JP6990188B2 - ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護上層を含む物品 - Google Patents

ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護上層を含む物品 Download PDF

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Description

本発明は、薄い無機層、特に基材上に堆積された薄い無機層の分野に関する。基材は、ガラス、ポリマー、金属又はセラミックから作ることができるが、有利にはガラスから作られる。
より詳細には、本発明は、薄い透明保護層で覆われた基材、特に基材に大きな耐引掻性、低い摩擦係数及び高い熱安定性を与える硬質材料の層で覆われた基材、を含む物品に関する。
本発明はまた、そのような物品を製造するための方法も対象とし、そしてまた、多くの用途、特に内装の分野だけでなく、建造物用グレージングの分野又は乗物用グレージングの分野における、その使用にも関する。
ガラス表面は、高い摩擦係数を有し、そして、強化されたガラス表面、特に化学的に強化されたガラスを除いて、耐引掻性はあまりない。しかしながら、そのような処理では、製造プロセスに追加の費用が必要となる。したがって、代替法が求められている。
赤外線に作用することが意図された物品は、太陽エネルギーの入射量を低減することを対象とする「日射制御性」グレージング及び/又は建物又は乗物から散逸されるエネルギーの量を低減することを対象とする「低放射性」グレージングにおいて使用される。そのような物品は、少なくとも1つの機能層を含む赤外線に作用する薄い層の積層体でコーティングされた少なくとも1つの基材を含む。機能層は、誘電体材料をベースとする少なくとも2つの層の間に堆積される。
これらの積層体の機械的強度は、多くの場合不十分であり、機能層が銀ベースの金属層(又は銀層)である場合にはなおさらである。この低い強度は、例えば引掻き傷、又はさらには通常の条件下で使用時の積層体の全部又は一部の剥離などの、欠陥の出現により短期間に反映される。全ての欠陥又は引掻き傷は、コーティングされた基材の美的外観だけでなく、その光学的及びエネルギー的性能特性も損ないやすい。
かくして、米国特許出願公開第2014/0220360号明細書に、熱処理工程を含む、耐引掻性のコーティングを施した物品の製造方法が記載されている。この熱処理の後に、銅をドープされた、特に酸化銅をドープされた、酸化及び/又は窒化ジルコニウムの層でコーティングされた物品は、耐引掻性であることが分かる。しかしながら、前記文献に開示されたコーティングは、この熱処理なしでは耐引掻性の低下を示すことが判明した。
そこで、特定数の用途では最適な耐引掻性を有するが、熱処理を施す必要のない、例えば熱強化を施す必要のない、ガラス基材を利用できることが有用である。
したがって、強化の可能な物品、すなわち強化が意図されることもあり又は意図されないこともある物品の、引掻きに関する表面保護を可能にする、摩擦係数の低い耐久性のあるコーティングが必要とされている。ここで、この耐引掻性はいかなる追加的な処理によるものでもなく、そしてなおさら、例えば強化タイプの、熱処理によるものでもない。
全ての予想に反して、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物のコーティングが、このようにコーティングされた物品を引掻き傷に対して効果的に保護し、上述の先行技術とは対照的に、そのコーティングされた物品に、いかなる追加の処理、例えば強化又は曲げ加工をも施す必要なしに、その耐引掻性を増加させることになる。
さらに、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物の別の利点は、その透明性であり、これは銅がドープされた酸化ジルコニウムにはない特性である。
したがって、本発明の1つの主題は、基材、特に透明な基材を含む物品であって、該基材は、その少なくとも1つの面が、全体的又は部分的に、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護層で覆われている物品である。この物品はまた、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護層と前記基材との間に位置するコーティングを含むこともできる。この保護層は、好ましくは、前記基材を覆っている積層体の最外層、すなわち基材から最も遠く離れた層である。
本発明はまた、少なくとも1つの機能層と、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする少なくとも1つの保護層とを含む、赤外線に作用する薄い層の積層体でコーティングされた基材、好ましくは透明である基材、を含む物品、例えばグレージングにも関する。機能層は、日射及び/又は長波長の赤外線に対して作用することができる。
機能層は、積層体の光学特性の調整を可能にするいくつかの誘電体層を一般に含む、誘電体材料をベースとするコーティングの間に堆積される。
保護層は、機能層の少なくとも一部を覆って堆積される。好ましくは、保護層は積層体の最後の層である。
こうして、本発明は、支持基材が曲げ加工又は強化などの熱処理を受ける場合に、引掻き傷のほかに、積層体の特性の変更、特に光学的及び熱的特性の変更、を防止するものである。
本発明による物品は、曲げ加工されてもされなくてもよく、及び/又は強化されてもされなくてもよい。そのため、それは強化可能及び/又は曲げ加工可能であると言われる。
本発明はまた、そのような強化可能及び/又は曲げ加工可能な物品を含む、グレージングにも関し、特に、乗物用グレージング又は建物用グレージング、あるいは、テーブル、カウンター、調理用ホブ、シャワー壁、パーティション又はラジエータの構成に含まれるグレージングにも関する。
本発明の目的について言えば、「強化可能」という用語は、その使用目的のために強化されてもよく又はされなくてもよい物品ついていうものである。強化は、物品の使用又はその耐引掻性にとって必要とはされない任意的な工程である。
本発明の目的について言えば、「曲げ加工可能」という用語は、その使用目的のために曲げ加工してもよく又はしなくてもよい物品についていうものである。曲げ加工は、任意的な工程である。
これらのグレージングは、とりわけ空調の作用を減少させる目的のため、及び/又は、部屋及び運転室のグレージング表面がますます大きくなることに伴う過度の過熱を軽減するために、あるいは安全上の理由のために、乗物とまったく同様に建物にも装備することができる。
最後に、本発明は、そのような物品を製造するための方法であって、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする前記保護層を、
(i)マグネトロン陰極スパッタリングにより、特に、酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムの同時スパッタリング、又は、ジルコニウム及びアルミニウムのターゲットをOの存在下で使用するか、もしくはジルコニウム及びアルミニウム酸化物の混合ターゲットを使用する、反応性スパッタリングにより、又は、
(ii)ジルコニウム及びアルミニウムをベースとする適切な前駆体を用いた化学気相成長により、又は、
(iii)大気圧下での気相熱分解により、
堆積させる、製造方法に関する。
本書に提示される全ての光学特性は、建築用ガラスに使用されるグレージングの光学特性及び太陽光特性の測定に関する欧州規格EN410に記載される原理及び方法に従って得られる。
積層体は、磁場支援陰極スパッタリング(マグネトロン法)によって堆積される。この有利な実施形態によれば、積層体の全ての層が磁場支援陰極スパッタリングによって堆積される。
特に言及しない限り、本書で言及される厚さは物理的な厚さであり、層は薄い層である。「薄い層」という用語は、0.1nmと100μmの間の厚さを有する層を意味する。
本書の記載を通して、本発明による基材は水平に位置するものと見なされる。薄い層の積層体は、基材上に堆積される。「上に」と「下に」及び「下方」と「上方」という用語の意味は、この位置づけに対して考察されるべきである。特に規定しない限り、「上に」及び「下に」という用語は、必ずしも2つの層及び/又はコーティングが互いに接触して配置されていることを意味するものではない。ある層が別の層又はコーティングと「接触して」堆積されると記載される場合、これはこれらの2つの層の間に挿入された1つ以上の層が存在することができないことを意味する。
「ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物」という用語は、金属アルミニウムがドープされた酸化ジルコニウムだけでなく、ジルコニウムがドープされた酸化アルミニウム、アルミニウムを含む材料がドープされた、例えば酸化アルミニウム又はアルミナなどがドープされた、酸化ジルコニウム、あるいは酸化ジルコニウムがドープされた酸化アルミニウム又はアルミナを網羅する。有利には、保護層は、酸化アルミニウムがドープされた酸化ジルコニウムをベースとする。
ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物は、純粋でもよく、あるいは、微少量の他の元素、例えば微少量のチタン、ハフニウム又はケイ素などを含んでいてもよい。微少量の物質が存在する場合には、それらは有利には、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物の総質量に対して1質量%未満である。
保護層中に存在する酸素及び窒素以外の全ての元素の割合に対する保護層中のアルミニウム及びジルコニウム原子の割合は、好ましさが増す順に、50%超、60%超、70%超、80%超、90%超、95%超、96%超、97%超、98%超、99%超である。
ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のAl/Zr原子比は、好ましさが増す順に、
・0.05超、0.06超、0.08超、0.10超、0.12超、0.14超、0.16超、0.18超、0.20超、及び/又は、
・0.50未満、0.45未満、0.42未満、0.40未満、0.38未満、0.36未満、0.34未満、0.32未満、0.30未満、
である。
ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のAl/Zr原子比は0.05と0.5の間であり、有利には0.1と0.4の間、さらに有利には0.2と0.3の間である。
保護層中に存在する酸素及び窒素以外の全ての元素の質量割合に対する保護層中のアルミニウム及びジルコニウムの質量割合は、好ましさが増す順に、50%超、60%超、70%超、80%超、90%超、95%超、96%超、97%超、98%超、99%超である。
保護層中に存在する酸素及び窒素以外の全ての元素の質量割合に対する保護層中のアルミニウムの質量割合は、
・5%超、10%超、20%超、30%超、40%超、50%超、及び/又は、
・80%未満、60%未満、50%未満、40%未満、30%未満、20%未満、
である。
保護層中に存在する酸素及び窒素以外の全ての元素の質量割合に対する保護層中のジルコニウムの質量割合は、
・10%超、20%超、40%超、50%超、60%超、70%超、80%超、及び/又は、
・90%未満、80%未満、70%未満、60%未満、50%未満、
である。
ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のAl/Zrの質量比は、好ましさが増す順に、
・0.05超、0.06超、0.08超、0.10超、0.11超、0.12超、0.13超、0.14超、0.15超、及び/又は、
・3.00未満、2.80未満、2.60未満、2.40未満、2.20未満、2.00未満、1.80未満、1.60未満、1.5未満、
である。
ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のAl/Zr質量比は、0.05と3の間であり、有利には0.1と2の間、さらに有利には0.15と1.5の間である。
原子比及び質量比の測定は、EDX法により走査型電子顕微鏡を用いて行う。
保護層の厚さは、好ましさが増す順に、
・100nm以下、50nm以下、もしくは35nm以下、及び/又は、
・2nm以上、3nm以上、5nm以上、10nm以上、15nm以上、
である。
保護層の厚さは、好ましさが増す順に、1nmと100nmの間、2nmと50nmの間、5nmと35nmの間である。
機能層は、
・銀又は銀を含む金属合金をベースとする金属機能層、
・ニオブをベースとする金属機能層、
・窒化ニオブをベースとする機能層、
から選ばれる。
機能層は、好ましくは銀をベースとする金属機能層である。
銀をベースとする金属機能層は、機能層の質量に対して少なくとも95.0質量%、好ましくは少なくとも96.5質量%、より好ましくは少なくとも98.0質量%の銀を含む。好ましくは、銀をベースとする機能性金属層は、銀をベースとする機能性金属層の質量に対して銀以外の金属を1.0質量%未満含む。
銀をベースとする機能層の厚さは、好ましさが増す順に、5~20nm、8~15nmである。
銀層は、積層体の光学特性の調整を可能にするいくつかの誘電体層を一般に含む、誘電体材料をベースとするコーティングの間に堆積される。これらの誘電体層は、化学的又は機械的攻撃から銀層を保護することも可能にする。したがって、薄い層の積層体は、有利には、各機能性金属層が誘電体材料をベースとする2つのコーティングの間に配置されるように、銀をベースとする少なくとも1つの機能性金属層、誘電体材料をベースとする少なくとも2つのコーティングを含み、各コーティングが少なくとも1つの誘電体層を含む。
誘電体材料をベースとするコーティングは、15nm超、好ましくは15nmと50nmの間の厚さを有し、より好ましくは30~40nmの厚さを有する。
誘電体材料をベースとするコーティングの誘電体層は、単独で又は組み合わせでもって以下の特徴を有する。
・それらは磁場支援陰極スパッタリングによって堆積される。
・それらは以下において「バリア層」又は安定化層と称するバリア誘電体層から選ばれる。
・それらはチタン、ケイ素、アルミニウム、スズ及び亜鉛から選ばれる1種以上の元素の酸化物又は窒化物から選ばれる。
・それらは5nmよりも大きく、好ましくは8nmと35nmの間の厚さを有する。
「バリア層」という用語は、周囲雰囲気から又は透明基材から発して機能層まで至る、酸素及び水の高温での拡散に対するバリアとして働くことができる材料から作られる層を意味する。
中間バリア層を構成する材料は、酸化物、窒化物、炭化物及びそれらの混合物から選ばれ、好ましくは少なくとも1つの元素はケイ素、アルミニウム、スズ、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル及びクロムを含む群から選ばれる。
バリア誘電体層は、SiOなどの酸化物、窒化ケイ素Si及び窒化アルミニウムAlNなどの窒化物、酸窒化物SiO、酸炭化ケイ素SiO、炭化ケイ素SiCから選ばれる、ケイ素及び/アルミニウムの化合物をベースとすることができ、それらの化合物には場合により少なくとも1つの他の元素がドープされる。バリア誘電体層はまた、酸化亜鉛スズ又は酸化スズSnO、炭化クロムCrC、炭化タンタルTaC、炭化チタンTiC、炭化ジルコニウムZrC、窒化クロムCrN、窒化タンタルTaN、窒化チタンTiN及び窒化ジルコニウムZrNをベースとすることもできる。
前記バリア層の厚さは5nmと100nmの間であり、有利には10nmと50nmの間である。前記バリア層の厚さは、少なくとも10nm、好ましくは少なくとも20nmである。
「安定化誘電体層」という用語は、機能層とこの層との界面を安定化させることができる材料から作られる層を意味する。安定化誘電体層は、好ましくは、結晶性酸化物をベースとし、特に酸化亜鉛をベースとし、それらには場合により少なくとも1種の他の元素、例えばアルミニウムがドープされる。安定化誘電体層は、好ましくは酸化亜鉛層である。
安定化誘電体層は、少なくとも1つの銀ベースの機能性金属層又は銀ベースの各機能性金属層の上及び/又は下に、ブロッキング層と直接接触して又はブロッキング層により分離されて、存在することができる。機能層の下に位置する安定化層は「湿潤層」とも呼ばれる。
湿潤層は、(i)ケイ素、アルミニウム、スズ、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、亜鉛及びクロムを含む群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物及び酸炭化物から選ばれ、かつ(ii)前記中間バリア層を構成する材料と異なる、誘電体材料から作ることができる。前記湿潤層を構成する誘電体材料は、酸化チタン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化亜鉛及び酸化亜鉛スズから選ばれる。湿潤層の厚さは、5nmと100nmの間であり、有利には5nmと20nmの間、さらに有利には5nmと10nmの間である。
保護層は、好ましくは、積層体の最後の層であり、すなわち積層体でコーティングされた基材から最も遠く離れた層である。
積層体はまた、ブロッキング層を含むこともでき、その機能は、誘電体材料をベースとするコーティングの堆積に関連する、又は熱処理に関連する、いかなる劣化をも防止することによって機能層を保護することである。1つの実施形態によれば、積層体は、銀をベースとする機能性金属層の下にそれと接触して位置する少なくとも1つのブロッキング層、及び/又は銀をベースとする機能性金属層の上にそれと接触して位置する少なくとも1つのブロッキング層を含む。
特に機能層が銀をベースとする金属層である場合に従来から使用されるブロッキング層としては、ニオブNb、タンタルTa、チタンTi、クロムCr及びニッケルNiから選ばれる金属をベースとするブロッキング層、又はこれらの金属のうちの少なくとも2種から得られる合金、特にニッケルとクロムとの合金(NiCr)、をベースとするブロッキング層を挙げることができる。
各ブロッキング上層又は下層の厚さは、好ましくは、
・少なくとも0.5nm、もしくは少なくとも0.8nm、及び/又は、
・5.0nm以下、もしくは2.0nm以下、
である。
本発明による使用に適した積層体の例は、次のものを含む:
・銀をベースとする機能性金属層の下に位置する誘電体材料をベースとするコーティングであって、場合により窒化ケイ素及び/又は窒化アルミニウムをベースとする少なくとも1つの誘電体層を含むコーティング、
・任意選択的に、ブロッキング層、
・銀をベースとする機能性金属層、
・任意選択的に、ブロッキング層、
・銀をベースとする機能性金属層の上に位置する誘電体材料をベースとするコーティングであって、場合により窒化ケイ素及び/又は窒化アルミニウムをベースとする少なくとも1つの誘電体層を含むコーティング、
・保護層。
物品、すなわち、積層体で任意選択的にコーティングされた透明基材は、熱処理されないが、アニーリング、例えばレーザー又は火炎アニーリングなどのフラッシュアニーリング、強化及び/又は曲げ加工から選ばれる、高温熱処理を施すことが意図されてもよい。熱処理の温度は400℃超であり、好ましくは450℃超、さらに好ましくは500℃超である。本発明による物品に対する熱処理の実施その他は、物品の意図する用途に依存する。本書において明らかにされる本発明による物品の特性、すなわち耐引掻性は、いかなる熱処理とも無関係である。
最後に、本発明は、本発明による物品を含むグレージングに関する。それは、例えば、建物又は乗物のグレージングであることができる。
本発明による基材は、
・ガラスから作られる、有利には、ケイ素-ナトリウム-カルシウムガラスから作られる基材、
・ポリマーから作られる、有利にはポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート又はポリエチレンナフタレートから作られる基材、
・金属から作られる、有利には鋼、アルミニウム又は銅から作られる基材、又は、
・セラミックから作られる、有利には炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムから作られる基材、
から選ぶことができる。
本発明による透明基材は、好ましくは、例えばガラスなどの硬質無機材料から作られ、又はポリマーをベースとする(又はポリマーから作られた)有機材料から作られる。
ガラスは、好ましくはホウケイ酸塩、アルミノホウケイ酸塩又はケイ素-ナトリウム-カルシウムタイプのものであり、なおもより良好にはケイ素-ナトリウム-カルシウムタイプのものである。
本発明による透明有機基材はまた、硬質又は軟質のポリマーから作ることもできる。本発明による使用に適するポリマーの例には、特に、
・ポリエステル、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)など、
・ポリアクリレート、例えばポリメチルメタクリレート(PMMA)など、
・ポリカーボネート、
・ポリウレタン、
・ポリアミド、
・ポリイミド、
・フルオロポリマー、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレンクロロトリフルオロエチレン(ECTFE)及びフルオロエチレンプロピレン(FEP)コポリマーなどのフルオロエステル、
・光架橋性及び/又は光重合性樹脂、例えばチオレン、ポリウレタン、ウレタンアクリレート又はポリエステルアクリレート樹脂など、及び、
-ポリチオウレタン、
が含まれる。
好ましくは、基材はガラス又はガラスセラミックシート、又はポリマー有機材料のシートである。それは、好ましくは透明で、無色であるか又は有色である。
金属は、好ましくは鋼、アルミニウム及び銅から選ばれる。
セラミックは、好ましくは、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムから選ばれる。
基材の厚さは一般に、0.5mmと19mmの間の範囲にあり、好ましくは0.7mmと9mmの間、特に2mmと8mmの間、又はさらには4mmと6mmの間の範囲にある。基材の厚さは、好ましくは6mm以下、又はさらには4mm以下である。基材の大きさは、有利には少なくとも50cmである。
ポリマー有機材料から作られた基材は、顕著に小さい厚さ、例えば25μmと100μmの間の厚さを有することができる。
ガラス基材の場合には、それは好ましくはフロートタイプのものであり、すなわち溶融ガラスを溶融スズ浴(「フロート」浴)上に流し込むものである方法によって得られたものでよい。ガラス基材は、2つのロールの間で圧延することによって得ることもできる。
1つの実施形態によれば、物品は、前記保護層と前記基材との間に位置するコーティングを含む。このコーティングは、少なくとも1つの層を含む。この又はこれらの層の目的は、基材に追加の機能性を与えることである。この実施形態によれば、物品は、コーティング及び本発明による少なくとも1つの保護層を含む積層体を含む。
コーティングは、基材から出発して、
(i)少なくとも1つの中間バリア層、
(ii)任意選択的に少なくとも1つの湿潤層、及び、
(iii)任意選択的に、低放射率層の少なくとも1つの積層体及び/又は日射制御層の積層体、
を含むことができる。
本発明はまた、薄い層の積層体でコーティングされた透明基材、特にガラスから作られた透明基材を含む物品であって、該積層体が、
・赤外線特性を備えた少なくとも1つの層、特に低放射率層であって、(i)下にある湿潤層(それは酸化物をベースとするものでよい)であり、それ自体は誘電体材料をベースとする第一のコーティング上に配置された湿潤層と、(ii)任意選択的な上方ブロッキング層であり、それ自体の上に誘電体材料をベースとする第二のコーティングがある上方ブロッキング層、との間に配置された、赤外線特性を備えた少なくとも1つの層、及び、
・ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする少なくとも1つの保護層、
を含む、物品に関する。
本発明によるコーティングされた物品の一実施形態の断面図である。 本発明によるコーティングされた物品の別の実施形態の断面図である。 比較例1~3において測定した摩擦係数を示すグラフである。 比較例4a~12aのZrOx:CuOの保護層(熱処理なし)の摩擦係数を示すグラフである。 比較例4b~12bのZrOx:CuOの保護層(熱処理後)の摩擦係数を示すグラフである。 本発明による例13a~21aのZrOx:AlOxの保護層(熱処理なし)の摩擦係数を示すグラフである。 本発明による例13b~21bのZrOx:AlOxの保護層(熱処理後)の摩擦係数を示すグラフである。
図1は、本発明によるコーティングされた物品の一実施形態の断面図である。図1において、基材1の上には、所望に応じてコーティング2があり、これは、基材1から出発する順を追って、酸素及びイオン、そのうちでもNa、の拡散に対するバリアとして働く層4、湿潤層5、そして次に低放射率積層体(6)及び/又は日射制御積層体(7)から構成されており、その上に、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護層3が載っている。
図2は、本発明によるコーティングされた物品の別の実施形態の断面図である。図2において、基材1の上には、順を追って、(i)酸素及びとりわけNaイオンの拡散に対するバリアとして働く層4、(ii)湿潤層5、(iii)銀から作られた機能層8、(iv)「犠牲」層としても知られるブロッキング層9、(v)誘電体材料をベースとする層10、次いで最後に再び(vi)酸素バリア層11、から構成される積層体があって、その上に、(vii)ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護層3が載っている。
これらの図1及び2は非常に模式的であり、より明瞭にするために、示された種々の材料の厚さに関する比率は遵守していない。
引掻き傷に対して基材1を保護することを目的とする保護層3は、前記基材上にそれと直接接触して又は別の様式で堆積される。具体的には、前記基材1と前記保護層3との間にくるように、前記基材1上に任意選択的にコーティング2を配置してもよい。この場合には、前記保護層3は前記基材上に配置された積層体の最外層であり、すなわち前記基材1から最も遠く離れている層である。
このように、本発明による物品は、少なくとも1つの透明な基材1、特にガラスから作られた透明基材と、少なくとも1つの保護層3とを含み、そして任意選択的にコーティング2を含む。
図1によれば、このコーティング2は、基材1から出発して、
(i)少なくとも1つの中間バリア層4、
(ii)少なくとも1つの湿潤層5、及び、
(iii)低放射率層6の少なくとも1つの積層体及び/又は日射制御層7の積層体、
を含む。
図2によれば、コーティング2は、より詳細には、少なくとも1つの中間バリア層4及び少なくとも1つの湿潤層5のほかに、基材1から出発して、
(i)好ましくは銀をベースとする、少なくとも1つの機能層8、特に赤外線特性を有する金属層、
(ii)任意選択的に、「犠牲層」としても知られ、赤外線特性を有する前記機能層8のすぐ上にそれと接触して配置された、少なくとも1つのブロッキング層9、
(iii)高温で実質的な構造上の変更、特に結晶学的秩序の変更を受けにくい誘電体材料の少なくとも1つの層10、及び、
(iv)誘電体材料をベースとし、好ましくは窒化ケイ素及び窒化アルミニウムなどのケイ素を含む化合物をベースとする、少なくとも1つのバリア層11、
を含む。
したがって、実例として、本発明による層の積層体は以下のタイプのものでよい:
・ガラス//Si又はAlN//ZnO/Ag/Nb//Si//AlZrO、又は、
・ガラス//Si//ZnO/Ag/Nb//ZnO//Si//AlZrO、又は、
・ガラス//SiO又はSiO//ZnO/Ag/Nb//ZnO//Si又はAlN//AlZrO、又は、
・ガラス//SnO//ZnO/Ag/Nb//Si//AlZrO。
こうして、本発明は、非常に透明で、低放射率で、強化可能及び/又は曲げ加工可能な、耐引掻性の物品の製造を可能にする。これらの特性、特に耐引掻性は、前記積層体を有する基材が、堆積後に、例えば曲げ加工、アニーリング又は強化などの熱処理に供されようと供されまいと、実質的に損なわれることなく維持される。特に反射の観点からは、観測される色彩上の変化も非常にわずかである。
全体的な一連の利点が、各タイプの強化可能なグレージングについて、すなわち強化されたグレージング及び強化されていないグレージングの両方について、層の耐引掻性積層体の単一の構成から得られる。
例えば、建物のファサードに、強化されたグレージング及び強化されていないグレージングを、選り好みなしに組み込むことも可能であって、すなわちファサードの全体的な光学的外観の違いを目で検出することはできない。また、強化されていないコーティングされたグレージングを販売することも可能になり、それらを強化するか又は強化しないかは購入者の自由裁量に委ねられ、同時に、購入者はそれらの光学的及び熱的特性の一貫性だけでなく、とりわけそれらの耐引掻性の一貫性を確保することができる。
本発明による物品は熱処理することができ、特にアニーリング、強化及び/又は曲げ加工により熱処理することができる。しかしながら、それらを曲げ加工、アニーリング又は強化しようとしまいと、本発明により、それらは従来技術と比較して向上した一貫した表面硬度を有する。
物品は、一体式グレージングの形態であっても、積層グレージングの形態であっても、又は複層グレージング、特に二層グレージング又は三層グレージングの形態であってもよい。
ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとした保護層は、グレージングの面2と面3との間に中間PVB層を含む積層グレージングについては面1、2、3及び/又は4上にあることができ、あるいは、複層グレージングの、例えばグレージングの面2と面3の間に空気又はガスの空間を含む二層グレージングの、面1、2、3及び/又は4上にあることができる。
本発明による物品は、
(i)グレージングの製造、特に自動車分野の風防ガラス、建築分野の窓、ミラーの製造、
(ii)テーブル、カウンター、調理用ホブ、シャワー壁、パーティション、ラジエータなどの内装品の製造、及びとりわけファサードカバーなどの、壁装材の製造、
に特に有利に適用される。
本発明の詳細及び有利な特徴は、以下の非限定的な例から明らかになろう。これらの例を通して、薄い層の一連の堆積は、磁場支援陰極スパッタリング技術によって行われるが、得られる層の厚さの良好な制御を可能にする任意の他の技術によって行ってもよい。
薄い層の積層体を堆積させる基材は、サン-ゴバン・ビトラージュ社によって販売されるPlanilux(登録商標)タイプの透明なケイ素-ナトリウム-カルシウムガラス基材である。
1.摩擦係数の測定
以下の実施例及び比較例では、摩擦係数を以下の方法で測定した。
直径10mmのスチールビーズをガラス(比較例1)に、又は他の事例では、予めガラス上にスパッタリングした保護層に、10mmの距離にわたって0.5Nの一定荷重でこすりつける。目的は、ガラスの表面又はそれを劣化させない層の表面をこすることである。この試験は、下記で定義される一定回数の摩耗サイクル(1サイクル=1回の往復動作)を同じ箇所で行い、各通過ごとに前記係数を記録し、次いでその平均値を計算するものである。各試験後に、試験すべきサンプルの変更時に層と接触する新しい表面を使用するように、ビーズをビーズホルダー内で回転させる。
〔比較例1〕
厚さ2.1mmのケイ素-ナトリウム-カルシウムガラスプレートを、ガラスの耐引掻性を示すのを可能にする1回又は2~10サイクルの複数回の摩耗サイクルに供する。
〔比較例2〕
厚さ20nmのTiOxの保護層を、比較例1のものと同一のガラスプレート上にマグネトロン陰極スパッタリングによって堆積させる。上記と同様に、比較例2を、ガラスの耐引掻性を示すのを可能にする1回又は2~10サイクルの複数回の摩耗サイクルに供する。
〔比較例3〕
厚さ20nmのTiOxの保護層を、比較例1のものと同一のガラスプレート上にマグネトロン陰極スパッタリングによって堆積させる。次いで、このようにしてコーティングしたガラスプレートに640℃で10分間熱処理を施す。上記と同様に、比較例3を、ガラスの耐引掻性を示すのを可能にする1回又は2~10サイクルの複数回の摩耗サイクルに供する。
測定した摩擦係数を、各事例について図3で報告する。図3は、
(i)裸のガラスについて(グラフ上の「ガラス1」の点を参照)、
(ii)ガラスシート上に堆積させた20nmのTiOxの保護層について(グラフ上の「TiOx」の点を参照)、及び、
(iii)熱処理後の、ガラスシート上に堆積させた20nmのTiOxの保護層について(グラフ上の「TiOx T」の点を参照)、
摩擦係数を摩耗サイクル数の関数として表している。
裸のガラスについて測定された摩擦係数は0.7であるのに対し、酸化チタン保護層を有する強化前又は強化後の比較例ではそれは約0.4である。
〔比較例4a~12a〕
厚さ20nmのZrOx:CuOの保護層を、比較例1のものと同一のガラスプレート上にマグネトロン陰極スパッタリングによって、特に酸化ジルコニウムと酸化銅の同時スパッタリングによって堆積させる。各比較例4a~12aについて、保護層のCu及びZrの含有量を下記の表1に示す。
〔比較例4b~12b〕
比較例4a~12aと同様、厚さ20nmのZrOx:CuOの保護層(そのCu及びZrの含有量を、各比較例4b~12bごとに下記の表1に示す)を、比較例1のものと同一のガラスプレート上にマグネトロン陰極スパッタリングによって、詳しくは酸化ジルコニウムと酸化銅の同時スパッタリングによって堆積させる。このようにしてコーティングされたプレートを、次いで640℃で10分間熱処理する。
下記の表1は、Cu及びZrの質量百分率だけでなく、熱処理を受けなかった各比較例4a~12a及び熱処理を受けた各比較例4b~12bの結果として得られたCu/Zr質量比を示している。
Figure 0006990188000001
次に、比較例4a~12a及び4b~12bに、1、4又は15回の摩耗サイクルを施す。結果を、図4(熱処理なし)及び5(熱処理後)のグラフで対照する。
図4は、ガラスシート上に堆積された比較例4a~12aのZrOx:CuOの保護層の摩擦係数を表しており、このようにコーティングされたガラスシートに1、4又は15回の摩耗サイクルを施した。比較例4a~12aのうちCu含有量が最も少ないのは比較例4aの組成であり、Cu含有量が最も多いのは比較例12aの組成である。
図5は、ガラスシート上に堆積された比較例4b~12bのZrOx:CuOの保護層の摩擦係数を表しており、このようにコーティングされたガラスシートに1、4又は15回の摩耗サイクルを行う前に熱処理を施した。比較例4b~12bのうちCu含有量が最も少ないのは比較例4bの組成であり、Cu含有量が最も多いのは比較例12bの組成である。
図4及び図5において、「-」から「+」に向かう矢印は、上述の比較例の保護層中のCu含有量が矢印で示す方向で増加することを示している。
図4では、ZrOxにCuをドーピングするのは、比較例10a(Cuによる高ドーピング)に至るまでは摩擦係数に影響を及ぼさないことが分かる。一方、その後の比較例では、ドーピングは大きな影響を及ぼし、摩擦係数は非常に著しく増加して0.7を超える。
図5では、強化したZrOx:Cuの層の摩擦係数がより小さくなっている。比較例8bまでは、銅によるドーピングは摩擦係数に影響を及ぼさず、この係数は15回の摩耗サイクル後であっても0.1で一定である。一方、その後の比較例では、銅によるドーピングは摩擦係数値に影響を及ぼしており、比較例12b(最も多くドープされたもの)について0.35に達する一様な増加が注目される。
〔本発明による例13a~21a〕
厚さ20nmのZrOx:AlOxの保護層(各例13a~21aごとにそのAl及びZrの含有量を下記の表2に示す)を、比較例1のものと同一のガラスプレート上にマグネトロン陰極スパッタリングによって、詳しくは酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの同時スパッタリングによって堆積させる。
ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとするこの保護層は、窒素及び酸素以外の元素を含まない。
〔本発明による例13b~21b〕
例13a~21aと同様に、厚さ20nmのZrOx:AlOxの保護層を、比較例1のものと同一のガラスプレート上にマグネトロン陰極スパッタリングによって、詳しくは酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの同時スパッタリングによって堆積させる。このようにしてコーティングされたプレートを、次いで640℃で10分間熱処理する。
下記の表2は、
・Zr及びAlの混合酸化物中のAl及びZrの総質量に対するAl及びZrの質量百分率、及び、
・熱処理を受けなかった各例13a~21a及び熱処理を受けた各例13b~21bについて、結果として得られたAl/Zr質量比を示している。
測定はEDX法により走査型電子顕微鏡を用いて行う。
Figure 0006990188000002
次に、例13a~21a及び13b~21bに、1、4又は15回の摩耗サイクルを施す。結果を、図6(熱処理なし)及び7(熱処理後)のグラフで対照する。
図6は、ガラスシート上に堆積された本発明による例13a~21aのZrOx:AlOxの保護層の摩擦係数を表しており、このようにコーティングされた前記ガラスシートに1、4又は15回の摩耗サイクルを施した。例13a~21aのうちAl含有量が最も少ないのは例13aの組成であり、Al含有量が最も多いのは例21aの組成である。
図7は、ガラスシート上に堆積された本発明による例13b~21bのZrOx:AlOxの保護層の摩擦係数を表しており、このようにしてコーティングされたガラスシートに1、4又は15回の摩耗サイクルを行う前に熱処理を施した。例13b~21bのうちAl含有量が最も少ないのは例13bの組成であり、Al含有量が最も多いのは例21bの組成である。
図6及び図7のそれぞれにおいて、「-」から「+」に向かう矢印は、上述の例の保護層中のAl含有量が矢印で示す方向で増加することを示している。
図6では、Alをドーピングすることが摩擦係数に影響を及ぼさず、それは0.15で安定して低いままであることが分かる。
図7では、摩擦係数はさらにやや低く、0.1の領域にある。
本発明に関して言えば、ほぼ0.1~0.15程度の低い摩擦係数が観察され、それは、ZrOx:Cuの場合(図4及び5参照)とは異なり、熱処理が施されていようといまいとZr及びAlの混合酸化物中へのAlのドーピングの程度に影響されず(図7及び6を参照)、そして全ての場合において、裸のガラス又は強化前もしくは強化後の酸化チタンの保護層を有する比較例に関して測定された摩擦係数(図3参照)よりもはるかに低い。
2.臨界損傷荷重の測定
下記の実施例及び比較例では、臨界損傷荷重Lcを以下のように測定した。直径1mmのスチールビーズをガラス(比較例1)に、又は他の事例では予めガラス上にスパッタリングした保護層に、引掻き長さ10mmにわたって5mm/分の移動速度で、0.03N及び30Nの増加する荷重を15N/分の荷重速度でかけて、こすりつける。各引掻きの間には、接触ゾーンを新たにするようにビーズを回転させる。毎回5回の引掻きを行って、平均臨界荷重値Lcを測定した。臨界荷重Lcは、保護層が壊れる荷重に相当する。
Figure 0006990188000003
臨界荷重Lcは、裸のガラス(比較例1)については11.5±3.2Nである。
本発明による全ての例(例13a~21a及び13b~21b)については、臨界荷重Lcは、Zr及びAlの混合酸化物中のAlの含有量に関わらず、かつ強化を施していようといまいと、30Nよりも大きく、極めて大きい。加えて、これらサンプルについて行った全ての試験について、亀裂のないことが観察される。
それは、強化を受けた(比較例4b~12b)又は強化を受けなかった(比較例4a~12a)ZrOx:Cuの層を有する比較例の臨界荷重よりも大きい。概して、ZrOx中のCuドーピングが増加すると、Lcは低下する。したがって、それは比較例5aの25Nから比較例11aの6Nに達し、また比較例6bの27Nから比較例10bの11Nに達する。
熱処理を受けなかったTiOxの層を有する比較例(比較例2)の場合には、観測される臨界荷重Lcはわずか5Nであるのに対して、熱処理を受けたTiOxの層を有する比較例(比較例3)の場合には、それは9Nである。この場合には、強化によるLc増加の効果が観測される。
結論として、本発明によるジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護層が最も効果的であることが認められる。具体的には、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のアルミニウム含有量に関わらず、30Nより大きい臨界損傷荷重Lcが得られ、そして強化を受けていない保護層については0.15、また強化後の保護層については0.1の、低い摩擦係数が得られる。
本発明の実施態様の一部を以下の項目1~15に記載する。
〈項目1〉基材、特に透明な基材を含む物品であって、前記基材がその面のうちの少なくとも1つを、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護層により、完全に又は部分的に覆われている、物品。
〈項目2〉ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする前記保護層が、前記基材から最も遠く離れた層であることを特徴とする、項目1記載の物品。
〈項目3〉前記ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のAl/Zr原子比が、0.05と0.5の間、有利には0.1と0.4の間、さらにより有利には0.2と0.3の間であることを特徴とする、項目1又は2記載の物品。
〈項目4〉酸素及び窒素以外の全ての元素の割合に対して、前記保護層中のアルミニウム及びジルコニウム原子の割合が、50%よりも大きいことを特徴とする、項目1~3のいずれか1つに記載の物品。
〈項目5〉前記保護層中に存在する酸素及び窒素以外の全ての元素の質量割合に対して、前記保護層中のアルミニウムの質量割合が、10%よりも大きく、かつ60%未満であることを特徴とする、項目1~4のいずれか1つに記載の物品。
〈項目6〉前記保護層中に存在する酸素及び窒素以外の全ての元素の質量割合に対して、前記保護層中のジルコニウムの質量割合が、40%よりも大きく、かつ90%未満であることを特徴とする、項目1~5のいずれか1つに記載の物品。
〈項目7〉前記保護層の厚さが1nmと100nmの間であることを特徴とする、項目1~6のいずれか1つに記載の物品。
〈項目8〉前記保護層と前記基材との間に位置するコーティングを含むことを特徴とする、項目1~7のいずれか1つに記載の物品。
〈項目9〉前記基材が、少なくとも1つの機能層、好ましくは金属である少なくとも1つの機能層と、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする少なくとも1つの保護層とを含む薄い層の積層体によりコーティングされていることを特徴とする、項目1~8のいずれか1つに記載の物品。
〈項目10〉ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする前記保護層が、前記機能層の上に位置していることを特徴とする、項目9記載の物品。
〈項目11〉薄い層の前記積層体が、銀をベースとする少なくとも1つの機能性金属層と、誘電体材料をベースとする少なくとも2つのコーティングとを含み、各コーティングが、各機能性金属層が誘電体材料をベースとする2つのコーティングの間に配置されるようにして、少なくとも1つの誘電体層を含むことを特徴とする、項目9又は10記載の物品。
〈項目12〉前記透明な基材が、
・ガラス、特にケイ素-ナトリウム-カルシウムガラスから作られ、又は、
・ポリマー、特にポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、又はポリエチレンナフタレートから作られている、
項目1~11のいずれか1つに記載の物品。
〈項目13〉熱処理されること、特にアニーリング、強化及び/又は曲げ加工によって熱処理されることを特徴とする、項目1~12のいずれか1つに記載の物品。
〈項目14〉項目1~13のいずれか1つに記載の物品を含むことを特徴とする、グレージング、特に乗物用グレージングもしくは建物用グレージング、又は、テーブル、カウンター、調理用ホブ、シャワー壁、パーティション又はラジエータの構成に含まれているグレージング。
〈項目15〉項目1~14のいずれか1つに記載の物品の製造方法であって、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする前記保護層を、
(i)マグネトロン陰極スパッタリングによって、特に、酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの同時スパッタリングによって、又はジルコニウム及びアルミニウムのターゲットをO の存在下で使用する反応性スパッタリングによって、又はジルコニウム及びアルミニウム酸化物の混合ターゲットを使用するスパッタリングによって、又は、
(ii)ジルコニウム及びアルミニウムをベースとする適切な前駆体を用いた化学気相成長によって、又は、
(iii)大気圧下での気相熱分解によって、
堆積させる、製造方法。

Claims (15)

  1. ガラスで作られているか又はポリマーで作られている透明な基材を含む物品であって、前記基材がその面のうちの少なくとも1つを、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする保護層により、完全に又は部分的に覆われており、
    酸素及び窒素以外の全ての元素の質量の割合に対して、前記保護層中のアルミニウム及びジルコニウムの質量の割合が、90%よりも大きかつ
    前記ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のAl/Zr質量比が、0.05よりも大きく、かつ3.00未満である、
    物品。
  2. 酸素及び窒素以外の全ての元素の質量の割合に対して、前記保護層中のアルミニウム及びジルコニウムの質量の割合が、95%よりも大きく、かつ
    前記ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のAl/Zr質量比が、0.10よりも大きく、かつ2.0未満である、
    ことを特徴とする、請求項1に記載の物品。
  3. 酸素及び窒素以外の全ての元素の質量の割合に対して、前記保護層中のアルミニウム及びジルコニウムの質量の割合が、99%よりも大きく、かつ
    前記ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物中のAl/Zr質量比が、0.15よりも大きく、かつ1.5未満である、
    ことを特徴とする、請求項2に記載の物品。
  4. ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする前記保護層が、前記基材から最も遠く離れた層であることを特徴とする、請求項1~3のいずれか1つに記載の物品。
  5. 前記保護層中に存在する酸素及び窒素以外の全ての元素の質量割合に対して、前記保護層中のアルミニウムの質量割合が、10%よりも大きく、かつ60%未満であることを特徴とする、請求項1~のいずれか1つに記載の物品。
  6. 前記保護層中に存在する酸素及び窒素以外の全ての元素の質量割合に対して、前記保護層中のジルコニウムの質量割合が、40%よりも大きく、かつ90%未満であることを特徴とする、請求項1~のいずれか1つに記載の物品。
  7. 前記保護層の厚さが1nmと100nmの間であることを特徴とする、請求項1~のいずれか1つに記載の物品。
  8. 前記保護層と前記基材との間に位置するコーティングを含むことを特徴とする、請求項1~のいずれか1つに記載の物品。
  9. 前記基材が、金属である少なくとも1つの機能層と、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする少なくとも1つの保護層とを含む薄い層の積層体によりコーティングされていることを特徴とする、請求項1~のいずれか1つに記載の物品。
  10. ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする前記保護層が、前記機能層の上に位置していることを特徴とする、請求項記載の物品。
  11. 薄い層の前記積層体が、銀をベースとする少なくとも1つの機能性金属層と、誘電体材料をベースとする少なくとも2つのコーティングとを含み、各コーティングが、各機能性金属層が誘電体材料をベースとする2つのコーティングの間に配置されるようにして、少なくとも1つの誘電体層を含むことを特徴とする、請求項又は10記載の物品。
  12. 前記透明な基材が、
    ・ケイ素-ナトリウム-カルシウムガラスから作られ、又は、
    ・ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、又はポリエチレンナフタレートから作られている、
    請求項1~11のいずれか1つに記載の物品。
  13. 熱処理されることを特徴とする、請求項1~12のいずれか1つに記載の物品。
  14. 請求項1~13のいずれか1つに記載の物品を含むことを特徴とする、グレージング。
  15. 請求項1~14のいずれか1つに記載の物品の製造方法であって、ジルコニウム及びアルミニウムの混合酸化物をベースとする前記保護層を、
    (i)マグネトロン陰極スパッタリングによって、又は、
    (ii)化学気相成長によって、又は、
    (iii)大気圧下での気相熱分解によって、
    堆積させる、製造方法。
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