DE19745881A1

DE19745881A1 - Schichtsystem für die Steuerung der Ein- und/oder Ausstrahlung von Licht durch Fensterscheiben

Info

Publication number: DE19745881A1
Application number: DE1997145881
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Dr Lotz
Original assignee: Leybold Systems GmbH
Current assignee: Applied Materials GmbH and Co KG
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2017-10-18
Also published as: DE19745881B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 oder 13.

Derartige Schichtsysteme kommen bei Fensterscheiben zur Anwendung, um die Lichtein- und/oder -ausstrahlung selektiv, d. h. wellenlängenabhängig, zu beeinflus sen. Diese Schichtsysteme stellen in der Regel Wärmeschutzbeschichtungen dar.

Ein Hauptziel bei dieser selektiven Beeinflussung der Lichtein- oder -ausstrahlung besteht darin, die Energieeinstrahlung der Sonne im Spektralbereich von ca. 0,3 bis 2,5 µm zu vermindern. Insbesondere in Klimazonen mit hoher Sonneneinstrahlung macht die starke Wärmeeinstrahlung in Räumen eine Klimatisierung erforderlich, die hohe Kosten verursacht. Die Erwärmung der Innenräume erfolgt dabei dadurch, daß die Sonneneinstrahlung absorbiert und in Wärmestrahlung umgewandelt wird.

Es ist bereits ein Verfahren zum Herstellen von Scheiben mit einer Transmission zwi schen 10% und 40% im sichtbaren Spektralbereich und mit Reflexionseigenschaften gegenüber Wärmestrahlung durch Beschichtung von transparenten Substraten durch Kathodenzerstäubung bekannt (DE-OS 33 11 815). Bei diesem Verfahren wird un mittelbar auf das Substrat eine Oxidschicht mit einer optischen Dicke zwischen 20 und 280 nm in sauerstoffhaltiger Atmosphäre aufgebracht, während als zweite Schicht eine Chromnitridschicht mit einer geometrischen Dicke zwischen 10 Nano meter und 30 Nanometer (nm) in einer Atmosphäre aus Edelgas und Stickstoff aufge stäubt wird. Chromnitridschichten von der genannten Stärke haben indessen den Nachteil, daß sie im sichtbaren Bereich eine zu hohe Reflexionswirkung aufweisen - 9% bis 36% - und deshalb zu Blendungen im Straßenverkehr führen können.

Bei einer anderen bekannten Wärmeschutzscheibe, die aus einem transparenten Scheibensubstrat, einem Wärmeschutzfilter und einem weiteren Schutzfilter besteht, ist der Schutzfilm für Wellenlängen des sichtbaren Lichts transparent und aus einem Siliziumoxidnitrid gefertigt, das durch die Formel SiO_xN_y dargestellt ist, wobei x in dem Bereich von 0,65 bis 1,25 und y in dem Bereich von 0,05 bis 0,67 liegt (EP 0 501 632 B1). Der Wärmeschutzfilm ist hierbei entweder aus Titannitrid oder Chromnitrid oder Zirkoniumnitrid oder Hafniumnitrid hergestellt. Für alle diese Ni tride gilt indessen, daß sie einen zu hohen Reflexionsgrad besitzen.

Schließlich ist auch noch ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Mehrfach schicht versehenen Glasscheibe mit hoher Transmission im sichtbaren Spektralbe reich und hoher Reflexion für Wärmestrahlung bekannt, bei dem nach einem Vaku umverfahren wenigstens fünf aufeinanderfolgende Schichten auf einer Glasscheibe aufgebracht werden (DE-C-43 24 576). Bei diesen fünf Schichten handelt es sich um eine Haftschicht aus einem Metalloxid, eine auf der Haftschicht angeordnete Metall schicht, eine Silberschicht, eine auf der Silberschicht angeordnete Metallschicht und eine auf dieser Metallschicht angeordnete Deckschicht aus einem Metalloxid. Hierbei wird unmittelbar auf der Glasoberfläche vor dem Aufbringen der Haftschicht eine Grundschicht aus einem Oxid, Nitrid, Oxinitrid, Karbid oder Borid eines oder mehre rer Elemente Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Zn, As, Sb und In oder aus einer Misch verbindung dieser Elemente oder Verbindungen dieser Elemente oder aus einer der Verbindungen Si₃N₄, TiN, ZrN, Ti_xC, ZrB₂, AlMnO_x, AlCrO_x, AlVO_x und AlSiO_x abgeschieden. Die eigentliche Funktionsschicht ist hierbei die dünne Silber schicht, während die anderen Schichten mehr oder weniger Schutzfunktionen aus üben. Mit der bekannten Schichtfolge soll erreicht werden, daß die im Innenraum vorhandenen Wärmestrahlen nicht nach außen transmittieren, sondern nach innen re flektiert werden. Es ist mit dieser Schichtfolge jedoch nicht möglich, die Wärmeein strahlung von außen nach innen zu reduzieren.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Mehrfachbeschichtung für Wärmeschutzscheiben zu schaffen, die bei einem hohen Wärmeschutz eine geringe Reflexion aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 13 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß sich mit an sich bekannten Materialien Schichtsysteme realisieren lassen, deren Reflexion we sentlich kleiner ist als bei bisher bekannten Systemen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Doppel-Verglasung mit drei an sich bekannten Schichten;

Fig. 2 die Reflexion einer gemäß Fig. 1 beschichteten Glasscheibe von der Schichtseite aus gesehen;

Fig. 3 die Reflexion einer gemäß Fig. 1 beschichteten Glasscheibe von der Glas seite aus gesehen;

Fig. 4 die Transmission einer gemäß Fig. 1 beschichteten Glasscheibe;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer Doppel-Verglasung mit drei erfindungsgemäß aufgetragenen Schichten;

Fig. 6 die Reflexion einer gemäß Fig. 5 beschichteten Glasscheibe von der Schichtseite aus gesehen;

Fig. 7 die Reflexion einer gemäß Fig. 5 beschichteten Glasscheibe von der Glas seite aus gesehen;

Fig. 8 die Transmission einer gemäß Fig. 5 beschichteten Glasscheibe;

Fig. 9 ein Ausschnitt aus einer Doppel-Verglasung mit fünf erfindungsgemäßen Schichten;

Fig. 10 die Reflexion einer gemäß Fig. 9 beschichteten Glasscheibe von der Schichtseite her gesehen;

Fig. 11 die Reflexion einer gemäß Fig. 9 beschichteten Glasscheibe von der Glas seite her gesehen;

Fig. 12 die Transmission einer gemäß Fig. 9 beschichteten Glasscheibe;

Fig. 13 die Reflexion einer zweiten Varianten der nach Fig. 9 beschichteten Glas scheibe von der Schichtseite her gesehen;

Fig. 14 die Reflexion einer zweiten Varianten der nach Fig. 9 beschichteten Glas scheibe von der Glasseite her gesehen;

In der Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Doppel-Verglasung 1 dargestellt, die eine äußere Scheibe 2 und eine innere Scheibe 3 aufweist. Die Scheiben 2 und 3 bestehen hierbei aus handelsüblichem Floatglas. Sie können jedoch auch aus anderen Materia lien bestehen, die transparent sind und keine Wellenlängen des sichtbaren Spektrums bevorzugt reflektieren oder absorbieren.

Die Scheibe 3, die einen Innenraum 4 abschließt, ist mit keiner Beschichtung verse hen. Sie könnte auch weggelassen werden, wenn auf positive Effekte verzichtet wird, die sich durch eine Doppel-Verglasung ergeben. Dagegen weist die Scheibe 2, die nach der Außenseite 5 zum Straßenverkehr gerichtet ist, eine Beschichtung mit drei Schichten 6, 7, 8 auf. Bei diesen Schichten handelt es sich um solche, die beispiels weise aus der bereits erwähnten DE-OS 33 11 815 bekannt sind. Die erste Schicht 6, die auf der Glasscheibe 2 aufliegt, besteht aus Zinnoxid (SnO₂), während die zweite Schicht 7 aus Chromnitrid (Cr(N_x)) oder rostfreiem Stahl besteht. Die letzte Schicht 8 besteht wiederum aus Zinnoxid (SnO₂).

Mit einer solchen Schichtfolge lassen sich attraktive Farbreflexionen erzielen. Leider weist diese Schichtfolge eine Außenreflexion von 9% bis 36% auf, was in einigen Ländern gegen die Blendvorschriften im Straßenverkehr verstößt. Unter Außen reflexion wird hierbei diejenige Reflexion des von außen kommenden (Son nen)Lichts A₁ an den Schichten 6, 7, 8 verstanden. Das durchgelassene Licht ist in diesem Fall T₁, während das reflektierte Licht R₁ ist. Unter Innenreflexion wird die Reflexion des von innen kommenden Lichts A₂ an der Schicht 8, 7, 6 verstanden. Das nach außen durchtretende Licht ist mit T₂ bezeichnet, während das in den Innen raum 4 zurückreflektierte Licht mit R₂ bezeichnet ist.

In den nachfolgenden Fig. 2, 3 und 4 sind Reflexions- und Transmissionskurven der in der Fig. 1 dargestellten Glas - SnO₂ - Metall - SnO₂ - Luft-Schichtenfolge dar gestellt. Im einzelnen besteht die Schichtfolge aus folgenden Einzelschichten:

- Glas
- 100 nm SnO₂
- 15 nm Cr
- 100 nm SnO₂
- Luft.

Die Fig. 2 zeigt hierbei die Reflexion der von der Schichtseite 4 kommende und auf die Schichten 6, 7, 8 auftreffende Strahlung in die Schichtseite 4 zurück. Diese Re flexion bestimmt den Spiegeleffekt, den die Bewohner eines Innenraums wahrneh men, und zwar insbesondere dann, wenn es draußen dunkel ist und in dem Innenraum künstliches Licht eingeschaltet ist. Man erkennt aus der Darstellung der Fig. 2, daß die Reflexion der besagten Schichtfolge in den Innenraum im sichtbaren Wellenlän genbereich etwa 50% beträgt, und zwar relativ gleichmäßig über den gesamten Wel lenlängenbereich. Dies ist ein sehr hoher Reflexionsfaktor, der zu den bereits erwähn ten Spiegeleffekten führt.

In der Fig. 3 ist für die gleiche Schichtfolge die Reflexion von der Glasseite 5 aus be trachtet dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Reflexion des von der Außenseite 5 auf die Schichtfolge 6, 7, 8 auftreffenden Sonnenlichts A₁ in die Außenseite zu rück. Diese Reflexion verursacht die bereits erwähnten Blendeffekte im Straßenver kehr. Man erkennt aus der Fig. 3, daß die Reflexion ein Maximum im blauen Bereich und ein Minimum im roten Bereich hat. Insgesamt ist die Reflexion, die zwischen 15% und 40% liegt, zu hoch, um Blendeinwirkungen auszuschließen.

Die Transmissionskurve der in der Fig. 1 gezeigten Schichtfolge ist in der Fig. 4 dar gestellt. Man erkennt hierbei, daß die Transmission über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich relativ konstant ist und etwa zwischen 10% und 20% liegt.

Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Kurvenverläufe können direkt mit an sich be kannten Meßverfahren ermittelt werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Kurven verläufe zu berechnen, wenn die Brechungsindizes der jeweiligen Materialien be kannt sind (vgl. Alfred Thelen: Design of Optical Interference Coatings, McGraw- Hill Book Company, New York, 1988; H. A. Macleod: Thin Film Optical Filters, Mac Millan, New York, 1986).

Die Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer Doppelverglasung mit drei erfindungsge mäß aufgetragenen Schichten. Hiernach ist diejenige Seite des Glas-Substrats 2, auf der sich die Schichten 6, 7, 8 befinden, nach einem Innenraum 4 hin ausgerichtet. Dies wird bei derartigen Schichtsystemen im praktischen Einsatz so gemacht, weil die Beschichtung auf der Innenseite besser geschützt ist als auf der Außenseite. Da die beschriebenen Schichtsysteme jedoch relativ hart und beständig sind, können sie aber auch auf der Außenseite eingesetzt werden.

Es ist auch vorteilhaft, die Schichten im Innenraum eines Doppelglasfensters anzu ordnen. Im Gegensatz zu low-e-Schichten, bei denen eine Doppel- oder Mehrglasan ordnung in der Regel aus physikalischen Gründen notwendig ist, ist dies bei den be schriebenen Sonnenschutzschichten nicht erforderlich. Durch den Einsatz einer Dop pelscheibe kann man allerdings den Wärmeübergang von außen nach innen verrin gern.

In den nachfolgenden Fig. 6, 7, 8 sind die Reflexions- und Transmissionskurven einer erfindungsgemäßen Schichtfolge dargestellt, die sich von der vorstehend be schriebenen Schichtfolge unterscheidet und erheblich bessere Reflexionseigenschaf ten besitzt.

Bei dieser Schichtfolge handelt es sich im einzelnen um folgende:

- Glas
- 44 nm TiO₂ (Schicht 6)
- 15 nm Cr (Schicht 7)
- 12 nm TiO₂ (Schicht 8)
- Luft.

Im wesentlichen ist bei dieser erfindungsgemäßen Schichtfolge, die in der Fig. 5 auf der Scheibe 2 dargestellt ist, die dicke SnO₂-Schicht der bekannten Schicht durch eine etwa nur halb so dicke TiO₂-Schicht ersetzt.

In der Fig. 6 ist die Reflexion, von der Schichtseite aus betrachtet, dargestellt. Ver gleicht man diese Reflexion mit der in der Fig. 2 dargestellten Reflexion, so sind die Unterschiede nur gering. In beiden Fällen beträgt der Reflexionsgrad etwa zwischen 40% und 55% über dem gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich. Dies bedeutet, daß der Spiegeleffekt für die Bewohner eines Innenraums 4 praktisch der gleiche ist wie in dem vorangegangenen Beispiel.

Erhebliche Unterschiede ergeben sich jedoch, wenn man die Reflexion von der Glas seite 5 aus betrachtet. Diese Reflexion ist für die erwähnte Schichtfolge in der Fig. 7 dargestellt. Gegenüber der in der Fig. 3 dargestellten Reflexion ist diese Reflexion er heblich geringer, und zwar insbesondere im relevanten sichtbaren Bereich zwischen 460 bis 700 nm. Während die Reflexion bei der SnO₂-Schichtfolge bei 460 nm etwa 40% beträgt, beträgt sie bei der TiO₂-Schichtfolge nur noch knapp 15%. Bei 540 nm hat die SnO₂-Beschichtung noch eine Reflexion von über 30%. Dagegen liegt die Reflexion bei der TiO₂-Beschichtung an derselben Stelle des Spektrums nur noch bei 5%.

Dieser günstige Verlauf der Reflexion gemäß Fig. 7, die für den Blendeffekt im Stra ßenverkehr verantwortlich ist, läßt eine derart beschichtete Scheibe auch für solche Länder geeignet erscheinen, die eine hohe Sonneneinstrahlung aufweisen.

Bezüglich der Transmission der TiO₂-Beschichtung, die in Fig. 8 dargestellt ist, ist festzustellen, daß diese etwa 30% bei 380 nm und 18% bei 780 nm ausmacht. Ver glichen mit der Transmissionskurve gemäß Fig. 4 sind dies hohe Transmissionswerte, so daß mehr sichtbares Licht in die Räume gelangt.

Im folgenden wird eine Variante der Erfindung beschrieben, mit welcher die Refle xion zur Schichtseite als auch zu Glasseite weiter reduzieren läßt. Diese Variante ist in der Fig. 9 dargestellt. Man erkennt hierbei, daß die Metallschicht in zwei Einzel schichten aufgeteilt ist, so daß sich folgende Gesamt-Schichtfolge ergibt:

- Glas (2)
- 67 nm SnO₂ (10)
- 7 nm Cr (11)
- 88 nm SnO₂ (12)
- 7 nm Cr (13)
- 75 nm SnO₂ (14).

Die Reflexion dieser Schicht von der Schichtseite 4 aus gesehen ist in der Fig. 10 dargestellt. Man erkennt aus dieser Darstellung, daß fast keine Spiegelung in den In nenraum mehr erfolgt, weil in dem relevanten Bereich zwischen 500 nm und 750 nm die Reflexion gleich Null ist.

In der Fig. 11 ist die Reflexion von der Glasseite 5 aus betrachtet dargestellt. Man er kennt hierbei, daß diese Reflexion im relevanten Bereich von 540 bis 780 nm deut lich unter 20% liegt.

Mit Hilfe der mittleren SnO₂-Schicht 12, die zwischen den Chrom-Schichten 11, 13 liegt, kann die Reflexion, falls gewünscht, zur Schicht- und Glasseite hin verstärkt werden. Dies ist in den Fig. 13 und 14 näher dargestellt.

Diesen Figuren liegt die gleiche Schichtfolge wie den Fig. 11 und 12 zugrunde. Die zwischen den Chrom-Schichten liegende SnO₂-Schicht beträgt jedoch im Falle der Fig. 13 und 14 nicht 88 nm, sondern nur 44 nm, also die Hälfte. Die Refle xion in den Innenraum ist bei der Kurve gemäß Fig. 13 etwas stärker als bei der Kur ve nach Kurve 11. Dafür ist jedoch die Reflexion in den Außenraum, also auf die Straße, extrem gering und liegt bei fast allen Wellenlängen im Bereich von nur etwa 10%.

Claims

1. Schichtsystem für die Steuerung der Ein- und/oder Ausstrahlung von Licht durch Fensterscheiben, wobei auf dem Glassubstrat ein Metalloxid, auf dem Metalloxid ein Metall und auf dem Metall ein Metalloxid aufgebracht sind, dadurch gekennzeich net, daß es sich bei dem Metalloxid um ein solches handelt, dessen Brechungsindex etwa zwischen 2,2 und 2,7 liegt.

2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metalloxid um TiO₂, ZnS oder Nioboxid handelt.

3. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall im we sentlichen aus Chrom (Cr) besteht.

4. Schichtsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall unter stöchiometrisches Chromnitrid (Cr(N_x)) ist.

5. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall rost freier Stahl ist.

6. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid eine Schichtdicke von 37 nm bis 51 nm aufweist.

7. Schichtsystem nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Glas-Substrat (2) aufgebrachte Titanoxid-Schicht (6) 44 nm stark ist.

8. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete daß die auf dem Metall (7) aufgebrachte Metailoxidschicht zwischen 10 nm und 14 nm beträgt.

9. Schichtsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Metall (7) aufgebrachte Titanoxid-Schicht (8) 12 nm stark ist.

10. Schichtsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromnitrid- Schicht (7) 15 nm stark ist.

11. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Seite des Glas-Substrats (2), auf der sich die Schichten (6, 7, 8) befinden, nach einem In nenraum (4) hin ausgerichtet sind.

12. Schichtsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (6, 7, 8) zwischen zwei Glas-Substraten (2, 3) angeordnet sind.

13. Schichtsystem für die Steuerung der Ein- und/oder Ausstrahlung von Licht durch Fensterscheiben, wobei auf einem Glas-Substrat ein Metalloxid, auf diesem Metall oxid ein Metall und auf diesem Metall ein Metalloxid aufgebracht sind, dadurch ge kennzeichnet, daß auf dem letztgenannten Metalloxid (12) wieder ein Metall (13) aufgebracht ist.

14. Schichtsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Metall (13) ein Metalloxid (14) aufgebracht ist.

15. Schichtsystem nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Metallschichten (11, 13) aus Chrom bestehen.

16. Schichtsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Chrom ein unterstöchiometrisches Chromnitrid ist.

17. Schichtsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es aus folgen den Schichten besteht:

a) die erste Schicht auf dem Glassubstrat (2) ist eine Schicht mit einem Brechungsin dex von ca. 2;
b) die zweite Schicht (11), die auf der ersten Schicht (10) aufgebracht ist, ist ein Metall;
c) die dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht (11) aufgebracht ist, hat einen Bre chungsindex von ca. 2 (z. B. SnO₂, ZnO, Si₃N₄, T₂O₅, ZrO₂) und eine Stärke von 88 nm ± 10%;
d) die vierte Schicht (13), die auf der dritten Schicht (12) aufgebracht ist, ist ein Metall;
e) die fünfte Schicht (13), die auf der vierten Schicht (14) aufgebracht ist, hat einen Brechungsindex von ca. 2 und eine Stärke von 75 nm ± 10%.

18. Schichtsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es aus folgen den Schichten besteht:

a) die erste Schicht (10) unmittelbar auf dem Glas-Substrat (2) ist eine SnO₂-Schicht von 67 nm Stärke;
b) die zweite Schicht (11), die auf der ersten Schicht (10) aufgebracht ist, ist unterstö chiometrisches Chromnitrid von 7 nm Stärke;
c) die dritte Schicht (12), die auf der zweiten Schicht (11) aufgebracht ist, ist SnO₂ von 88 nm Stärke;
d) die vierte Schicht (13), die auf der dritten Schicht (12) aufgebracht ist, ist unter stöchiometrisches Chromnitrid von 7 nm Stärke;
e) die fünfte Schicht (14), die auf der vierten Schicht aufgebracht ist, ist SnO₂ von 75 nm Stärke.

19. Schichtsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht (12) SnO₂ von 44 nm Stärke ist.