CN102542107B

CN102542107B - 一种用于实现氟掺杂氧化锡镀膜玻璃表面色彩控制的方法

Info

Publication number: CN102542107B
Application number: CN 201110446990
Authority: CN
Inventors: 宋晨路; 朱岳江; 刘涌; 韩高荣; 翁文剑; 杜丕一; 赵高凌; 程逵
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN102542107A

Abstract

本发明公开了一种用于实现氟掺杂氧化锡镀膜玻璃表面色彩控制的方法。现有FTO镀膜玻璃表面的不同区域会出现不同的色彩甚至形成条纹状色带等问题。本发明方法在玻璃基底和氟掺杂氧化锡（FTO）薄膜之间增加一层具有较高折射率的薄膜，通过数值计算，得到玻璃基底上两层薄膜光学参数的最佳匹配，使该种FTO镀膜玻璃达到表面无色或色彩稳定的效果。本发明通过数值计算的方法，探求合理的膜系匹配，实现表面色彩的控制，为实际生产提供了十分有价值的参考。

Description

一种用于实现氟掺杂氧化锡镀膜玻璃表面色彩控制的方法

技术领域

本发明属于材料化工领域，具体涉及一种用于实现氟掺杂氧化锡镀膜玻璃表面色彩控制的方法。

背景技术

氟掺杂氧化锡（F:SnO2，FTO）镀膜玻璃是一种节能性能非常优异的建筑玻璃，它可以有效地阻挡中远红外辐射，降低室内热量通过门窗的耗散。由于其出色的节能性能，FTO玻璃的应用已经十分广泛。但是，在工艺制备过程中，FTO薄膜厚度均匀性无法得到严格地控制。由于FTO薄膜厚度的不均匀分布，FTO镀膜玻璃表面的不同区域会出现不同的色彩，甚至形成条纹状色带，这严重影响了建筑玻璃的美观。

为了消除或控制FTO镀膜玻璃的表面色，需要在玻璃基底和FTO薄膜之间增加一层具有合适折射率和厚度的薄膜，并通过两层薄膜间合理的光学匹配，使得镀膜玻璃表面无色或色彩稳定。目前，在实际工业生产中，一般以Si-C-O薄膜作为FTO镀膜玻璃的中间层，实现匹配消色目的。通过合理的膜系匹配，Si-C-O\FTO镀膜玻璃确实可以消除表面色彩，但该种玻璃为了到达理想的表面色控制效果，对FTO薄膜的厚度有着十分严格的要求，一般只允许膜厚在几个纳米的范围内变动，这是目前工业生产中无法实现的。

基于上述原因，寻找一种合理的方法，使得镀膜玻璃在实现表面色彩控制的同时亦易于工艺实现，已十分必要。

发明内容

本发明的目的是在针对现有技术的不足，提供了一种用于实现氟掺杂氧化锡镀膜玻璃表面色彩控制的方法。

本发明方法的具体实施步骤如下：

步骤(1).选择一种折射率大于2的薄膜材料，并将该薄膜材料作为FTO镀膜玻璃的中间层，即玻璃基板和FTO层薄膜之间的膜层；

步骤(2).建立用于分析FTO镀膜玻璃表面色彩控制效果的数值模型；

数值模型建立步骤如下：

2-1. 以色饱和度和色差为目标函数进行数值建模，根据CIE色度理论及孟赛尔色系理论可以知道，色饱和度小于5或色差值小于1.5时，物体表面色彩不易被人眼觉察或呈现稳定色，属于较理想的色彩控制效果；

色饱和度的求解函数为 (1)

色差的求解函数为

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE004

(2)

其中，C 为色饱和度，为两种颜色间的色差，代表两种颜色明度L*的差，、分别代表两种颜色色度坐标a*、b*的差，L*、a*、b*可由以下公式计算得到：

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE014

（3）

式（3）中，

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE016

（4）

在式（4）中

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE018

，Y₀，Z₀是白色光的颜色三刺激值，可根据下式进行计算

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE020

（5）

其中，M_CIE是CIE色度坐标矩阵，下标x、y、z分别代表CIE色度坐标矩阵的三个分量，而每一个分量包含了对应从380nm

780nm以5nm为间隔的标准色度观察者的光谱刺激值，

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE024

为求和函数；

而式（4）X、Y、Z是所研究颜色的三刺激值，可根据下式计算：

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE026

（6）

式（6）中R为对应于不同波长的一维反射率矩阵：

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE028

（7）

其中n₀为空气折射率，一般取值为1，C、B来自薄膜特征矩阵：

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE030

（8）

薄膜特征矩阵中n₁、n₂和ng分别为FTO层薄膜、中间层薄膜和玻璃基板的折射率，

Figure 2011104469908100002DEST_PATH_IMAGE032

,d为膜层厚度，λ为波长，n为薄膜折射率。

2-2.根据步骤2-1建立的数值模型，编写模拟计算程序，输入相应变量并求解色饱和度函数和色差函数；

步骤(3).通过椭圆偏振仪测量玻璃基板、中间层薄膜及FTO层薄膜的折射率，并将测得的折射率的值输入至模拟计算软件程序中，进行数值模拟分析，寻找最佳的膜系匹配，直至达到期望的表面色彩控制效果；

在寻找最佳的膜系匹配过程中：

a. 当色饱和度值小于5时，FTO镀膜玻璃表面色彩属于轻微程度，可接受;

b. 当色饱和度值小于2.5时，FTO镀膜玻璃表面色彩不易被人眼察觉，属于理想效果；

c. 当色差值小于1.5时，FTO镀膜玻璃表面不同区域间色彩差别不易被人眼察觉，表面色彩稳定，属于理想效果。

本发明有益效果如下：

本发明以具有较高折射率的材料作为该中间层薄膜，通过数值计算的方法，探求合理的膜系匹配，实现表面色彩的控制，为实际生产提供了十分有价值的参考。

附图说明

图1：TiO₂和FTO薄膜的折射率曲线；

图2：TiO₂薄膜和FTO薄膜最佳匹配时，镀膜玻璃表面色饱和度三维图；其中X、Y轴均为薄膜厚度，Z轴为色饱和度值。

具体实施方式

下面结合附图随本发明作进一步说明。

步骤(1).选择折射率大于2的薄膜材料TiO₂，并将该薄膜材料作为FTO镀膜玻璃的中间层，即玻璃基板和FTO薄膜层之间的膜层；

数值模型建立步骤如下：

2-1. 以色饱和度和色差为目标函数进行数值建模。根据CIE色度理论及孟赛尔色系理论可以知道，色饱和度小于5或色差值小于1.5时，物体表面色彩不易被人眼觉察或呈现稳定色，属于较理想的色彩控制效果；

色饱和度的求解函数为

(1)

色差的求解函数为

(2)

其中，C 为色饱和度，

为两种颜色间的色差，

代表两种颜色明度L*的差，

、

分别代表两种颜色色度坐标a*、b*的差，L*、a*、b*可由以下公式计算得到：

（3）

式（3）中，

（4）

在式（4）中，Y₀，Z₀是白色光的颜色三刺激值，可根据下式进行计算

（5）

其中，M_CIE是CIE色度坐标矩阵，下标x、y、z分别代表CIE色度坐标矩阵的三个分量，而每一个分量包含了对应从380nm780nm以5nm为间隔的标准色度观察者的光谱刺激值，

为求和函数；

（6）

式（6）中R为对应于不同波长的一维反射率矩阵：

（7）

（8）

薄膜特征矩阵中n₁、n₂和ng分别为FTO层薄膜、TiO₂薄膜和玻璃基板的折射率，

,d为膜层厚度，λ为波长，n为薄膜折射率。

2-2.根据步骤2-1建立的数值模型，编写模拟计算程序，输入FTO层薄膜、TiO₂薄膜和玻璃基板的折射率，并求解色饱和度函数和色差函数；

步骤(3).通过椭圆偏振仪测量玻璃基板、TiO₂薄膜及FTO层薄膜的折射率，其中FTO层薄膜和TiO₂薄膜折射率如图1所示，玻璃基板折射率取1.52。并将折射率的值输入至模拟计算软件程序中，进行数值模拟分析，寻找最佳的膜系匹配，直至达到期望的表面色彩控制效果。

在寻找最佳的膜系匹配过程中：

d. 当色饱和度值小于5时，FTO镀膜玻璃表面色彩属于轻微程度，可接受;

e. 当色饱和度值小于2.5时，FTO镀膜玻璃表面色彩不易被人眼察觉，属于理想效果；

f. 当色差值小于1.5时，FTO镀膜玻璃表面不同区域间色彩差别不易被人眼察觉，表面色彩稳定，属于理想效果。

计算结果如图2所示：当TiO₂薄膜厚度在115nm

150nm之间变化，FTO薄膜厚度在400nm

425nm之间变化时，镀膜玻璃具有较为理想的色饱和度，即表面无色，属于十分理想的色彩控制效果，所以此种膜系匹配即为最佳匹配。

Claims

1.一种用于实现氟掺杂氧化锡镀膜玻璃表面色彩控制的方法，其特征在于如下步骤：

步骤(1).选择一种折射率大于2的薄膜材料，并将该薄膜材料作为FTO镀膜玻璃的中间层，即玻璃基板和FTO薄膜层之间的膜层；

数值模型建立步骤如下：

2-1.以色饱和度和色差为目标函数进行数值建模，根据CIE色度理论及孟赛尔色系理论可以知道，色饱和度小于5或色差值小于1.5时，物体表面色彩不易被人眼觉察或呈现稳定色，属于较理想的色彩控制效果；

色饱和度的求解函数为

C = \sqrt{(a^{* 2} + b^{* 2})} - - - (1)

色差的求解函数为

Δ E_{ab} = {[{(Δ L^{*})}^{2} + {(Δ a^{*})}^{2} + {(Δ b^{*})}^{2}]}^{\frac{1}{2}} - - - (2)

其中，C为色饱和度，ΔE_ab为两种颜色间的色差，ΔL*代表两种颜色明度L*的差，Δa*、Δb*分别代表两种颜色色度坐标a*、b*的差，L*、a*、b*可由以下公式计算得到：

L*＝116f(Y/Y₀)-16

a*＝500[f(X/X₀)-f(Y/Y₀)]

b*＝200[f(Y/Y₀)-f(Z/Z₀)] （3）

式（3）中，

f (X / X_{0}) = \{\begin{matrix} {(X / X_{0})}^{\frac{1}{3}}, X / X_{0} > (\frac{24}{116}) \\ \frac{841 X}{108 X_{0}} + \frac{16}{116}, X / X_{0} \leq (\frac{24}{116}) \end{matrix}

f (Y / Y_{0}) = \{\begin{matrix} {(Y / Y_{0})}^{\frac{1}{3}}, Y / Y_{0} > (\frac{24}{116}) \\ \frac{841 Y}{108 Y_{0}} + \frac{16}{116}, Y / Y_{0} \leq (\frac{24}{116}) \end{matrix}

f (Z / Z_{0}) = \{\begin{matrix} {(Z / Z_{0})}^{\frac{1}{3}}, Z / Z_{0} > (\frac{24}{116}) \\ \frac{841 Z}{108 Z_{0}} + \frac{16}{116}, Z / Z_{0} \leq (\frac{24}{116}) \end{matrix} - - - (4)

在式（4）中X₀，Y₀，Z₀是白色光的颜色三刺激值，可根据下式进行计算

X₀＝5*SUM(M_CIE|x)

Y₀＝5*SUM(M_CIE|y) （5）

Z₀＝5*SUM(M_CIE|z)

其中，M_CIE是CIE色度坐标矩阵，下标x、y、z分别代表CIE色度坐标矩阵的三个分量，而每一个分量包含了对应从380nm～780nm以5nm为间隔的标准色度观察者的光谱刺激值，SUM为求和函数；

X＝5*R*M_CIE|x

Y＝5*R*M_CIE|y （6）

Z＝5*R*M_CIE|z

式（6）中R为对应于不同波长的一维反射率矩阵：

R = {(\frac{n_{0} - C / B}{n_{0} + C / B})}^{2} - - - (7)

其中n₀为空气折射率，C、B来自薄膜特征矩阵：

[\begin{matrix} B \\ C \end{matrix}] = [\begin{matrix} \cos δ_{1} & i \sin δ_{1} / n_{1} \\ {in}_{1} \sin δ_{1} & \cos δ_{1} \end{matrix}] [\begin{matrix} \cos δ_{2} & i \sin δ_{2} / n_{2} \\ {in}_{2} \sin δ_{2} & \cos δ_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 \\ ng \end{matrix}] - - - (8)

薄膜特征矩阵中n₁、n₂和ng分别为FTO层薄膜、中间层薄膜和玻璃基板的折射率，δ＝2πnd/λ,d为膜层厚度，λ为波长，n为薄膜折射率；

在寻找最佳的膜系匹配过程中：

a.当色饱和度值小于5时，FTO镀膜玻璃表面色彩属于轻微程度，可接受;

b.当色饱和度值小于2.5时，FTO镀膜玻璃表面色彩不易被人眼察觉，属于理想效果；

c.当色差值小于1.5时，FTO镀膜玻璃表面不同区域间色彩差别不易被人眼察觉，表面色彩稳定，属于理想效果。