带有高的红外线反射的半透明层系统及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种半透明的反射红外线的层系统（1），其布置在透明的基材（2）上并且由基材（2）向上包括：至少带有介电基层（6）的基层组件、至少带有红外线反射层（10）的功能层组件以及至少带有介电覆盖层（14）的覆盖层组件。为了获得可调整的色彩和透射，在基材（2）和基层组件之间或者在覆盖层组件的上方或者在两个位置上布置有极高折射且部分吸收的层（4）。本发明同样涉及一种用来生产这种反射红外线的层系统（1）的方法以及一种使用这种反射红外线的层系统（1）的建筑玻璃元件。
【专利说明】带有高的红外线反射的半透明层系统及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种带有高红外线反射的半透明层系统，其布置在透明的基材上。本发明同样涉及一种用来生产这种层系统的方法以及一种包括这种反射红外线的层系统的建筑玻璃元件。
【背景技术】
[0002]透明的反射红外线的层系统，属于它的还有半透明的层系统并且在以下被称为反射红外线的层系统，在隔热玻璃中被公知为所谓的低辐射层系统。这种反射红外线的层系统应当防止热辐射，也就是说具有微小的能量发射。根据基尔霍夫辐射定律，其在红外辐射(IR)的波长范围(>>3μπι)内同样地具有低吸收以及高反射。按照不同地应用，在阳光总辐射(太阳能透射)的范围中的高透射或者可针对性地调整的透射是同时期望的，该阳光总辐射范围包括300nm直至小于3μπι (阳光范围)的近红外(NIR)和可见光(VIS)波长范围。限定在可见光范围的透射相对于能量透射的比例表明了对于可见光的滤光效果，并被称为选择性。在建筑物玻璃中，玻璃的高的日光能量透射在以能量损失占主导的气候区中是优选的，据此获得太阳能增益，而在通过玻璃的能量输入占主导的气候区中，微小的能量透射以及与之相关地所使用的玻璃的高选择性是有优势的。
[0003]在第一种、在隔热玻璃中实施所需的低辐射层系统的情况下，在光的NIR到IR过渡中的陡峭的边缘是所期望的，其代表了透射的强烈下降以及反射的强烈上升，其中有规律地，反射-透射边缘随着升高的红外线反射层数量的上升而变得更加陡峭。在第二种、也被称为防晒玻璃(阳光低 辐射)的情况下，在整体阳光辐射中的透射是减少的和/或防晒玻璃是可针对性调整层系统色调的。此外，以上描述的透射下降的边缘优选向可见光(VIS)到近红外(NIR)光谱范围的过渡的方向上(位于约800nm处)偏移。
[0004]通常反射红外线的层系统从基材向上观察首先包括基层组件，其特别是用于系统在玻璃上的粘附、化学和/或机械的耐久性和/或调整系统的光学特性，例如防反光特性。
[0005]在基层组件上的是功能层组件，该功能层组件包括红外线反射层以及可选地包括其他的能够支持这种功能的以及影响它们的光学、化学、机械和电特性的层。红外线反射层通常由贵金属(通常是银)或其合金构成。还使用包括金属的或介电的镍或铬或二者的合金的其他材料(通常为层)。这些材料又要求匹配其他属于层系统的层。特别是阻隔层以及吸收层属于功能层组件的可选地补充性的层，这些阻隔层阻止或至少明显减少了功能层中的扩散过程和迁移过程并且布置在红外线反射层之上和/或之下，而通过吸收层光透射设计为可以调整的。
[0006]反射红外线的层系统通过覆盖层组件向上封闭，该覆盖层组件至少包括用于机械上和/或化学上起稳定作用的保护层。该覆盖层组件本身或者通过补充性的层还影响层系统的光学效果，例如通过利用干涉效应防反光，从而在可能时还可以结合防反光的、高折射基层提高透射。在有多于一层带有变换的折射率的层的情况下，覆盖层组件通常由金属的或半导体的介电的氧化物、氮化物的一个或多个层构成。后者作为高-低覆盖层组件而公知。在层系统中，通常折射率在1.8至2.6的范围内(优选大约为2)的材料被称为是高折射的。在此可比较地，通常为浮法玻璃的基材相反地具有约1.52的低折射率。这些高折射的介电材料被认为是无吸收的材料，这使其能达到所述的光学功能。
[0007]术语“层组件”通常情况下包括多于一个的层，但同样包含仅由本身实现相应的功能的单层构成的层组件。各单层是归属于基层组件、功能层组件、覆盖层组件或其他层组件，这不是在任何情况下都能被明确地实行的，这是因为每一层既对相邻的层又对整个系统都有影响。通常，层的归属借助它的功能实现。 [0008]因此基层组件通常归为这样的层，即，其主要是在基材和其他层序列之间的中介。基层组件的其他层，例如防反光层或保护层还可以影响作为整体的层系统的特性。
[0009]功能层组件除了红外线反射层之外还包括直接影响其特性的层，例如用来抑制相邻层到红外线反射层中的扩散过程的阻隔层，或者例如用于粘附相邻层或调整相邻层电学或光学调整的中介层。
[0010]覆盖层组件的层向上封闭层系统并且也可以像基层组件一样功能性地涉及整个系统。
[0011]如此构建的所谓单层低辐射可以通过附加一个(双层低辐射)或多个其他的功能层组件补充，其它的功能层组件通过联接层组件或中间层组件构建在第一功能层组件上。上述的考虑还基于，层归属于中间层组件。
[0012]单个层以及层组件的各个顺序可以在层组件的内部或者在层组件的相继顺序中如下地修正，即，使得特殊的、通过应用或制造过程出现的要求可以被满足。
[0013]因此在层系统的制造进程中，在已经施布的层序列中出现不同的温度负荷，该温度负荷取决于与沉积相关的能量输入或对沉积下来的层的不同的处理步骤。
[0014]除此之外，反射红外线的层系统经常经受回火过程(Temperprozess)来使基材硬化和/或变形。在这种情况下，这些层系统具有带有这样的层特性的层序列，这些层特性允许承载层系统的基材经受热处理，并且把在热处理时出现的层系统的光学、机械和化学特性的变化保持在限定的界限内。根据经涂层的基材的应用的不同，基材的层系统在回火过程中在不同的时间段内经受不同的环境条件。
[0015]由于这些温度负荷，发生了不同的、改变红外线反射层的反射能力以及层系统的透射的过程，特别是发生防反光层的组分的扩散进入红外线反射层中以及相反的过程，并且由此在红外线反射层中发生氧化过程。
[0016]为了避免这种扩散和氧化过程，在红外线反射层的一侧或两侧添加阻隔层，其用对于扩散组分的缓冲。相应于出现的温度负荷结构化并布置这些阻隔层，并且保护敏感的、经常是非常薄的红外线反射层(或者多个红外线反射层)免受相邻层的影响。通过添加一个或多个阻隔层，特别是避免了由于回火过程发生层系统的色彩偏移和层系统的薄膜电阻提高。作为能回火的层系统的阻隔层，特别公知的是NiCr层或NiCrOx层，其封闭反射红外线的银层或者至少在一侧保护银层。
[0017]除此之外确定了，层系统反射特性和透射特性通过由玻璃开始的扩散过程受到影响。为了摆脱这种影响，在US 2004/0086723 Al中在功能层组件的下方添加了壁垒层，其应当减少玻璃的钠离子到层系统中的扩散。还可以通过这种壁垒层减少质量问题，其归因于在原片玻璃中未限定的原始状态，也就是说，玻璃的(特别是在玻璃的钠成分的方面的)波动的化学组成。除此之外，用于处理玻璃的吸气装置(Sauger)造成其它的玻璃影响，如腐蚀或压痕，这些影响通过视觉上的检查经常是不明显的并且通过一般的清洁不能清除。在这些玻璃影响的情况下特别不利的是，它们对层系统的特性的效应只有在回火过程之后才能发现。
[0018]反射红外线的层系统特别是应用在建筑中，其中，大份额的墙壁由玻璃设计而成并且微小的发射率(l^inissivilal )以及高的红外线反射是重要的，以便减小热量进入或热量排出。作为用于太阳能控制系列产品的通常色彩非常强烈的非选择性层系统的替代品，特定色彩的太阳低辐射系统也日益地受到需求。目前这些层系统，特别是对于金色的反射色彩不符合对于低辐射系统的能量要求，这是因为其具有过小的选择性和过大的发射率。
[0019]带有金色的玻璃侧反射的低辐射层系统通过以目前常见的、中性的、然而至少是蓝到蓝绿的玻璃侧反射来修正典型的反射红外线的层系统而制造，这种尝试导致美学上不可接受的结果，这是因为玻璃的涂层一侧的与金色玻璃侧反射相加的反射色彩是不可接受的。
【发明内容】
[0020]因此本发明的任务在于，给出一种半透明的反射红外线的层系统，其带有可有针对性地调整的特别是金色的色调，以及给出一种制造该层系统的方法。
[0021]这个任务通过一种反射红外线的层系统解决，由基材向上观察，该层系统具有由以下构成的公知结构:至少带有介电基层的基层组件、至少带有红外线反射层的功能层组件以及至少带有介电覆盖层的覆盖层组件，通过至少一个极高折射且部分吸收的层加以补充。当这种层或这些层沉积在由现有技术所公知的反射红外线的层系统之上或之下或在两个位置上时，在这种情况 下同样导致期望的结果。
[0022]根据本发明的层系统的沉积借助磁控溅射实现，磁控溅射也能够实现产生有仅很小的层厚的致密的单层，其特 性公知地可以借助溅射的类型和溅射参数十分良好地以及可再现地进行调整。
[0023]这种扩展了公知的反射红外线的层系统的层系统在选择性和发射率方面满足了要求，并且此外是可有针对性地调整层系统色彩的。因此例如可调整不同的金色调，其由紫铜色/青铜色经由浅青铜色直至达到金色和银色。带有金属光泽的非常彩色的层系统也是可获得的，例如粉色调或蓝色调，其分别可以偏移直至银色。
[0024]特别地，通过这种根据本发明的反射红外线的层系统，达到在可见光范围中的透射Tvis ( 50%，优选Tvis ( 20%，并且发射率ε ( 10%，优选ε ( 6%。
[0025]对于其余的层系统，公知的层序列可以应用于低辐射层系统。因此，根据本发明的层系统可以适应进一步的要求，特别是由此适应于回火能力的要求，从而为这些要求配置基层组件、功能层组件以及覆盖层组件。为了回火能力，这种类型的层系统可以具有以上所描述的阻隔层、壁垒层和/或迁移层。为了对于反射红外线的层系统的进一步要求，相应地可以选择通过粘附中介层或化学中介层以及在层系统中使用的材料进行补充。
[0026]此外，借助一个或多个补充性的层基于其部分吸收的特性，透射也是可变的。通常这些材料被称为部分吸收的，其与介电层不同，在对于太阳能应用常见的数纳米到数百纳米的层厚度的情况下，随着层厚度增加，使得透射在百分之几的范围中变化。仅为了概念上的区别地，具有非常高的折射率的部分吸收的层应当在下文中被称为部分吸收层。
[0027]期望的透射的调整可以相应于层系统的设计方案，与反射红外线的层系统的另外的部分吸收的层相关地在非常广的范畴内实现。这种对于太阳低辐射层系统的透射变化例如借助于氮化铬层公知，氮化铬层通常作为阻隔层使用在功能层组件中。但是其他的反射红外线的层系统用来影响透射率的公知的修正方法也可以与根据本发明的额外的部分吸收层加以组合。
[0028]根据本发明，一个或两个补充性的部分吸收层由这种具有非常高的折射率的材料沉积而成。常见的是，单个层的极高折射的特性的范围正如参照在层系统中使用的材料以及基材所常见的并且在任何情况下都不看成绝对的，这是因为失去了相邻层的由光密度导致的光学效果。如果基材是玻璃，那么与太阳能应用相关地，基材的在约1.5上下零点几的范围内的折射率被视为是低折射的，而氮化硅或金属氧化物的折射率在2.0及以上零点几，因此被视为高折射的。而相对于1.5以及更低的折射率，1.8或1.9的折射率就已经可以被看做是高折射的。如所陈述的那样，这些界限是针对于所列出的材料的。为了更高的折射率，在高折射区域连接有极高折射的材料。如果所使用的材料的折射率发生偏移，界限也发生偏移。
[0029]因而在此作为优选描述的、施布在玻璃上的层系统的折射率在大约1.5被视为低折射的，在1.8到2.6的范围中(优选约2.0)被视为高折射的，并且在2.6或更大的范围中(优选大于3.0)被视为极高折射的。
[0030]相应于带有由半导体或半金属材料构成的部分吸收层的层系统，获得这些折射率。在此可供考虑的是纯 的半导体或半金属以及它们的化合物。例如以下材料被证实为适用的:在中心波长为550nm时，硅，折射率为4.1到4.8 ;锗，折射率4.5到5.0 ;或者具有约
2.7折射率的碳化硅，其中，各个折射率根据材料结构或沉积方法可以在界限内变动。这些材料还可以具有掺杂物，其不改变半导体或金属的性质并且例如纯粹取决于工艺，该掺杂物例如为带有铝份额或硼份额的硅。该掺杂对于靶制造通常在直至约10%的范围中。通过这些材料，可获得大于3.0的折射率。
[0031]特别地，根据本发明的反射红外线的层系统已经通过部分吸收层具有了所期望的特性并且这些特性特别是还可通过含有硅的材料获得，这种可能性允许了根据本发明的层系统在现有的溅射设备上制造，在其中，多个基层和/或覆盖层中的一个例如通过部分吸收层来代替。根据设备配置，在必要时仅需要简单的设备改动。
[0032]此外有利的是，底部的、位于在基材和基层组件之间的部分吸收层可以直接在基材上沉积。因为对于该层的大多数材料，在基材上不用粘附中介的中间层就可以实现良好的粘附性。备选地，这种粘附层还可以在部分吸收层的下方实现，而不使根据本发明的反射红外线的层系统的以上所描述的性质承受显著的影响。
[0033]令人吃惊地提出了，不管使用的是仅一个还是两个部分吸收层，反射红外线的层系统对于从基材的两侧观察的外观色彩可以相同地调整。就此而言下述是令人感兴趣的，即，对于反射红外线的层系统的已知的通过覆盖层组件的干涉获得的色彩系统，在玻璃侧得到的外观色彩与层侧的外观色彩极其相关，这在确定且浓烈的玻璃侧反射色彩的情况下可能导致不可接受的层侧外观色彩。在此，外观色彩是在太阳辐射下的观察者明确地辨认出的色彩。这包括在各个波长范围中微小的偏差。[0034]两侧的色彩调整在此相应于其他方法方面的本发明设计方案，借助于部分吸收层的待沉积厚度和/或与之相邻的层的视觉厚度进行。仅一层的或两层的厚度调整，在此相应于所期望的色彩和透射以及其它的在反射红外线的层系统中使用的材料而实现。这可以通过涂层试验或者层系统的模拟实现。
[0035]这种反射红外线的层系统可以用作建筑玻璃元件，例如作为窗元件和门元件或者同样作为玻璃外墙的外墙元件。这些建筑玻璃元件出于能量上的原因通常实施为多层玻璃，从而根据目的对于反射红外线的层系统能够实现不同的位置。层和层系统在多层玻璃之内的这些可能的位置，根据提供的表面被由外向内来描述，从而最外的表面为位置I，第一个向内指向的为位置II等等。在位置II减少了由于向内太阳辐射的热输入并且还经常具有变小了的透射(太阳低辐射系统)的同时，反射红外线的层系统在位置III上，也就是说在第一内部玻璃片上减少向外的热损失(隔热系统)。然而在后者的情况下，反射红外线层系统的高透射通常是所期望的。
[0036]带有可调整的透射和可调整的色调的根据本发明的反射红外线的层系统基于其性质特别适用于太阳低辐射层系统并且在这里既基于能量上的原因也基于设计上的原因。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]以下将结合实施例详细阐述本发明。在附图中，
[0038]图1示出了根据本发明的反射红外线的层系统的结构；
[0039]图2A至图2C示出了反射红外线的层系统的实施例的透射以及玻璃侧和层侧的反射；并且
[0040]图3示出了带有反射红外线的层系统的建筑玻璃元件的基本结构。
【具体实施方式】
[0041]根据图1的反射红外线的层系统I借助于溅射沉积在基材2上，并且由基材2向上观察具有如下构造:
[0042]直接在由浮法玻璃构成的基材2上布置极高折射且部分吸收的层，即部分吸收层
4。部分吸收层4由带有小于10%的铝组分的硅构成，并且具有大约4.7的折射率。部分吸收层的厚度为大约20nm。备选地，还可以使用微小的组分或者其他的掺杂物或者纯的硅。根据所期望的色调和所期望的透射，用于根据图1的实施例的部分吸收层4的厚度优选在20nm到45nm的范围中。
[0043]在部分吸收层4之上沉积有基层组件。其由介电的基层6以及位于基层6以上的粘附中介的中间层8构成。基层6由二氧化钛构成(TiO2),其具有约2.5的折射率并且因此是高折射的。基层6具有约50nm的光学厚度(折射率和层厚度的乘积)，其中，光学厚度是可以根据反射红外线的层系统I的期望色调变化的并且在此在20nm到125nm的范围中。由此基于TiO2的折射率获得在6nm直至65nm的范围中的层厚度。作为对于基层6的备选材料，其他高折射的介电材料也是可使用的，这些材料例如为氧化锡(SnO2)或锡酸锌(ZnSnO)，它们的层厚度可以在9nm到80nm的范围中。
[0044]粘附中介的中间层8在实施例中由氧化锌(ZnO)构成，其可以备选地具有铝掺杂物。中间层8的厚度在5nm到8nm的范围中，在实施例中在这个范围的下限上。中间层特别是用于粘附沉积在其上的红外线反射层10并且同样可以归为功能层组件，这是因为这种归属仅为辅助工具，而不对反射红外线的层系统I的特性产生影响。
[0045]红外线反射层10在实施例中由银(Ag)构成，但是也可以为公知的备选红外线反射材料。红外线反射层具有在IOnm到12nm的范围中的层厚度。
[0046]在红外线反射层10之上沉积有厚度约2nm的阻隔层12，其由氧化镍铬(NiCrOx)构成。这种层同样可以以其他厚度和/或材料沉积而成。这种层的变型方案可以由镍铬(NiCr)构成，其也可以沉积为部分反应性的层(NiCrNx)或者由氮化铬(CrN)沉积而成。后者例如与氮化的覆盖层14 (例如氮化硅(Si3N4))相关地，适宜作为另外的部分吸收层。为了这个目的，阻隔层12的层厚度根据所期望的透射优选在0.Snm到3nm的范围中。氮化的或氧化的镍、铬或二者的化合物的使用还取决于位于上方的覆盖层14。
[0047]该覆盖层可以同样是氮化的或氧化地形成的，并且作为氮化硅的备选，由氧化锡(SnO2)或锡酸锌(ZnSnO)构成。覆盖层的层厚度在8nm至12nm的范围中。在实施例中，由氮化硅构成的覆盖层以约12nm的层厚度沉积。
[0048]而且，从玻璃侧起观察和从层侧起观察，根据图1的这种反射红外线的层系统I都具有结合金属光泽的金色色调。
[0049]这个实施例的光谱的透射T以及玻璃侧的反射Rg和层侧的反射Rf在图2中以百分比的形式示出。这种反射红外线的层系统的能量透射率为约10%，其能量反射率在层侧为约51%而在玻璃侧为约41%。发射率为约0.06。
[0050]图2A的图表示出了青铜色的反射红外线的层系统I的光谱透射和反射，并且图2C示出了紫铜色的反射红外线的层系统I的光谱透射和反射。如在根据图2B的实施例中那样，能量透射率、能量反射率和发射率的值在可比较的范畴中。
[0051]在图3中示出了带有双层玻璃的建筑玻璃元件，其具有朝向太阳光入射的外玻璃片30，并且与外置的内玻璃片31距离间距a。光入射在图3中示意性地通过3个箭头示出。外玻璃片30在远离光入射的一侧上具有例如根据以上对图1的描述的反射红外线的层系统I。因此外玻璃片31为根据以上描述的基材2，从而反射红外线的层系统I的由外向内顺序的层结构(没有详细示出)为:
[0052](1)极高折射且部分吸收的层4 ；
[0053](2)介电的基层6;
[0054](3)粘附中介的中间层8 ；
[0055](4)红外线反射层10;
[0056](5)阻隔层12;以及
[0057](6)介电覆盖层。
[0058]反射红外线的层系统I在多层玻璃内在位置II上的这种布置减少了由外部的热吸收并且因而减少了整体能量透射。
[0059]附图标记列表
[0060]1反射红外线的层系统
2基材
4部分吸收层
6基层8中间层
10红外线反射层
12阻隔层
14覆盖层
30外玻璃片
31内玻璃片a间距
Rf层侧的反射
Rg玻璃侧的反射
t透射
【权利要求】
1.一种半透明的反射红外线的层系统(1)，所述层系统布置在透明的基材(2)上并且由所述基材(2)向上包括:至少带有介电基层(6)的基层组件、至少带有红外线反射层(10)的功能层组件以及至少带有介电覆盖层(14)的覆盖层组件，其特征在于，在所述基材(2)和所述基层组件之间或者在所述覆盖层组件的上方或者在两个位置上布置有非常高折射且部分吸收的层，该层在以下称为部分吸收层(4)。
2.根据权利要求1所述的半透明的反射红外线的层系统(1)，其特征在于，所述部分吸收层(4)由半导体材料或半金属构成。
3.根据前述权利要求中的任意一项所述的半透明的反射红外线的层系统(1)，其特征在于，所述部分吸收层(4)具有大于3.0的折射率。
4.根据权利要求3所述的半透明的反射红外线的层系统(1)，其特征在于，所述部分吸收层(4)具有在4.0到5.0的范围内的折射率。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的半透明的反射红外线的层系统(1)，其特征在于，所述部分吸收层(4)直接布置在所述基材(2 )上。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的半透明的反射红外线的层系统(1)，其特征在于，所述反射红外线的层系统在两侧具有同样的外观色彩。
7.根据前述权利要求中的任意一项所述的半透明的反射红外线的层系统(1)，其特征在于，所述反射红外线的层系统(I)包括另一部分吸收层用来调整所述反射红外线的层系统的透射。
8.一种建筑玻璃元 件，带有由玻璃或多种玻璃构成的基材(2)，其中，在所述基材(2)上布置有反射红外线的层系统(I)，其特征在于，根据权利要求1至6中的任意一项所述的反射红外线的层系统(I)布置在所述基材(2)的内侧上，也就是说与光入射到所述建筑玻璃元件上相远离的那一侧上，光入射侧是玻璃建筑元件最外部。
9.一种制造半透明的反射红外线的层系统(I)的方法，其中，借助于溅射沉积彼此相叠的根据权利要求1至7中的任意一项所述的层组件和层。
10.根据权利要求9所述的制造半透明的反射红外线的层系统的方法，其中，借助于部分吸收层(4)的待沉积的厚度和/或与所述部分吸收层(4)相邻的层的光学厚度，调整所述反射红外线的层系统(I)的外观色彩。
【文档编号】C03C17/36GK103619775SQ201280030932
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月23日
【发明者】霍尔格·普勒尔, 法尔克·米尔德 申请人:冯·阿德纳有限公司