WO2023202817A1 - Glass pane with an anti-reflective surface and method for the production thereof - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a glass pane with a reflection-reduced surface, the glass pane with the reflection-reduced surface and its use.
- anti-reflective coatings It is known to provide glass panes with anti-reflective coatings. This allows the reflection of light on the relevant surface of the glass pane to be significantly reduced.
- Various types of anti-reflective coatings are known. They are often formed from a plurality of thin layers, with alternating layers with high and low refractive index being arranged and the anti-reflective effect being caused by interference effects.
- Such anti-reflective coatings are for example from EP0490613A2, US6068914A and
- WO2019179682A1 known. Such coatings are usually produced by physical vapor deposition, in particular magnetic field-assisted cathode sputtering (“magnetron sputtering”). Due to the large number of individual layers required, production is costly and time-consuming. In addition, sputtered coatings sometimes have limited stability against mechanical influences and aging.
- anti-reflective coatings with a low refractive index are used, which are applied to the glass pane using wet chemicals.
- coatings made of nanoporous silicon oxide are known, the antireflective effect being generated by avoiding an interface with an abrupt and strong change in the refractive index.
- Such a coating, which is produced using the sol-gel process is known, for example, from WO2008059170A2.
- wet-chemically applied coatings often exhibit significant inhomogeneity, which is often insufficient for applications with high aesthetic demands. In addition, their stability against mechanical influences and aging is also limited.
- US6291797B1 a method is known in which a coating on a glass substrate, for example an SiO2 coating, is processed with pulsed laser radiation. This creates a surface structure made up of alternating convex and concave sections, particularly through evaporation or ablation.
- the glass substrate with the processed coating is intended, for example, as a diffraction grating.
- US6291797B1 does not address the polarization of the laser radiation used.
- the present invention is based on the object of providing such an improved glass pane with a reflection-reduced surface and an improved method for its production.
- the object is achieved according to the invention by a method according to claim 1.
- the object is also achieved by a glass pane according to the independent claim. Preferred versions and configurations emerge from the subclaims.
- the glass pane according to the invention and the method according to the invention for producing it are presented together below, with explanations and preferred embodiments relating equally to the glass pane and the method. If preferred features are described in connection with the method, it follows that the glass pane is also preferably designed accordingly. Conversely, if preferred features are described in connection with the glass pane, it follows that the method is also preferably carried out accordingly.
- soda-lime glass and other utility glasses contain significant mineral admixtures, especially sodium and calcium oxide.
- the chemical composition is therefore significantly less homogeneous, which is particularly evident on a micro- and nanometer scale.
- the invention is based on the idea of providing the glass pane with a coating of silicon oxide (SiO2) and carrying out the laser structuring on this coating instead of on the glass substrate itself. The coating achieves a chemical homogenization of the substrate surface.
- the coating provides a chemically homogeneous material on which laser structuring can be carried out with high quality, while the chemically inhomogeneous glass substrate is not affected by laser processing.
- the SiO2 coating is easier and more cost-effective to apply than, for example, anti-reflective coatings made of several thin-film layers with different refractive indices. Due to the chemical similarity to the substrate, the SiO2 coating is also highly stable against mechanical influences. It acts as a kind of protective layer for the substrate.
- the method according to the invention for producing a glass pane with a reflection-reduced surface comprises a sequence of process steps, wherein (a) a substrate made of glass is provided,
- a surface of the substrate is provided with a coating based on SiO2 and
- At least a region of the surface of the coating facing away from the substrate is structured by producing elevations using the radiation of a laser.
- the radiation from the laser is circularly polarized.
- the laser is operated in a pulsed manner with pulse lengths in the femtosecond or nanosecond range.
- the glass pane according to the invention can be produced using the method according to the invention.
- the glass pane according to the invention with a reflection-reduced surface therefore comprises at least one substrate made of glass and a coating based on SiÜ2 on a surface of the substrate, with at least a region of the surface of the coating facing away from the substrate being structured by elevations.
- the elevations are introduced into the coating using the circularly polarized radiation of a pulsed laser with pulse lengths in the femtosecond or nanosecond range.
- the polarization of the laser radiation is expressed in the glass pane in particular in the shape of the elevations, the pulse length in the surface structure, and in particular the amount of melted material.
- the reflection-reduced surface can also be referred to as an anti-reflective surface, and the coating processed according to the invention as an anti-reflection coating.
- the coating means that the reflection of the coated surface is reduced at least in part of the visible spectral range from 380 nm to 780 nm, in particular in the entire visible spectral range from 380 nm to 780 nm, compared to a surface of the same type Substrate with a similar coating based on SiÜ2, which is not structured using the method according to the invention.
- the substrate is made of soda-lime glass or consists of soda-lime glass.
- Soda-lime glass is the most common type of glass (“normal glass”) and is particularly used as window glass. Therefore, glass substrates made from soda lime glass offer a large number of possible applications. Even if the invention was made in connection with soda-lime glass, it is not limited to such glass substrates. Rather, it can also be used on other types of glass, in particular other types of glass with mineral additions such as borosilicate glass or aluminosilicate glass. Applications are even conceivable using substrates made of pure quartz glass.
- the substrate is preferably a plate-like object, such as is used as a window pane or cover pane in electrical and electronic applications.
- the substrate can be flat (for example in the case of window panes of buildings or vehicles such as trains, buses or agricultural vehicles) or curved (for example in the case of window panes of vehicles such as cars or trucks).
- the thickness of the substrate can be chosen freely according to the requirements of the specific application. Thicknesses in the range from 0.5 mm to 10 mm, preferably from 1 mm to 5 mm, are common, particularly in the case of window panes and cover panes.
- the substrate typically has two main surfaces intended to be seen through the substrate and a side edge surface extending therebetween.
- One of the main surfaces is provided with the coating according to the invention.
- the coating is based on SiÜ2. This means that the coating consists predominantly of silicon oxide, in particular essentially of silicon oxide in addition to any impurities or dopants.
- the proportion of silicon oxide is preferably more than 80% by weight, particularly preferably more than 90% by weight.
- the silicon oxide can be deposited stoichiometrically, superstoichiometrically or substoichiometrically with respect to the oxygen content. Even if, for the sake of simplicity, silicon oxide is abbreviated with the stoichiometric molecular formula SiÜ2 in the context of the present invention, this does not provide any information about the stoichiometry.
- the coating based on SiO2 (also called SiO2 coating) is in particular a single thin layer. This layer is preferably deposited directly on the substrate surface, so there are no further layers between the substrate and the SiO2 coating. However, additional layers can optionally be added to the SiO2 layer. Coating can be applied, for example to provide the glass pane with additional functions.
- the SiC>2 coating should be sufficiently thick so that the structuring according to the invention can be formed in it. Good results are achieved in particular when the coating has a thickness of at least 30 nm, preferably at least 50 nm. On the other hand, the coating should not be made too thick, because then the production costs in particular increase significantly without a better reflection-reducing effect being achieved.
- the coating has a thickness of at most 500 nm, preferably at most 200 nm, particularly preferably at most 150 nm. The thickness is, for example, in the range from 50 nm to 200 nm.
- the SiO2 coating can have dopings, preferably boron, aluminum, titanium, zirconium or hafnium. Doping with nitrogen is also possible.
- the refractive index of the coating is preferably less than or equal to 1.60, particularly preferably less than or equal to 1.55, most preferably less than or equal to 1.50, for example from 1.40 to 1.50 or from 1.45 to 1.50 . This achieves particularly good reflection-reducing properties. This is also due to the fact that the refractive index of the coating is then very similar to that of the glass substrate (for example soda lime glass: 1.47).
- the refractive index is measured at a wavelength of 550 nm.
- the refractive index is fundamentally independent of the measurement method and can be determined, for example, using ellipsometry. Ellipsometers are commercially available, for example from Sentech.
- the coating is deposited on the substrate by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD).
- PVD physical vapor deposition
- CVD chemical vapor deposition
- Cathode sputtering (“sputtering”), in particular magnetic field-assisted cathode sputtering (“magnetron sputtering”), and plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) as well as chemical vapor deposition at atmospheric pressure (APCVD, atmospheric pressure chemical vapor deposition) are particularly preferred ).
- APCVD atmospheric pressure chemical vapor deposition
- the coating is preferably applied over the entire surface of the substrate surface, so that the entire main surface of the substrate is provided with the coating. In principle, however, it is also possible to coat only one area of the surface, for example if only part of the glass pane is to be provided with the reflection-reduced properties.
- At least one area of the coating is structured by laser processing.
- the entire coating is preferably structured.
- the structuring consists in providing the surface of the SiO2 coating with the elevations according to the invention. These elevations result in the reflection on the relevant surface of the glass pane being reduced.
- the reflection-reducing effect is caused in particular by the fact that the elevations cause a gradual spatial change in the refractive index. However, the material remains transparent.
- the spectral range in which the reflection-reducing effect occurs depends in particular on the dimensions of the elevations and the occupancy density of the surface with the elevations or the periodicity of the elevations.
- the glass pane can thus be specifically provided with the properties required for the specific application.
- the laser radiation is circularly polarized, preferably essentially purely circularly polarized. This creates an elevation without a preferred direction within the irradiated area, in particular an elevation with a round, approximately circular base area.
- This has the advantage that the reflection-reducing properties generated are anisotropic, i.e. do not depend on the viewing angle.
- the laser radiation is directed onto the SiC>2 coating in order to structure it.
- the coating preferably hits the glass pane via the coated surface.
- the laser radiation therefore irradiates the coating without first passing through the substrate.
- the laser radiation is preferably focused on the SiO2 coating, in particular (at least approximately) on its surface facing away from the substrate.
- the laser radiation is focused using a focusing optical element, for example a lens or an objective.
- F-theta lenses or f-theta lenses are particularly suitable. These result in the foci of the laser radiation being arranged in one plane at different exit angles and enable a constant speed of movement of the laser radiation over the coating.
- the focal length of the focusing element determines the extent of the focus of the laser radiation and thus the extent of the elevations generated.
- the focal length of the focusing optical element is preferably from 50 cm to 450 cm, particularly preferably from 55 cm to 300 cm. In this area, in particular, expansions of the laser foci are achieved, which are advantageous for forming the structuring.
- the laser focus on the coating can have an (at least approximately) circular shape. However, the irradiated surface can also be designed differently, for example with an elliptical focus that is elongated perpendicular to the direction of movement. This means that a larger area can be irradiated in one pass of the laser radiation.
- the radiation from the laser can be guided through at least one optical waveguide, for example a glass fiber.
- Additional optical elements can also be arranged in the beam path of the laser, for example collimators, diaphragms, filters or elements for frequency doubling.
- the structuring of the SiO2 coating is created by moving the laser radiation relative to the coated substrate.
- the substrate is stationary (for example arranged on a holder or a base) and the laser radiation is moved over the coating.
- the movement of the laser radiation is preferably carried out by at least one mirror which is connected to a movable component.
- the movable component allows the mirror to be tilted in two directions, preferably two mutually orthogonal directions, particularly preferably horizontally and vertically.
- the laser radiation can also be moved by several mirrors each connected to a movable component. For example, the movement of the laser radiation can take place through two mirrors, one mirror in the horizontal direction and the other mirror can be tilted vertically.
- Conventional laser scanning systems can be used to move the laser radiation, for example motorized xy(-z) scanners or galvanometer scanners.
- the laser radiation is moved over the coating in particular in a grid-like manner in the form of successive lines.
- the relative movement of laser radiation and substrate can in principle also be realized in other ways.
- the movement of the laser radiation can alternatively take place by moving the focusing element and the laser or by moving the focusing element and an optical waveguide over the stationary substrate.
- the laser radiation can be stationary and the substrate can be moved.
- the laser radiation is preferably moved several times over the coating. This has the advantage that the energy required to create the elevations is distributed successively at the appropriate points over several passes and not concentrated in a single pass. This reduces the risk of damaging the substrate and/or the coating.
- the irradiated areas are successively heated and melted, with the melted area of the coating solidifying again after each irradiation.
- the elevations are built up gradually, reaching a greater height with each pass of laser irradiation.
- the laser radiation can be moved over the coating only once.
- the speed of movement of the laser radiation should then be chosen to be lower than when moving the laser radiation multiple times over the coating in order to build up the elevations in a single pass.
- partial ablation of the coating can also occur, which further increases the surface structuring and may be desirable.
- the laser radiation is moved continuously over the coating.
- successive laser pulses hit different points on the coating, the distance between which depends on the pulse repetition frequency (repetition frequency) of the laser and the speed of movement of the laser radiation.
- Pulse repetition frequency and movement speed can be coordinated with one another in such a way that the irradiated areas of successive pulses overlap or are completely separated from one another. Overlapping may be preferred to achieve greater local heating.
- the laser radiation is preferably at a speed of 500 mm/s to 10,000 mm/s, particularly preferably 1,000 mm/s to 8,000 mm/s. This achieves particularly good results, especially with the preferred ranges for the repetition frequency of the pulses described below.
- the laser structuring according to the invention can be understood as a type of laser-induced periodic surface structures (LIPSS, laser-induced periodic surface structures), without the invention being tied to a scientific theory.
- LIPSS laser-induced periodic surface structures
- the formation of LIPSS is probably related to an inhomogeneous energy absorption of a rough surface and the hydrodynamic behavior of the resulting melted material during and immediately after irradiation. It is conceivable that the laser irradiation initially leads to the roughening of the SiO2 surface, from which the elevations then form as LIPSS.
- the irradiated surface is heated by the laser radiation, whereby the SiO2 coating is locally melted or melted and a plurality of local elevations are formed.
- the elevations are built up step by step, reaching a greater height with each pass of laser irradiation.
- the surface structuring using LIPSS leads in particular to elevations whose dimensions (extent of the base area) are significantly smaller than the extent of the laser focus on the coating. Therefore, when the laser focus hits an area, a plurality of bumps are created simultaneously in this area.
- partial ablation processes can occur, especially when the procedure is carried out slowly, which also contributes to surface structuring.
- the laser radiation is not moved continuously, but stepwise over the coating, with the laser focus at each irradiation position remains for a while before it is moved to the next irradiation position.
- the laser radiation is moved step by step from one irradiation position to the next.
- Each irradiation position is irradiated with several laser pulses.
- the irradiation positions can be selected depending on the extent of the laser focus on the coating in such a way that the irradiated surface of adjacent irradiation positions overlaps.
- the laser radiation is preferably moved several times over the coating, so that a comparatively small number of laser pulses (for example two to five laser pulses) hit each irradiation position with each pass.
- the individual areas of the coating can be successively heated and melted, with the melted area of the coating solidifying again after each irradiation.
- the elevations are built up gradually, reaching a greater height with each pass of laser irradiation. This reduces the risk that the substrate and/or the coating will be damaged as a result of excessive radiation.
- the elevations are distributed two-dimensionally over the structured area of the SiC>2 coating (or over the entire SiC>2 coating if the entire coating is structured with the laser radiation).
- the surveys can be distributed regularly or approximately regularly. In this way, particularly homogeneous reflection-reducing properties can be achieved. With regularly distributed surveys, the distance between neighboring surveys is essentially constant and the area occupancy is independent of location. However, an irregular distribution of surveys is also possible.
- the base area is typically rounded, in particular (at least approximately) circular or elliptical.
- the elevations taper upwards, i.e. in the direction away from the substrate.
- the elevations can in particular be described at least approximately as a spherical segment or segment of an ellipsoid of revolution.
- the elevations in particular have an extent in the nanometer range, being greater than or equal to 1 nm and less than 1 pm.
- the extent of the elevations is particularly preferably from 1 nm to 1000 nm, very particularly preferably from 20 nm to 500 nm, in particular from 50 nm to 200 nm.
- the extent of the elevations is determined in particular by the size of the laser focus on the coating.
- the distances neighboring elevations are preferably in the nanometer range, particularly preferably in the above-mentioned ranges for expansion.
- the glass pane according to the invention can therefore also be characterized as a glass pane with a reflection-reduced surface, comprising at least: a substrate made of glass and a coating based on silicon oxide (SiO2) on a surface of the substrate, at least a region of the surface of the coating facing away from the substrate is structured by elevations which are distributed two-dimensionally over the said area and have an extent and mutual distances in the nanometer range.
- SiO2 silicon oxide
- the pulse length of the laser is in the femtosecond or nanosecond range.
- the pulse length is preferably at most 15 ps, particularly preferably from 400 fs to 15 ps, very particularly preferably from 800 fs to 10 ps. This achieves particularly good results, especially with regard to efficient heating and melting of the SiO2 coating and efficient formation of the elevations.
- the repetition frequency of the laser pulses is preferably from 1 kHz to 1 MHz, preferably from 400 kHz to 1 MHz.
- laser radiation in the UV range, in the visible range or in the IR range of the electromagnetic spectrum can be used.
- the wavelength of the laser radiation is preferably from 200 nm to 1100 nm, particularly preferably from 300 nm to 1100 nm. Particularly good results are achieved in this way.
- Solid-state lasers can preferably be used (for example Nd:YAG laser or Yb:YAG laser), which can be frequency-doubled, frequency-tripled or frequency-doubled twice if necessary. Such lasers are widely used industrially, relatively inexpensive and efficient.
- diode lasers, excimer lasers, gas lasers or dye lasers can also be used.
- the irradiation of the laser radiation on the coating is preferably from 1 J/cm 2 to 5 J/cm 2 , particularly preferably from 1.47 J/cm 2 to 3.8 J/cm 2 .
- the radiation can also be referred to as irradiation. It is the time-integrated irradiance and gives the incident radiation energy of the laser radiation per area. It can be advantageous to choose the irradiation smaller than, but close to, the ablation limit at which laser ablation of the SiC>2 coating begins. A large amount of energy is then advantageously introduced to heat the coating and the formation of the elevations is efficient without the coating being damaged by the laser radiation.
- the output power of the laser is preferably from 20 W to 50 W.
- the size and periodicity or occupancy density of the surveys can be influenced by the parameters of the laser radiation.
- the wavelength in particular plays a crucial role.
- a further coating is applied or deposited on the SiC>2 coating.
- Additional coating allows the glass pane to be given additional functions.
- the further coating is a hydrophilic or hydrophobic coating in order to additionally provide the glass pane with hydrophilic or hydrophobic properties.
- Such coatings can be formed, for example, from fluoropolymer or silicone polymer layers.
- the invention also includes the use of a glass pane according to the invention as a window pane of vehicles, buildings or interiors (or as a component thereof, for example as a component of a composite pane or insulating glazing), as a cover pane for electrical or electronic devices (for example as a cover pane for solar cells), or as Part of furniture and furnishings.
- a glass pane according to the invention is explained in more detail using a drawing and exemplary embodiments.
- the drawing is a schematic representation and not to scale. The drawing does not limit the invention in any way. Show it:
- FIG. 1 shows a cross section through an embodiment of a glass pane according to the invention with a surface with reduced reflection
- FIG. 3 Cross section through the glass pane from Figure 1 at different times of its production using the method according to the invention.
- Figure 1 and Figure 2 each show a detail of a glass pane according to the invention.
- the glass pane comprises a substrate 1 made of soda-lime glass with a thickness of, for example, approximately 3 mm.
- the surface of the coating 2 facing away from the substrate 1 is not flat, but has a structure.
- the structure is formed by a large number of elevations 5, which have been introduced into the coating 2 by laser radiation.
- the surface of the coating 2, which is flat in the initial state, has been structured by the laser radiation.
- the elevations 5 are distributed essentially regularly and two-dimensionally over the surface of the coating 2. They have an approximately circular base area on which they are dome-shaped.
- the elevations 5 approximately have the shape of a segment of a prolate ellisoid of revolution, in particular a half-ellipsoid of revolution. Between the elevations 5 in the cutting line (hatched), the elevations 5 of the row behind them can be seen in FIG. 2 (not hatched).
- the elevations have, for example, a diameter of approximately 125 nm (based on the base area) and a height of approximately 100 nm.
- the distance between adjacent elevations 5 is, for example, approximately 125 nm.
- the structuring in the form of the elevations 5 provides the surface of the glass pane with reflection-reducing properties. In principle, such a structuring can also be formed directly in the substrate surface, as taught in US2021138577A1. In the case of substrates 1 made of types of glass with mineral additives, such as soda-lime glass, this does not lead to satisfactory results.
- the inventors attribute the observation to the chemical inhomogeneity of the glass.
- the coating 2 ensures a chemical homogenization of the surface, which now essentially consists of SiO2, apart from impurities and any dopants.
- the chemically comparatively homogeneous coating 2 can be provided with the elevations 5 in a higher optical quality.
- Figure 3 shows cross sections through the glass pane during its production according to the invention.
- the substrate 1 is provided ( Figure 3a).
- a surface of the substrate 1 is then provided with the coating 2 (FIG. 3b), for example by magnetic field-assisted cathode sputtering (“magnetron sputtering”).
- the coating 2 is then deposited flat on the surface.
- the coating 2 is then structured using laser processing (FIG. 3c), with the elevations 5 being formed.
- the radiation 4 from a laser 3 is focused onto the coating 2 using, for example, an f-theta lens as a focusing element 6.
- the radiation 4 is purely circularly polarized and has a wavelength of, for example, 355 nm.
- Laser 3 is a “frequency-tripled” Nd:YAG laser (sum frequency mixing of the fundamental radiation with the frequency-doubled radiation; third harmonic).
- the laser 3 is operated in pulsed mode with a pulse length of 10 ps and a repetition frequency of 400 kHz.
- the radiation 1 can be moved over the coating 2 by means of a movable mirror 7. For the sake of simplicity, only one mirror 7 is shown to clarify the principle.
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Abstract
The invention relates to a method for producing a glass pane with an anti-reflective surface, wherein (a) a substrate (1) made of glass is provided, (b) a surface of the substrate (1) is provided with a coating (2) based on silicon dioxide (SiO2), and (c) at least one region of the surface of the coating (2) facing away from the substrate (1) is structured, in that elevations (5) are generated by the beam (4) of a laser (3), wherein the beam (4) is circularly polarised and the laser (3) is operated in a pulsed manner with pulse lengths in the femtosecond- or nanosecond-range.
Description
Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche und Verfahren zu ihrer Herstellung Glass pane with a reflection-reduced surface and process for its production
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche, die Glasscheibe mit der reflexionsverminderten Oberfläche sowie deren Verwendung. The invention relates to a method for producing a glass pane with a reflection-reduced surface, the glass pane with the reflection-reduced surface and its use.
Es ist bekannt, Glasscheiben mit antireflektierenden Beschichtungen zu versehen. Dadurch kann die Reflexion von Licht an der betreffenden Oberfläche der Glasscheibe signifikant reduziert werden. Es sind verschiedene Arten antireflektierender Beschichtungen bekannt. Sie sind häufig aus einer Mehrzahl dünner Schichten ausgebildet, wobei alternierend Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex angeordnet sind und die antireflektierende Wirkung durch Interferenzeffekte bewirkt wird. Solche antireflektierenden Beschichtungen sind beispielsweise aus EP0490613A2, US6068914A undIt is known to provide glass panes with anti-reflective coatings. This allows the reflection of light on the relevant surface of the glass pane to be significantly reduced. Various types of anti-reflective coatings are known. They are often formed from a plurality of thin layers, with alternating layers with high and low refractive index being arranged and the anti-reflective effect being caused by interference effects. Such anti-reflective coatings are for example from EP0490613A2, US6068914A and
WO2019179682A1 bekannt. Solche Beschichtungen werden üblicherweise durch physikalische Gasphasenabscheidung, insbesondere magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäubung („Magnetron-Sputtern“) erzeugt. Durch die große Anzahl der erforderlichen Einzelschichten ist die Herstellung kostspielig und zeitaufwändig. Außerdem weisen gesputterte Beschichtungen mitunter eine eingeschränkte Stabilität gegen mechanische Einflüsse und Alterung auf. WO2019179682A1 known. Such coatings are usually produced by physical vapor deposition, in particular magnetic field-assisted cathode sputtering (“magnetron sputtering”). Due to the large number of individual layers required, production is costly and time-consuming. In addition, sputtered coatings sometimes have limited stability against mechanical influences and aging.
Alternativ werden antireflektierende Beschichtungen mit niedrigem Brechungsindex eingesetzt, welche nasschemisch auf die Glasscheibe aufgebracht werden. So sind beispielsweise Beschichtungen aus nanoporösem Siliziumoxid bekannt, wobei die antireflektierende Wirkung durch Vermeidung einer Grenzfläche mit einer abrupten und starken Änderung des Brechungsindex erzeugt wird. Eine solche Beschichtung, die im Sol- Gel-Verfahren erzeugt wird, ist beispielsweise aus W02008059170A2 bekannt. Nasschemisch aufgebrachte Beschichtungen weisen jedoch häufig eine signifikante Inhomogenität auf, was für Anwendungen mit hohen ästhetischen Ansprüchen oftmals ungenügend ist. Außerdem ist auch bei ihnen die Stabilität gegen mechanische Einflüsse und Alterung begrenzt. Alternatively, anti-reflective coatings with a low refractive index are used, which are applied to the glass pane using wet chemicals. For example, coatings made of nanoporous silicon oxide are known, the antireflective effect being generated by avoiding an interface with an abrupt and strong change in the refractive index. Such a coating, which is produced using the sol-gel process, is known, for example, from WO2008059170A2. However, wet-chemically applied coatings often exhibit significant inhomogeneity, which is often insufficient for applications with high aesthetic demands. In addition, their stability against mechanical influences and aging is also limited.
Aus US2021138577A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Glasoberflächen mittels Laserstrahlung funktionalisiert werden. Dabei wird eine strukturierte Oberfläche erzeugt mit zweidimensional verteilten Erhebungen, insbesondere sogenannte laserinduzierte
periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS, Laser-Induced Periodic Surface Structures), welche die Oberfläche mit reflexionsverminderten Eigenschaften versehen. Angewendet auf Glassorten hoher chemischer Reinheit, insbesondere Quarzglas aus reinem Siliziumdioxid, führt das Verfahren zu guten Ergebnissen. Es hat sich jedoch gezeugt, dass das Verfahren nur bedingt auf andere Glassorten, insbesondere Glassorten geringerer chemischer Reinheit, übertragbar ist. So wurden an Glasscheiben aus Kalk-Natron-Glas, welches typischerweise als Fensterglas eingesetzt wird, beobachtet, dass das Verfahren zu einer geringer ausgeprägten reflexionsmindernden Wirkung führt und die bearbeiteten Glasscheiben signifikante Inhomogenitäten hinsichtlich des ästhetischen Erscheinungsbildes aufweisen. Insbesondere zeigte sich, dass die Glasscheiben zu einem gewissen Grad trüb wurden („haze“), was in Durchsicht durch die Glasscheibe deren Erscheinungsbild in nicht akzeptablem Maße beeinträchtigt. From US2021138577A1 a method is known in which glass surfaces are functionalized using laser radiation. A structured surface is created with two-dimensionally distributed elevations, in particular so-called laser-induced ones periodic surface structures (LIPSS, Laser-Induced Periodic Surface Structures), which provide the surface with reflection-reduced properties. Applied to types of glass with high chemical purity, especially quartz glass made from pure silicon dioxide, the process produces good results. However, it has been shown that the process can only be transferred to other types of glass to a limited extent, in particular types of glass of lower chemical purity. On glass panes made of soda-lime glass, which is typically used as window glass, it was observed that the process leads to a less pronounced reflection-reducing effect and that the processed glass panes have significant inhomogeneities with regard to the aesthetic appearance. In particular, it was found that the glass panes became cloudy to a certain extent (“haze”), which affected their appearance to an unacceptable extent when viewed through the glass pane.
Aus der wissenschaftlichen Literatur ist bekannt, dass eine SiO2-Beschichtung auf Kalk- Natron-Glas dazu führt, dass die Oberfläche besser und homogener mittels Plasmaätzen strukturiert werden kann, insbesondere um hydrophobe Eigenschaften zu erzeugen (E. Yu et al., Extreme wettability of nanostructured glass fabricated by non-lithographic, anisotropic etching, Scientific Reports 5 (2015), Article number: 9362). It is known from the scientific literature that an SiO2 coating on soda-lime glass means that the surface can be structured better and more homogeneously using plasma etching, in particular to create hydrophobic properties (E. Yu et al., Extreme wettability of nanostructured glass fabricated by non-lithographic, anisotropic etching, Scientific Reports 5 (2015), Article number: 9362).
Aus US6291797B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Beschichtung auf einem Glassubstrat, beispielsweise eine SiO2-Beschichtung, mit gepulster Laserstrahlung bearbeitet wird. Dabei wird, insbesondere durch Evaporation oder Ablation, eine Oberflächenstruktur aus alternierenden konvexen und konkaven Abschnitten erzeugt. Das Glassubstrat mit der bearbeiteten Beschichtung ist beispielsweise als Beugungsgitter vorgesehen. US6291797B1 geht nicht auf die Polarisation der verwendeten Laserstrahlung ein. From US6291797B1 a method is known in which a coating on a glass substrate, for example an SiO2 coating, is processed with pulsed laser radiation. This creates a surface structure made up of alternating convex and concave sections, particularly through evaporation or ablation. The glass substrate with the processed coating is intended, for example, as a diffraction grating. US6291797B1 does not address the polarization of the laser radiation used.
Es besteht Bedarf an verbesserten Verfahren zur Erzeugung von reflexionsverminderten Oberflächen, welche kostengünstig durchführbar sind, eine gute antireflektierende Wirkung erzielen, zu ästhetisch anspruchsvollen Ergebnissen führen und unabhängig von der Glassorte anwendbar sind, insbesondere auch auf Glasscheiben aus Kalk-Natron Glas. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche verbesserte Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche und ein verbessertes Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Glasscheibe gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Bevorzugte Ausführungen und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor. There is a need for improved processes for producing reflection-reduced surfaces that can be carried out cost-effectively, achieve a good anti-reflective effect, lead to aesthetically demanding results and can be used regardless of the type of glass, especially on glass panes made of soda-lime glass. The present invention is based on the object of providing such an improved glass pane with a reflection-reduced surface and an improved method for its production. The object is achieved according to the invention by a method according to claim 1. The object is also achieved by a glass pane according to the independent claim. Preferred versions and configurations emerge from the subclaims.
Die erfindungsgemäße Glasscheibe und das das erfindungsgemäße Verfahren zu ihrer Herstellung werden im Folgenden gemeinsam vorgestellt, wobei sich Erläuterungen und bevorzugte Ausgestaltungen gleichermaßen auf Glasscheibe und Verfahren beziehen. Sind bevorzugte Merkmale im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben, so ergibt sich daraus, dass auch die Glasscheibe bevorzugt entsprechend ausgebildet ist. Sind umgekehrt bevorzugte Merkmale im Zusammenhang mit der Glasscheibe beschrieben, so ergibt sich daraus, dass auch das Verfahren bevorzugt entsprechend durchgeführt wird. The glass pane according to the invention and the method according to the invention for producing it are presented together below, with explanations and preferred embodiments relating equally to the glass pane and the method. If preferred features are described in connection with the method, it follows that the glass pane is also preferably designed accordingly. Conversely, if preferred features are described in connection with the glass pane, it follows that the method is also preferably carried out accordingly.
Gemäß einer Vermutung der Erfinder hängen die mangelhaften Ergebnisse der Oberflächenstrukturierung an Glasscheiben aus Kalk-Natron-Glas mit deren chemischen Zusammensetzung zusammen. Im Gegensatz zu Quarzglas, welches aus reinem Siliziumoxid besteht, sind bei Kalk-Natron-Glas und anderen Gebrauchsgläsern signifikante Mineralbeimengungen vorhanden, insbesondere Natrium- und Kalziumoxid. Die chemische Zusammensetzung ist also deutlich weniger homogen, was sich insbesondere auf einer Mikro- und Nanometer-Skala zeigt. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Glasscheibe mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid (SiO2) zu versehen und die Laserstrukturierung an dieser Beschichtung durchzuführen statt am Glassubstrat selber. Durch die Beschichtung wird gleichsam eine chemische Homogenisierung der Substratoberfläche erreicht. Anders ausgedrückt stellt die Beschichtung ein chemisch homogenes Material bereit, an welchem die Laserstrukturierung mit hoher Qualität durchgeführt werden kann, während das chemisch inhomogenere Glassubstrat von der Laserbearbeitung nicht betroffen ist. Die SiO2-Beschichtung ist einfacher und kostengünstiger aufzubringen als beispielsweise antireflektierende Beschichtungen aus mehreren Dünnschicht-Lagen mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Aufgrund der chemischen Ähnlichkeit zum Substrat ist die SiO2-Beschichtung zudem in hohem Maße stabil gegen mechanische Einflüsse. Sie wirkt als eine Art Schutzschicht für das Substrat. Das sind große Vorteile der vorliegenden Erfindung. According to the inventors' assumption, the poor results of surface structuring on glass panes made of soda-lime glass are related to their chemical composition. In contrast to quartz glass, which consists of pure silicon oxide, soda-lime glass and other utility glasses contain significant mineral admixtures, especially sodium and calcium oxide. The chemical composition is therefore significantly less homogeneous, which is particularly evident on a micro- and nanometer scale. The invention is based on the idea of providing the glass pane with a coating of silicon oxide (SiO2) and carrying out the laser structuring on this coating instead of on the glass substrate itself. The coating achieves a chemical homogenization of the substrate surface. In other words, the coating provides a chemically homogeneous material on which laser structuring can be carried out with high quality, while the chemically inhomogeneous glass substrate is not affected by laser processing. The SiO2 coating is easier and more cost-effective to apply than, for example, anti-reflective coatings made of several thin-film layers with different refractive indices. Due to the chemical similarity to the substrate, the SiO2 coating is also highly stable against mechanical influences. It acts as a kind of protective layer for the substrate. These are major advantages of the present invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche umfasst eine Abfolge von Verfahrensschritten, wobei
(a) ein Substrat aus Glas bereitgestellt wird, The method according to the invention for producing a glass pane with a reflection-reduced surface comprises a sequence of process steps, wherein (a) a substrate made of glass is provided,
(b) eine Oberfläche des Substrats mit einer Beschichtung auf Basis von SiÜ2 versehen wird und (b) a surface of the substrate is provided with a coating based on SiO2 and
(c) anschließend zumindest ein Bereich der vom Substrat abgewandten Oberfläche der Beschichtung strukturiert wird, indem mittels der Strahlung eines Lasers Erhebungen erzeugt werden. (c) then at least a region of the surface of the coating facing away from the substrate is structured by producing elevations using the radiation of a laser.
Die Strahlung des Lasers ist erfindungsgemäß zirkular polarisiert. Der Laser wird gepulst betrieben mit Pulslängen im Femtosekunden- oder Nanosekundenbereich. According to the invention, the radiation from the laser is circularly polarized. The laser is operated in a pulsed manner with pulse lengths in the femtosecond or nanosecond range.
Die erfindungsgemäße Glasscheibe ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Die erfindungsgemäße Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche umfasst also mindestens ein Substrat aus Glas und eine Beschichtung auf Basis von SiÜ2 auf einer Oberfläche des Substrats, wobei zumindest ein Bereich der vom Substrat abgewandten Oberfläche der Beschichtung durch Erhebungen strukturiert ist. Die Erhebungen sind mittels der zirkular polarisierten Strahlung eines gepulsten Lasers mit Pulslängen im Femtosekunden- oder Nanosekundenbereich in die Beschichtung eingebracht. Die Polarisation der Laserstrahlung äußert sich bei der Glasscheibe insbesondere in der Form der Erhebungen, die Pulslänge in der Oberflächenstruktur, insbesondere die Menge an aufgeschmolzenem Material. The glass pane according to the invention can be produced using the method according to the invention. The glass pane according to the invention with a reflection-reduced surface therefore comprises at least one substrate made of glass and a coating based on SiÜ2 on a surface of the substrate, with at least a region of the surface of the coating facing away from the substrate being structured by elevations. The elevations are introduced into the coating using the circularly polarized radiation of a pulsed laser with pulse lengths in the femtosecond or nanosecond range. The polarization of the laser radiation is expressed in the glass pane in particular in the shape of the elevations, the pulse length in the surface structure, and in particular the amount of melted material.
Die reflexionsverminderte Oberfläche kann auch als antireflektierende Oberfläche bezeichnet werden, die erfindungsgemäß bearbeitete Beschichtung als Antireflexionsbeschichtung. Die Beschichtung führt dabei dazu, dass die Reflexion der beschichteten Oberfläche zumindest in einem Teil des sichtbaren Spektralbereichs von 380 nm bis 780 nm, insbesondere im gesamten sichtbaren Spektral be re ich von 380 nm bis 780 nm, herabgesetzt ist im Vergleich zu einer Oberfläche eines gleichartigen Substrats mit einer gleichartigen Beschichtung auf Basis von SiÜ2, welche nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturiert ist. The reflection-reduced surface can also be referred to as an anti-reflective surface, and the coating processed according to the invention as an anti-reflection coating. The coating means that the reflection of the coated surface is reduced at least in part of the visible spectral range from 380 nm to 780 nm, in particular in the entire visible spectral range from 380 nm to 780 nm, compared to a surface of the same type Substrate with a similar coating based on SiÜ2, which is not structured using the method according to the invention.
Das Substrat ist in einer bevorzugten Ausgestaltung aus Kalk-Natron-Glas gefertigt beziehungsweise besteht aus Kalk-Natron-Glas ist. Kalk-Natron-Glas ist die meist verbreitete Glassorte („Normalglas“), wird insbesondere als Fensterglas verwendet. Daher bieten Glassubstrate aus Kalk-Natron-Glas eine hohe Anzahl möglicher Anwendungen. Auch wenn die Erfindung im Zusammenhang mit Kalk-Natron-Glas gemacht wurde, ist sie aber nicht auf solche Glassubstrate beschränkt. Sie ist vielmehr auch auf andere Glassorten anwendbar,
insbesondere andere Glassorten mit Mineralbeimengungen wie Borsilikatglas oder Aluminosilikatglas. Selbst aus Substraten aus reinem Quarzglas sind Anwendungen denkbar. In a preferred embodiment, the substrate is made of soda-lime glass or consists of soda-lime glass. Soda-lime glass is the most common type of glass (“normal glass”) and is particularly used as window glass. Therefore, glass substrates made from soda lime glass offer a large number of possible applications. Even if the invention was made in connection with soda-lime glass, it is not limited to such glass substrates. Rather, it can also be used on other types of glass, in particular other types of glass with mineral additions such as borosilicate glass or aluminosilicate glass. Applications are even conceivable using substrates made of pure quartz glass.
Das Substrat ist bevorzugt ein plattenartiger Gegenstand, wie er als Fensterscheibe oder Deckscheibe von elektrischen und elektronischen Anwendungen gebräuchlich ist. Das Substrat kann plan sein (beispielsweise im Falle von Fensterscheiben von Gebäuden oder Fahrzeugen wie Zügen, Bussen oder landwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen) oder gebogen (beispielsweise im Falle von Fensterscheiben von Fahrzeugen wie Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen). The substrate is preferably a plate-like object, such as is used as a window pane or cover pane in electrical and electronic applications. The substrate can be flat (for example in the case of window panes of buildings or vehicles such as trains, buses or agricultural vehicles) or curved (for example in the case of window panes of vehicles such as cars or trucks).
Die Dicke des Substrats kann den Erfordernissen des konkreten Anwendungsfalls entsprechend frei gewählt werden. Üblich sind Dicken im Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, bevorzugt von 1 mm bis 5 mm, insbesondere im Falle von Fensterscheiben und Deckscheiben. The thickness of the substrate can be chosen freely according to the requirements of the specific application. Thicknesses in the range from 0.5 mm to 10 mm, preferably from 1 mm to 5 mm, are common, particularly in the case of window panes and cover panes.
Das Substrat weist typischerweise zwei Hauptflächen auf, welche zur Durchsicht durch das Substrat vorgesehen sind, und eine dazwischen verlaufende Seitenkantenfläche. Eine der Hauptflächen wird mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen. Die Beschichtung ist erfindungsgemäß auf Basis von SiÜ2 ausgebildet. Damit ist gemeint, dass die Beschichtung mehrheitlich aus Siliziumoxid besteht, insbesondere im Wesentlichen aus Siliziumoxid neben etwaigen Verunreinigungen oder Dotierungen. Der Anteil an Siliziumoxid beträgt bevorzugt mehr als 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mehr als 90 Gew.-%. The substrate typically has two main surfaces intended to be seen through the substrate and a side edge surface extending therebetween. One of the main surfaces is provided with the coating according to the invention. According to the invention, the coating is based on SiÜ2. This means that the coating consists predominantly of silicon oxide, in particular essentially of silicon oxide in addition to any impurities or dopants. The proportion of silicon oxide is preferably more than 80% by weight, particularly preferably more than 90% by weight.
Das Siliziumoxid kann stöchiometrisch, überstöchiometrisch oder unterstöchiometrisch in Bezug auf den Sauerstoffanteil abgeschieden sein. Auch wenn der Einfachheit halber im Rahmen der vorliegenden Erfindung Siliziumoxid mit der stöchiometrischen Summenformel SiÜ2 abgekürzt wird, ist damit keine Aussage über die Stöchiometrie verbunden. Das Siliziumoxid kann von der Stöchiometrie der Summenformeln SiÜ2 abweichen, das daher auch als SiOx bezeichnet werden könnte, wobei x bevorzugt im Bereich von 1 ,5 bis 2,5 liegt. Bevorzugt ist aber die stöchiometrische Abscheidung (x=2). The silicon oxide can be deposited stoichiometrically, superstoichiometrically or substoichiometrically with respect to the oxygen content. Even if, for the sake of simplicity, silicon oxide is abbreviated with the stoichiometric molecular formula SiÜ2 in the context of the present invention, this does not provide any information about the stoichiometry. The silicon oxide can deviate from the stoichiometry of the empirical formula SiÜ2, which could therefore also be referred to as SiO x , where x is preferably in the range from 1.5 to 2.5. However, stoichiometric deposition (x=2) is preferred.
Die Beschichtung auf Basis von SiÜ2 (auch SiO2-Beschichtung genannt) ist insbesondere eine einzelne Dünnschicht. Bevorzugt ist diese Schicht direkt auf der Substratoberfläche abgeschieden, es sind also keine weiteren Schichten zwischen Substrat und SiO2- Beschichtung vorhanden. Es können aber optional weitere Schichten auf der SiO2-
Beschichtung aufgebracht werden, beispielsweise um die Glasscheibe mit weiteren Funktionen zu versehen. The coating based on SiO2 (also called SiO2 coating) is in particular a single thin layer. This layer is preferably deposited directly on the substrate surface, so there are no further layers between the substrate and the SiO2 coating. However, additional layers can optionally be added to the SiO2 layer. Coating can be applied, for example to provide the glass pane with additional functions.
Die SiC>2-Beschichtung sollte ausreichend dick ausgebildet sein, so dass die erfindungsgemäße Strukturierung in ihr ausgebildet werden kann. Gute Ergebnisse werden insbesondere dann erreicht, wenn die Beschichtung eine Dicke von mindestens 30 nm aufweist, bevorzugt mindestens 50 nm. Andererseits sollte die Beschichtung nicht zu dick ausgebildet werden, weil dann insbesondere die Produktionskosten erheblich steigen, ohne dass eine bessere reflexionsmindernde Wirkung erzielt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Beschichtung eine Dicke von höchstens 500 nm, bevorzugt höchstens 200 nm, besonders bevorzugt höchstens 150 nm auf. Die Dicke liegt beispielsweise im Bereich von 50 nm bis 200 nm. The SiC>2 coating should be sufficiently thick so that the structuring according to the invention can be formed in it. Good results are achieved in particular when the coating has a thickness of at least 30 nm, preferably at least 50 nm. On the other hand, the coating should not be made too thick, because then the production costs in particular increase significantly without a better reflection-reducing effect being achieved. In an advantageous embodiment, the coating has a thickness of at most 500 nm, preferably at most 200 nm, particularly preferably at most 150 nm. The thickness is, for example, in the range from 50 nm to 200 nm.
Die SiO2-Beschichtung kann Dotierungen aufweisen, bevorzugt Bor, Aluminium, Titan, Zirkonium oder Hafnium. Auch eine Dotierung mit Stickstoff ist möglich. The SiO2 coating can have dopings, preferably boron, aluminum, titanium, zirconium or hafnium. Doping with nitrogen is also possible.
Der Brechungsindex der Beschichtung beträgt bevorzugt kleiner oder gleich 1,60, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 ,55, ganz besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1,50, beispielsweise von 1 ,40 bis 1,50 oder von 1,45 bis 1,50. Damit werden besonders gute reflexionsmindernde Eigenschaften erreicht. Dies liegt auch darin begründet, dass die der Brechungsindex der Beschichtung dann demjenigen des Glassubstrats sehr ähnlich ist (beispielsweise Kalk-Natron-Glas: 1 ,47). Der Brechungsindex wird dabei bei einer Wellenlänge von 550 nm gemessen. Der Brechungsindex ist grundsätzlich unabhängig von der Messmethode und kann beispielsweise mittels Ellipsometrie bestimmt werden. Ellipsometer sind kommerziell erhältlich, beispielsweise von der Firma Sentech. The refractive index of the coating is preferably less than or equal to 1.60, particularly preferably less than or equal to 1.55, most preferably less than or equal to 1.50, for example from 1.40 to 1.50 or from 1.45 to 1.50 . This achieves particularly good reflection-reducing properties. This is also due to the fact that the refractive index of the coating is then very similar to that of the glass substrate (for example soda lime glass: 1.47). The refractive index is measured at a wavelength of 550 nm. The refractive index is fundamentally independent of the measurement method and can be determined, for example, using ellipsometry. Ellipsometers are commercially available, for example from Sentech.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die Beschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf dem Substrat abgeschieden. Besonders bevorzugt ist dabei die Kathodenzerstäubung („Sputtern“), insbesondere die magnetfeldunterstütze Kathodenzerstäubung („Magnetronsputtern“), und die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD, plasma enhanced chemical vapour deposition) sowie die chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD, atmospheric pressure chemical vapour deposition). Diese Verfahren sind industriell weit verbreitet, sind vergleichsweise kostengünstig und ermöglichen eine Beschichtung in hoher mechanischer und optischer
Qualität. Aber auch andere Dünnschichttechnologien sind grundsätzlich anwendbar, beispielsweise Aufdampfen oder Atomlagenabscheidung (ALD). In an advantageous embodiment, the coating is deposited on the substrate by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD). Cathode sputtering (“sputtering”), in particular magnetic field-assisted cathode sputtering (“magnetron sputtering”), and plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) as well as chemical vapor deposition at atmospheric pressure (APCVD, atmospheric pressure chemical vapor deposition) are particularly preferred ). These processes are widely used industrially, are comparatively inexpensive and enable coatings with high mechanical and optical properties Quality. But other thin-film technologies can also be used in principle, such as vapor deposition or atomic layer deposition (ALD).
Die Beschichtung wird bevorzugt vollflächig auf der Substratoberfläche aufgebracht, so dass die gesamte besagte Hauptfläche des Substrats mit der Beschichtung versehen ist. Es ist grundsätzlich jedoch auch möglich, nur einen Bereich der Oberfläche zu beschichten, wenn beispielsweise nur ein Teil der Glasscheibe mit den reflexionsverminderten Eigenschaften versehen werden soll. The coating is preferably applied over the entire surface of the substrate surface, so that the entire main surface of the substrate is provided with the coating. In principle, however, it is also possible to coat only one area of the surface, for example if only part of the glass pane is to be provided with the reflection-reduced properties.
Erfindungsgemäß wird zumindest ein Bereich der Beschichtung durch Laserbearbeitung strukturiert. Bevorzugt wird die gesamte Beschichtung strukturiert. Es ist jedoch auch möglich, nur einen Teilbereich der Beschichtung zu strukturieren, während ein weiterer Bereich der Beschichtung nicht mit der Laserbearbeitung behandelt wird. Dies ist beispielsweise dann denkbar, wenn nur ein Teil der Glasscheibe mit den reflexionsverminderten Eigenschaften versehen werden soll, das Substrat aber dennoch vollflächig beschichtet wurde, beispielsweise weil dies einfacher durchzuführen war als nur eine Teilbeschichtung mit aufwändigen Maskierungstechniken. According to the invention, at least one area of the coating is structured by laser processing. The entire coating is preferably structured. However, it is also possible to structure only a partial area of the coating, while another area of the coating is not treated with laser processing. This is conceivable, for example, if only part of the glass pane is to be provided with the reflection-reducing properties, but the substrate was still coated over the entire surface, for example because this was easier to carry out than just partial coating with complex masking techniques.
Die Strukturierung besteht darin, dass die Oberfläche der SiO2-Beschichtung mit den erfindungsgemäßen Erhebungen versehen werden. Diese Erhebungen führen dazu, dass die Reflexion an der betreffenden Oberfläche der Glasscheibe reduziert wird. Der reflexionsmindernde Effekt wird insbesondere dadurch hervorgerufen, dass durch die Erhebungen eine graduelle räumliche Änderung des Brechungsindex hervorgerufen wird. Das Material bleibt aber transparent. Der Spektralbereich, in dem die reflexionsmindernde Wirkung auftritt, hängt insbesondere von den Abmessungen der Erhebungen sowie der Belegungsdichte Oberfläche mit den Erhebungen beziehungsweise der Periodizität der Erhebungen ab. Die Glasscheibe kann so sehr gezielt mit den für den konkreten Anwendungsfall erforderlichen Eigenschaften versehen werden. The structuring consists in providing the surface of the SiO2 coating with the elevations according to the invention. These elevations result in the reflection on the relevant surface of the glass pane being reduced. The reflection-reducing effect is caused in particular by the fact that the elevations cause a gradual spatial change in the refractive index. However, the material remains transparent. The spectral range in which the reflection-reducing effect occurs depends in particular on the dimensions of the elevations and the occupancy density of the surface with the elevations or the periodicity of the elevations. The glass pane can thus be specifically provided with the properties required for the specific application.
Die Laserstrahlung ist erfindungsgemäß zirkular polarisiert, bevorzugt im Wesentlichen rein zirkular polarisiert. Dadurch wird innerhalb der bestrahlten Fläche eine Erhebung ohne Vorzugsrichtung erzeugt, insbesondere eine Erhebung mit einer runden, näherungsweise kreisförmigen Grundfläche. Das hat den Vorteil, dass die erzeugten reflexionsmindernden Eigenschaften anisotrop sind, also nicht vom Betrachtungswinkel abhängig sind.
Die Laserstrahlung wird auf die SiC>2-Beschichtung gerichtet, um diese zu strukturieren. Bevorzugt trifft die Beschichtung über die beschichtete Oberfläche auf die Glasscheibe. Die Laserstrahlung bestrahlt also die Beschichtung, ohne vorher durch das Substrat zu verlaufen. Die Laserstrahlung wird bevorzugt auf die SiO2-Beschichtung fokussiert, insbesondere (zumindest ungefähr) auf ihre vom Substrat abgewandte Oberfläche. Die Fokussierung der Laserstrahlung erfolgt mittels eines fokussierenden optischen Elements, beispielsweise einer Linse oder eines Objektivs. Besonders geeignet sind f-theta-Linsen oder f-theta-Objektive. Diese führen dazu, dass die Foki der Laserstrahlung bei unterschiedlichen Austrittswinkeln in einer Ebene angeordnet sind und ermöglichen eine konstante Bewegungsgeschwindigkeit der Laserstrahlung über die Beschichtung. Die Brennweite des fokussierenden Elements bestimmt die Ausdehnung des Fokus der Laserstrahlung und damit die Ausdehnung der erzeugten Erhebungen. Die Brennweite des fokussierenden optischen Elementes beträgt bevorzugt von 50 cm bis 450 cm, besonders bevorzugt von 55 cm bis 300 cm. In diesem Bereich werden insbesondere Ausdehnungen der Laserfoki erreicht, die zur Ausbildung der Strukturierung vorteilhaft sind. Der Laserfokus auf der Beschichtung kann eine (zumindest näherungsweise) kreisrunde Form aufweisen. Die bestrahlte Fläche kann aber auch anders ausgestaltet werden, beispielsweise mit einem elliptischen Fokus, der senkrecht zur Bewegungsrichtung elongiert ist. Dadurch kann bei einem Durchlauf der Laserstrahlung eine größere Fläche bestrahlt werden. According to the invention, the laser radiation is circularly polarized, preferably essentially purely circularly polarized. This creates an elevation without a preferred direction within the irradiated area, in particular an elevation with a round, approximately circular base area. This has the advantage that the reflection-reducing properties generated are anisotropic, i.e. do not depend on the viewing angle. The laser radiation is directed onto the SiC>2 coating in order to structure it. The coating preferably hits the glass pane via the coated surface. The laser radiation therefore irradiates the coating without first passing through the substrate. The laser radiation is preferably focused on the SiO2 coating, in particular (at least approximately) on its surface facing away from the substrate. The laser radiation is focused using a focusing optical element, for example a lens or an objective. F-theta lenses or f-theta lenses are particularly suitable. These result in the foci of the laser radiation being arranged in one plane at different exit angles and enable a constant speed of movement of the laser radiation over the coating. The focal length of the focusing element determines the extent of the focus of the laser radiation and thus the extent of the elevations generated. The focal length of the focusing optical element is preferably from 50 cm to 450 cm, particularly preferably from 55 cm to 300 cm. In this area, in particular, expansions of the laser foci are achieved, which are advantageous for forming the structuring. The laser focus on the coating can have an (at least approximately) circular shape. However, the irradiated surface can also be designed differently, for example with an elliptical focus that is elongated perpendicular to the direction of movement. This means that a larger area can be irradiated in one pass of the laser radiation.
Zwischen dem Laser und dem fokussierenden optischen Element kann die Strahlung des Lasers durch zumindest einen Lichtwellenleiter, beispielsweise eine Glasfaser geleitet werden. Es können auch weitere optische Elemente im Strahlengang des Lasers angeordnet sein, beispielsweise Kollimatoren, Blenden, Filter oder Elemente zur Frequenzverdopplung. Between the laser and the focusing optical element, the radiation from the laser can be guided through at least one optical waveguide, for example a glass fiber. Additional optical elements can also be arranged in the beam path of the laser, for example collimators, diaphragms, filters or elements for frequency doubling.
Die Strukturierung der SiO2-Beschichtung wird durch eine Bewegung der Laserstrahlung relativ zum beschichteten Substrat erzeugt. In einer vorteilhaften Ausführung ist das Substrat dabei ortsfest (beispielsweise auf einem Halter oder einer Unterlage angeordnet) und die Laserstrahlung wird über die Beschichtung bewegt. Die Bewegung der Laserstrahlung erfolgt bevorzugt durch zumindest einen Spiegel, der mit einem bewegbaren Bauteil verbunden ist. Durch das bewegbare Bauteil kann der Spiegel in zwei Richtungen, bevorzugt zwei zueinander orthogonalen Richtungen, besonders bevorzugt horizontal und vertikal, verkippt werden. Die Bewegung der Laserstrahlung kann auch durch mehrere mit jeweils einem bewegbaren Bauteil verbundene Spiegel erfolgen. Beispielsweise kann die Bewegung der Laserstrahlung durch zwei Spiegel erfolgen, wobei ein Spiegel in horizontaler Richtung und
der andere Spiegel in vertikaler Richtung verkippt werden kann. Zur Bewegung der Laserstrahlung können übliche Laserscan-Systeme verwendet werden, beispielsweise motorisierte x-y(-z)-Scanner oder Galvanometer-Scanner. Die Laserstrahlung wird insbesondere rasterartig in Form von aufeinanderfolgenden Zeilen über die Beschichtung bewegt. The structuring of the SiO2 coating is created by moving the laser radiation relative to the coated substrate. In an advantageous embodiment, the substrate is stationary (for example arranged on a holder or a base) and the laser radiation is moved over the coating. The movement of the laser radiation is preferably carried out by at least one mirror which is connected to a movable component. The movable component allows the mirror to be tilted in two directions, preferably two mutually orthogonal directions, particularly preferably horizontally and vertically. The laser radiation can also be moved by several mirrors each connected to a movable component. For example, the movement of the laser radiation can take place through two mirrors, one mirror in the horizontal direction and the other mirror can be tilted vertically. Conventional laser scanning systems can be used to move the laser radiation, for example motorized xy(-z) scanners or galvanometer scanners. The laser radiation is moved over the coating in particular in a grid-like manner in the form of successive lines.
Die Relativbewegung von Laserstrahlung und Substrat kann grundsätzlich aber auch auf andere Art und Weise realisiert werden. So kann die Bewegung der Laserstrahlung alternativ durch eine Bewegung des fokussierenden Elements und des Lasers oder durch eine Bewegung des fokussierenden Elements und eines Lichtwellenleiters über das ortsfeste Substrat erfolgen. Alternativ kann die Laserstrahlung ortsfest sein und das Substrat bewegt werden. The relative movement of laser radiation and substrate can in principle also be realized in other ways. The movement of the laser radiation can alternatively take place by moving the focusing element and the laser or by moving the focusing element and an optical waveguide over the stationary substrate. Alternatively, the laser radiation can be stationary and the substrate can be moved.
Die Laserstrahlung wird bevorzugt mehrfach über die Beschichtung bewegt. Das hat den Vorteil das die zum Erzeugen der Erhebungen nötige Energie verteilt auf mehrere Durchgänge sukzessive an den entsprechenden Stellen eingebracht wird und nicht konzentriert bei einem einzigen Durchgang. Die Gefahr, das Substrat und/oder die Beschichtung zu beschädigen, wird dadurch reduziert. Die bestrahlten Stellen werden sukzessive erwärmt und angeschmolzen, wobei sich der angeschmolzene Bereich der Beschichtung nach jeder Bestrahlung wieder verfestigt. Die Erhebungen werden schrittweise aufgebaut, wobei sie bei jedem Durchgang der Laserbestrahlung eine größere Höhe erreichen. The laser radiation is preferably moved several times over the coating. This has the advantage that the energy required to create the elevations is distributed successively at the appropriate points over several passes and not concentrated in a single pass. This reduces the risk of damaging the substrate and/or the coating. The irradiated areas are successively heated and melted, with the melted area of the coating solidifying again after each irradiation. The elevations are built up gradually, reaching a greater height with each pass of laser irradiation.
Es ist alternativ aber auch möglich, die Laserstrahlung nur einmal über die Beschichtung zu bewegen. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Laserstrahlung sollte dann geringer gewählt werden als bei einem mehrfachen Bewegen der Laserstrahlung über die Beschichtung, um die Erhebungen in einem einzigen Durchgang aufzubauen. Bei einer langsamen Bearbeitung kann es auch verstärkt zu einer teilweisen Ablation der Beschichtung kommen, was die Oberflächenstrukturierung noch weiter verstärkt und gewünscht sein kann. Alternatively, it is also possible to move the laser radiation over the coating only once. The speed of movement of the laser radiation should then be chosen to be lower than when moving the laser radiation multiple times over the coating in order to build up the elevations in a single pass. With slow processing, partial ablation of the coating can also occur, which further increases the surface structuring and may be desirable.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die Laserstrahlung kontinuierlich über die Beschichtung bewegt. Aufeinanderfolgende Laserpulse treffen infolge der kontinuierlichen Bewegung auf unterschiedliche Stellen auf der Beschichtung, deren Abstand von der Pulsfolgefrequenz (Wiederholfrequenz) des Lasers sowie von der Bewegungsgeschwindigkeit der Laserstrahlung abhängt. Pulsfolgefrequenz und Bewegungsgeschwindigkeit können dabei
derart aufeinander abgestimmt werden, dass die bestrahlten Flächen aufeinanderfolgender Pulse überlappen oder vollständig voneinander getrennt sind. Das Überlappen kann bevorzugt sein, um eine stärkere lokale Erwärmung zu erreichen. In an advantageous embodiment, the laser radiation is moved continuously over the coating. As a result of the continuous movement, successive laser pulses hit different points on the coating, the distance between which depends on the pulse repetition frequency (repetition frequency) of the laser and the speed of movement of the laser radiation. Pulse repetition frequency and movement speed can be coordinated with one another in such a way that the irradiated areas of successive pulses overlap or are completely separated from one another. Overlapping may be preferred to achieve greater local heating.
Die Strahlung des Lasers wird bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von 500 mm/s bis 10000 mm/s, besonders bevorzugt von 1000 mm/s bis 8000 mm/s. Damit werden besonders gute Ergebnisse erzielt, insbesondere mit den nachstehend beschriebenen bevorzugten Bereichen für die Wiederholfrequenz der Pulse. The laser radiation is preferably at a speed of 500 mm/s to 10,000 mm/s, particularly preferably 1,000 mm/s to 8,000 mm/s. This achieves particularly good results, especially with the preferred ranges for the repetition frequency of the pulses described below.
Wenn die Laserstrahlung auf die Beschichtung trifft, werden die erfindungsgemäßen Erhebungen erzeugt. Die erfindungsgemäße Laserstrukturierung kann als eine Art von laserinduzierten periodischen Oberflächenstukturen verstanden werden (LIPSS, laser- induced periodic surface structures), ohne das die Erfindung an eine wissenschaftliche Theorie gebunden ist. Die Ausbildung der LIPSS hängt vermutlich mit einer inhomogenen Energieabsorption einer rauen Oberfläche und dem hydrodynamischen Verhalten des dadurch aufgeschmolzenen Materials während und unmittelbar im Anschluss an die Bestrahlung zusammen. Es ist denkbar, dass die Laserbestrahlung anfangs zur Aufrauhung der SiO2-Oberfläche führt, wovon ausgehend sich dann die Erhebungen als LIPSS bilden. When the laser radiation hits the coating, the elevations according to the invention are generated. The laser structuring according to the invention can be understood as a type of laser-induced periodic surface structures (LIPSS, laser-induced periodic surface structures), without the invention being tied to a scientific theory. The formation of LIPSS is probably related to an inhomogeneous energy absorption of a rough surface and the hydrodynamic behavior of the resulting melted material during and immediately after irradiation. It is conceivable that the laser irradiation initially leads to the roughening of the SiO2 surface, from which the elevations then form as LIPSS.
Die jeweils bestrahlte Fläche wird durch die Laserstrahlung erwärmt, wobei die SiÜ2- Beschichtung lokal an- beziehungsweise aufgeschmolzen wird und sich eine Mehrzahl von lokalen Erhebungen bildet. Durch die mehrfache Bewegung der Laserstrahlung über die Beschichtung werden die einzelnen Stellen sukzessive erwärmt und angeschmolzen, wobei sich der angeschmolzene Bereich der Beschichtung nach jeder Bestrahlung wieder verfestigt. Die Erhebungen werden dabei schrittweise aufgebaut, wobei sie bei jedem Durchgang der Laserbestrahlung eine größere Höhe erreichen. Die Oberflächenstrukturierung durch LIPSS führt insbesondere zu Erhebungen, deren Abmessungen (Ausdehnung der Grundfläche) deutlich kleiner sind als die Ausdehnung des Laserfokus auf der Beschichtung. Wenn der Laserfokus auf einen Bereich trifft, wird in diesem Bereich daher eine Mehrzahl von Erhebungen simultan erzeugt. Neben der LIPSS können partielle Ablationsprozesse auftreten, insbesondere bei langsamer Verfahrensführung, was ebenfalls zur Oberflächenstrukturierung beiträgt. The irradiated surface is heated by the laser radiation, whereby the SiO2 coating is locally melted or melted and a plurality of local elevations are formed. By moving the laser radiation multiple times over the coating, the individual areas are successively heated and melted, with the melted area of the coating solidifying again after each irradiation. The elevations are built up step by step, reaching a greater height with each pass of laser irradiation. The surface structuring using LIPSS leads in particular to elevations whose dimensions (extent of the base area) are significantly smaller than the extent of the laser focus on the coating. Therefore, when the laser focus hits an area, a plurality of bumps are created simultaneously in this area. In addition to LIPSS, partial ablation processes can occur, especially when the procedure is carried out slowly, which also contributes to surface structuring.
In einer alternativen Ausführung wird die Laserstrahlung nicht kontinuierlich, sondern schrittweise über die Beschichtung bewegt, wobei der Laserfokus an jeder Einstrahlposition
eine Weile verweilt, bevor er zur nächsten Einstrahlposition bewegt wird. Die Laserstrahlung wird schrittweise von einer Einstrahlposition zur nächsten bewegt. Jede Einstrahlposition wird mit mehreren Laserpulsen bestrahlt. Die Einstrahlpositionen können in Abhängigkeit von der Ausdehnung des Laserfokus auf der Beschichtung derart gewählt werden, dass sich die bestrahlte Fläche benachbarter Einstrahlpositionen überlappt. Auch bei dieser Ausführung wird die Laserstrahlung bevorzugt mehrfach über die Beschichtung bewegt, so dass bei jedem Durchgang eine vergleichsweise geringe Anzahl von Laserpulsen (beispielsweise zwei bis fünf Laserpulsen) auf jede Einstrahlposition trifft. So können die einzelnen Bereiche der Beschichtung sukzessive erwärmt und angeschmolzen werden, wobei sich der angeschmolzene Bereich der Beschichtung nach jeder Bestrahlung wieder verfestigt. Die Erhebungen werden schrittweise aufgebaut, wobei sie bei jedem Durchgang der Laserbestrahlung eine größere Höhe erreichen. Dadurch wird das Risiko verringert, dass das Substrat und/oder die Beschichtung infolge einer zu hohen Einstrahlung beschädigt wird. In an alternative embodiment, the laser radiation is not moved continuously, but stepwise over the coating, with the laser focus at each irradiation position remains for a while before it is moved to the next irradiation position. The laser radiation is moved step by step from one irradiation position to the next. Each irradiation position is irradiated with several laser pulses. The irradiation positions can be selected depending on the extent of the laser focus on the coating in such a way that the irradiated surface of adjacent irradiation positions overlaps. In this embodiment, too, the laser radiation is preferably moved several times over the coating, so that a comparatively small number of laser pulses (for example two to five laser pulses) hit each irradiation position with each pass. In this way, the individual areas of the coating can be successively heated and melted, with the melted area of the coating solidifying again after each irradiation. The elevations are built up gradually, reaching a greater height with each pass of laser irradiation. This reduces the risk that the substrate and/or the coating will be damaged as a result of excessive radiation.
Die Erhebungen sind zweidimensional über den strukturierten Bereich der SiC>2-Beschichtung (beziehungsweise über die gesamte SiC>2-Beschichtung, falls die gesamte Beschichtung mit der Laserstrahlung strukturiert wird) verteilt. Die Erhebungen können regelmäßig oder näherungsweise regelmäßig verteilt sein. So können besonders homogenen reflexionsmindernde Eigenschaften erreicht werden. Bei regelmäßig verteilten Erhebungen sind der Abstand benachbarter Erhebungen im Wesentlichen konstant, die Flächenbelegung ortsunabhängig. Es ist aber auch eine unregelmäßige Verteilung der Erhebungen möglich. The elevations are distributed two-dimensionally over the structured area of the SiC>2 coating (or over the entire SiC>2 coating if the entire coating is structured with the laser radiation). The surveys can be distributed regularly or approximately regularly. In this way, particularly homogeneous reflection-reducing properties can be achieved. With regularly distributed surveys, the distance between neighboring surveys is essentially constant and the area occupancy is independent of location. However, an irregular distribution of surveys is also possible.
Die Grundfläche ist infolge der zirkularen Polarisation der Laserstrahlung typischerweise abgerundet, insbesondere (zumindest näherungsweise) kreisförmig oder elliptisch. Die Erhebungen verjüngen sich nach oben, also in der vom Substrat wegweisenden Richtung. Die Erhebungen können insbesondere zumindest näherungsweise als Kugelsegment oder Segment eines Rotationsellipsoids beschrieben werden. Due to the circular polarization of the laser radiation, the base area is typically rounded, in particular (at least approximately) circular or elliptical. The elevations taper upwards, i.e. in the direction away from the substrate. The elevations can in particular be described at least approximately as a spherical segment or segment of an ellipsoid of revolution.
Die Erhebungen weisen insbesondere eine Ausdehnung im Nanometerbereich auf, als größer oder gleich 1 nm und kleiner als 1 pm. Mit Ausdehnung sind dabei die Höhe sowie die längste Dimension der Grundfläche gemeint. Die Ausdehnung der Erhebungen beträgt besonders bevorzugt von 1 nm bis 1000 nm, ganz besonders bevorzugt von 20 nm bis 500 nm, insbesondere von 50 nm bis 200 nm. Die Ausdehnung der Erhebungen wird insbesondere durch die Größe des Laserfokus auf der Beschichtung bestimmt. Auch die Abstände
benachbarter Erhebungen liegen bevorzugt im Nanometerbereich, besonders bevorzugt in den vorstehend genannten Bereichen für die Ausdehnung. The elevations in particular have an extent in the nanometer range, being greater than or equal to 1 nm and less than 1 pm. By extension we mean the height and the longest dimension of the base area. The extent of the elevations is particularly preferably from 1 nm to 1000 nm, very particularly preferably from 20 nm to 500 nm, in particular from 50 nm to 200 nm. The extent of the elevations is determined in particular by the size of the laser focus on the coating. Also the distances neighboring elevations are preferably in the nanometer range, particularly preferably in the above-mentioned ranges for expansion.
Eine solche Struktur aus Erhebungen im Nanometerbereich werden durch das erfindungsgemäße Verfahren mit der Laserbearbeitung erzeugt. Die erfindungsgemäße Glasscheibe kann daher auch charakterisiert werden als eine Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche, mindestens umfassend: ein Substrat aus Glas und eine Beschichtung auf Basis von Siliziumoxid (SiÜ2) auf einer Oberfläche des Substrats, wobei zumindest ein Bereich der vom Substrat abgewandten Oberfläche der Beschichtung durch Erhebungen strukturiert ist, welche zweidimensional über den besagten Bereich verteilt sind und eine Ausdehnung sowie gegenseitige Abstände im Nanometerbereich aufweisen. Such a structure consisting of elevations in the nanometer range is produced by the method according to the invention using laser processing. The glass pane according to the invention can therefore also be characterized as a glass pane with a reflection-reduced surface, comprising at least: a substrate made of glass and a coating based on silicon oxide (SiO2) on a surface of the substrate, at least a region of the surface of the coating facing away from the substrate is structured by elevations which are distributed two-dimensionally over the said area and have an extent and mutual distances in the nanometer range.
Die Pulslänge des Lasers liegt erfindungsgemäß im Femtosekunden- oder Nanosekundenbereich. Die Pulslänge beträgt bevorzugt höchstens 15 ps, besonders bevorzugt von 400 fs bis 15 ps, ganz besonders bevorzugt von 800 fs bis 10 ps. Damit werden besonders gute Ergebnisse erreicht, insbesondere hinsichtlich eines effizienten Erwärmens und Anschmelzens der SiO2-Beschichtung und einer effizienten Bildung der Erhebungen. Die Wiederholfrequenz der Laserpulse beträgt bevorzugt von 1 kHz bis 1 MHz, bevorzugt von 400 kHz bis 1 MHz. According to the invention, the pulse length of the laser is in the femtosecond or nanosecond range. The pulse length is preferably at most 15 ps, particularly preferably from 400 fs to 15 ps, very particularly preferably from 800 fs to 10 ps. This achieves particularly good results, especially with regard to efficient heating and melting of the SiO2 coating and efficient formation of the elevations. The repetition frequency of the laser pulses is preferably from 1 kHz to 1 MHz, preferably from 400 kHz to 1 MHz.
Es kann grundsätzlich Laserstrahlung im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im IR- Bereich des elektromagnetischen Spektrums verwendet werden. Die Wellenlänge der Laserstrahlung beträgt bevorzugt von 200 nm bis 1100 nm beträgt, besonders bevorzugt von 300 nm bis 1100 nm. Damit werden besonders gute Ergebnisse erreicht. Es können bevorzugt Festkörperlaser verwendet werden (beispielsweise Nd:YAG-Laser oder Yb:YAG-Laser), welche bei Bedarf frequenzverdoppelt, frequenzverdreifacht oder zweifach frequenzverdoppelt werden können. Solche Laser sind industriell weit verbreitet, relativ kostengünstig und effizient. Alternativ können aber auch beispielsweise Diodenlaser, Excimerlaser, Gaslaser oder Farbstofflaser verwendet werden. In principle, laser radiation in the UV range, in the visible range or in the IR range of the electromagnetic spectrum can be used. The wavelength of the laser radiation is preferably from 200 nm to 1100 nm, particularly preferably from 300 nm to 1100 nm. Particularly good results are achieved in this way. Solid-state lasers can preferably be used (for example Nd:YAG laser or Yb:YAG laser), which can be frequency-doubled, frequency-tripled or frequency-doubled twice if necessary. Such lasers are widely used industrially, relatively inexpensive and efficient. Alternatively, diode lasers, excimer lasers, gas lasers or dye lasers can also be used.
Die Einstrahlung der Laserstrahlung auf der Beschichtung beträgt bevorzugt von 1 J/cm2 bis 5 J/cm2, besonders bevorzugt von 1 ,47 J/cm2 bis 3,8 J/cm2. Die Einstrahlung kann auch als Bestrahlung bezeichnet werden. Sie ist die zeitlich integrierte Bestrahlungsstärke und gibt die
einfallende Strahlungsenergie der Laserstrahlung pro Fläche an. Es kann vorteilhaft sein, die Einstrahlung kleiner als, aber nahe der Ablationsgrenze zu wählen, bei der eine Laserablation der SiC>2-Beschichtung einsetzt. Es wird dann vorteilhaft viel Energie zur Erwärmung der Beschichtung eingebracht und die Ausbildung der Erhebungen ist effizient, ohne dass die Beschichtung durch die Laserstrahlung beschädigt wird. The irradiation of the laser radiation on the coating is preferably from 1 J/cm 2 to 5 J/cm 2 , particularly preferably from 1.47 J/cm 2 to 3.8 J/cm 2 . The radiation can also be referred to as irradiation. It is the time-integrated irradiance and gives the incident radiation energy of the laser radiation per area. It can be advantageous to choose the irradiation smaller than, but close to, the ablation limit at which laser ablation of the SiC>2 coating begins. A large amount of energy is then advantageously introduced to heat the coating and the formation of the elevations is efficient without the coating being damaged by the laser radiation.
Die Ausgangsleistung des Lasers beträgt bevorzugt von 20 W bis 50 W. The output power of the laser is preferably from 20 W to 50 W.
Durch die Parameter der Laserstrahlung können die Größe und die Periodizität beziehungsweise Belegungsdichte der Erhebungen beeinflusst werden. Dabei spielt insbesondere die Wellenlänge eine entscheidende Rolle. The size and periodicity or occupancy density of the surveys can be influenced by the parameters of the laser radiation. The wavelength in particular plays a crucial role.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird nach dem Laserstrukturieren der SiC>2- Beschichtung eine weitere Beschichtung auf der SiC>2-Beschichtung aufgebracht beziehungsweise abgeschieden. Durch die weitere Beschichtung kann die Glasscheibe mit zusätzlichen Funktionen versehen werden. In einer bevorzugten Ausführung ist die weitere Beschichtung eine hydrophile oder hydrophobe Beschichtung, um die Glasscheibe zusätzlich mit hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften zu versehen. Solche Beschichtungen können beispielsweise aus fluorpolymeren oder silikonpolymeren Schichten ausgebildet werden. In an advantageous development of the invention, after laser structuring of the SiC>2 coating, a further coating is applied or deposited on the SiC>2 coating. Additional coating allows the glass pane to be given additional functions. In a preferred embodiment, the further coating is a hydrophilic or hydrophobic coating in order to additionally provide the glass pane with hydrophilic or hydrophobic properties. Such coatings can be formed, for example, from fluoropolymer or silicone polymer layers.
Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung einer erfindungsgemäßen Glasscheibe als Fensterscheibe von Fahrzeugen, Gebäuden oder Innenräumen (oder als Bestandteil davon, beispielsweise als Bestandteil einer Verbundscheibe oder einer Isolierverglasung), als Deckscheibe von elektrischen oder elektronischen Geräten (beispielsweise als Deckscheibe von Solarzellen), oder als Bestandteil von Möbeln und Einrichtungsgegenständen.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein. Es zeigen: The invention also includes the use of a glass pane according to the invention as a window pane of vehicles, buildings or interiors (or as a component thereof, for example as a component of a composite pane or insulating glazing), as a cover pane for electrical or electronic devices (for example as a cover pane for solar cells), or as Part of furniture and furnishings. The invention is explained in more detail using a drawing and exemplary embodiments. The drawing is a schematic representation and not to scale. The drawing does not limit the invention in any way. Show it:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche, 1 shows a cross section through an embodiment of a glass pane according to the invention with a surface with reduced reflection,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Abschnitts Z aus Figur 1 , 2 is an enlarged view of section Z from FIG. 1,
Fig. 3 Querschnitt durch die Glasscheibe aus Figur 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten ihrer Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Fig. 3 Cross section through the glass pane from Figure 1 at different times of its production using the method according to the invention.
Figur 1 und Figur 2 zeigen je ein Detail einer erfindungsgemäßen Glasscheibe. Die Glasscheibe umfasst ein Substrat 1 aus Kalk-Natron-Glas mit einer Dicke von beispielsweise etwa 3 mm. Auf einer Oberfläche des Substrats 1 ist vollflächig eine Beschichtung 2 aus SiÜ2 aufgebracht, welche beispielsweise mit Aluminium dotiert sein kann. Figure 1 and Figure 2 each show a detail of a glass pane according to the invention. The glass pane comprises a substrate 1 made of soda-lime glass with a thickness of, for example, approximately 3 mm. A coating 2 made of SiO2, which can be doped with aluminum, for example, is applied over the entire surface of the substrate 1.
Die vom Substrat 1 abgewandte Oberfläche der Beschichtung 2 ist nicht plan, sondern weist eine Struktur auf. Die Struktur ist durch eine Vielzahl von Erhebungen 5 ausgebildet, welche durch Laserstrahlung in die Beschichtung 2 eingebracht worden sind. Die im Ausgangszustand plane Oberfläche der Beschichtung 2 ist also durch die Laserstrahlung strukturiert worden. The surface of the coating 2 facing away from the substrate 1 is not flat, but has a structure. The structure is formed by a large number of elevations 5, which have been introduced into the coating 2 by laser radiation. The surface of the coating 2, which is flat in the initial state, has been structured by the laser radiation.
Die Erhebungen 5 sind im Wesentlichen regelmäßig und zweidimensional über die Oberfläche der Beschichtung 2 verteilt. Sie weisen eine näherungsweise kreisförmige Grundfläche auf, auf der sie kuppelartig ausgebildet sind. Die Erhebungen 5 weisen näherungsweise die Form eines Segments eines prolaten Rotationsellisoids auf, insbesondere eines Halb- Rotationsellipsoids. Zwischen den Erhebungen 5 in der Schnittlinie (schraffiert) sind in Figur 2 die Erhebungen 5 der dahinterliegenden Reihe zu erkennen (nicht schraffiert). The elevations 5 are distributed essentially regularly and two-dimensionally over the surface of the coating 2. They have an approximately circular base area on which they are dome-shaped. The elevations 5 approximately have the shape of a segment of a prolate ellisoid of revolution, in particular a half-ellipsoid of revolution. Between the elevations 5 in the cutting line (hatched), the elevations 5 of the row behind them can be seen in FIG. 2 (not hatched).
Die Erhebungen weisen beispielsweise einen Durchmesser von etwa 125 nm auf (bezogen auf die Grundfläche) und eine Höhe von etwa 100 nm. Der Abstand zwischen benachbarten Erhebungen 5 beträgt beispielsweise etwa 125 nm.
Durch die Strukturierung in Form der Erhebungen 5 wird die Oberfläche der Glasscheibe mit reflexionsmindernden Eigenschaften versehen. Prinzipiell kann eine solche Strukturierung auch direkt in der Substratoberfläche ausgebildet werden, wie in US2021138577A1 gelehrt. Im Falle von Substraten 1 aus Glassorten mit mineralischen Zusätzen, wie Kalk-Natron-Glas, führt dies aber nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Die Erfinder führen die Beobachtung auf die chemische Inhomogenität des Glases zurück. Die Beschichtung 2 sorgt gleichsam für eine chemische Homogenisierung der Oberfläche, welche nun im Wesentlichen aus SiÜ2 besteht, abgesehen von Verunreinigungen und etwaigen Dotierungen. Die chemisch vergleichsweise homogene Beschichtung 2 kann in höherer optischer Qualität mit den Erhebungen 5 versehen werden. The elevations have, for example, a diameter of approximately 125 nm (based on the base area) and a height of approximately 100 nm. The distance between adjacent elevations 5 is, for example, approximately 125 nm. The structuring in the form of the elevations 5 provides the surface of the glass pane with reflection-reducing properties. In principle, such a structuring can also be formed directly in the substrate surface, as taught in US2021138577A1. In the case of substrates 1 made of types of glass with mineral additives, such as soda-lime glass, this does not lead to satisfactory results. The inventors attribute the observation to the chemical inhomogeneity of the glass. The coating 2 ensures a chemical homogenization of the surface, which now essentially consists of SiO2, apart from impurities and any dopants. The chemically comparatively homogeneous coating 2 can be provided with the elevations 5 in a higher optical quality.
Figur 3 zeigt Querschnitte durch die Glasscheibe während ihrer erfindungsgemäßen Herstellung. Zunächst wird das Substrat 1 bereitgestellt (Figur 3a). Anschließend wird eine Oberfläche des Substrats 1 mit der Beschichtung 2 versehen (Figur 3b), beispielsweise durch magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäubung („Magnetron-Sputtern“). Die Beschichtung 2 ist dann plan auf der Oberfläche abgeschieden. Figure 3 shows cross sections through the glass pane during its production according to the invention. First, the substrate 1 is provided (Figure 3a). A surface of the substrate 1 is then provided with the coating 2 (FIG. 3b), for example by magnetic field-assisted cathode sputtering (“magnetron sputtering”). The coating 2 is then deposited flat on the surface.
Anschließend wird die Beschichtung 2 mittels Laserbearbeitung strukturiert (Figur 3c), wobei die Erhebungen 5 ausgebildet werden. Die Strahlung 4 eines Lasers 3 wird mittels beispielsweise einer f-theta-Linse als fokussierendes Element 6 auf die Beschichtung 2 fokussiert. Die Strahlung 4 ist rein zirkular polarisiert und weist eine Wellenlänge von beispielsweise 355 nm auf. Der Laser 3 ist ein „frequenzverdreifachter“ Nd:YAG-Laser (Summenfrequenzmischung der Fundamentalstrahlung mit der frequenzverdoppelten Strahlung; dritte Harmonische). Der Laser 3 wird gepulst bestrieben mit einer Pulslänge von 10 ps und einer Wiederholfrequenz von 400 kHz. Mittels eines beweglichen Spiegels 7 kann die Strahlung 1 über die Beschichtung 2 bewegt werden. Der Einfachheit halber ist nur ein Spiegel 7 dargestellt, um das Prinzip zu verdeutlichen. In der Realität kommen typischerweise übliche Laserscan-Systeme zum Einsatz, die über eine größere Anzahl beweglicher Spiegel verfügen. Die Strahlung 4 wird nun mehrfach rasterartig und kontinuierlich über die Beschichtung 2 bewegt. Die Beschichtung 2 wird dadurch bereichsweise sukzessive erwärmt und aufgeschmolzen und verfestigen sich wieder bis zum nächsten Durchgang. Dadurch wird nach und nach die Erhebungen 5 ausgebildet, insbesondere als laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS). Die Erhebungen 5 wachsen mit jedem Durchgang.
Bezugszeichenliste: The coating 2 is then structured using laser processing (FIG. 3c), with the elevations 5 being formed. The radiation 4 from a laser 3 is focused onto the coating 2 using, for example, an f-theta lens as a focusing element 6. The radiation 4 is purely circularly polarized and has a wavelength of, for example, 355 nm. Laser 3 is a “frequency-tripled” Nd:YAG laser (sum frequency mixing of the fundamental radiation with the frequency-doubled radiation; third harmonic). The laser 3 is operated in pulsed mode with a pulse length of 10 ps and a repetition frequency of 400 kHz. The radiation 1 can be moved over the coating 2 by means of a movable mirror 7. For the sake of simplicity, only one mirror 7 is shown to clarify the principle. In reality, conventional laser scanning systems are typically used that have a larger number of movable mirrors. The radiation 4 is now moved repeatedly over the coating 2 in a grid-like manner and continuously. The coating 2 is thereby successively heated and melted in areas and solidifies again until the next pass. As a result, the elevations 5 are gradually formed, in particular as laser-induced periodic surface structures (LIPSS). The elevations 5 grow with each pass. List of reference symbols:
(1) Substrat aus Glas (1) Glass substrate
(2) Beschichtung auf Basis von SiC>2 (3) Laser (2) Coating based on SiC>2 (3) Laser
(4) Strahlung des Lasers 4 (4) Radiation from laser 4
(5) Erhebung (5) Survey
(6) fokussierendes Element (6) focusing element
(7) verkippbarer Spiegel (7) tiltable mirror
Z vergrößerter Bereich
Z enlarged area
Claims
Patentansprüche Verfahren zur Herstellung einer Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche, wobei Claims Method for producing a glass pane with a reflection-reduced surface, wherein
(a) ein Substrat (1) aus Glas bereitgestellt wird, (a) a substrate (1) made of glass is provided,
(b) eine Oberfläche des Substrats (1) mit einer Beschichtung (2) auf Basis von Siliziumoxid (SiÜ2) versehen wird und (b) a surface of the substrate (1) is provided with a coating (2) based on silicon oxide (SiÜ2) and
(c) zumindest ein Bereich der vom Substrat (1) abgewandten Oberfläche der Beschichtung (2) strukturiert wird, indem mittels der Strahlung (4) eines Lasers (3) Erhebungen (5) erzeugt werden, wobei die Strahlung (4) zirkular polarisiert ist und der Laser (3) gepulst betrieben wird mit Pulslängen im Femtosekunden- oder Nanosekundenbereich. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Erhebungen (5) zweidimensional über den besagten Bereich verteilt sind und eine Ausdehnung sowie gegenseitige Abstände im Nanometerbereich aufweisen, bevorzugt von 20 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt von 50 nm bis 200 nm. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (1) aus Kalk-Natron-Glas gefertigt ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung (2) eine Dicke von 30 nm bis 500 nm, bevorzugt von 50 nm bis 200 nm aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Beschichtung (2) einen Brechungsindex von kleiner oder gleich 1 ,60 aufweist, bevorzugt kleiner oder gleich 1 ,55, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 ,50. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beschichtung (2) durch magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäubung, durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung oder durch chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck auf dem Substrat (1) abgeschieden wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strahlung (4) in Verfahrensschritt (c) über die Beschichtung (2) bewegt wird, bevorzugt mehrfach.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Strahlung (4) kontinuierlich über die Beschichtung (2) bewegt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pulslänge des Lasers (3) höchstens 15 ps beträgt, bevorzugt von 400 fs bis 15 ps, besonders bevorzugt von 800 fs bis 10 ps. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Wellenlänge der Strahlung (4) von 200 nm bis 1100 nm beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Laser (3) gepulst betrieben mit einer Wiederholfrequenz von 1 kHz bis 1 MHz. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die Einstrahlung der Strahlung (4) auf der Beschichtung (2) von 1 J/cm2 bis 5 J/cm2 beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei nach Verfahrensschritt (c) eine hydrophile oder hydrophobe Beschichtung auf der Beschichtung (2) abgeschieden wird. Glasscheibe mit einer reflexionsverminderten Oberfläche, insbesondere hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mindestens umfassend: (c) at least a region of the surface of the coating (2) facing away from the substrate (1) is structured by generating elevations (5) using the radiation (4) of a laser (3), the radiation (4) being circularly polarized and the laser (3) is operated in a pulsed manner with pulse lengths in the femtosecond or nanosecond range. Method according to claim 1, wherein the elevations (5) are distributed two-dimensionally over said area and have an extent and mutual distances in the nanometer range, preferably from 20 nm to 500 nm, particularly preferably from 50 nm to 200 nm. Method according to claim 1 or 2, wherein the substrate (1) is made of soda-lime glass. Method according to one of claims 1 to 3, wherein the coating (2) has a thickness of 30 nm to 500 nm, preferably 50 nm to 200 nm. Method according to one of claims 1 to 4, wherein the coating (2) has a refractive index of less than or equal to 1.60, preferably less than or equal to 1.55, particularly preferably less than or equal to 1.50. Method according to one of claims 1 to 5, wherein the coating (2) is deposited on the substrate (1) by magnetic field-assisted cathode sputtering, by plasma-assisted chemical vapor deposition or by chemical vapor deposition at atmospheric pressure. Method according to one of claims 1 to 6, wherein the radiation (4) is moved over the coating (2) in method step (c), preferably several times. Method according to claim 7, wherein the radiation (4) is moved continuously over the coating (2). Method according to one of claims 1 to 8, wherein the pulse length of the laser (3) is at most 15 ps, preferably from 400 fs to 15 ps, particularly preferably from 800 fs to 10 ps. Method according to one of claims 1 to 9, wherein the wavelength of the radiation (4) is from 200 nm to 1100 nm. Method according to one of claims 1 to 10, wherein the laser (3) is operated in a pulsed manner with a repetition frequency of 1 kHz to 1 MHz. Method according to one of claims 1 to 11, wherein the irradiation of the radiation (4) on the coating (2) is from 1 J/cm 2 to 5 J/cm 2 . Method according to one of claims 1 to 12, wherein after method step (c) a hydrophilic or hydrophobic coating is deposited on the coating (2). Glass pane with a reflection-reduced surface, in particular produced using the method according to one of claims 1 to 13, at least comprising:
- ein Substrat (1) aus Glas und - a substrate (1) made of glass and
- eine Beschichtung (2) auf Basis von Siliziumoxid (SiÜ2) auf einer Oberfläche des Substrats (1), wobei zumindest ein Bereich der vom Substrat (1) abgewandten Oberfläche der Beschichtung (2) durch Erhebungen (5) strukturiert ist, welche zweidimensional über den besagten Bereich verteilt sind und eine Ausdehnung sowie gegenseitige Abstände im Nanometerbereich aufweisen. Verwendung einer Glasscheibe nach Anspruch 14 als Fensterscheibe von Fahrzeugen, Gebäuden oder Innenräumen, als Deckscheibe von elektrischen oder elektronischen Geräten oder als Bestandteil von Möbeln und Einrichtungsgegenständen.
- a coating (2) based on silicon oxide (SiÜ2) on a surface of the substrate (1), at least a region of the surface of the coating (2) facing away from the substrate (1) being structured by elevations (5) which are two-dimensional are distributed over the said area and have an extent and mutual distances in the nanometer range. Use of a glass pane according to claim 14 as a window pane of vehicles, buildings or interiors, as a cover pane for electrical or electronic devices or as a component of furniture and furnishings.
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