Антибликовый экран на основе силикатного стекла, антибликовое и антибликовое электрообогревное покрытия для него

Изобретение относится к области антибликового остекления приборов радиоэлектронной техники и может быть использовано при изготовлении приборных панелей летательных аппаратов (ЛА).

В настоящее время существует проблема возникновения бликов от остекления приборных панелей ЛА, мешающих экипажу считывать показания приборов в условиях высокого уровня освещенности в кабине. В ЛА эффективное снижение интенсивности бликов может быть достигнуто за счет существенного уменьшения коэффициента отражения (до значений меньше 1%) остекления приборных панелей, что достигается нанесением на его поверхность многослойного антибликового покрытия, обеспечивающего широкополосное интерференционное просветление.

Применение многослойных антибликовых покрытий возможно как для приборов с воздушной прослойкой между излучающим индикатором и остеклением, так и для приборов без воздушной прослойки.

Многослойные покрытия могут быть нанесены на подложку (основной материал остекления, например, силикатное или органическое стекло) различными методами: магнетронным распылением, золь-гель методом, гальваническим и другими. Метод нанесения покрытий магнетронным распылением является наиболее простым, технологичным и масштабируемым в массовом производстве.

В составе многослойных антибликовых электрообогревных покрытий наиболее часто встречаются сочетания чередующихся слоев следующих материалов: оксида кремния (SiO₂), оксида ниобия (Nb₂O₅), оксида олова, легированного сурьмой (АТО), оксида индия, легированного оловом (ITO), оксида цинка (ZnO) и оксида титана (TiO₂). Чередование слоев различной толщины с высоким и низким коэффициентом преломления позволяет достичь широкополосного интерференционного просветления подложки в видимом диапазоне.

Известно многослойное антибликовое покрытие, предназначенное для нанесения на экран дисплея, в котором первый (внутренний) слой толщиной 200÷600 нм состоит из частиц АТО, диаметр которых лежит в диапазоне от 5 до 20 нм, выполняет антистатическую функцию, а также участвует в подавлении отражения падающего света, являясь слоем с высоким показателем преломления (1,8), второй слой толщиной 100÷200 нм состоит из частиц TiO₂ диаметром от 5 до 50 нм (показатель преломления 2,0), третий (внешний) слой толщиной от 100 до 200 нм состоит из силикагеля. Покрытие может содержать четвертый слой из TiO₂ и пятый слой из SiO₂ (US 5652477 А, 29.07.1997).

Недостатком данного покрытия является многостадийность процесса его изготовления (нанесение первого слоя - нагрев - нанесение второго слоя - нанесение силикагеля при заданной температуре).

Известен экран дисплея с антистатическим антибликовым покрытием, включающим внутренний слой из диоксида кремния, в который встроены электропроводящие частицы размером до 50 нм (например, АТО), и внешний слой из оксида кремния, при этом антиотражающий эффект обеспечивается всеми слоями в совокупности. Покрытие может содержать третий слой из диоксида кремния, полученный путем разложения алкоксисилана на поверхности сформировавшегося второго слоя (ЕР 0649160 В1, 19.09.2001).

Известно антибликовое антистатическое покрытие, наносимое на экран дисплея электронно-лучевой трубки, которое снабжено антистатическим покрытием, содержащим электропроводящие частицы, например АТО, а также дополнительным слоем диоксида кремния для получения антиотражающего эффекта. В состав покрытия может входить третий слой, состоящий из SiO₂, полученного путем разложения алкоксисилана на поверхности сформировавшегося второго слоя. Светопропускание может варьироваться в пределах от 30% до 90%, поверхностное сопротивление - от 10⁴ Ом/кв до 10¹⁰ Ом/кв (US 6087769 А, 11.07.2000).

Недостатком этих покрытий является сложность технологического процесса их изготовления, раздельное нанесение каждого слоя, наличие термообработки во время процесса изготовления, использование растворов и суспензий.

Наиболее близким аналогом предложенных покрытий является многослойное антибликовое покрытие, состоящее из пяти слоев. Первый (внешний) слой толщиной от 10 до 60 нм состоит из оксида с высоким показателем преломления. Второй слой толщиной от 10 до 70 нм состоит из оксида с низким показателем преломления. Третий слой толщиной от 30 до 100 нм состоит из оксида с высоким показателем преломления. Четвертый слой толщиной от 10 до 70 нм состоит из оксида с низким показателем преломления. Пятый (внутренний) слой толщиной от 10 до 60 нм, расположенный на подложке, состоит из оксида с высоким коэффициентом преломления. Покрытие может быть как антибликовым, так и антибликовым электрообогревным. Предпочтительный состав слоев, начиная с внешнего, следующий: ITO - SiO₂-Nb₂O₅-SiO₂-Nb₂O₅. Слои данного покрытия могут быть получены путем магнетронного распыления мишени в среде аргона с добавкой кислорода.

Наиболее близким аналогом предложенного антибликового экрана является антибликовый экран, представляющий собой полимерное стекло с нанесенным на него вышеописанным покрытием (JP 2003004902 А, 08.01.2003).

Недостатком покрытия-прототипа является необходимость использования Nb₂O₅ в качестве материала с высоким коэффициентом преломления, чьи оптические характеристики при получении магнетронным реактивным распылением хуже, чем у TiO₂. Полимерное стекло, используемое в качестве подложки, легко царапается и деформируется при перепадах температур.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка антибликового и антибликового электрообогревного покрытий, обеспечивающих улучшенные оптические свойства для антибликового экрана на основе наиболее распространенного и недорогого силикатного стекла со следующими показателями: толщина от 1 до 3 мм, собственный коэффициент пропускания не менее 90%, коэффициент отражения с двух граней не более 9%, действительная часть коэффициента преломления 1,51-1,54 в видимом диапазоне и 1,52-1,53 при длине волны 550 нм.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является обеспечение снижения интегрального коэффициента отражения до значений не более 1% и повышение интегрального коэффициента пропускания (для двухстороннего покрытия) антибликового экрана до значений не менее 95%, в том числе в условиях высокой освещенности, без увеличения количества слоев покрытия (4 слоя - для антибликового покрытия, 5 слоев - для антибликового электрообогревного покрытия) и без увеличения количества материалов мишеней для изготовления покрытия (2 мишени - из Ti и Si - для антибликового покрытия, 3 мишени - из Si, Ti и сплава In-Sn - для антибликового электрообогревного покрытия).

Технический результат достигается за счет того, что предложено антибликовое покрытие подложки, содержащее первый внутренний слой из оксида титана толщиной 10-17 нм, второй слой из оксида кремния толщиной 27-36 нм, третий слой из оксида титана толщиной 102-120 нм и четвертый слой из оксида кремния толщиной 87-95 нм.

Технический результат достигается также за счет того, что предложено антибликовое покрытие подложки, содержащее первый внутренний слой из оксида индия, легированного оловом, толщиной 120-250 нм, второй слой из оксида титана толщиной до 22 нм, третий слой из оксида кремния толщиной 184-210 нм, четвертый слой из оксида титана толщиной 17-100 нм и пятый слой из оксида кремния толщиной 75-125 нм.

Также предложен антибликовый экран, выполненный из силикатного стекла и содержащий нанесенное по крайней мере на одну его сторону одно из вышеописанных антибликовых покрытий, при этом силикатное стекло имеет толщину от 1 до 3 мм, собственный коэффициент пропускания не менее 90%, коэффициент отражения с двух граней не более 9%, действительную часть коэффициента преломления 1,51-1,54 в видимом диапазоне и 1,52-1,53 при длине волны 550 нм.

Наиболее доступное и распространенное силикатное стекло обладает следующими параметрами: толщиной от 1 до 3 мм, собственным коэффициентом пропускания не менее 90%, коэффициентом отражения с двух граней не более 9%, действительной частью коэффициента преломления 1,51-1,54 в видимом диапазоне и 1,52-1,53 при длине волны 550 нм.

Толщины и составы антибликового и антибликового электрообогревного покрытий для силикатного стекла с указанными свойствами были оптимизированы следующим образом. Сначала были сняты спектры отражения и пропускания используемых силикатных стекол. Из этих характеристик были получены дисперсии коэффициентов преломления. Затем на указанные стекла наносились отдельные слои ITO, SiO₂, TiO₂, снимались спектры отражения и пропускания, из которых были получены дисперсии отдельных слоев покрытий ITO, SiO₂, TiO₂. Далее по известной дисперсии коэффициентов преломления стекол и покрытий ITO, SiO₂, TiO₂ с помощью математического моделирования прохождения электромагнитного излучения подбирались толщины слоев с условием достижения минимального интегрального коэффициента отражения и максимального коэффициента пропускания.

Таким образом, подобранные в ходе моделирования толщины и составы покрытий обеспечивают низкий коэффициент отражения (менее 1%) и высокий коэффициент пропускания (более 95%), при использовании в качестве подложки стекла с указанными выше параметрами.

Поскольку толщины слоев покрытий были оптимизированы под экспериментально полученные дисперсии коэффициентов преломления, вне границ диапазона толщин указанных слоев покрытия будут обладать худшими оптическими характеристиками. Выбор материалов покрытий произведен на основании наибольшей разницы коэффициентов преломления слоев.

Действительная часть коэффициентов преломления используемых материалов при длине волны 550 нм должны составлять: TiO₂ - не менее 2.30, SiO₂- 1.45-1.47, ITO - 1.90-1.94.

Примеры осуществления изобретения.

Методом реактивного магнетронного распыления на установке для нанесения оптических покрытий в смеси аргона и кислорода за один технологический процесс без дополнительной термообработки были нанесены многослойные покрытия с использованием следующих мишеней: чистый Ti, чистый Si и сплав In-Sn в массовом соотношении 10:1 (для нанесения электропроводящего слоя).

В качестве подложки использовали широкодоступные силикатные стекла с действительной частью коэффициента преломления 1,51-1,54 в видимом диапазоне и 1,52-1,53 при длине волны 550 нм. В примерах 1-4 получали односторонние многослойные покрытия, в примерах 5-7 -двухстороннее.

В примерах 1, 2, 5 получали антибликовые покрытия, в примерах - 3, 4, 6, 7 - антибликовые электрообогревные покрытия.

Для односторонних покрытий измерялся интегральный коэффициент отражения с одной грани стекла, нормированный согласно ГОСТ EN 410-2014, для двухсторонних - интегральный коэффициент отражения и пропускания по ГОСТ EN 410-2014.

Пример 1.

На силикатном стекле толщиной 1 мм с собственным коэффициентом пропускания 91%, коэффициентом отражения с двух граней 8,2%, действительной частью коэффициента преломления 1,52 при длине волны 550 нм, с одной стороны было нанесено покрытие следующего состава, начиная с внутреннего слоя: TiO₂ (10 нм) - SiO₂ (27 нм) - TiO₂ (102 нм) - SiO₂ (87 нм). Интегральный коэффициент отражения грани стекла с нанесенным покрытием - 0,4%.

Пример 2.

На силикатном стекле толщиной 3 мм с собственным коэффициентом пропускания 90%, коэффициентом отражения с двух граней 9%, действительной частью коэффициента преломления 1,53 при длине волны 550 нм с одной стороны нанесено покрытие следующего состава, начиная с внутреннего слоя: TiO₂ (17 нм) - SiO₂ (36 нм) - TiO₂ (120 нм) -SiO₂ (95 нм). Интегральный коэффициент отражения грани стекла с нанесенным покрытием - 0,4%.

Пример 3.

На силикатном стекле толщиной 1 мм с собственным коэффициентом пропускания 91%, коэффициентом отражения с двух граней 8,2%, действительной частью коэффициента преломления 1,52 при длине волны 550 нм с одной стороны нанесено покрытие следующего состава, начиная с внутреннего слоя: ITO (136 нм) - SiO₂ (204 нм) - TiO₂ (19 нм) -SiO₂ (122 нм). Интегральный коэффициент отражения грани стекла с нанесенным покрытием - 0,4%.

Пример 4.

На силикатном стекле толщиной 3 мм с собственным коэффициентом пропускания 90%, коэффициентом отражения с двух граней 9%, действительной частью коэффициента преломления 1,53 при длине волны 550 нм с одной стороны нанесено антибликовое покрытие следующего состава, начиная с внутреннего слоя: ITO (247 нм) - TiO₂ (20 нм) - SiO₂ (187 нм) - TiO₂ (95 нм) - SiO₂ (80 нм). Интегральный коэффициент отражения грани стекла с нанесенным покрытием - 0,4%.

Пример 5.

На силикатном стекле толщиной 1,5 мм с собственным коэффициентом пропускания 91%, коэффициентом отражения с двух граней 8,2%, действительной частью коэффициента преломления 1,52 при длине волны 550 нм с двух сторон нанесено покрытие следующего состава, начиная с внутреннего слоя: TiO₂ (12 нм) - SiO₂ (34 нм) - TiO₂ (111 нм) - SiO₂ (88 нм). Интегральный коэффициент отражения с двух граней стекла - 0,3%, интегральный коэффициент пропускания - 98,1%.

Пример 6.

На силикатном стекле толщиной 2 мм с собственным коэффициентом пропускания 91%, коэффициентом отражения с двух граней 8,2%, действительной частью коэффициента преломления 1,52 при длине волны 550 нм с двух сторон нанесено покрытие следующего состава, начиная с внутреннего слоя: ITO (247 нм) - TiO₂ (20 нм) - SiO₂ (187 нм) - TiO₂ (95 нм) - SiO₂ (80 нм). Интегральный коэффициент отражения с двух граней стекла - 0,9%, интегральный коэффициент пропускания - 97,6%

Пример 7.

На силикатном стекле толщиной 3 мм с собственным коэффициентом пропускания 90%, коэффициентом отражения с двух граней 9%, действительной частью коэффициента преломления 1,53 при длине волны 550 нм с одной стороны нанесено антибликовое покрытие следующего состава, начиная с внутреннего слоя: ITO (137 нм) - SiO₂ (204 нм) - TiO₂ (19 нм) - SiO₂ (123 нм), на другую сторону нанесено покрытие следующего состава, начиная с внутреннего слоя: TiO₂ (12 нм) - SiO₂ (34 нм) - TiO₂ (111 нм) - SiO₂ (88 нм). Интегральный коэффициент отражения с двух граней стекла - 0,7%, интегральный коэффициент пропускания 96,5%

Как показали экспериментальные данные, предлагаемые покрытия обеспечивают снижение интегрального коэффициента отражения и повышение интегрального коэффициента пропускания (для двухстороннего покрытия) антибликового экрана, в том числе в условиях высокой освещенности (более 500 лк), без увеличения количества слоев покрытия (4 слоя - для антибликового покрытия, 5 слоев - для антибликового электрообогревного покрытия) и без увеличения количества материалов мишеней для изготовления покрытия (2 мишени - из Ti и Si - для антибликового покрытия, 3 мишени - из Si, Ti и сплава In-Sn - для антибликового электрообогревного покрытия).