JP2008505841A - 低保守コーティング - Google Patents
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Abstract
本発明は、低保守コーティングを担持する基板を提供する。コーティングは、２つのフィルム：シリカ（例えば、二酸化珪素）からなる第１のフィルムおよびチタニア（例えば、二酸化チタン）からなる第２のフィルムを含む。好ましくは、両フィルムは特定の厚み範囲内で施される。本発明はまた、そのようなコーティングを堆積させる方法も提供する。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
Description
本願は、２００４年７月１２日に提出された米国仮特許出願第６０／５８７，２１０号および２００５年３月７日に提出された米国仮特許出願第６０／６５９，４９１号に基づく優先権を主張する。それらの開示内容の全ては、ここに参照することにより組み込まれている。
本発明は、ガラス板およびその他の基板のための薄膜コーティングを提供する。特に、本発明は、シリカ等の薄いベース層上に堆積されるチタニア等の薄い光触媒フィルムを含む薄膜コーティングを提供する。本発明はまた、このようなコーティングをガラス板およびその他の基板上に堆積させる方法も提供する。
二酸化チタンが光触媒として使用可能であることが長年知られている。自浄性を有する光触媒コーティングを提供することを目指し、多大な研究がなされてきた。特に、自浄性光触媒窓コーティングの研究は活発な探求分野である。このようなコーティングは、一般的には、ガラス窓板によって担持された二酸化チタン層を含む。これらのコーティングは、一般に、高レベルの光活性を達成するために設計された、二酸化チタンの比較的厚い層および／または特定の下層系を備える。厚い二酸化チタン層は、残念ながら高レベルの可視反射率をもたらし、それによって幾分鏡のような外観を生み出す。この高可視反射により、窓上の汚れが強調されて見える傾向がある。また、公知の下層系は、一般に、許容光活性レベルを達成するために、下層フィルムに特定の材料および結晶構造を用いる必要があることを教示している。更に、多くの光触媒コーティング系が、許容レベルの光活性を達成するために、フィルム堆積時またはフィルム堆積後に加熱を要することを教示している。
公知の光触媒コーティングはまた、コーティングが窓上に用いられる用途に理想的とは言い難い特性を有する傾向がある。上述したように、公知の光触媒コーティングの可視反射率は、多くの場合、許容できないほど高い。更に、これらのコーティングの反射色は理想的でない傾向がある。また、これらのコーティングの中には、高光活性レベルを促進する大きな表面積を有するよう設計されているため、その表面が特に粗いものがある。これらの粗いコーティングは、残念ながら、研摩されると非常にもろい傾向がある。その高い表面粗さのために、これらにはまた、特に、汚れやその他の汚染物質が付着したり、こびりついたりしやすい。最後に、多くの近年の光触媒コーティング（例えば、最大限の光活性を得るために複雑な下層系を用いるもの）について、これらのコーティングが最も優れた表面コーティングの要件である長寿命（例えば、現場での経時耐久性）を呈するのかどうかが不明である。
本発明は、優れた耐久性、優れた光学特性、確実な製造工程、および驚くべき清浄度／保守特性をもたらす低保守コーティングを提供する。
ある実施形態において、本発明は、ガラス板上の低保守コーティングを提供する。低保守コーティングは、ガラス板の第１の主面上に直接配置された第１のフィルムと、前記第１のフィルム上に直接配置された第２のフィルムとを含む。本発明の様々な実施形態において、第１のフィルムは、約３００オングストローム未満、代替的には約１５０オングストローム未満、更に代替的には約７０オングストロームから約１２０オングストロームの間の厚みを有する薄いベースフィルム（例えば、シリカ）を含む。本発明の種々な実施形態における第２のフィルムは、約３００オングストローム未満、代替的には約１５０オングストローム未満、更に代替的には約３０オングストロームから約１２０オングストロームの間の厚みを有する薄い光触媒フィルム（例えば、チタニア）を含む。
その他の実施形態において、本発明は、低保守コーティングを堆積させる方法を提供する。その方法は、第１のフィルムをガラス板の第１の主面上に直接堆積させ、その後、第２のフィルムを第１のフィルム上に直接堆積させることによって、低保守コーティングをガラス板上に堆積させることを含む。本発明の一実施形態において、第１のフィルムはシリカからなり、約７０オングストロームから約１２０オングストロームの間の厚みで堆積される。第２のフィルムはチタニアからなり、約３０オングストロームから約１２０オングストロームの間の厚みで堆積される。これらの実施形態の内の一部において、両フィルムは、好ましくは、基板を低温（例えば、約摂氏２５０度未満、好ましくは摂氏２００度未満）に保ちながら、スパッタリングにより堆積される。
以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、その中では異なる図面における同様の素子に同じ参照符号が付されている。図面は、必ずしも共通の尺度を持つとは限らないが、選択された実施形態を表し、本発明の範囲を限定するものではない。当業者であれば、挙げられた実施例には本発明の範囲内に入る多くの変形例があることを認めるであろう。
ある実施形態において、本発明は、低保守コーティング４０を担持する基板１０を提供する。本発明における使用には、種々の基板が好適である。好ましくは、基板１０は、概ねまたは実質的に対向した第１の主面１２および第２の主面１４を有するシート状の基板である。多くの実施形態において、基板は透明材料のシート（すなわち、透明シート）である。しかし、基板は透明である必要はない。ただし、ほとんどの用途において、基板は、ガラスまたはクリアプラスチック等の透明（または少なくとも半透明）材料からなるであろう。例えば、基板１０は、好ましい実施形態において、ガラス板（例えば、窓板）である。種々の公知のガラスの種類を用いることができ、ソーダ石灰ガラスが好ましい。
本発明において、様々なサイズの基板を使用することができる。一般的に、大面積の基板が用いられる。ある実施形態は、少なくとも約０．５メートル、好ましくは少なくとも約１メートル、あるいはより好ましくは少なくとも約１．５メートル（例えば、約２メートルから約４メートルの間）であり、場合によっては少なくとも約３メートルの幅を有する基板１０を含む。
本発明において、様々な厚みの基板を使用することができる。一般的に、約１−５ｍｍの厚みを有する基板（例えば、ガラス板）が用いられる。ある実施形態は、約２．３ｍｍから約４．８ｍｍの間の厚み、あるいはより好ましくは２．５ｍｍから約４．８ｍｍの間の厚みの基板１０を含む。場合によっては、約３ｍｍの厚みの1枚のガラス（例えば、ソーダ石灰ガラス）が用いられるであろう。
ある実施形態において、本発明は、低保守コーティング４０を担持する基板１０を提供する。コーティング４０は、好ましくは、基板１０の主面１２上（例えば、その全面上）に堆積される。低保守コーティング４０は、２つのフィルム：（１）基板１０の主面１２上に堆積された第１のフィルム３０；および（２）第１のフィルム３０上に堆積された第２のフィルム５０、を含む。
本発明の様々な実施形態において、第１のフィルム３０は、シリカ（例えば二酸化珪素）等のべースフィルムを含み、望ましくは、基板１０上に直接（例えば、基板の主面１２上に直接）堆積される。このフィルムは、好ましくは、二酸化珪素から構成される、またはそれを主成分とする。しかし、第１のフィルム３０におけるシリカは、フィルム３０において酸化する可能性がある少量のアルミニウム等の導電性材料を含むことができる。例えば，このフィルム３０は、少量のアルミニウムまたはターゲットの導電性を高める他の金属を含む珪素含有ターゲットをスパッタリングすることにより堆積させることができる。第１のフィルム３０（その全厚がシリカを主成分としてもよい）は、望ましくは、約３００オングストローム未満、代替的には約１５０オングストローム未満（例えば、約４０オングストロームから約１５０オングストロームの間）、更に代替的には約７０オングストロームおよび約１２０オングストロームの物理的厚みを有する（例えば、その厚みで堆積される）。このように非常に小さな厚みとすることにより、本コーティングにおいて、驚くべき多くの優れた特性が促進される。
コーティング４０は、チタニア等の光触媒フィルムを含み、望ましくは、第１のフィルム３０上に直接堆積される第２のフィルム５０を含む。チタン、鉄、銀、銅、タングステン、アルミニウム、亜鉛、ストロンチウム、パラジウム、金、白金、ニッケル、コバルトの酸化物、およびこれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない本発明の実施形態において、１つ以上の光触媒材料を用いてもよいことに言及しておく。好ましい実施形態において、このフィルム５０は、二酸化チタンから構成される、またはそれを主成分とする。しかし、一部の実施形態においては、第２のフィルム５０は、不足当量酸化チタン（ＴｉＯx、但しｘは２未満）から構成される、またはそれを主成分とする。第２のフィルム５０（その全厚がチタニアを主成分としてもよい）は、望ましくは、約３００オングストローム未満、代替的には約１５０オングストローム未満（例えば、約３０オングストロームから約１５０オングストロームの間）、更に代替的には約３０オングストロームから約１２０オングストロームの間の厚みを有する（例えば，その厚みで堆積される）。このように非常に小さな厚みで施された場合、特に酸化チタンを主成分とし、二酸化珪素を主成分とする言及した厚みの第1のフィルムとの組み合わせで施された場合、第２のフィルム５０は、予想外の保守特性（付着する汚れやその他の汚染物質の量が限られる、およびコーティング上に蓄積するそれらの汚染物質の除去を容易にするという優れた特性を含む）をもたらすと同時に、優れた低可視反射、中性色、および優れた耐久性を達成することが分かっている。更に、好ましい実施形態において、第２のフィルムは、低温で堆積させた（例えば、基板を、約摂氏２５０度未満、好ましくは摂氏２００度未満に保ちながらスパッタ堆積させた）スパッタフィルムであり、この種のスパッタフィルムがこのような優れた低保守性を呈することは、特に驚くべきことである。
ある特定の実施形態は、シリカ（例えば、ＳｉＯ2）を主成分とする第１のフィルム３０を、約７０オングストロームから約１２０オングストロームの間の厚みでその上に直接堆積させた第１の主面１２を有する基板１０（例えば、ガラス板）であって、チタニア（例えば、ＴｉＯ2）を主成分とする第２のフィルム５０が、約３０オングストロームから約３００オングストロームの間の厚みで第１のフィルム３０上に直接堆積された基板１０を提供する。一部のこの種の好ましい実施形態において、第１のフィルム３０は、約７０オングストロームから約１２０オングストロームの間、おそらく最適には約１００オングストロームの厚みを有し、一方、第２のフィルム５０は、約３０オングストロームから約１２０オングストロームの間、おそらく最適には約１００オングストロームの厚みを有する。
更なる実施形態において、第２のフィルム５０の厚みは、１００オングストローム未満（そして、任意的には約８０オングストローム未満）であるが約３０オングストロームより大きく、一方、第１のフィルム３０は、約３００オングストローム（そして、任意的には約１００オングストローム未満）であるが約３０オングストロームより大きい厚みを有する。一部のこの種の場合において、第１のフィルムはシリカを主成分とし、一方、第２のフィルムはチタニアを主成分とする。
本コーティング４０において、第２のフィルム５０は、望ましくは、コーティングの最外フィルムである。当該技術分野における一般通念からは、特に、第２のフィルム５０が、特に基板を低温に保ちながら、スパッタリングされる実施形態に関して、本コーティング４０の薄膜であるという本質によって、望ましい自浄性を得るに足る光活性は得られないであろうことが示唆されるであろう。しかし、驚くべきことに、本コーティングは、窓（例えば、モノリシック窓板またはＩＧユニット）を、通常の製造過程において窓上に蓄積する特定の汚染物質がない状態にしておくのに非常に効果的である。本コーティングはまた、水をシート状にする有利な特性を呈すると同時に、優れた光学特性および耐久性を有する。
図３において、図示された基板１０は２つのコーティング：基板の第１の表面１２上の低保守コーティング４０と基板の第２の表面１４上の低放射率コーティング８０とを備える。代替的に、絶縁ガラスユニットにおいて、低放射率コーティング８０は、絶縁ガラスユニットの第３の表面上に配置されてもよいことに言及しておく（第３の表面は、第２の、例えば、絶縁ガラスユニットの窓板間空間に露出される内側の窓板の表面と考えられる）。低放射率コーティング８０は任意的なものである。施される場合、あらゆる所望の低放射率コーティングを用いることができる。低放射率コーティングの好適な例が、「耐曇り性透明フィルム積層体」という名称の米国特許出願０９／７２８，４３５に述べられており、その教示内容の全ては、ここに参照することにより組み込まれている。
図２に関し、低保守コーティング４０は、好ましくは、窓の「第１の」表面上にある。このことは、（ガラス窓板であってもよい）基板１０が、（例えば、建物９９の外壁９８における）窓枠９５上に取り付けられた窓板である実施形態を例示する図２を参照すると理解できる。ある用途において、そのような窓のコーティングされた第１の表面（すなわち、コーティング４０が施された表面１２）は、（例えば、コーティング４０が周期的に雨に接触するであろう）屋外環境に露出されるであろう。別の実施形態において、低保守コーティングは、窓の「第４の」表面（例えば、二重窓ユニットの第４表面）に、任意的には、同じ窓の第１の表面上に低保守コーティング４０を施すことに加えて施される。また、モノリシック窓において、低保守コーティング４０は、第１表面上のみに、または第２表面上のみに、または第１および第２表面上の両方に施すことができる。
本発明はまた、コーティングされた基板の製造方法も提供する。これらの方法は、低保守コーティング４０を基板１０上に（すなわち、上述した実施形態の何れかのフィルム３０、５０それぞれを堆積させることによって）堆積させることを含む。上述したように、低保守コーティングは、２つのフィルムを含む。これらのフィルム３０、５０は、よく知られた種々のコーティング技術により堆積させることができる。ある特定の好ましい実施形態において、コーティング４０（または少なくとも第２のフィルム５０）はスパッタリングにより、好ましくは、低温で（例えば、基板を約摂氏２５０度未満、より好ましくは、摂氏２００度未満に保ちながら）堆積される。しかし、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相堆積法、および熱分解堆積法等、その他のコーティング技術を用いることができる。コーティング４０の様々な実施形態について述べた。本方法は、述べられたコーティング実施形態の何れかを任意の薄膜堆積法により堆積させることを含み、この場合、要件ではないが、少なくとも第２のフィルム５０、および好ましくはコーティング４０全体について、スパッタリングが好ましい。
スパッタリングは、本技術分野においてよく知られている。図３は、例示的なマグネトロンスパッタリングチャンバー２００を示している。マグネトロンスパッタリングチャンバーと関連機器は、種々の供給源（例えば、レイボルド）から一般市場向けに入手可能である。有用なマグネトロンスパッタリング技術および機器が、チャピンに発行された米国特許第４，１６６，０１８に記載されており、その教示内容の全ては、ここに参照することにより組み込まれている。
好ましい実施形態において、本発明は、上記コーティング実施形態の何れかの各フィルムを基板上にスパッタ堆積させることにより、コーティングされた基板を製造する方法を提供する。好ましくは、コーティング４０のスパッタリング（または少なくとも第２のフィルム５０のスパッタリング）は、基板を、約摂氏２５０度未満、より好ましくは摂氏２００度未満の温度に保ちながら（例えば、基板を加熱することなく）行われる。
本発明の好ましい方法において、低保守コーティング４０は、基板１０にマルチチャンバースパッタリングラインで施される。スパッタリングラインは、本技術分野においてよく知られている。一般的なスパッタリングラインは、シート状の基板を、それぞれのチャンバーにおいて間隔を置いて設けられた移送ローラー２１０（ローラーは、スパッタリングラインを通る連続的な基板移動経路Ｐを構成する）上を水平に搬送することによって、１つのチャンバーから次のチャンバーへ基板を通過させることができるように配列および接続された、一連のスパッタリングチャンバーを含む。基板は、一般的には、１分間に約１００−５００インチの間のスピードで搬送される。
特定の一方法において、基板１０は、スパッタリングラインの入り口に配置され、所望のコートゾーンへ搬送される。このコートゾーンは、第１のフィルム３０を堆積させるのに適合した３つの陰極を備える。より詳細には、これらの各陰極は、珪素スパッタリングターゲットからなる。このコートゾーンにおける珪素ターゲットが酸化雰囲気においてスパッタされ、二酸化珪素フィルムが基板の第１の主面１２上に直接堆積される。この雰囲気は、酸素を主成分としていてもよい（例えば、Ｏ2約１００％）。代替的には、この雰囲気は、Ａｒ／Ｏ2からなっていてもよい（例えば、酸素と約４０％までのアルゴン）。約３８ｋＷの電力が第１の陰極に印加され、一方、約３８ｋＷの電力が第２の陰極に印加され、約３８ｋＷの電力が第３の陰極に印加される。基板１０は、これら全３つのターゲットのそれぞれに上述の電力レベルでスパッタリングを行いながら、１分間に約２００インチの速度で、これらターゲット下を搬送され、それによって二酸化珪素フィルムが約１００Åの厚みで施される。上述したように、各珪素ターゲットは、ターゲットの導電性を高めるためのある種のアルミニウムまたは別の材料を含んでもよい。
このようにコーティングされた基板はその後、次のコートゾーンに搬送される。このゾーンにおいて、３つの陰極が、第２のフィルム５０を堆積させるのに用いられる。これら３つの陰極はそれぞれ、チタンスパッタリングターゲットからなる。このコートゾーンにおけるチタンターゲットが酸化雰囲気においてスパッタされ、二酸化チタンフィルムが第１のフィルム３０上に直接堆積される。この雰囲気は、酸素を主成分としてもよい。代替的には、この雰囲気は、Ａｒ／Ｏ2からなっていてもよい。約４３ｋＷの電力が第１の陰極に印加され、約４３ｋＷの電力が第２の陰極に印加され、約４３ｋＷの電力が第３の陰極に印加される。基板１０は、これら全３つのターゲットのそれぞれに上述の電力レベルでスパッタリングを行いながら、１分間に約２００インチの速度で、これらターゲット下を搬送され、それによって二酸化チタンフィルムが約１００Åの厚みで施される。本実施形態において、この二酸化チタンは、コーティング４０の最外部を構成する（そして露出される）。
説明したばかりの方法において、基板１０の第２の主面１４に、予めまたは後に、任意的な低放射率コーティング８０がコーティングされていてもよいことが理解されるべきである。例えば、第１のフィルム３０および第２のフィルム５０を堆積させるのに用いられる説明したばかりのコートゾーンは、任意的な低放射率コーティング８０がその中で施されていてもよい、比較的多くの先行するスパッターダウンコートゾーンを含むスパッタリングラインの終点に向かって位置するスパッターアップコートゾーンであってもよい。特に有用なスパッターアップ／スパッターダウン法および機器が、米国特許出願０９／８６８，５４２に述べられており、その内容の全ては、ここに参照することにより組み込まれている。
本発明の好ましい実施形態を述べたが、それらの中で、発明の精神および添付のクレームの範囲から逸脱することなく、数多くの変更、適合、および変形が可能であると解釈されるべきである。
Claims (24)
- ガラス板の第１の主面上に直接配置された第１のフィルムと、前記第１のフィルム上に直接配置された第２のフィルムとを含む前記ガラス板上の低保守コーティングであって、前記第１のフィルムが、ベースフィルムを含み、厚みが約３００オングストローム未満であり、前記第２のフィルムが、光触媒フィルムを含み、厚みが約３００オングストローム未満である低保守コーティング。
- 前記ベースフィルムがシリカである請求項１に記載の低保守コーティング。
- 前記光触媒フィルムがチタニアである請求項１に記載の低保守コーティング。
- 前記第１のフィルムの厚みが約７０オングストロームから約１２０オングストロームの間である請求項１に記載の低保守コーティング。
- 前記第２のフィルムの厚みが約３０オングストロームから約１２０オングストロームの間である請求項１に記載の低保守コーティング。
- 前記ガラス板が窓枠に取り付けられた窓板であり、コーティングされた第１の主面が屋外環境に露出されている請求項１に記載の低保守コーティング。
- 前記コーティングされた第１の主面が周期的に雨に接触する請求項２に記載の低保守コーティング。
- 前記第１のフィルムがシリカを主成分とし、前記第２のフィルムがチタニアを主成分とする請求項１に記載の低保守コーティング。
- 前記シリカが二酸化珪素であり、前記チタニアが二酸化チタンまたは不足当量（ｓｕｂｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）酸化チタンである請求項８に記載の低保守コーティング。
- 前記第１および第２のフィルムが何れもスパッタフィルムである請求項１に記載の低保守コーティング。
- 低保守コーティングをガラス板上に堆積させることを含む低保守コーティングの堆積方法であって、第１のフィルムを前記ガラス板の第１の主面上に直接堆積させ、第２のフィルムを前記第１のフィルム上に直接堆積させ、前記第１のフィルムがベースフィルムからなり、約３００オングストローム未満の厚みで堆積され、前記第２のフィルムが光触媒フィルムからなり、約３００オングストローム未満の厚みで堆積される低保守コーティングの堆積方法。
- 前記ベースフィルムがシリカである請求項１１に記載の低保守コーティングの堆積方法。
- 前記光触媒フィルムがチタニアである請求項１１に記載の低保守コーティングの堆積方法。
- 前記第１のフィルムが堆積される厚みが約７０オングストロームから約１２０オングストロームの間である請求項１１に記載の低保守コーティングの堆積方法。
- 前記第２のフィルムが堆積される厚みが約３０オングストロームから約１２０オングストロームの間である請求項１１に記載の低保守コーティングの堆積方法。
- 更に、前記ガラス板を、前記コーティングされた第１の主面が屋外環境に露出され、周期的に雨に接触するように、窓枠に取り付ける工程を含む請求項１１に記載の方法。
- 前記第１のフィルムがシリカを主成分とするフィルムとして堆積され、前記第２のフィルムがチタニアを主成分とするフィルムとして堆積される請求項１１に記載の方法。
- 前記シリカが二酸化珪素として堆積され、前記チタニアが二酸化チタンまたは不足当量酸化チタンとして堆積される請求項１７に記載の方法。
- 前記第１および第２のフィルムが何れもスパッタリングによって堆積される請求項１１に記載の方法。
- 前記スパッタリングが、前記ガラス板を摂氏２００度未満の温度に保ちながら行われる請求項１９に記載の方法。
- ガラス板の第１の主面上に直接配置される第１のフィルムと、前記第１のフィルム上に直接配置される第２のフィルムとを含む前記ガラス板上の低保守コーティングであって、前記第１のフィルムがシリカを主成分とし、厚みが約３０オングストロームから約３００オングストロームの間であり、前記第２のフィルムがチタニアを主成分とし、厚みが１００オングストローム未満であるが約３０オングストロームより大きい低保守コーティング。
- 前記第１のフィルムの厚みが約１００オングストローム未満である請求項２１に記載の低保守コーティング。
- 前記第２のフィルムの厚みが約８０オングストローム未満である請求項２１に記載の低保守コーティング。
- 前記第１のフィルムの厚みが約１００オングストローム未満である請求項２３に記載の低保守コーティング。
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