DE3347918C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Glassubstrate mit einem thermo chromatischen VO2 oder V2O3 enthaltenden Überzug, der in bestimmter Weise hergestellt und mit Metalloxiden von Metall dotiert ist, die einen größeren Innenradius aufweisen als Vanadium.The invention relates to glass substrates with a thermo-chromatic VO 2 or V 2 O 3 containing coating, which is manufactured in a certain way and doped with metal oxides of metal, which have a larger inner radius than vanadium.
US-PS 43 07 942 beschreibt ein thermochromatisches Ver bundmaterial, bei dem die thermochromatische Eigen schaften vermittelnde Schicht ein poröses, mit der temperaturempfindlichen Substanz imprägniertes Material ist, das zwischen Glasscheiben angeordnet wird.US-PS 43 07 942 describes a thermochromatic Ver bundle material, in which the thermochromatic Eigen layer mediating layer a porous, with the temperature-sensitive substance impregnated material is placed between panes of glass.
In US-PS 39 84 591 ist ein Verfahren zum Aufbringen von Metalloxidschichten auf Substrate wie Glas beschrieben. Bei den Metallen ist auch Vanadium erwähnt und in einem Beispiel ist eine V2O5-Schicht beschrieben.US Pat. No. 3,984,591 describes a method for applying metal oxide layers to substrates such as glass. Vanadium is also mentioned in the case of the metals and a V 2 O 5 layer is described in one example.
Aus US-PS 34 10 710 sind mit Metalloxidschichten ver sehene optische Filter bekannt, die im infraroten Spektralbereich eine Reflexion von mindestens 25% und im sichtbaren Bereich eine Durchlässigkeit von mindes tens 30% aufweisen. Die Oxidschichten werden durch Pyrolyse geeigneter Metallverbindungen erzeugt. Es kann sich dabei auch um V2O5 enthaltende Metalloxidschichten handeln.From US-PS 34 10 710 ver provided with metal oxide optical filters are known which have a reflection of at least 25% in the infrared spectral range and a transmittance of at least 30% in the visible range. The oxide layers are generated by pyrolysis of suitable metal compounds. Metal oxide layers containing V 2 O 5 can also be involved.
Aus US-PS 39 51 100 ist das Aufbringen von Metalloxid schichten auf heiße Glasoberflächen durch chemische Abscheidung von Metallorganischen Verbindungen aus der Dampfphase bekannt. From US-PS 39 51 100 is the application of metal oxide layers on hot glass surfaces by chemical Separation of organometallic compounds from the Vapor phase known.
In der US-PS 34 83 110 ist ein Verfahren zur Herstellung von dünnen VO2 Filmen beschrieben, die in der Halbleiter phase einen Übergang zeigen, der durch die Einkristall form bedingt ist. Diese Filme erleiden keine Verschlech terung durch wiederholendes Durchschreiten des Über gangs. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zur Her stellung solcher Filme wird eine V2O5 Kathode in einer inerten Atmosphäre in Gegenwart des gewünschten Sub strates zerstäubt, um einen amorphen Film von VO x zu erhalten, wobei x größer als 1,5 oder kleiner als 2 ist. Dann wird der Film entweder schwach zu VO2 oxy diert oder stark zu V2O5 und danach das V2O5 zu V2O3 reduziert. Alternativ wird eine Vanadinkathode in einer inerten Atmosphäre in ähnlicher Weise zerstäubt, um einen polykristallinen Vanadinfilm herzustellen, der zuerst zu V2O5 oxydiert und dann zu V2O3 reduziert wird.In US-PS 34 83 110 a method for producing thin VO 2 films is described, which show a transition in the semiconductor phase, which is due to the single crystal form. These films do not deteriorate by repeating the transition. In one embodiment of the method for producing such films, a V 2 O 5 cathode is sputtered in an inert atmosphere in the presence of the desired substrate to obtain an amorphous film of VO x , where x is greater than 1.5 or less than 2 is. Then the film is either weakly oxidized to VO 2 or strongly reduced to V 2 O 5 and then the V 2 O 5 to V 2 O 3 . Alternatively, a vanadium cathode is similarly sputtered in an inert atmosphere to produce a polycrystalline vanadium film that is first oxidized to V 2 O 5 and then reduced to V 2 O 3 .
Aufgabe der Erfindung ist es, mit thermochromatischen Überzügen versehene Glassubstrate zu schaffen, deren Um wandlungstemperatur erniedrigt ist.The object of the invention is to use thermochromatic To provide coated glass substrates, the Um conversion temperature is reduced.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Glassubstrat nach Anspruch 1.This task is solved by the glass substrate after Claim 1.
Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsfor men der Erfindung und die Verwendung des beschichteten Glases als Scheibe einer Fenstereinheit. Vanadin oxidfilme, die VO2 enthalten, zeigen sowohl einen elek trischen als auch einen optischen Übergang bei einer no minellen Übergangstemperatur von etwa 68°C. Glassub strate, die gemäß der Erfindung mit Vanadinoxidfilmen, die VO2 enthalten, überzogen sind, sind besonders brauch bar für die Kontrolle der passiven Sonnenenergie, da sie eine wesentlich niedrigere Durchlässigkeit für Infrarot in der leitfähigen Phase im Vergleich zur Infrarotdurchlässig keit der Halbleiterphase haben. Vanadinoxidfilme, die V2O3 enthalten, sind bei Umgebungstemperatur elektrisch leitfähig, zeigen einen spezifischen Oberflächen widerstand von weniger als etwa 1000 Ohm pro Flächenein heit bei einer Filmdicke mit einer Lichtdurchlässig keit von etwa 24 bis 25% bei 6 mm dickem klarem Flachglas. Gemäß der Erfindung können auch Vanadinoxid filme, die V2O5 enthalten, durch chemische Abscheidung hergestellt werden. Diese Filme werden hinterher reduziert, um thermochromatische Filme, die VO2 oder V2O3 enthalten, zu bilden.The subclaims describe preferred embodiments of the invention and the use of the coated glass as a pane of a window unit. Vanadium oxide films containing VO 2 show both an electrical and an optical transition at a nominal transition temperature of around 68 ° C. Glass substrates, which are coated according to the invention with vanadium oxide films containing VO 2 , are particularly useful for the control of passive solar energy, since they have a significantly lower transmission of infrared in the conductive phase compared to the infrared transmission speed of the semiconductor phase. Vanadium oxide films containing V 2 O 3 are electrically conductive at ambient temperature, show a specific surface resistance of less than about 1000 ohms per unit area with a film thickness with a light transmission rate of about 24 to 25% with 6 mm thick clear flat glass. According to the invention, vanadium oxide films containing V 2 O 5 can also be produced by chemical deposition. These films are subsequently reduced to form thermochromatic films containing VO 2 or V 2 O 3 .
Die erfindungsgemäßen thermochromatischen Filme, die VO2 oder V2O3 enthalten, haben einen niedrigeren Temperatur bereich für die Umwandlung als die normale Übergangstempe ratur von etwa 68°C. Die erniedrigte Umwandlungstempe ratur ist auf die Dotierung des VO2 oder V2O3 Films mit Metalloxiden, vorzugsweise mit Oxiden von Niob, Molybdän, Iridium, Tantal oder Wolfram zurückzuführen. Die geeig neten Metalloxide sind die von Metallen, die einen größeren Innenradius als Vanadium aufweisen. Glassubstrate, die mit Vanadinoxidfilmen gemäß der Erfindung überzogen worden sind, haben einen ausreichend niedrigen Bereich der Übergangs temperatur, um in einem großen Bereich von klimatischen Bedingungen nützlich zu sein.The thermochromatic films according to the invention, which contain VO 2 or V 2 O 3 , have a lower temperature range for the conversion than the normal transition temperature of about 68 ° C. The reduced conversion temperature is due to the doping of the VO 2 or V 2 O 3 film with metal oxides, preferably with oxides of niobium, molybdenum, iridium, tantalum or tungsten. The suitable metal oxides are those of metals that have a larger inner radius than vanadium. Glass substrates coated with vanadium oxide films according to the invention have a sufficiently low range of transition temperatures to be useful in a wide range of climatic conditions.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert, die folgendes zeigenThe invention will be described with reference to the drawings explained in more detail, which show the following
Fig. 1 erläutert die optische Änderung eines Vanadinoxid-(VO2)- films, der direkt durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase erhalten wurde. Fig. 1 explains the optical change of a vanadium oxide (VO 2 ) film, which was obtained directly by chemical vapor deposition.
Fig. 2 erläutert die Änderung des elektrischen Widerstandes eines Vanadinoxid-(VO2)-filmes in Abhängigkeit von der Temperatur. Fig. 2 explains the change in electrical resistance of a vanadium oxide (VO 2 ) film depending on the temperature.
Fig. 3 erläutert die optische Änderung eines dotierten Vana dinoxidfilms gemäß der Erfindung durch Vergleich der Durchlässigkeit der Sonnenenergie einer überzoge nen Glasprobe beim Raumtemperatur mit der Durchlässigkeit der auf oberhalb ihrer Übergangstemperatur erwärmten Probe. Fig. 3 illustrates the optical change of a doped vanadium oxide film according to the invention by comparing the permeability of the solar energy of a coated glass sample at room temperature with the permeability of the sample heated above its transition temperature.
Fig. 4 erläutert den Bereich der Übergangstemperatur eines dotieren Vanadinoxidfilms gemäß der Erfindung, wobei der Widerstand als Funktion der Temperatur dargestellt wird. Fig. 4 illustrates the range of transition temperature of a doped vanadium oxide film according to the invention, the resistance being represented as a function of temperature.
Es ist bekannt, daß sich Überzüge aus zahlreichen Me tallen oder Metalloxiden zur Kontrolle der Sonnenener gie eignen. Derartige Überzüge reflektieren einen hohen Anteil der einfallenden Sonnenenergie und reduzieren dadurch die Erwärmung im Inneren eines Gebäudes auf ein Minimum, wogegen sie einen ausreichenden Anteil des sichtbaren Bereichs zur Belichtung des Gebäude inneren durchlassen. Ein besonders geeignetes Fenster für die passive Kontrolle der Sonnenenergie ist ein Fenster mit einer variablen Durchlässigkeit, das im Sommer, wenn die Außen temperatur hoch ist und die Sonnenenergie am größten ist, die Durchlässigkeit auf ein Minimum reduziert, aber die Sonnenenergie, wenn die Außentempe ratur niedrig ist, durchläßt. Man kann unterschiedliche Durchlässigkeiten in einem Glasfenster durch Photochromismus erreichen, bei dem eine Ver dunklung als Reaktion auf die UV-Sonnenstrahlung ein tritt, wobei bisher Silberhalogenide für diesen Zweck verwendet wurden. Die Absorption der Sonnenener gie durch das Glas über den gesamten Spektralbereich führt aber zu einer Erwärmung und Bleichung des Glases, wodurch die photochromatischen Eigenschaften des Glases verschlechtert werden. Mit der vorliegenden Erfindung wird eine variable Durchlässigkeit durch eine thermo chromatische Reaktion erreicht, die das Ergebnis einer optischen Änderung ist, wenn ein VO2- oder V2O3-Film durch die absorbierte Sonnenenergie erwärmt wird. It is known that coatings made of numerous metals or metal oxides are suitable for controlling solar energy. Such coatings reflect a high proportion of the incident solar energy and thereby reduce the warming inside a building to a minimum, whereas they allow a sufficient proportion of the visible area to illuminate the inside of the building. A particularly suitable window for the passive control of solar energy is a window with a variable permeability which reduces the permeability to a minimum in summer when the outside temperature is high and the solar energy is at its maximum, but the solar energy when the outside temperature is high is low, lets through. You can achieve different permeabilities in a glass window by photochromism, in which a darkening occurs in response to UV solar radiation, with silver halides previously being used for this purpose. However, the absorption of solar energy through the glass over the entire spectral range leads to heating and bleaching of the glass, as a result of which the photochromatic properties of the glass are impaired. With the present invention, variable transmissivity is achieved by a thermo-chromatic reaction, which is the result of an optical change when a VO 2 or V 2 O 3 film is heated by the absorbed solar energy.
Vanadinoxid (VO2) erleidet eine Phasenänderung aus der monoklinen kristallografischen Form in eine tetragonale Form bei einer nominellen Temperatur von 68°C. Diese Phasenänderung ist begleitet von einer raschen Ände rung im elektrischen Widerstand, von einem Halbleiter verhalten zu demjenigen eines Metalls, wobei eine Än derung des spezifischen Oberflächen-Widerstandes vom 103 bis 105 fachen in einem einzigen Kristall auftritt. Zusätzlich zu der Änderung in der elektrischen Leitfähigkeit er fährt ein Vanadinoxid-VO2-Film auch eine wesentliche optische Änderung im Bereich des infraroten Spektrums.Vanadium oxide (VO 2 ) undergoes a phase change from the monoclinic crystallographic form to a tetragonal form at a nominal temperature of 68 ° C. This phase change is accompanied by a rapid change in electrical resistance, from a semiconductor behavior to that of a metal, with a change in surface resistivity of 10 3 to 10 5 times in a single crystal. In addition to the change in electrical conductivity, a vanadium oxide VO 2 film also undergoes a significant optical change in the infrared spectrum.
Außerdem tritt auch eine geringe Änderung im Spektralbereich des sichtbaren Lichts ein.There is also a slight change in the spectral range of visible light.
VO2-Filme erfahren sowohl eine optische Änderung (Fig. 1) wie auch eine elektrische Änderung (Fig. 2).VO 2 films experience both an optical change ( FIG. 1) and an electrical change ( FIG. 2).
Vanadinoxidfilme werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch chemische Abscheidung einer Organovanadiumverbindung aus der Dampfphase und deren Zersetzung hergestellt. Geeignete Verbindungen sind flüssiges Vanadinisopropylat und Vanadin-n-propylat. Um als thermochromatisches Fenster für die passive Kontrolle der Sonnenenergie geeignet zu sein, sollte der Vanadin überzug einen Temperaturbereich für die Durchlässigkeits änderung im Infrarotbereich haben, der mit dem Temperatur bereich der tatsächlichen Temperaturen, die das Fenster bei Sonnbestrahlung erreicht, übereinstimmt und ausreichend ausgeprägte Änderungseigenschaften bei einer Filmdicke zeigen, bei der ein Schillern vermieden wird. Die Film dicke liegt bevorzugt bei 10 bis 150 nm. Die Vanadinoxid filme gemäß der Erfindung erfüllen diese Bedingungen. Vanadium oxide films are made according to one embodiment of the present invention by chemical deposition of a Organovanadium compound from the vapor phase and its Decomposition produced. Suitable compounds are liquid vanadium isopropylate and vanadium n-propylate. To act as a thermochromatic window for passive control The vanadium should be suitable for solar energy covered a temperature range for the permeability change in the infrared range with temperature range of actual temperatures that the window achieved in sunshine, agrees and sufficient pronounced change properties with a film thickness show where iridescence is avoided. The film thickness is preferably 10 to 150 nm. The vanadium oxide films according to the invention meet these conditions.
Man kann auf Glassubstraten dünne Filme aus Vanadinoxid unter Verwendung einer Vielzahl von Organovanadinverbin dungen herstellen, die bei üblichen Umgebungstemperaturen und -drücken flüssig sind.Thin films of vanadium oxide can be made on glass substrates using a variety of Organovanadinverbin manufacture the usual Ambient temperatures and pressures are liquid.
Als Glas ist Soda-Kalk-Siliciumdioxid-Flach glas und Borsilikatglas geeignet. Die Glassubstrate werden bevorzugt auf eine Temperatur von mindestens 350°C in einem üblichen Ofen zum Erwärmen von Glas vorerwärmt. Man kann zum Beispiel einen üblichen Röh renofen verwenden, dessen Ein- und Ausgang offen ist. Zur Zu- und Abführung der Glassubstrate in die Heizzone kann ein mit Luft angetriebener Schubarm dienen. Das er wärmte Glassubstrat kann mit einem Fließband in eine Kammer für die chemische Abscheidung im Vakuum, über der sich ein Abzug befindet, transportiert werden. Die Überzugskammer enthält eine Organovanadinverbindung, wie Vanadinisopropy lat oder Vanadin-n-propylat, das auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt wird, um die Vanadinverbindung zu verdampfen. Die Dämpfe der Organovanadinverbindung werden mit Hilfe eines Gasstroms mit dem erwärmten Sub strat in Berührung gebracht, wobei die Organovanadinver bindung pyrolysiert und das Vanadinoxid gebildet wird. Soda-lime-silicon dioxide is flat as glass suitable for glass and borosilicate glass. The glass substrates are preferred to a temperature of at least 350 ° C in a conventional oven for heating glass preheated. For example, you can use a common tube Use a renofen with the inlet and outlet open. For feeding and discharging the glass substrates into the heating zone an air powered push arm can serve. That he warmed glass substrate can be used in an assembly line Chamber for chemical deposition in vacuum, over which there is a deduction be transported. The coating chamber contains one Organovanadine compound such as vanadium isopropy lat or vanadium-n-propylate, which is sufficient on a high temperature is heated to the vanadium compound to evaporate. The vapors of the organovanadine compound are using a gas flow with the heated sub strat brought into contact with the Organovanadinver bond pyrolyzed and the vanadium oxide is formed.
Um eine optische Reaktion des Vanadinoxidfilms zu ver bessern, kann es nützlich sein, die Glasoberfläche vor der chemischen Abscheidung des Vanadinoxids aus der Dampfphase zu grundieren. Optimale Grundierungsmittel sind Zinnoxid, typischerweise in einer Dicke von 70 bis 80 nm. Man erreicht die Grundierung mit Zinnoxid bevor zugt durch eine pyrolytische Zersetzung einer Organo zinnverbindung. Auch Filme aus Siliciumdioxid und Titan dioxid sind geeignete Grundierungsmittel. Die Verwen dung von solchen Grundierungsfilmen, insbesondere SnO2, scheint die Kristallinität und die Bildung von VO2 gegenüber anderen Vanadinoxiden zu fördern, wodurch ein an VO2 reicher Film entsteht, der sehr gute Eigenschaften hinsichtlich der optischen Änderung zeigt. To improve an optical response of the vanadium oxide film, it may be useful to prime the glass surface prior to chemical vapor deposition of the vanadium oxide. Optimal primers are tin oxide, typically in a thickness of 70 to 80 nm. Priming with tin oxide is preferably achieved by pyrolytic decomposition of an organotin compound. Films made of silicon dioxide and titanium dioxide are also suitable primers. The use of such primer films, particularly SnO 2 , appears to promote crystallinity and the formation of VO 2 over other vanadium oxides, thereby creating a film rich in VO 2 which shows very good properties with regard to the optical change.
Man bestimmt die Eigenschaften der optischen Änderung des Vanadinoxidüberzuges durch Abtasten mit einem geeigneten Spektralphotometer.The properties of the optical change are determined of the vanadium oxide coating by scanning with a suitable spectrophotometer.
Die Abtastung erfolgt über den Spektralbereich von 0,8 bis 2,2 micro meter. Die mit Vanadinoxid überzogene Glasprobe wird dann in einer isolierten Haltevorrichtung mit einer Be strahlungsöffnung gehalten. Zwei zylindrische 25 Watt Erhitzer, die in Berührung mit den Glaskanten gerade außerhalb der Bestrahlungsöffnung stehen, werden ver wendet, um die mit Vanadinoxid überzogene Glasprobe über die Übertragungstemperatur zu erwärmen. Ohne die Probe zu bewegen wird eine spektrale Abtastung vor und nach dem Erwärmen der Probe durchgeführt. Typische Er gebnisse für VO2-Filme sind in den Fig. 1 und 3 wiederge geben.The scanning takes place over the spectral range from 0.8 to 2.2 micrometers. The glass sample coated with vanadium oxide is then held in an insulated holding device with a radiation opening. Two cylindrical 25 watt heaters, which are in contact with the glass edges just outside the radiation opening, are used to heat the glass sample coated with vanadium oxide above the transfer temperature. Without moving the sample, a spectral scan is performed before and after heating the sample. Typical results for VO 2 films are given in FIGS . 1 and 3.
Der Temperaturbereich der optischen Änderung wird in einem getrennten Versuch bestimmt. Dieser Versuch ist auch ein Maß für die Änderung des elektrischen Wider standes mit der Temperatur. Hierzu können bekannte Ge räte verwendet werden. So kann man den flachen Meßkopf eines handelsüblichen Temperaturmessers bündig an einen schmalen Streifen der Oberfläche des Vanadinoxidfilms anschließen. In enger Nachbarschaft des Meßkopfs sind An schlußklemmen auf jeder Seite des Meßkopfes mit einem Ohmmeter zur Messung des Widerstandes verbunden. The temperature range of the optical change is in a separate experiment. This attempt is also a measure of the change in electrical resistance with the temperature. Known Ge councils are used. So you can use the flat measuring head a commercially available temperature meter flush with a narrow strip of Connect the surface of the vanadium oxide film. In closer The proximity of the measuring head is On end clamps on each side of the measuring head connected to an ohmmeter to measure resistance.
Der Widerstand wird als Funktion der Temperatur der über zogenen Probe gemessen, wobei die Probe durch den Bereich der Übergangstemperatur erwärmt wird. Die Meßergebnisse für VO2 und dotierte VO2-Filme sind in den Fig. 2 und 4 wiedergegeben.The resistance is measured as a function of the temperature of the coated sample, the sample being heated by the range of the transition temperature. The measurement results for VO 2 and doped VO 2 films are shown in FIGS. 2 and 4.
Im allgemeinen ist eine 103 bis 105fache Änderung der Fähig keit der Thermoresistivität von Vanadinoxid (VO2) vorhanden, wobei eine thermoresistive Änderung in der Größenord nung von dem etwa Zweifachen ausreichend ist, um die optische Änderung für die erforderliche Größe zur Kon trolle der passiven Sonnenenergie im Spektralbereich von 0,8 bis 2,2 zu ergeben. Der Temperaturbereich für die optische Änderung von nominell 68°C für relativ reine Einkristalle von Vanadinoxid (VO2) ist nahe dem Bereich von etwa 45 bis 60°C, der tatsächlich bei nach Süden zeigenden Fenstern im Sommer erreicht wird. Außerdem werden gemäß der Erfindung mit Vanadinoxidfilmen op tische Eigenschaften erreicht, durch die ein sichtbares Schillern vermieden wird.In general, there is a 10 3 to 10 5 fold change in the ability of the thermoresistivity of vanadium oxide (VO 2 ), a thermoresistive change in the order of magnitude of approximately two times being sufficient to control the optical change for the required size of passive solar energy in the spectral range from 0.8 to 2.2. The temperature range for the optical change of nominally 68 ° C for relatively pure single crystals of vanadium oxide (VO 2 ) is close to the range of approximately 45 to 60 ° C that is actually achieved with windows facing south in summer. In addition, according to the invention, optical properties are achieved with vanadium oxide films, by means of which visible iridescence is avoided.
Die erfindungsgemäßen VO2-Filme haben erniedrigte Umwand lungstemperaturen. Dazu verwendet man als Dotierungsmittel Metalloxide, vorzugsweise Niob-, Molybdän-, Iridium-, Tantal- oder Wolframoxid da diese Metalle einen größeren Ionenradius haben als Vanadin. Bei einer anderen Ausführungs form der Erfindung werden Glassubstrate in eine Lösung eingetaucht, die ein Volumenteil Vanadinisopropylat, drei Volumenteile 2-Propanol und 2,5 bis 4 g WOCl4 enthält. Die Eintauchung kann bei Raumtemperatur er folgen. Die Filmbildung tritt durch Hydrolyse in der umgebenden Luft ein. Das überzogene Glas wird dann er wärmt, bevorzugt in einer reduzierenden Atmosphäre und besonders bevorzugt in einer Atmosphäre von Stickstoff mit Anteilen von Wasserstoff, die noch einen aromatischen Kohlenwasserstoff enthält. Es wird auf eine ausreichend hohe Temperatur für einen ausreichend hohen Zeitraum erwärmt, um den thermochro matischen VO2 Film zu bilden, der eine Änderung der be reits angegebenen Eigenschaften im Bereich oberhalb von Raumtemperatur aber unterhalb der charakteristischen Temperatur von 68°C zeigt. Der VO2 Film ist bei Umge bungstemperaturen halbleitend und besitzt die in Fig. 3 gezeigte gesamte Durchlässigkeit für infrarote Sonnen strahlen. Oberhalb der Übergangstemperatur ist der VO2 enthaltende Film elektrisch leitend und hat eine Durch lässigkeit für infrarote Sonnenstrahlen von weniger als etwa 10%, vergleiche Fig. 3.The VO 2 films according to the invention have low conversion temperatures. For this purpose, metal oxides, preferably niobium, molybdenum, iridium, tantalum or tungsten oxide, are used as dopants since these metals have a larger ionic radius than vanadium. In another embodiment of the invention, glass substrates are immersed in a solution containing one volume of vanadium isopropylate, three volumes of 2-propanol and 2.5 to 4 g of WOCl 4 . Immersion can follow at room temperature. Film formation occurs through hydrolysis in the surrounding air. The coated glass is then heated, preferably in a reducing atmosphere and particularly preferably in an atmosphere of nitrogen with proportions of hydrogen which still contains an aromatic hydrocarbon. It is heated to a sufficiently high temperature for a sufficiently long period of time to form the thermochromic VO 2 film, which shows a change in the properties already indicated in the range above room temperature but below the characteristic temperature of 68 ° C. The VO 2 film is semiconducting at ambient temperatures and has the total transmission shown in FIG. 3 for infrared rays. Above the transition temperature, the film containing VO 2 is electrically conductive and has a transmittance for infrared sun rays of less than about 10%, see FIG. 3.
Eine höhere thermoresistive Umwandlung kann erhalten werden, indem flüssiges Vanadinisopropylat in Stickstoff gas dazu benutzt wird, hochoxydiertes Vanadinoxid (V2O5) auf einer Glasfläche zu bilden, die mindestens auf 300°C erwärmt ist. Das mit Vanadinoxid überzogene Glas wandert innerhalb eines mit Luft gespülten Tunnels zu einem Ver gütungsofen, der ebenfalls mit Luft gespült wird. Darin wird das überzogene Glas auf Umgebungstemperatur abge kühlt. Der erhaltene Vanadinoxidüberzug besteht haupt sächlich aus V2O5. Um das thermochromatische VO2 zu er halten, wird der Vanadinoxidüberzug in einer reduzierenden Atmosphäre reduziert, bevorzugt mit einem Gemisch Stickstoff/Wasserstoff das eine kleine Menge eines aromatischen Kohlenwasserstoffs ent hält, bei einer Temperatur von 325 bis 475°C. Der in dieser Weise hergestellte thermochromatische VO2 Film ist bei Umgebungstemperaturen halbleitend.A higher thermoresistive conversion can be obtained by using liquid vanadium isopropoxide in nitrogen gas to form highly oxidized vanadium oxide (V 2 O 5 ) on a glass surface which is heated to at least 300 ° C. The vanadium oxide-coated glass travels within an air-rinsed tunnel to a tempering furnace, which is also rinsed with air. In it, the coated glass is cooled to ambient temperature. The vanadium oxide coating obtained mainly consists of V 2 O 5 . To maintain the thermochromatic VO 2 , the vanadium oxide coating is reduced in a reducing atmosphere, preferably with a nitrogen / hydrogen mixture containing a small amount of an aromatic hydrocarbon, at a temperature of 325 to 475 ° C. The thermochromatic VO 2 film produced in this way is semiconducting at ambient temperatures.
Oberhalb der Übergangstemperatur ist der VO2 Film in charakteristischer Weise leitfähig mit einer gesamten Sonnen durchlässigkeit von weniger als etwa 10% wie in Fig. 1 gezeigt. Die thermoresistive Änderung ist etwa 1000fach, wie aus Fig. 2 hervorgeht.Above the transition temperature, the VO 2 film is characteristically conductive with an overall solar transmission of less than about 10% as shown in FIG. 1. The thermoresistive change is about 1000 times, as can be seen from FIG. 2.
Leitfähige dünne Filme aus Vanadinoxid, die V2O3 ent halten, kann man durch chemische Abscheidung in der Dampfphase herstellen, indem man Vanadin-n-propylat als Ausgangsstoff verwendet. Dazu werden Glassubstrate typischerweise auf eine Temperatur von mindestens etwa 450°C in einem üblichen Röhrenofen, der an beiden Enden offen ist, vorerwärmt. Es wird flüssiges Vanadin-n- propylat verdampft und in einem Strom von Stickstoff gas an die erwärmten Substrate herangeführt. Dabei pyrolysiert die Organovanadinverbindung und bildet das Vanadinoxid. Das mit Vanadinoxid überzogene Glas wan dert durch einen mit Stickstoff/Wasserstoff gespülten Tunnel zu einem Vergütungsofen, der ebenfalls mit dem Gasgemisch gespült wird, wo das überzogene Glas auf Umgebungstemperatur abge kühlt wird. Der erhaltene leitfähige V2O3 Film ist grau im Vergleich zur gelben oder braunen Farbe des VO2 und hat typischerweise einen spezifischen Oberflächen widerstand von 200 bis 300 Ohm pro Flächeneinheit. Bevorzugte Filmdicken liegen im Bereich von 20 bis 150 nm. Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen noch näher erläutert.Conductive vanadium oxide thin films containing V 2 O 3 can be prepared by chemical vapor deposition using vanadium n-propylate as the starting material. For this purpose, glass substrates are typically preheated to a temperature of at least about 450 ° C. in a conventional tube furnace that is open at both ends. Liquid vanadium-n-propylate is evaporated and brought up to the heated substrates in a stream of nitrogen gas. The organovanadine compound pyrolyzes and forms the vanadium oxide. The glass coated with vanadium oxide migrates through a nitrogen / hydrogen purged tunnel to a tempering furnace, which is also flushed with the gas mixture, where the coated glass is cooled to ambient temperature. The resulting conductive V 2 O 3 film is gray compared to the yellow or brown color of the VO 2 and typically has a specific surface resistance of 200 to 300 ohms per unit area. Preferred film thicknesses are in the range from 20 to 150 nm. The invention is explained in more detail in the following examples.
Ein Glassubstrat wird auf eine Temperatur von etwa 635°C erwärmt und wird mit einer Lösung in Berührung gebracht, die zwei Volumenteile Dibutylzinndiacetat und ein Volumteil Methanol enthält. Es wird ein Zinnoxidüberzug mit einer Dicke von 70 bis 80 mm auf der Glasoberfläche gebildet. Das mit Zinnoxid grundierte Glas wird dann mit einem dotierten thermochromatischen Überzug versehen.A glass substrate is heated to a temperature of about 635 ° C warmed and brought into contact with a solution that two volumes of dibutyltin diacetate and one volume Contains methanol. It becomes a tin oxide coating with a Thickness of 70 to 80 mm formed on the glass surface. The glass primed with tin oxide is then covered with a doped thermochromatic coating.
Eine Platte aus klarem Floatgas wird in eine Lösung, die ein Volumteil Vanadinisopropylat, drei Volumteile 2-Propanol und etwa 4 g pro Liter WOCl4 enthält, bei Umgebungstemperatur eingetaucht. Das Glas wird entnom men und die Hydrolyse verläuft bei Umgebungstemperatur unter Bildung eines klaren gelben Films. Das überzo gene Glas wird dann auf 375°C in Stickstoff/Wasserstoff erwärmt. Das überzogene Glas wird danach für einen Zeitraum von einer Minute Kohlenwasserstoffdämpfen in einem Strom von Stickstoff/Wasserstoff unterworfen. Die Kohlenwasserstoffdämpfe werden erhalten durch Erwärmen von Paraffinöl auf 160°C.A plate of clear float gas is immersed in a solution containing one volume of vanadium isopropylate, three volumes of 2-propanol and about 4 g per liter of WOCl 4 at ambient temperature. The glass is removed and the hydrolysis proceeds at ambient temperature to form a clear yellow film. The coated glass is then heated to 375 ° C in nitrogen / hydrogen. The coated glass is then subjected to hydrocarbon vapors in a stream of nitrogen / hydrogen for a period of one minute. The hydrocarbon vapors are obtained by heating paraffin oil to 160 ° C.
Das Glas mit dem ent standenen Vanadinoxid (VO2) Überzug zeigt die in Fig. 3 dargestellten optischen Eigenschaften und hat die in Fig. 4 dargestellten elektrischen Eigenschaften. The glass with the resulting vanadium oxide (VO 2 ) coating shows the optical properties shown in FIG. 3 and has the electrical properties shown in FIG. 4.
Bei der Erfindung können auch andere Substrate verwen det werden, wie Borsilikatglas. Es sind als Vanadin quelle auch andere Vanadinverbindungen geeignet, wie Vanadinethylat, -butylat und Vanadinoxychlorid, VOCl3. Eine Nachreduktion des V2O5 kann durch Einfüh rung eines Reduktionsmittels, wie eines aromatischen Kohlenwasserstoffs, in die Atmosphäre der Abscheidungs kammer vermieden werden. Als Dotierungsmittel können zum Beispiel Niob-, Molybdän-, Iridium-, Tantal- und Wolframoxid verwendet werden. Das geschilderte Verfahren für die chemische Abscheidung des Vanadinoxids aus der Dampfphase ist besonders zum Überziehen von sich bewegenden Glasbändern, wie sie zum Beispiel mit dem kontinuierlichen Flachglas verfahren erhalten werden, geeignet. Geeignete Verfahren und Einrichtungen für die chemische Abscheidung in der Dampf phase sind in den US-PS 38 50 679 und 39 51 100 be schrieben. Die Abscheidung des Vanadinoxids kann in ver schiedenen Atmosphären stattfinden, zum Beispiel oxy dierenden Atmosphären, wie Luft, inerten Atmosphären, wie Stickstoff oder Argon und reduzierenden Atmosphären, einem hauptsächlich Stickstoff und etwas Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch oder Mischungen von inerten Gasen und redu zierenden Gasen. Es können auch andere Abscheidungs methoden verwendet werden, wie zum Beispiel die Ab scheidung im Vakuum. Die thermochromatischen VO2 Filme werden bevorzugt in Fenstereinheiten mit mehreren Scheiben für die Kontrolle der Sonnenenergie durch variable Durch lässigkeit von infraroter Strahlung benutzt. Eine bevor zugte Einheit mit mehreren Scheiben ist in der US-PS 39 19 023 beschrieben.Other substrates, such as borosilicate glass, can also be used in the invention. Other vanadium compounds are also suitable as a vanadium source, such as vanadium ethylate, butylate and vanadium oxychloride, VOCl 3 . Reduction of the V 2 O 5 can be avoided by introducing a reducing agent, such as an aromatic hydrocarbon, into the atmosphere of the deposition chamber. For example, niobium, molybdenum, iridium, tantalum and tungsten oxide can be used as dopants. The process described for the chemical deposition of the vanadium oxide from the vapor phase is particularly suitable for covering moving glass strips, such as those obtained with the continuous flat glass process. Suitable processes and facilities for chemical deposition in the vapor phase are described in US Pat. Nos. 38 50 679 and 39 51 100. The deposition of the vanadium oxide can take place in different atmospheres, for example oxidizing atmospheres such as air, inert atmospheres such as nitrogen or argon and reducing atmospheres, a gas mixture containing mainly nitrogen and some hydrogen or mixtures of inert gases and reducing gases. Other deposition methods can also be used, such as vacuum deposition. The thermochromatic VO 2 films are preferably used in window units with several panes for the control of the solar energy through variable transmission of infrared radiation. A unit with several disks before is described in US Pat. No. 3,919,023.
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