JP5960385B2 - 赤外線放射を反射する層を有する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス - Google Patents

Description

本発明は、赤外線放射を反射するガラス又はガラスセラミック製窓ガラス、及びそれを製造するための方法に関する。詳細には、本発明は、たとえば、オーブン又は暖炉のための前面窓ガラス、及び防火ガラスのような、高温において利用するためののぞき窓ガラスに関する。

赤外線放射を反射する窓ガラス、特に、オーブン及び暖炉のためのぞき窓ガラスが知られている。これらの窓ガラスは、一般に、低い熱膨張係数を有するガラス、又はガラスセラミックから形成される基板として構成される。その基板ガラスに、可視光の領域内よりも、赤外線領域において低い透過性を有するコーティングが塗布される。このようにして、その窓ガラスを通り抜ける赤外線放射は著しく低減され、その窓ガラスの強い加熱、及びその周囲にある隣接物の強い加熱も防止される。

慣例から、たとえば、酸化チタン／酸化シリコンコーティング、詳細には、干渉交互層システムが知られているが、経済的な観点から実現するのに適していない。

既知のコーティングの短所は、そのような層を塗布するコストが高いことに加えて、耐熱性が低いことである。詳細には、多くの既知の透明伝導性コーティング（ＴＣＣ）は、４５０℃よりも高い温度において、その反射効果を失う。

さらに、曲げガラスに均一な層厚を与えるのは難しいので、従来のコーティングは、曲げガラスセラミックに対して、限られた形でしか適していない。

一方、従来のコーティングはセラミック化中に損傷を受けるか、又は破壊されるので、一般に、セラミック化及び曲げの前に素材板（未加工のガラス）にコーティングすることはできない。

それに対して、本発明の課題は、従来技術の短所が少なくとも低減される、赤外線放射を反射する熱安定性の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造することである。

詳細には、その透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスは、費用効率の高い方法で製造するのが容易であり、且つ均一な光学的外観を有するべきである。

本発明の課題は、独立請求項のうちの１つによる、赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス、及びその透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法によって既に解決されている。

本発明の好ましい実施の形態及びさらに進んだ発展形態は、それぞれの従属請求項から引き出される場合がある。

したがって、本発明は、４．２未満、好ましくは３．５未満の熱膨張係数αを有するガラス又はガラスセラミック基板を含む、透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスに関する。

したがって、本発明には、熱安定性基板ガラス、又はいわゆるゼロ膨張材料、ガラスセラミックが含まれる。

「透明」とは、窓ガラスが、その窓ガラス越しに向こうを見ることができるように可視領域において十分な透過性を有することを意味するものと理解されたい。それゆえ、その窓ガラスはのぞき窓として適している。しかしながら、それに加えて、本発明の真義において着色窓ガラスも「透明」であると理解されることは明らかである。

可視領域において同様に透明であり、且つ赤外線放射を反射する層が透明ガラス又はガラスセラミック基板に塗布される。赤外線放射を反射する層は、２．２よりも大きな屈折率を有する単層反射層として形成される。屈折率は２．４よりも大きいことが好ましい。

単層反射層は、干渉原理に従って機能する交互層システムとは対照的に、単一の層として、赤外線放射反射特性を既に有している層を意味するものと理解されたい。高い屈折率を有する層、特に、本発明の好ましい実施の形態において提供されるように、酸化チタン層は、この目的を果たすのに適していることがわかっている。単層反射層の定義は、いくつかの層が存在することを除外しない。

本発明者らは、特に、結晶層として形成される層を基板上に堆積することができ、この場合には、それらの層は熱的な後処理を行なうことなく透明であり、赤外線反射特性を有することを見い出した。代替物として酸化ニオブ及び酸化タンタルが考えられる。酸化チタンは特に経済的であり、本発明者らは、スパッタリングのような堆積工程によって結晶層として塗布できることを見い出した。この場合、特に、アナターゼ相又はルチル相の酸化チタンが含まれる。

本発明の一実施の形態では、赤外線放射を反射する層は、ガラス又はガラスセラミック基板に直に隣接する。したがって、その層は、さらなる中間層を用いることなく塗布される。本発明者らは、特に板ガラス上で、ガラス基板上に酸化チタン層を直に堆積することができ、その際に、耐磨耗性の結晶層を形成することができることを見い出した。

好ましくは、ガラス又はガラスセラミック基板は、層を塗布する前に、特に２００℃〜４００℃まで加熱され、それにより、層の接着安定性をさらに改善する。本発明の代替の実施の形態では、赤外線放射を反射する層と、ガラス又はガラスセラミック基板との間に、接着仲介層が配置される。

接着仲介層として考えられるのは、たとえば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、又は高い割合の炭素を有する堆積軟質シリコン含有層である。ガラスがコーティング後にさらに処理され、高い熱的及び／又は機械的負荷がかけられる場合に特に、中間層として接着仲介層の使用が提供される。

接着仲介層は特に、未加工のガラス（green glass）に塗布される本発明による赤外線放射反射層が、後続のセラミック化工程にも耐え、必要に応じて、変形、特に、加熱されたガラス又はガラスセラミック基板を曲げて曲げ窓ガラスを形成することにも耐えることを確実にすることができる。

赤外線放射を反射する層は、２０ｎｍ〜６００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ〜４００ｎｍ、特に好ましくは７０ｎｍ〜２００ｎｍの厚みを有することができる。

本発明者らは、層厚によって、窓ガラスの色の印象を、そして特に赤外線における反射最大値を制御できることを見い出した。本発明の好ましい課題では、１０００ｎｍより長く、好ましくは８００ｎｍよりも長く、特に好ましくは７００ｎｍよりも長い波長において既に、そのガラス又はガラスセラミック製窓ガラスは、２０％よりも大きく、好ましくは３０％よりも大きな反射率を既に有する。

対照的に、可視光の領域では、平均透過率は４０％よりも大きく、好ましくは５０％よりも大きく、特に好ましくは７０％よりも大きくすることができる。その透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスは、特に、異なる厚みを有する酸化チタン層を用いることによって、着色されるように、詳細には黄色、赤色、緑色、又は青色の印象を有するように形成することができる。

詳細には、本発明は、曲げガラス又はガラスセラミック製窓ガラスに関する。

本発明の特別な実施の形態では、赤外線放射を反射する層は、２５００ｎｍ未満において、好ましくは２０００ｎｍ未満において、特に好ましくは１６００ｎｍ未満において、既に反射最大値を有する。使用中に高温が生じる場合には、放射の最大値は２．５μｍ未満の低い波長範囲内にあるので、これは特に重要である。

さらに、詳細には、堆積結晶酸化チタン層は、６００℃より高く、好ましくは８００℃より高い常用温度のために形成される。本発明のさらなる発展形態では、赤外線放射を反射する層上に、さらなる層、詳細には反射防止層を配置することができる。したがって、たとえば、可視光の領域において反射を低減する交互層システムを、赤外線放射を反射する層の上に堆積することもできる。この場合には、赤外線領域における反射特性は保持される。

本発明のさらなる発展形態において提供されるように、赤外線放射を反射する層に起因する着色を無色にするさらなる層を塗布することも考えられる。詳細には、赤外線放射を反射する層の色の印象を補償する着色された層を塗布することができる。

本発明の好ましい実施の形態では、赤外線放射を反射する層は、高密度層として、詳細には、１０％未満、好ましくは５％未満、特に好ましくは２％未満の多孔率を有する層として形成される。

本発明によれば、赤外線放射を反射する層は、７００〜２０００、好ましくは８００〜１７００の波長範囲において反射最大値を有することができる。

本発明は、暖炉又はオーブンの前面窓ガラスとして、及び特に防火扉又は窓のための防火ガラスとして特に適している。本発明による窓ガラスは、オーブンマッフルのために用いることもできる。さらに、本発明は、特に上記のように、赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法に関する。

本発明によれば、４．２未満、好ましくは３．５未満の熱膨張係数αを有するガラス又はガラスセラミック基板が提供される。

赤外線放射を反射し、２．２よりも大きな屈折率を有する層が、ガラス又はガラスセラミック基板に塗布される。

赤外線放射を反射する層は、結晶層として堆積されることが好ましい。詳細には、マグネトロンスパッタリング工程によって、均一な層厚を有する大きなエリアもコーティングすることができる。

詳細には、金属チタンターゲットが用いられる反応性スパッタリングプロセスを用いることができる。

本発明はさらに、４．２未満の熱膨張係数αを有する透明な熱安定性基板への赤外線反射単層コーティングとして、堆積酸化チタン層を使用することにも関連する。

本発明の１つの例示的な実施の形態では、中間周波数スパッタリングによって、１５０ｎｍ〜２５０ｎｍ、好ましくは２００ｎｍの厚みを有する酸化チタン層が平坦なガラスセラミック基板上に堆積される。この目的を果たすために、その基板は、少なくとも３分、好ましくは１０分よりも長い時間にわたって、好ましくは３５０℃〜４５０℃の温度において、前処理工程において熱的な前処理を受ける。好ましくは真空中で加熱乾燥が行なわれ、それにより、基板表面から余分な水分を蒸発させる。その後、その基板はプロセスチャンバ内に置かれ、スパッタリング源を繰返し行き来することによって、反応性スパッタリングによって酸化チタン層が堆積される。このプロセスにおいて、５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚのパルス周波数が設定され、このようにして、１５Ｗ／ｃｍ^２の高いスパッタリング電力が選択される。

この場合に調整された高い粒子流、そして同時に、約１０^−３ｍｂａｒの低いプロセス圧力の結果として、明白な結晶相を有する高密度の酸化チタン層を製造することができ、それにより、可視領域における高い透過性、そして同時に、コーティングの高い屈折率がもたらされる。

そのプロセスは、金属チタンターゲットからの反応性スパッタリングによって実施することができる。この場合にプロセスを安定化するために、制御が必要とされる。

それゆえ、代替的には、セラミックＴｉＯ_２ターゲットからスパッタリングを行なうこともでき、このようにして、プラズマ強度の複雑な制御を実施せずに済ませることができる。層の製造後に、酸化チタン層をコーティングされた基板は、たとえば、暖炉のぞき窓として用いることができる。

本発明は、図面の図１〜図５に基づいて概略的に示される例示的な実施形態を参照しながら、以下にさらに詳細に説明されるであろう。

透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスの概略図である。 本発明による、種々の酸化チタンコーティングのスペクトル反射率を示すグラフである。 セラミック化工程の前に塗布された酸化チタンコーティングの１つの例示的な実施形態のスペクトル反射率を示すグラフである。 熱に晒す前及び後の従来の赤外線反射ガラスのスペクトル反射率を示すグラフである。 １つの例示的な実施形態による、透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法を概略的に示す流れ図である。

図１は、４．２未満の熱膨張αを有する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス１を概略的に示す。

ガラス基板２に酸化チタン層３が塗布され、酸化チタン層は２．３よりも大きな屈折率を有し、それゆえ、透明な単層反射層としての役割を果たす。

この場合には、酸化チタン層３は主に赤外線領域において反射する。

図２は、種々の層厚を有する酸化チタンから形成され、赤外線放射を反射する層の種々の例示的な実施形態のスペクトル反射率の曲線を概略的に示す。

ｘ軸上にはナノメートル単位の波長がプロットされ、ｙ軸上にはスペクトル反射率がプロットされる。曲線１０は、見た目が黄色の約８０ｎｍ厚の酸化チタン層を示す。曲線１１は、約９０ｎｍの厚みを有し、見た目が概ね橙色である酸化チタン層を示す。曲線１２において示されるような、９５ｎｍの厚みを有する酸化チタン層は、見た目が赤色である。曲線１３による酸化チタン層は約１２７ｎｍの厚みを有し、見た目が青色である。１５０ｎｍ厚の酸化チタン層が曲線１４において示されており、その見た目は緑色である。

図示される全ての層の最大反射率は、７００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長において最大値を有することを見て取ることができる。全ての例示的な実施形態において、最大値の位置において、スペクトル反射率は０．３５よりも大きい。

赤外線放射を反射する従来のコーティング（ＴＣＯ）は多くの場合に、そのプラズマエッジに起因して３０００ｎｍよりも長い場合にのみ検出可能な効力を達成するのに対して、図示される全てのコーティングの最大反射は１６００ｎｍ未満にあり、それゆえ、赤外線放射を反射するコーティングは、赤外線スペクトルのかなり低い周波数の領域において既に有効であることをさらに見て取ることができる。

層の厚みによって、見た目の色及び反射最大値の位置の両方を確定できることをさらに見て取ることができる。

それゆえ、そのコーティングは、特に簡単な方法で、それぞれの用途の目的に合わせることができる。着色された見た目が望まれない場合には、この場合には基板に、色合いを無色にするさらなる層を設けることもできる。図３において示される曲線１５は、同様に、酸化チタン層のスペクトル反射率のプロットを示す。ここでも、ｘ軸上に波長がプロットされ、ｙ軸上にはスペクトル反射率がプロットされる。スペクトル反射率は、ここではパーセント単位である。

曲線１５による酸化チタン層の場合には、マグネトロンスパッタリングプロセスによって堆積され、セラミック化プロセス前に未加工のガラス上に既に堆積されていた酸化チタン層が含まれる。

酸化チタン層の堆積後に、対応する未加工のガラス基板がセラミック化され、そのプロセスにおいて変形された。

曲線１５は、セラミック化後のスペクトル反射率のプロットを表す。

セラミック化工程中に熱に晒されているにもかかわらず、そのコーティングはちょうど４０％のスペクトル反射率の最大値を有し、反射最大値は１２００ｎｍ未満において存在し続けることを見て取ることができる。それゆれ、本発明による赤外線放射反射酸化チタン層は高い温度安定性を有する。

対照的に、図４は、ＴＣＯ層に基づく従来の赤外線放射反射窓ガラスのスペクトル反射率を示す。

ここでも、ｘ軸上にナノメータ単位で波長がプロットされ、ｙ軸上にはスペクトル反射率がプロットされる。曲線１６は、熱に晒す前のスペクトル反射率を示す。この場合には、プラズマエッジは２０００ｎｍより上にあることを見て取ることができる。それゆえ、０．２５よりも大きな反射率は、相対的に長い波長において領域においてのみ存在する。

曲線１７は、１００時間にわたって５００℃において熱に晒した後のガラス製窓ガラスの反射率を示す。赤外線領域における反射率が著しく減少していることを見て取ることができる。たとえば、２０００ｎｍ〜４０００ｎｍの波長において、スペクトル反射率が概ね半分だけ低減されている。

したがって、その窓ガラスは、その赤外線反射特性を概ね失っており、それゆえ、長期にわたって熱に晒すのに適していない。

図５を参照して、本発明の例示的な実施形態による赤外線放射反射単層反射層を塗布するための方法の重要なプロセス工程を説明する。

まず初めに、未加工のガラス、すなわち、セラミック化されていないガラス基板がスパッタリング装置内に置かれる。

次に、未加工のガラスが、スパッタリング工程において、たとえば、酸化シリコン層をコーティングされ、その層は接着仲介層としての役割を果たす。しかしながら、シリコン層を塗布するための他の可能性も考えることができる。

次に、未加工のガラスが、たとえば、酸化チタン層をコーティングされ、その層は単層反射層として形成される。

次に、セラミック化工程において、未加工のガラスが９００℃まで加熱され、その後、依然として熱い状態にある間に、その窓ガラスは曲げられる。

窓ガラスが冷却された後に、赤外線放射反射特性を有する変形したガラスセラミック製窓ガラスが得られる。酸化チタン層は、セラミック化プロセスに耐えることができるように熱安定性を有する。

それゆえ、本発明は、赤外線放射を反射する熱安定性コーティングを簡単且つ効率的に塗布できるようにする。

本発明は上記の特徴の組み合わせには限定されないこと、及び当業者によって、技術的に実現可能である限り、特徴の全てが組み合わせられることは明らかである。

Claims (17)

1. 透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスであって、
   ４．２×１０^−６／Ｋ未満の熱膨張係数αを有するガラス又はガラスセラミック基板、及び
   前記ガラス又はガラスセラミック基板上に形成された赤外線放射反射酸化チタン層、
   を有し、
   前記赤外線放射反射酸化チタン層は、
   結晶層及び単層反射層として形成されており、
   ２．２よりも大きな屈折率を有し、
   ７００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長範囲において反射最大値を有し、及び
   ７０ｎｍ〜２００ｎｍの厚みを有し、
   前記透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスが、可視光領域において７０％よりも大きい平均透過率を有していることを特徴とする、透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス。
2. 赤外線放射を反射する前記層が、前記透明ガラス又はガラスセラミック基板に直に隣接していることをさらに特徴とする、請求項１に記載の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス。
3. 赤外線放射を反射する前記層と、前記透明ガラス又はガラスセラミック基板との間に接着仲介層が配置されていることをさらに特徴とする、請求項１に記載の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス。
4. 前記透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスが変形されていることをさらに特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス。
5. 赤外線放射を反射する前記層は、６００℃より高い常用温度のために形成されていることをさらに特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス。
6. 赤外線放射を反射する前記層上に、さらなる層が配置されていることをさらに特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス。
7. 赤外線放射を反射する前記層は、１０％未満の多孔率を有する高密度層として形成されていることをさらに特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラス。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを含む、オーブン又は暖炉のための前面窓ガラス。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを含む、防火扉又は窓。
10. 赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法であって、
    ４．２×１０^−６／Ｋ未満の熱膨張係数αを有するガラス基板を用意する工程と、
    前記ガラス基板上に、２．２よりも大きな屈折率を有する赤外線放射反射層を７０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さに付与する工程とを含み、赤外線放射反射層を未加工のガラス基板上に堆積させ、その後にセラミック化することを特徴とする方法。
11. 赤外線放射を反射する層を堆積させることをさらに特徴とする、請求項１０に記載の赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法。
12. 赤外線放射を反射する前記層を、結晶層として堆積させることをさらに特徴とする、請求項１０又は１１に記載の赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法。
13. 赤外線放射を反射する前記層を、スパッタリングプロセス、ＣＶＤ又はゾルゲルプロセスによって堆積させることをさらに特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法。
14. 赤外線放射を反射する前記層を、反応性スパッタリングプロセスによって堆積することをさらに特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するため方法。
15. 前記窓ガラスを熱い状態において変形することをさらに特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法。
16. 前記ガラス基板を、前記赤外線放射反射層を堆積した後に、少なくとも５５０℃まで加熱することをさらに特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法。
17. 前記基板を、赤外線放射を反射する前記層を堆積した後にアニールすることをさらに特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の赤外線放射を反射する透明ガラス又はガラスセラミック製窓ガラスを製造するための方法。

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