TWI402232B - 分隔灰金屬及氮化鈦之太陽光控制構件 - Google Patents
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Description
本發明大致係關於太陽光控制構件，及更特定而言係關於提供用於窗之太陽光控制。
此技藝中已知使用薄膜以控制在不同光頻率範圍內窗的反射及透射程度。對於車窗及許多建築物及住宅的窗戶，經由控制波長介於400奈米與700奈米間的可見光透射比(TVIS
)及可見光反射比(RVIS
)而降低眩光。對於該等窗之應用，可經由在太陽光譜之可見部分與近紅外線(700奈米至1200奈米)部分的一或兩者經部分阻擋太陽光透射(TSOL
)而降低熱負荷。
圖1中顯示一用於提供太陽光控制之已知的薄膜序列，且其係說明於受讓給本發明受讓人之Woodard等人的美國專利第6,034,813號中。在圖1中，藉由感壓黏著劑(PSA)14將太陽光控制配置的薄膜附著至玻璃基板12。太陽光控制配置原先係形成於可撓性聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基板16上。太陽光控制配置包括法布立－柏若(Fabry－Perot)干涉濾光器18、黏著劑層20、灰金屬層22、另一PET基板24、及硬塗層26。當將法布立－柏若干涉濾光器18形成於一PET基板16上，同時將灰金屬層22形成於第二PET基板24上時，使用第二黏著劑層20。
法布立－柏若干涉濾光器18藉由優先使特定波長之光通過及反射其他波長之光，而提供太陽光負荷降低。法布立－柏若干涉濾光器的一實例說明於Meyer等人的美國專利第4,799,745號中。此專利說明一種實質上透明、反射紅外光的法布立－柏若干涉濾光器，其特徵在於藉由金屬氧化物之介電層將透明金屬層分隔開。圖1之灰金屬層22有助於配置的最終光學性質。Woodard等人之專利陳述灰金屬層較佳係由厚度在2奈米至20奈米範圍內之金屬或合金，諸如鎳鉻所形成。灰金屬層應足夠厚，以部分阻擋可見光之透射通過薄膜。
亦受讓給本發明受讓人之Woodard等人的美國專利第6,707,610號中係說明另一已知之光學配置。參照圖2，光學配置經顯示為藉由PSA 30黏著至玻璃28。舉例來說，玻璃可為車輛的擋風玻璃或建築物或住家的窗戶。PSA層30係夾於玻璃與第一PET基板32之間。於PET基板的相對側上為滑動層34。氮化鈦之光學塗層具有主要經選擇用於達成期望光學特性(諸如太陽光控制)的厚度。鎳鉻層38經說明為一延遲損壞層。可使用其他灰金屬材料替代鎳鉻。在氮化鈦層36之上方為層合黏著劑40、第二PET基板42、及一或多個保護層44(諸如硬塗層或抗刮層)。
在窗用光學配置之設計中，必需著眼於光學考量及結構考量。基於波長調整透射比及反射比可具有優勢。舉例來說，在紅外線範圍內典型上有利地具有較在可見光譜範圍內高的反射比。在可見範圍內，通常須要色中性(color neutrality)。色中性不應隨視角改變且不應隨老化改變。關於結構穩定性，降低塗層在製造、安裝、或長期使用期間的易龜裂性係一項重要的考量。在製造期間，薄膜暴露至高溫及高壓。在安裝期間，會由於彎曲(諸如當將可撓性的經塗布PET基板彎曲以順從擋風玻璃之輪廓時)而產生裂紋。當具有氮化鈦層的經塗布聚合基板經折曲時，氮化鈦層有龜裂的傾向。
雖然先前技藝之方法對於其之設計用途係可妥善運作，但仍企求能更進一步。
根據本發明所形成之太陽光控制構件包括位在經設計於達成期望光學性質之灰金屬層與經組態成可與灰金屬層協同作用以達成目標太陽光性能之氮化鈦層之間的光學厚實層。太陽光控制構件尤其適用於窗應用，諸如車窗及住宅和建築物的窗。
如本文所使用之術語「光學厚實層」係經定義為足夠厚而可延遲或防止反射光之建設性及破壞性干涉的層。因此，光學厚實層不同於光學活性的層或層堆疊及由於薄而為光學被動的層或層堆疊(諸如滑動層)。在一具體例中，光學厚實層為一基板，諸如PET基板。或者，光學厚實層係用於使氮化鈦層黏合至灰金屬層的厚黏著劑層。灰金屬層及氮化鈦層較佳與光學厚實層的相對側物理接觸。在中心層係一原來包括另一材料(諸如滑動劑之塗層)之基板的情況中，較佳將額外的材料移除，諸如採用使基板暴露至輝光放電的燒除(burn－off)製程。
亦於較佳具體例中，灰金屬層係為鎳鉻。鎳鉻經判定可於此應用中提供期望的結果。其他提供可接受結果的灰金屬或其合金包括不銹鋼、英高鎳(inconel)、蒙鎳(monel)、鋁、鎳及鉻。在一次佳之具體例中，可使用此等材料之氧化物。亦於一次佳之具體例中，灰金屬可為銀、金或銅(若該層夠薄)。
當使用於窗應用時，位於光學厚實層之相對側上之氮化鈦層與灰金屬層的組合係經判定為可達成期望的太陽光性能。與雙重鎳鉻薄膜對等物相比，本發明具有具較高紅外線反射之更具選擇性的透射光譜。
參照圖3，太陽光控制構件50經顯示為藉由感壓黏著劑(PSA)54附著至玻璃52。在此具體例中，太陽光控制構件係由氮化鈦層56、PET基板58、及灰金屬層60所形成。PET基板58夠厚而為「光學厚實層」。換言之，厚度係使得可延遲反射光的建設性及破壞性干涉。PET基板應為大致透明且應具有至少25微米之厚度。灰金屬層之厚度較佳小於15奈米(在2奈米與15奈米之間)，同時氮化鈦層之厚度較佳係在5奈米至25奈米之範圍內(及最佳在12奈米與22奈米之間)。層合黏著劑61之厚度係至少5微米。經判定如圖3所示使氮化鈦層與灰金屬層間隔開當與其他雙重層配置或甚至需要更多層之太陽光配置相比時可提供優良的太陽光性能。試驗結果將呈現於隨後的段落中。
在圖3之具體例中，可諸如經由濺鍍沈積將氮化鈦層56及灰金屬層60形成於PET基板58的相對側上。為保護灰金屬層防止於後續安裝至玻璃52後的暴露，使用層合黏著劑61將第二PET基板59附著至太陽光控制構件50。可附加諸如硬塗層63的保護層。
圖4顯示本發明之第二具體例。此具體例之太陽光控制構件62與圖3相似，但圖4之灰金屬層64係鄰近於玻璃52，同時氮化鈦層68係太陽光控制構件內的最外層。「支援層」54、59、61及63經示為與圖3相同。雖然試驗結果顯示圖3之具體例較圖4之具體例佳，但兩具體例皆優於先前技藝的方法(諸如圖1及2中所示者)。
在圖5中，太陽光控制構件70經顯示為包括一對PET基板72及74。可先將灰金屬層76濺鍍於PET基板72上，及在一另外的製程中將氮化鈦層78濺鍍於PET基板74上。隨後可使用光學厚實層合黏著劑層80於附著兩層及其各別的PET基板。同時，層合黏著劑層80在灰金屬層與氮化鈦層之間提供期望的物理及光學關係。包括PSA層82用於將太陽光控制構件附著至玻璃。
圖6之太陽光控制構件90與圖5相似，但灰金屬層86與氮化鈦層88的位置顛倒。因此，當使用PSA 82於將太陽光控制構件附著至玻璃時，灰金屬層將較靠近玻璃。
如參照圖3及4之具體例所說明，光學厚實層可為一聚合物基板，諸如PET基板58及66。另一方面，圖5及6說明使灰金屬層與氮化鈦層分隔開之光學厚實層係一黏著劑層的具體例。雖然未示於圖中，但第三種替代方案將係其中之光學厚實層係為基板材料與黏著劑材料之組合。舉例來說，若藉由黏著劑直接附著兩PET基板72及74，以致灰金屬與氮化鈦層76及78夾住基板與黏著劑，則「光學厚實層」將包括兩基板及黏著劑。在此一具體例中，灰金屬或氮化鈦層將係最外層，以致將需要提供對於暴露的保護。此保護可使用圖3及4之具體例中所示的層合PET基板59及硬塗層63提供。
圖3至6之太陽光控制構件50、62、70及90可附著至車窗及商店或住宅的窗戶。雖然將窗描述為玻璃，但本發明亦可利用於其他類型使用於形成窗的透明基板。
圖3至6中說明之各太陽光控制構件的關鍵改良係關於在氮化鈦與灰金屬層之間使用光學厚實層。特定而言，若光學厚實層係一層合黏著劑，則此層提供「減震器」的功能，以吸收一部分可能衝擊於太陽光控制構件上的機械能量。此機械能量可能係太陽光控制構件裝設及熱收縮於玻璃52上的結果，如圖3及4所示。根據本發明之太陽光控制構件之灰金屬層及氮化鈦層的結構亦經判定可使元件的易龜裂性及若發生之「隱藏」裂紋減少。「隱藏」裂紋的效用係視相對於光源自經塗布玻璃之何側觀看而定。經由層合灰金屬層，可相較於使用單一氮化鈦層或甚至雙重厚氮化鈦層獲致更暗的太陽光控制構件，因此而降低易龜裂性(熟悉技藝人士當知曉灰金屬層將具有此效用)。經由選擇氮化鈦層的適當厚度，可控制龜裂且可獲致期望的太陽光性能。在一具體例中，氮化鈦層之限制厚度係使對光之透射比為42%之厚度。隨後選擇灰金屬層之厚度以使對可見光之透射比(TVIS
)係處於標的值。氮化鈦層可經設計為提供期望的太陽光排除性質，同時灰金屬層係經設計為提供較低的TVIS
。
在較佳具體例中，灰金屬層係鎳鉻。在以下的說明中，將主要參照此具體例說明灰金屬層。然而，其他可接受的灰金屬包括不銹鋼、英高鎳、蒙鎳、鋁、鎳、鉻及其合金。在一次佳之具體例中，可使用此等材料之氧化物。亦於一次佳之具體例中，若該層夠薄，灰金屬可為銀、金或銅。
製造許多樣品並進行測試，以判定本發明的優點。表1中顯示11個樣品，並且將不同樣品的光學測量值列於表中的十一個欄位中。
前四個樣品代表圖5中所示之具體例，其包括較灰金屬層60更靠近玻璃52的氮化鈦層56。在各此等樣品中，字母「T」代表氮化鈦，字母「G」代表灰金屬，且數字代表個別層之透射比。在接下來的四個樣品中，呈現圖6之具體例，因灰金屬層64係較氮化鈦層68更靠近玻璃52(即將灰金屬「G」標示在氮化鈦「T」之前)。字母「T」及「G」之使用及數字之使用係與前四個樣品的使用一致。最後三個樣品係用來作評估，因其並不代表本發明。具有銷售名稱SampA、SampB及SampC的三個樣品係分別具有37%、28%及14%之標稱可見光透射的雙重灰金屬層。
在表1中，TVIS
係可見光之透射比，而RVIS
則係在光譜之可見光部分內的反射率。反射率參數係自樣品的玻璃側測量。TSOL
係太陽光透射比及RSOL
係太陽光反射比。ASOL
係太陽光吸收係數之量度。亦測量在波長980奈米處之透射比(T980
)。
在表1中，「SC」係遮光係數，其係指當環境透過具有指定面積之開口暴露至太陽光輻射時所得之熱增益相較於透過經安裝3.2毫米單格透明玻璃之相同面積所得的熱增益(ASHRAE標準計算方法)。最後，「SR」係指太陽光排除。
圖7、8、9及10描繪來自表1的一些關係。在圖7中，對於11個樣品將TVIS
沿X軸顯示，同時將RVIS
沿Y軸描繪。線條100連接雙重鎳鉻樣品(SampA、SampB及SampC)的三個圖。根據本發明之八個樣品皆具有改良的TVIS
對RVIS
比。同樣地，在圖8中，線條102連接雙重鎳鉻樣品之關於TVIS
對T980
之比的三個圖，且所有關於根據本發明之樣品的圖皆顯現優良的性能。在圖9及10中，分別將TVIS
值成太陽光反射率及太陽光排除之函數描繪。再次地，根據本發明之八個樣品的值皆係位於連接雙重鎳鉻樣品之三個圖之線條104及106的較佳側上。
基於表1及圖7至10，可看到灰金屬層G60與T51之組合相較於雙重鎳鉻層SampA(G60層與另一G60層組合)產生稍低的TVIS
。此外，由於T51的反射特性，因而RVIS
值稍微增加。T51及G60的可見光反射率相似，因此顛倒薄膜的順序對組合之反射率的影響極小。換言之，T51G60具有與G60T51相似的反射率。
T35對於可見光及總太陽光能量兩者極具反射性。當與G60或G50組合時，組合的TVIS
降至22%至約25%之範圍，且RVIS
提高至大約17%。當T35層係鄰近於玻璃時，由於沒有反射光被吸收性鎳鉻層之阻擋，因而RVIS
有較高的傾向。
當應用至鑲玻璃(glazing)時，太陽光排除(SR)係指示由鑲玻璃系統所排除之總太陽光能量的性能參數。此性能參數係經排除之太陽光能量之兩方面(即經反射之輻射能量及經鑲玻璃系統吸收之太陽光能量)的總和。由於一部分經吸收之太陽光能量自經加熱之玻璃表面再輻射，因而僅有一部分經吸收之太陽光能量貢獻至SR。在一不準確的估計中，太陽光能量係自如下方程式計算得：SR＝RSOL
(太陽光能量反射)＋0.73*ASOL
(太陽光能量吸收)。太陽光控制構件須要高的SR值，由於較高的SR值指示有更多能量被阻擋通過玻璃而至車輛、建築物或住宅之內部。如圖10所示，根據本發明所組態之樣品的太陽光排除值顯著高於雙重灰金屬樣品大約0.06。達成大於10%的改良。
表1及圖7至10中亦指出相較於雙重鎳鉻薄膜對等物，氮化鈦與鎳鉻之組合具有具高紅外線反射之更具選擇性之透射光譜的事實。以氮化鈦替代鎳鉻使980奈米處的紅外線透射降低。氮化鈦/鎳鉻之組合具有較具相同TVIS
值之雙重鎳鉻薄膜低約10%的紅外透射。
藉由使氮化鈦層位在較鎳鉻層更靠近玻璃，在相似TVIS
值下之太陽光反射率超越雙重鎳鉻薄膜(SampA、SampB及SampC)。當使用T35時，高太陽光排除更為顯著。在25%之TVIS
值下，T35G60之RSOL
可高至21%。太陽光排除係遵循此相同的趨勢。氮化鈦與鎳鉻之太陽光排除(SR)值在相似的TVIS
值下顯現較雙重鎳鉻薄膜高大約0.6。
對於較輕的氮化鈦薄膜(T51)，氮化鈦/鎳鉻之序列對可見光及紅外光兩者中之反射率的影響不顯著。在此一情況，較佳將鎳鉻層設置為較氮化鈦更靠近玻璃的層，以部分覆蓋氮化鈦層上的可見瑕疵。此提供藉由使用灰金屬層作為最靠近玻璃之薄膜，以緩衝氮化鈦層之反射率及可見裂紋，而潛在「隱藏」氮化鈦層之任何裂紋的優點。如先前所指，此「隱藏」的效用係視相對於照明來源觀看的玻璃側而定。
在較佳具體例中，本發明之氮化鈦及灰金屬層係經濺鍍沈積。濺鍍沈積之技術係技藝中所知曉。
12．．．玻璃基板
14．．．感壓黏著劑
16．．．可撓性聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基板
18．．．法布立－柏若干涉濾光器
20．．．黏著劑層
22．．．灰金屬層
24．．．PET基板
26．．．硬塗層
28．．．玻璃
30．．．PSA層
32．．．第一PET基板
34．．．滑動層
36．．．氮化鈦層
38．．．鎳鉻層
40．．．層合黏著劑
42．．．第二PET基板
44．．．保護層
50．．．太陽光控制構件
52．．．玻璃
54．．．感壓黏著劑
56．．．氮化鈦層
58．．．PET基板
59．．．第二PET基板
60．．．灰金屬層
61．．．層合黏著劑
62．．．太陽光控制構件
63．．．硬塗層
64．．．灰金屬層
66．．．PET基板
68．．．氮化鈦層
70．．．太陽光控制構件
72．．．PET基板
74．．．PET基板
76．．．灰金屬層
78．．．氮化鈦層
80．．．光學厚實層合黏著劑層
82．．．PSA層
86．．．灰金屬層
88．．．氮化鈦層
90．．．太陽光控制構件
100．．．線條
102．．．線條
104．．．線條
106．．．線條
圖1係根據先前技藝之光學構件的剖視圖。
圖2係根據第二個先前技藝方法之光學配置的剖視圖。
圖3係根據本發明之一具體例附著至玻璃之太陽光控制構件的剖視圖。
圖4係本發明之第二具體例的剖視圖。
圖5係本發明之第三具體例，但在應用至玻璃前的剖視圖。
圖6係本發明之第四具體例。
圖7至10係經形成為測試本發明效益之樣品之經量測光學性能的圖。
50．．．太陽光控制構件
52．．．玻璃
54．．．感壓黏著劑
56．．．氮化鈦層
58．．．PET基板
59．．．第二PET基板
60．．．灰金屬層
61．．．層合黏著劑
62．．．太陽光控制構件
63．．．硬塗層
Claims (17)
- 一種太陽光控制構件，包括：灰金屬層，其對於可見光大致透明；光學厚實層，該灰金屬層係位於該光學厚實層之第一側上；及氮化鈦層，其係位於該光學厚實層之與該灰金屬層相對的第二側上，該氮化鈦層係經組態成與該灰金屬層協同作用以提供雙重層太陽光選擇性。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制構件，其中該灰金屬層係特定地包含於該第一側上的唯一層，以達成期望光學性質。
- 如申請專利範圍第2項之太陽光控制構件，其中該氮化鈦層係包含於該第二側上的唯一層，以進一步達成該期望光學性質。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制構件，其中該光學厚實層係一大致透明的黏著劑層。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制構件，其中該光學厚實層係一大致透明的聚合基板。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制構件，其中該光學厚實層係一大致透明之黏著劑與一大致透明之基板的組合。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制構件，其中該光學厚實層係下列之組合：(a)大致透明的第一聚合基板，於其上製造該灰金屬層，(b)大致透明的第二聚合基板，於其上製造該氮化鈦層，及(c)大致透明的黏著劑，以將該第一聚合基板黏著至該第二聚合基板。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制構件，其中該灰金屬層係為鎳鉻。
- 一種提供太陽光控制構件之方法，包括：於一光學厚實層之第一側上形成一灰金屬層，包括選擇及組態該灰金屬層以於該第一側達成目標光學性質；及藉由在該光學厚實層相對於該第一側之側上形成氮化鈦層，而降低可見光之反射比，同時維持對於可見裂紋的控制。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成該氮化鈦層包括限制該氮化鈦層為位於該光學厚實層之該第二側上的唯一太陽光控制層。
- 如申請專利範圍第10項之方法，其中形成該灰金屬層包括限制該灰金屬層為位於該光學厚實層之該第一側上的唯一太陽光控制層。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成該灰金屬層及形成該氮化鈦層係包括於一透明聚合基板之相對側上沈積該等層。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成該灰金屬層及形成該氮化鈦層係包括使用一黏著劑作為該光學厚實層，以將該等層直接黏著於該第一及第二側。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成該灰金屬層及形成該氮化鈦層係包括將該等層沈積於不同的透明聚合基板上，及將該等聚合基板黏合在一起以形成該光學厚實層。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其進一步包括組態該太陽光控制構件以附著至一窗。
- 一種太陽光控制構件，其基本上係由下列所組成：一透明基板；一位於該透明基板之第一側上之光學塗層，該光學塗層係一阻止龜裂的灰金屬層；及一位於該透明基板之第二側上之氮化鈦層。
- 如申請專利範圍第16項之太陽光控制構件，其中該透明基板係一可撓性聚合基板。
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