DE19745881B4

DE19745881B4 - Wärmeschutz-Schichtsystem

Info

Publication number: DE19745881B4
Application number: DE1997145881
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Dr. Lotz
Original assignee: Applied Films GmbH and Co KG
Current assignee: Applied Materials GmbH and Co KG
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-10-18
Also published as: DE19745881A1

Abstract

Wärmeschutz-Schichtsystem mit
einem Glas-Substrat (2);
einer ersten Metalloxid-Schicht (6) oder einer Zinksulfid-Schicht auf dem Glas-Substrat;
einer Metallschicht (7) auf der ersten Metalloxid-Schicht (6) oder der Zinksulfidschicht;
einer zweiten Metalloxid-Schicht (8) oder einer zweiten Zinksulfidschicht auf der Metallschicht (7), wobei
die erste und die zweite Metalloxid-Schicht (6, 8) oder Zinksulfidschicht jeweils einen Brechungsindex von 2,2 bis 2,7 aufweisen und
die Metallschicht (7) aus Chrom oder unterstöchiometrischem Chromnitrid besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeschutz-Schichtsystem mit einem Glas-Substrat.
Derartige Schichtsysteme kommen bei Fensterscheiben zur Anwendung, um die Lichtein- und/oder -ausstrahlung selektiv, d. h. wellenlängenabhängig, zu beeinflussen. Diese Schichtsysteme stellen in der Regel Wärmeschutzbeschichtungen dar.
Ein Hauptziel bei dieser selektiven Beeinflussung der Lichtein- oder -ausstrahlung besteht darin, die Energieeinstrahlung der Sonne im Spektralbereich von ca. 0,3 bis 2,5 μm zu vermindern. Insbesondere in Klimazonen mit hoher Sonneneinstrahlung macht die starke Wärmeeinstrahlung in Räumen eine Klimatisierung erforderlich, die hohe Kosten verursacht. Die Erwärmung der Innenräume erfolgt dabei dadurch, dass die Sonneneinstrahlung absorbiert und in Wärmestrahlung umgewandelt wird.

Es ist bereits ein Verfahren zum Herstellen von Scheiben mit einer Transmission zwischen 10 % und 40 % im sichtbaren Spektralbereich und mit Reflexionseigenschaften gegenüber Wärmestrahlung durch Beschichtung von transparenten Substraten durch Kathodenzerstäubung bekannt ( DE 33 11 815 A1 ). Bei diesem Verfahren wird unmittelbar auf das Substrat eine Oxidschicht mit einer optischen Dicke zwischen 20 und 280 nm in sauerstoffhaltiger Atmosphäre aufgebracht, während als zweite Schicht eine Chromnitridschicht mit einer geometrischen Dicke zwischen 10 Nanometer und 30 Nanometer (nm) in einer Atmosphäre aus Edelgas und Stickstoff aufgestäubt wird. Chromnitridschichten von der genannten Stärke haben indessen den Nachteil, dass sie im sichtbaren Bereich eine zu hohe Reflexionswirkung aufweisen – 9 % bis 36 % – und deshalb zu Blendungen im Straßenverkehr führen können.

Bei einer anderen bekannten Wärmeschutzscheibe, die aus einem transparenten Scheibensubstrat, einem Wärmeschutzfilter und einem weiteren Schutzfilter besteht, ist der Schutzfilm für Wellenlängen des sichtbaren Lichts transparent und aus einem Siliziumoxidnitrid gefertigt, das durch die Formel SiO_xN_y dargestellt ist, wobei x in dem Bereich von 0,65 bis 1,25 und y in dem Bereich von 0,05 bis 0,67 liegt ( EP 0 501 632 B1 ). Der Wärmeschutzfilm ist hierbei entweder aus Titannitrid oder Chromnitrid oder Zirkoniumnitrid oder Hafniumnitrid hergestellt. Für alle diese Nitride gilt indessen, dass sie einen zu hohen Reflexionsgrad besitzen.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Mehrfachschicht versehenen Glasscheibe mit hoher Transmission im sichtbaren Spektralbereich und hoher Reflexion für Wärmestrahlung bekannt, bei dem nach einem Vakuumverfahren wenigstens fünf aufeinanderfolgende Schichten auf einer Glasscheibe aufgebracht werden ( DE 43 24 576 C ). Bei diesen fünf Schichten handelt es sich um eine Haftschicht aus einem Metalloxid, eine auf der Haftschicht angeordnete Metallschicht, eine Silberschicht, eine auf der Silberschicht angeordnete Metallschicht und eine auf dieser Metallschicht angeordnete Deckschicht aus einem Metalloxid. Hierbei wird unmittelbar auf der Glasoberfläche vor dem Aufbringen der Haftschicht eine Grundschicht aus einem Oxid, Nitrid, Oxinitrid, Karbid oder Borid eines oder mehrerer Elemente Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Zn, As, Sb und In oder aus einer Mischverbindung dieser Elemente oder Verbindungen dieser Elemente oder aus einer der Verbindungen Si₃N₄, TiN, ZrN, Ti_xC, ZrB₂, AlMnO_x, AlCrO_x, AlVO_x und ALSiO_x abgeschieden. Die eigentliche Funktionsschicht ist hierbei die dünne Silberschicht, während die anderen Schichten mehr oder weniger Schutzfunktionen ausüben. Mit der bekannten Schichtfolge soll erreicht werden, dass die im Innenraum vorhandenen Wärmestrahlen nicht nach außen transmittieren, sondern nach innen reflektiert werden. Es ist mit dieser Schichtfolge jedoch nicht möglich, die Wärmeeinstrahlung von außen nach innen zu reduzieren.

Ferner ist ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats bekannt, bei dem die Beschichtung vorgegebene Reflexionseigenschaften gegenüber Sonnenstrahlen und vorgegebene Transmissionseigenschaften im sichtbaren Spektralbereich aufweist ( DE 40 18 399 A1 ). Auf einem Glassubstrat sind nacheinander folgende Schichten aufgetragen: SnO₂, CrN, SnO₂ und eine Schicht aus unteroxidischem NiCrO_x.

Schließlich ist auch noch eine Antiwärmeverglasung mit modifizierten optischen Eigenschaften bekannt, bei welcher auf einem transparenten Substrat eine dünne Metallschicht aufgebracht ist, die gegenüber dem sichtbaren Licht eine stärkere Transparenz aufweist als gegenüber der Infrarotstrahlung ( DE 15 96 825 A ). Die aufeinander folgenden Schichten sind hierbei: transparentes Substrat, dünne Metallschicht, transparente dielektrische Schicht. Die Metallschicht kann auch zwischen zwei transparenten, dielektrischen dünnen Schichten eingebettet sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mehrfachbeschichtung für Wärmeschutzscheiben zu schaffen, die bei einem hohen Wärmeschutz eine geringe Reflexion aufweist, wobei die Schichten aus relativ preiswertem Material bestehen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 10 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass sich mit an sich bekannten Materialien Schichtsysteme realisieren lassen, deren Reflexion wesentlich kleiner ist als bei bisher bekannten Systemen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschriebe. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einer Doppel-Verglasung mit drei an sich bekannten Schichten;
2 die Reflexion einer gemäß 1 beschichteten Glasscheibe von der Schichtseite aus gesehen;
3 die Reflexion einer gemäß 1 beschichteten Glasscheibe von der Glasseite aus gesehen;
4 die Transmission einer gemäß 1 beschichteten Glasscheibe;
5 einen Ausschnitt aus einer Doppel-Verglasung mit drei erfindungsgemäß aufgetragenen Schichten;
6 die Reflexion einer gemäß 5 beschichteten Glasscheibe von der Schichtseite ausgesehen;
7 die Reflexion einer gemäß 5 beschichteten Glasscheibe von der Glasseite aus gesehen;
8 die Transmission einer gemäß 5 beschichteten Glasscheibe;
9 ein Ausschnitt aus einer Doppel-Verglasung mit fünf erfindungsgemäßen Schichten;
10 die Reflexion einer gemäß 9 beschichteten Glasscheibe von der Schichtseite her gesehen;
11 die Reflexion einer gemäß 9 beschichteten Glasscheibe von der Glasseite her gesehen;
12 die Transmission einer gemäß 9 beschichteten Glasscheibe;
13 die Reflexion einer zweiten Varianten der nach 9 beschichteten Glasscheibe von der Schichtseite her gesehen;
14 die Reflexion einer zweiten Varianten der nach 9 beschichteten Glasscheibe von der Glasseite her gesehen;
In der 1 ist ein Ausschnitt aus einer Doppel-Verglasung 1 dargestellt, die eine äußere Scheibe 2 und eine innere Scheibe 3 aufweist. Die Scheiben 2 und 3 bestehen hierbei aus handelsüblichem Floatglas. Sie können jedoch auch aus anderen Materialien bestehen, die transparent sind und keine Wellenlängen des sichtbaren Spektrums bevorzugt reflektieren oder absorbieren.
Die Scheibe 3, die einen Innenraum 4 abschließt, ist mit keiner Beschichtung versehen. Sie könnte auch weggelassen werden, wenn auf positive Effekte verzichtet wird, die sich durch eine Doppel-Verglasung ergeben. Dagegen weist die Scheibe 2, die nach der Außenseite 5 zum Straßenverkehr gerichtet ist, eine Beschichtung mit drei Schichten 6, 7, 8 auf. Bei diesen Schichten handelt es sich um solche, die beispielsweise aus der bereits erwähnten DE 33 11 815 A1 bekannt sind. Die erste Schicht 6, die auf der Glasscheibe 2 aufliegt, besteht aus Zinnoxid (SnO₂), während die zweite Schicht 7 aus Chromnitrid (Cr(N_x)) oder rostfreiem Stahl besteht. Die letzte Schicht 8 besteht wiederum aus Zinnoxid (SnO₂).
Mit einer solchen Schichtfolge lassen sich attraktive Farbreflexionen erzielen. Leider weist diese Schichtfolge eine Außenreflexion von 9 % bis 36 % auf, was in einigen Ländern gegen die Blendvorschriften im Straßenverkehr verstößt. Unter Außenreflexion wird hierbei diejenige Reflexion des von außen kommenden (Sonnen-)Lichts A₁ an den Schichten 6, 7, 8 verstanden. Das durchgelassene Licht ist in diesem Fall T₁, während das reflektierte Licht R₁ ist. Unter Innenreflexion wird die Reflexion des von innen kommenden Lichts A₂ an den Schichten 8, 7, 6 verstanden. Das nach außen durchtretende Licht ist mit T₂ bezeichnet, während das in den Innenraum 4 zurückreflektierte Licht mit R₂ bezeichnet ist.
In den nachfolgenden 2, 3 und 4 sind Reflexions- und Transmissionskurven der in der 1 dargestellten Glas – SnO₂ – Metall – SnO₂ – Luft-Schichtenfolge dargestellt. Im einzelnen besteht die Schichtfolge aus folgenden Einzelschichten:

– Glas
– 100 nm SnO₂
– 15 nm Cr
– 100 nm SnO₂
– Luft

Die 2 zeigt hierbei die Reflexion der von der Schichtseite 4 kommenden und auf die Schichten 6, 7, 8 auftreffendem Strahlung in die Schichtseite 4 zurück. Diese Reflexion bestimmt den Spiegeleffekt, den die Bewohner eines Innenraums wahrnehmen, und zwar insbesondere dann, wenn es draußen dunkel ist und in dem Innenraum künstliches Licht eingeschaltet ist. Man erkennt aus der Darstellung der 2, dass die Reflexion der besagten Schichtfolge in den Innenraum im sichtbaren Wellenlängenbereich etwa 50 % beträgt, und zwar relativ gleichmäßig über den gesamten Wellenlängenbereich. Dies ist ein sehr hoher Reflexionsfaktor, der zu den bereits erwähnten Spiegeleffekten führt.
In der 3 ist für die gleiche Schichtfolge die Reflexion von der Glasseite 5 aus betrachtet dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Reflexion des von der Außenseite 5 auf die Schichtfolge 6, 7, 8 auftreffenden Sonnenlichts A₁ in die Außenseite zurück. Diese Reflexion verursacht die bereits erwähnten Blendeffekte im Straßenverkehr. Man erkennt aus der 3, dass die Reflexion ein Maximum im blauen Bereich und ein Minimum im roten Bereich hat. Insgesamt ist die Reflexion, die zwischen 15 % und 40 % liegt, zu hoch, um Blendeinwirkungen auszuschließen.
Die Transmissionskurve der in der 1 gezeigten Schichtfolge ist in der 4 dargestellt. Man erkennt hierbei, dass die Transmission über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich relativ konstant ist und etwa zwischen 10 % und 20 % liegt.
Die in den 2 bis 4 dargestellten Kurvenverläufe können direkt mit an sich bekannten Meßverfahren ermittelt werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Kurvenverläufe zu berechnen, wenn die Brechungsindizes der jeweiligen Materialien bekannt sind (vgl. Alfred Thelen: Design of Optical Interference Coatings, McGraw-Hill Book Company, New York, 1988; H. A. Macleod: Thin Film Optical Filters, Mac Millan, New York, 1986).
Die 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer Doppelverglasung mit drei erfindungsgemäß aufgetragenen Schichten. Hiernach ist diejenige Seite des Glas-Substrats 2, auf der sich die Schichten 6, 7, 8 befinden, nach einem Innenraum 4 hin ausgerichtet. Dies wird bei derartigen Schichtsystemen im praktischen Einsatz so gemacht, weil die Beschichtung auf der Innenseite besser geschützt ist als auf der Außenseite. Da die beschriebenen Schichtsysteme jedoch relativ hart und beständig sind, können sie aber auch auf der Außenseite eingesetzt werden.
Es ist auch vorteilhaft, die Schichten im Innenraum eines Doppelglasfensters anzuordnen. Im Gegensatz zu low-e-Schichten, bei denen eine Doppel- oder Mehrglasanordnung in der Regel aus physikalischen Gründen notwendig ist, ist dies bei den beschriebenen Sonnenschutzschichten nicht erforderlich. Durch den Einsatz einer Doppelscheibe kann man allerdings den Wärmeübergang von außen nach innen verringern.
In den nachfolgenden 6, 7, 8 sind die Reflexions- und Transmissionskurven einer erfindungsgemäßen Schichtfolge dargestellt, die sich von der vorstehend beschriebenen Schichtfolge unterscheidet und erheblich bessere Reflexionseigenschaften besitzt.
Bei dieser Schichtfolge handelt es sich im einzelnen um folgende:

– Glas
– 44 nm TiO₂ (Schicht 6)
– 15 nm Cr (Schicht 7)
– 12 nm TiO₂ (Schicht 8)
– Luft

Im wesentlichen ist bei dieser erfindungsgemäßen Schichtfolge, die in der 5 auf der Scheibe 2 dargestellt ist, die dicke SnO₂-Schicht der bekannten Schicht durch eine etwa nur halb so dicke TiO₂-Schicht ersetzt.
In der 6 ist die Reflexion, von der Schichtseite aus betrachtet, dargestellt. Vergleicht man diese Reflexion mit der in der 2 dargestellten Reflexion, so sind die Unterschiede nur gering. In beiden Fällen beträgt der Reflexionsgrad etwa zwischen 40 % und 55 % über dem gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich. Dies bedeutet, dass der Spiegeleffekt für die Bewohner eines Innenraums 4 praktisch der gleiche ist wie in dem vorangegangenen Beispiel.
Erhebliche Unterschiede ergeben sich jedoch, wenn man die Reflexion von der Glasseite 5 aus betrachtet. Diese Reflexion ist für die erwähnte Schichtfolge in der 7 dargestellt. Gegenüber der in der 3 dargestellten Reflexion ist diese Reflexion erheblich geringer, und zwar insbesondere im relevanten sichtbaren Bereich zwischen 460 bis 700 nm. Während die Reflexion bei der SnO₂-Schichtfolge bei 460 nm etwa 40 % beträgt, beträgt sie bei der TiO₂-Schichtfolge nur noch knapp 15 %. Bei 540 nm hat die SnO₂-Beschichtung noch eine Reflexion von über 30 %. Dagegen liegt die Reflexion bei der TiO₂-Beschichtung an derselben Stelle des Spektrums nur noch bei 5 %.
Dieser günstige Verlauf der Reflexion gemäß 7, die für den Blendeffekt im Straßenverkehr verantwortlich ist, läßt eine derart beschichtete Scheibe auch für solche Länder geeignet erscheinen, die eine hohe Sonneneinstrahlung aufweisen.
Bezüglich der Transmission der TiO₂-Beschichtung, die in 8 dargestellt ist, ist festzustellen, dass diese etwa 30 % bei 380 nm und 18 % bei 780 nm ausmacht. Verglichen mit der Transmissionskurve gemäß 4 sind dies hohe Transmissionswerte, so dass mehr sichtbares Licht in die Räume gelangt.
Im folgenden wird eine Variante der Erfindung beschrieben, mit welcher die Reflexion zur Schichtseite als auch zu Glasseite weiter reduzieren läßt. Diese Variante ist in der 9 dargestellt. Man erkennt hierbei, dass die Metallschicht in zwei Einzelschichten aufgeteilt ist, so dass sich folgende Gesamt-Schichtfolge ergibt:

– Glas (2)
– 67 nm SnO, (10)
– 7 nmCr (11)
– 88 nm SnO₂ (12)
– 7 nm Cr (13)
– 75 nm SnO₂ (14)

Die Reflexion dieser Schicht von der Schichtseite 4 aus gesehen ist in der 10 dargestellt. Man erkennt aus dieser Darstellung, dass fast keine Spiegelung in den Innenraum mehr erfolgt, weil in dem relevanten Bereich zwischen 500 nm und 750 nm die Reflexion gleich Null ist.
In der 11 ist die Reflexion von der Glasseite 5 aus betrachtet dargestellt. Man erkennt hierbei, dass diese Reflexion im relevanten Bereich von 540 bis 780 nm deutlich unter 20 % liegt.
Mit Hilfe der mittleren SnO₂-Schicht 12, die zwischen den Chrom-Schichten 11, 13 liegt, kann die Reflexion, falls gewünscht, zur Schicht- und Glasseite hin verstärkt werden. Dies ist in den 13 und 14 näher dargestellt.
Diesen Figuren liegt die gleiche Schichtfolge wie den 11 und 12 zugrunde. Die zwischen den Chrom-Schichten liegende SnO,-Schicht beträgt jedoch im Falle der
13 und 14 nicht 88 nm, sondern nur 44 nm, also die Hälfte. Die Reflexion in den Innenraum ist bei der Kurve gemäß 13 etwas stärker als bei der Kurve gemäß 11. Dafür ist jedoch die Reflexion in den Außenraum, also auf die Straße, extrem gering und liegt bei fast allen Wellenlängen im Bereich von nur etwa 10 %.

Claims

Wärmeschutz-Schichtsystem mit einem Glas-Substrat (2); einer ersten Metalloxid-Schicht (6) oder einer Zinksulfid-Schicht auf dem Glas-Substrat; einer Metallschicht (7) auf der ersten Metalloxid-Schicht (6) oder der Zinksulfidschicht; einer zweiten Metalloxid-Schicht (8) oder einer zweiten Zinksulfidschicht auf der Metallschicht (7), wobei die erste und die zweite Metalloxid-Schicht (6, 8) oder Zinksulfidschicht jeweils einen Brechungsindex von 2,2 bis 2,7 aufweisen und die Metallschicht (7) aus Chrom oder unterstöchiometrischem Chromnitrid besteht.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Metalloxid der Metalloxid-Schichten (6, 8) um Titanoxid oder Nioboxid handelt.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid eine Schichtdicke von 37 nm bis 51 nm aufweist.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Glas-Substrat (2) eine Titanoxid-Schicht (6) aufgebracht ist, die 44 nm stark ist.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Metall (7) aufgebrachte Metalloxid-Schicht (8) zwischen 10 nm und 14 nm stark ist.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Metallschicht (7) eine Titanoxid-Schicht (8) aufgebracht ist, die 12 nm stark ist.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterstöchiometrische Chromnitrid-Schicht (7) 15 nm stark ist.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Seite des Glas-Substrats (2), auf der sich die Schichten (6, 7, 8) befinden, nach einem Innenraum (4) ausgerichtet ist.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (6, 7, 8) zwischen zwei Glas-Substraten (2, 3) angeordnet sind.
Wärmeschutz-Schichtsystem, bei dem auf einem Glas-Substrat eine Metalloxid-Schicht (10), auf der Metalloxid-Schicht (10) eine Metall-Schicht (11) und auf der Metall-Schicht (11) eine Metalloxid-Schicht (12) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der letztgenannten Metalloxid-Schicht (12) wieder eine Metallschicht (13) aufgebracht ist und dass diese Metallschichten (11, 13) aus Chrom oder unterstöchiometrischem Chromnitrid bestehen.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Metall-Schicht (13) eine Metalloxid-Schicht (14) aufgebracht ist.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es aus folgenden Schichten besteht: a) die erste Schicht (10) auf dem Glas-Substrat (2) ist eine Schicht mit einem Brechungsindex von 2; b) die zweite Schicht (11), die auf der ersten Schicht (10) aufgebracht ist, ist ein Metall; c) die dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht (11) aufgebracht ist, hat einen Brechungsindex von 2 und weist eine Stärke von 88 nm ± 10 % auf; d) die vierte Schicht (13), die auf der dritten Schicht (12) aufgebracht ist, ist ein Metall; e) die fünfte Schicht (14), die auf der vierten Schicht (13) aufgebracht ist, hat einen Brechungsindex von 2 und eine Stärke von 75 nm ± 10 %.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es aus folgenden Schichten besteht: a) die erste Schicht (10) unmittelbar auf dem Glas-Substrat (2) ist eine SnO₂-Schicht von 67 nm Stärke; b) die zweite Schicht (11), die auf der ersten Schicht (10) aufgebracht ist, ist unterstöchiometrisches Chromnitrid von 7 nm Stärke; c) die dritte Schicht (12), die auf der zweiten Schicht (11) aufgebracht ist, ist SnO₂ von 88 nm Stärke; d) die vierte Schicht (13), die auf der dritten Schicht (12) aufgebracht ist, ist unterstöchiometrisches Chromnitrid von 7 nm Stärke; e) die fünfte Schicht (14), die auf der vierten Schicht aufgebracht ist, ist SnO₂ von 75 nm Stärke.
Wärmeschutz-Schichtsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (12) SnO₂ von 44 nm Stärke ist.