NO174845B - Glass-substrat for reflektans av solenergi og fremgangsmåte for fremstilling derav - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et glass-substrat ■ for reflektans av solenergi.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for fremstilling av et slikt solar-energi-reflekterende glass-substrat.

US-PS 3 990 784 "beskriver et belagt arkitektonisk glass-system omfattende et transparent substrat og et flersjiktsbelegg omfattende første og andre metallsjikt med et dielektrisk sjikt mellom seg der det første og andre metall-sj ikt har et tykkelsesforhold slik at transmisjonen for belegget kan forandres uavhengig av refleksjonsegenskapene ved å variere tykkelsen i metallsjiktene mens man bibeholder forholdet konstant. Dette dielektrikum har en tykkelse slik at refleksjonen fra belegget ikke er sterkt farvet.

US-PS 4 022 947 beskriver en transparent plate istand til transmisjon av en ønsket andel av .synlig stråling med refleksjon av en stor andel av innfallende solarstråling og en fremgangsmåte for fremstilling derav ved sputring av en jern-, nikkel- og kromlegering for å oppnå en transparent metallfilm og reaktivt å sputre den samme eller en tilsvarende legering i nærvær av oksygen for å danne en oksydfilm.

I en foretrukket utførelsesform ligger metallfilmen mellom substratet og metalloksydfi Imen. I en annen foretrukket utførelsesform ligger metalloksydfilmen mellom substratet og metallfilmen.

US-PS 4 534 841 beskriver solarkontrollvinduer fremstilt ved påføring først av et oksydsjikt med en optisk tykkelse på 20 til 280 nm til et transparent substrat ved katodisk for-damping i en oksygenholdig atmosfære og så et kromnitridsjikt med geometrisk tykkelse på 10 til 40 nm, påført i en atmosfære bestående av en inertgass som argon og nitrogen. Et optisk tredje dielektrisk sjikt kan påføres på det andre sjikt. Oksydsjiktet velges blant oksyder av tinn, titan og aluminium.

Arkitektoniske glassprodukter med metalliske og/eller metalloksydfilmer har stadig voksende betydning efterhvert som energibehovene for oppvarming og avkjøling stadig blir dyrere. Belagte arkitektoniske glassprodukter faller generelt innenfor to kategorier, solarenergikontroll og belagte produkter med høy transmittans og lav emissivitet.

Solarenergikontroll glassprodukter er generelt glass-substrater, ofte tonede, belagt med lite synlige transmittans-farvede filmer som reduserer solarenergitrans-mittansen gjennom vinduer til det indre av bygningen og derved reduserer luftkondisjoneringsomkostningene. Disse produkter er mest effektive under varme klimaforhold og det sees ofte i kommersielle konstruksjoner. I områder der oppvarmingsomkostningene er av større betydning og spesielt i boligkonstruksjoner er belegg med høy transmittansoglav emisivitetsbelegg mer ønskelige for å tillate høy trans-mittanse av synlig lys til det indre under samtidig refleksjon av infrarød stråling for å bibeholde varmen inne i bygningen. Belegg med høy transmittansoglav emisivitet er karakteristisk flersjiktsfilmer der et IR-reflekterende metall som sølv, gull eller kobber er lagt mellom anti-reflektive metalloksydsjikt som vismut-, indium- og/eller tinnoksyder. Solarenergikontrollfilmer er på den annen side karakteristiske enkeltsjiktsfilmer av ett eller flere metaller eller oksyder av metaller som kobolt, jern, krom, nikkel, kobber og så videre.

Den enkleste metode for fremstilling av et farvet reflektivt belegg er å benytte egenfarven til metallet. Avsetning av kobber gir således et kobberfarvet belegg, gull gir en gullfarve, nikkel en gråfarve og så videre. En mere sofisti-kert belegningsteknikk er å modifisere metallfarven eller å skape en ny farve ved å innføre et absorbsjonsfarvet belegg i front av metallet. Interferensvirkningen er vanligvis svak men hvis rimelig store og tilsvarende refleksjoner bringes til interferens kan effekten være heller sterk. Dette kan skje ved å benytte dielektrika med høy refraksjonsindeks eller ved å øke reflektansen for dielektrikumsj iktet med metallsjiktene. Dette medfører bruken av en tosjikts-sekvens av metalloksyd dielektrikum/metall eller tresjiktssekvensen metall/metalloksyd dielektrikum/metall.

Tidlige velkjente filmer var av egenfarvevarieteten. Våtkjemiske metoder for fremstilling av slike filmer for solarenergikontroll er velkjent fra US-PS 3 846 152, 4 091 172, 3 723 158 og 3 457 138. Når vakuumbelegningsteknologien ble kommersielt tilgjengelig kunne slike eksisterende farvede belegg duplikeres ved bruk av i det vesentlige de samme metaller som i originalene. Sputringsteknologier for fremstilling av metalliske solarenergikontrollfilmer er beskrevet i US-PS 4 512 863 og 4 594 137. Mangler ved metalliske belegg er deres mangel på farvevarietet og intensitet og det store antall materialer og målsekvenser som var nødvendig for å fremstille dem. En ønskelig ny serie av belegg ville gi et maksimalt antall farver fra et minimalt antall materialer. For at dette skulle kunne gjennomføres er interferensefarvetypen av belegg idéell fordi farven kan forandres ved å forandre tykkelsen av dielektrikumsjiktet og dettes transmittans og reflektans ved å endre tykkelsen i metallsjiktet eller -sjiktene. De andre ønskede egenskaper for en ny serie belegg er intenst mettet farve, lav reflektans og andre overflatemonolottisk varighet, det vil si at belegget bør være hardt og kjemisk varig. I tillegg bør materialene som benyttes være rimelige, ikke-toksiske og hurtigsputrende. Reflektansfarven for et materiale er beskrevet ved dens luminøse reflektans-spektrofotometriske kurve. De intense farver fremstilles ved store amplituder i kurven og lav reflektanse krever kurveminimum mot null. Annen ordens interferensefarver er mere intense enn første ordens men tredje ordens interferensefarver blir mindre intense. Generelt gir høy refraksjonsindeksmaterialer høy reflektanse eller store kurveamplituder. Dielektriske materialer med høy refraktivindeks gir også en mere intens farve for dobbeltsjiktsbelegget. For en metall/dielektrikum/metallsekvens av sjikt synes det som om et dielektrisk materiale med lavere refraksjonsindeks kan gi brukbare resultater. US-SN 125 437 beskriver f lersjiktsfi Imer med relativt mettede farver der en tinn/antimonoksyd-film avsettes i kombinasjon med en metallisk film som kromnitrid.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en ny og overlegen dielektrisk film for bruk innen et vidt spektrum av fler-sjikts arkitektoniske belegg på glass. Oppfinnelsen medfører sputring av sink og tinn samtidig i en atmosfære omfattende oksygen for å avsette et belegg bestående av sink/tinnoksyd. Sink/tinnoksydfilmen avsettes i kombinasjon med en metallisk film som kromnitrid for å gi en varietet av farvede flersjiktsbelegg med relativ mettet farve.

Oppfinnelsen tilveiebringer muligheten for å fremstille en serie farvede belegg med et minimum av sjikt og materialer. Belegningssystemet ifølge oppfinnelsen har relativt lav refleksjon, høy farvemetning og monolitisk varighet.

I henhold til dette angår oppfinnelsen som innledningsvis nevnt et glass-substrat for reflektans av solenergi og dette substrat karakteriseres ved at det omfatter a) en transparent, reflektiv metallisk film, avsatt på substratet; b) en transparent metalloksydf ilm av sink og tinn med en tykkelse som viser farve ved interferens-virkninger,

avsatt på overflaten av den metalliske filmen; og

c) en reflektiv, transparent metallisk film avsatt på metalloksydfilmen av sink og tinn.

Det er kjent at en farveserie kan fremstilles med første og andre metallsjikt som omgir et sjikt av et transparent dielektrisk materiale, farven varieres ved å endre tykkelsen av det dielektriske sjikt. Imidlertid er tidligere kjente materialer belemret med mangler når det gjelder en eller flere av de nødvendige egenskaper som;høyref leksjonsindeks , hurtig sputring og monolitisk varighet. Sink/tinnoksydet ifølge oppfinnelsen har de ovenfor angitte egenskaper såvel som evnen til, i kombinasjon med en egnet metallisk film, å gi intenst farvede arkitektoniske belegg. For eksempel kan sink/tinnoksyd i kombinasjon med en krombasert film benyttes for å fremstille et område attraktive farver med utmerket varighet.

Bruk av ref lektans-sirkeldiagrammer og datamaskinberegninjer har gjort det mulig å bestemme at en tosjiktskombinasjon av metall og dielektrikum har en optimaltykkelse for begge sjikt som gir kombinasjonen av minimal reflektans og høyeste farvemetning. Jo høyere refraksjonsindeksen er for dette dielektrikum, jo lavere er transmisjonen for belegget ved optimum og høyere er farvemetningen. Metaller med lav n og høy k der høy k er de reelle og komplekse deler av den komplekse refraktive indeks som definerer fremrykningen av elektromagnetisk stråling i mediet, tenderer til å gi den laveste transmisjon og høyeste metning.

Disse tykkelsene i metallet økes i et forsøk på å redusere transmisjonen blir reflektansen øket og farveintensiteten redusert. Avsetning av et tynt metallisk sjikt før avsetning av det dielektriske sjikt kan redusere reflektansen og gi en mere intenst mettet farve. Evis tykkelsen i primærmetall-sjiktet økes i kombinasjon med avsetningen av et meget tynt metallsjikt kan det dannes et belegg med lav transmittans, lav reflektans og med sterk farve. Hvis to primære metalliske sjikt benyttes gir et lavere fraksjonsindeks di-elektrium i kombinasjon med et metall med lav n og høy k, det mest attraktive utseende. Beregninger viser at ved 20% lystransmittans kan adekvat metning oppnås ved bruk av et metall i kombinasjon med et dielektrikum med en refraksjonsindeks på 2,3. For et dielektrikum med lavere refraksjonsindeks er et metall/dielektrikum/metallsystem foretrukket.

Med sink/tinnoksydet ifølge oppfinnelsen kan mange metall-eller metall-legeringsfilmer benyttes for å tilveiebringe et flersjiktsbelegg med gode egenskaper. Foretrukne filmer er metaller som krom, metalliske belegg som lett oksydert krom og, aller helst, kromnitrid. Andre foretrukne metalliske filmer er titan og titannitrid såvel som metall-legeringer som rustfritt stål og nikkel-legeringer som inkonel.

Som nevnt innledningsvis angår oppfinnelsen også en fremgangsmåte for fremstilling av et solar-energi-reflekterende glass-substrat og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at den omfatter: a) sputring av en reflektiv, transparent metallisk film på substratet; b) sputring på overflaten av den metalliske filmen av et første transparent belegg av en metalloksyd-film av sink

- og tinn som viser farve ved interferensvirkninger; og

c) sputring over metalloksyd-f ilmen av sink og tinn av en reflektiv, transparent metallisk film.

I en konvensjonell magnetronsputringsprosess blir et substrat anbragt i et belegningskammer overfor en katode med en måloverflate for materialet som skal sputres. Foretrukne substrater ifølge oppfinnelsen er glass, keramer og plaster som ikke ugunstig påvirkes av driftsbetingelsene ved belegningsprosessen.

Katoden kan være av en hvilken som helst konvensjonell konstruksjon, fortrinnsvis av langstrakt, rektangulær type, forbundet med en kilde for elektrisk spenning og fortrinnsvis benyttet i kombinasjon med et magnetisk felt for å forbedre sputringsprosessen. Anoden er fortrinnsvis symmetrisk konstruert og posisjonert som beskrevet i US-PS 4 478 702.

Ifølge oppfinnelsen blir en metallfilm avsatt under såvel som over sink/tinnoksydfilmen. Som tilfelle er for en tosjikts-film avhenger den dominerende bølgelengde for den reflekterte farve fra den ikke-belagte overflate så og si totalt av tykkelsen av sink/tinnoksydsjiktet. Tykkelsen av topp-metallsjiktet varieres inntil transmisjonen har omtrent den ønskede verdi og derefter blir tykkelsen av det underliggende metalliske sjikt variert inntil den ønskede refleksjon fra den ubelagte side av gjenstanden oppnås. Sluttmodifiseringen av toppmetallfilmtykkelsen kan være nødvendig for å oppnå den optimale sluttransmittanse. Innenfor tykkelsesområdet av interesse reduserer økning av tykkelsen av toppmetallfilmen transmittansen og øker reflektansen fra den ikke-belagte side av den belagte gjenstand. Økning av tykkelsen av bunn-metallfilmen innen fortykkelsesområdet av interesse reduserer transmittansen og reduserer reflektansen fra den ikke-belagte side.

Belegget henter sin farve fra interferensvirkningen i det dielektriske sjikt, avhengig av dettes tykkelse. En kromnitrid/sink/tinnoksyd/kromnitridfilm ifølge foreliggende oppfinnelse er spesielt attraktiv i en dypblå farve. Sink/tinnoksydsjiktet avsettes fortrinnsvis ved sputring av en sink/tinnlegeringskatode. Andelene av sink og tinn er fortrinnsvis mellom 10 og 90% av hver, helst 30 til 70% tinn og resten sink og aller helst ca. 50% hver av sink og tinn.

Eksempel 1.

Et flersjiktsbelegg av sink/tinnoksyd og kromnitrid avsettes på et glassubstrat under følgende betingelser. Et rent glass-substrat holdes i et vakuumkammer i en atmosfære av rent nitrogen ved et trykk på 2,2 millitorr. Med en katode på 7,5 kW ved 377 volt, en krom målestørrelse på ca. 0,4 m x 2,7 m og en produksjonslinjehastighet på ca. 2,54 m/min. avsettes det et kromnitridsjikt med tykkelse på 35Å, noe som reduserer glassets transmittans til 70%. Oksydsjiktet legges på fra fire mål av 50:50 sink/tinn som arbeider ved spen-ninger mellom 320 og 340 volt med en total energitilførsel på 76 kW i en atmosfære av 50:50 argon:oksygen ved et trykk på 3 millitorr og den samme glasshastighet. Transmittansen reduseres til 58% ved sink/tinnoksydsjiktet. Et sluttsjikt av kromnitrid avsettes fra en enkelt kromkatode ved 492 volt og 54 kW i en atmosfære av ren nitrogen ved 3 millitorr. Ved samme glasshastighet reduserer en enkel overføring transmittansen til 22%. Belegget har en dyp blå farve med kromatisitetskoordinatene Y = 9,28, x = 0,2325 og y = 0,2460 i reflektanse fra den ikke-belagte glassoverflate. Belegget er ekstremt hardt og øker transmittansen med kun 1,6% når det underkastes 80 cykler av et CS10F hjul på en Taber Abrasor. Belegget overlever også nedsenking i 30% salpetersyre og 20% saltsyre i 30 minutter, i det minste 1 måned i Clevelandprø-ven (kondenserende fuktighet) ved ca. 66"C og 1 måned i en 5% saltspray.

Eksemplene II til XII

For disse eksempler ble kromnitridfilmer avsatt i ren nitrogen og sink/tinnoksydfilmene avsettes i 50:50 argon oksygen som i det foregående eksempel. Den følgende tabell viser transmittansen efter avsetningen av hvert sjikt og de reflekterte farver uttrykt ved farvekoordinatene og visuell observasjon fra den ikke-belagte glassoverflate av den belagte gjenstand.

De ovenfor gitte eksempler skal illustrere oppfinnelsen. Forskjellige metallholdige sjikt kan benyttes på en eller begge sider av sink/tinnoksyd dielektrikumsjiktet ifølge oppfinnelsen innen vide områdetykkelser avhengig av de ønskede transmittans- og reflektansegenskaper. Tykkelsen for den dielektriske film selv varieres for å gi den ønskede farve. Områdene for sputringsparametrene som trykk, atmosfære, energi, spenning, fremføringshastighet og så videre avhenger av den benyttede sputringsapparatur og den ønskede produksj onsmengde.

Claims (7)

1. Glass-substrat for reflektans av solenergi, karakterisert ved at det omfatter: a) en transparent, reflektiv metallisk film, avsatt på substratet; b) en transparent metalloksydf ilm av sink og tinn med en tykkelse som viser farve ved interferens-virkninger, avsatt på overflaten av den metalliske filmen; og c) en reflektiv, transparent metallisk film avsatt på metalloksydfilmen av sink og tinn.

2. Glass-substrat ifølge krav 1, karakterisert ved at den reflektive metalliske film omfatter et metall valgt blant krom-, titan-, rustfritt stål- og nikkel-legeringer.

3. Glass-substrat ifølge krav 2, karakterisert ved at den reflektive metalliske film er valgt blant krommetall, kromoksyd, kromnitrid, titanmetall, titannitrid, rustfritt stål og inkonel.

4. Glass-substrat ifølge krav 1, karakterisert ved at tykkelsen i den transparente film av sink/- tinnoksyd er tilstrekkelig til at den belagte gjenstand viser en blå interferensefarve.

5 . Fremgangsmåte for fremstilling av et solar-energi-reflekterende glass-substrat, karakterisert ved at den omfatter: a) sputring av en reflektiv, transparent metallisk film på substratet; b) sputring på overflaten av den metalliske filmen av et første transparent belegg av en metalloksyd-film av sink og tinn som viser farve ved interferensvirkninger; og c) sputring over metalloksyd-f ilmen av sink og tinn av en reflektiv, transparent metallisk film.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at den metalliske film avsettes ved sputring av et metall valgt blant krom-, titan-, rustfritt stål- og nikkel-legeringer.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at den transparente metalliske film avsettes på substratet ved sputring av krom.