Стеклянная панель с многослойным покрытием - RU2359929C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к стеклянным панелям и, в частности, но не исключительно, к солнцезащитным стеклянным панелям и/или к стеклянным панелям с низким коэффициентом излучения, которые предполагается подвергать термической обработке, следующей за нанесением на стеклянную подложку оптического фильтра в форме многослойного покрытия.

Более конкретно изобретение относится к случаям, где многослойное покрытие наносят на остекление методом осаждения в вакууме, например напылением или магнетронным напылением.

Множество факторов необходимо рассматривать при проектировании многослойного покрытия для нанесения на остекление. Они включают не только желаемое опто-энергетическое функционирование покрытой стеклянной панели, но также, например, устойчивость к истиранию многослойного покрытия (чтобы облегчать его обработку и манипуляцию с ним), стабильность и химическую стойкость многослойного покрытия (чтобы облегчать его хранение при различных условиях) и допустимость контроля технологического процесса (чтобы облегчать приемлемые производственные выходы и соответствие между партиями изделий).

Известно нанесение верхнего покрытия на многослойное покрытие, в особенности, при попытке увеличить устойчивость к истиранию и/или химическую стойкость многослойного покрытия. Использование металлических слоев (например, хрома, никель-хрома или цинка) или диэлектрических слоев (например, оксида титана, оксида кремния, оксида цинка, нитрида кремния, нитрида алюминия) было предложено в этом контексте. Например, ЕР 0226993 раскрывает изделие с низкой излучательной способностью и высоким пропусканием, содержащее прозрачную неметаллическую подложку, многослойную пленку, нанесенную на указанную подложку, и защитное покрытие на основе оксида металла, имеющее толщину в пределах от около 10 до 50 Å, над многослойной пленкой. Однако многие известные неметаллических верхние покрытия страдают от недостаточной химической стойкости, и в то же время известные металлические верхние покрытия могут иметь ряд недостатков.

Настоящее изобретение обеспечивает стеклянные панели, способ производства стеклянных панелей и использование верхнего слоя покрытия, как это определено в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение может обеспечивать выгодную комбинацию преимуществ:

химическая стойкость, особенно когда верхнее покрытие включает нитрид или оксинитрид,

влагостойкость, особенно когда верхнее покрытие включает нитрид титана,

стабильность производственных параметров,

способность к термической обработке.

Верхний слой покрытия является предпочтительно наиболее удаленным, наружным слоем многослойного покрытия.

Слои покрытия предпочтительно наносят методом вакуумного напыления, в частности магнетронного напыления.

Одним из преимуществ верхних покрытий настоящего изобретения может быть сочетание особенно хорошей химической стойкости во время хранения, например, перед термической обработкой и/или сборкой с легкостью контроля допустимых технологических отклонений и процесса производства. Это может быть объединено со способностью обеспечивать термическую защиту других частей многослойного покрытия в ходе термической обработки.

Что касается известных металлических верхних покрытий, небольшие вариации в толщине металлического верхнего покрытия могут существенно воздействовать на свойства термически обработанной покрытой стеклянной панели и/или условия термической обработки, которые должны быть использованы, в особенности, если металл относительно трудно окислять в ходе термической обработки.

Если используют высоко химически активный металл, тогда он будет частично окисляться на воздухе во время хранения перед термической обработкой стеклянной панели. Степень этого окисления может быть с трудом проконтролирована, поскольку она может зависеть от температуры окружающей среды, влажности и других условий хранения и даже от температуры стеклянной панели, когда она первый раз входит в атмосферу при выходе из линии вакуумного покрытия (температура стеклянной панели, как правило, будет ниже для более толстых субстратов).

Следовательно, может быть трудно контролировать допустимые технологические отклонения и точные условия промежуточной покрытой стеклянной панели, которую доставляют на термическую обработку. Значительная разница в показателе преломления и/или коэффициенте экстинкции между металлическим верхним покрытием перед и после термической обработки может также воздействовать на контроль толщины, и условия термообработки критичны, чтобы избегать неприемлемых изменений в свойствах, таких как пропускание света, пропускание энергии и цвет термически обработанной стеклянной панели.

Тонкая регулировка и контроль допустимых технологических отклонений толщины верхних покрытий настоящего изобретения могут быть менее критичными к вариациям свойств стеклянной панели; это может способствовать более высоким производственным выходам и/или производительности. Более того, где показатели преломления и/или коэффициенты экстинкции верхних покрытий настоящего изобретения приемлемо сходны как перед, так и после термической обработки (например, с изменением в показателе преломления при 550 нм менее 1, 0,8, 0,6, 0,5, 0,4, 0,3 или 0,2 вследствие термической обработки и/или изменением в коэффициенте экстинкции при 550 нм менее 1,5, 1,4, 1,3, 1,2, 1, 0,8, 0,6, 0,5, 0,4, 0,3 или 0,2 вследствие термической обработки), допустимое отклонение одного или более свойств, например коэффициента пропускания света, пропускания энергии, отражения света, цвета в отраженном свете, цвета в проходящем свете, может быть менее склонным к существенным изменениям как функция технологических отклонений и времени, и условий хранения промежуточного продукта перед термической обработкой. Настоящее изобретение может также облегчать использование преимущественно идентичного многослойного покрытия на стеклянных субстратах различной толщины (например, стеклянные листы толщиной 2 мм, 4 мм, 6 мм, 8 мм), которые требуют различных условий правильной термической обработки.

Использование верхнего покрытия из нитрида или оксинитрида в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения может облегчать контроль осаждения; это, в особенности, может иметь место, когда вакуумную установку для нанесения покрытий, используемую для производства стеклянных панелей, подвергают воздействию атмосферы при эксплуатации, и ее нужно очищать от загрязнений воздухом и/или водяным паром. Поскольку воздух содержит около 80%

азота, загрязнение воздухом может быть менее разрушительным для осаждения этих материалов. Влияние загрязнения воздухом и/или водяным паром на осаждение в реакционноспособной атмосфере, содержащей азот и/или кислород, менее существенно, чем эквивалентное загрязнение в инертной (например, из аргона) атмосфере для распыления, используемой для осаждения металлических слоев, так как в последнем случае загрязнение представляют собой единственные реакционноспособные образцы, присутствующие в атмосфере осаждения.

Когда стеклянная панель несет многослойное покрытие, имеющее единственный слой серебра или другого металла, отражающего инфракрасное излучение, она имеет, например, такую структуру:

Стекло

основной просветляющий диэлектрический слой

необязательный слой зародышеобразования или барьерный

металлический слой, отражающий инфракрасное излучение

необязательный барьерный слой

верхний просветляющий диэлектрический слой

верхний слой покрытия.

Основной просветляющий диэлектрический слой предпочтительно имеет оптическую толщину в интервале от 50 нм до 80 нм, в то время как сочетание верхнего осветляющего диэлектрического слоя и верхнего слоя покрытия предпочтительно имеет оптическую толщину в интервале от 50 нм до 100 нм.

Когда стеклянная панель несет многослойное покрытие, имеющее двойной слой из серебра или другого металла, отражающего инфракрасное излучение, она имеет, например, такую структуру:

Стекло

основной просветляющий диэлектрический слой

необязательный слой зародышеобразования или барьерный

металлический слой, отражающий инфракрасное излучение

необязательный барьерный слой

центральный просветляющий диэлектрический слой

необязательный слой зародышеобразования или барьерный

металлический слой, отражающий инфракрасное излучение

необязательный барьерный слой

верхний просветляющий диэлектрический слой

верхний слой покрытия.

Основной просветляющий диэлектрический слой предпочтительно имеет оптическую толщину в интервале от 35 нм до 80 нм, центральный просветляющий диэлектрический слой предпочтительно имеет оптическую толщину в интервале от 130 нм до 180 нм, и сочетание верхнего просветляющего диэлектрического слоя и верхнего слоя покрытия предпочтительно имеет оптическую толщину в интервале от 40 нм до 80 нм.

Верхний слой покрытия может иметь геометрическую толщину более или равную 10 Å, 15 Å, 20 Å или 25 Å; он может иметь геометрическую толщину менее или равную 70 Å, 60 Å или 50 Å. Верхний слой покрытия предпочтительно имеет геометрическую толщину в интервале от 15 до 50 Å, более предпочтительно от 20 до 40 Å, в особенности когда он включает нитрид или оксинитрид титана. Такие толщины могут обеспечивать оптимизацию для обеспечения желательной устойчивости к коррозии, при этом одновременно обеспечивая верхний слой покрытия, который будет обеспечивать желательные характеристики, например показатель преломления и/или коэффициент экстинкции, после термической обработки.

Фильтрующий набор может включать один или несколько барьерных слоев, лежащих ниже и/или лежащих поверх слоя, отражающего инфракрасное излучение, как это известно специалистам. Могут быть использованы барьеры из, например, одного или нескольких следующих материалов: Ti, Zn, Cr, "нержавеющая сталь", Zr, Nb, Ni, NiCr, NiTi, ZnTi и ZnAl. Такие барьеры могут быть нанесены, например, в виде металлических слоев или в виде субоксидов (то есть частично окисленных слоев). Альтернативно могут также быть использованы азотированные барьерные слои. Каждый барьерный слой может состоять из единственного слоя или может включать два или несколько подслоев, которые вместе формируют барьерный слой. Барьерный слой может включать первый барьерный слой преимущественно в металлической форме, например, включающий никель и хром, и лежащий сверху второй барьерный слой состава, отличного от состава первого барьерного слоя (например, включающий титан), который находится в форме, выбранной из группы, состоящей из оксидов, субстехиометрических оксидов, нитридов, субстехиометрических нитридов, оксинитридов и субстехиометрических оксинитридов.

Каждый просветляющий диэлектрический слой может состоять из единственного слоя или может включать два или больше подслоев, которые вместе формируют просветляющий диэлектрический слой. Верхний просветляющий диэлектрический слой или, по меньшей мере, часть верхнего просветляющего диэлектрического слоя, которая имеет контакт с верхним слоем покрытия, может состоять из материала, отличного от нитрида кремния и/или отличного от нитрида алюминия; он может включать оксид, например оксид, содержащий цинк и олово и/или цинк и алюминий.

Изобретение имеет особое использование в отношении стеклянных панелей, которые, будучи термически обработанными, будут давать цвет в отраженном свете такой, что:

а* лежит между +2 и -10, предпочтительно между 0 и -7; и

b* лежит между +2 и -15, предпочтительно между 0 и -10;

или которые

в термически обработанном виде и собранные с листом прозрачного стекла в виде элементов двойного остекления с покрытием, расположенным внутри элемента двойного остекления в положении 2 (внутренняя поверхность наружного листа стекла) или положения 3 (внутренняя поверхность внутреннего листа стекла), будут давать цвет в отраженном свете, выглядящий снаружи так, что:

а* лежит между 0 и -7, предпочтительно между 0 и -4; и

b* лежит между +2 и -10, предпочтительно между 0 и -7.

Предпочтительно, стеклянные панели в термически обработанном виде, представленные в форме монолитного остекления и/или в форме собранных элементов двойного остекления, обеспечивают преимущественно нейтральный цвет в отраженном свете.

Сочетание свойств, которые могут быть обеспечены настоящим изобретением, имеет специфические преимущества в отношении поддающихся термической обработке и термически обработанных стеклянных панелей. Тем не менее, изобретение также может быть использовано в отношении остеклений, которые термически не обрабатывают. Используемый здесь термин "поддающаяся термической обработке стеклянная панель" означает, что стеклянная панель, несущая многослойное покрытие, адаптирована, чтобы подвергаться гнутью и/или термической закалке, и/или операции термического упрочнения без помутнения обработанной таким образом стеклянной панели, превышающего 0,5, и предпочтительно без помутнения, превышающего 0,3. Термин "термически обработанная стеклянная панель, преимущественно без помутнения", как используется здесь, означает стеклянную панель, которая была подвергнута гнутью и/или термической закалке, и/или термическому упрочнению, и имеет помутнение, которое не превышает 0,5 и которое предпочтительно не превышает 0,3. Термическая обработка может включать повышение температуры стеклянной панели до температуры, превышающей 400, 450, 500, 550, 600, 650 или 700°С.

Термическая обработка может вызвать увеличение пропускания света (TL) стеклянной панели. Такое увеличение TL может быть выгодно в обеспечении того, что TL является достаточно высоким для использования стеклянной панели в остеклениях с высоким пропусканием света, например в ветровых стеклах транспортных средств или в архитектурных применениях, где желательно, чтобы монолитная стеклянная панель с покрытием имела TL более, приблизительно, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 или 90%, или в элементах двойного остекления, где, желательно, элемент двойного остекления имеет TL более, приблизительно, 55, 60, 65, 70, 75, 80 или 85%. TL может увеличиваться в абсолютных величинах в ходе термической обработки, например, более чем, приблизительно, на 2,5%, более чем, приблизительно, на 3%, более чем, приблизительно, на 4%, более чем, приблизительно, на 5%, более чем, приблизительно, на 8% или более чем, приблизительно, на 10%.

Многослойное покрытие стеклянной панели настоящего изобретения может быть таким, что, если его наносить на прозрачный лист стекла толщиной 4 мм, оно дало бы TL, измеренное с источником света С более, приблизительно, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 или 90% и/или пропускание энергии (ТЕ) (система Moon 2) более, приблизительно, 35, 40, 50, 55 или 60%. Многослойное покрытие может быть ответственным за уменьшение TL стеклянной панели в интервале на от 10 до 20%. Пропускание энергии (система Moon 2) стеклянной панели может быть более 40, 45, 50, 55, 60 или 65%. Такие свойства или сочетания свойств могут быть особенно полезны, когда стеклянная панель предназначена для использования в применениях с низким коэффициентом излучения.

Многослойное покрытие стеклянной панели настоящего изобретения может быть таким, что, если его наносят на прозрачный лист стекла толщиной 4 мм, оно дало бы сочетание TL, измеренного для источника света С и (ТЕ) (система Moon 2) такое, что:

TL более или равно 70%, и ТЕ менее или равно 50%;

или

TL более или равно 60%, и ТЕ менее или равно 42%;

или

TL более или равно 50%, и ТЕ менее или равно 35%;

или

TL более или равно 40%, и ТЕ менее или равно 30%.

Такое сочетание свойств может быть полезным, где стеклянная панель предназначена для применений контроля солнечного излучения.

Верхний слой покрытия настоящего изобретения может подвергаться некоторым превращениям или окислению, когда его хранят на воздухе, например, перед предусмотренной операцией термической обработки. Например, когда верхний слой покрытия первоначально наносят в форме нитрида титана или оксинитрида титана, по меньшей мере, внешняя часть верхнего слоя покрытия, которая подвергается воздействию воздуха в ходе хранения, может окисляться до оксида титана. Аналогичный эффект может происходить с другими верхними слоями покрытия в соответствии с изобретением.

Примеры настоящего изобретения будут теперь описаны со ссылкой на фиг.1 и фиг.2, которые представляют собой поперечные сечения стеклянных панелей перед операциями гнутья и закалки (для простоты представления относительные толщины стеклянной панели и слоев покрытия не показаны в масштабе).

Пример 1

Фиг.1 показывает единственный слой Ag, поддающийся термической обработке, слой покрытия, нанесенный на стеклянный субстрат магнетронным распылением и имеющий следующую последовательную структуру:

В этом типе структуры слой Ag действует отражая случайное инфракрасное излучение, и, чтобы выполнять эту роль, он должен поддерживаться в виде металлического серебра, а не оксида серебра, и не должен быть загрязнен соседними слоями. Диэлектрические просветляющие слои, в которые заключен слой Ag, служат, чтобы уменьшать отражение видимой части спектра, которое слой Ag в ином случае вызывал бы. Термически обработанный барьер служит, чтобы предотвращать разложение слоя Ag в ходе термической обработки стеклянной панели; он обычно, по меньшей мере, частично окисляется в этом процессе. Осажденный барьер служит, чтобы предотвращать окисление термически обработанного барьера в ходе распыления лежащего сверху диэлектрического просветляющего слоя в окислительной атмосфере; этот барьер, по меньшей мере, частично окисляется в ходе этого процесса.

Свойства стеклянной панели перед и после процесса термической обработки таковы

Координаты цвета из примеров в особенности подходят для архитектурных элементов двойного остекления, поскольку они дают нейтральный внешний вид в отражении.

Образцы в соответствии с примером 1 были подвергнуты перед закалкой испытанию устойчивости к кливлендской конденсации (Cleveland Condensation resistance test) и испытанию в климатической камере (испытание устойчивости к циклической конденсации).

Кливлендское испытание заключается в подвергании стекла с покрытием действию насыщенной водой атмосферы при постоянной температуре. Образцы подвергают действию конденсации непрерывным формированием на них конденсата, и именно этот конденсат может вызывать разрушение поверхности. Испытательную камеру (Кливленд) помещают в комнате с температурой окружающей среды 23°С±3. Заботятся, чтобы гарантированно сквозной поток воздуха и солнечное излучение не воздействовали на испытательную камеру. Образцы устанавливают в держателе, который формирует крышу испытательной камеры. Пол испытательной камеры действует как приемный резервуар для количества воды. Испытательную камеру кондиционируют только нагреванием деминерализованной воды на полу с устойчивостью к нагреванию, контролируемой посредством термопары, поддерживая температуру воды 50°С±2. Образцы подвергают испытанию в течение 24 часов.

Испытание в климатической камере заключается в подвергании образцов в атмосфере, содержащей 98%-ную относительную влажность, непрерывному циклу из а) повышения температуры от 45°С до 55°С за период один час и б) последующего снижения температуры от 55°С до 45°С за период один час. Этот цикл повторяют за период времени в три дня. Испытание может быть проведено в камере Вейсса (Weiss) емкостью 500 литров.

Образцы, которые были подвергнуты каждому испытанию, проверяли на а) точечные дефекты (диаметр <0,5 мм), подобные следам от игл, ограниченная плотность которых может быть приемлема; б) большие дефекты, такие как пятна коррозии несколько мм в диаметре, которые являются недопустимыми; в) растворение покрытия, которое является недопустимым.

Были получены следующие результаты:

Ожидается, что вариации к примеру 1, в которых материал верхнего слоя покрытия выбран из варианта, как определено в пунктах формулы изобретения, будут иметь аналогичные характеристики в испытаниях Кливленда и в климатической камере.

Многослойное покрытие, использованное в примере 1, также наносили на другие стеклянные листы, имеющие толщины 4 мм, 6 мм и 8 мм. Эти листы хранили в разнообразных условиях и различное время (1 месяц для образцов 6 мм, 3 месяца для 4 мм, 5 месяцев для 8 мм) перед тем, как их закаливать, и затем собирали в элементы двойного остекления. Типичные свойства этих остеклений были такими:

В которых L, а и b являются координатами цвета по шкале Хантера (Hunter), R представляет собой сопротивление на квадрат, (М) указывает свойства закаленного монолитного остекления, измеренные с покрытой стороны, то есть покрытие в положении 1 и (DV) указывает свойства элемента двойного остекления, включающего закаленную, покрытую стеклянную панель с листом прозрачного стекла толщиной 4 мм, измеренные с внешней стороны элемента двойного остекления с покрытием в положении 3.

Это демонстрирует стабильность этих свойств в отношении толщины стекла и условий хранения.

Пример 2

Фиг.2 показывает двойной слой Ag, поддающийся термической обработке, причем слой покрытия нанесен на стеклянный субстрат магнетронным распылением, и он имеет следующую последовательную структуру

в которой ZnAlO_x представляет собой смешанный оксид, содержащий Zn и Al, нанесенный в этом примере реактивным распылением мишени, которая представляет собой сплав или смесь Zn и Al, в присутствии кислорода. Барьеры ZnAl аналогично наносили распылением мишени, которая представляет собой сплав или смесь Zn и Al, преимущественно в инертной, не содержащей кислорода атмосфере.

По меньшей мере, часть лежащих сверху барьеров 15, 18 окисляется в ходе осаждения лежащих сверху них оксидных слоев. Тем не менее, часть этих барьеров предпочтительно остается в металлической форме или, по меньшей мере, в форме оксида, который полностью не окисляется, обеспечивая барьер для последующей термической обработки стеклянной панели.

Свойства стеклянной панели перед и после процесса термообработки таковы:

Термическая обработка предпочтительно вызывает преимущественно полное окисление верхнего слоя покрытия нитрида титана.

Перед термической обработкой многослойное покрытие из примера 2 также функционирует хорошо в испытаниях Кливленда и климатической камеры.

Дополнительные слои могут быть введены, располагаясь над, ниже или между по отношению к пленочному покрытию, если необходимо, без отклонения от изобретения.

Глоссарий

Если в контексте не указано иначе, термины, перечисленные ниже, имеют следующие значения в этом описании:

Реферат

Изобретение относится к солнцезащитным стеклянным панелям. Стеклянная панель имеет многослойное покрытие, включающее последовательно, по меньшей мере, основной просветляющий слой, слой, отражающий инфракрасное излучение, верхний просветляющий слой и верхний слой покрытия, включающий, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из нитридов, оксинитридов, карбидов, оксикарбидов и карбонитридов элементов групп IVb, Vb и VIb периодической таблицы. Верхний слой покрытия имеет геометрическую толщину от 10 до 70 Å. Техническая задача изобретения - повышение химической стойкости и влагостойкости покрытия, стабильности параметров и способности к термической обработке. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 7 табл., 2 ил.

Формула