[0001] Die Erfindung betrifft ein scheibenförmiges metallisches Schmuckstück (Bestandteil
eines Schmuckstücks), auch Marke, Medaille, Zifferblatt, mit ein- oder beidseitiger
Bearbeitung.
[0002] Derartige metallische scheibenförmige Schmuckstücke gehören zum festen Bestand der
Schmuckindustrie. Sie werden sowohl als alleiniges Schmuckstück, beispielsweise als
Ohrschmuck getragen, oder bilden Bestand teil einer Schmuckcreation, beispielsweise
bei Colliers oder Armketten. Die Oberfläche dieser metallischen scheibenförmigen
Schmuckstücke wird hierbei auf vielerlei Art und Weise bearbeitet, wobei die Plättchen
entweder plan, spiegelnd poliert oder auch an ihrer Oberfläche strukturiert sein können.
Der Werkstoff für diese Plättchen reicht von Aluminium bis zu Edelmetallen. Die Edelmetalle,
insbesondere Silber und Gold, werden im allgemeinen in ihrer Metallfarbe belassen.
Für Aluminium hat sich das Eloxieren in den verschiedensten Farbtönen durchgesetzt.
Gleiches gilt für die galvanische Bearbeitung von Titan. Bei spiegelnd bearbeiteten
Oberflächen mit einer Rauhtiefe unter 1 my werden bevorzugt Metalle mit harten Oberflächen
eingesetzt, im allgemeinen also oberflächenvergütete Metalle, um den Spiegelglanz
möglichst lange zu erhalten. Derartige Hartstoffe, wie Carbide, Nitride, Boride und
Silicide sind jedoch verhältnismäßig schwierig zu bearbeiten. Schmuckstücke aus diesen
Materialien sind daher verhältnismäßig teuer und konnten sich gegenüber den zuvor
erwähnten Metallen, insbesondere den preislich etwa gleichwertigen Edelmetallen,
bisher als Schmuckstücke nicht durchsetzen. Spiegelnd bearbeitete Metalloberflächen
mit einer Rauhtiefe unterhalb der oben angeführten Grenze von 1 my haben jedoch gerade
für den Schmuckbereich sehr interessante optische Eigenschaften. Diese Eigenschaften,
die sie zu begehrten Schmuckstücken machen, könnten dann auch noch durch eine weitere
zusätzliche Oberflächenbearbeitung, beispielsweise Strukturieren oder Beschichten,
um weitere optische Effekte zu erzielen, um einen weiteren interessanten beziehungsweise
schmückenden Effekt bereichert werden.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Material anzugeben, das
1. preiswert ist,
2. mit dem Metallfachmann gängigen Mitteln einfach zu bearbeiten ist,
3. oberflächenhart ist und
4. so bearbeitet werden kann, daß sich interessante lichtoptische Effekte erreichen
lassen.
[0004] Nach der Erfindung ist dies gegeben durch einen scheibenförmigen, ebenen oder strukturierten
Einkristall, der ein- oder beidseitig mit einer oder mehreren wiederum gleichförmigen
oder strukturierten chemisch andersartigen Schicht jeweils mit einer Schichtdicke
von 0,01 my bis 2 my versehen ist.
[0005] Die Verwendung von Einkristallen scheint dem ersten Punkt der obigen Aufzählung -
Preiswürdigkeit - zu widersprechen. Einkristalle haben jedoch nicht nur besondere
Eigenschaften, die die weitere Behandlung dieser scheibenförmigen metallischen Schmuckstücke
erleichtern und damit verbilligen, sondern sie werden zwischenzeitlich auch in sehr
großen Mengen benötigt und daher großtechnisch und preiswert hergestellt. Im Gegensatz
zu Viel- oder Polykristallen ist ein Ein kristall ein kristalliner Körper, dessen
Grundzellen nahezu parallel liegen und der keine Korngrenzen aufweist. Diese Eigenschaft
kann man bei der Herstellung derartiger Schmuckstücke ausnutzen, indem die Ebene der
scheibenförmigen Schmuckstücke in die Kristallebene gelegt wird. Daher wird auffallendes
Licht stets in gewünschter Weise in gleicher Neigung reflektiert, während beim Vielkristall
jedes Einzelkriställchen (Korn) das Licht in einer anderen Richtung reflektiert.
Gewünschte spiegelnde Oberflächen lassen sich daher mit einem derartigen Einkristall
viel einfacher und mit deutlich geringerer Rauhtiefe erreichen, als bei Vielkristallen
beziehungsweise amorphen Metallen. Außerdem können bei derartigen Einkristallen durchaus
Rauh-tiefen im Nanobereich erreicht werden, bis etwa herunter zu 5 nm. Selbst aber
Rauhtiefen, die deutlich über dieser Größe liegen, beispielsweise bei 200 nm, werden,
des oben beschriebenen Effektes wegen, noch als einwandfrei spiegelnd erkannt. Der
etwas größere Herstellaufwand für Einkristalle wird daher bei der weiteren Bearbeitung
wieder kompensiert und erbringt außerdem die erwünschten lichtoptischen Effekte, die
bei polykristallinem Material nicht zu erreichen sind.
[0006] Wie bereits angeführt, wird der Preis dieses Materials auch dadurch gedrückt, daß
derartige Einkristalle vorzugsweise aus Silicium in sehr großen Mengen benötigt werden
und daß zudem diese "Silicium-wafer" be reits in Scheibenform vorliegen.
[0007] Da die parallel zueinander liegenden Ebenen einer derartigen Scheibe gleichzeitig
auch die Kristallebenen bilden, können unschwer auch beide Seiten eines derartigen
Silicium-wafers ohne Qualitätsverlust bearbeitet werden.
[0008] Weiter ist es auch möglich, diese scheibenförmigen Einkristalle mit einem Fachmann
auf diesem Gebiet gängigen Verfahren zu strukturieren. Auch diese Verfahren werden,
da sie zur Herstellung von elektronischen Bauelementen benötigt werden, bereits großtechnisch
angewandt, sind also nicht nur bekannt und geläufig, sondern auch, insbesondere bei
der Anwendung in größeren Stückzahlen, billig.
[0009] Bereits diese spiegelnden scheibenförmigen Einkristalle weisen schon einen sehr
hohen Schmuckwert auf. Dieser Schmuckwert wird nach der Erfindung noch dadurch erhöht,
daß die Einkristalle ein- oder beidseitig mit einer oder mehreren wiederum gleichförmigen
oder strukturierten chemisch andersartigen Schicht jeweils mit einer Schichtdicke
von 0,01 my bis 2 my versehen werden. Aus der Theorie ist bekannt, daß extrem dünne
Schichten, unterhalb einer Schichtdicke von 2 my besondere Eigenschaften aufweisen.
Dies dürfte mit einer starken Zunahme des Brechungsquotienten mit abnehmender Schichtdicke
bei gleichzeitiger Abnahme des Absorptionskoeffizienten zusammenhängen. Durch Vielfachreflektionen
sowohl an der Oberfläche wie auch nach der durchscheinenden dünnen Schicht an der
Kristallebene ergeben sich Interferenzen, die bemerkenswerte optische Reflekte hervorbringen.
Jedenfalls zeigen derart extrem dünne Schichten besondere optische Eigenschaften,
die sie zur Verarbeitung zu Schmückstücken geeignet erscheinen lassen. Untersuchungen
zeigten, daß Dicken dieser Schichten von 0,050 bis etwa 2 my bei Tageslichteinfall
mit einer gemittelten Wellenlänge von 0,545 my unterschiedliche Farben von tief metallisch
dunkel-blau bis dunkelrot über sämtliche Spektralfarben hinweg ergeben. Es ist daher
durch Beeinflussung der Schichtdicke unschwer möglich, die jeweils gewünschte Farbe
des scheibenförmigen metallischen Schmuckstücks zu bestimmen. Diese eindeutige Farbe
wird selbstverständlich nur dann erreicht, wenn der Untergrund eine entsprechend
geringe Rauhtiefe aufweist, wie dies, oben bereits beschrieben, bei Einkristallen
möglich ist. Die Rauhtiefe sollte also stets eine Zehnerpotenz geringer sein, als
die Schichtdicke, die die für das menschliche Auge erkennbare Farbe des Metalls bewirken
soll.
[0010] Die chemisch andere Schicht, die nach der Erfindung auf den polierten Einkristall
aufzubringen ist, kann in erfindungsgemäßer Weise aus einem Metall oder aus einer
Metallverbindung sein. Auf jeden Fall soll das Metall (die Metallverbindung) einen
hohen komplexen Brechungsquotienten aufweisen, was im allgemeinen für die oben bereits
erwähnten Hartstoffe - Carbide, Nitrite, Boride und Silicide - zutrifft. Zutreffend
ist dies auch für Halbleiter, in diesem Falle also insbesondere Silicium. Bei den
Metallverbindungen werden wiederum solche Verbindungen bevorzugt, die harte Oberflächen
ergeben, also insbesondere Verbindungen mit Stickstoff, Sauerstoff, Bor und Kohlenstoff.
Auch hier spielt jedoch die preiswerte Herstellung wieder eine Rolle, weshalb in erfindungsgemäßer
Weise bevorzugt Sauerstoff oder Stickstoff als Verbindungspartner gewählt wird.
Eine sehr einfache und damit preiswerte Herstellung dieser chemisch andersartigen
Schicht wird dadurch erreicht, daß direkt der Einkristall ein- oder beidseitig oxidiert
beziehungsweise nitriert wird. Bei den bekannten Verfahren, beispielsweise bei der
Behandlung in Durchgangsofen, kann die Eindringtiefe des Sauerstoffs beziehungsweise
des Stickstoffs sehr genau gesteuert werden, und damit selbstverständlich auch die
für die Farbgebung maßgebliche Dicke dieser Schicht. Selbstverständlich ist es auch
möglich, diese chemisch andersartige Schicht nach dem Chemical-Vapour-Deposition-Verfahren
(CVD; LPCVD; PECVD; NPCVD) aufzubringen. Durchaus können auch beide Verfahren kombiniert
angewendet werden, indem also beispielsweise der Einkristall oxidiert, so dann vorzugsweise
im Ätzverfahren strukturiert und anschließend mit einer weiteren Schicht belegt wird,
wobei diese weitere Schicht ebenfalls strukturiert sein oder nur bestimmte Flächen
des scheibenförmigen Einkristalls bedecken kann. Möglich ist es auch, das Oxidierungs
- und Nitrierungsverfahren nacheinander anzuwenden, wobei beispielsweise nach dem
Oxidieren die Oxidschicht teilweise entfernt und sodann die nunmehr freiliegenden
Siliciumschichten nitriert werden. Durchaus ist es auch möglich, die bearbeiteten
Scheiben noch zusätzlich mit üblichen Schichten zu belegen beziehungsweise zu bedrucken,
oder in Vertiefungen Edelmetall einzubringen. Es versteht sich von selbst, daß die
Scheiben auf diese Art und Weise auch mit Erhebungen versehen werden können.
[0011] Durch Kombination all dieser Verfahren ist es durchaus möglich, besondere optische
Effekte zu erreichen, die mit normalen Oberflächenbearbeitungen nicht zu erzielen
sind. So können Erhöhungen oder Vertiefungen vorgetäuscht werden, es können Hologramme
auf derartigen Oberflächen angebracht werden und es ist auch möglich, all diese
verschiedenen Oberflächen noch in den unterschiedlichsten Farben zu gestalten.
[0012] Zu erwähnen ist noch, daß auch der an Stelle drei der obigen Aufstellung erwähnte
Wunsch nach einer harten, kratzfesten Oberfläche durch das Nitrieren oder Oxidieren
der Oberflächen auf einfachste Weise zu erfüllen ist, da sich damit Härten erreichen
lassen, die oberhalb einer Ritzhärte (nach Martens) von 8 liegen.
[0013] Insgesamt ergibt sich damit ein scheibenförmiges metallisches Schmuckstück, das
preiswert herzustellen und von einem Fachmann auf diesem Gebiet mit gängigen Mitteln
einfach zu bearbeiten ist, das oberflächenhart und damit kratzfest ist und das die
für ein Schmuckstück notwendigen und erwünschten, bisher nicht gekannten lichtoptische
Effekte aufweist.
[0014] Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch
dargestellt und zwar zeigen
Fig. 1 einen Einkristall mit oxidierter Oberfläche,
Fig.2 einen Einkristall mit aufgebrachter Schicht und die
Fig.3 und 4 eine Kombination dieser Verfahren nach Fig.1 und 2.
[0015] Ein aus Silicium bestehender Einkristall (1) ist durch Oxidation mit einer Oxidationsschicht
(2) versehen. Diese Oxidationsschicht (2) weist eine Dicke (a) von 0,01 my bis 2
my auf, wodurch sich die in der Beschreibung dargelegten optischen Effekte beziehungsweise
die Farbgebung der Einkristallscheibe ergeben. Die Dicke (b) dieser Einkristallscheibe
beträgt im Durchschnitt etwa 500 my. Die Oxidationsschicht (2) bewirkt außerdem eine
sehr hohe Oberflächenhärte, sodaß diese metallische Scheibe auch sehr kratzfest ist.
[0016] In der Darstellung nach Fig.2 ist auf die zuvor polierte Einkristallscheibe (1)
vorzugsweise im Wege des Chemical-Vapour-Deposition-Verfahrens eine Metallschicht
beziehungsweise eine Metallverbindungsschicht, wiederum in der Dicke (a) zwischen
0,01 my und 2 my aufgebracht. Diese Schicht wird in aller Regel auch geringfügig
in das Silicium-Einkristall eindiffundieren, sich also fest mit dem Einkristall verbinden.
Auch hier ergibt sich durch diese aufgebrachte Schicht (3) neben der besonderen Farbwirkung
eine Oberflächenhärtung .
[0017] In der Darstellung nach Fig.3 wurde der Silicium-Einkristall erst im Ätzverfahren
mit einer Vertiefung versehen und sodann, wie in Fig.1 dargestellt, oxidiert. In
die verbleibende Vertiefung (4) ist eine weitere Metall- beziehungsweise Metallverbindungsschicht
(5) eingebracht, sodaß sich diese Schicht farblich von der umgebenden Scheibenfläche
abhebt. Auch hier liegt die Schichtdicke (a) zwischen 0,01 und 2 my, ebenso wie die
Schichtdicke (c) der aufgebrachten Schicht. Der geringstmögliche Abstand (d) zwischen
den Kanten der Vertiefung beträgt, bedingt durch das anzuwendende Ätzverfahren, 2
my.
[0018] Eine Umkehrung des Verfahrens wird in Fig.4 gezeigt, wo zuerst die Scheibe so geätzt
wird, daß Erhebungen (5) stehenbleiben, die nun beispielsweise nitriert werden können,
während die Umgebung hiervon oxidiert wird. Hierbei ergeben sich selbstverständlich
auch wieder unterschiedliche Farbeffekte, die diese Erhebungen deutlich hervortreten
lassen.
[0019] Hervorzuheben ist noch, daß sich bei diesem anisotropen Material weitere optische
Effekte durch unterschiedliche Lichteinfallswinkel ergeben.
1. Scheibenförmiges metallisches Schmuckstück (Bestandteil eines Schmuckstücks),
auch Marke, Medaille, Zifferblatt, mit ein- oder beidseitiger Bearbeitung
gekennzeichnet
durch einen scheibenförmigen ebenen oder strukturierten Einkristall (1), der ein-
oder beidseitig mit einer oder mehreren wiederum gleichförmigen oder strukturierten
chemisch andersartigen Schicht (2,3) jeweils mit einer Schichtdicke (a,c) von 0,01
my bis 2 my versehen ist.
2. Schmuckstück nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die chemisch andersartige Schicht (2,3) aus einem Metall oder aus einer Metallverbindung
ist.
3. Schmuckstück nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metall (die Metallverbindung) einen hohen komplexen Brechungsquotienten aufweist.
4. Schmuckstück nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metall (die Metallverbindung) ein Halbleiter ist.
5. Schmuckstück nach Anspruch 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbindungspartner Sauerstoff oder Stickstoff ist.
6. Schmnuckstück nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallverbindungsschicht eine oberflächige Oxid- oder Nitridschicht des Einkristalls
(1) ist.
7. Schmuckstück nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die chemisch andersartige Schicht nach dem Chemical--Vapour-Deposition-Verfahren
(CVD; LPVCD; PECVD; MPCVD) aufgebracht ist.