DE4033881A1

DE4033881A1 - Verfahren zur herstellung von scheiben mit einer vorgegebenen transmission

Info

Publication number: DE4033881A1
Application number: DE4033881A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Szczyrbowski; Anton Dr Dietrich; Klaus Dr Hartig
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1992-04-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sonnenschutzscheiben mit einer vorgegebenen Trans mission für sichtbares Licht und für Sonnenstrahlung durch Beschichtung von aus Mineralglas oder durch scheinendem Kunststoff bestehenden Substraten.

Die Transmission für sichtbares Licht soll bei einer derartigen Sonnenschutzscheibe zwischen 8% und 40% betragen, während die für Sonnenstrahlung vergleichs weise deutlich geringer sein soll.

Ein solcher Typ von Scheibe dient vor allem dazu, in Gegenden mit hoher Sonnenintensität und an Gebäuden mit großen Glasflächen den Anteil der in das Gebäude oder Fahrzeug eingestrahlten Sonnenenergie so gering wie möglich zu halten, um dadurch die Aufwendungen für eine Klimatisierung zu reduzieren.

Die Scheiben sollen darüber hinaus eine gute und neu trale Durchsicht vom Gebäudeinneren nach draußen ermög lichen. Dies bedeutet, daß die Transmissionscharakteri stik der Scheiben selektiv sein sollte in dem Sinne, daß im Bereich des für das menschliche Auge sichtbaren Lichtes eine möglichst hohe Transmission angestrebt wird, und für den Wellenlängenbereich, der außerhalb des Sichtbaren liegt, insbesondere des nahen Infratrot bereichs (ca. 800-2500 nm), jedoch eine möglichst geringe Transmission, wobei gleichzeitig eine hohe Reflexion bevorzugt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch einfache Änderungen der Verfahrensparameter die Transmissionswerte den jeweiligen geographischen Anforderungen angepaßt werden können. So wird man beispielsweise in Mitteleuropa Lichttransmissionswerte von etwa 40% bevorzugen, da die Sonnenintensität im Mittel wesentlich geringer ist als beispielsweise im Süden der USA, wo Scheiben mit einer Lichttransmission von 8% eingesetzt werden können.

Die Scheiben sollen weiterhin in ihrem äußeren Ausse hen, insbesondere ihrer Farbe, den architektonischen Gegebenheiten und Wünschen mit wenig Aufwand anpaßbar sein, um eine kostengünstige Produktion einer großen Palette von Farben und Transmissionswerten mit dem gleichen Verfahren bzw. den gleichen Materialien zu ermöglichen.

Ein weiterer Vorteil, der von derartigen Sonnenschutz gläsern gefordert wird, ist die Einsatzmöglichkeit als Einzelglas, bei dem die Scheibe nicht durch ein Deck glas wie bei der Isolierverglasung geschützt wird, weshalb dieses Glas seine Eigenschaften durch chemi schen und mechanischen Angriff bei der Reinigung sowie durch ungehemmt einwirkende Umweltangriffe im Verlauf ihrer Lebensdauer nicht verändern darf. Wenn, wie im vorliegenden Falle, die Sonnenschutzeigenschaften durch Aufbringen einer Beschichtung erreicht werden soll, muß diese Schicht extrem widerstandsfähig gegenüber che misch korrosiven Angriffen und mechanischem Abrieb sein.

Sonnenschutzgläser, die durch Beschichtung mit dünnen Metall- oder Metalloxidschichten hergestellt werden, sind bereits bekannt (DE-OS 33 11 815, US-PS 44 62 884, EP 01 85 314). In allen Fällen wird eine metallische reflektierende Schicht auf klares oder getöntes Glas aufgebracht, die aufgrund seiner metallischen Reflexion und starken Absorption für sichtbares Licht zu einer Reduktion der die Scheibe durchdringenden Sonnenener giestrahlung führt. Die dabei verwendeten Metalle, be vorzugt Cr-, Ni-, Fe-Legierungen, zeigen jedoch keinen ausgeprägten selektiven Charakter, wie dies wünschens wert wäre. Insbesondere ist bei diesen Schichtsystemen die Erniedrigung der Sonnenenergietransmission gleich zusetzen mit einer Erniedrigung der Lichttransmission.

Weiterhin ist es bekannt (DE-OS 33 11 815), durch eine Einbettung der reflektierenden metallischen Schicht (CrN) in transparente Oxidschichten und durch eine Variation der Dicken dieser Oxidschichten über Inter ferenzeffekte bestimmte Farbaspekte zu erzeugen. Zusätzlich zu diesem Effekt der eingebetteten trans parenten Interferenzschichten können absorbierende teiltransparente Metalloxidschichten vorgesehen werden, um weitere Farbvariationen zu erzielen. Darüber hinaus hat man bereits vorgeschlagen, eine stark selektive Be schichtung im angestrebten Sinne durch das Aufbringen blanker oder in transparente Oxidschichten eingebette ter dünner Schichten aus Au, Ag, Cu zu erzielen. Diese Schichten sind jedoch mechanisch und chemisch nicht widerstandsfähig genug, um als Einzelgläser eingesetzt zu werden.

Schließlich hat man bereits vorgeschlagen, eine harte selektive Beschichtung mit einer verminderten Licht transmission zu erzielen, indem man anstelle der genannten Edelmetalle eine dünne Schicht aus Titan nitrid, Hafniumnitrid oder Zirkonnitrid zwischen zwei transparenten Oxidschichten einbettet, da diese Ver bindungen in ihren optischen Eigenschaften sehr nahe den Edelmetallen verwandt sind. Ein derartiges Schicht paket, das aus einer auf die Scheibe zunächst aufge brachten transparenten Oxidschicht mit einer darauf angeordneten Titannitrid- oder Zirkonnitridschicht und über dieser angeordneten weiteren Oxidschicht besteht, zeigt zwar einen guten selektiven Charakter, ist jedoch nur unter Verwendung von relativ dicken und damit in der Produktion sehr teuren und schwer zu kontrollieren den Oxidschichten farblich abstimmbar. Die erforderli chen Dicken der Oxidschichten zur Erzielung einer blauen oder grünen Reflexionsfarbe übersteigen dabei (wie im Fall des in der DE-OS 33 11 815 angegebenen Schichtsystems) die 100 nm Marke, was nicht nur zu einer Reduktion der Produktionskapazität führt, da die se Oxidschichten nur etwa 20-40% der Wachstumsrate einer rein metallischen Schicht aufweisen, sondern es werden - beginnend bei diesen Schichtdicken - auch die charakteristischen Eigenschaften einer Interferenz schicht sichtbar, nämlich eine Abhängigkeit der Re flexionsfarbe vom Betrachtungswinkel und eine sehr empfindliche Abhängigkeit der Farbe von geringen Schichtdickenvariationen. Diese beiden Gründe führen dazu, daß in der industriellen Produktion solcher Schichten keine Beschichtungen hergestellt werden, deren Farbe es erfordert, die Dicke der Oxidschichten auf über 100 nm zu steigern.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu grunde, die Nachteile der bekannten Scheiben bzw. der auf diesen aufgebrachten Schichtsysteme zu vermeiden und eine Scheibe zu schaffen, die preiswert herstellbar und deren Schicht von hoher Haltbarkeit ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Aufbringen einer ersten, aus Titannitrid, Hafniumnitrid oder Zirkonnitrid gebildeten, unmittelbar auf das Sub strat durch reaktives Zerstäuben (Sputtern) eines Titan-, Hafnium- oder Zirkontargets in einer (Prozeß gas-)Atmosphäre aus Argon und Stickstoff aufgebrachten Schicht und einer zweiten Schicht aus einem transpa renten Oxid mit einem Brechungsindex von etwa zwei, beispielsweise einem Zinnoxid, einem Indiumoxid oder einem entsprechenden Mischoxid, oder einem Tantal pentoxid, einem Zirkonium- oder Zinkoxid, wobei diese Oxide vorzugsweise von einem metallischen Target in einer Argon- oder Sauerstoffatmosphäre auf die erste Schicht aufbringbar sind, und mit einer aus Titan nitrid, Hafniumnitrid oder Zirkonnitrid gebildeten, auf die zweite Schicht durch reaktives Zerstäuben eines Titan-, Hafnium- oder Zirkontargets in einer Atmosphäre aus Argon und Stickstoff aufgebrachten dritten Schicht.

Weitere Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsfor men zu; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung, die das Schichtsystem im Schnitt zeigt, schematisch näher dargestellt.

Auf ein Substrat 1 aus klarem oder eingefärbtem Float glas, aus transparenten Kunststoffplatten (z. B. aus Lexan, PMMA etc.) oder einer Kunstoffolie (Polyester, Kapton etc.) ist

- eine erste Schicht 2 aus Titannitrid durch reak tives Zerstäuben eines Titantargets in einer Mischung aus Argon und Stickstoff aufgebracht. Die Dicke dieser Schicht definiert zum einen Teil die sich ergebende Lichttransmission und liegt für eine angestrebte Lichttransmission von 8-50% bei ca. 50-5 nm;
- eine zweite Schicht 3 aus einem transparenten Zinnoxid, das bevorzugt einen Brechungsindex von etwa zwei besitzt, durch reaktives Zerstäuben von einem metallischen Zinntarget in einer Argon- Sauerstoffatmosphäre auf die erste Schicht 2 aufgestäubt. Die Dicke dieser zweiten Schicht 3 bestimmt im wesentlichen die Reflexionsfarbe der beschichteten Scheibe und bewegt sich im Bereich von 0-100 nm (wodurch ein komplettes Reflexi onsfarbspektrum durchgestimmt werden kann, begin nend bei gelb über blau, grün und rot);
- eine dritte Schicht 4, die wie die erste Schicht 2 aus TiN besteht mit einer Dicke von 5-50 nm auf gesputtert.

Im Rahmen von Berechnungen und Laborversuchen zeigte sich überraschenderweise, daß ein wesentlich breiterer Farbbereich des Reflexionsspektrums solcher Scheiben erzielt werden konnte, indem eine Titannitrid- oder Zirkonnitridschicht, die bereits als Einzelschicht aufgrund ihrer optischen Eigenschaften den eigentlich selektiven Charakter für sichtbares Licht und Sonnen strahlung besitzt, in zwei Einzelschichten aufgespalten würde, die durch eine transparente Oxidschicht vonein ander getrennt werden.

Durch die Anordnung einer transparenten Oxidschicht zwischen zwei Nitridschichten ergibt sich eine Verstär kung der Interferenzwirkung dieser Schicht, da ein gro ßer Teil des einfallenden Lichts an beiden Grenzflächen der Oxidschicht infolge der hohen Reflexion der Nitrid schichten stark reflektiert wird. Da dieses Licht nun an den Nitrid/Oxid-Grenzflächen reflektiert wird, wird ein vergleichbarer Effekt erzielt, als wenn man eine wesentlich dickere Oxidschicht aufbringen würde, bei der nur an einer Grenzfläche eine hochreflektierende Schicht angebracht ist, wie dies bei konventionellen Schichtsystemen der Fall ist. Es ist jedoch weiterhin so, daß gerade die optischen Konstanten der verwendeten Nitridschichten (Real- und Imaginärteil des komplexen Brechungsindex dieser Schichten) für den beschriebenen Effekt sich sehr günstig auswirken.

Die Vorteile dieses Schichtaufbaus gegenüber bereits bekannten Sonnenschutzgläsern bestehen nun darin, daß

a) durch die Verwendung von TiN- bzw. ZrN-Schichten geeigneter Zusammensetzung sich eine deutlich aus geprägte Selektivität in bezug auf den Durchlaß von sichtbarem Licht und Sonnenstrahlung ergibt. So lassen sich Schichten mit einer Lichttransmis sion von 20% herstellen, deren Sonnenenergie transmission bei etwa 10% liegt, ein Wert, der mit Schichten, die nach dem in der DE-OS 33 11 815 angegebenen Verfahren hergestellt wurden, nur bei einer Lichttransmission von etwa 11-12% er reichbar ist,
b) durch die Verwendung dieser Nitride, die für ihre mechanische Härte und chemische Beständigkeit aus dem Sektor der Werkzeugvergütung (Tribologie) bekannt sind, zusammen mit chemisch und mechanisch resistenten Oxiden wie Zinnoxid, es möglich ist, Gläser, die mit diesem Schichtsystem beschichtet wurden, als Einzelgläser einzusetzen,
c) eine vollständige Palette von Reflexionsfarben durch Variation einer einzelnen Schichtdicke - der Oxidschicht - produziert werden kann, wobei die Dicke dieser Schicht 100 nm nicht überschreitet,
d) das Schichtsystem nur eine einzige transparente und damit meist elektrisch isolierende Oxidschicht enthält, die in einem Gleichspannungs-Zerstäu bungsverfahren, wie es in der Produktion von groß flächigen Architekturglasbeschichtungen angewendet wird, nur mit besonderen Vorkehrungen aufgebracht werden kann. Insbesondere ist bei dieser Art von Schicht eine häufige Reinigung der Beschichtungs station erforderlich, da sich elektrisch isolie rende Schichten auch in der Umgebung der Zerstäu bungskathode aufbauen, die bei Überschreiten einer bestimmten Dicke den Zerstäubungsprozeß stören, da sie den Stromfluß von der Zerstäubungskathode zur Anode, die meist von der Vakuumkammer gebildet wird, stören. Bei den bisher bekannten Verfahren sind mindestens zwei solcher Beschichtungsstatio nen für Oxidschichten erforderlich, und selbst dann kann der Bereich der Farbpalette nicht in der Weise abgedeckt werden wie durch das erfindungsge mäße Schichtsystem,
e) durch die Anordnung der Interferenzschicht (Oxid schicht) zwischen den nur teildurchlässigen Nitridschichten geringe Abweichungen in der Gleichmäßigkeit der Schichtdicke der Oxidschicht nicht sofort zu einer Farbveränderung in der Reflexionsfarbe führen, sondern durch die Absorp tion in den Nitridschichten gedämpft werden, d. h. der Übergang von einer Farbe zur anderen bei einer Schichtdickenänderung ist nicht abrupt, wie dies typisch ist für reine Interferenzschichten, son dern eher weich und kontinuierlich, so daß mit größeren Produktionstoleranzen bei der Herstellung solcher Schichten gearbeitet werden kann,
f) durch die ausgeprägte Selektivität ist es möglich, Gläser mit einer deutlich höheren Lichttransmis sion bei gleicher Sonnenschutzwirkung herzustel len. Insbesondere für den europäischen Raum lassen sich damit die angestrebten Werte von etwa 40% Lichttransmission bei gleichzeitig guter Sonnen schutzwirkung erzielen.

Beispiel für ein erfindungsgemäßes Schichtsystem (Inverse Solar Control):

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Sonnenschutzscheiben mit einer vorgegebenen Transmission für sichtbares Licht und einer vergleichsweise niedrigeren Trans mission für Sonnenstrahlung durch Beschichtung von aus Mineralglas oder durchscheinendem Kunststoff bestehenden Substraten

a) mit einer ersten aus Titannitrid, Hafniumni trid oder Zirkonnitrid gebildeten, unmittel bar auf das Substrat (1) durch reaktives Zer täuben eines Titan-, Hafnium- oder Zirkon targets in einer Atmosphäre aus Argon und Stickstoff aufgebrachten Schicht (2),
b) mit einer zweiten Schicht (3) aus einem transparenten Oxid mit einem Brechungsindex von etwa zwei, beispielsweise einem SnO₂, In₂O₃, deren Mischoxide oder Ta₂O₅ und ZrO₂ oder ZrO, wobei diese Oxide vorzugsweise durch reaktives Zerstäuben von einem metalli schen Target in einer Argon- oder Sauerstoff atmosphäre auf die erste Schicht (2) auf bringbar sind und
c) mit einer aus Titannitrid, Hafniumnitrid oder Zirkonnitrid gebildeten, auf die zweite Schicht (3) durch reaktives Zerstäuben eines Titan-, Hafnium- oder Zirkontargets in einer Atmosphäre aus Argon und Stickstoff aufge brachten dritten Schicht (4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und zweiten (2 bzw. 3) und/oder der zweiten und dritten Schicht (3 bzw. 4) eine Haftvermittlerschicht (5), beispielsweise eine NiCr- oder NiCr-Suboxidschicht (unterstöchio metrisches NiCr-Oxid) vorgegeben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die dritte, aus Titannitrid, Haf niumnitrid oder Zirkonnitrid gebildete Schicht (4) eine Dicke von 5 bis 50 nm aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar auf das Substrat (1) aufgebrachte erste Schicht (2) eine Dicke von 5-50 nm aufweist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Schicht (3) im wesent lichen die Reflexionsfarbe der Scheibe bestimmt und eine Dicke von 0 bis 100 nm aufweist.