlröhren
von Monitoren, Fernsehapparaten und dergleichen, bestehend aus einer
Glasscheibe, insbesondere einer Grauglasscheibe, einer vorderseitigen
Antireflexionsausrüstung
und einer rückseitigen
Ab sorptionsbeschichtung, wobei die Absorptionsbeschichtung Metallatome
aufweist, bekannt geworden.
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In
dieser deutschen Offenlegungsschrift wird vorgeschlagen, daß die Absorptionsbeschichtung
einschichtig aus Chrom, einer Chrom/Nickel-Legierung oder Siliciden
aufgebaut und antistatisch eingerichtet und geerdet sowie mit einer
Dicke versehen ist, welche die Lichttransmission gegenüber der
unbeschichteten Glasscheibe um etwa ein Drittel absenkt.
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In
der US-Patentschrift Nr.
US 38
54 796 wird weiterhin eine Beschichtung vorgeschlagen,
die zur Reduzierung der Reflexion dienen soll. Die Beschichtung
soll für
ein Substrat angewendet werden, das eine Mehrzahl von Schichten
aufweist. In der Reihenfolge beginnend beim Substrat ist in der
US-Patentschrift
folgende Anordnung beschrieben: drei Gruppen von wenigstens zwei
Lambda/4-Schichten, die aufeinanderfolgenden Schichten der ersten
Gruppe haben einen Brechungsindex, der unterhalb des Brechungsindexes
des Substrats liegt. Die Schichten der zweiten Gruppe haben einen
sich vergrößernden
Brechungsindex und die Schichten der dritten Gruppe haben einen
Brechungsindex unterhalb des Brechungsindexes des Substrats. Weitere
Einzelheiten sind der genannten US-Schrift zu entnehmen.
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Zum
Stand der Technik gehört
weiterhin die US-Patentschrift
US 37 61 160 . Dort werden
eine Breitbandreflexionsbeschichtung und Substrate, die da mit beschichtet
werden, vorgeschlagen. Sie weisen wenigstens vier Schichten für Glas mit
hohem Index und wenigstens sechs Schichten für Glas mit niedrigem Index auf.
Weitere Einzelheiten sind der genannten US-Schrift zu entnehmen.
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Weiterhin
wird in der US-Patentschrift
US
36 95 910 ein Verfahren zur Anbringung einer Antireflexionbeschichtung
auf einem Substrat beschrieben. Diese Beschichtung besteht aus mehreren
Einzelschichten. Das Verfahren für
die Aufbringung der Antireflexionsschichten erfolgt unter Vakuum,
und zwar unter Verwendung von Elektronenstrahlen. Weitere Einzelheiten
sind der genannten US-Patentschrift zu entnehmen.
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Zum
Stand der Technik gehört
weiterhin die schweizerische Patentschrift
CH 223344 . Diese Schrift befaßt sich
mit einem Überzug
zur Verminderung der Oberflächenreflexion.
Der Überzug
besteht aus mindestens drei Schichten mit verschiedenen Brechungszahlen.
Die Verminderung der Oberflächenreflexion
soll nach dieser Schrift durch eine bestimmte Auswahl der Brechungszahlen
der einzelnen Schichten erzielt werden.
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Weiterhin
wird in der US-Patentschrift
US
54 07 733 A ein Verfahren zur Aufbringung von Antireflexionsschichten
auf Substraten durch reaktives Sputtern eingegangen. Dabei werden
besonders die optischen Eigenschaften der TiN-Schicht und anderer
Schichten sowie deren Schichtdickenabhängigkeit beschrieben.
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Der
Erfindung liegt die folgende Aufgabe zugrunde:
Es sollen Voraussetzungen
für die
wirtschaftliche Herstellung von Antireflexionsbeschichtungen für transparente
Substrate geschaffen werden.
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Transparente
Substrate werden in einer Vielzahl modernder Einrichtungen und Geräte benötigt. Die Hersteller
dieser Einrichtungen und Geräte
stellen hohe Anforderungen in Hinsicht auf die optischen und sonstigen
Eigenschaften dieser Substrate.
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Die
Erfindung soll diese hohen Anforderungen insbesondere im Hinsicht
auf die Entspiegelung, die Kontrasterhöhung und die Erhöhung der
Antistatikwirkung erfüllen.
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Weiterhin
sollen Voraussetzungen dafür
geschaffen werden, daß eine
nur geringe Anzahl von Schichten benötigt wird. Gleichzeitig sollen
die Dicken der Einzelschichten klein sein. Die Erfindung macht sich
weiterhin zur Aufgabe, Voraussetzungen für den Einsatz preisgünstigerer
Materialien zu schaffen.
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Mit
der Erfindung soll ein Konzept vorgeschlagen werden, bei dem DC-reaktiv
mit Magnetron vom Metalltarget gesputtert werden kann.
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Die
geringe Anzahl der Schichten des Schichtsystems, die geringe Dicke
der Einzelschichten des Schichtsystems, die Auswahl preisgünstiger
Einsatzmaterialien und die Möglichkeit,
DC-reaktiv mit Magnetron vom Metalltarget zu sputtern, führen zu
einer äußerst wirtschaftlichen
Herstellung der erfindungsgemäßen Antireflexschichtsysteme.
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An
sich ist die Benutzung von Metallschichten für Antireflexsysteme im Prinzip
bekannt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die bekannten Metallschichten
für den
Alltagsbetrieb zu weich sind.
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Es
gehört
daher mit zu der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung, einen
Ersatz für
die bekannten weichen Metallschichten (Ag, Ni, ...) zu finden. Dieser
Ersatz soll hart und kratzfest sein. Er soll einerseits eine keramische
Härte aufweisen,
andererseits jedoch auch die Wirkung einer metallähnlichen
Optik besitzen.
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Die
gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 dadurch gelöst,
daß auf
der dem Betrachter zugewandten Substratseite (Vorderseite) in der örtlichen
Reihenfolge von der Vorderseite zum Betrachter eine erste am Substrat
anliegende, ein Dielektrikum bildende, Metalloxid aufweisende Schicht
angeordnet ist, darauffolgend eine zweite Nitrid, vorzugsweise TiNx, aufweisende Schicht angeordnet ist und
darauffolgend eine dritte ein Dielektrikum bildende Metalloxid aufweisende
Schicht angeordnet ist.
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Dabei
kann vorgesehen werden, daß die
erste Schicht Oxide aus der Gruppe: SnO2,
ZrO2, ZnO, Ta2O5, NiCr-Oxid, TiO2,
Sb2O3, In2O3 oder Mischoxide
von Oxiden aus dieser Gruppe umfaßt.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, daß die
zweite Schicht Nitride aus der Gruppe TiN, ZrN umfaßt.
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Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, daß die dritte Schicht niederbrechende
Materialien, insbesondere mit einem Brechungsindex n gleich oder
kleiner als 1,7 aufweist und Oxide aus der Gruppe SiO2,
Al2O3, AlSi-Oxid,
NiSi-Oxid, MgO oder Oxidfluoride aus der gleichen Gruppe umfaßt.
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Alternativ
kann vorgesehen werden, daß die
dritte Schicht MgF2 umfaßt.
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In
einer Gruppe von Ausführungsbeispielen
wird vorgeschlagen, daß zwischen
der ersten und der zweiten Schicht eine Haftvermittlerschicht angeordnet
ist.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, daß das
Substrat insbesondere transparent ist und vorzugsweise einen Brechungsindex
von 1,5 bis 1,65 aufweist.
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Für mindestens
eine TiNx-Schicht wird weiterhin vorgeschlagen,
daß für das beschriebene
Schichtsystem überstöchiometrisches
TiNx mit x im Bereich von 1 bis 1,16 eingesetzt
wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann vorgesehen werden, daß alle
TiNx-Schichten der beschriebenen.
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Schichtsysteme
TiNx mit x im Bereich von 1 bis 1,16 aufweisen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung, der Aufgabenstellung und der erzielten
Vorteile sind der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung zu entnehmen.
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Diese
Ausführungsbeispiele
werden anhand von fünf
Figuren erläutert.
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Die 1, 2 und 5 zeigen
je ein Schichtsystem.
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Die 3 und 4 zeigen
Transmissions- beziehungsweise Reflexions-Kurven in Prozent über der Wellenlängen in
nm.
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Nachfolgend
werden zunächst
fünf Ausführungsbeispiele
beschrieben:
Das Substrat 1 besteht aus Glas. Die
Vorderseite 2 des Substrats ist die Seite des Substrats,
die dem Betrachter zugewandt ist. Die Rückseite 9 des Substrats
ist die Seite, die vom Betrachter abgewandt ist.
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Die
an der Vorderseite des Substrats anliegende Schicht wird als "erste" Schicht 4 bezeichnet.
Es folgen in Richtung zum Betrachter die "zweite" Schicht 5 und die "dritte" Schicht 6.
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Das
Schichtsystem des ersten Ausführungsbeispiels
ist wie folgt aufgebaut (siehe 1):
- – auf
der Rückseite
des Substrats Glas ist eine optisch wirksame TiNx-Schicht 8 angebracht,
- – in
Richtung auf den Betrachter folgt das Substrat Glas 1,
- – die
erste optisch wirksame Schicht 4, die am Substrat anliegt,
besteht aus SnO2,
- – die
zweite optisch wirksame Schicht 5, die in Richtung auf
den Betrachter der ersten optisch wirksamen Schicht folgt, besteht
aus TiNx,
- – die
dritte optisch wirksame Schicht 6, die in Richtung auf
den Betrachter der zweiten optisch wirksamen Schicht folgt, besteht
aus Al2O3.
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Das
Schichtsystem des zweiten Ausführungsbeispiels
ist wie folgt aufgebaut (siehe 2):
- – auf
der Rückseite
des Substrats Glas ist eine optisch wirksame TiNx-Schicht 8 angebracht,
- – in
Richtung auf den Betrachter folgt das Substrat Glas,
- – die
erste optisch wirksame Schicht 4, die am Substrat anliegt,
besteht aus SnO2,
- – es
folgt in Richtung auf den Betrachter eine Haftvermittlerschicht 7,
bestehend aus NiCrOx,
- – die
zweite optisch wirksame Schicht 5, die in Richtung auf
den Betrachter folgt, besteht aus TiNx,
- – die
dritte optisch wirksame Schicht 6, die in Richtung auf
den Betrachter der zweiten optisch wirksamen Schicht folgt, besteht
aus Al2O3.
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Das
Schichtsystem des dritten Ausführungsbeispiels
ist wie folgt aufgebaut (siehe 2):
- – auf
der Rückseite
des Substrats Glas ist eine optisch wirksame TiNx-Schicht 8 angebracht,
- – in
Richtung auf den Betrachter folgt das Substrat Glas 1,
- – die
erste optisch wirksame Schicht 4, die am Substrat anliegt,
besteht aus SnO2,
- – es
folgt in Richtung auf den Betrachter eine Haftvermittlerschicht 7,
bestehend aus NiCr-Suboxid,
- – die
zweite optisch wirksame Schicht 5, die in Richtung auf
den Betrachter folgt, besteht aus TiNx-Schicht,
- – die
dritte optisch wirksame Schicht 6, die in Richtung auf
den Betrachter der zweiten optisch wirksamen Schicht folgt, besteht
aus SiO2.
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Das
Schichtsystem des vierten Ausführungsbeispiels
ist wie folgt aufgebaut (siehe 1):
- – auf
der Rückseite
des Substrats Glas ist eine optisch wirksame TiNx-Schicht 8 angebracht,
- – in
Richtung auf den Betrachter folgt das Substrat Glas 1,
- – die
erste optisch wirksame Schicht 4, die am Substrat anliegt,
besteht aus NiCrOx; diese Schicht 4 wirkt gleichzeitig
als Haftvermittlerschicht,
- – die
zweite optisch wirksame Schicht 5, die in Richtung auf
den Betrachter folgt, besteht aus TiNx,
- – die
dritte optisch wirksame Schicht 6, die in Richtung auf
den Betrachter der zweiten optisch wirksamen Schicht folgt, besteht
aus SiO2.
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Das
Schichtsystem des fünften
Ausführungsbeispiels
ist wie folgt aufgebaut (siehe 1):
- – auf
der Rückseite
des Substrats Glas ist eine optisch wirksame TiNx-Schicht 8 angebracht,
- – in
Richtung auf den Betrachter folgt das Substrat Glas 1,
- – die
erste optisch wirksame Schicht 4, die am Substrat anliegt,
besteht aus NiCrOx; diese Schicht 4 wirkt gleichzeitig
als Haftvermittlerschicht,
- – die
zweite optisch wirksame Schicht 5, die in Richtung auf
den Betrachter folgt, besteht aus TiNx,
- – die
dritte optisch wirksame Schicht 6, die in Richtung auf
den Betrachter der zweiten optisch wirksamen Schicht folgt, besteht
aus Al2O3.
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Als
Substrat können
außer
Mineralglas, Floatglas auch Plexiglas, durchsichtige Kunststoffschichten, Folien
usw. eingesetzt werden.
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Neben
der Vorderseitenentspiegelung durch die beschriebenen, vor der Vorderseite
angeordneten Schichtsysteme wird eine weitere überraschend niedrige Gesamtreflexion
durch die auf der Rück seite
angeordnete TiNx-Schicht erzielt. Der Grundgedanke
der Erfindung läßt eine
Vielzahl von Ausführungsbeispielen bzw.
Schichtsystemen zu, die durch die nachfolgend genannten Materialien
und Schichtdicken charakterisiert sind.
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"Erste" Schicht (Bezugsziffer 4),
ein Dielektrikum:
Metalloxid (SnO2,
ZrO2, ZnO, Ta2O5, NiCrOx, TiO2, Sb2O3,
In2O3,
Schichtdicke:
80 Angström ± 20
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"Zweite" Schicht (Bezugsziffer 5):
Nitrid
(TiN, ZrN)
Schichtdicke: 130 Angström ± 20
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"Dritte" Schicht (Bezugsziffer 6)
Dielektrikum:
niederbrechende Materialien, n kleiner als 1,7
(SiO2, Al2O3, AlSi-Oxid, NiSi-Oxid, MgO, MgF2)
Optische Dicke: 5550/4 Angström ± 10
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"Haftvermittler-Schicht" (Bezugsziffer 7):
Ni,
Cr, NiCr (80 Gewichtsprozent Ni, 20 Gewichtsprozent Cr)
Schichtdicke:
10 Angström ± 10
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Auf
der Rückseite 9 des
Substrats ist die "Rückseitenschicht" (Bezugsziffer 8),
bestehend aus TiNx, angeordnet,
Schichtdicke:
40 bis 150 Angström.
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Es
ist selbstverständlich,
daß solche
Werte für
die jeweilige Schichtdicke innerhalb der genannten Schichtdickentoleranz
gewählt
werden, die die Interdependenz der einzelnen Schichtdicken und der
verwendeten Materialien zueinander berücksichtigen.
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Es
folgt die Beschreibung zweier Beispiele von Schichtsystemen, bei
denen die Reflexion und die Transmission im sichtbaren Wellenbereich
des Lichts gemessen wurden. Die Meßergebnisse sind grafisch anhand
von Kurven in den 3 und 4 dargestellt.
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Bei
der Beschreibung der Schichtsysteme werden die Bezugsziffern der
Beschreibung der 1 benutzt. Das Schichtsystem
des ersten Beispiels ist wie folgt aufgebaut:
Substrat: Glas
(1), Dicke 2 mm, Brechungskoeffizient n = 1,52
Schicht
(4) Material: SnO2 Dicke 90 Angström, Brechungskoeffizient
n = 2,05
Schicht (5) Material: TiNx,
Dicke 130 Angström
Schicht
(6) Material : Al2O3,
Dicke 730 Angström,
Brechungskoeffizient
n = 1,6
Schicht (8) Material: TiNx,
Dicke 70 Angström
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Der
in 2 mit 7 bezeichnete Haftvermittler ist in diesem
Ausführungsbeispiel
nicht vorhanden.
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Für dieses
Schichtsystem wurden die Reflexion in Prozent und die Transmission
in Prozent gemessen, und zwar für
einen Wellenlängenbereich
von 400 nm bis 700 nm.
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Nachfolgend
werden die Meßergebnisse
für die
Reflexion und die Transmission in einer Tabelle bestimmten Wellenlängen gegenübergestellt:
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Die
Meßergebnisse
werden, wie dargelegt, als Kurven in 3 grafisch
dargestellt. Auf der Abszisse 10 des Koordinatensystems
in 3 sind die Wellenlängen in nm eingetragen. Auf
der linken Ordinate 11 des Koordinatensystems sind die
Prozentwerte für
die Reflexion eingetragen. Auf der rechten Ordinate 12 des
Koordinatensystems sind die Prozentwerte für die Transmission eingetragen.
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Aus
den Kurven ist deutlich erkennbar, daß die Reflexionskurve 14 im
Kernwellenlängenbereich
des sichtbaren Lichts außerordentlich
niedrig ist. Sie liegt weit unter 1 %. Damit ist die gewünschte hohe
Antireflexwirkung in überraschend
deutlicher Weise erzielt worden. Im gleichen Kernwellenlängenbereich
hat die Transmissionskurve 13 relativ hohe Werte. Das Schichtsystem
des zweiten Beispiels ist wie folgt gekennzeichnet:
Substrat:
Glas, Dicke 2 mm, Brechungskoeffizient n = 1, 52
Schicht (4)
Material: NiCr-Oxid, Dicke 70 Angström, Brechungskoeffizient n =
2,1
Schicht (5) Material: TiNx,
Dicke 130 Angström
Schicht
(6) Material: SiO2 Dicke 790 Angström,
Brechungskoeffizient
n = 1,5
Schicht (8) Material: TiNx,
Dicke 70 Angström
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Ein
gesonderter Haftvermittler, siehe Bezugsziffer 7, ist bei
diesem Ausführungsbeispiel
nicht vorhanden.
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Für dieses
Schichtsystem wurden die Reflexion in Prozent und die Transmission
in Prozent gemessen, und zwar für
einen Wellenlängenbereich
von 400 nm bis 700 nm.
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Nachfolgend
werden die Meßergebnisse
für die
Reflexion und die Transmission in einer Tabelle bestimmten Wellenlängen gegenübergestellt:
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Die
Meßergebnisse
werden, wie dargelegt, als Kurven in 4 grafisch
dargestellt. Die Abszisse und die Ordinaten tragen die im Zusammenhang
mit 3 beschriebenen Maßeinheiten.
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Aus
der Reflexionskurve 16 ist deutlich erkennbar, daß die Reflexion
im Bereich von ca. 560 nm Wellenlänge einen ausgesprochenen Tiefpunkt
hat. Damit ist die gewünschte
hohe Antireflexwirkung auch durch dieses Beispiel in überzeugender
Weise erzielt worden. Die Transmissionskurve 15 hat im
Kernbereich des sichtbaren Lichts ihr Maximum.
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Zu
der Transmissionskurve 13 (3) und zu
der Transmissionskurve 15 (4) ist grundsätzlich folgendes
zu sagen:
Geringe Transmissionswerte einer Vorsatzscheibe können auf
einfache Weise durch Verstärkung
der. Lichtquelle, z. B. durch Aufdrehen des Potentiometers bei einem
LCD, kompensiert werden.
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Die
Schichtsysteme, mit denen die oben kommentierten Transmissions-
und Reflexionswerte erzielt wurden, sind nach dem im folgenden beschriebener
Verfahren hergestellt worden:
Es wurde mit Magnetron gesputtert
und zwar in reaktiver Gasamtosphäre.
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Nachfolgend
wird in der linken Spalte das Sputtermaterial und in der rechten
Spalte das reaktive Sputtergemisch angegeben:
SnO2 | Ar
+ O2 |
SiO2 | Ar
+ O2 |
Al2O3 | Ar
+ O2 |
TiN | Ar
+ O2 |
NiCr | Ar
+ O2 |
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Druck
während
des Sputtervorganges: ca. 5 × 10-3 mb.
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Targetmaterial:
Sn, Si, Ti, NiCr (80 Gewichtsprozent Ni, 20 Gewichtsprozent Cr),
Al.
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Auf
der Vorderseite der Schichtsysteme wurde ein Flächenwiderstand von 150 Ohm
pro Quadrat gemessen, auf der Rückseite
wurde ein Flächenwiderstand
von 240 Ohm pro Quadrat gemessen. Dies sind relativ geringe Flächenwiderstände.
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Durch
Erdung der Flächen
kann daher die statische Aufladung reduziert oder sogar aufgehoben
werden.
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Damit
wird der gewünschte
Antistatikeffekt erreicht.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für das
weiter oben in der Beschreibungseinleitung besprochene System, bestehend
aus zwei Schichten auf der Vorderseite 2 des Substrats 1.
Die "erste" am Substrat anliegende
Schicht trägt
bei dem Zweischichtsystem nach 5 die Bezugsziffer 17.
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Darauf
folgt zum Betrachter hin die "zweite" Schicht 18.
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Für die "erste" Schicht 17 und
die "zweite" Schicht 18 des
Zweischichtsystems nach 5 werden diejenigen Daten über die
chemischen Zusammensetzungen, die Schichtdicken, die Brechungsindizes
und diejenigen Kombinationen dieser Daten eingesetzt, die für die Schichten 5 und 6 der 1 und 2 weiter
oben und in der Beschreibungseinleitung beschrieben wurden.
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Die
für die
Schichten 5 und 6 in der Beschreibungseinleitung
und im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen
alternativen Ausführungsformen
gelten auch für
das Zweischichtsystem, wie es beispielsweise in 5 mit
der "ersten" Schicht 17 und
der "zweiten" Schicht 18 dargestellt
wird.
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Dabei
entspricht die "erste" Schicht 17 des
Zweischichtsystems der 5 der Schicht 5 der
Schichtsysteme der 1 und 2.
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Die "zweite" Schicht 18 des
Zweischichtsystems der 5 entspricht. der Schicht 6 der
Schichtsysteme der 1 und 2.
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Die
Flächenwiderstände des
Zweischichtsystems entsprechen denjenigen der Systeme nach 1 und 2.
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- 1
- Substrat,
Glas
- 2
- Vorderseite
- 3
- Pfeil,
Blickrichtung
- 4
- "erste" Schicht der 1 und 2
- 5
- "zweite" Schicht der 1 und 2
- 6
- "dritte" Schicht der 1 und 2
- 7
- Haftvermittlerschicht
- 8
- Rückseitenschicht
- 9
- Rückseite
- 10
- Abszisse
- 11
- linke
Ordinate
- 12
- rechte
Ordinate
- 13
- Transmissionskurve
- 14
- Reflexionskurve
- 15
- Transmissionskurve
- 16
- Reflexionskurve
- 17
- "erste" Schicht der 5
- 18
- "zweite" Schicht der 5