CN1807322A - 无光污染的二层膜结构镀膜玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无光污染的二层膜结构镀膜玻璃。首先在玻璃基板上沉积一层透明导电薄膜，再在透明导电薄膜上沉积一层与之匹配的光学减反射膜。透明导电膜是ZrNx、TiNx、HfNx中的一种或一种以上的混合物，其中0.6≤x≤1.5；光学减反射膜的折射率n在光波长550纳米处1.5≤n≤2.7。经过光学减反射设计，该二层膜结构镀膜玻璃的可见光反射率可降低到8％左右，可见光透过率在33％－45％之间(中等程度透明)。这种无光污染的节能镀膜玻璃具有膜层结构简单，成本低廉，抗腐蚀，耐久性强等优点，可以以单片玻璃的形式在建筑中和车船中使用。
Description
技术领域
本发明属于玻璃材料技术领域，具体地是涉及一种无光污染的二层膜结构镀膜玻璃。
背景技术
玻璃幕墙的广泛使用是现代社会高层建筑的一个显著特征。它将建筑物的墙体及门窗合为一体，兼具建筑外围结构围护功能和装饰功能，凸显建筑物的现代感和艺术性。玻璃幕墙在上世纪八十年代初引入我国，经过二十多年的发展，如今已广泛遍及我国大中城市。到2004年底，仅北京市就有幕墙建筑2000座，面积1400万平方米。上海有幕墙建筑1300座，幕墙总面积超过1000万平方米。我国每年有数百万平方米的幕墙投入使用，并以10％的速度继续增长。据统计，我国已成为世界上最大的玻璃幕墙生产国和使用国。
然而，随着能源紧缺局面的恶化与建筑节能工作的开展，人们逐渐意识到玻璃幕墙在能源消耗方面的缺陷。使用普通透明玻璃建造的幕墙，其传热系数高，对太阳光和红外热辐射没有有效的限制，整栋大楼夏热冬冷效应十分明显，必须常年采用空调调节室温，耗能十分巨大。我国新出台的《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)明确规定：玻璃幕墙不能使用普通玻璃，必须使用节能玻璃。
目前市面上的节能幕墙玻璃主要包括低辐射玻璃(Low-E)和阳光控制(或太阳热反射)玻璃(Sun-E)。尽管国家对幕墙玻璃的反射率作了“限定”(见《玻璃幕墙光学性能》(GB/T18091-2000)中的有关规定)，但这个“限定”其实正是上述两类玻璃本身光学性能参数。除了个别颜色的节能玻璃(如无色透明和浅灰色Low-E玻璃)有较低的可见反射率(约10％)，其它绝大部分颜色的玻璃都在30％左右。
另外，镀有单层具红外反射功能膜材的镀膜玻璃虽然在光学和热工性能不及Sun-E或Low-E，但工艺简单，价格低廉，在节能应用上应该也是个不错的选择。但这类镀膜玻璃也表现出较高的可见光反射率。普通的没有镀膜的透明平板玻璃反射率约为8％，而镀膜后玻璃的反射率上升至20-30％甚至更高。当日光照射到镀膜玻璃表面上时由于玻璃的反射作用在近距离内会产生强烈的反射眩光，造成所谓的光污染。
光污染可能会导致严重的意外交通事故，一幢幢玻璃幕墙大厦，就如一块块巨大的镜子，对日光和各种灯光进行(多次)反射。刺眼的反射光进入高速行驶的汽车内，会造成驾驶员的突然失明或视力错觉，严重危害行人和司机的交通安全。建在居住小区附近的玻璃幕墙，将日光、广告照明或城市泛光照明反射到居民家中，给居民的生活和工作环境造成不良影响。国家环保总局每年都收到多起来自全国各地有关光污染的投诉。
为缓解光污染的问题，我国在幕墙玻璃的使用上有比较明确的规定，对幕墙玻璃建筑的地理位置、方向及高度等等都作了限制。如规定新建建筑不准建设整面玻璃幕墙，不要将玻璃幕墙建筑物安排过于集中，或在居民区集中的地方，不面向居民楼设置玻璃幕墙等等。但幕墙玻璃作为现代建筑的显著特征，不但能美化城市环境，还能节约建材，减轻建筑物的自重等优点，如果能从根本上有效降低玻璃的反射率，克服光污染的缺点，同时使之兼具节能降耗的功能，幕墙玻璃必然会得到更广泛的使用，这有利于促进我国环境友好型和节约型社会的形成。
发明内容
本发明的目的是利用透明导电体的热反射特性和光学减反射技术原理，提供一种低反射无光污染的二层膜结构镀膜玻璃。
为实现以上目的，本发明采取了以下技术方案：在玻璃基底上镀有一层透明导电膜，再在透明导电膜上镀有一层与之匹配的光学减反射膜。
在本发明中，透明导电膜是IVB族金属氮化物薄膜，所述金属氮化物包括TiNx，ZrNx，HfNx(0.6≤x≤1.5)等中的一种或它们之间的混合物。这些金属氮化物薄膜与金属薄膜(如Ag、Au、Al等)的光学特性接近：红外区域高反射，可见光区域强吸收。薄膜厚度在80纳米以下时，有一定的可见光透过率。
IVB族金属氮化物薄膜沉积在玻璃上时为金色，可见光反射率较高，膜厚40nm时在35％以上，高于建设部颁布的《玻璃幕墙光学性能》(GB/T18091-2000)中的有关规定(金色时反射要求低于26％)。因此，IVB族金属氮化物薄膜必须借助于光学减反射设计才能在实际中使用。
IVB族金属氮化物在可见光波段内折射率在1.0附近，消光系数也比较大，且随波长的增加而增大。
针对IVB族金属氮化物光学常数，根据减反射原理，光学减反射膜的折射率n在光波长550纳米处为1.5≤n≤2.7，。对应的膜材包括但不局限于：ZnS、Nb2O5、TiO2、TeO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、CeO2、SiNx(0.5≤x≤1.6，x＝1.33时为Si3N4)、SnO2、In2O3、ITO、Y2O3、Al2O3、AlN、MgO、Sc2O3、ZnO、WO3、SiO、SiOaNb、SiO2等中的一种或一种以上的混合物，基于工艺和性能上的考虑，光学减反射膜优选ZrO2、TiO2、AlN、Al2O3和Si3N4，这些膜材对透明导电膜也有很好的保护左右。透明导电膜的薄膜几何厚度为10～80纳米，光学减反射膜相应的匹配厚度为10～300。
在上述二层膜沉积之前，也可在玻璃基板上先沉积一层SiO2过渡层以防止玻璃基质中的杂质扩散到透明导电膜中。由于SiO2过渡层的折射率与玻璃基板接近，上述二层膜结构的光学性能不会受到影响。
经过优化设计后，本发明中的镀膜玻璃的反射率可从减反射前30％以上降低至8％左右，与普通透明平板玻璃的反射率相当。同时，该镀膜玻璃的透过率也从减反射前的20％左右提升至30％以上，窗户采光效能得到一定的改善。
本发明所述的镀膜玻璃的透明导电膜的作用是反射热红外，实现玻璃窗的隔热保温功能，达到节能降耗的目的：光学减反射膜的作用是降低可见光反射率并增强窗户的采光性能。无光污染的红外反射二层膜结构镀膜玻璃具有膜层结构简单，成本低廉，抗腐蚀，耐久性强等优点。
本发明中透明导电膜与减反射膜都有很好的理化性能，不需密封，实施中可以以单片玻璃的形式使用。为了获得更好的隔热效果，也可以应用于复层装配的玻璃体中，其特征在于它与第二个装配玻璃板处于平行间隔关系。
附图说明
图1是本发明的二层膜结构镀膜玻璃结构示意图，其中有玻璃基质1，透明导电膜2，光学减反射膜3。
图2是透明导电薄膜ZrN及TiN折射率n及消光系数k的色散关系图。薄膜采用磁控溅射方式，使用相应的金属靶材，在Ar与N2的混合气体中溅射沉积。光学常数由光谱椭偏仪测得。
图3是实施例1中，TiO2减反射膜沉积前(虚线)和沉积后(实线)的反射光谱和透过光谱图。
图4是实施例5中，Si3N4减反射膜沉积前(虚线)和沉积后(实线)的反射光谱和透过光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明，但本发明保护范围不仅限于以下实施例，凡是属于本发明内容包含的技术方案，均属于本专利的保护范围。
利用薄膜的光学常数(见图2)对光学多层膜系的进行计算，可得到有关减反射膜的最佳条件，即最佳的折射率和薄膜厚度。
下面的实施例中的透明导电薄膜以及减反射薄膜均采用常规磁控溅射工艺沉积得到。该磁控溅射系统包含一个样品预置室和一个主溅射室(直径45cm)。主溅射室与一个分子扩散泵连接，背景真空度为2.0×10-6Pa。溅射室有三个靶位可供安装三个直径为2英寸的不同靶材。每个靶位以30°角度向上倾斜，可以共聚焦方式共溅射或三靶独立的方式溅射。样品载台可升温并可在溅射过程中匀速转动以保证成膜的均匀性。
实施例1：
将玻璃基片先后放入酒精和丙酮溶液中在超声池中清洗15分钟后，用氮气吹干，通过样品预置室放入主真空溅射室。放入主真空溅射室。透明导电膜的沉积条件如下：靶材为金属Zr，工作气体为高纯度Ar和N2的混合气体，Ar气流量32sccm(立方厘米/秒)，N2气流量4.3sccm(立方厘米/秒)溅射室气体工作压力0.67Pa，射频功率40W，玻璃基板温度400℃，沉积时间20分钟。减反射膜沉积的条件如下：靶材为陶瓷TiO2，工作气体为高纯度Ar气，流量32sccm，溅射室气体工作压力0.6Pa，射频功率120W，玻璃基板温度400℃，沉积时间30分钟。沉积完毕后的膜层结构为：TiO2(25nm)/ZrN(40nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约5％，可见光透过率38％。参见图3。
实施例2：
玻璃基片经过如实施例1的清洗过程，放入主真空溅射室。透明导电膜ZrN的沉积条件完全同实施例1，沉积时间20分钟。减反射膜沉积的条件如下：靶材为半导体Si，工作气体为高纯度Ar和N2的混合气体，Ar气流量32sccm，N2气流量2.8sccm，溅射室气体工作压力0.65Pa，射频功率80W，玻璃基板温度400℃，沉积时间25分钟。沉积完毕后的膜层结构为：Si3N4(40nm)/ZrN(40nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约8％，可见光透过率36％。
实施例3：
透明导电膜ZrN的沉积条件完全同实施例1。减反射膜沉积的条件如下：靶材为陶瓷ZnO，工作气体为高纯度Ar气，流量32sccm，溅射室气体工作压力0.6Pa，射频功率40W，玻璃基板温度400℃，沉积时间15分钟。沉积完毕后的膜层结构为：ZnO(40nm)/ZrN(40nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约8％，可见光透过率33％。
实施例4：
透明导电膜ZrN的沉积条件完全同实施例1。减反射膜沉积的条件如下：靶材为金属Al，工作气体为高纯度Ar和N2的混合气体，Ar气流量32sccm，N2气流量4.6sccm，溅射室气体工作压力0.68Pa，射频功率40W，玻璃基板温度400℃，沉积时间32分钟。沉积完毕后的膜层结构为：AlN(25nm)/ZrN(40nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约9％，可见光透过率34％。
实施例5：
玻璃基片经过如实施例1的清洗过程，放入主真空溅射室。透明导电膜ZrN的沉积条件完全同实施例2，沉积时间15分钟。减反射膜沉积的条件亦与实施例2相同，沉积时间95分钟。沉积完毕后的膜层结构为：Si3N4(160nm)/ZrN(30nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约4％，可见光透过率43％。参见图4
实施例6：
玻璃基片经过如实施例1的清洗过程，放入主真空溅射室。透明导电膜的沉积条件如下：靶材为金属Ti，工作气体为高纯度Ar和N2的混合气体，Ar气流量32sccm，N2气流量4.1sccm溅射室气体工作压力0.67Pa，射频功率40W，玻璃基板温度400℃，沉积时间22分钟。减反射膜沉积的条件完全同实施例2，沉积时间18分钟。沉积完毕后的膜层结构为：Si3N4(40nm)/TiN(30nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约4％，可见光透过率约37％。
实施例7：
玻璃基片经过如实施例1的清洗过程，放入主真空溅射室。透明导电膜的沉积条件如下：靶材为金属Hf，工作气体为高纯度Ar和N2的混合气体，Ar气流量32sccm，N2气流量5.7sccm溅射室气体工作压力0.68Pa，射频功率40W，玻璃基板温度400℃，沉积时间37分钟。减反射膜沉积的条件完全同实施例2，沉积时间18分钟。沉积完毕后的膜层结构为：Si3N4(40nm)/HfN(30nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约7％，可见光透过率约33％。
实施例8：
透明导电膜的沉积条件如下完全同实施例6，沉积时间22分钟。减反射膜沉积的条件如下：靶材为陶瓷Al2O3，工作气体为高纯度Ar，气流量10sccm，溅射室气体工作压力0.2Pa，射频功率160W，玻璃基板温度400℃，沉积时间45分钟。沉积完毕后的膜层结构为：Al2O3(60nm)/TiN(30nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约7％，可见光透过率约35％。
实施例9：
透明导电膜的沉积条件如下完全同实施例6，沉积时间22分钟。减反射膜沉积的条件如下：靶材为金属Zr，工作气体为高纯度Ar和O2的混合气体，Ar气流量为32sccm，O2气流量为0.6sccm，溅射室气体工作压力0.6Pa，射频功率40W，玻璃基板温度400℃，沉积时间18分钟。沉积完毕后的膜层结构为：ZrO2(36nm)/TiN(30nm)/玻璃。得到的光学性能指标如下：可见光反射率约5％，可见光透过率约36％。
实施例10：
透明导电膜的沉积条件如下完全同实施例6，沉积时间22分钟。减反射膜的沉积条件如下：靶材为Al2O3，工作气体为Ar，流量10sccm，溅射室气体工作压力0.2Pa，射频功率160W，基板温度400℃，沉积时间25分钟。沉积完毕后的膜层结构为：Al2O3(30nm)/TiN(30nm)/玻璃。获得的光学性能指标如下：可见光反射率约6％，可见光透过率约33％。
在以上实施例中，在所述二层膜沉积之前，也可在玻璃基板上先沉积一层SiO2过渡层，实验效果不受影响。
Claims (6)
1.一种无光污染的二层膜结构镀膜玻璃，其特征是：在玻璃基底上镀有一层透明导电膜和一层相应的光学减反射膜，光学减反射膜镀在透明导电膜的上方。
2.根据权利要求1中所述的光污染的二层膜结构镀膜玻璃，其特征是：在玻璃基底与透明导电膜之间沉积有SiO2过渡层。
3.根据权利要求1中所述的无光污染的二层膜结构镀膜玻璃，其特征是：所述透明导电膜是ZrNx、TiNx、HfNx中的一种或一种以上的混合物，其中0.6≤x≤1.5；所述光学减反射膜的折射率n在光波长550纳米处1.5≤n≤2.7。
4.根据权利要求3中所述的无光污染的二层膜结构镀膜玻璃，其特征是：所述光学减反射膜为ZnS、Nb2O5、TiO2、TeO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、CeO2、SiNx(0.5≤x ≤1.6)、SnO2、In2O3、ITO、Y2O3、Al2O3、AlN、MgO、Sc2O3、ZnO、WO3、SiO、SiOaNb(1≤a≤2，0≤b≤1)、SiO2中的一种或一种以上的混合物。
5.根据权利要求4中所述的无光污染的二层膜结构镀膜玻璃，其特征是：所述光学减反射膜为ZrO2、TiO2、Al2O3、AlN、Si3N4中的一种。
6.根据权利要求1～5中任一所述的无光污染的二层膜结构镀膜玻璃，其特征是：所述透明导电膜的几何厚度为10～80纳米，所述光学减反射膜的几何厚度为10～300纳米。
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