DE69121371T2

DE69121371T2 - Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe mit transparenter antireflektierender Schicht

Info

Publication number: DE69121371T2
Application number: DE69121371T
Authority: DE
Inventors: Hulya Demiryont; Roman Surowiec
Original assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co
Current assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co
Priority date: 1990-12-14
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2011-12-10
Also published as: EP0490613B1; EP0490613A3; EP0490613A2; CA2053072A1; DE69121371D1; US5245468A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antireflexbeschichtung, die für Licht mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich im wesentlichen transparent ist. Die Antireflexbeschichtung dieser Erfindung ist insbesondere geeignet für die Verwendung bei Verglasungen wie etwa Automobil- oder Gebäudefenstern. Antireflexbeschichtungen werden seit einiger Zeit in verschiedenen Bereichen verwendet. Anwendungsbeispiele sind etwa Linsen, Verglasungen, Spiegel und dergleichen. Die Verwendung von Antireflexbeschichtungen wird bei Automobil- oder Gebäudeverglasungen mehr und mehr angestrebt, besonders an den inneren und/oder äußeren Oberflächen von Kraftfahrzeugwindschutzscheiben. Eine geeignete Antireflexbeschichtung auf der Innenseite einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges würde die Verwendung heller gefärbter Materialien für das Armaturenbrett erleichtern. Ohne eine Antireflexbeschichtung könnte die Sicht durch die Windschutzscheibe dadurch beeinträchtigt werden, daß Licht von der oberen Oberfläche solch eines heller gefärbten Armaturenbretts auf die Innenseite der Windschutzscheibe reflektiert wird. Eine Antireflexbeschichtung auf der Außenseite einer Windschutzscheibe steigert die durchgelassene Lichtintensität und trägt dazu bei, die zu berücksichtigenden minimalen Transparenzanforderungen zu erfüllen. Gegenwärtig beträgt die minimale Transparenz für Sichtbares Licht für Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen in den USA 70% und in Europa 75%. Soll die Antireflexbeschichtung zur Verwendung in Automobilwindschutzscheiben oder anderen Verglasungen geeignet sein, darf sie daher die Transparenz der Verglasung nicht auf ein inakzeptables Maß reduzieren.
Es sind zahlreiche Antireflexbeschichtungen bekannt, von denen viele aus einem Dünnschichtstapel bestehen, bei dem ein erster Film aus Material mit einem relativ hohen Brechungsindex mit einem zweiten Film aus Material mit einem niedrigeren Brechungsindex gepaart ist. So schlägt zum Beispiel US-Patent Nr.4,846,151 von Simko, Jr. vor, daß verschiedene Oberflächen von transparenten Platten, die in Sonnenkollektoren verwendet werden, mit Antireflex-Material beschichtet werden können. Es werden beispielhafte Materialien aufgeführt, die Mehragenbeschichtungen wie Siliziumdioxid in der Kombination mit Aluminiumoxid oder Titandioxid einschließen. Ähnlich legt US-Patent Nr. 4,822,748 von Janesick et al. die Verwendung einer Antireflexbeschichtung auf Glas, das in Bilderrahmen und dergleichen verwendet wird, nahe. Es wird insbesondere die Herstellung eines Schichtstapels aus drei Lagen nahegelegt, bei dem ein Titanoxidfilm zwischen Filmen aus Siliziumdioxid eingebettet wird. Andere Materialien, wie Zirkoniumoxid, Tantaloxid und Magnesiumoxid werden ebenfalls erwähnt. Die Verwendung von Siliziummonoxid als Antireflexbeschichtung für optische Komponenten aus Kunstharz wird in US-Patent Nr. 4,497,539 von Sakurai et al. nahegelegt. In US-Patent Nr. 4,822,120 von Fan et al. wird Siliziummonoxid ebenfalls, wie auch Siliziumdioxid, als Antireflexschicht mit hoher Infrarotreflektivität und hoher Durchlässigkeit für sichtbares Licht zur Verwendung in Hitzespiegeln empfohlen. In US-Patent Nr. 4,815,821 von Nonogaki et al. wird eine lichtdurchlässige Glasplatte mit einer Oberflächenbeschichtung aus einer Siliziummonoxidschicht auf einer Titanoxidschicht vorgeschlagen. Die Siliziummonoxidschicht soll dabei durch eine lichtabsorbierende Schicht aus kolloidalem Kohlenstoff von der Titandioxidschicht getrennt werden. Eine transparente optische Komponente wie eine Linse wird in US-Patent Nr. 4,765,729 von Taniguchi beschrieben. Siliziumdioxid wird als geeignete Antireflexbeschichtung für die Oberfläche des Gegenstandes vorgeschlagen.
Die Verwendung einer Antireflexbeschichtung sowohl auf der Innen- wie auch auf der Außenseite eines Brillenglases wird in US-Patent Nr.4,070,097 von Gelber empfohlen. Jede der beiden Beschichtungen besteht aus zwei Schichten, einer Dielektrikumschicht und einer Metallschicht. Für die Metallschicht werden als geeignete Materialien unter anderem Nickel, Chrom, Inconel und Nichrom (ein Material, das im wesentlichen aus Nickel und Chrom besteht) erwähnt. Die Metallschicht soll typisch eine Stärke zwischen 1 und 4 nm (10 und 40 Angstrom) besitzen. Verschiedene Materialien werden für die Dielektrikumschicht aufgelistet, unter anderem Siliziumdioxid. Ein zweites US-Patent von Gelber, Nr.3,990,784, betrifft beschichtetes Bauglas mit einer Mehrfachbeschichtung auf der Oberfläche. Die Beschichtung soll eine erste und eine zweite Metaischicht umfassen die durch eine zwischen ihnen angebrachte Dielektrikumschicht getrennt sind. Eine zusätzliche Metalloxidschicht wird wahlweise als Antireflexschicht verwendet. Nickel wird als geeignetes Metall zusammen mit Siliziumdioxid für die Dielektrikumschicht erwähnt.
Die optischen Eigenschaften von Silizium/siliziumdioxid-Mehrschichtsystemen werden in Stone et al., "Reflectance. Transmittance and Lost Spectra of Multilayer Si/SiO&sub2; Thin Film Mirrors and Antireflection Coatings for 1.5 µm ", Applied Optics, Bd. 29, Nr.4 (1 Februar 1990) erörtert. Stone et al. empfehlen im Spektralbereich zwischen 1.0 und 1.6 µm Silizium und Siliziumdioxid als geeignete und leicht handhabbare Kombination für Doppelschichten. Der Artikel befaßt sich mit der Herstellung von Mehrschichtsystemen. Darin wird erwähnt, daß die Zahl der Schichten. die benötigt wird, um die gewünschte Reflektivität zu erreichen, desto kleiner ist, je größer der Unterschied der Brechungsindizes der Doppelschichten ist. Silizium wird als Material mit relativ hohem Brechungsindex aufgeführt. In dem Artikel wird festgestellt, daß Silizium für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 1.0 µm nicht als Material in der Doppelachicht verwendet werden kann, zum Beispiel für sichtbares Licht, da es für Licht in diesem Bereich eine starke Absorption aufweist. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge im Bereich von zirka 0.4 bis 0.75 µm. Obwohl der Artikel darauf hinweist, daß eine einfache Antireflexbeschichtung mit zwei Schichten aus Silizium und Siliziumdioxid hergestellt werden kann, zeigt er doch deutlich, daß solch eine Antireflexbeschichtung nicht für Anwendungen geeignet ist, die Transparenz für sichtbares Licht erfordern. Der Artikel erwähnt, daß Si/SiO&sub2;-Doppelschichten für stark reflektierende Spiegel und Antireflexbeschichtungen durch reaktives Sputtern aufgebracht wurden. Die Beschichtungen, die in dem Artikel erörtert werden, wurden durch Elektronenstrahlverdampfung auf Glassubstrate aufgebracht. Die in dem Artikel von Stone et al. beschriebenen Antireflexbeschichtungen bestehen aus einer etwa 15 nm (150 Angstrom) dicken Siliziumschicht mit einer SiO&sub2;- Schicht darauf, deren Stärke so gewählt ist, daß minimale Reflexion erreicht wird. Eine Siliziumschicht dieser Stärke ist für sichtbares Licht im wesentlichen undurchlässig, und der Prozentsatz der Reflexion wird in diesem Artikel nur für Licht weit oberhalb des sichtbaren Bereiches gezeigt. Für eine Siliziumschicht dieser Stärke verwenden Stone et al. eine SiO&sub2;-Schicht von etwa 280 nm (2800 Angstrom). Des weiteren wird festgestellt, daß der Wert der minimalen Reflexion in einem Stärkenbereich von 7.5 bis 20 nm (75 bis 200 Angstrom) nicht sehr empfindlich von der Stärke der Siliziumschicht abhängt. Sogar am unteren Ende dieses Stärkenbereiches wäre jedoch die Siliziumschicht für den sichtbaren Anteil des gewöhnlichen Sonnenlichts im wesentlichen undurchlässig.
Ähnliche Lehren werden in Pawlewicz et al., "1315 nm Dielectric Mirror Fabrication By Reactive Sputtering", vorgestellt, das beim "Topical Meeting on High Power Laser Optical Components" vorgestellt wurde, welches am 18. und 19. Oktober 1984 in Boulder, Colorado, stattfand. Niedrige Lichtabsorptionswerte werden in diesem Artikel für fünf reaktiv gesputterte, amorphe Materialien für optische Beschichtungen, umfassend eine Si: H/SiO&sub2;-Doppelschicht wiedergegeben. Die niedrige Absorption wurde für Licht im 1.3-µm-Bereich gemessen, und in dem Artikel wird als Schlußfolgerung gelehrt, daß das Si:H- Material bei sichtbaren Wellenlängen nicht verwendbar ist. Dieselbe Feststellung treffen Pawlewicz et el. in "Optical Thin Films - Recent Developments In Reactively Sputtered Optical Thin Films", Proceedings of the SPIE, Bd. 325, S. 105-112 (26.-27. Januar, 1982). In Tabelle 1 dieses Artikels sind Lichtwellenlängen zwischen 1000 und 9000 nm (1.0 bis 9.0 µm) als der Bereich aufgeführt, in dem optische Beschichtungen aus Silizium nützhch sind. Dünnfilmbeschichtungen aus Si1-xHx zur Reduzierung der Lichtabsorption bei den Infrarotlaser-Wellenlängen 1.06, 1.315 und 2.7 µm werden in Pawlewicz et al., "Improved Si-Based Coating Materials for High Power Infrared Lasers " (November 1981), erörtert.
Die optischen Eigenschaften von Si:H werden auch in Martin et al., "Optical Coatings for Energy Efficiency and Solar Applications", Proceedings of the SPIE, Bd. 324, S. 184-190 (28.-29. Januar 1982), erörtert. Es wird die Auswirkung von Wasserstoffgehalt und Si:H-Bindung auf verschiedene optische Eigenschaften bei 2 µm, einer unsichtbaren Wellenlänge, erörtert. Es werden auch mehrschichtige Si:H/SiO&sub2;-Laserspiegel beschrieben, die bei den unsichtbaren Wellenlängen 1.315, 2.7 und 3.8 µm eine Reflektivität von mehr als 99% aufweisen. In dem Artikel wird festgestellt, daß mehrschichtige Beschichtungen aus Si:H/SiO&sub2; leicht durch Sputtern hergestellt werden können, da nur ein einziges Si-Target benötigt wird, wobei entweder H&sub2; oder O&sub2; in die Sputterkammer eingeleitet werden, damit sich Si:H bzw. SiO&sub2; bildet. Aufgrund des hohen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren Bereich sind dünne Filme aus Si:H zur Verwendung in Solarzellen geeignet, um Sonnenstrahlung zu absorbieren.
Die Anforderungen verschiedener Glasprodukte würden durch ein neues Antireflexbeschichtungssystem erfüllt werden, das für sichtbares Licht im wesentlichen transparent ist und mittels wirtschaftlicher und industriell durchführbarer Techniken auf eine Substratoberfläche aufgebracht werden kann. Darüber hinaus verlangen gewisse Verglasungen, wie etwa die oben erwähnte Innenfläche von Automobilwindschutzscheiben, nach besonders harten und haltbaren Antireflexbeschichtungssystemen. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftfahrzeugwindschutzscheibe mit einer Antireflexbeschichtung auf ihrer Innenseite bereitzustellen, die eine oder mehrere dieser Produktanforderungen erfüllt. Zusätzliche Eigenschaften und Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Offenbarung und Beschreibung davon ersichtlich werden.
Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung besitzt eine Kraftfahrzeugwindschutzscheibe auf ihrer inneren Oberfläche ein Antireflexbeschichtungssystem, das einen Schichtstapel mit Material mit hohem Brechungsindex umfaßt, das mit Material mit niedrigem Brechungsindex gepaart ist, und insbesondere ist eine ultradünne Schicht hydrierten Siliziums Si1-xHx mit einer dickeren Schicht aus Siliziumdioxid gepaart, wobei x eine positive Zahl von weniger als etwa 0.4 ist. Die Antireflexbeschichtungen der Erfindung sind für sichtbares Licht im wesentlichen durchlässig. Dies ist überraschend, da es wohlbekannt ist, daß Si1-xHx eine starke Absorption im Bereich sichtbarer Wellenlängen aufweist. Deshalb wurde Si1-xHx für die Verwendung in Antireflexbeschichtungen von Verglasungen bisher als nicht geeignet betrachtet, für Anwendungen also, die Transparenz erfordern. Wegen seiner starken Absorption von sichtbarem Licht wäre es vor der vorliegenden Erfindung nicht für möglich gehalten worden, daß man Si1-xHx alleine oder in einem Schichtpaar mit Siliziumdioxid oder einem anderen Material für eine Antireflexbeschichtung verwenden kann, die für sichtbares Licht im wesentlichen durchlässig ist. Dennoch wird in der vorliegenden Erfindung Si1-xHx in einem im wesentlichen transparenten Antireflexbeschichtungssystem verwendet. Überraschend wurde herausgefunden, daß insbesondere ein ultradünner Si1-xHx-Film, vorzugsweise etwa 3 nm (30 Angstrom) bis etwa 8 nm (80 Angstrom) dick, wirksam als stark brechendes Material in einer Doppelschicht mit Siliziumdioxid dienen kann, wenn die Schichtdicke des Siliziumdioxids an den Si1-xHx-Film in geeigneter Weise angepaßt wird. Dies bedeutet, daß festgestellt wurde daß er zusammen mit einem Siliziumdioxidfilm geeigneter Stärke als Doppelschicht mit hohem und niedrigem Brechungsindex wirken kann.
Entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kraftfahrzeugwindschutzscheibe bereitgestellt, die an einer oder mehreren Oberflächen eine Antireflexbeschichtung besitzt, wie oben beschrieben wurde. Es wurde festgestellt, daß der Siliziumdioxidfilm als äußere Schicht der Doppelschicht als harte Schutzschicht wirkt und so der Antireflexbeschichtung eine große Haltbarkeit verleiht. Die Antireflexbeschichtung der Kraftfahrzeug windschutzscheibe bewirkt auf der Innenfläche eine Reduzierung des vom Armaturenbrett reflektierten Lichts. Auf der äußeren Oberfläche erhöht sie die Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts in den Innenraum. Die Si1-xHx- und Siliziumdioxidfilme können durch Sputtern oder andere kommerziell bekannte Verfahren aufgebracht werden, die wirtschaftlich und industriell durchführbar sind. Die Beschichtung ist vor allem geeignet für die Verwendung auf Glas, das auf Silizium basiert, da hier eine besonders dauerhafte Haftung zwischen den Schichten erreicht wird. Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung erklären sich dem Fachmann unter Bezug auf die obige Darlegung und die folgende detaillierte Beschreibung gewisser bevorzugter Ausführungsformen Die Erfindung wird nun auf dem Wege von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 einen Querschnitt einer laminierten Kraftfahrzeugwindschutzscheibe darstellt, die eine Antireflexbeschichtung in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
Abb. 2 ein Schaubild darstellt das die prozentuale Durchlässigkeit sichtbaren Lichts durch die Glaseinheit aus Abb. 1 als Funktion des Hydrierungsgrades des Si1-xHx-Filmes, also als Funktion des Wertes von x, zeigt;
Abb. 3 ein Schaubild darstellt, das die prozentuale Reflexion sichtbaren Lichtes von der Glaseinheit aus Abb.1 als Funktion des Hydrierungsgrades des Si1-xHx- Filmes zeigt.
Abb. 4 ein Schaubild darstellt, das die prozentuale Durchlässigkeit sichtbaren Lichts durch die Glaseinheit aus Abb. 1 als Funktion der Stärke des Si1-xHx-Films bei verschiedenen Stärken des Siliziumdioxidfilmes zeigt; und
Abb. 5 ein Schaubild darstellt, das die prozentuale Reflexion sichtbaren Lichtes von der Glaseinheit aus Abb.1 (d.h. von der Oberfläche, die die Antireflexbeschichtung der Erfindung trägt) als Funktion der Stärke des Si0.85H0.15-Films bei verschiedenen Stärken des Siliziumdioxidfilmes zeigt.
Es sollte verständlich sein, daß die Eigenschaften und Bestandteile der Ausführungsform der Erfindung, die ein Abb.1 dargestellt ist, nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sind. Zur Erleichterung der Darstellung und der Verständlichkeit sind die Schichtdicken der Antireflexbeschichtung größer gezeigt als es dem wahren Maßstab entspricht.
Exemplarisch wird die Erfindung unter Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die eine Kraftfahrzeug windschutzscheibe mit einer Antireflexbeschichtung im Einklang mit der Erfindung auf der inneren Oberfläche umfassen (also auf der Oberfläche, die dem Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges zugewandt ist). Diese Antireflexbeschichtung bietet einige bedeutende Vorteile. Das Glas, das gegenwärtig in Kraftfahrzeugwindschutzscheiben verwendet wird, weist gewöhnlich eine Zusammensetzung auf Siliziumbasis auf. Es wurde herausgefunden, daß die auf Silizium basierenden Antireflexbeschichtungen von Windschutzscheiben entsprechend dieser Erfindung eine gute Haftung der Schichten auf einem Glassubstrat auf Siliziumbasis aufweisen. Darüber hinaus liefert der Siliziumdioxidfilm, der die exponierte Oberfläche der Glaseinheit bildet, eine harte und haltbare Oberfläche, die den Anforderungen der Nutzungsumgebung, der eine Kraftfahrzeugwindschutzscheibe ausgesetzt ist, gut angepaßt ist.
Es sollte verstanden werden, daß soweit nicht anders erwähnt, der Hinweis darauf, daß die in dieser Erfindung vorgestellte Antireflexbeschichtung und die Verglasungen, die diese aufweisen, "im wesentlichen transparent für sichtbares Licht" seien, im allgemeinen bedeutet, daß der Wert für die Durchlässigkeit mindestens etwa 50% und vorzugsweise mindestens etwa 70% beträgt, so daß er die gegenwärtigen US-Richtlinien für Kraftfahrzeugwindschutzscheiben und auch die Produktanforderungen für gewisse architektonische Anwendungen erfüllt. Der Ausdruck "sichtbares Licht" wird allgemein verwendet, um Licht in irgendeinem Wellenlängenbereich zu bezeichnen, der für einen menschlichen Beobachter wahrnehmbar ist. Man geht allgemein davon aus, daß sichtbares Licht einen Wellenlängenbereich von etwa 400 bis 750 nm umfaßt. Im Bereich sichtbarer Wellenlängen beträgt die Summe aus prozentualer Durchlässigkeit, prozentualer Absorption und prozentualer Reflexion 100%. Bei Verglasungen, bei denen das Substrat aus nicht getöntem Glas oder dergleichen besteht. kann man die Absorption von Licht mit sichtbaren Wellenlängen vernachlässigen, so daß für den Zweck dieser Erörterung die Summe aus der prozentualen Durchlässigkeit und der prozentualen Reflexion 100% gleichgesetzt werden kann. Nun ist unter Bezugnahme auf Abb.1 ein Querschnitt einer Kraftfahrzeugwindschutzscheibe 10 sichtbar, die eine äußere Lage 12 umfaßt, die mittels einer laminierenden Lage 14 aus Polyvinylbutyral (PVB) auf eine Lage 16 des Substrats laminiert ist. Die exponierte Oberfläche 18 der Substratschicht 16 trägt eine Antireflexbeschichtung 20 dieser Windschutzscheibe im Einklang mit dieser Erfindung. Die äußere Lage 1 2 und die Substratschicht 16 können jeweils aus Kunststoff oder vorzugsweise aus Glas bestehen. In jedem Fall ist die Substratschicht 16 vorzugsweise starr und nicht dehnbar, so daß die Dünnfilme, aus denen die Antireflexbeschichtung 20 besteht, nicht durch Strecken der Substratschicht 16 während des Beschichtungsprozesses oder während des Einbaus oder des Gebrauchs der Verglasung reißen.
Die Antireflexbeschichtung 20 der bevorzugten Ausführungsform aus Abb. 1 besteht aus dem Film 22 hydrierten Siliziums, Si1-xHx, direkt auf der Oberfläche 18 der Substratschicht 16. Siliziumdioxidschicht 24 liegt direkt über Si1-xHx-Film 22. Der Fachmann wird erkennen, daß die Stärken der verschiedenen Lagen und Filme nicht maßstabsgetreu wiedergegeben wurden. Zur leichteren Darstellung und Verständlichkeit wurden die Stärken der Schichten 22 und 24 übertrieben. Obwohl dies nicht bei allen Anwendungen notwendig ist, wird eine Antireflexbeschichtung auf einer Windschutzscheibe gewöhnlich deren gesamte Innenfläche bedecken. Si1-xHx besitzt einen Brechungsindex, der mit dem Wert von x variiert. Bei einem Wert von 0.11 beträgt der Brechungsindex eines gesputterten Si1-xHx-Filmes bei 2 µm Wellenlänge etwa 3.45. Im oben erwähnten Artikel von Martin et al., "Optical Coatings for Energy Efficiency and Solar Applications", der zur Bezugnahme darauf hierin eingefügt ist, wird eine Kurve (Abb. 5) des Brechungsindexes eines gesputterten Si1-xHx-Filmes als Funktion des Wertes von x bei einer Wellenlänge von 2 µm gezeigt. Wie oben ausgeführt wurde, ist die Verwendbarkeit von Si1-xHx als stark brechendem Material in einer Doppelschicht, die für eine transparente Antireflexbeschichtung verwendet werden soll, angesichts der starken Absorption durch Si1-xHx im sichtbaren Wellenlängenbereich sehr überraschend. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Hürde teilweise durch Verwendung eines ultradünnen Si1-xHx-Films. Die Wirksamkeit gegen Reflexion wird erreicht, obwohl das stark brechende Material so dünn ist. Insbesondere wurde herausgefunden, daß die Antireflexwirkung durch eine ultradünne Si1-xHx-Schicht in Verbindung mit einer Siliziumdioxidschicht geeigneter Stärke als schwach brechendem Material erreicht wird. Siliziumdioxid besitzt einen Brechungsindex von etwa 1.46. Der Si1-xHx-Film ist vorzugsweise etwa 3-8 nm (30 bis 80 Angstrom) stark, noch besser etwa 4-6 nm (40 bis 60 Angstrom), am besten etwa 5 nm (50 Angstrom). Der Wert von x liegt etwa zwischen 0.05 und 0.2, am besten etwa bei 0.11. Der SiO&sub2;-Film ist vorzugsweise etwa 100-170 nm (1000 bis 1700 Angstrom) stark, noch besser etwa 120- 160 nm (1200 bis 1600 Angstrom), am besten etwa 140 nm (1400 Angstrom). Die Bevorzugung dieser Werte beruht auf den optischen Eigenschaften der sich ergebenden Antireflexbeschichtung, umfassend insbesondere die prozentuale Reflexion und die prozentuale Durchlässigkeit einer beschichteten Verglasung.
Wie weiter unten im Zusammenhang mit den Abbildungen 1-5 erörtert wird, wurde herausgefunden, daß eine besonders bevorzugte Ausführungsform genauer gesagt, eine laminierte Kraftfahrzeugwindschutzscheibe mit einer Antireflexbeschichtung, die einen 140 nm (1400 Angstrom) starken Film aus SiO&sub2; direkt auf einem 5 nm (50 Angstrom) starken Film aus Si1-xHx, wobei x etwa 0.11 beträgt, umfaßt, nur etwa 4% Gesamtreflexion sichtbaren Lichtes aufweist. Dies ist die Hälfte der Reflexion der gleichen Verglasung ohne die Antireflexbeschichtung der Erfindung. Die Reflexion von der beschichteten Glasfläche wird auf nahezu null Prozent verringert. Das Glas bewahrte dabei seine beträchtliche Transparenz für sichtbares Licht.
Die Si1-xHx- und Siliziumdioxidschichten der Antireflexbeschichtungen der Windschutzscheibe der Erfindung können mit Geräten und Techniken hergestellt werden, die handelsüblich und Fachleuten wohlbekannt sind. So können die Filme auf die Oberfläche von Glas oder einem anderen Substrat durch reaktives Sputtern oder auch durch CVD-Beschichtungsverfahren, vorzugsweise unter Verwendung von Silan oder Silanen höherer Ordnung als Donorgas und Helium als Trägergas. aufgebracht werden. Es ist denkbar, daß eine Steigerung der Schichtdicken durch die geeignete Anpassung der Beschichtungsparameter oder der Abscheidungstechnik oder durch Verwendung alternativer Beschichtungsverfahren auch unter Einhaltung einer vorgegebenen Transparenzanforderung erreichbar ist. Generell stellt es einer Vorteil der Erfindung dar, daß der Si1-xHx-Film, weil er so dünn ist, schnell und daher wirtschaftlich aufgebracht werden kann. Typisch wird der Si1-xHx-Film auf die Oberfläche einer Schicht, zum Beispiel einer Glasscheibe, und der Siliziumdioxidfilm auf den Si1-xHx-Film aufgebracht.
Bei einem alternativen Verfahren wird auf die Glasoberfläche eine dünne Siliziumgrenzschicht, vorzugsweise etwa 5-15 nm (50-150 Angstrom) dick, aufgebracht und dann erhitzt, vorzugsweise auf die Erweichungstemperatur des Glases, während das Glas an der Luft vor dem Aufbringen der Si1-xHx- und SiO&sub2;-Filme gebogen wird. Der Siliziumfilm ist dünn genug, daß das Glas während des Erhitzens und Biegens klar wird. Ohne sich auf den theoretischen Aspekt festlegen zu wollen, geht man davon aus, daß das Silizium oxidiert wird. In jedem Fall verbessert das Erhitzen die Haftung der Antireflexbeschichtung auf dem Glassubstrat. Es verbessert ebenso die mechanische und gleichermaßen die chemische Haltbarkeit des Filmestapels. Es scheint, daß dieses Verfahren eine diffundierte Schnittstelle zwischen dem Silizium und dem Glassubstrat bereitstellt. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform dieses Beschichtungsverfahrens wird ein Siliziumfilm auf der Oberfläche einer Glaslage aufgebracht. Die Glaslage wird dann auf eine hohe Temperatur erhitzt, typisch auf mindestens etwa 10000 F, zum Beispiel 1040ºF, und vorzugsweise auf die Erweichungstemperatur des Glases, typisch zirka 1250ºF. Nachdem das Glas bei dieser Temperatur während einer Zeitdauer erhitzt wurde, die genügt, um die optischen Eigenschaften des Siliziums zu verändern, vorzugsweise mindestens etwa 15 Minuten bei 1250ºC, wird das Glas langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach einem solchen Verfahren wird die Si1-xHx/SiO&sub2;-Beschichtung aufgebracht.
In einem bevorzugten Verfahren der Erfindung wird eine im wesentlichen transparente, laminierte Glaseinheit hergestellt, indem ein 3-8 nm (30 bis 80 Angstrom), besser etwa 4-6 nm (40 bis 60 Angstrom) dicker Si1-xHx-Film auf eine Hauptfläche einer im wesentlichen nicht dehnbaren Substratschicht gesputtert wird. Eine 100-170 nm (1000 bis 1700 Angstrom), besser etwa 120- 160 nm (1200-1600 Angstrom) dicke Siliziumdioxidschicht wird über den Si1-xHx-Film gesputtert. Die Substratschicht wird dann mittels einer Laminierschicht aus PVB oder einem anderen flexiblen Polymermaterial auf eine weitere Schicht aus Glas, Plastik, usw. laminiert. Insbesondere ist die Laminierschicht zwischen die Substratschicht und die Zusatzschicht eingebettet, und diese werden durch Anwendung von Hitze oder Druck und unter Umständen Vakuum laminiert. Die Oberfläche der Substratschicht, die die Antireflexbeschichtung trägt, wird vorzugsweise als die Außenfläche der Glasscheibe gewählt, die dem Betrachter am nächsten ist.
In Abb. 1 ist der Pfad des einfallenden Lichtes durch eine Verglasung mit Antireflexbeschichtung entsprechend der Erfindung dargestellt. Insbesondere trifft das einfallende Licht 30 auf die Oberfläche 26 der Antireflexschicht 20, und ein wesentlicher Teil davon passiert die Antireflexschicht und den Rest der Glaseinheit, um durch die Oberfläche 13 der Außenlage 12 als transmittiertes Licht 32 auszutreten. Typisch wird ein Teil des einfallenden Lichtes an jeder Schnittstelle zwischen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes zurückreflektiert. An den beiden Glas/PVB-Schnittstellen 31a und 31b wird praktisch kein Licht reflektiert, da der Brechungsindex von Glas dem von PVB sehr nahe kommt. An einer Glas/Luft-Schnittstelle werden normalerweise etwa 4% des einfallenden Lichtes reflektiert. Daher besitzt reines Glas, wie oben erwähnt und in Abb. 2 gezeigt, eine Gesamtreflexion R von etwa 8%, also 4% an jeder Glasoberfläche. Bei gewissen besonders bevorzugten Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung wird die Gesamtreflexion durch Verwendung einer Antireflexschicht auf einer Oberfläche auf bis zu etwa 4% reduziert. Insbesondere reduziert sich die Reflexion an der Oberfläche, die die Antireflexschicht dieser Erfindung trägt, auf nahezu 0%, so daß nur die 4% von der Luft/Glas-Schnittstelle der gegenüberliegenden Oberfläche bleiben. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird auf beiden Oberflächen eine Antireflexschicht verwendet, was die Gesamtreflexion der Windschutzscheibe auf nahezu null reduziert. Unter Bezug auf Abb. 1 wird dies leichter verständlich. Das einfallende Licht 30 trifft auf die Oberfläche 26 der Antireflexschicht 20. Die Gesamtreflexion, ausgedrückt in Prozent des einfallenden Lichtes 30, setzt sich zusammen aus; (i) dem an der Luft/SiO&sub2;-Schnittstelle der Oberfläche 26 reflektierten Licht 34; (ii) dem an der SiO&sub2;/Si1-xHx-Schnittstelle 27 reflektierten Licht 35; (iii) dem an der Si1-xHx/Glas-Schnittstelle der Oberfläche 18 reflektierten Licht 36 und (iv) dem an der Glas/Luft-Schnittstelle der Oberfläche 28 reflektierten Licht 37. Wie oben erwähnt, können die beiden Glas/PVB-Schnittstellen vernachlässigt werden, da die Brechungsindizes der beiden Materialien fast identisch sind. Der Prozentsatz, der durch Oberfläche 13 tritt, ist der Durchlässigkeitsprozentsatz T%. Die Reflexion von der Glasoberfläche 18 ohne die Antireflexbeschichtung der Erfindung wäre, wie oben erwähnt etwa 4%. Entsprechend gewissen, am stärksten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beträgt diese Reflexion mit der Antireflexschicht 20, also die Summe von 34, 35 und 36, etwa null. Folglich beträgt die Reflexion dieser Glaseinheit insgesamt nur etwa 4%, wobei nahezu dieser ganze Betrag von der Refexion 37 herrührt. Die Reflexion 36 ist tatsächlich im wesentlichen gleich null, obwohl wegen des großen Unterschieds im Brechungsindex für diese beiden Materialien an der Si1-xHx/Glas-Schnittstelle eine nicht zu vernachlässigende Reflexion zu erwarten gewesen wäre.
Ohne sich weiter auf den theoretischen Aspekt festlegen zu wollen, wird die Tatsache, daß die Reflexion 36 nahezu null ist, gegenwärtig damit erklärt, daß der ultradünne Si1-xHx-Film zu dünn ist, um eine optisch bedeutsame Schnittstelle zum Glas darzustellen. Wie oben erwähnt, wurde selbstverständlich festgestellt, daß dieser Film dennoch genügt, um als das stark brechende Material in einer Doppelschicht mit SiO&sub2; in der in dieser Erfindung beschriebenen Antireflexbeschichtung zu dienen. Aus dem Vorstehenden erklärt sich, daß eine Ausführungsform der Erfindung, die außerdem eine Antireflexbeschichtung auf Oberfläche 13 der äußeren Glaslage 12 umfaßt, eine Gesamtreflexion von etwa null aufweisen würde.
Die optischen Eigenschaften der Antireflexbeschichtungen der Erfindung, insbesondere Durchlässigkeit und Reflexion, sind in den Graphen in Abb. 2 bis 5 dargestellt. Spektrophotometrische Werte für Reflexion (R%) und Durchlässigkeit (T%) wurden unter Verwendung eines Computerprogrammes berechnet, das integrierte Werte für R und T im UV-, sichtbaren und IR-Bereich für einen vorgegebenen Einfallswinkel mit der Mehrfachbeschichtung auf einem Glassubstrat liefert. Literaturwerte der optischen Konstanten, des Brechungsindexes und des Extinktionskoeffizienten von Si1-xHx- und Siliziumdioxidschichten, wurden bei der Berechnung der R- und T-Werte verwendet. Das Computerprogramm lieferte T%- und R%-Werte zu den Parameterwerten dSi und dSiO2. Es wurden Kurven von R als Funktion von dSi sowie von T als Funktion von dSi aufgezeichnet, wobei ausgewählte Stärken von SiO&sub2;-Filmen als Parameter dienten. Diese Kurven wurden verwendet, um zu entscheiden, welche Stärken der experimentell aufgetragenen Si1-XHx- und SiO&sub2;-Doppelschichten minimale Reflexion bei maximaler Durchlässigkeit liefern. Die folgenden tatsächlich untersuchten Si1-xHx/SiO&sub2;-Doppelschichten (für x = 0) wurden von einem Si-Target gesputtert: 60/1000; 40/1000; 20/1000; 20/1200; 30/1200; 25/1200; 27/1500; 27/2000. Spektrophotometeraufzeichnungen der Reflexion und Durchlässigkeit dieser tatsächlich untersuchten Proben wurden unter Verwendung eines Lambda 9 Spektrophotometers von Perkin-Elmer erhalten. Die experimentellen Resultate stimmten sehr gut mit den Werten überein, die von dem Multischicht- Computerprogramm vorhergesagt worden waren. Die in Abb. 2 bis 5 gezeigten Ergebnisse wurden dann durch das Computerprogramm für Beschichtungen entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei Einsatz von hydriertem Silizium, bestimmt. Die Werte wurden für senkrechten Einfall berechnet. Ein ähnliches Verfahren wurde bei schrägem Einfall angewandt, einschließlich eines Winkels von 65º, welches der Einbauwinkel (vom Fahrer des Fahrzeugs aus gesehen) einer typischen Kraftfahrzeugwindschutzscheibe ist. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Si1-xHx/SiO&sub2;-Doppelschicht aus einem 140 nm (1400 Angstrom) dicken SiO&sub2;-Film direkt über einem 5 nm (50 Angstrom) dicken Si1-xHx-Film erzielt, wobei x gleich 0.11 war.
Abb. 2 zeigt die prozentuale Durchlässigkeit T für mittleres sichtbares Licht (ungefähr 550 nm) als Funktion des Wertes von x für eine Si1-xHx/SiO&sub2;- Antireflexbeschichtung auf einem Glassubstrat. Die Stärke des S1-xHx-Filmes beträgt 5 nm (50 Angstrom), und die Stärke des SiO&sub2;-Filmes beträgt 140 nm (1400 Angstrom), in Übereinstimmung mit einer stark bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die prozentuale Reflexion R für diese Windschutzscheibe, wieder als Funktion des Wertes von x, ist in Abb. 3 gezeigt. Aus den Abb. 2 und 3 ist ersichtlich, daß für Werte von x zwischen 0.05 und 0.2 die Durchlässigkeit maximal und die Reflexion minimal wird, wobei ein Optimalwert bei etwa 0.11 liegt.
Abb. 4 zeigt die prozentuale Durchlässigkeit für sichtbares Licht als Funktion der Stärke dSiH des hydrierten Siliziumfilmes für einige unterschiedliche Siliziumdioxidschichtdicken dSiO2. Der Siliziumfilm war zu 15% hydriert. Das heißt, x war ungefähr 0.15. In dem Schaubild ist der Wert von 92% für die Durchlässigkeit des verwendeten, reinen Glassubstrates angegeben. Auch die gegenwärtig von den US-Richtlinien für Kraftfahrzeugwindschutzscheiben geforderten 70% Durchlässigkeit Tmin sind angegeben. Man sieht, daß bei einer Stärke des SiO&sub2;-Filmes von 140 nm (1400 Angstrom) die Durchlässigkeit bei etwa 5 nm (50 Angstrom) Si0.85H0.15 optimal ist. Da dünnere Filme durch Sputtern oder andere Methoden rascher und damit wirtschaftlicher aufgetragen werden können, was zu einer höheren Produktivität führt, werden generell dünnere Filme dickeren Schichten vorgezogen, solange die Leistungsanforderungen erfüllt sind. Nun wird unter Bezugnahme auf Abb. 5 die prozentuale Reflexion der laminierten Windschutzscheibe, deren Durchlässigkeit in Abb. 4 gezeigt ist, mit einer Antireflexschicht entsprechend der Erfindung, als Funktion der Stärke der hydrierten Siliziumschicht für eine Reihe von Siliziumdioxidschichtdicken gezeigt. Im Schaubild sind die 8% Reflexion einer reinen Glasscheibe angedeutet. Es ist ersichtlich, daß ein Schichtpaar mit einem hydrierten Siliziumfilm von etwa 5 nm (50 Angstrom) Stärke (x=0.15) und einem Siliziumdioxidfilm von etwa 140 nm (1400 Angstrom) eine Reflexion von nur 4% für sichtbares Licht aufweist.

Claims

1. Eine Kraftfahrzeug windschutzscheibe, die auf ihrer inneren Oberfläche eine Antireflexbeschichtung besitzt, die für sichtbares Licht im wesentlichen transparent ist, wobei diese Antireflexbeschichtung einen Si1-xHx-Film (22) mit einer Stärke zwischen 3 und 8 nm (30 und 80 Angstrom) und einen Siliziumdioxidfilm (24) über dem Si1-xHx-Film (22) mit einer Stärke von 100 bis 170 nm (1000 bis 1700 Angstrom) umfaßt, wobei x eine positive Zahl kleiner als etwa 0.4 ist.

2. Eine Kraftfahrzeugwindschutzscheibe nach Anspruch 1, worin der Siliziumdioxidfilm (24) eine Stärke zwischen 120 und 160 nm (1200 bis 1600 Angstrom) aufweist und x zwischen 0.05 und 0.2 liegt.

3. Eine Kraftfahrzeug windschutzscheibe nach Anspruch 1, worin der Si1-xHx- Film (22) eine Stärke von etwa 5 nm (50 Angstrom) besitzt, und mit einem SiO&sub2;- Film mit einer Stärke von etwa 140 nm (1400 Angstrom), der direkt auf den Si1-xHx-Film aufgebracht ist und worin x etwa 0.11 beträgt, wobei die sich ergebende Antireflexbeschichtung mindestens etwa 70% Durchlässigkeit und weniger als etwa 8% Reflexion für sichtbares Licht besitzt, das auf die Antireflexbeschichtung einfällt.

4. Eine Kraftfahrzeugwindschutzscheibe nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Windschutzscheibe eine erste Schicht und eine im wesentlichen nicht dehnbare Substratschicht mit einer ersten Oberfläche umfaßt, die mittels einer Laminierschicht aus flexiblem Polymermaterial auf die erste Schicht laminiert ist, wobei die zweite Oberfläche im wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche ist, die gleiche Ausdehnung hat und ihr gegenüberliegt

5. Eine Kraftfahrzeugwindschutzscheibe nach Anspruch 4, worin sowohl die erste Schicht als auch die Substratschicht aus Glas und die Laminierschicht aus Polyvinylbutyral besteht.

6. Ein Verfahren zur Bereitstellung einer im wesentlichen transparenten Kraftfahrzeug windschutzscheibe mit einer Antireflexbeschichtung, wobei das Verfahren das Aufbringen eines Si1-xHx-Films mit einer Stärke zwischen 3 und 8 nm (30-80 Angstrom) auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe und dann die Aufbringung eines SiO&sub2;-Films mit einer Stärke zwischen 100 und 170 nm (1000-1700 Angstrom) über den Si1-xHx-Film umfaßt, worin x eine positive Zahl kleiner als etwa 0.4 ist.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 6, worin diese Filme durch Sputtern aufgebracht werden, wobei der Siliziumdioxidfilm zwischen etwa 120 und 160 nm (1200 und 1600 Angstrom) stark ist.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 6, worin die Windschutzscheibe eine Glassubstratschicht mit einer dünnen Grenzschicht aus Silizium direkt auf deren Oberfläche besitzt, und das Verfahren weiterhin das Erhitzen der Glasschicht mit dem Siliziumfilm darauf auf eine hohe Temperatur während eines Zeitraumes umfaßt, der ausreicht, um ihre optischen Eigenschaften zu verändern, bevor der Si1-xHx-Film und die SiO&sub2;-Filme darauf aufgebracht werden.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 6, das folgende Schritte umfaßt:

a) Aufbringen eines 3 bis 8 nm (30 bis 80 Angstrom) starken Si1-xHx-Filmes auf eine Hauptfläche einer im wesentlichen nicht dehnbaren Substratschicht, worin x eine positive Zahl kleiner als etwa 0.40 ist, indem Silizium in einer Wasserstoff umfassenden Atmosphäre gesputtert wird;

b) dann Aufbringen eines 120 bis 160 nm (1200 bis 1600 Angstrom) starken SiO&sub2;-Films direkt über dem Si1-xHx-Film, indem Silizium in einer Sauerstoff umfassenden Atmosphäre gesputtert wird; und

c) Einbringen einer flexiblen polymeren Laminierschicht zwischen die Substratschicht und eine zusätzliche Schicht und Laminieren derselben, wobei die Hauptfläche mit der Antireflexbeschichtung darauf diejenige Oberfläche darstellt, die die innere Oberfläche der Windschutzscheibe sein wird, wenn die Windschutzscheibe im Kraftfahrzeug eingebaut ist.