DE69210599T2

DE69210599T2 - Fensterbeschichtung mit niedriger trübung

Info

Publication number: DE69210599T2
Application number: DE69210599T
Authority: DE
Inventors: Roy Gerald Gordon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-03-25
Also published as: AU1982692A; EP0579706B1; WO1992017412A1; US5631065A; JP2002507183A; FI101532B; CA2106303A1; DE69210599D1; ES2088137T3; AU651227B2; BR9205861A; EP0579706A1; EP0579706A4; FI101532B1; FI934407A; ATE137725T1; FI934407A0

Description

Diese Erfindung ist auf die Herstellung anorganischer Beschichtungen mit verringerter Lichtstreuung oder Trübung gerichtet. Insbesondere ist sie auf die Herstellung energiesparender Fenster mit besserer Lichtdurchlässigkeit und geringerer Lichtstreuung gerichtet.
Es ist in der Technik allgemein bekannt, Beschichtungen auf Fensterglas herzustellen, die den Wärmefluß durch das Fenster verringern. Diese Beschichtungen "mit geringem Emissionsvermögen" verringern die Emission infraroter Wärmestrahlen von der beschichteten Oberfläche des Fensters. Die Beschichtungen enthalten entweder ein Metall, wie Silber, oder einen Halbleiter, wie mit Fluor dotiertes Zinnoxid. Die Metallbeschichtungen ("weiche Schichten") besitzen gute optische Eigenschaften und zeigen wenig Trübung, aber sie sind gegenüber Abrieb oder der Aussetzung an Luft oder Feuchtigkeit nicht beständig. Die Halbleiterbeschichtungen ("harte Schichten") sind mechanisch und chemisch äußerst stabil, zeigen aber gewöhnlich mehr Trübung.
Die Trübung wird mit Instrumenten gemessen, die Licht erfassen, das durch die beschichtete Platte durchgelassen wird, aber um mehr als einige Grad von der ursprünglichen Richtung des Lichts abgelenkt ist. Beschichtetes Glas mit Trübungswerten von mehr als etwa 1% können als störend betrachtet werden. Unter besonderen Sichtbedingungen (helles Licht, dunkler Hintergrund) kann auf beschichtetem Glas eine Trübung mit Trübungswerten sogar unter 1% gesehen werden.
Zu den Mechanismen, die eine Trübung in einer Beschichtung erzeugen, gehören Unregelmäßigkeiten entweder an den Oberflächen der Beschichtung oder Hohlräumen innerhalb der Beschichtung. Eine Rauheit auf der Außenoberfläche der Beschich tung wurde manchmal durch Polieren verringert, dies fügt dem Herstellungsverfahren jedoch einen schwierigen Schritt hinzu. Unregelmäßigkeiten an der Grenzfläche Glas-Zinnoxid werden manchmal durch Reaktionen eingeführt, die Salzkristalle aus Natrium im Glas erzeugen, das sich mit Elementen, wie Chlor, verbindet, die in den chemischen Vorläufern enthalten sind, die zur Bildung von Zinnoxid verwendet werden. Solche Salzkristalle können vermieden werden, indem auf dem Glas zuerst eine Schicht, wie Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid, abgeschieden wird, die die Diffusion von Natrium verhindert.
Es wurde viel Mühe darauf verwendet, die Lichtstreuung oder Trübung kommerziell hergestellter Zinnoxidbeschichtungen auf Glas zu verringern, und es werden nun Produkte mit Trübungswerten unter 1% hergestellt. Es wird jedoch als wichtig erachtet, die Trübungswerte noch weiter zu verringern.
Die vorliegende Erfindung besteht in einem Aufbau, der eine transparente Platte mit einer rauhen, transparenten Beschichtung auf wenigstens einer Oberfläche der Platte umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die rauhe Beschichtung selbst mit einer transparenten Glasschicht mit einem Brechungsindex, der im wesentlichen gleich dem Brechungsindex der rauhen Beschichtung ist, beschichtet ist, wobei die transparente Beschichtung eine ebene Außenoberfläche besitzt.
Der Aufbau der Erfindung kann durch Beschichten der rauhen Oberfläche der transparenten Beschichtung mit einer dünnen Schicht aus transparentem Glas mit einem Brechungsindex, der fast dem der rauhen Oberfläche entspricht, und Erhitzen des Aufbaus auf eine Temperatur, die ausreichend hoch ist und eine ausreichend lange Zeit andauert, damit die Glasschicht fließt, um eine ebene Oberfläche zu bilden, hergestellt werden.
Mittels dieser Erfindung kann die Tendenz von Zinnoxidbeschichtungen, sichtbare Spuren zu bilden, wenn sie von anderen Materialien, wie Metallen oder Kunststoffen gescheuert oder abgene ben werden, verringert oder beseitigt werden.
Die transparente Glasschicht stellt außerdem eine mechanische und chemische Beständigkeit bereit und verringert ferner die Durchlässigkeit für durch den Aufbau hindurchgehendes Ultraviolettlicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Glasaufbaus bereitgestellt, wobei der Aufbau eine transparente Platte mit einer rauhen, transparenten Beschichtung auf wenigstens einer Oberfläche der Platte umfaßt, wobei der Aufbau beim Betrachten eine Trübung zeigt, das gekennzeichnet ist durch den Schritt des Auftragens einer Glasschicht auf die rauhe, transparente Beschichtung, wobei die Glasschicht einen Brechungsindex besitzt, der im wesentlichen gleich dem Brechungsindex der rauhen Beschichtung ist, wobei die Glasschicht in die aufgerauhte Oberfläche fließt und sie ausfüllt und eine ebene Außenoberfläche bildet, wodurch die Trübung des Aufbaus verringert wird, dem Aufbau eine erhöhte Abriebfestigkeit verliehen wird und die Durchlässigkeit für Ultraviolettstrahlung verringert wird. Die Beschichtung wird bei einer Temperatur vorgenommen, die ausreicht, um zu bewirken, daß die Glasschicht in die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche mit geringem Emissionsvermögen fließt und sie ausfüllt, und in einer Menge aufgebracht, die ausreicht, um eine ebene Außenoberfläche zu bilden.
Zinnoxidfilme besitzen einen Brechungsindex, der typischerweise zwischen 1,9 und 2,0 liegt. Daher ist ein Glas mit hohem Brechungsindex notig, um die gerade beschriebene Erfindung auszuführen. Das Glas muß auch eine Erweichungstemperatur besitzen, die niedrig genug ist, so daß bewirkt werden kann, daß es ohne Beschädigung der Zinnoxidbeschichtung oder des Glassubstrats darunter fließen kann. Weiterhin muß die Deckbeschichtung aus Glas mechanisch beständig und chemisch stabil sein.
Ich habe entdeckt, daß bestimmte Gläser allen diesen Anforderungen entsprechen. Sie umfassen Oxide von Wismut und/oder Blei, kombiniert mit Oxiden von Silicium und/oder Bor. Durch Auswahl geeigneter Zusammensetzungen können diese Gläser so hergestellt werden, daß sie einen Brechungsindex zwischen 1,9 und 2,0 besitzen. Eine Erhöhung des Gehalts an Wismut und Blei erhöht den Brechungsindex, während eine Erhöhung des Gehalts an Silicium und Bor den Brechungsindex erniedrigt; so können Einstellungen leicht vorgenommen werden, um Gläser mit geeignetem Brechungsindex zu finden.
Diese Glaszusammensetzungen sind transparent und mechanisch hart und beständig. Sie sind auch gegenüber Wasser und normalen Reinigungsmitteln für Glas chemisch beständig, vorausgesetzt, daß die Zusammensetzungen keine zu hohen Anteile von Bor oder Blei enthalten, z.B. nicht mehr als 25 Mol-% der Metalle.
Diese Glaszusammensetzungen können durch irgendein in der Technik bekanntes, zweckmäßiges Mittel, wie Vakuumverdampfung, Zerstäuben, Tauchbeschichtung oder chemisches Aufdampfen, in dünnen Schichten abgeschieden werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt eines Gegenstands mit rauher Oberfläche, der Licht streut;
Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt eines gemäß der Erfindung beschichteten Gegenstands, der weniger Licht streut als der unbeschichtete Gegenstand in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein schematischer Querschnitt einer mit einer rauhen, polykristallinen Beschichtung beschichteten Glasplatte, die Licht hauptsächlich von ihrer Oberfläche aus streut; und
Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt einer mit einer rauhen, polykristallinen Beschichtung und einer Deckbeschichtung aus Glas gemäß der Erfindung beschichteten Glasplatte, die weniger Licht streut als die Platte in Fig. 3.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)

Insbesondere auf Fig. 1 bezugnehmend, wird auf die Oberfläche des Gegenstands 20 auftreffendes Licht in verschiedene Richtungen reflektiert oder gestreut. Solch eine Oberfläche wird herkömmlich als matt oder trüb bezeichnet, wenn das Ausmaß der Rauheit so klein ist, daß die einzelnen Strukturen ohne Hilfe eines Mikroskops nicht zu sehen sind.
Durch Abdecken einer solchen rauhen Oberfläche 10 mit einer ebenen Schicht aus einem Material 30 mit identischen optischen Eigenschaften (d.h. mit identischem Brechungsindex und Extinktionskoeffizienten) wird der in Fig. 2 gezeigte Aufbau 40 erhalten, der Licht nur in Spiegelrichtung reflektiert. Ein solcher Aufbau 40 wird herkömmlich als glänzend und ohne Trübung beschrieben.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer mit einem polykristallinen Material 60, wie mit Fluor dotiertem Zinnoxid, beschichteten Glasplatte 50 mit einer rauhen Außenoberfläche 70. Ein solcher Gegenstand 80 erscheint hauptsächlich durch eine Streuung von Licht von seiner Oberfläche trüb, wie im Fall des Gegenstands 20 in Fig. 1.
Wenn eine ebene Glasschicht 90, wie Wismutsilicat, auf die Außenoberfläche der trüben Glasbeschichtung von Fig. 3 aufgetragen wird, erhält man den Aufbau 100 in Fig. 4. Wenn die optischen Konstanten der Glasschicht 90 und der polykristallinen Beschichtung 60 fast übereinstimmen, dann scheint der Gegenstand 100 eine geringe oder keine Trübung zu besitzen.

Beispiel 1

Eine Platte aus Natronkalkglas wird zuerst mit einer dünnen Schicht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von etwa 0,07 µm durch das folgende Verfahren beschichtet: Das Glas wird auf etwa 450ºC erhitzt und etwa 10 Sekunden lang Aluminiumisopropoxiddämpfen in trockener Luft ausgesetzt. Die Aluminiumoxidschicht dient als Diffusionsbarriere, um Natrium im Glas davon abzuhalten, mit nachfolgend abzuscheidenden Schichten wechselzuwirken. Sie unterdrückt auch die Interferenzfarben nachfolgender Schichten.
Als nächstes wird das mit Aluminiumoxid beschichtete Glas durch das folgende Verfahren weiter mit einer polykristallinen Schicht aus mit Fluor dotiertem Zinnoxid mit einer Dicke von etwa 0,3 µm beschichtet: Das Glas wird auf etwa 600ºC erhitzt und etwa 10 Sekunden lang mit einer Dampfmischung in Kontakt gebracht, die 2 Mol-% Dimethylzinndichlorid, 4 Mol-% Bromtrifluormethan und als Rest Luft enthält.
Dieses beschichtete Glas hat die folgenden Eigenschaften: 1% Trübung, ein Emissionsvermögen bei Raumtemperatur von 0,18, einen elektrischen Widerstand der Platte von 20 Ohm pro Quadratzoll, und eine Lichtdurchlässigkeit von 82%.
Schließlich wird die mit Aluminiumoxid und Zinnoxid beschichtete Glasplatte durch das folgende Verfahren mit einer Schicht aus Wismutsilicatglas mit einer Dicke von etwa 0,1 µm beschichtet: Wismutneodecanoat wird in Ethanol gelöst, um eine Lösung zu bilden, die 0,2 mol Wismut pro Liter enthält. Dieser Lösung werden 0,2 mol pro Liter Di-t-butoxydiacetoxysilan zugegeben. Die Lösung wird einige Minuten lang gerührt, bis sie als homogene, klare, hellgelbe Lösung erscheint. Die mit Aluminiumoxid und Zinnoxid beschichtete Glasplatte wird in die Lösung getaucht und mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit von 1,0 mm pro Sekunde nach oben aus der Lösung herausgezogen. Diese tauchbeschichtete Platte wurde 24 Stunden lang in Luft und bei einer Raumtemperatur von etwa 20ºC und etwa 50% relativer Feuchtigkeit stehen gelassen, um die Reaktanten zu hydrolysieren. Dann wird die Platte 3 Stunden lang in einen Ofen bei etwa 70ºC gegeben, wonach die Tauchbeschichtung bei Berührung nicht mehr klebrig ist, d.h. sie ist formstabil, aber immer noch brüchig. Schließlich wird die Platte in einem Ofen 15 Minuten lang auf etwa 600ºC erhitzt und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Beschichtung aus Wismutsilicatglas ist nun gehärtet oder erstarrt.
Die unerwünschte Beschichtung aus Wismutsilicatglas auf der dem Zinnoxid entgegengesetzten Seite des Glases wird durch einige Sekunden langes Waschen der Rückseite mit einer verdünnten (1%) Lösung von Fluorwasserstoffsäure in Wasser entfernt.
Die Eigenschaften der mit Aluminiumoxid, Zinnoxid und Wismutsilicat beschichteten Glasplatte sind wie folgt: Die Trübung ist auf 0,2% verringert, die Lichtdurchlässigkeit ist auf 80% verringert, die Durchlässigkeit für Ultraviolettstrahlung ist auf 10% verringert, das Emissionsvermögen liegt unverändert bei 0,18 und der elektrische Widerstand der Platte liegt unverändert bei Ohm pro Quadratzoll.
Wenn diese beschichtete Platte mit einem Stück Aluminiummetall gescheuert wird, ist keine sichtbare Änderung zu sehen. Ein Kontrollstück aus mit Zinnoxid beschichtetem Glas, das in derselben Weise gescheuert wird, zeigt dunkle Spuren, die aus von der rauhen Oberfläche des Zinnoxids abgeriebenem Aluminiummetall bestehen.

Beispiel 2

Beispiel 1 wird wiederholt, außer daß die Hälfte der Mole an Dit-butoxydiacetoxysilan durch Tri-n-butylborat ersetzt wird. Die resultierende Beschichtung aus Wismutborsilicatglas zeigte Ergebnisse ähnlich denen von Beispiel 1.

Beispiel 3

Beispiel 1 wird wiederholt, wobei das Wismutneodecanoat durch Blei-2-ethylhexanoat ersetzt wird. Die resultierende Beschichtung aus Bleisilicatglas zeigte Ergebnisse ähnlich denen von Beispiel 1.

Beispiel 4

Eine Glasplatte wird wie in Beispiel 1 mit Aluminiumoxid und dann mit mit Fluor dotiertem Zinnoxid beschichtet. Dann wird die Platte durch chemisches Aufdampfen weiter mit Wismutsilicatglas beschichtet wie folgt: Die Platte wird auf 640ºC erhitzt, während sie in flüssigem metallischem Zinn schwimmt. Die Platte wird mit einer Dampfmischung in Kontakt gebracht, die 0,3 Mol-% Triphenylwismut, 0,3 Mol-% Dichlorsilan, 60 Mol-% Sauerstoff und als Rest Stickstoff enthält. Es werden zu Beispiel 1 ähnliche Ergebnisse erhalten.

Beispiel 5

Eine Glasplatte wird wie in Beispiel 1 mit Aluminiumoxid und dann mit mit Fluor dotiertem Zinnoxid beschichtet. Dann wird die Platte durch chemisches Aufdampfen weiter mit Wismutsilicatglas beschichtet wie folgt: Die Platte wird auf 640ºC erhitzt, während sie in flüssigem metallischem Zinn schwimmt. Die Platte wird mit einer Dampfmischung in Kontakt gebracht, die 0,3 Mol-% Trimethylwismut, 0,3 Mol-% Silan, 30 Mol-% Distickoxid und als Rest Stickstoff enthält. Es werden zu Beispiel 1 ähnliche Ergebnisse erhalten.

Beispiel 6

Eine Glasplatte wird wie in Beispiel 1 mit Aluminiumoxid und dann mit mit Fluor dotiertem Zinnoxid beschichtet. Dann wird die Platte durch chemisches Aufdampfen weiter mit Wismutsilicat beschichtet wie folgt: Die Platte wird auf 640ºC erhitzt, während sie in flüssigem metallischem Zinn schwimmt. Die Platte wird mit einer Dampfmischung in Kontakt gebracht, die 0,3 Mol-% Triethylsiloxywismut-di-tert.-butoxid, 20 Mol-% Sauerstoff und als Rest Stickstoff enthält Es werden zu Beispiel 1 ähnliche Eigenschaften erhalten.
Die durchschnittliche Dicke der Glasschichten der Beispiele 2 bis 6 liegt zwischen 0,05 und 0,2 µm, d.h. bei etwa 0,1 µm.

Claims

1. Aufbau (100), der eine transparente Platte (50) mit einer rauhen, transparenten Beschichtung (60) auf wenigstens einer Oberfläche der Platte umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe Beschichtung (60) selbst mit einer transparenten Glasschicht (90) mit einem Brechungsindex, der im wesentlichen gleich dem Brechungsindex der rauhen Beschichtung ist, beschichtet ist, wobei die transparente Beschichtung eine glatte Außenoberfläche besitzt.

2. Aufbau nach Anspruch 1, bei dem die Glasschicht (90) Oxide von Wismut und/oder Blei und Oxide von Silicium und/oder Bor umfaßt.

3. Aufbau nach Anspruch 2, bei dem die Glasschicht (90) Wismutsilikatglas umfaßt.

4. Aufbau nach Anspruch 2, bei dem die Glasschicht (90) Wismutborosilikatglas umfaßt.

5. Aufbau nach Anspruch 2, bei dem die Glasschicht (90) Bleisilikatgias umfaßt.

6. Aufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die rauhe Beschichtung (60) mit Fluor dotiertes Zinnoxid umfaßt.

7. Aufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die transparente Platte (50) Natronkalkglas umfaßt.

8. Verfahren zur Herstellung eines transparenten Glasaufbaus (100), wobei der Aufbau eine transparente Platte (50) mit einer rauhen, transparenten Beschichtung (60) auf wenigstens einer Oberfläche der Platte umfaßt, wobei der Aufbau beim Betrachten eine Trübung zeigt, gekennzeichnet durch den Schritt des Auftragens einer Glasschicht (90) auf die rauhe, transparente Beschichtung (60), wobei die Glasschicht einen Brechungsindex besitzt, der im wesentlichen gleich dem Brechungsindex der rauhen Beschichtung ist, wobei die Glasschicht in die aufgerauhte Oberfläche fließt und sie ausfüllt und eine glatte Außenoberfläche bildet, wodurch die Trübung des Aufbaus verringert, dem Aufbau eine erhöhte Abriebfestigkeit verliehen und die Durchlässigkeit für Ultraviolettstrahlung verringert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Glasschicht Oxide von Wismut und/oder Blei und Oxide von Silicium und/oder Bor umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, das den Schritt beinhaltet:

Erwärmen der Glasschicht (90) auf eine erste, niedrigere Temperatur, um ihr Dimensionsstabilität zu geben, und

Erwärmen der Glasschicht auf eine zweite, höhere Temperatur, um sie zu härten.