專利名稱：無光污染的二層膜結構鍍膜玻璃的制作方法
技術領域：
本發明屬于玻璃材料技術領域，具體地是涉及一種無光污染的二層膜結構鍍膜玻璃。
背景技術：
玻璃幕墻的廣泛使用是現代社會高層建筑的一個顯著特征。它將建筑物的墻體及門窗合為一體，兼具建筑外圍結構圍護功能和裝飾功能，凸顯建筑物的現代感和藝術性。玻璃幕墻在上世紀八十年代初引入我國，經過二十多年的發展，如今已廣泛遍及我國大中城市。到2004年底，僅北京市就有幕墻建筑2000座，面積1400萬平方米。上海有幕墻建筑1300座，幕墻總面積超過1000萬平方米。我國每年有數百萬平方米的幕墻投入使用，并以10％的速度繼續增長。據統計，我國已成為世界上最大的玻璃幕墻生產國和使用國。
然而，隨著能源緊缺局面的惡化與建筑節能工作的開展，人們逐漸意識到玻璃幕墻在能源消耗方面的缺陷。使用普通透明玻璃建造的幕墻，其傳熱系數高，對太陽光和紅外熱輻射沒有有效的限制，整棟大樓夏熱冬冷效應十分明顯，必須常年采用空調調節室溫，耗能十分巨大。我國新出臺的《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2005)明確規定玻璃幕墻不能使用普通玻璃，必須使用節能玻璃。
目前市面上的節能幕墻玻璃主要包括低輻射玻璃(Low-E)和陽光控制(或太陽熱反射)玻璃(Sun-E)。盡管國家對幕墻玻璃的反射率作了“限定”(見《玻璃幕墻光學性能》(GB/T18091-2000)中的有關規定)，但這個“限定”其實正是上述兩類玻璃本身光學性能參數。除了個別顏色的節能玻璃(如無色透明和淺灰色Low-E玻璃)有較低的可見反射率(約10％)，其它絕大部分顏色的玻璃都在30％左右。
另外，鍍有單層具紅外反射功能膜材的鍍膜玻璃雖然在光學和熱工性能不及Sun-E或Low-E，但工藝簡單，價格低廉，在節能應用上應該也是個不錯的選擇。但這類鍍膜玻璃也表現出較高的可見光反射率。普通的沒有鍍膜的透明平板玻璃反射率約為8％，而鍍膜后玻璃的反射率上升至20-30％甚至更高。當日光照射到鍍膜玻璃表面上時由于玻璃的反射作用在近距離內會產生強烈的反射眩光，造成所謂的光污染。
光污染可能會導致嚴重的意外交通事故，一幢幢玻璃幕墻大廈，就如一塊塊巨大的鏡子，對日光和各種燈光進行(多次)反射。刺眼的反射光進入高速行駛的汽車內，會造成駕駛員的突然失明或視力錯覺，嚴重危害行人和司機的交通安全。建在居住小區附近的玻璃幕墻，將日光、廣告照明或城市泛光照明反射到居民家中，給居民的生活和工作環境造成不良影響。國家環保總局每年都收到多起來自全國各地有關光污染的投訴。
為緩解光污染的問題，我國在幕墻玻璃的使用上有比較明確的規定，對幕墻玻璃建筑的地理位置、方向及高度等等都作了限制。如規定新建建筑不準建設整面玻璃幕墻，不要將玻璃幕墻建筑物安排過于集中，或在居民區集中的地方，不面向居民樓設置玻璃幕墻等等。但幕墻玻璃作為現代建筑的顯著特征，不但能美化城市環境，還能節約建材，減輕建筑物的自重等優點，如果能從根本上有效降低玻璃的反射率，克服光污染的缺點，同時使之兼具節能降耗的功能，幕墻玻璃必然會得到更廣泛的使用，這有利于促進我國環境友好型和節約型社會的形成。
發明內容
本發明的目的是利用透明導電體的熱反射特性和光學減反射技術原理，提供一種低反射無光污染的二層膜結構鍍膜玻璃。
為實現以上目的，本發明采取了以下技術方案在玻璃基底上沉積一層透明導電膜，再在透明導電膜上沉積一層與之匹配的光學減反射膜。
透明導電膜可以是透明半導體金屬氧化物薄膜，折射率n在光波長555納米處為1.7≤n≤2.2；光學減反射膜的折射率n在光波長550納米處1.2≤n ≤1.8。
在本發明中，所述透明半導體金屬氧化物薄膜主要是摻有Sn、Mo、Sb、Zn、F中至少一種以上的In2O3薄膜，或者是摻有Mo、Sb、Zn、F中至少一種以上的SnO2薄膜，或者是SnO2與In2O3按質量比為1∶9混合的ITO薄膜，或者是摻有Al、Si、B、Dy、Tb、In、Ga、F中至少一種以上的ZnO薄膜。這類透明半導體金屬氧化物薄膜在可見光波段內折射率位于1.7～2.2之間，產生的反射率約為20％左右。
在實際應用中，透明半導體金屬氧化物薄膜厚度主要是由元素的摻雜決定的。低摻雜時(原子數百分比小于0.5％)，紅外反射弱，薄膜需要較大的厚度；重摻雜時(原子數百分比大于2％)，紅外反射能力強，薄膜可以很薄。總體而言，厚度為20～300納米可滿足各種情況的需要。
元素摻雜對在可見光區域內的折射率影響不大，主要影響的是紅外區域，因此，在可見光減反射的設計上可以不考慮元素摻雜情況。
如前所述，折射率位于1.7～2.2之間的透明半導體金屬氧化物薄膜，其反射率為20％左右。為了最大程度地降低反射，根據光學減反射原理，光學減反射膜的折射率要求在1.2～1.8之間，相應的匹配厚度為10～300納米。對應光學減反射膜選自SiO2、SiOaNb、MgO、Y2O3、Al2O3、AlN、AlOF、InOF、SnOF、MgF2、CaF2中的一種，其中1≤a≤2，0≤b ≤1。
在上述二層膜沉積之前，也可在玻璃基板上先沉積一層SiO2過渡層，以防止玻璃基質中的雜質擴散到透明半導體金屬氧化物中。由于SiO2過渡層的折射率與玻璃基板接近，上述二層膜結構的光學性能不會受到影響。
經過優化設計后本發明中的鍍膜玻璃的反射率可低至6％左右，比玻璃鍍膜前的反射率8％，還要低。同時，該鍍膜玻璃的透過率也從鍍膜前的80％提升至90％左右，窗戶采光效能得到進一步的提高。
基于工藝和成本的考慮，本發明中的透明半導體金屬氧化物優選Al摻雜的ZnO薄膜，光學減反射膜優選SiO2或Al2O3，這兩種光學減反射膜有較好的理化性能，對透明半導體金屬氧化物能起到很好的保護作用。
本發明所述的鍍膜玻璃的透明導電膜的作用是反射熱紅外，實現玻璃窗的隔熱保溫功能，達到節能降耗的目的；光學減反射膜的作用是降低可見光反射率并增強窗戶的采光性能。無光污染的紅外反射二層膜結構鍍膜玻璃具有膜層結構簡單，成本低廉，抗腐蝕，耐久性強等優點。
本發明中透明導電膜與光學減反射膜都有很高的化學穩定性，不需密封，鍍膜玻璃可以以單片形式使用。為了獲得更好的隔熱效果，也可以應用于復層裝配的玻璃體中，其特征在于它與第二個裝配玻璃板處于平行間隔關系。
圖1是本發明的二層膜結構鍍膜玻璃結構示意圖，其中有玻璃基質1，透明導電膜2，光學減反射膜3。
圖2是透明導電薄膜ZnO:Al(Al原子數百分比為1.2％)及Sn摻雜的In2O3(質量比In2O3∶SnO2＝9∶1，即ITO)折射率n及消光系數k的色散關系圖。薄膜采用磁控濺射方式，使用相應的陶瓷靶材，在Ar氣中濺射沉積。光學常數由光譜橢偏儀測得。
圖3是實施例1中，SiO2減反射膜沉積前(虛線)和沉積后(實線)的反射光譜和透過光譜圖。
圖4是實施例4中，Al2O3減反射膜沉積前(虛線)和沉積后(實線)的反射光譜和透過光譜圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明內容做進一步說明，但本發明保護范圍不僅限于以下實施例，凡是屬于本發明內容包含的技術方案，均屬于本專利的保護范圍。
利用薄膜的光學常數(見圖2)對光學多層膜系的進行計算，可得到減反射膜的最佳條件，即減反膜最佳的折射率和厚度。
下面的實施例中的透明導電薄膜以及減反射薄膜均采用常規磁控濺射工藝沉積得到。該磁控濺射系統包含一個樣品預置室和一個主濺射室(直徑45cm)。主濺射室與一個分子擴散泵連接，背景真空度為2.0×10-6Pa。濺射室有三個靶位可供安裝三個直徑為2英寸的不同靶材。每個靶位以30°角度向上傾斜，可以共聚焦方式共濺射或三靶獨立的方式濺射。樣品載臺可升溫并可在濺射過程中勻速轉動以保證成膜的均勻性。
實施例1將玻璃基片先后放入酒精和丙酮溶液中在超聲池中清洗15分鐘后，用氮氣吹干，通過樣品預置室放入主真空濺射室。透明導電膜的沉積條件如下靶材ZnO:Al(摻雜原子數百分比為1.2％)，工作氣體為高純度Ar氣，流量32sccm(立方厘米/秒)，濺射室氣體工作壓力0.6Pa，射頻功率40W，玻璃基板溫度300℃，沉積時間25分鐘。減反射膜沉積的條件如下靶材為單質Si，工作氣體為高純度Ar與O2的混合氣體，Ar氣流量32sccm，O2氣流量為0.6sccm，濺射室氣體工作壓力0.6Pa，射頻功率80W，玻璃基板溫度300℃，沉積時間30分鐘。沉積完畢后的膜層結構為SiO2(100nm)/ZnO:Al(80nm)/玻璃。得到的光學性能指標如下可見光反射率約5％，可見光透過率94％，參見圖3.
實施例2透明導電膜ZnO:Al與減反射膜SiO2的沉積條件的沉積條件同實施例1相同，但沉積過程中玻璃基板沒有特意升溫，在自然狀態下沉積。膜層結構仍為SiO2(100nm)/ZnO:Al(80nm)/玻璃。將該鍍膜玻璃放入馬弗爐中退火，退火溫度500℃，時間5-10分鐘。得到的光學性能指標如下可見光反射率約7％，可見光透過率92％。
實施例3透明導電膜ZnO:Al的沉積條件同實施例1相同，但沉積時間不同，為70分鐘。減反射膜SiO2的沉積條件與實施例1完全相同，沉積的時間仍為30分鐘。沉積完畢后的膜層結構為SiO2(100nm)/ZnO:Al(240nm)/玻璃。得到的光學性能指標如下可見光反射率約5％，可見光透過率91％。
實施例4透明導電膜ZnO:Al的沉積條件同實施例1完全相同，沉積時間為25分鐘。減反射膜Al2O3的沉積條件如下靶材為陶瓷Al2O3，工作氣體為高純度Ar，氣流量10sccm，濺射室氣體工作壓力0.2Pa，射頻功率160W，玻璃基板溫度300℃，沉積時間160分鐘。沉積完畢后的膜層結構為Al2O3(220nm)/ZnO:Al(80nm)/玻璃。得到的光學性能指標如下可見光反射率約8％，可見光透過率約91％，參見圖4。
實施例5如實施例1清洗玻璃基片并放入主真空濺射室。透明導電膜的沉積條件如下靶材為Sn摻雜的In2O3(質量比In2O3∶SnO2＝9∶1)，即ITO。工作氣體為高純度Ar氣，流量32sccm，濺射室氣體工作壓力0.6Pa，射頻功率30W，玻璃基板溫度200℃，沉積時間20分鐘。減反射膜SiO2的沉積條件同實施例1，玻璃基板溫度200℃，沉積時間30分鐘。沉積完畢后的膜層結構為SiO2(100nm)/ITO(80nm)/玻璃。得到的光學性能指標如下可見光反射率約6％，可見光透過率92％。
實施例6透明導電膜ITO的沉積條件完全同實施例5，沉積時間20分鐘。減反射膜的沉積條件如下靶材為陶瓷MgO，工作氣體為高純度Ar，氣流量10sccm，濺射室氣體工作壓力0.2Pa，射頻功率160W，玻璃基板溫度200℃，沉積時間90分鐘。沉積完畢后的膜層結構為MgO(100nm)/ITO(80nm)/玻璃。得到的光學性能指標如下可見光反射率約9％，可見光透過率89％。
實施例7如實施例1清洗玻璃基片并放入主真空濺射室。透明導電膜的沉積條件如下采用雙靶共濺射方式，靶材分別為ZnO與ZnF2，工作氣體為高純度Ar氣，流量32sccm，濺射室氣體工作壓力0.6Pa，ZnO靶的射頻功率為120W，ZnF2靶的射頻功率30W，玻璃基板溫度200℃，沉積時間55分鐘左右。減反射膜SiO2的沉積條件同實施例1，玻璃基板溫度200℃，沉積時間30分鐘。沉積完畢后的膜層結構為SiO2(100nm)/ZnO:F(100nm)/玻璃。得到的光學性能指標如下可見光反射率約8％，可見光透過率88％。
實施例8如實施例1清洗玻璃基片并放入主真空濺射室。透明導電膜的沉積條件如下靶材為In2O3，工作氣體為高純度Ar與CF4的混合氣體，Ar氣的流量為32sccm，CF4氣體的流量為1.2sccm，濺射室氣體工作壓力0.61Pa左右，In2O3靶的射頻功率為120W，玻璃基板溫度200℃，沉積時間70分鐘左右。減反射膜的沉積條件如下靶材為陶瓷Al2O3，工作氣體為高純度Ar，氣流量10sccm，濺射室氣體工作壓力0.2Pa，射頻功率160W，玻璃基板溫度200℃，沉積時間40分鐘。沉積完畢后的膜層結構為Al2O3(50nm)/In2O3:F(80nm)/玻璃。得到的光學性能指標如下可見光反射率約9％，可見光透過率87％。
在以上實施例中，在所述二層膜沉積之前，也可在玻璃基板上先沉積一層SiO2過渡層，實驗效果不受影響。
權利要求
1.一種無光污染的二層膜結構鍍膜玻璃，其特征是在玻璃基底上鍍有一層透明導電膜和一層相應的光學減反射膜，光學減反射膜鍍在透明導電膜的上方。
2.根據權利要求1中所述的光污染的二層膜結構鍍膜玻璃，其特征是在玻璃基底與透明導電膜之間沉積有SiO2過渡層。
3.根據權利要求1中所述的光污染的二層膜結構鍍膜玻璃，其特征是所述的透明導電膜是透明半導體金屬氧化物薄膜，其折射率n在光波長555納米處為1.7≤n≤2.2；光學減反射膜的折射率n在光波長550納米處1.2≤n≤1.8。
4.根據權利要求3中所述的光污染的二層膜結構鍍膜玻璃，其特征是所述的透明半導體金屬氧化物薄膜是摻有Sn、Mo、Sb、Zn、F中至少一種的In2O3薄膜，或者是摻有Mo、Sb、Zn、F中至少一種的SnO2薄膜，或者是SnO2與In2O3按質量比為1∶9混合的ITO薄膜，或者是摻有Al、Si、B、Dy、Tb、In、Ga、F中至少一種的ZnO薄膜；光學減反射膜選自SiO2、SiOaNb(1≤a≤2，0≤b≤1)、MgO、Y2O3、Al2O3、AlN、AlOF、InOF、SnOF、MgF2、CaF2中的一種。
5.根據權利要求4中所述的光污染的二層膜結構鍍膜玻璃，其特征是所述的透明半導體金屬氧化物薄膜為Al摻雜的ZnO薄膜，光學減反射膜為SiO2或Al2O3。
6.根據權利要求1-5中任一所述的鍍膜玻璃，其特征是所述的透明導電膜的幾何厚度為20～300納米，光學減反射膜的幾何厚度為10～300納米。
全文摘要
本發明提供一種無光污染的二層膜結構鍍膜玻璃。該二層膜結構鍍膜玻璃在玻璃基底上鍍有一層透明導電膜和一層相應的光學減反射膜，光學減反射膜鍍在透明導電膜的上方。透明導電膜是透明金屬氧化物薄膜，折射率n在光波長555納米處為1.7≤n≤2.2；光學減反射膜的折射率n在光波長550納米處1.2≤n≤1.8。經過光學減反射設計，該二層膜結構鍍膜玻璃的可見光反射率可降低到6％左右(低于普通透明平板玻璃)，可見光透過率約90％(高透明)。這種無光污染的節能鍍膜玻璃具有膜層結構簡單，成本低廉，抗腐蝕，耐久性強等優點，可以單片玻璃的形式在建筑中和車船中使用。
文檔編號C03C17/23GK1807323SQ20061003349
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月8日 優先權日2006年2月8日
發明者徐剛 申請人:中國科學院廣州能源研究所