TWI438166B - 達成太陽光控制之分隔功能性層堆疊及氮化鈦層 - Google Patents
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Description
本發明大致係關於太陽光控制元件，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奈米間之可見光透射比(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元件包括位在經設計於達成期望光學性質之光學功能性層堆疊與經組態成可與層堆疊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。太陽光控制元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(1)光學活性的層或層堆疊及(2)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。若光學厚實層為一基板，則較佳將任何一開始可能存在於基板表面上的材料(諸如滑動劑)移除，諸如經由使用使基板暴露至輝光放電的燒除(burn－off)製程。氮化鈦層係位於其之光學厚實層側上之「獨立層」(至少就達成目標光學性質而言)。或者，光學厚實層係用於使氮化鈦層黏合至層堆疊的厚黏著劑層。層堆疊及氮化鈦層較佳與光學厚實層的相對側物理接觸。
層堆疊係「光學功能性」，其在此處係定義為經組態成可對於透射及反射中之波長選擇性達成期望性質的一序列層。層堆疊較佳係經組態成可提供太陽光控制。然而，太陽光性能藉由在光學厚實層之相對側上使用氮化鈦層而進一步地獲得改良。一可接受的層堆疊係南沃爾科技公司(Southwall Technologies,Inc.)以註冊商標XIR所銷售者。氮化鈦層提供一種調整整個太陽光控制元件之可見光透射比(TVIS
)的方式。
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層堆疊的組合係經判定為可達成期望的太陽光性能。
參照圖3，太陽光控制元件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，太陽光控制元件係由氮化鈦層56、PET基板58、及光學功能性層堆疊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。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奈米及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所示使氮化鈦層與光學功能性層堆疊間隔開當與其他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及層堆疊60形成於PET基板58的相對側上。為保護層堆疊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附著至太陽光控制元件50。可附加諸如硬塗層63的保護層。「光學功能性層堆疊」在此係經定義為可協同作用以對於太陽光控制達成期望光學性質的一序列層。作為較佳具體例，層堆疊可為形成法布立－柏若干涉濾光器的一序列層。在更佳具體例中，層堆疊係由南沃爾科技公司(Southwall Technologies,Inc.)以註冊商標XIR銷售的太陽光控制配置。
圖4顯示本發明之第二具體例。此具體例之太陽光控制元件62與圖3相似，但圖4之層堆疊64係鄰近於玻璃52，同時氮化鈦層68係太陽光控制元件內的最外層。「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，太陽光控制元件70經顯示為包括一對PET基板72及74。可先將光學功能性層堆疊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在層堆疊與氮化鈦層之間提供期望的物理及光學關係。包括PSA層82用於將太陽光控制元件附著至玻璃。於相對側上塗布硬塗層83以保護太陽光控制元件70的暴露表面。
圖6之太陽光控制元件90與圖5相似，但光學功能性層堆疊86與氮化鈦層88的位置顛倒。因此，當使用PSA 82於將太陽光控制元件附著至玻璃時，層堆疊將較靠近玻璃。如同圖5，硬塗層83對暴露表面提供保護。
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說明使層堆疊與氮化鈦層分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，以致層堆疊與氮化鈦層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，層堆疊或氮化鈦層將係最外部元件，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之太陽光控制元件50、62、70及90可附著至車窗、以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之用於形成窗的透明基板。
圖3至6中說明之各太陽光控制元件的關鍵改良係關於在氮化鈦層與光學功能性層堆疊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元件上的機械能量。此機械能量可能係太陽光控制元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元件之層堆疊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。經由於層堆疊中併入氮化鈦層，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且在光譜上更具選擇性的太陽光控制元件，因此而降低產生可見裂紋的可能性(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透射比及太陽光性能。在一具體例中，層堆疊可經設計為提供期望的基本太陽光排除性質。隨後選擇氮化鈦層之厚度以獲致42%的總光透射比，同時進一步改良太陽光排除性質。
圖7顯示層堆疊的一可能具體例。僅作為實例而考慮圖3之太陽光控制元件50。因此，PET基板58係分隔氮化鈦層56與層堆疊的「光學厚實層」。可將各種層濺鍍沈積於PET基板的不同側上。在此說明具體例中，層堆疊形成一法布立－柏若干涉濾光器，其通常被廣泛稱為太陽光負荷減低(SLR；solar－load－reduction)薄膜。法布立－柏若濾光器選擇性地排除一實質部分的紅外波長輻射，同時透射一實質部分的可見光。在圖7之法布立－柏若濾光器中，層並未依比例顯示。可能的材料及厚度可為：第一連續氧化銦介電薄膜100具在15－60奈米範圍內之厚度；第一連續導電性銀金屬薄膜102具在4－25奈米範圍內之厚度；第二連續氧化銦介電薄膜104具在30－120奈米範圍內之厚度；第二連續銀金屬薄膜106具在4－25奈米範圍內之厚度；及第三連續氧化銦介電薄膜108具在15－60奈米範圍內之厚度。可提供額外的層，諸如第三連續銀金屬層及第四連續氧化銦介電薄膜。
圖8顯示提供一光學功能性層堆疊的相同方法，但係應用至圖5之太陽光控制元件70。在此，光學厚實層係分隔氮化鈦層56與層堆疊的層合黏著劑層80。如圖8中所見，層堆疊可形成於上方PET基板72上，同時氮化鈦層可形成於下方PET基板74上。可濺鍍沈積堆疊的各個層。在圖8所示之具體例中，層堆疊以與參照圖7所述之相同方式形成法布立－柏若濾光器，因此對個別層100、102、104、106及108使用相同的元件編號。
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10個樣品，並且將不同樣品的光學測量值列於表中的十個欄位中。
前四個樣品代表圖5中所示之具體例，其包括較層堆疊76更靠近玻璃的氮化鈦層78。在各此等樣品中，字母「T」代表氮化鈦，字母「V」代表光學功能性層堆疊，且隨後的數字代表個別層或層堆疊之透射比。在接下來的四個樣品中，呈現圖6之具體例，因層堆疊86係較氮化鈦層88更靠近玻璃(即將層堆疊「V」標示在氮化鈦「T」之前)。字母「T」及「V」之使用及數字之使用係與前四個樣品的使用一致。最後兩個樣品係用來作評估，因其並不代表本發明。兩樣品ref A及ref B分別係(1)一對各具59%之標稱TVIS
的氮化鈦層，及(2)一對各具51%之標稱TVIS
的氮化鈦層。
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，其係指透過具指定面積之開口進入暴露至太陽光輻射之環境中之總太陽光能量的比率相較於透過經安裝3.2毫米單格透明玻璃之相同面積所得的比率(ASHRAE標準計算方法)。最後，「SR」係指太陽光排除且將論述於下。
圖9、10及11描繪來自表1的一些關係。在圖9中，直線122連接雙重氮化鈦樣品(ref A及ref B)關於TVIS
對T980
之比的兩圖，且所有根據本發明之樣品的圖皆顯現優良的性能。在圖10及11中，分別將太陽光反射率及太陽光排除值成TVIS
之函數作圖。再次地，根據本發明之八個樣品的值皆係位在連接另兩樣品之兩圖之直線124及126的較佳側上。
由於XIR阻擋紅外頻率內之光的能力，因而XIR與T51或T35之組合較雙重氮化鈦薄膜ref A及ref B之兩參考樣品展現更為期望之在980奈米下的較低透射(T980
)。
相較於ref A或ref B之雙重氮化鈦層，本發明之不同具體例對於太陽光排除及太陽光反射展現顯著的改良。由於目標係要使此改良最大化，因而應將XIR層堆疊使用作為相對於氮化鈦層更靠近玻璃的元件。
由圖10，清楚可見與本發明相關之八個樣品的太陽光能量反射(RSOL
)皆顯著高於由雙重氮化鈦所形成的兩參考樣品。當光學功能性堆疊層位在靠近玻璃時，尤係如此。
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)。太陽光控制元件須要高的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11所示，根據本發明所組態之樣品的太陽光排除值在任何給定的TVIS
下皆顯著高於兩參考樣品超過0.6。達成大於10%的相對改良。此高的太陽光能量排除主要係由根據本發明所形成之八個樣品的高太陽光排除所造成，其代表在窗薄膜應用中之期望的能量排除形式。
本發明之另一優點係藉由加入XIR或其他光學功能性層堆疊而「隱藏」氮化鈦層之任何裂紋，以緩衝氮化鈦層之反射率及可見裂紋的可能性。「隱藏」的效用係視相對於照明來源觀看的玻璃側而定。
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．．．太陽光控制元件
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．．．光學功能性層堆疊
61．．．層合黏著劑
62．．．太陽光控制元件
63．．．硬塗層
64．．．層堆疊
68．．．氮化鈦層
70．．．太陽光控制元件
72．．．PET基板
74．．．PET基板
76．．．光學功能性層堆疊
78．．．氮化鈦層
80．．．光學厚實層合黏著劑層
83．．．硬塗層
86．．．光學功能性層堆疊
88．．．氮化鈦層
90．．．太陽光控制元件
100．．．第一連續氧化銦介電薄膜
102．．．第一連續導電性銀金屬薄膜
104．．．第二連續氧化銦介電薄膜
106．．．第二連續銀金屬薄膜
108．．．第三連續氧化銦介電薄膜
122．．．直線
124．．．直線
126．．．直線
圖1係根據先前技藝之光學元件的剖視圖。
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元件的剖視圖。
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係使用於圖3或圖4之其中一具體例中，但經說明為應用至圖3之一可能的功能性層堆疊。
圖8係使用於圖5或圖6之其中一具體例中，但經說明為應用至圖5之一可能的功能性層堆疊。
圖9至11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．．．太陽光控制元件
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．．．光學功能性層堆疊
61．．．層合黏著劑
63．．．硬塗層
Claims (17)
- 一種太陽光控制元件，包括：光學功能性層堆疊，其對於可見光大致透明且對於太陽光控制具有波長選擇性；光學厚實層，該光學功能性層堆疊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光學功能性層堆疊相對的第二側上，該氮化鈦層係經組態成與該光學功能性層堆疊協同作用以提供太陽光選擇性。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制元件，其中該氮化鈦層係該第二側上的唯一太陽光控制層，及其中該光學功能性層堆疊包括一法布立-柏若(Fabry-Perot)干涉濾光器。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制元件，其中該光學功能性層堆疊具有對可見光的透射比至少為70%，且具有太陽光熱增益係數低於0.50。
- 如申請專利範圍第1項之太陽光控制元件，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項之太陽光控制元件，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項之太陽光控制元件，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項之太陽光控制元件，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，於其上製造該光學功能性層堆疊，(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項之太陽光控制元件，其中該光學功能性層堆疊係為形成法布立-柏若干涉濾光器的一序列層。
- 一種提供太陽光控制元件之方法，包括：於一光學厚實層之第一側上形成一光學功能性層堆疊，包括選擇及組態該光學功能性層堆疊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，而提高太陽光排除，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9項之方法，其中形成該光學功能性層堆疊包括界定一法布立-柏若濾光器。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成該光學功能性層堆疊及形成該氮化鈦層係包括於一透明聚合基板之相對側上提供該等形成。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成該光學功能性層堆疊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，以將該光學功能性層堆疊及該氮化鈦層直 接黏著於該第一及第二側。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成該光學功能性層堆疊及形成該氮化鈦層係包括將該光學功能性層堆疊及氮化鈦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元件以附著至一窗。
- 一種太陽光控制元件，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，該光學塗層包括一法布立-柏若濾光器層；及一位於該透明基板之第二側上之氮化鈦層，該氮化鈦層為位於該透明基板之該第二側上之唯一太陽光控制層。
- 如申請專利範圍第16項之太陽光控制元件，其中該透明基板係一可撓性聚合基板。
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