CN1419522A - 在玻璃上形成掺铌氧化锡涂层的方法及由其形成的涂布玻璃 - Google Patents

在玻璃上形成掺铌氧化锡涂层的方法及由其形成的涂布玻璃 Download PDF

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Abstract

在玻璃基材上涂布掺杂了铌的氧化锡涂层，生产一种低辐射系数(low E)的玻璃。该涂层可任选掺杂铌和诸如氟等其它掺杂剂。该低辐射玻璃的性质相当与或优于传统的涂了掺氟氧化锡涂层的低辐射玻璃。

Description

在玻璃上形成掺铌氧化锡涂层的方法及由其形成的涂布玻璃
                       发明背景
本发明涉及一种适合用作玻璃基材涂层的薄膜。更具体地说，本发明是涉及在玻璃基材上涂布掺铌氧化锡涂层，以生产低辐射系数(低E)的玻璃。
玻璃上的涂层通常是用来提供比能衰减特性和光透射特性。此外，当玻璃基材上涂了多层涂层时，涂层是设计用于减少单层涂层与玻璃之间的界面反射。涂布制品通常都单独使用，或与其它涂布制品一起使用，以形成一种上光效果。
所得涂布玻璃基材的性质取决于玻璃基材上所涂的具体涂层。涂层组合物和厚度会影响涂布制品内的能量吸收和光的透射特性，同时也会影响光谱的特性。调整涂层组合物或涂层厚度就可获得理想的特性。
通常在建筑工业中使用的一种特殊的玻璃制品是低E玻璃。低E玻璃的主要优点是具有优异的热控制特性，即它能限制热能(红外线波长)通过玻璃，而保留可见光的高透射率。低E玻璃可通过溅涂法(软涂)或最好是通过热解法，例如，化学蒸气淀积法生产。一般来说，用热解法生产的玻璃所得到的涂层不容易受损，暴露在空气中也不容易变质。
低E玻璃在建筑材料和其它应用方面，诸如太阳能电池的基底、显示器面板、加热致冷显示器和计算机显示屏等方面都具有很重要的用途。玻璃的E值越低，透过玻璃的热能就越少，因此，就越容易控制安装了低E玻璃的建筑物的内部温度。在许多应用中，低E玻璃也可以优选无色玻璃。这样，通过玻璃观察到的颜色的畸变程度就很小。低E玻璃可以单独使用，也可以与外加的浅色或反射玻璃的窗格玻璃结合使用，以得到不同的外观和热控制特性。
表面电阻值小于约500欧姆/平方的涂层通常被认为是导电涂层。涂布玻璃制品的辐射系数直接与其表面电阻有关。降低玻璃片材的表面电阻或提高其电导率，辐射系数就会下降。
从理论上讲，玻璃基材上的纯氧化锡涂层的表面电阻极高。但是，实际上，氧化锡涂层一般的表面电阻约为350-400欧姆/平方。这至少部分原因是氧化锡中缺乏氧，使得它至少具有稍微的导电性。氟常用作氧化锡的掺杂剂，以便提高其导电率。掺杂了氟的氧化锡涂层(SnO2：F)的表面电阻可低至16Ω/cm2。如果氧化锡中掺杂了氟，氟就会取代化合物中的氧。由于它们的电子组态不同，这种氟取代氧的作用是降低表面电阻的一个因素。在各种玻璃涂层的应用中，也曾用其它材料作过掺杂剂。
单独使用一种材料作掺杂剂或与氟或其它掺杂剂结合使用是有效的，这样，可使一定厚度的涂层得到类似的或比较低的辐射系数，同时又可保留或改善制造涂布玻璃制品的容易程度和成本，而又不会损害玻璃的光学特性。
                       发明概述
按照本发明，提供了一种适合用作玻璃涂层的薄膜。该薄膜是一种掺杂了铌的氧化锡，由铌与普通的氧化锡淀积前体化合而成。薄膜中铌的含量可根据计划的用途而改变。本发明的涂层也可以是掺杂了铌和其它诸如氟等已知掺杂剂的氧化锡涂层。因此，本发明的涂层可用于代替掺杂了氟的氧化锡涂层，或与该涂层相结合，用于玻璃基材，特别是用于低E玻璃。
本发明还提供一种优选通过热解过程，例如，通过化学蒸气淀积作用(CVD)，制造涂布玻璃片材的方法，其中，该涂层包含掺杂了铌的氧化锡层，或任选包含掺杂了铌和氟两种掺杂剂的氧化锡层。
本发明的掺Nb涂层可用作玻璃基材上的单一涂层，或与本发明其它可能的实施方案相结合，可用作多层涂料叠层中的一层。在本发明可能的实施方案中，Nb可用作SnO2涂层的唯一掺杂剂，或者，Nb也可与诸如氟等其它掺杂剂结合使用。
掺杂了铌的氧化锡可优选地通过热解过程在线涂布到浮法玻璃带上，使用的是本技术领域众所周知的方法，诸如化学蒸气淀积法。
本发明的目的是提供一种其辐射系数相当于或低于已知涂布玻璃制品辐射系数的涂布玻璃材料。
本发明的另一目的是提供一种低辐射系数涂布玻璃制品的制造方法。
本发明的进一步目的是提供一种可热解淀积在玻璃基材上的导电薄膜。
                   优选实施方案详述
本发明的掺铌氧化锡适合用于普通氧化锡淀积前体。在玻璃生产过程中，热解淀积作用可将薄膜直接涂布到浮法玻璃带上，优选通过化学蒸气淀积过程。
适合用来制造本发明涂布玻璃制品的玻璃基材可包括本技术领域中已知的任何普通透明玻璃组合物。优选的基材是透明的浮法玻璃带，其中，本发明的涂料可以与其它任选涂料一起在浮法玻璃生产过程中的加热段进行涂布。但是，其他传统的玻璃基材涂层涂布过程也适用于本发明的涂层。
在热解淀积过程中，有掺杂剂的氧化锡合金是将铌与普通的氧化锡前体相结合淀积到玻璃基材上。其实例可包括采用诸如氦等惰气中的五氯化铌(NbCl5)。NbCl5在常温常压下是固体。因此，在化学蒸气淀积过程中用作掺杂剂时，五氯化铌便会蒸发和注入气流中。可使用一个鼓泡器，但在生产条件下最好使用诸如薄膜蒸发器等设备，以便将五氯化铌送入气流。其他可能含有铌的化合物也可能包括在本发明范围之内。选择含铌物质的一个重要因素是它的挥发性。一般来说，含铌物质应在0-500°F之间挥发，在本发明优选实施方案中，含铌物质应在300-500°F之间挥发。之所以推荐使用五氯化铌，是因为它的熔点低，而且很容易买到，但是本发明是想将任何一种适合掺杂氧化锡的已知铌化合物都包括在内。
如果氧化锡要掺杂，例如，氟和铌，那麽，氟也可用于普通的氧化锡前体。优选的氟既可以是HF，也可以是三氟醋酸(TFA)，但其它常用的氟源也可包括在本发明的范围之内。
玻璃涂布过程中的锡前体是传统的和本技术领域中众所周知的。特别适合的含锡化合物是二氯化二甲基锡(DMT)。这种物质是众所周知的，而且很容易买到，在已知的浮法玻璃涂料涂布过程中通常都用作锡前体材料。其它已知的锡前体也可在本发明范围内使用。
在完成本发明的至少一种可能的过程中，NbCl5和DMT通过薄膜蒸发器，然后在氦载气中与氧和水混合。氧可以以元素氧或空气的形式提供，这取决于所采用的过程。其它含氧物质当然也可在本方法的范围内使用，但一般最经济的是采用空气或元素氧。如果想掺杂氟的话，可加入任选的含氟物质(优选HF)。然后可将前体材料引入一个涂布器，该涂布器会将前体材料涂到浮法玻璃带的表面上。但是，在引入该材料时要小心，因为NbCl5和水有可能发生过早的反应。然后，通过常用的化学蒸气淀积技术将掺杂了铌的氧化锡薄膜淀积到浮法玻璃带上。
如果将氟和铌加到双掺杂系统中，氟前体和水可通过同一个薄膜蒸发器，虽然这是不必要的。
与传统的氧化锡掺杂氟相反，其中的氟原子取代氧，铌原子取代氧化锡层中的锡原子。铌特别适用于这种过程，因为它的外壳电子构型与锡相似(外壳中有5个电子)，其原子数也相当于锡。因此，从理论上讲，铌很容易取代氧化锡中的锡原子。
我们惊奇地发现，仅掺杂铌就可得到与掺杂氟相似的表面电阻特性。但意外地发现，掺杂氟和铌所得到的表面电阻优于仅掺杂铌或仅掺杂氟的表面电阻。
下列实例(这些实例是本发明人为了实施本发明，目前所希望建立的最佳模式)的目的只是为了进一步阐明和公开本发明的内容，而不能被解释为对本发明的限制：
下面是对表1-4中所列资料的解释：
DMT代表二氯化二甲基锡的流速，以标准升/分表示；
H2O代表水的流速，以标准cm3/分表示；
O2代表氧的流速，以标准升/分表示；
NbCl5代表悬浮在氦中的五氯化铌的流速，以标准升/分表示；
TFA是三氟醋酸的流速，以毫升/小时表示(为了提供无氟的实例，在例1-5中该数值为0)；
SHR代表表面电阻，以欧姆/平方表示；和
厚度是基于颜色测定的以埃表示的计算厚度。
实施例1-5
第一组样品是用传统方法生产的，而且只掺杂了铌。在该样品中，二氯化二甲基锡用作锡源，同时也加入水和氧。NbCl5通过鼓泡器和悬浮在氦载气中。另外加入惰性气体(He)，以便得到理想的总流速。所得涂层的表面电阻用四点探头测定。所得涂层的厚度用颜色分析法进行测定。此外，表面光洁度测量技术可能也已用于测定涂层的厚度。
样品1包括0.6标准升/分的DMT流速。以10.3标准cm3/分的速率加入水。以18标准升/分的速率加入氧。样品1是不含五氯化铌的基线测试样品。样品1的表面电阻约为350-500欧姆/平方，计算厚度约为3800埃。其余样品的表面电阻为16-35欧姆/cm2，计算厚度为3700-4200。掺铌氧化锡的表面电阻试验结果类似于相似厚度的掺氟氧化锡涂层所期望的结果。试验1-5的结果列于表1。
                                 表1
 样品  DMT  H2O  O2  NbCl5  TFA  SHR  厚度
 1  0.6  10.3  18  0  0  350-400  3800
 2  0.6  10.3  18  0.5  0  25  3800
 3  0.6  10.3  18  0.25  0  35  3700
 4  0.6  10.3  18  1  0  16  4200
 5  0.6  10.3  18  0.1  0  20  4200
样品6-12
样品7-12的氧化锡层掺杂了铌和氟两种掺杂剂。在这些试验中，TFA和H2O通过同一个薄膜蒸发器。样品6只用氟掺杂剂进行了试验，用作试验的对比基线。整个试验的DMT、H2O和O2的流速都保持恒定，虽然其水平与样品1-5不同。
从表2可以看出，表面电阻相当于掺氟所得到的表面电阻，但至少在一种情况下该涂层的表面电阻优于单独掺氟氧化锡层的表面电阻。
                                     表2
 样品  DMT  H2O  O2  NbCl5  TFA  SHR  厚度
 6  1.26  7.2  18  0  59.73  14  3200-3700
 7  1.26  7.2  18  0.25  59.73  20  2500-3100
 8  1.26  7.2  18  0.25  59.73  12  3300-3800
 9  1.26  7.2  18  0.35  59.73  14  3300-3800
 10  1.26  7.2  18  0.15  59.73  14  3300-3800
 11  1.26  7.2  18  0.35  40  14  2800-3300
 12  1.26  7.2  18  0.35  70  16  2800-3300
样品13-18
样品13-18还是用不含氟的化合物进行试验，但在这些样品中，水和NbCl5两者的浓度都有了变化。从附表3可以看出，由于样品的条件不同，得到的表面电阻也不同。
                             表3
 样品  DMT  H2O  O2  NbCl5  TFA  SHR  厚度
 13  10  10  5.2  0  0  1500  2800
 14  1  10  5.2  0.5  0  115  4400
 15  1  10  5.2  0.2  0  50  4700
 16  1  6  5.2  0.2  0  50  4700
 17  1  3  5.2  0.2  0  43  4400
 18  1  3  5.2  2.1  0  120  4200
样品19-32
制备了只掺杂铌的额外样品，并用两种不同的DMT浓度和不同量的NbCl5进行了试验。此外，为了得到额外的对比数据，不加掺杂剂对更多的样品进行了试验。从附表4再次可以看出，与不加掺杂剂的样品相比，通过掺杂铌所得到的表面电阻有了明显的改善。
                                 表4
 样品  DMT  H2O  O2  NbCl5  TFA  SHR  厚度
 19  0.64  10  18  0  0  700  1800
 20  0.64  10  18  0  0  500  1800
 21  0.64  10  18  0.25  0  50-70  1800
 22  0.64  10  18  0.35  0  60-70  1200-1500
 23  0.64  10  18  0.45  0  60-80  1200
 24  0.64  10  18  0.15  0  120-140  1200-1500
 25  0.64  10  18  0  0  400  2600
 26  1  10  18  0  0  400-700  3000
 27  1  10  18  0  0  450-800  3200
 28  1  10  18  0.25  0  35-40  3200
 29  1  10  18  0.35  0  30-35  3200
 30  1  10  18  0.55  0  30-35  2000-2500
 31  1  10  18  1  0  35-40  1800-2100
 32  1  10  18  0.12  0  60-70  3200
当测试霍尔效应时，可以看到掺铌样品的另一个优点。测试霍尔效应是沿样品的纵轴通电流。然后，让磁场垂直于样品的平面，产生穿过样品的感应电流，即垂直于施加电流的方向。已知，感应电压是载电子的电流(ne)数和物质迁移率(σ)的函数。文献中报道的掺氟氧化锡的已知最高(ne)值是约5.5×1020电子/立方厘米(e-/cm3)。样品8的试验指出了约7-8×1020e-/cm3的电子密度，这比文献中报道的值有了明显的提高。载电子电流数量与表面电阻和辐射系数成反比，因此说明，如果掺铌氧化锡中有较高数量的电子可用来载电流，就可得到甚至更低的辐射系数和表面电阻值，同时，这也是玻璃上掺铌氧化锡涂层的特性有了改善的进一步信号。

Claims (17)

1.一种制造带涂层玻璃制品的方法，该方法包括如下步骤：
提供一种在高温下的玻璃基材，该玻璃基材具有准备在其上面淀积涂层的表面；
形成一种包括含锡化合物、含氧化合物、惰性载气和含铌化合物的前体混合物，然后，在要涂布的表面和沿其表面引入前体混合物，以便在玻璃基材的表面形成涂层；和
将涂布的玻璃基材冷却至环境温度。
2.权利要求1的方法，其中，含铌化合物是五氯化铌。
3.权利要求1的方法，其中，前体混合物中还包括含氟化合物。
4.权利要求3的方法，其中，含氟化合物选自氟化氢和三氟醋酸。
5.权利要求1的方法，其中，前体混合物包括H2O。
6.权利要求1的方法，其中，所形成的涂层厚度为2500-3800。
7.一种制造涂布玻璃制品的方法，该方法包括如下步骤：
提供一种玻璃基材，该玻璃基材具有准备在其上面淀积涂层的表面；
往准备淀积涂层的表面引入含锡化合物、含氧化合物和含铌化合物，以便在玻璃基材的表面形成涂层。
8.权利要求7的方法，其中，含铌化合物是五氯化铌。
9.权利要求7的方法，其中，前体混合物还包括含氟化合物。
10.权利要求9的方法，其中，含氟化合物选自氟化氢和三氟醋酸。
11.权利要求7的方法，其中，前体化合物包括H2O。
12.权利要求7的方法，其中，所形成的涂层厚度为2500-3800。
13.一种用于玻璃基材的包含掺铌的氧化锡的涂层。
14.权利要求13的涂层，另外掺杂了氟。
15.一种包含玻璃基材的涂布玻璃制品，其表面上涂有掺杂铌的氧化锡涂层。
16.权利要求15的涂布玻璃制品，其中的涂层另外掺杂了氟。
17.权利要求15的涂布玻璃制品，其中，玻璃基材是浮法玻璃带和上述涂层通过热解淀积到该浮法玻璃带上。
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