Область изобретения
Настоящее изобретение относится к защитным слоям, наносимым на оптические покрытия, находящиеся на прозрачных подложках. В частности, настоящее изобретение относится к использованию временного углеродного защитного слоя. Кроме того, настоящее изобретение относится к препятствующему распространению трещин (ПРТ) слою, нанесенному на наружный слой различных оптических покрытий.
Обсуждение предшествующего уровня техники
Оптические покрытия наносят на прозрачные подложки для отражения или иного изменения части или всего излучения, падающего на подложку. Например, оптическое покрытие зеркала предназначено для отражения видимого света. Оптические покрытия с низкой излучательной способностью предназначены для ослабления пропускания инфракрасного излучения. Оптические покрытия обычно включают два или большее количество разных слоев, каждый из которых обладает толщиной в диапазоне от менее 1 до более 500 нм.
Оптические покрытия часто повреждаются во время транспортировки и обращения с ними вследствие царапания и воздействия корродирующих сред. В частности, после выведения на рынок декоративных окон несколько десятилетий тому назад покрытия с низкой излучательной способностью на основе серебра подвергались коррозии. Попытки увеличения долговечности оптических покрытий включали нанесение временного защитного слоя, такого как пластмассовая пленка с клеющим слоем. Другие защитные слои формировали путем нанесения на стекло и отверждения полимеров на основе растворителей.
Однако применение клеящихся пленок и полимерных пленок в качестве защитных слоев на оптических покрытиях сопряжено с целым рядом затруднений. Для нанесения клеящихся пленок и полимерных пленок на оптические покрытия необходимо дорогостоящее специализированное оборудование. При отделении клеящейся пленки от оптического покрытия клеящаяся пленка увеличивает опасность того, что будут удалены участки оптического покрытия. Даже если участки оптического покрытия не удаляются, сила, действующая на оптическое покрытие при удалении клеящейся пленки, может повредить оптическое покрытие. Полимерную пленку на основе растворителя, нанесенную на оптическое покрытие, необходимо высушить и удалить растворитель, не оказывая вредного воздействия на окружающую среду. Удаление полимерной пленки с оптического покрытия требует специальной промывки, которая легко может повредить оптическое покрытие.
Для защиты от коррозии в большинстве применяющихся в настоящее время многослойных покрытий с низкой излучательной способностью на основе серебра используются барьерные или наружные слои, находящиеся в непосредственном соприкосновении со слоями серебра и расположенные с одной или обеих сторон от слоев серебра. В данной области техники хорошо известно, что различные тонкие пленочные слои могут выступать в качестве барьеров для перемещения корродирующих жидкостей, таких как пары воды, и кислорода. Известно, что слои металлов являются особенно эффективными барьерами для диффузии, что обусловлено их способностью физически и химически подавлять диффузию корродирующих жидкостей. Слои металлов склонны являться более эффективными физическими барьерами для диффузии, чем диэлектрические слои, такие как оксиды, поскольку и нанесенные из газовой фазы, и напыленные слои металлов склонны содержать меньше точечных микродефектов, чем слои оксидов. Слои металлов также склонны химически блокировать диффузию путем реакции с диффундирующими через точечные микродефекты жидкостями, в результате чего останавливается перемещение всех химически связанных молекул жидкости. В свою очередь, связанные молекулы жидкости ограничивают прохождение других молекул жидкости через точечные микродефекты. Для химического блокирования особенно эффективными являются более активные металлы.
Закалка значительно уменьшает вызванные коррозией проблемы, связанные с покрытием с низкой излучательной способностью на основе серебра. Закалка приводит к переходу структуры на атомном уровне в состояние с более низкой энергией и делает серебро намного менее склонным к коррозии. Закалка также повышает твердость и сопротивление оптических покрытий к царапанию.
Однако до закалки оптических покрытий покрытия остаются особенно восприимчивыми к повреждению путем царапания и коррозии. Даже после закалки оптические покрытия не защищены от царапания и коррозии.
Царапины на оптическом покрытии часто не становятся видимыми до того, как покрытие будет нагрето и подвергнуто закалке, что вызывает рост и распространение царапин.
В качестве защитного покрытия на стеклянных подложках используют углерод. Например, в патенте США №6303226 раскрыто использование защитного слоя из аморфного алмазоподобного углерода (АПУ) на стеклянной подложке.
Имеется потребность в улучшенных способах и слоях для защиты оптических покрытий.
Краткое содержание изобретения
Настоящее изобретение относится к способу получения прозрачного изделия с уменьшенным количеством царапин и других поверхностных дефектов. Прозрачное изделие включает оптическое покрытие на прозрачной подложке. В соответствии с настоящим изобретением на оптическом покрытии формируется защитное покрытие, которое увеличивает долговечность и стойкость оптического покрытия к царапанию, в особенности во время получения.
Защитное покрытие может включать слой, состоящий по существу из углерода. Углеродный защитный слой формируется на оптическом покрытии до закалки. Во время транспортировки не подвергнутого закалке оптического покрытия и обращения с ним углеродный слой служит в качестве обладающего низким трением защитного слоя, предохраняющего от царапания. Нагрев и закалка оптического покрытия и/или прозрачной подложки в атмосфере, реакционноспособной по отношению к углероду, приводит к расходованию углеродного защитного слоя, что исключает образование каких-либо царапин или других поверхностных дефектов углерода. Углеродный защитный слой превращается в углеродсодержащий газ, а под ним остается в основном не содержащее царапин оптическое покрытие.
Защитное покрытие также может включать тонкий защитный слой материала, препятствующего распространению трещин (ПРТ). Материал ПРТ подавляет распространение трещин в хрупком, стеклообразном наружном слое различных оптических покрытий во время закалки. Материалы ПРТ, такие как Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W и их оксиды и нитриды, пригодны для использования на наружном слое нитрида кремния (например, Si3N4). Слой ПРТ можно сформировать путем осаждения на наружном слое оптического покрытия барьерного для диффузии слоя, содержащего, по меньшей мере, один металл, субоксид металла или субнитрид металла Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та или W с последующим введением барьерного для диффузии слоя в реакцию с кислородсодержащей атмосферой, такой как воздух, с образованием металлооксидного слоя ПРТ, включающего, по меньшей мере, одно из следующих соединений: ТiO2, SiO2, ZnO, SnO2, In2O3, ZrO2, Al2O3, Cr2O3, Nb2O5, МоО3, НfО2, Та2О5 и WO3. Слой ПРТ можно использовать с углеродным защитным слоем на слое ПРТ или без него.
Применение временного углеродного защитного слоя при получении прозрачного изделия, обладающего оптическим покрытием, значительно уменьшает количество и размер царапин, образованных в оптическим покрытии во время получения. Поскольку углеродный слой удаляется во время закалки, он не влияет на оптические характеристики оптического покрытия. Хотя слой ПРТ не удаляется во время закалки и может оказывать влияние на оптические характеристики оптического покрытия, все же вследствие предотвращения распространения царапин слой ПРТ особенно полезен для защиты хрупкого, стеклообразного наружного слоя оптического покрытия от образования видимых царапин. Слой металла, субоксида металла или субнитрида металла особенно полезен для обеспечения защиты от коррозии перед закалкой и с помощью закалки в атмосфере, содержащей кислород, он может быть превращен в слой ПРТ оксида металла, который по существу прозрачен для видимого света.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны с помощью приведенных ниже чертежей.
На ФИГ.1А-1С показаны осаждение углеродного защитного слоя на оптическом покрытии, находящемся на стеклянной подложке, и последующее удаление углеродного защитного слоя.
На ФИГ.2 показана стеклянная подложка, покрытая оптическим покрытием, слоем, препятствующим распространению трещин, и углеродным защитным слоем.
На ФИГ.3 показано распространение трещины через слой Si3N4.
На ФИГ.4А-4С показаны осаждение металлического слоя на оптическом покрытии, находящемся на стеклянной подложке, и последующее превращение металлического слоя в металлооксидный слой, препятствующий распространению трещин.
На ФИГ.5 сопоставлены процарапанные стеклянные подложки, обладающие одинаковым оптическим покрытием, но обладающие и не обладающие углеродным защитным слоем.
На ФИГ.6 сопоставлены процарапанные стеклянные подложки, обладающие одинаковым оптическим покрытием, но обладающие и не обладающие углеродным защитным слоем.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Настоящее изобретение относится к защитному покрытию на оптическом покрытии, осажденном на прозрачную подложку, предназначенному для предотвращения образования царапин на оптическом покрытии и коррозии оптического покрытия.
Прозрачная подложка может являться пластмассой или стеклом. Предпочтительно, чтобы прозрачная подложка являлась стеклом, которое можно подвергнуть закалке путем нагревания и резкого охлаждения.
В вариантах осуществления защитное покрытие включает углеродный защитный слой. Углерод является классическим материалом с низким трением. Даже если абразивный материал первоначально царапает углерод, абразивный материал часто покрывается углеродом. Последующий контакт между покрытым углеродом абразивным материалом и углеродом характеризуется одним из самых низких коэффициентов трения, µстатический=µкинетический = от 0,1 до 0,2. Таким образом, покрытый углеродом абразивный материал склонен соскальзывать с углерода и более не повреждать углерод. Углерод также инертен во многих корродирующих средах и обладает высокой стойкостью к воздействию щелочей и большинства кислот. Таким образом, углеродный слой на оптическом покрытии может защищать оптическое покрытие от царапин и корродирующего воздействия окружающей среды во время обращения с ним.
На ФИГ.1А-1С проиллюстрирован вариант осуществления настоящего изобретения, в котором на оптическом покрытии сформирован временный углеродный слой для защиты оптического покрытия от царапин и корродирующего воздействия окружающей среды во время изготовления. На ФИГ.1А показана стеклянная подложка 1, покрытая оптическим покрытием 2. На ФИГ.1В показано, что для защиты оптического покрытия от царапин и корродирующего воздействия окружающей среды во время транспортировки и обращения с ним на оптическое покрытие 2 нанесен углеродный защитный слой 3. На ФИГ.1С показано, что после закалки оптического покрытия 2 и/или стеклянной подложки 1 при повышенных температурах в атмосфере, реакционноспособной по отношению к углероду, углеродный защитный слой 3 превращается в углеродсодержащий газ и удаляются все царапины и другие дефекты, которые имелись в углеродном защитном слое 3.
Углеродный защитный слой представляет собой слой, по существу состоящий из углерода. Выражение "по существу состоящий из", не исключая неизбежных примесей, исключает другие произвольные элементы и соединения, которые могли бы остаться в виде твердого остатка после того, как углерод полностью прореагировал с реакционноспособной атмосферой с образованием углеродсодержащего газа. В вариантах осуществления углеродный слой состоит из углерода и неизбежных примесей.
Углеродный слой можно осадить на оптическое покрытие с помощью способа газофазного осаждения. Методики и способы газофазного осаждения углерода хорошо известны в данной области техники. Подходящий способ газофазного осаждения включает способы превращения в пар и плазменного осаждения, такие как плазменное химическое газофазное осаждение, внедрение ионов и распыление. Распыление может осуществляться с помощью постоянного тока и высокочастотного излучения. Для формирования углеродного слоя в способе плазменного осаждения можно использовать инертный газ, такой как Аr, с небольшими количествами дополнительных газов, таких как водород и азот, или без них. Наличие от 1 до 10% азота в инертном газе способствует осаждению графитообразного углерода. Азот, содержащийся в инертном газе, можно использовать для легирования углерода азотом.
Углеродный слой может включать одну или большее количество фаз углерода, такую как графитовую, алмазную и аморфную углеродную фазы. Углеродный слой также может включать алмазоподобный углерод. В графите углерод образует sp2 связи. В алмазе углерод образует sp3 связи. Аморфный углерод обычно включает и sp2, и sp3 связи, но не обладает дальним порядком. Алмазоподобный углерод также включает и sp2, и sp3 связи и обладает твердостью, сходной с твердостью алмаза.
Углеродный слой может обладать толщиной, равной от 1 до 10 нм. Углеродный слой толщиной менее 1 нм не обеспечивает надлежащего сопротивления царапанию. Углеродный слой толщиной более 10 нм становится трудно полностью удалить в атмосфере, реакционноспособной по отношению к углероду.
Реакционноспособная атмосфера, использующаяся для превращения углеродного защитного слоя в углеродсодержащий газ, может включать различные газы, для которых в данной области техники известно, что они реакционноспособны по отношению к углероду. Например, реакционноспособная атмосфера может включать водород, который может превращать углерод в газообразный метан. Галоген, такой как фтор или хлор, можно использовать для образования при повышенных температурах газообразного галогенметана, такого как CF4 или ССl4. Кислород в реакционноспособной атмосфере можно использовать для образования газообразных монооксида углерода и диоксида углерода. Поскольку оптические покрытия и стекла обычно содержат различные оксиды, которые инертны в атмосфере кислорода, атмосфера, реакционноспособная по отношению к углероду, предпочтительно содержит кислород. Поскольку воздух, который содержит О2, является недорогостоящим и легко доступным, более предпочтительной реакционноспособной атмосферой является воздух.
Закалка является процессом, который включает нагрев материала до повышенных температур и последующее резкое охлаждение. Известно, что закалка значительно увеличивает прочность и ударную вязкость стекла и оптических покрытий на стекле. Стекло можно подвергнуть закалке путем нагревания до температуры в диапазоне от 400 до 650°С с последующим резким охлаждением до комнатной температуры. Оптические покрытия, включающие слои Аg, можно подвергнуть закалке путем нагревания до температуры ниже 960°С, температуры плавления Аg, с последующим резким охлаждением до комнатной температуры. Например, обладающее низкой излучательной способностью оптическое покрытие, включающее слой Аg, можно подвергнуть закалке путем нагревания при температуре, равной примерно 730°С, в течение нескольких минут, с последующим резким охлаждением. Стеклянные и оптические покрытия предпочтительно подвергать закалке при температуре, равной не менее 400°С. В вариантах осуществления настоящего изобретения и стеклянное, и оптическое покрытие подвергают закалке в печи, находящейся при повышенной температуре. В других вариантах осуществления, чтобы не нагревать всю массу стекла, закалке подвергают только оптическое покрытие. Например, вместо нагревания в печи оптическое покрытие можно нагревать с помощью пламени или лампы высокой интенсивности до температуры, достаточной и для закалки оптического покрытия, и для выжигания углеродного защитного слоя.
Таким образом, закалка оптического покрытия, покрытого углеродным защитным слоем, в атмосфере, реакционноспособной по отношению к углероду, может привести к тому, что углерод образует углеродсодержащий газ и удалится с поверхности оптического покрытия. Вместе с углеродным слоем исчезнут царапины, находящиеся на углеродном слое. Предпочтительно, чтобы закалка в реакционноспособной атмосфере привела к удалению всего углеродного защитного слоя с оптической поверхности.
Углеродный защитный слой может защитить оптическое покрытие от царапин, образующихся во время получения покрытия, например во время транспортировки и обращения с ним. Кроме того, углеродный защитный слой может защитить оптическое покрытие от воздействия корродирующих окружающих сред, которые могут образоваться, когда оптическое покрытие с углеродным защитным слоем хранится на воздухе в течение одних или большего количества суток или промывается. Предпочтительно, чтобы количество царапин, имеющихся на оптическом покрытии сразу же после удаления углеродного защитного слоя, составляло не более 110% от количества царапин, имевшихся на оптическом покрытии непосредственно перед осаждением углерода на оптическом покрытии.
В вариантах осуществления настоящего изобретения между углеродным защитным слоем и оптическим покрытием можно сформировать слой ПРТ. Предпочтительно, чтобы слой ПРТ обладал равномерным составом и был однородным. Слой ПРТ изготавливается из материала, обладающего способностью во время закалки препятствовать распространению царапин и трещин в наружном слое оптического покрытия. Для разных наружных слоев в слое ПРТ требуются разные материалы. Материал, формирующий слой ПРТ, должен быть менее хрупким и стеклообразным, чем наружный слой оптического покрытия. Предпочтительно, чтобы вязкость разрушения материала ПРТ была больше, чем у наружного слоя.
На ФИГ.2 показан вариант осуществления настоящего изобретения, в котором слой ПРТ 4 расположен между углеродным защитным слоем 3 и наружным слоем Si3N4 2a оптического покрытия 2. И слой ПРТ 4, и углеродный защитный слой 3 обеспечивают защиту от царапания оптического покрытия 2. В частности, слой ПРТ 4 препятствует распространению царапин в углеродном защитном слое 3 как в самом слое, так и в слое Si3N4 2a.
Предпочтительно, чтобы наружный слой нитрида кремния обладал равномерным составом и был однородным.
Предпочтительно, чтобы наружный слой аморфного нитрида кремния (т.е. аморфного Si3N4) находился в оптическом покрытии на стекле, подвергающемся закалке. Аморфный нитрид кремния не должен испытывать фазового перехода при нагревании до температур, необходимых для закалки стекла. Кроме того, плотность аморфного нитрида кремния одинакова до и после закалки, так что закалка не приводит к возникновению напряжений на границе раздела между нитридом кремния и остальной частью оптического покрытия, которые могут привести к отслаиванию.
Аморфный нитрид кремния также предотвращает образование помутнения в оптическом покрытии. Помутнение возникает, когда материалы смешиваются с образованием двухфазной системы, вследствие чего показатель преломления меняется, как функция положения в слое. Поскольку фазовая стабильность нитрида кремния предотвращает смешивание, в оптическом покрытии с наружным слоем нитрида кремния помутнение после закалки незначительно.
Поскольку нитрид кремния остается аморфным, на границах раздела между слоями оптического покрытия перемещение атомов меньше, чем могло бы быть, если бы происходил фазовый переход, что обеспечивает лучшее сохранение первоначальной адгезии между слоями.
Затруднением в случае использования наружного слоя нитрида кремния в оптическом покрытии является то, что ковалентная связь и аморфная структура нитрида кремния приводят к жесткому материалу, в котором характеристики распространения трещин сходны с характеристиками для стекла. Небольшие трещины легко распространяются через жесткие, стеклообразные материалы.
На ФИГ.3 проиллюстрирован возможный механизм, по которому трещины могут распространяться через оптическое покрытие 2, обладающее наружным слоем нитрида кремния. Первоначально небольшие царапины являются мелкими и не обнаруживаются при использовании способов обследования невооруженным глазом, применяющихся на большинстве технологический линий закалки. Это обусловлено тем, что царапины не проникают полностью сквозь наружный нитрид кремния. Однако при нагревании небольшие трещины проникают сквозь нитрид кремния в расположенные под ним слои, например Аg. При воздействии трещины Аg может подвергаться агломерации на своей свободной поверхности. Когда Аg подвергается агломерации, трещина становится видимой и деталь следует забраковать.
В варианте осуществления, представленном на ФИГ.2, количество трещин в закаленных оптических покрытиях с наружными слоями нитрида кремния сведено к минимуму путем проведенного до закалки осаждения слоя ПРТ на нитриде кремния и слоя С на слое ПРТ. Такое же оборудование для распыления можно использовать для осаждения комбинации ПРТ/С и оптического покрытия на стекле.
Как показано выше, углерод образует классическую поверхность с низким трением. Даже если абразивный материал первоначально царапает углерод, абразивный материал часто покрывается углеродом, что приводит к скольжению углерод-по-углероду с чрезвычайно низким трением.
Если абразивный материал прокалывает углеродный защитный слой, то абразивный материал попадает в слой ПРТ. Однако большинство царапин или трещин, созданных абразивным материалом, при закалке не проникает сквозь слой ПРТ. Хотя, в отличие от углеродного защитного слоя, слой ПРТ сохраняется после закалки, большинство царапин на ПРТ не видны невооруженным глазом.
Подходящие материалы для формирования слоя ПРТ включают металлы, такие как Тi, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W; оксиды этих металлов и нитриды этих металлов.
Термин "оксиды" при использовании в настоящем изобретении включает стехиометрические оксиды; пероксиды, содержащие количество кислорода, превышающее стехиометрическое; и субоксиды, содержащие количество кислорода, меньшее стехиометрического. Термин "субоксид металла" при использовании в настоящем изобретении включает металлы, легированные небольшими количествами кислорода, например 0,1-10 атомн.%.
Термин "нитриды" при использовании в настоящем изобретении включает стехиометрические нитриды; пернитриды, содержащие количество азота, превышающее стехиометрическое; и субнитриды, содержащие количество азота, меньшее стехиометрического. Термин "субнитрид металла" при использовании в настоящем изобретении включает металлы, легированные небольшими количествами азота, например 0,1-10 атомн.%.
Подходящие стехиометрические оксиды для формирования слоя ПРТ включают
ТiO2, SiO2, ZnO, SnO2, In2О3, ZrO2, Al2O3, Cr2O3, Nb2O5, MoO3, HfO2, Та2О5, WO3. Подходящие стехиометрические нитриды для формирования слоя ПРТ включают TiN. В частности, TiO2 очень хорошо препятствует царапанию. Слой ПРТ можно сформировать с помощью способов газофазного осаждения, известных в данной области техники.
Слой ПРТ может обладать толщиной от 2 до 8 нм. Если слой ПРТ представляет собой стехиометрический оксид или нитрид, то предпочтительно, чтобы слой ПРТ обладал толщиной от 2 до 8 нм, более предпочтительно - толщиной от 3 до 6 нм. Если слой ПРТ представляет собой металл, то предпочтительно, чтобы слой ПРТ обладал толщиной от 4 до 8 нм, более предпочтительно - толщиной от 4 до 6 нм. Если ПРТ слой стехиометрического оксида или нитрида тоньше, чем 2 нм, или слой ПРТ металла тоньше, чем 4 нм, то материал ПРТ проявляет меньшую склонность препятствовать распространению царапин. Толщина слоя ПРТ, превышающая 8 нм, создает мало преимуществ, поскольку препятствование распространению трещин, обусловленное слоем ПРТ, достигает насыщения при толщине, равной примерно 8 нм, и влияние слоя ПРТ на оптические характеристики оптического покрытия, которое следует принимать во внимание, усиливается при увеличении толщины слоя ПРТ. Однако, как показано ниже, металлы, субоксиды металлов и субнитриды металлов можно использовать в качестве барьерных для диффузии слоев при толщине, превышающей 2 нм, и после окисления во время закалки они могут образовать металлооксидные слои ПРТ, которые могут быть по существу невидимыми.
Как показано выше, в вариантах осуществления слой ПРТ можно скомбинировать с углеродным защитным слоем, расположенным на слое ПРТ. В других вариантах осуществления слой ПРТ может образовать только защитный слой на оптическом покрытии. Слой ПРТ может способствовать предотвращению царапания и распространению царапин при обращении даже при отсутствии углеродного защитного слоя.
В вариантах осуществления настоящего изобретения слой ПРТ можно сформировать путем окисления барьерного для диффузии слоя, использующегося для обеспечения защиты оптического покрытия от коррозии до закалки. Барьерный для диффузии слой представляет собой металл, субоксид металла или субнитрид металла, включающий элемент-металл, выбранный из группы, включающей Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W. Барьерный для диффузии слой осаждается на наружном слое оптического покрытия до закалки оптического покрытия. Закалка оптического покрытия в атмосфере, содержащей кислород, превращает барьерный для диффузии слой в металлооксидный слой ПРТ. Предпочтительно, чтобы барьерный для диффузии слой содержал Ti, Zr или Al, которые при нагревании в воздухе можно превратить в слои ПРТ оксидов металлов ТiO2, ZrO2 или Аl2О3 соответственно. Предпочтительно, чтобы металлооксидный слой содержал примерно 80% или менее кислорода, содержащегося в наиболее полно окисленном стехиометрическом оксиде металла. Пленки из субоксидов металлов, осажденные при степени окисления, составляющей 80% или менее от полного окисления, склонны образовывать лучшие барьеры для диффузии, чем пленки, осажденные путем реакции при степени окисления, составляющей 80% или более от полного окисления.
Как показано выше, известно, что металлические слои являются особенно эффективными барьерами для диффузионного перемещения корродирующих жидкостей. В качестве барьеров для диффузии субоксиды металлов и субнитриды металлов действуют аналогично металлам. Субоксиды металлов и субнитриды металлов склонны образовывать плотные слои при распылении или газофазном осаждении и химически подавляют диффузию кислорода и паров воды в большей степени, чем соответствующие полностью окисленные металлы.
Субоксиды металлов и субнитриды металлов можно сформировать способами газофазного осаждения, известными в данной области техники. Например, субоксиды металлов и субнитриды металлов можно сформировать путем газофазного осаждения металла в атмосфере, содержащей контролируемое количество кислорода и азота.
Субоксиды металлов и субнитриды металлов склонны оптически поглощать и ослаблять пропускание видимого света оптическим покрытием, пока они не будут нагреты и не прореагируют с образованием полностью окисленного состояния.
Связь между азотом и металлом в субнитриде металла обычно не такая прочная, как связь между кислородом и металлом в субоксиде металла. Нагревание субнитрида металла в атмосфере, содержащей кислород, обычно приведет к превращению субнитрида металла в оксид соответствующего металла или, по меньшей мере, в оксинитрид металла, который по существу является прозрачным.
Барьерный для диффузии слой может обладать толщиной от 4 до 8 нм, предпочтительно - толщиной от 4 до 6 нм. Обычно реакционноспособные металлические слои будут полностью окисляться в воздухе при комнатной температуре, если толщина металла составляет 2 нм или менее. Более толстые металлические слои часто будут окисляться на глубину, равную 2 нм, а остальная часть слоя останется металлической. Процесс окисления можно сделать протекающим на большей глубине, если металл подвергнуть воздействию источника энергии, такого как теплота, или химически более реакционноспособной среды, чем воздух. В вариантах осуществления настоящего изобретения барьерный для диффузии слой осаждается более толстым, чем до толщины, которая обеспечивает полное окисление в воздухе при комнатной температуре. При таком способе слой остается металлическим и до закалки выступает в качестве эффективного барьера для коррозии. Для обеспечения обсужденной выше стойкости к царапанию до окисления предпочтительно, чтобы барьерный для диффузии слой осаждался до толщины, равной 4 нм или более. Для обеспечения того, чтобы барьерный для диффузии слой полностью окислялся во время закалки, барьерный для диффузии слой осаждают до толщины, равной 8 нм или менее, предпочтительно - равной 6 нм или менее.
Когда слой металла, субоксида металла или субнитрида металла толщиной от 4 до 6 нм полностью окислен, он склонен оказывать малое влияние на оптические характеристики многослойной оптической структуры. Поскольку оксиды металлов более прозрачны для видимого света, чем металлы, субоксиды металлов и субнитриды металлов, полное окисление барьерного для диффузии слоя приводит к металлооксидному слою ПРТ, который является практически оптически невидимым.
Использование закалки для формирования металлооксидного слоя ПРТ из барьерного для диффузии слоя на способном к закалке обладающем низкой излучательной способностью оптическом покрытии одновременно защищает покрытие от коррозии перед закалкой и исключает многие нежелательные оптические эффекты, связанные с наличием барьерного для диффузии слоя в виде слоя ПРТ на обладающем низкой излучательной способностью оптическом покрытии, после закалки. В других вариантах осуществления углеродный слой можно осадить на барьерный для диффузии слой на способном к закалке обладающем низкой излучательной способностью оптическом покрытии в качестве дополнительной защиты для оптического покрытия. Закалка оптического покрытия путем нагревания в воздухе затем может привести к выжиганию углеродного слоя и превращению барьерного для диффузии слоя в прозрачный металлооксидный слой ПРТ.
На ФИГ.4А-4С проиллюстрированы варианты осуществления настоящего изобретения, в которых металлооксидный слой ПРТ сформирован путем осаждения металлического слоя на оптическом покрытии с последующим введением металла в реакцию в атмосфере, содержащей кислород, с формированием оксида. На ФИГ.4А показана стеклянная подложка 1, снабженная оптическим покрытием 2. На ФИГ.4В показан металлический слой 5, осажденный на оптическом покрытии 2. На ФИГ.4С показано, что после нагревания металлического слоя 5 в атмосфере, содержащей кислород, такой как воздух, металлический слой 5 превращается в металлооксидный препятствующий распространению трещин слой 4.
ПРИМЕРЫ
Приведенные ниже примеры предназначены для дополнительной иллюстрации настоящего изобретения, а не для ограничения области его применения в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.
Пример 1
На ФИГ.5(1)-5(4) приведены полученные на оптическом микроскопе фотографии, показывающие значительное уменьшение количества трещин, которое происходит в соответствии с настоящим изобретением путем осаждения временного углеродного защитного слоя на оптическом покрытии до закалки с последующим удалением углеродного защитного слоя путем закалки в реакционноспособной атмосфере. На каждом образце было одно и то же оптическое покрытие. Оптическое покрытие включало множество слоев Zn, Ag и NiCr и наружный слой Si толщиной 36 нм. Углеродный защитный слой толщиной 1 нм осаждают на оптических покрытиях образцов, показанных на ФИГ.5(1) и 5(2), а на оптических покрытиях образцов, показанных на ФИГ.5(3) и 5(4), его не осаждают. Затем образцы процарапывают при одинаковых условиях с использованием одного и того же продажного шлифовального круга (круга TABER®). На ФИГ.5(1) и 5(2) показаны различные участки защищенных углеродом образцов, типичные для наиболее значительного процарапывания. На ФИГ.5(1) ширина царапины составляла примерно 10-15 нм. На ФИГ.5(1) и 5(3) показаны процарапанные образцы до закалки. На ФИГ.5(2) и 5(4) показаны процарапанные образцы после закалки в воздухе при температуре 730°С в течение 4 мин. Во время закалки в воздухе ширина царапин примерно удваивалась. Углеродный защитный слой, показанный на ФИГ.5(2), выжигают во время закалки совместно с большей частью царапин.
На ФИГ.5 показано, что наличие на оптическом покрытии углеродного защитного слоя до закалки значительно уменьшает количество трещин, появляющихся на оптическом покрытии после закалки в воздухе, когда углеродный слой был выжжен.
Пример 2
На ФИГ.6 показаны 9 образцов (с номерами от 1 до 9) для сопоставления влияния различной толщины углеродного защитного слоя на царапины, остающиеся на оптическом покрытии после закалки. На каждом образце было одно и то же оптическое покрытие. Оптическое покрытие включало множество слоев Zn, Ag и NiCr и наружный слой Si толщиной 36 нм. На образцах осаждены углеродные защитные слои различной толщины, указанной в приведенной ниже таблице 1. На образцах 1-2 углеродный защитный слой отсутствовал.
Образцы процарапывают при таких же условиях с использованием того же продажного шлифовального круга (круга TABER®). Все 9 образцов подвергают закалке в воздухе при температуре 730°С в течение 4 мин. На ФИГ.6 показаны образцы 1-9 после закалки.
Как показано на ФИГ.6, образцы 3-9, которые включали временный углеродный защитный слой, после закалки в воздухе обладали значительно меньшим числом царапин, чем образцы 1-2, которые не включали углеродных защитных слоев. Цвет образцов 3-8 после закалки был таким же, как и цвет образцов 1-2 перед закалкой, что показывает, что на образцах 3-8 углеродный слой был полностью удален. На образце 9 после закалки остались следы углерода.
Пример 3
Отдельные защитные слои из различных материалов ПРТ и углерода осаждены на идентичные оптические покрытия на стекле. Защитные слои процарапывают при таких же условиях с использованием того же продажного шлифовального круга (круга TABER®). В таблице 2 охарактеризована относительная способность отдельных материалов ПРТ и углерода уменьшать повреждение при процарапывании.
В таблице 2 "повреждение (%)" означает приближенное количество царапин на единицу длины перпендикулярно направлению воздействия шлифовального инструмента.
В таблице 2 показано, что слой ПРТ может способствовать предотвращению царапания и распространения царапин при обращении даже при отсутствии углеродного защитного слоя. Совместно слои ПРТ и С могут проявить даже более значительный эффект в предотвращении образования царапин. Толщину каждого слоя ПРТ и С можно менять в соответствии с необходимостью.
Пример 4
Слои Zr различной толщины осаждают на одинаковые оптические покрытия с низкой излучательной способностью на основе серебра, нанесенные на стеклянные подложки. Покрытые Zr оптические покрытия в течение 24 ч подвергают воздействию воздуха при комнатной температуре и относительной влажности, равной 80%. Затем оптические покрытия подвергают закалке в воздухе при 730°С. Обнаружено, что слои Zr, обладающие толщиной, равной 2 и 3 нм, не обеспечивают защиту от коррозии для оптических покрытий с низкой излучательной способностью на основе серебра. В отличие от этого обнаружено, что слои Zr, обладающие толщиной, равной 4 и 8 нм, обеспечивают существенную защиту от коррозии для оптических покрытий с низкой излучательной способностью на основе серебра.
Хотя настоящее изобретение описано с помощью конкретных вариантов осуществления, оно не ограничивается приведенными конкретными деталями, а включает различные изменения и модификации, которые могут предложить сами специалисты в данной области техники, и все они входят в объем настоящего изобретения как определено приведенной ниже формулой изобретения.
Изобретение относится к защитным слоям, наносимым на оптические покрытия, находящиеся на прозрачных подложках. Технической задачей изобретения является повышение долговечности и устойчивости оптического покрытия к царапанию. Оптическое покрытие на прозрачной подложке с временным углеродным слоем предназначено для защиты от царапин и корродирующих сред во время изготовления. Когда оптическое покрытие и/или подложка подвергаются закалке в атмосфере, реакционно-способной по отношению к углероду, такой как воздух, слой углерода удаляется в виде углеродсодержащего газа. Для оптического покрытия с хрупким, стеклообразным наружным слоем самым дальним от подложки, дополнительная защита обеспечивается препятствующим распространению царапин слоем, расположенным между наружным слоем и углеродным слоем. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 ил.
1. Способ защиты оптического покрытия на прозрачном изделии, предусматривающий
формирование на оптическом покрытии, находящемся на подложке, содержащей стекло, защитного покрытия, включающего слой, по существу, состоящий из углерода;
нагревание защитного покрытия в реакционноспособной атмосфере посредством повышения температуры защитного покрытия, по меньшей мере, до 400°С;
взаимодействие слоя, состоящего из углерода, с реакционноспособной
атмосферой с образованием углеродсодержащего газа; и
удаление с оптического покрытия слоя, по существу, состоящего из углерода, с получением прозрачного изделия.
2. Способ по п.1, в котором формирование предусматривает газофазное осаждение защитного покрытия.
3. Способ по п.2, в котором газофазное осаждение предусматривает распыление.
4. Способ по п.1, в котором перед нагреванием слой, по существу, состоящий из углерода, обладает толщиной, равной от 1 до 10 нм.
5. Способ по п.1, в котором, по существу, состоящий из углерода слой легирован азотом.
6. Способ по п.1, в котором, по существу, состоящий из углерода слой состоит из углерода и неизбежных примесей.
7. Способ по п.1, в котором углерод в слое, по существу, состоящем из углерода, содержит, по меньшей мере, одну форму углерода, выбранную из группы, состоящей из алмазоподобного углерода и графита.
8. Способ по п.1, в котором реакционноспособной атмосферой является атмосфера, содержащая кислород.
9. Способ по п.8, в котором атмосферой, содержащей кислород, является воздух.
10. Способ по п.1, в котором углеродсодержащий газ содержит, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из монооксида углерода и диоксида углерода.
11. Способ по п.1, в котором нагревание подвергает закалке оптическое покрытие.
12. Способ по п.1, в котором нагревание подвергает закалке подложку.
13. Способ по п.1, в котором стекло является прозрачным для видимого света.
14. Способ по п.1, в котором проведение реакции приводит к удалению с оптического покрытия всего слоя, по существу, состоящего из углерода.
15. Способ по п.1, в котором количество царапин на оптическом покрытии после удаления составляет не более 110% от количества царапин, имевшихся на оптическом покрытии непосредственно перед формированием.
16. Способ по п.1, в котором оптическое покрытие включает расположенный дальше всего от подложки однородный наружный слой, включающий нитрид кремния.
17. Способ по п.16, в котором защитное покрытие дополнительно включает препятствующий распространению трещин слой, расположенный между слоем, состоящим, по существу, из углерода, и наружным слоем; и
препятствующий распространению трещин слой является однородным слоем, содержащим материал, выбранный из группы, состоящей из
Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W;
оксидов Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W;
нитридов Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W; и их смесей.
18. Способ по п.17, в котором препятствующий распространению трещин слой состоит из неизбежных примесей и материала, выбранного из группы, состоящей из
Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W;
оксидов Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W;
нитридов Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W; и их смесей.
19. Способ по п.17, в котором препятствующий распространению трещин слой имеет толщину от 2 до 8 нм.
20. Прозрачное изделие, содержащее стеклянную подложку;
оптическое покрытие, содержащее один или большее количество находящихся на подложке слоев, в котором один или большее количество слоев включает расположенный дальше всего от подложки однородный наружный слой, содержащий нитрид кремния; и
защитное покрытие, расположенное на наружном слое, которое включает временный слой, по существу, состоящий из углерода.
21. Прозрачное изделие по п.20, в котором защитное покрытие дополнительно включает препятствующий распространению трещин слой, имеющий толщину от 2 до 8 нм, и
расположенный между слоем, состоящим, по существу, из углерода, и
наружным слоем; и
препятствующий распространению трещин слой является однородным слоем, содержащим материал, выбранный из группы, состоящей из
Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W;
оксидов Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W;
нитридов Ti, Si, Zn, Sn, In, Zr, Al, Cr, Nb, Mo, Hf, Та и W; и их смесей.
22. Прозрачное изделие по п.20, в котором, по существу, состоящий из углерода слой легирован азотом.
23. Прозрачное изделие по п.20, в котором, по существу, состоящий из углерода слой состоит из углерода и неизбежных примесей.
24. Прозрачное изделие по п.20, в котором углерод в слое, по существу, состоящем из углерода, содержит, по меньшей мере, одну форму углерода, выбранную из группы, состоящей из алмазоподобного углерода и графита.
| US 5190807 А, 02.03.1993 | |||
| US 5846649 А, 08.12.1998 | |||
| US 2001014398 А, 16.08.2001 | |||
| Способ получения защитного покрытия на поверхности стеклянных изделий | 1981 |
|
SU1006402A1 |
| US 4592723 А, 03.06.1986. | |||
