JP5452864B2 - 熱的特性を有する積層体を備えた基材 - Google Patents

熱的特性を有する積層体を備えた基材 Download PDF

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Description

本発明は、透明な基材、特にガラスなどの硬質な無機材料からできている基材であって、日射及び/又は長波長の赤外線に作用できる金属タイプの少なくとも1つの機能層を含む薄膜多層によりコーティングされている基材に関する。
本発明は、より詳細には、断熱及び/又は日射保護グレージングユニットを製造するためにそのような基材を使用することに関する。これらのグレージングユニットは、特に、空調負荷を減らすため、及び/又は過大な過熱を低減するため(「ソーラーコントロール」グレージング材と呼ばれるグレージング材)、及び/又は建築物及び輸送機関の客室におけるますます増加するガラス面の使用によりもたらされる外部への放散エネルギーの量を低減するため(「低e(low−e)」又は「低放射率」グレージング材と呼ばれるグレージング材)に、建築物及び輸送機関の両方に備えられるように意図される。
そのような特性を基材に与えることで知られている多層の1つのタイプは、金属酸化物タイプの誘電材料でできた2つのコーティングの間に配置された、銀層などの少なくとも1つの金属層からなる。この多層は一般的に、スパッタリング、あるいは磁気増強スパッタリングなどの真空技術を利用して実施される連続した被着操作により得られる。2つの非常に薄い金属層を提供することもでき、これらは銀層の各面に配置され、すなわち、結合層、核形成層及び/又は、被着に続いて行われることがある熱処理の間の保護のための保護層としての下層と、上に載せられる酸化物層が酸素の存在下でのスパッタリングにより被着される場合及び/又は被着後に多層が熱処理を受ける場合に銀が損傷を受けるのを防ぐための「犠牲」又は保護層としての上層である。
例えば、銀を基礎材料とする1つ又は2つの層を有するこのタイプの多層は、欧州特許第0611213号、同第0678484号及び同第0638528号各明細書から知られている。
現在、この低放射率又は日射保護ガラスが、基材自体に固有な特性、特に美的特性(ガラスが湾曲可能なように)、機械的特性(より強くなるように)又は安全特性(破片による怪我をさせないように)を有することもますます求められている。このため、ガラス基材は、曲げ、徐冷又は強化タイプの、それ自体公知の熱処理、及び/又は積層グレージングの製造に関連する処理を受けることが必要である。
その場合、多層は、銀層タイプの機能層の完全性を保つため、特にその損傷を防ぐために、適合されなければならない。第1の解決法は、機能層を取り巻く上述の薄い金属層の厚さを有意に増すことにあり、従って、周囲雰囲気から拡散しがちであり及び/又は高温でガラス基材から移動しがちで、それらを酸化する酸素が、1又は複数の機能層に到達することなく、これらの金属層により「捕獲」されることを確実にする方策が講じられる。
これらの層は、「ブロッキング層」又は「ブロッカー層」と呼ばれることがある。
スズ層とニッケル−クロム層の間に配置された銀層を有する「強化可能な」多層の説明については、欧州特許出願第0506507号明細書を特に参照することができる。しかし、熱処理の前にコーティングされた基材が単に「半完成」製品と考えられることは明らかであり、光学的特性のためにそれはそのままでは使用不可能であることが多かった。従って、一方は非湾曲の「非強化」グレージング材用のものであり、他方は強化又は湾曲することを意図するグレージング材用のものであり、特に在庫管理及び製造の点で複雑になりかねない2種の多層を、並行して開発及び製造することが必要であった。
欧州特許第0718250号明細書に提案される改善によりこの制約を克服できるが、その明細書の教示は、多層でコーティングされた基材が熱処理を受けるかどうかにかかわらず、その光学的及び熱的性質が実質的に変わらないような薄膜多層を考え出すことにある。そのような結果は、以下の2つの特徴を組み合わせて得られる。
・一方においては、高温酸素拡散に対するバリアとして機能できる材料でできた層を、1又は複数の機能層の上に設け、その材料自体は高温で、その光学的性質を変えるような化学的又は構造的変化を被らない。例えば、前記材料は、窒化ケイ素Si34又は窒化アルミニウムAlNでよい。
・他方においては、1又は複数の機能層を、下にある誘電性の、特に酸化亜鉛(ZnO)のコーティングと直接接触させる。
単一のブロッカー層(又は単層ブロッカーコーティング)を、1又は複数の機能層の上に設けることも好ましい。このブロッカー層は、ニオブNb、タンタルTa、チタンTi、クロムCr及びニッケルNiから選択される金属、又はこれらの金属の少なくとも2種に基づく合金、特にニオブ/タンタル(Nb/Ta)合金、ニオブ/クロム(Nb/Cr)合金、あるいはタンタル/クロム(Ta/Cr)合金又はニッケル/クロム(Ni/Cr)合金から選択されるものを基礎材料とする。
この解決法は、熱処理後の基材が、きわめて一定であるTLレベル及び外部反射の外観を維持するのを実際に可能にするとは言え、なお改良の余地がある。
これは、単層ブロッカーコーティング(1種又は複数の構成要素を含む層)に、次の欠点があるからである。
・Tiを基礎材料とする金属層は、たいていの場合、特に熱処理後に、多層の機械的完全性に関する問題を起こし、特に、多層が基材上に被着される現場とこの基材がグレージングユニット、とりわけ複合グレージングユニット(二重グレージング材、積層グレージング材など)に一体化される現場の間の運搬中に、引掻き傷ができることがある。
・Niを基礎材料とする金属層は、たいていの場合、熱処理の間又はその後に現れる光学的な欠点の問題を起こす。
従って、本発明の目的は、上述のタイプの1又は複数の機能層を含む新規なタイプの多層を開発することにより、従来技術の欠点を改善することであり、前記多層は、その光学品質及びその機械的完全性を保ちながら、曲げ、強化又は徐冷タイプの高温熱処理を受けることができる。
従って、本発明の主題は、その最も広く受け入れられる範囲において、特許請求の範囲の請求項1に記載の基材である。この基材、特に透明ガラス基材は、赤外線及び/又は日射を反射する性質を有するn個の機能層、特に、銀又は銀を含む金属合金を基礎材料とする機能性金属層と、(n+1)個のコーティングを交互に配列したもの含む薄膜多層を備えており、ここにおいてn≧1であり、前記コーティングは、各機能層が少なくとも2つのコーティングの間に配置されるように、誘電材料でできたものを少なくとも1つ含む、1層又は複数の層から構成されている。前記多層を備えている基材に、強化、曲げ又は徐冷タイプの熱処理を施す場合に多層の光学的及び/又は機械的品質を維持するために、機能層の少なくとも1つは、
・一方において、前記機能層と直接接触して、機能層を酸化及び/又は窒化の攻撃から保護するのに役立つことのできる材料からできている「保護」層、及び
・他方において、前記「保護」層と直接接触し、接着を促進することのできる材料からできている少なくとも1つの「接着」層、
からなるブロッカーコーティングを含む。
本発明は、銀を基礎材料とするタイプの機能層に対して、少なくとも二重層を含むブロッカーコーティングを提供するものである。
機能層と直接接触して、機能層を酸化及び/又は窒化の攻撃から保護するのに役立つことのできる材料でできている少なくとも1つの「保護」層を、機能層と直接接触して引き続き設けることが重要である。これにより、機能層の熱的特性を低下させその光学品質を台なしにする、機能層の特に酸化/窒化による化学的又は形態的変化(デウェッティング)が防止されるが、この劣化現象は制御不可能である。
従って、「保護」層の構成材料又は少なくとも1つのそれは、元素の酸素及び/又は窒素に対し、及び/又は水に対し、強い親和性を持つことが好ましい。
本発明は、ブロッカーコーティング内のこの第1の保護に、ブロッカーコーティングの隣接層及び特に機能層への接着を促進でき、そして驚くことに保護層を通してそうすることができる材料でできている少なくとも1つの補強又は「接着」層を加える。
多層中のブロッカーコーティング(少なくとも二重層を含む)の位置は、それを機能層の下及び/又は上に被着させることができるので、いろいろでよいが、保護層は、特に機能層の材料の「クラスター」、とりわけ銀クラスターの形成により、光学的欠点ができる危険性、及び機能層へ酸素又は窒素が拡散する危険性を避けるために、常に機能層と直接接触する。
本発明は、2つのコーティングの間に配置される単一の「機能」層を含む多層にのみ適用されるものではない。それはまた、複数の機能層、特に3つのコーティングと交互になった2つの機能層、あるいは4つのコーティングと交互になった3つの機能層、あるいは更に5つのコーティングと交互になった4つの機能層、を有する多層にも適用される。
複数の機能層を有する多層の場合、少なくとも1つの機能層、好ましくは各機能層には、本発明によるアンダーブロッカーコーティング及び/又はオーバーブロッカーコーティング、すなわち少なくとも2つの別々な層を含むブロッカーコーティングが設けられる。
機能層、好ましくは各機能層は、本質的に金属製であり、銀又は銀を含む金属合金でできていることが好ましい。
実際のところ、保護層は、好ましくは次に述べる2つの特性の少なくとも一方を有するように選択されるべきであり、その特性とは、一方では、それを製作する材料が、機能層の材料に良好に濡れることが重要なことであり、及び/又は他方では、保護層の材料も、熱処理の間に拡散する妨害要素(酸素及び/又は窒素及び/又は水蒸気)に対して強い親和性を有することも重要なことである。
この保護層を形成するのに特に有利な材料は、基本的に金属製であり、特に、以下の金属、すなわちTi、Zr、Hf、Al、Nb、又はこれらの材料の少なくとも1つを基礎材料とする合金のうちの少なくとも1種から選択される材料製であることが見いだされた。
次に、接着層の多層中における位置と性質を検討する。
「接着」層は、Ni又はNi系合金を基礎材料とすることが好ましい。「接着」層は、特に、NiCr合金を基礎材料とすることができる。それはまた、NiY合金の形態でもよく、この式において、Yは金属、例えばTi、Zr、Al、Nb、Hfなどでよい。
この「接着」層は、部分的に酸化されていてもよい。
「接着」層は、「保護」層の厚さと少なくとも同程度の厚さを有することが好ましく、「保護」層の厚さより大きい厚さを有することが好ましい。
「接着」層は、好ましくは5nm未満、より好ましくは0.5nmと2nmの間の幾何学厚さを有し、「保護」層は、好ましくは5nm未満、より好ましくは0.5nmと2nmの間の幾何学厚さを有する。
本発明によるグレージング材は少なくとも、随意に少なくとも1つの他の基材と組み合わされた、本発明による多層を支持する基材を取り入れている。各基材は、透明でも着色されていてもよい。基材のうちの少なくとも1つは、特に、バルク着色ガラス製でもよい。着色タイプの選択は、製造が完了したならグレージング材に求められる光透過のレベル及び/又は測色分析の外観に依存する。
例えば、車両装備用のグレージング材については、フロントガラスは約75%の光透過率TLを有することを標準規格が定めているが、そのような透過率のレベルは例えば側面窓又はサンルーフには求められない。使用可能な着色ガラスは、例えば、厚さ4mmについて、D65光源下で0.4%から6%の透過純度に関連して、65%から95%のTL、40%から80%のエネルギー透過率TE、470nmから525nmの透過主波長を有するものであるが、それらは(L,a*,b*)測色系において、それぞれ−9と0の間及び8と+2の間の透過におけるa*及びb*値を「もたらす」ことができる。
建築物に装備するためのグレージング材については、「低放射率」用途の場合において少なくとも75%又はそれ以上の光透過率TLを有し、「ソーラーコントロール」用途では少なくとも40%又はそれ以上の光透過率TLを有することが好ましい。
本発明によるグレージング材は、積層構造を有することができ、特にガラス/薄膜多層/シート(1つ又は複数)/ガラスタイプの構造を有するように、ガラスタイプの少なくとも2つの硬質基材を少なくとも1つの熱可塑性ポリマーのシートと組み合わせたものを有することができる。ポリマーは、特に、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレン/酢酸ビニル(EVA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)又はポリ塩化ビニル(PVC)を基礎材料とすることができる。
グレージング材は、非対称積層グレージング構造と呼ばれるものを有してもよく、それは、ガラスタイプの硬質構造体を、エネルギー吸収特性を有するポリウレタンタイプのポリマーの少なくとも1つのシートと組み合わせ、随意に「自己回復」特性を有するポリマーの別の層と組み合わせたものである。このタイプのグレージング材の詳細については、特に欧州特許第0132198号、同第0131523号及び同第0389354号各明細書を参照することができる。従って、グレージング材は、ガラス/薄膜多層/ポリマーシート(1つ又は複数)タイプの構造を有することができる。
積層構造においては、多層を支持する基材はポリマーのシートと接触することが好ましい。
本発明によるグレージング材は、薄膜多層を損傷することなく熱処理を受けることができる。従って、グレージング材は、湾曲及び/又は強化することが可能である。
グレージング材は、多層を備えている単一基材からなる場合、湾曲及び/又は強化することができる。その場合、そのようなグレージング材は「一体式(モノリシック)」グレージング材と呼ばれる。特に車両用の窓を製作する目的で湾曲する場合、薄膜多層は、少なくとも部分的に非平面的な面にあることが好ましい。
グレージング材はまた、複合グレージングユニット、特に二重グレージングユニットであってもよく、少なくとも多層を支持する基材は湾曲及び/又は強化されている。複合グレージング材の構成においては、多層を中間のガス充填空間に面するように配置することが好ましい。
グレージング材が一体式である場合、又は二重グレージング材又は積層グレージング材タイプの複合グレージング材の形態である場合、少なくとも多層を支持している基材は、湾曲又は強化ガラスで製作することができ、多層を被着させる前又はその後に基材を湾曲又は強化することが可能である。
本発明は、本発明による基材を製造する方法にも関し、この方法は、スパッタリング、随意に磁気増強スパッタリングタイプの真空技術により基材上に薄膜多層を被着させ、そして次にそのコーティングされた基材に対して、その光学的及び/又は機械的品質を低下させることなく、曲げ、強化又は徐冷タイプの熱処理を実施するものである。
しかし、最初の層又は複数の最初の層が、別の技術、例えば熱分解又はCVDタイプの熱的な分解技術により被着できることは除外されない。
この方法の好ましい態様では、ブロッカーコーティングの各層は、少なくともブロッカーコーティングの隣接層の被着に使用されるターゲットとは異なる組成を有するターゲットを使用するスパッタリングにより被着される。
本発明の詳細及び有利な特徴は、図を用いて説明される、以下の非限定的な例から明らかになろう。
図1は機能性の単層を備えた多層を示すが、種々の材料の厚さの比率は、図を検討しやすいように一定の比率には描いていない。
以下の例1〜4においては、厚さ4mmの透明なソーダ石灰シリカガラスでできた基材である基材1の上に、多層を被着させる。この多層は、銀を基礎材料とする単一の機能層3を含み、その上に薄いブロッカーコーティング4が配置される。
機能層3の下に、誘電材料を基礎材料とする参照符号2a及び2bの複数の重ね合わせた層からなるコーティング2があり、機能層3及びブロッカーコーティング4の上に、誘電材料を基礎材料とする参照符号5a及び5bの複数の重ね合わせた層からなるコーティング5がある。
例1〜4において、
・層2aはSi34でできており、
・層2bはZnOでできており、
・層5aはZnOでできており、
・層5bはSi34でできており、
・層3は銀でできており、
そしてこれらの層は同じ厚さである。
種々の例1〜4において、ブロッカーコーティング4の種類及び厚さのみを変更する。
これらの全ての例では、多層の各層を被着させる一連の作業を磁気増強スパッタリングにより実施したが、他のどのような被着技術も、被着すべき層の厚さの良好な制御を可能にするならば想定することができる。
被着装置は、適切な材料でできたターゲットを備えたカソードを設けた少なくとも1つのスパッタリングチャンバーを含み、ターゲットの下を基材1が連続して通過する。各層の被着条件は以下のとおりであった。
・銀を基礎材料とする層3は、アルゴン雰囲気中において0.8Paの圧力で、銀ターゲットを使用して被着させた。
・ZnOを基礎材料とする層2b及び5aは、アルゴン−酸素雰囲気中において0.3Paの圧力で、亜鉛ターゲットを使用する反応性スパッタリングにより被着させた。
・Si34を基礎材料とする層2a及び5bは、アルゴン/窒素雰囲気中において0.8Paの圧力で、ホウ素をドープ又はアルミニウムをドープしたケイ素ターゲットを使用する反応性スパッタリングにより被着させた。
所望の層の厚さを得るように、給電密度及び基材1の移動速度を公知の方法で調整した。
(例1)
この例では、コーティング4はTiの単層であり、純アルゴンの雰囲気中において0.8Paの圧力でTiターゲットを用いて反応性スパッタリングにより得た。
(例2)
本発明によるこの例では、コーティング4は二重層であり、例1と同条件で被着させたチタンの第1層と、その後純アルゴンの雰囲気中でNiCrターゲットを用いるスパッタリングにより得られるニッケル/クロム合金製の第2層からなっていた。
このブロッカーコーティングを製造するのには、組成の異なる2つのターゲットを使用し、これらの2つのターゲットはスパッタリング装置の全く同じ気密室の2つの異なる区画に配置した。
(例3)
本発明によるこの例では、コーティング4はやはり二重層であり、実施例1と同条件で被着させたチタンの第1層と、その後反応性スパッタリングにより得られるニッケル/クロム合金製の第2層からなっていたが、この例では、雰囲気はアルゴンと酸素からなっており、例2で被着したコーティングに比べ吸収を大幅に減らすためにアルゴンの量を調整した。
このブロッカーコーティングを製造するのには、組成の異なる2つのターゲットを使用し、これらの2つのターゲットは同じスパッタリング装置の2つの異なる気密室に配置し、第1の気密室への酸素の侵入を防ぐため2つの気密室をポートにより分離した。
(例4)
この例では、コーティング4は二重層であったが、例3のそれとは逆であった。それは、例3と同条件で被着させたニッケル/クロム合金の第1層と、その後例3と同条件で被着させたチタンの第2層からなっていた。
下記の表1は、nmで表した種々の層の厚さを示している。
Figure 0005452864
その後、これらのコーティングされた基材のそれぞれを3つの部分に切断し、最初の2つの部分には、620℃を超える温度で徐冷する前に異なる機械的強度試験を施し、第3の部分は620℃を超える温度で直接徐冷した。
下記の表2は、例1〜3のそれぞれについて、以下のものを示している。
・%で表した光透過率の値TL(D65光源):
−基材の第1の部分及び第2の部分の場合における熱処理及び機械的試験前のTLb。 −基材の第3の部分の場合における熱処理後のTLa
・50回転で500gの荷重で実施したテーバー試験後に残存する面積の%として表した、残存する多層の量Q。
・エリクセン引掻き試験(ファンラール(van Laar)チップ又はスチールボール)を実施の際に多層に引掻き傷を付けるのに必要な力をニュートンで表した値V。
Figure 0005452864
更に、例1の基材にエリクセン試験により徐冷前に形成した引掻き傷は、熱処理中に非常に腐食されたのに対し、例2及び3の基材にエリクセン試験により徐冷前に形成した引掻き傷は、熱処理中にほとんど腐食されなかったことを指摘すべきである。
これらの結果から以下の結論を引き出すことができる。
Ti/NiCr二重層のブロッカーコーティングを使用することにより、単一のTiブロッカーコーティングに比べ多層の機械的完全性を向上させることが可能である。Ti/酸化NiCrブロッカーコーティングを使用することにより、許容できる機械的完全性を維持する(NiCrが酸化されていないTi/NiCrを使用したものよりわずかに劣るにもかかわらず)ことが可能であるが、それは熱処理の結果としての光学的変化を低減するのを可能にする(光透過率の変化はこの場合わずか+1.5%である)。
オーバーブロッカーコーティングにおける例3の接着層と保護層の反転を試験するために製造した例4に関しては、これらの層を反転した事実は、熱処理の結果として非常に著しい多層の劣化につながった(巨視的な腐食斑点の出現、かなりの赤色の曇り、面積抵抗の上昇をもたらす銀層の劣化など)を指摘すべきである。この解決法は、強化処理に耐えず、従って想定することができない。
いくつかの機能層を持つ例も製造した。それらは同じ結論を与えた。
ここまで、一例として本発明を説明してきた。もちろんながら、当業者は、特許請求の範囲により規定される特許の範囲から逸脱せずに、本発明の種々の別の形態を実現することが可能である。
機能性の単層を備えた多層を、図を検討しやすいように種々の材料の厚さの比率を一定にせずに示す図である。

Claims (15)

  1. 基材(1)であり、赤外線及び/又は日射を反射する性質を有するn個の機能層(3)、及び(n+1)個のコーティング(2、5)を交互に配列したもの含み、n≧1である薄膜多層を備えており、前記コーティングが、各機能層(3)が少なくとも2つのコーティング(2、5)の間に配置されるように、誘電材料でできたものを少なくとも1つ含む、1層又は複数の層(2a、2b、5a、5b)から構成されている基材であって、前記多層を備えている基材(1)に、強化、曲げ又は徐冷タイプの熱処理を施す場合に多層の光学的及び/又は機械的品質を維持するために、機能層(3)の少なくとも1つが、
    ・一方において、前記機能層と直接接触して、機能層を酸化及び/又は窒化の攻撃から保護するのに役立つことのできる材料からできている「保護」層であって、前記「保護」層は基本的に金属製であり、以下の金属、すなわちTi、Zr、Hf、Alのうちの少なくとも1種から選択される材料、又はこれらの材料のうちの少なくとも1種を基礎材料とする合金でできている「保護」層、及び
    ・他方において、前記「保護」層と直接接触して、接着を促進することのできる材料からできている少なくとも1つの「接着」層であって、前記「接着」層はNi又はNi系合金を基礎材料とする「接着」層、
    からなるブロッカーコーティング(4)を含む、薄膜多層を備えた基材(1)。
  2. 前記基材(1)が透明ガラス基材であり、前記機能層(3)が銀又は銀を含む金属合金を基礎材料とする金属機能層である、請求項1に記載の基材(1)。
  3. 前記多層が、3つのコーティングと交互になった2つの機能層を含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の基材(1)。
  4. 前記「接着」層がNiCr合金を基礎材料とすることを特徴とする、請求項1〜のいずれか1つに記載の基材(1)。
  5. 前記「接着」層が部分的に酸化されていることを特徴とする、請求項1〜のいずれか1つに記載の基材(1)。
  6. 前記「接着」層が前記「保護」層の厚さと少なくとも同程度の厚さを有することを特徴とする、請求項1〜のいずれか1つに記載の基材(1)。
  7. 前記「接着」層が前記「保護」層の厚さより大きい厚さを有することを特徴とする、請求項6に記載の基材(1)。
  8. 前記「接着」層が5nm未満の幾何学厚さを有することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1つに記載の基材(1)。
  9. 前記「接着」層が0.5nmと2nmの間の幾何学厚さを有することを特徴とする、請求項8に記載の基材(1)。
  10. 前記「保護」層が5nm未満の幾何学厚さを有することを特徴とする、請求項1〜のいずれか1つに記載の基材(1)。
  11. 前記「保護」層が0.5nmと2nmの間の幾何学厚さを有することを特徴とする、請求項10に記載の基材(1)。
  12. 少なくとも1つの他の基材と随意に組み合わせた、請求項1〜11のいずれか1つに記載の基材(1)を少なくとも1つ取り入れてなるグレージングユニット。
  13. 少なくとも多層を支持する基材が、湾曲又は強化ガラス製であることを特徴とする、一体式の形態で、あるいは二重グレージング材又は積層グレージング材タイプの複合グレージング材として取り付けられる、請求項12に記載のグレージングユニット。
  14. スパッタリング、随意に磁気増強スパッタリングタイプの真空技術により基材上に薄膜多層を被着させること、そして次に前記基材に対して、その光学的及び/又は機械的品質を低下させることなく、曲げ、強化又は徐冷タイプの熱処理を行うことを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1つに記載の基材(1)の製造方法。
  15. 各ブロッカーコーティング層(4)を、少なくとも隣接層の被着に使用するターゲットとは異なる組成を有するターゲットを使用してスパッタリングにより被着することを特徴とする、請求項14に記載の方法。
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