JP2604474B2 - 太陽エネルギ−反射性製品及びその製法 - Google Patents

太陽エネルギ−反射性製品及びその製法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一般に非金属基体上に金属含有膜をスパッ
タリングする分野に関し、特にガラス上に多層金属／誘
電体透明膜を磁気スパッタリングする分野に関する。
〔従来の技術〕
ゲルバーによる米国特許第3,990,784号明細書には、
透明基体と、第一及び第二金属層で、両者の間に誘電体
層を入れたものからなる多層被覆とを有する建築溶被覆
ガラス構造体が記載されており、この場合第一及び第二
金属層は、それら金属層の厚さを、比率を一定に保ちな
がら変えることにより反射性特性とは無関係に被覆の透
過率を変化させることができるような厚さ比を有する。
誘導体は、被覆からの反射が強く着色しないような厚さ
を有する。グラブその他による米国特許第4,022,947号
明細書には、入射太陽輻射線の大部分を反射しながら希
望の可視光部分を透過することができる透明パネル及
び、鉄、ニッケル及びクロム合金をスパッタリングする
ことにより透明金属膜を得、同じ又は同様な合金を酸素
の存在下で反応的にスパッタリングして酸化物膜を形成
することによりそれを製造する方法が記載されている。
一つの好ましい態様として、金属膜は基体と金属酸化物
膜との間に横たわる。別の好ましい態様として、金属酸
化物膜は基体と金属膜との間に横たわる。
ハルティッヒその他による米国特許第4,534,841号明
細書には、最初に酸素含有雰囲気中での陰極蒸発により
透明基体に20〜280nmの光学的厚さを有する酸化物層を
適用し、第二にアルゴン及び窒素の如き不活性ガスから
なる雰囲気中で適用された10〜40nmの幾何学的厚さを有
する窒化クロム層を適用することにより製造された太陽
光調節はめ込みガラスが記載されている。第三の光学的
誘電体層を第二の層を適用してもよい。酸化物層は、
錫、チタン及びアルミニウムの酸化物から選択される。
金属及び（又は）金属酸化物膜を有する建築用ガラス
製品は、暖房及び冷房のためのエネルギー料金が次第に
高くなってきているので、益々重要になってきている。
被覆ガラス建築用製品は、一般に二つの範畴、太陽エネ
ルギー調節製品及び高透過性、低放射性被覆製品に分け
られる。
太陽エネルギー調節ガラス製品は、一般に、窓を通っ
て建物の中に入る太陽エネルギー透過率を減少させ、そ
れによって空調コストを低下させる可視光低透過性着色
膜で被覆された、屡々着色したガラス基体からなる。こ
れらの製品は、暖かい気候で最も有効であり、商業的構
造物に最も多く見られる。暖房コストが大きな問題にな
る地方では、特に住居建造物では、建物内部に熱を維持
するため、赤外線を反射しながら可視光線を内部へ高度
に透過させるため高透過性低放射性被覆が望ましい。高
透過性低放射性被覆は、銀、金又は銅の如き赤外線反射
性金属が、ビスマス、インジウム及び（又は）錫の酸化
物の如き非反射性金属酸化物層の間に挟れている多層膜
であるのが典型的である。一方、太陽エネルギー調節膜
は、コバルト、鉄、クロム、ニッケル、銅等の如き一種
類以上の金属又は金属酸化物の単一層膜であるのが典型
的である。
着色反射性被覆を製造する最も簡単な方法は、金属の
本体の色を用いることである。例えば、銅を付着させる
と、銅の色をした被覆を生じ、金は金色を生じ、ニッケ
ルは灰色を生ずる等である。一層複雑な被覆方法は、金
属の前面に吸収着色の被覆を入れることによって金属色
を変化させるか或は新しい色を生じさせる方法である。
干渉効果は通常弱いが、合理的に大きな等しい反射を干
渉させると、その効果を極めて強くすることができる。
これは高屈折率の誘電体を用いるか、誘電体層の反射を
金属層で強めることにより行なうことができる。これ
は、金属酸化物誘電体／金属の２層順序又は金属／金属
酸化物誘電体／金属の３層順序を用いることを含んでい
る。
初期によく知られた膜は、種々の本体の色をもつもの
であった。太陽エネルギー調節のためのそのような膜を
製造する化学的方法は、米国特許第3,846,152号、第4,0
91,172号、第3,723,158号及び第3,457,138号からよく知
られている。真空被覆技術が商業的に利用できるように
なった時、これらの存在する着色被覆は、最初のものと
本質的に同じ金属を用いて複製することができた。太陽
エネルギー調節金属性膜を製造するためのスパッタリン
グ法は、米国特許第4,512,863号及び第4,594,137号明細
書に記載されている。金属被覆の欠点は色の多様性及び
色の濃さがないことであり、それらを作るのに多種類の
材料及びターゲット順序が必要であった。望ましい一連
の新しい被覆は、最小数の材料から最大数の色を与えら
れるべきである。これを達成するため干渉色型の被覆が
理想的である。何故ならその色は誘電体層の厚さを変え
ることによって変化させることができ、その透過率及び
反射率は、金属層（単数又は複数）の厚さを変えること
により、変化させることができるからである。新しい一
連の被覆の他の望ましい性質は、濃い飽和色、低い屈折
率及び第二表面の一体的耐久性である。即ち被覆は固く
化学的に耐久性があるのがよい。更に、用いられる材料
は安価で、毒性がなく、速くスパッターされるべきであ
る。材料の反射色は、光反射分光光度曲線によって記述
される。強い色は曲線の大きな振幅によって生じ、低い
反射はその曲線が０に近い最小値になることを必要とす
る。二次干渉色は一次よりも強いが、三次干渉色の強さ
は小さくなる。一般に高屈折率材料は高度の反射即ち、
大きな曲線振幅を生ずる。高屈折率誘電体材料も二重層
被覆に対し一層強い色を与える。金属／誘電体／金属の
層順序について、屈折率の低い誘電体材料が許容出来る
結果を与えるようである。
F.H.ギラリーによる1987年11月25日出願の米国特許第
出願Serial No.125,437明細書には、錫／アンチモン酸
化物膜が、窒化クロムの如き金属性膜と組合せて付着さ
れた比較的飽和した色を持つ多層膜が記載されている。
その記載は参考のためここに入れてある。
〔本発明の要約〕
本発明は、ガラス上の種々の建築用多層被覆に用いら
れる新規で優れた誘電体膜を与える。本発明は、亜鉛と
スズとの酸化物からなる被覆を付着させるため、酸素を
含む雰囲気中で亜鉛と錫を同時にスパッタリングするこ
とを含む。本発明の亜鉛／錫酸化物膜は、比較的飽和し
た色を持つ種々の着色多層被覆を形成するため、窒化ク
ロムの如き金属性膜と組合せて付着される。
〔好ましい態様についての記述〕
本発明は、最小数の層及び材料で一連の着色被覆を製
造することができるようにしている。本発明の被覆系
は、比較的低い反射、高度の色飽和及び一体的耐久性を
有する。
透明誘電体材料の層を取り囲む第一及び第二金属層に
よって一連の色を生じさせることができることは知られ
ている。色はその誘電体層の厚さを変えると変化する。
しかし、今まで知られていた誘電体材料は、高屈折率、
速いスパッタリング及び一体的耐久性の要求される性質
の一つ以上が不足している。本発明の亜鉛とスズとの酸
化物はそれらの性質を持つ外、適切な金属性膜と組合わ
さって、強く着色した建築用被覆を生ずる能力を有す
る。例えば、クロムを基にした膜と組合せた亜鉛とスズ
との酸化物は、優れた耐久性を持つ或る範囲の魅力的な
色を生じさせるのに用いることができる。
反射色円グラフ及びコンピューター計算を用いて、金
属と誘電体の二つの層の組合せが、両層について、最小
屈折率と最高の色飽和との組合せを与える最適厚さを有
することが決定された。誘電体の屈折率が大きくなる
程、最適の被覆の透過率は低くなり、色飽和は大きくな
る。媒体中の電磁波の伝播を定める複素屈折率の実数部
分及び複素数部分を夫々ｎ及びｋとして、小さいｎ及び
大きいｋを有する金属は、最も低い透過率及び最も大き
な飽和を与える傾向がある。
透過率を低下させるため金属の厚さを増大すると、屈
折率が増加し、色の強度が減少する。誘電体層を付着さ
せる前に薄い金属性層を付着させると、屈折率を低下
し、一層強い飽和色を与えることができる。非常に薄い
金属層の付着と組合せて主金属性層の厚さを増大する
と、低透過率、低反射性の高度に着色した被覆をつくる
ことができる。もし二つの主金属性層を用いると、小さ
いｎ、大きいｋを持つ金属と組合せた低屈折率誘電体は
最も魅力的な外観を与える。計算によると、2.3の屈折
率を持つ誘電体と組合せて金属を用いると、20％の光透
過率で適切な飽和を得ることができることが示されてい
る。一層低い屈折率の誘電体については、金属・誘電体
・金属系が好ましい。
本発明の亜鉛とスズとの酸化物では、良好な性質を持
つ多層被覆を与えるのに、多くの金属又は金属合金膜を
用いることができる。好ましい膜には、クロムの如くき
金属、僅かに酸化したクロム及び最も好ましくは窒化ク
ロムの如き金属性被覆が含まれる。他の好ましい金属性
膜には、チタン及び窒化チタンの外、ステンレス鋼の如
き金属合金及びインコネルの如きニッケル合金が含まれ
る。
慣用的マグネトロン スパッタリング法では、スパッ
ターしようとする材料からなるターゲット表面を有する
陰極に向けて基体を被覆室内に入れる。本発明により好
ましい基体には、被覆工程の操作条件によって有害な影
響を受けないガラス、セラミック及びプラスチックが含
まれる。
陰極は、電源に接続されたどのような慣用的設計のも
のでもよく、好ましくは長方形の形をしており、スパッ
タリング工程を促進するため磁場と組合せて用いられる
のが好ましい。陽極は対称的な形をしているのが好まし
く、ギラリーその他による米国特許第4,478,702号明細
書（その記載は参考のためここに入れてある）に教示さ
れているように組合せて配置される。
奇麗なガラス基体を被覆室に入れ、その室を減圧、好
ましくは10-4トールより低く、一層好ましくは２×10-5
トールより低い圧力にする。選択された反応性ガスの雰
囲気、好ましくはアルゴンと酸素を、室中に約５×10-4
〜10-2トールの圧力まで入れる。亜鉛と錫のターゲット
表面を有する陰極を、被覆すべき基体の被覆上で操作す
る。ターゲット金属はスパッターされ、室中の雰囲気と
反応してガラス表面上に亜鉛とスズとの酸化物被覆層を
付着する。
亜鉛とスズとの酸化物の最初の層が付着された後、被
覆室を真空にし、純粋窒素の如き不活性雰囲気を約５×
10-4〜×10-2トールの圧力に確立する。金属又は金属合
金、好ましくはクロムのターゲット表面を有する陰極
を、亜鉛とスズとの酸化物被覆表面の上で操作する。タ
ーゲットをスパッターし、亜鉛とスズとの酸化物被覆ガ
ラス表面上に金属性層を付着させる。クロム金属及び僅
かに酸化した状態のクロムが本発明に従って有用である
が、窒化クロムが好ましい。しかし、チタン、窒化チタ
ン、ステンレス鋼及びニッケル合金を適切な膜を生ず
る。
本発明の最も好ましい態様として、金属性膜を亜鉛と
スズとの酸化物膜の上と同様下にも付着させる。二層膜
の場合と同様、未被覆表面からの反射色の主たる波長
は、亜鉛とスズとの酸化物層の厚さに殆ど全て依存す
る。一番上の金属層の厚さは、透過率がほぼ必要な値に
なるまで変化させ、次に下の金属性層の厚さを、物品の
未被覆側からの希望の反射が得られるまで変化させる。
最適最終透過率を得るのに、一番上の金属性膜の厚さを
最終的に修正することが必要かもしれない。問題の厚さ
範囲以内で、一番上の金属性膜の厚さを増大すると、透
過率が減少し、被覆物品の未被覆側からの反射が増大す
る。
問題の厚さ範囲以内で一番下の金属性膜の厚さを増大
すると、透過率が減少し、未被覆側からの反射率が減少
する。
被覆は、その厚さにより、誘電体層の干渉効果からそ
の色を生ずる。。本発明により窒化クロム・亜鉛とスズ
との酸化物・窒化クロムの膜は、深い青色状で特に魅力
的である。亜鉛とスズとの酸化物層は、亜鉛／錫合金陰
極をスパッターすることにより付着させるのが好まし
い。亜鉛と錫の割合は、好ましくは夫々10〜90％、一層
好ましくは30〜70％の錫及び残余の亜鉛、最も好ましく
は夫々約50％の亜鉛と錫である。
実施例１ ガラス基体上に次の条件により亜鉛とスズとの酸化物
及び窒化クロムの多層被覆を付着させた。奇麗なガラス
基体を、真空室中2.2ミリトールの圧力の純粋窒素雰囲
気中に維持する。377Vで7.5kWの電力で作動させた陰
極、約0.4×2.7m（15×106in）の大きさのクロムターゲ
ット及び１分当たり約2.54m（100in）の線速度を用い
て、35Å厚の窒化クロム層を付着させ、ガラスの透過率
を70％へ減少させた。320〜340Vの電圧で、合計76kWの
電力で３ミリトールの圧力のアルゴン／酸素、50/50の
雰囲気中で操作した亜鉛／錫、50/50の四つのターゲッ
トから、同じガラス速度で酸化物層を適用した。透過率
は亜鉛とスズとの酸化物層により58％まで減少した。49
2V及び54kWの電力で作動させた単一のクロム陰極から、
３ミリトールの純粋窒素の雰囲気中で最終窒化クロム層
を付着させた。同じガラス速度で一回の透過により、透
過率は22％に減少した。被覆は、未被覆ガラス表面から
の反射で、色度座標でＹ＝9.28、ｘ＝0.2325及びｙ＝0.
2460である深い青色を持っていた。被覆は極めて固く、
テーバ（Taber）摩耗試験機で80回転のCS10F摩耗論にか
けても僅か1.6％しか透過率は増大しなかった。被覆
は、30％硝酸又は20％の塩化水素酸中への30分間の浸
漬、約66℃（150゜F）での少なくとも１カ月のクリーブ
ランド（Cleveland）（水分凝縮）試験、及び１カ月の
５％塩噴霧に耐えることができた。
実施例２〜12 これらの実施例のために、窒化クロム膜を純粋窒素中
で付着させ、亜鉛とスズとの酸化物膜を、前の実施例の
場合の如く、アルゴン／酸素、50/50中で付着させた。
次の表は、各層の付着後の透過率、色度座標による反射
色及び被覆物品の未被覆ガラス表面からの目による観察
結果を示している。
上記実施例は本発明を例示するために与えられてい
る。本発明の亜鉛とスズとの酸化物誘電体層の一方の側
又は両側に、希望の透過性及び反射性により広い範囲の
厚さで、種々の金属含有層を用いてもよい。亜鉛とスズ
との酸化物誘電体膜自体の厚さは、希望の色を生ずるよ
うに変化させる。圧力、雰囲気、電力、電圧、線速度等
の如きスパッタリング条件の範囲は、用いられるスパッ
タリン装置及び希望の生産率に依存する。本発明の範囲
は特許請求の範囲によって規定されるものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｃ 14/08 Ｃ２３Ｃ 14/08 Ｄ Ｃ 14/14 14/14 Ｄ

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】太陽エネルギーを反射するための製品にお
    いて、 a.ガラスの基体と、 b.亜鉛と錫との金属酸化物透明膜、但し、亜鉛とスズと
    の割合は錫30〜70％で残部が亜鉛であり前記製品が干渉
    色を示すのに十分な厚さである、と、 ｃ、前記の亜鉛と錫との金属酸化物膜の表面に付着し
    た、窒化クロムの反射性透明膜、但し、この反射性透明
    膜は、Ｙ＝5.9〜13.7、ｘ＝0.2236〜0.3802及びｙ＝0.2
    249〜0.3788の色度座標を有する強い飽和色を生じる、
    と から成る、上記製品。
  2. 【請求項２】基体と、亜鉛と錫との金属酸化物膜との間
    に付着した、第二の金属含有反射性透明膜を更に含む、
    請求項１に記載の製品。
  3. 【請求項３】第二金属含有反射性透明膜が、クロム、チ
    タン、ステンレス鋼及びニッケル合金から成る群から選
    ばれる金属から成る、請求項２に記載の製品。
  4. 【請求項４】第二金属含有反射性透明膜が、クロム金
    属、酸化クロム、窒化クロム、チタン金属、窒化チタ
    ン、ステンレス鋼及びインコネルから成る群から選ばれ
    る、請求項３に記載の製品。
  5. 【請求項５】亜鉛と錫との金属酸化物透明膜の厚さが、
    被覆済み物品が青色干渉色を示すのに十分である、請求
    項１に記載の製品。
  6. 【請求項６】太陽エネルギー反射性被覆済み物品の製法
    において、 a.スパッタリングによって、第一の亜鉛と錫との金属酸
    化物透明被覆をガラス基体の表面に付着させる工程、但
    し、亜鉛と錫との割合はスズ30〜70％で残部が亜鉛であ
    り、前記物品が干渉効果によって色を示す厚さである、
    と、 b.スパッタリングによって、窒化クロムの反射性透明膜
    を第一の亜鉛と錫との金属酸化物透明被覆の上に付着さ
    せて、Ｙ＝5.9〜13.7、ｘ＝0.2236〜0.3802及びｙ＝0.2
    249〜0.3788の色度座標を有する強い飽和色を生じさせ
    る工程と から成る、上記製法。
  7. 【請求項７】スパッタリングを磁気的に強化する、請求
    項６に記載の製法。
  8. 【請求項８】純窒素の雰囲気中でクロムをスパッタリン
    グする、請求項６に記載の製法。
  9. 【請求項９】第二の金属含有反射性透明膜を基体上に付
    着させ、次いで、スパッタリングによって、第一の亜鉛
    と錫との金属酸化物透明被覆を付着させる、請求項６に
    記載の製法。
  10. 【請求項１０】第二金属含有反射性透明膜は窒化クロム
    から成り、クロムをスパッタリングによって形成して、
    基体上に前記クロムを付着させる、請求項６に記載の製
    法。
  11. 【請求項１１】クロムを不活性雰囲気中でスパッタリン
    グして、クロム金属を付着させる、請求項10に記載の製
    法。
  12. 【請求項１２】クロムを酸化性雰囲気中でスパッタリン
    グして、わずかに酸化されたクロムを付着させる、請求
    項10に記載の製法。
  13. 【請求項１３】クロムを純窒素雰囲気中でスパッタリン
    グして、窒化クロムを付着させる、請求項10に記載の製
    法。
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