DE102011105718B4 - Semitransparent layer system with high IR reflection, process for its production and architectural glass element - Google Patents
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Abstract
Teiltransparentes IR-reflektierendes Schichtsystem (1), welches auf einem transparenten Substrat (2) angeordnet ist und vom Substrat (2) aufwärts eine Grundschichtanordnung zumindest mit einer dielektrischen Grundschicht (6), eine Funktionsschichtanordnung zumindest mit einer IR-Reflexionsschicht (10) und eine Deckschichtanordnung zumindest mit einer dielektrischen Deckschicht (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (2) und der Grundschichtanordnung eine im Wellenlängenbereich der solaren Globalstrahlung teilabsorbierende, sehr hoch brechende Schicht, nachfolgend als Teilabsorptionsschicht (4) bezeichnet, mit einem Brechungsindex von 2,6 und größer angeordnet ist.Partially transparent IR-reflecting layer system (1), which is arranged on a transparent substrate (2) and has a base layer arrangement with at least one dielectric base layer (6), a functional layer arrangement with at least one IR reflection layer (10) and a layer from the substrate (2) upwards Cover layer arrangement comprising at least one dielectric cover layer (14), characterized in that between the substrate (2) and the base layer arrangement is a very highly refractive layer, partially absorbing in the wavelength range of solar global radiation, hereinafter referred to as partial absorption layer (4), with a refractive index of 2 , 6 and larger is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft ein teiltransparentes Schichtsystem mit hoher IR-Reflexion, welches auf einem transparenten Substrat angeordnet ist. Sie betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems sowie ein Architekturglaselement, die solch ein IR-reflektierendes Schichtsystem umfasst.The invention relates to a partially transparent layer system with high IR reflection, which is arranged on a transparent substrate. It also relates to a method for producing such a layer system and to an architectural glass element comprising such an IR-reflecting layer system.
Transparente IR-reflektierende Schichtsysteme, zu denen auch die teiltransparenten Schichtsysteme zu zählen sind und die nachfolgend als IR-reflektierende Schichtsysteme bezeichnet werden, sind als sogenannte LowE-Schichtsysteme in Wärmedämmverglasungen bekannt. Sie sollen die Wärmeabstrahlung verhindern, d. h. eine geringe Energie-Emission aufweisen. Gemäß Kirchhoffschem Strahlungsgesetz ist dies gleichbedeutend mit geringer Absorption und einer hohen Reflexion im Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung (IR) von >> 3 μm. Entsprechend verschiedener Anwendungen ist gleichzeitig entweder eine hohe Transmission oder eine gezielt einstellbare Transmission im Bereich der solaren Globalstrahlung (solare Energietransmission) gewünscht, welcher die Wellenlängenbereiche des nahen Infrarot (NIR) und des sichtbaren Lichts (VIS) von 300 nm bis < 3 μm (Solar-Bereich) umfasst. Das Verhältnis von Transmission, beschränkt auf den sichtbaren Lichtbereich, relativ zur Energietransmission kennzeichnet die Filterwirkung für sichtbares Licht und wird als Selektivität bezeichnet. In Gebäudeverglasungen wird in klimatischen Regionen mit überwiegendem Energieverlust eine hohe solare Energietransmission der Verglasung bevorzugt, wodurch sich ein solarer Energiegewinn ergibt, während in klimatischen Regionen, in denen der Energieeintrag durch die Verglasung überwiegt, eine geringe Energietransmission und damit verbunden eine hohe Selektivität der eingesetzten Verglasung von Vorteil ist.Transparent IR-reflecting layer systems, which include the partially transparent layer systems and which are referred to below as IR-reflecting layer systems, are known as so-called low-E layer systems in thermal insulation glazings. They are to prevent the heat radiation, d. H. have a low energy emission. According to Kirchhoffschem radiation law this is synonymous with low absorption and high reflection in the wavelength range of infrared radiation (IR) of >> 3 microns. According to various applications, either a high transmission or a specifically adjustable transmission in the range of global solar radiation (solar energy transmission) is desired, which covers the wavelength ranges of the near infrared (NIR) and visible light (VIS) of 300 nm to <3 μm (Solar Area). The ratio of transmission, limited to the visible light range, relative to the energy transmission characterizes the filter effect for visible light and is referred to as selectivity. In building glazings in climatic regions with predominant energy loss a high solar energy transmission of the glazing is preferred, resulting in a solar energy gain, while in climatic regions where the energy input through the glazing predominates, a low energy transmission and thus high selectivity of the glazing used is beneficial.
Im ersten Fall der in Wärmedämmverglasungen benötigten Ausführungen des LowE-Schichtsystems ist eine steile Kante im Übergang vom NIR zum IR des Lichtes gewünscht, die einen starken Abfall der Transmission und einen starken Anstieg der Reflexion repräsentiert, wobei regelmäßig die Reflexions-Transmissionskante mit steigender Zahl der funktionalen IR-Reflektionsschichten steiler wird. Im zweiten Fall, der auch als Sonnenschutzverglasung (LowE-Sun) bezeichnet wird, ist die Transmission im gesamten Solar-Bereich reduziert und/oder es ist gezielt ein Farbton des Schichtsystems einstellbar. Weiterhin ist die oben beschriebene Kante des Transmissionsabfalls vorzugsweise in Richtung des Übergangs vom sichtbaren (VIS) zum Nahinfrarot-(NIR)Spektralbereich, der an ca. 800 nm liegt, verschoben.In the first case of required in thermal insulation glazing versions of the LowE layer system, a steep edge in the transition from NIR to IR of the light is desired, which represents a large drop in transmission and a sharp increase in reflection, regularly the reflection transmission edge with increasing number of functional IR reflection layers becomes steeper. In the second case, which is also referred to as sun protection glazing (LowE-Sun), the transmission is reduced in the entire solar range and / or it is specifically a hue of the layer system adjustable. Furthermore, the above-described edge of the transmission drop is preferably shifted in the direction of the transition from the visible (VIS) to the near infrared (NIR) spectral range, which is about 800 nm.
Allgemein umfasst ein IR-reflektierendes Schichtsystem vom Substrat aufwärts betrachtet zunächst eine Grundschichtanordnung, welche insbesondere der Haftung des Systems auf dem Glas, der chemischen und/oder mechanischen Beständigkeit und/oder der Einstellung optischer Eigenschaften des Systems, z. B. der Entspiegelung dient.Generally, an IR-reflective layer system, viewed from the substrate upwards, first comprises a base layer arrangement, which in particular has the adhesion of the system to the glass, the chemical and / or mechanical resistance and / or the adjustment of optical properties of the system, e.g. B. the anti-reflection is used.
Über der Grundschichtanordnung folgt eine Funktionsschichtanordnung, welche die IR-Reflexionsschicht umfasst sowie optional weitere Schichten, welche diese Funktion unterstützen und die Beeinflussung deren optischen, chemischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften ermöglichen können. Regelmäßig bestehen die IR-Reflexionsschichten aus einem Edelmetall, meist Silber, oder einer Edelmetalllegierung. Es werden auch andere Materialien eingesetzt, meist Schichten, die metallisches oder dielektrisches Nickel oder Chrom oder Legierungen von beiden umfassen. Diese Materialien erfordern wiederum eine Anpassung der übrigen, zum Schichtsystem gehörigen Schichten. Zu den optional ergänzenden Schichten der Funktionsschichtanordnung zählen insbesondere Blockerschichten, die Diffusions- und Migrationsvorgänge in der Funktionsschicht verhindern oder zumindest deutlich reduzieren und über und/oder unter einer IR-Reflexionsschicht angeordnet werden, als auch absorbierende Schichten, durch die sich die Lichttransmission des Schichtsystems einstellbar gestalten lässt.The base layer arrangement is followed by a functional layer arrangement, which comprises the IR reflection layer and, optionally, further layers which support this function and enable it to influence its optical, chemical, mechanical and electrical properties. Regularly, the IR reflection layers consist of a noble metal, usually silver, or a noble metal alloy. Other materials are also used, most often layers comprising metallic or dielectric nickel or chromium or alloys of both. These materials in turn require adaptation of the remaining layers belonging to the layer system. The optional complementary layers of the functional layer arrangement include, in particular, blocking layers which prevent or at least significantly reduce diffusion and migration processes in the functional layer and are arranged above and / or below an IR reflection layer, as well as absorbing layers, by means of which the light transmission of the layer system can be adjusted let shape.
Nach oben abgeschlossen wird ein IR-reflektierendes Schichtsystem durch eine Deckschichtanordnung, die zumindest eine mechanisch und/oder chemisch stabilisierende Schutzschicht umfasst. Diese kann selbst oder durch ergänzende Schichten auch die optische Wirkung des Schichtsystems beeinflussen, z. B. eine Entspiegelung unter Ausnutzung von Interferenzeffekten, so dass gegebenenfalls auch in Verbindung mit einer entspiegelnden hoch brechenden Grundschicht die Transmission erhöht werden kann. Die Deckschichtanordnung besteht üblicherweise aus einer oder mehr Schichten eines dielektrischen Oxids oder Nitrids eines Metalls oder eines Halbleiters, bei mehr als einer Schicht mit wechselndem Brechungsindex. Letzteres ist als High-Low-Schichtanordnung bekannt. Als hoch brechend werden bei Schichtsystemen allgemein Materialien bezeichnet, deren Brechungsindex im Bereich von 1,8 bis 2,6, bevorzugt um die 2,0 liegt. Dabei steht zum Vergleich das Substrat, meist Floatglas, welches mit ca. 1,52 dagegen einen niedrigen Brechungsindex aufweist. Diese hoch brechenden dielektrischen Materialien gelten als absorptionsfreie Materialien, was sie für die beschriebene optische Funktion qualifiziert.An IR-reflecting layer system is terminated at the top by a cover layer arrangement which comprises at least one mechanically and / or chemically stabilizing protective layer. This can affect itself or through complementary layers and the optical effect of the layer system, for. As an antireflection taking advantage of interference effects, so that optionally also in conjunction with an anti-reflective high-refractive base layer, the transmission can be increased. The cover layer assembly usually consists of one or more layers of a dielectric oxide or nitride of a metal or a semiconductor, with more than one layer of varying refractive index. The latter is known as a high-low layer arrangement. High refractive index materials are generally used in layer systems whose refractive index is in the range from 1.8 to 2.6, preferably around 2.0. For comparison, the substrate, usually float glass, which has a low refractive index of about 1.52 on the other hand. These high refractive dielectric materials are considered as non-absorbent materials, qualifying them for the described optical function.
Der Begriff der „Schichtanordnung” umfasst wie beschrieben im Regelfall mehr als eine Schicht, schließt aber ebenso ein, dass eine Schichtanordnung nur aus einer Einzelschicht besteht, die für sich die jeweilige Funktion realisiert. Die Zuordnung einzelner Schichten zur Grund-, Funktions-, Deck- oder weiterer Schichtanordnung ist nicht in jedem Fall eindeutig vorzunehmen, da jede Schicht sowohl auf die benachbarten Schichten als auch auf das gesamte System Einfluss hat. Allgemein erfolgt eine Zuordnung einer Schicht anhand ihrer Funktion.The term "layer arrangement" as described generally comprises more than one layer, but also includes that a Layer arrangement consists only of a single layer, which realizes the respective function. The assignment of individual layers to the basic, functional, covering or further layer arrangement is not always unambiguous, since each layer has an influence on both the adjacent layers and on the entire system. Generally, a layer is assigned based on its function.
So werden einer Grundschichtanordnung allgemein solche Schichten zugerechnet, die primär einen Mittler zwischen dem Substrat und der weiteren Schichtenfolge darstellen. Weitere Schichten der Grundschichtanordnung können auch die Eigenschaften des Schichtsystems als Ganzes beeinflussen, wie z. B. Entspiegelungsschichten oder Schutzschichten.Thus, a base layer arrangement is generally attributed to those layers which primarily represent a mediator between the substrate and the further layer sequence. Other layers of the base layer arrangement can also influence the properties of the layer system as a whole, such. B. anti-reflection layers or protective layers.
Die Funktionsschichtanordnung umfasst neben der IR-Reflexionsschicht auch solche Schichten, die deren Eigenschaften direkt beeinflussen, wie Blockerschichten zur Unterdrückung von Diffusionsvorgängen benachbarter Schichten in die IR-Reflexionsschicht oder wie Vermittlerschichten, die der Haftung oder der Einstellung elektrischer und optischer Einstellungen der benachbarten Schicht dienen.In addition to the IR reflection layer, the functional layer arrangement also includes those layers which directly influence their properties, such as blocking layers for suppressing diffusion processes of adjacent layers into the IR reflection layer or such as intermediary layers which serve to adhere or adjust electrical and optical settings of the adjacent layer.
Schichten der Deckschichtanordnung schließen das Schichtsystem nach oben ab und können wie auch die Grundschichtanordnung funktional das gesamte System betreffen.Layers of the cover layer arrangement close off the layer system and, like the base layer arrangement, can functionally affect the entire system.
Ein derart aufgebautes, so genanntes Single-Low-E kann durch Einfügung einer (Double-Low-E) oder mehrerer weiterer Funktionsschichtanordnung, die durch Koppel- oder Mittelschichtanordnungen auf der ersten Funktionsschichtanordnung aufgebaut sind, ergänzt werden. Auch für die Zuordnung einer Schicht zur Mittelschichtanordnung sind die obigen Betrachtungen zugrunde zu legen. Die jeweilige Abfolge von Einzelschichten und Schichtanordnungen kann entweder innerhalb einer Schichtanordnung oder in der Aufeinanderfolge der Schichtanordnungen so modifiziert werden, dass spezielle, durch die Anwendung oder den Herstellungsprozess entstehende Anforderungen erfüllt werden können.Such a so-called single-low E can be supplemented by insertion of a (double-low-E) or several further functional layer arrangement, which are constructed by coupling or middle layer arrangements on the first functional layer arrangement. The above considerations should also be used for the assignment of a layer to the middle layer arrangement. The particular sequence of monolayers and layer arrangements can be modified either within a layer arrangement or in the sequence of layer arrangements so that specific requirements arising from the application or the manufacturing process can be met.
So treten im Verlauf der Herstellung des Schichtsystems verschiedene Temperaturbelastungen in bereits aufgebrachten Schichtenfolgen auf, die durch einen mit der Abscheidung verbundenen Energieeintrag oder verschiedene Behandlungsschritte abgeschiedener Schichten bedingt sind.Thus, in the course of the production of the layer system, different temperature loads occur in already applied layer sequences, which are caused by an energy input associated with the deposition or different treatment steps of deposited layers.
Darüber hinaus werden IR-reflektierende Schichtsysteme zur Härtung und/oder Umformung des Substrates häufig Temperprozessen unterzogen. In diesem Fall weisen sie eine solche Schichtenfolge mit solchen Schichteigenschaften auf, die es erlauben, ein das Schichtsystem tragendes Substrat einer Wärmebehandlung zu unterziehen und dabei auftretende Änderungen der optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften des Schichtsystems innerhalb definierter Grenzen zu halten. Je nach Anwendung eines beschichteten Substrates ist dessen Schichtsystem im Temperprozess in unterschiedlichen Zeitregimes unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ausgesetzt.In addition, IR-reflecting layer systems for curing and / or forming the substrate are often subjected to annealing processes. In this case, they have such a layer sequence with such layer properties, which make it possible to heat-treat a substrate carrying the layer system and to keep occurring changes in the optical, mechanical and chemical properties of the layer system within defined limits. Depending on the application of a coated substrate, its layer system is exposed to different climatic conditions in the annealing process in different time regimes.
Aufgrund solcher Temperaturbelastungen kommt es zu verschiedenen, das Reflexionsvermögen der IR-Reflexionsschicht und die Transmission des Schichtsystems ändernden Vorgängen, insbesondere zur Diffusion von Komponenten der Entspiegelungsschicht in die IR-Reflexionsschicht und umgekehrt und infolge dessen zu Oxidationsprozessen in der IR-Reflexionsschicht.As a result of such temperature loads, there are various processes which change the reflectivity of the IR reflection layer and the transmission of the layer system, in particular for the diffusion of components of the anti-reflection layer into the IR reflection layer and vice versa, and consequently to oxidation processes in the IR reflection layer.
Zur Vermeidung solcher Diffusions- und Oxidationsvorgänge wird ein- oder beidseitig der IR-Reflexionsschicht eine Blockerschicht eingefügt, die als Puffer für die diffundierenden Komponenten dient. Diese Blockerschichten sind entsprechend der auftretenden Temperaturbelastung strukturiert und angeordnet und schützen die empfindliche oft sehr dünne IR-Reflexionsschicht oder die IR-Reflexionsschichten vor dem Einfluss benachbarter Schichten. Durch das Einfügen einer oder mehrerer Blockerschichten werden insbesondere Farbverschiebungen des Schichtsystems sowie die Zunahme des Flächenwiderstandes des Schichtsystems infolge des Temperprozesses vermindert. Als Blockerschichten temperfähiger Schichtsysteme sind insbesondere NiCr- oder NiCrOx-Schichten bekannt, welche die IR-reflektierenden Silberschichten einschließen oder sie zumindest einseitig schützen.To avoid such diffusion and oxidation processes, a blocker layer is inserted on one or both sides of the IR reflection layer, which serves as a buffer for the diffusing components. These blocking layers are structured and arranged in accordance with the temperature load that occurs and protect the sensitive, often very thin IR reflection layer or the IR reflection layers from the influence of adjacent layers. By inserting one or more blocking layers, in particular color shifts of the layer system as well as the increase of the surface resistance of the layer system as a result of the annealing process are reduced. In particular, NiCr or NiCrOx layers which include the IR-reflecting silver layers or protect them at least on one side are known as blocking layers of temperature-capable layer systems.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Reflexions- und Transmissionseigenschaften des Schichtsystems auch durch Diffusionsprozesse beeinflusst werden, die vom Glas ausgehen. Um hierauf Einfluss zu nehmen, wurde in der
IR-reflektierende Schichtsysteme finden insbesondere in der Architektur Anwendung, wo große Wandanteile durch Glas gestaltet sind und die geringe Emissivität und hohe IR-Reflexion wichtig ist, um entweder Wärmeeintritt oder Wärmeaustritt zu vermindern. Zunehmend tritt neben der Funktionalität der beschichteten Gläser auch deren ästhetische Wirkung in den Vordergrund. In der
In neuerer Zeit werden auch LowE-Sun-Systeme in bestimmten Farben als Ersatz für die meist sehr farbintensiven nichtselektiven Schichtsysteme der Solar-Control-Familie nachgefragt. Derzeit entsprechen diese Schichten insbesondere für goldene Reflexionsfarben nicht den energetischen Anforderungen an LowE-Systeme, da sie eine zu geringe Selektivität und eine zu hohe Emissivität aufweisen.More recently, LowE-Sun systems in certain colors have been in demand as a replacement for the usually very color-intensive non-selective coating systems of the Solar Control family. Currently, these layers do not meet the energy requirements for LowE systems, in particular for golden reflection colors, because they have too low a selectivity and too high an emissivity.
Versuche, ein LowE-Sun-Schichtsystem mit goldfarbener Glasseitenreflexion durch Modifikationen der Schichtparameter von typischen IR-reflektierenden Schichtsystemen mit der derzeit üblichen neutralen, zumeist aber blauen bis blaugrünen Glasseitenreflexion herzustellen, führten nicht zu ästhetisch akzeptablen Ergebnissen, da die mit der goldenen Glasseitenreflexion verknüpfte Reflexionsfarbe der beschichteten Seite des Glases inakzeptabel ist.Attempts to produce a gold-leaf glass LowE-Sun layer system by modifying the layer parameters of typical IR reflective layer systems with the current neutral, but mostly blue to blue-glass side reflection, did not produce aesthetically acceptable results because the reflection color associated with the golden glass side reflection the coated side of the glass is unacceptable.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein teiltransparentes IR-reflektierendes Schichtsystem mit einem gezielt einstellbaren, insbesondere einem goldfarbenen Farbton und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.The invention is therefore based on the object to provide a partially transparent IR-reflective layer system with a specifically adjustable, in particular a golden hue and a method for its production.
Die Aufgabe wird durch ein IR-reflektierendes Schichtsystem gelöst, welches den bekannten Aufbau des IR-reflektierenden Schichtsystems aus, vom Substrat aufwärts betrachtet, eine Grundschichtanordnung zumindest mit einer dielektrischen Grundschicht, eine Funktionsschichtanordnung zumindest mit einer IR-Reflexionsschicht und eine Deckschichtanordnung zumindest mit einer dielektrischen Deckschicht aufweist, ergänzt durch zumindest eine sehr hoch brechende, teilabsorbierende Schicht. Dabei führt es gleichermaßen zu dem gewünschten Erfolg, wenn diese Schicht bzw. Schichten über oder unter einem aus dem Stand der Technik bekannten IR-reflektierenden Schichtsystem oder an beiden Positionen abgeschieden werden.The object is achieved by an IR-reflecting layer system which, viewed from the substrate, the known structure of the IR-reflecting layer system, a base layer arrangement at least with a dielectric base layer, a functional layer arrangement at least with an IR reflective layer and a cover layer arrangement at least with a dielectric Covering layer, supplemented by at least one very high-refractive, partially absorbing layer. In doing so, it leads equally to the desired success if this layer or layers are deposited above or below an IR-reflecting layer system known from the prior art or at both positions.
Die Abscheidung des erfindungsgemäßen Schichtsystems erfolgt mittels Magnetronsputtern, was die Erzeugung von dichten Einzelschichten auch mit nur sehr geringen Schichtdicken ermöglicht, deren Eigenschaften mittels der Art des Sputterns und der Sputterparameter bekanntermaßen sehr gut und reproduzierbar eingestellt werden können.The deposition of the layer system according to the invention takes place by means of magnetron sputtering, which enables the production of dense monolayers even with only very small layer thicknesses whose properties can be set very well and reproducibly by means of the type of sputtering and the sputtering parameters.
Ein solches, die bekannten IR-reflektierenden Schichtsysteme erweiterndes Schichtsystem erfüllt die Anforderungen hinsichtlich der Selektivität und Emissivität und ist darüber hinaus in seiner Farbe gezielt einstellbar. So sind beispielsweise verschiedene Goldtöne einstellbar, die von kupfern/bronze über hellbronze bis gold und silbern reichen. Auch sehr farbige Schichtsysteme mit metallischem Glanz sind erzielbar, wie zum Beispiel Pink- oder Blautöne, die jeweils bis ins silbrige verschoben werden können.Such, the known IR-reflective layer systems expanding layer system meets the requirements for selectivity and emissivity and is also selectively adjustable in its color. For example, various gold tones are adjustable, ranging from copper / bronze to light bronze to gold and silver. Very colored layer systems with a metallic luster can also be achieved, such as pinks or blues, which can be shifted to silvery ones.
Insbesondere kann mit einem solchen erfindungsgemäßen IR-reflektierenden Schichtsystem eine Transmission im sichtbaren Bereich von Tvis ≤ 50%, bevorzugt von Tvis ≤ 20%, sowie eine Emissivität von ε ≤ 10%, bevorzugt von ε < 6%, erreicht werden.In particular, with such an IR-reflecting layer system according to the invention, a transmission in the visible range of T vis ≦ 50%, preferably of T vis ≦ 20%, and an emissivity of ε ≦ 10%, preferably of ε <6%, can be achieved.
Für das übrige Schichtsystem können die bekannten Schichtenfolgen für LowE-Schichtsysteme Anwendung finden. Damit kann das erfindungsgemäße Schichtsystem auf die weiteren Anforderungen, insbesondere eine Temperfähigkeit dadurch angepasst werden, dass die Grund-, Funktions- und Deckschichtanordnung für diese Anforderungen konfiguriert wird. Für die Temperfähigkeit können derartige Schichtsysteme wie oben beschrieben Blocker-, Barriere- und/oder Migrationsschichten aufweisen. Auch Ergänzungen durch z. B. haftvermittelnde oder chemische Vermittlerschichten sowie die im Schichtsystem verwendeten Materialien sind den weiteren Anforderungen des IR-reflektierenden Schichtsystems entsprechend wählbar.For the remaining layer system, the known layer sequences for low-layer systems can be used. In this way, the layer system according to the invention can be adapted to the further requirements, in particular a temperability, by configuring the basic, functional and cover layer arrangement for these requirements. For the temperability, such layer systems can have blocking, barrier and / or migration layers as described above. Also supplements by z. B. adhesion-promoting or chemical intermediary layers and the materials used in the layer system can be selected according to the further requirements of the IR-reflecting layer system.
Darüber hinaus ist mittels der ergänzten Schicht oder Schichten aufgrund ihrer teilsabsorbierenden Eigenschaft auch die Transmission variierbar. Als teilabsorbierend werden üblicherweise solche Materialien bezeichnet, die im Gegensatz zu den dielektrischen Schichten bei den für solare Anwendungen üblichen Schichtdicken von wenigen bis wenige hundert Nanometer mit zunehmender Dicke der Schicht Änderungen der Transmission im Bereich mehrerer Prozentpunkte verzeichnen lassen. Lediglich zur begrifflichen Unterscheidung soll die teilabsorbierende Schicht, die einen sehr hohen Brechungsindex aufweist, nachfolgend als Teilabsorptionsschicht bezeichnet werdenIn addition, the transmission can be varied by means of the supplemented layer or layers due to its partially absorbing property. Semi-absorbent materials are usually referred to as those which, in contrast to the dielectric layers, exhibit changes in the transmission in the range of several percentage points as the thickness of the layer increases with the layer thicknesses of a few to a few hundred nanometers customary for solar applications. Merely for conceptual distinction, the partially absorbing layer, which has a very high refractive index, will be referred to below as a partial absorption layer
Die Einstellung einer gewünschten Transmission kann, entsprechend einer Ausgestaltung des Schichtsystems, in Verbindung mit einer weiteren teilabsorbierenden Schicht des IR-reflektierenden Schichtsystems in einem sehr weiten Rahmen erfolgen. Solche Transmissionsvariationen für LowE-Sun-Schichtsysteme sind beispielsweise mittels Chromnitridschichten bekannt, welche meist als Blockerschicht in der Funktionsschichtanordnung eingesetzt werden. Aber auch andere der bekannten Modifikationen des IR-reflektierenden Schichtsystems zur Beeinflussung der Transmission können mit einer erfindungsgemäßen zusätzlichen teilabsorbierenden Schicht kombiniert werden. The setting of a desired transmission can, in accordance with an embodiment of the layer system, be carried out in conjunction with a further partially absorbing layer of the IR-reflecting layer system in a very wide range. Such transmission variations for LowE-Sun layer systems are known for example by means of chromium nitride layers, which are usually used as a blocking layer in the functional layer arrangement. However, other known modifications of the IR-reflecting layer system for influencing the transmission can also be combined with an additional, partially absorbing layer according to the invention.
Erfindungsgemäß ist die eine oder sind die zwei ergänzenden teilabsorbierenden Schichten aus einem solchen Material abgeschieden, welches einen sehr hohen Brechungsindex aufweist. Der Bereich der sehr hoch brechenden Eigenschaft einer Einzelschicht ist wie üblich in Bezug auf die im Schichtsystem verwendeten Materialien sowie das Substrat und keinesfalls absolut zu betrachten, da sich ein optischer Effekt an der Folge der optischen Dichte benachbarter Schichten bemisst. Sofern es sich bei dem Substrat um Glas handelt, wird im Zusammenhang mit solaren Anwendungen dessen Brechungsindex im Bereich von ca. 1,5 und einige Zehntel darüber und darunter als niedrig brechend anzusehen sein, während der Brechungsindex von Siliziumnitrid oder von Metalloxiden bei 2,0 und einige Zehntel darüber liegt und deshalb als hoch brechend angesehen wird. Gegenüber einem Brechungsindex von 1,5 und niedriger kann jedoch auch ein Brechungsindex von 1,8 oder 1,9 schon als hoch brechend gelten. Diese Grenzen sind, wie dargelegt, an den genannten Materialien orientiert. Zu höheren Brechungsindizees hin schließen sich an den hoch brechenden Bereich die sehr hoch brechenden Materialien an. Verschieben sich die Brechungsindizes der verwendeten Materialien, dann verschieben sich auch die Grenzen.According to the invention, one or the two complementary partially absorbing layers are deposited from such a material, which has a very high refractive index. The range of the very high refractive property of a single layer is, as usual, to be considered in relation to the materials used in the layer system as well as the substrate and by no means absolute, since an optical effect is measured by the sequence of the optical density of adjacent layers. If the substrate is glass, in the context of solar applications, its refractive index in the range of about 1.5 and a few tenths above and below will be considered to be low refractive index while the refractive index of silicon nitride or metal oxides is 2.0 and a few tenths above it, which is why it is considered highly destructive. In contrast to a refractive index of 1.5 and lower, however, a refractive index of 1.8 or 1.9 can also be regarded as highly refractive. These limits are, as stated, oriented to the materials mentioned. At higher refractive indices, close to the high refractive index region are the very high refractive index materials. If the refractive indices of the materials used shift, then the limits also shift.
Somit sind Brechungsindizes der hier als bevorzugt beschriebenen Schichtsysteme, aufgebracht auf Glas um die 1,5 als niedrig brechend, im Bereich von 1,8 bis 2,6, bevorzugt um die 2,0, als hoch brechend und im Bereich von 2,6 und größer als sehr hoch brechend anzusehen.Thus, refractive indices of the layer systems described herein as preferred, applied to glass by 1.5 as low refractive, are in the range of 1.8 to 2.6, preferably around 2.0, as high refractive and in the range of 2.6 and to look taller than very high breaking.
Solche Brechungsindizes werden entsprechend einer Ausgestaltung des Schichtsystems mit Teilabsorptionsschichten aus einem halbleitendem oder einem halbmetallischen Material erhalten. Dabei kommen reine Halbleiter oder Halbmetalle als auch Verbindungen davon in Betracht. Als geeignet haben sich z. B. folgende Materialien erwiesen: Silizium mit einem Brechungsindex von 4,1 bis 4,8 bei der Schwerpunktwellenlänge von 550 nm, Germanium mit einem Brechungsindex von 4,5 bis 5,0 oder Siliziumkarbid, das einen Brechungsindex von ca. 2,7 aufweist, wobei die jeweiligen Brechungsindizes je nach Materialstruktur bzw. Abscheideverfahren in Grenzen variieren können. Diese Materialien können auch Beimengungen aufweisen, die den halbleitenden oder metallischen Charakter nicht ändern und z. B. rein technologisch bedingt sind, wie z. B. Silizium mit Aluminium- oder Boranteilen. Diese liegen für die Targetherstellung üblicherweise im Bereich bis ca. 10%.Such refractive indices are obtained according to an embodiment of the layer system with partial absorption layers of a semiconducting or a semi-metallic material. In this case, pure semiconductors or semimetals as well as compounds thereof come into consideration. As suitable z. For example, the following materials have been found: silicon having a refractive index of 4.1 to 4.8 at the centroid wavelength of 550 nm, germanium having a refractive index of 4.5 to 5.0, or silicon carbide having a refractive index of about 2.7 , wherein the respective refractive indices may vary within limits depending on the material structure or deposition process. These materials may also have admixtures that do not change the semiconducting or metallic character and z. B. purely technological reasons, such. As silicon with aluminum or borane parts. These are usually up to approx. 10% for taring.
Insbesondere die Möglichkeit, dass das erfindungsgemäße IR-reflektierende Schichtsystem bereits mit einer Teilabsorptionsschicht die gewünschten Eigenschaften aufweist und dass diese insbesondere auch mit siliziumhaltigen Materialien erzielbar sind, gestattet die Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems auch auf bestehenden Sputteranlagen, in denen z. B. eine von mehreren Grund- und/oder Deckschichten durch eine Teilabsorptionsschicht ersetzt wird. Je nach Anlagenkonfiguration ist gegebenenfalls lediglich eine einfache Umrüstung erforderlich.In particular, the possibility that the IR-reflective layer system according to the invention already with a partial absorption layer has the desired properties and that they are particularly achievable with silicon-containing materials, allows the production of the layer system according to the invention also on existing sputtering systems in which z. B. one of several base and / or outer layers is replaced by a partial absorption layer. Depending on the system configuration, only a simple retrofitting may be necessary.
Von Vorteil ist darüber hinaus, dass die untere Teilabsorptionsschicht, die zwischen dem Substrat und der Grundschichtanordnung liegt, direkt auf dem Substrat abgeschieden werden kann. Denn für die meisten Materialien dieser Schicht ist eine gute Haftung auf dem Substrat ohne haftvermittelnde Zwischenschicht möglich. Alternativ ist eine solche Haftschicht auch unter der Teilabsorptionsschicht möglich, ohne merklichen Einfluss auf die oben beschriebenen Eigenschaften des erfindungsgemäßen IR-reflektierenden Schichtsystems zu nehmen.It is also advantageous that the lower partial absorption layer, which lies between the substrate and the base layer arrangement, can be deposited directly on the substrate. Because for most materials of this layer, a good adhesion to the substrate without adhesion-promoting intermediate layer is possible. Alternatively, such an adhesive layer is also possible under the partial absorption layer, without appreciably influencing the above-described properties of the IR-reflecting layer system according to the invention.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass unabhängig von der Verwendung nur einer oder zweier Teilabsorptionsschichten die Farberscheinungen des IR-reflektierenden Schichtsystems für die Betrachtung von beiden Seiten des Substrats gleich eingestellt werden können. Dies ist insofern von Interesse, dass bei den bekannten Farbsystemen von IR-reflektierenden Schichtsystemen, die über Interferenzen der Deckschichtanordnung erzielt werden, die glasseitig resultierende Farberscheinung stark mit der schichtseitigen Farberscheinung verknüpft ist, was bei bestimmten und intensiven glasseitigen Reflexionsfarben zu inakzeptablen schichtseitigen Farberscheinungen führen kann. Die Farberscheinung ist dabei diejenige Farbe, die der Betrachter unter Solareinstrahlung eindeutig identifiziert. Dies schließt geringe Abweichungen im jeweiligen Wellenlängenbereich ein.Surprisingly, it has been found that regardless of the use of only one or two partial absorption layers, the color phenomena of the IR-reflecting layer system can be set the same for viewing from both sides of the substrate. This is of interest in that in the known color systems of IR-reflecting layer systems, which are achieved via interference of the cover layer arrangement, the glass side resulting color appearance is strongly linked to the layer color appearance, which can lead to unacceptable side coloration in certain and intense glass-side reflection colors , The color appearance is the color that the viewer clearly identifies under solar radiation. This includes minor deviations in the respective wavelength range.
Die beidseitige Farbeinstellung erfolgt dabei entsprechend einer weiteren verfahrensseitigen Ausgestaltung der Erfindung mittels der abzuscheidenden Dicke einer Teilabsorptionsschicht und/oder der optischen Dicke einer dazu benachbarten Schicht. Die Dickeneinstellung nur einer oder beider Schichten erfolgt dabei entsprechend der gewünschten Farbe und Transmission und der weiteren im IR-reflektierenden Schichtsystem verwendeten Materialien. Dies kann durch Beschichtungsversuche oder Simulationen des Schichtsystems erfolgen.The two-sided color adjustment is carried out according to a further process-side embodiment of the invention by means of the deposited thickness of a partial absorption layer and / or the optical thickness of a thereto adjacent layer. The thickness setting only one or both Layers are carried out according to the desired color and transmission and the other materials used in the IR-reflecting layer system. This can be done by coating experiments or simulations of the layer system.
Ein solches IR-reflektierendes Schichtsystem kann als Architekturglaselement verwendet werden, z. B. als Fenster- und Türelement oder ebenso als Fassadenelement von Glasfassaden. Diese sind aus energetischen Gründen meist mit Mehrfachverglasungen ausgeführt, so dass für das IR-reflektierende Schichtsystem je nach Zweck verschiedene Positionen möglich sind. Die möglichen Positionen von Schichten und Schichtsystemen innerhalb von Mehrfachverglasungen werden anhand der zur Verfügung stehenden Oberflächen von außen nach innen gezählt, so dass die äußerste Oberfläche Position I, die erste nach innen weisende die Position II ist usw. Während Position II den Wärmeeintrag durch solare Strahlung nach innen vermindert und oft auch eine verringerte Transmission aufweist (LowE-Sun-Systeme), vermindert ein IR-reflektierendes Schichtsystem auf Position III, d. h. auf der ersten inneren Glasscheibe, Wärmeverluste nach außen (Wärmedämmsysteme). Bei letzterem ist jedoch meist eine hohe Transmission des IR-reflektierenden Schichtsystems erwünscht.Such an IR-reflective layer system can be used as architectural glass element, for. B. as a window and door element or as a facade element of glass facades. These are usually designed for energy reasons with multiple glazing, so that different positions are possible for the IR-reflective layer system depending on the purpose. The possible positions of layers and layer systems within multiple glazings are counted from outside to inside based on the available surfaces such that the outermost surface is position I, the first inward position II, etc. During position II the heat input by solar radiation reduced inwardly and often also has a reduced transmission (LowE-Sun systems), reduces an IR-reflective layer system to position III, d. H. on the first inner glass pane, heat losses to the outside (thermal insulation systems). In the latter case, however, usually a high transmission of the IR-reflecting layer system is desired.
Das erfindungsgemäße IR-reflektierende Schichtsystem mit einstellbarer Transmission und einstellbarem Farbton eignet sich aufgrund dieser Eigenschaften insbesondere für LowE-Sun-Schichtsysteme und dabei gleichermaßen aus energetischen wie aus gestalterischen Gründen.Because of these properties, the IR-reflecting layer system with adjustable transmission and adjustable color shade according to the invention is particularly suitable for LowE-Sun layer systems and, at the same time, for energy as well as for design reasons.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt inThe invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiments. In the accompanying drawing shows in
Das IR-reflektierende Schichtsystem
Direkt auf dem Substrat
Right on the
Über der Teilabsorptionsschicht
Die haftvermittelnde Zwischenschicht
Die IR-Reflexionsschicht
Über der IR-Reflexionsschicht
Diese kann ebenfalls nitridisch oder oxidisch ausgebildet sein und alternativ zum Siliziumnitrid aus Zinnoxid (SnO2) oder Zinkstannat (ZnSnO) bestehen. Deren Schichtdicken liegen im Bereich von 8 bis 12 nm. Im Ausführungsbeispiel ist die Deckschicht aus Siliziumnitrid mit einer Schichtdicke von ca. 12 nm abgeschieden.This may also be formed nitridic or oxidic and alternatively to the silicon nitride of tin oxide (SnO 2 ) or zinc stannate (ZnSnO) exist. Their layer thicknesses are in the range of 8 to 12 nm. In the exemplary embodiment, the cover layer of silicon nitride is deposited with a layer thickness of about 12 nm.
Dieses IR-reflektierende Schichtsystem
Die spektrale Transmission T sowie glasseitige Reflexion Rg und schichtseitige Reflexion Rf dieses Ausführungsbeispieles, jeweils in Prozent, sind in
Die Diagramme der
In
- (1) sehr hoch brechende, teilabsorbierende Schicht
4 , - (2) dielektrische Grundschicht
6 , - (3)
haftvermittelnde Zwischenschicht 8 , - (4) IR-
Reflexionsschicht 10 , - (5) Blockerschicht
12 und - (6) dielektrische Deckschicht.
- (1) very high refractive, partially absorbing layer
4 . - (2) dielectric base layer
6 . - (3) adhesion-promoting intermediate layer
8th . - (4)
IR reflection layer 10 . - (5)
blocker layer 12 and - (6) Dielectric capping layer.
Eine solche Anordnung des IR-reflektierenden Schichtsystems
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- IR-reflektierendes SchichtsystemIR-reflective layer system
- 22
- Substratsubstratum
- 44
- TeilabsorptionsschichtPart absorption layer
- 66
- Grundschichtbase layer
- 88th
- Zwischenschichtinterlayer
- 1010
- IR-ReflexionsschichtIR-reflective layer
- 1212
- Blockerschichtblocker layer
- 1414
- Deckschichttopcoat
- 3030
- äußere Glasscheibeouter glass pane
- 3131
- innere Glasscheibeinner glass pane
- aa
- Abstanddistance
- RfRf
- schichtseitige Reflexionlayer-side reflection
- Rgrg
- glasseitige Reflexion.glass side reflection.
- TT
- Transmissiontransmission
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