專利名稱：具有低可見光透射率和低可見光反射率的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有低可見光透射率和低可見光反射率的光學(xué)裝置(諸如太陽能控制窗口薄膜)及其制造方法。
背景技術(shù)：
玻璃染色工業(yè)需要一類太陽能控制涂層或者薄膜，其可見光透射率(VLT)小于50％，最好不超過30％。與此同時，工業(yè)界要求這些涂層或薄膜的可見光反射率(VLR)小于15％，最好不超過10％。在窗口玻璃工業(yè)中，對于普通用于太陽能控制的金屬化塑料薄膜，可以通過增加薄膜上金屬層的厚度降低可見光透射率或者VLT，但是這會引起可見光反射率或VLR的增加。例如，VLT為25％的典型金屬涂層太陽能薄膜具有30-35％以上的VLR。這樣VLT與VLR的目標(biāo)是互相矛盾的，不存在可以為工業(yè)界接受的折衷辦法?，F(xiàn)在通常的情況是將VLT設(shè)定在能夠接收的水平上，而VLR則保持為高于所希望的值。
另一種滿足工業(yè)界的途徑是采用染色塑料薄膜或者薄片，它們或者單獨使用或者作為金屬薄膜或金屬層的襯底。但是染色薄膜的太陽能性能極差并且會隨時間的推移而褪色。因此染色薄膜沒法提供令工業(yè)界滿意的解決方案。
另一種試圖降低VLT金屬化薄膜的VLR途徑是在靠近金屬薄膜或金屬層處施以二氧化鈦或銦錫氧化物涂層以控制反射在窄的光譜帶內(nèi)。按照經(jīng)典光學(xué)，夾在高折射率材料層之間的金屬薄膜能使可見光透射率增加，也即所謂的感應(yīng)透射，并減少反射。這實際上一般需要70-100鈉米厚的二氧化鈦或者銦錫氧化物，它們生產(chǎn)起來很費時且難以控制。因此這條途徑業(yè)已證明太貴以致不增實增，并且即使這樣最多也只是部分解決VLT/VLR的分歧。
美國專利4,799,745(復(fù)審認(rèn)可為B，799745)公布了采用Fabry-Perot干涉濾光片的紅外反射薄膜，它由(諸如銀、金、鉑、鈀、鋁、銅、鎳及其合金)一類的兩層或兩層以上的透明金屬層構(gòu)成，直接用相鄰的內(nèi)插介質(zhì)間隔層加以分隔，適合這些間隔層的可以為銦、錫、鈦、硅、鉻和鉍的氧化物。作為專利479745-部分發(fā)布的相關(guān)美國專利5071206則揭示了一種彩色校正紅外反射薄膜，它由帶有7層直接相鄰的電介質(zhì)與銀的交替層襯底組成。雖然這些薄膜具有低的可見光反射率，但是它們需要淀積5-7層金屬濺射材料，這樣的成本較高并且不容易做。隨著可見光透射率的降低，任務(wù)變得更為困難。
PCT申請WO94/04356揭示的一種碳基聚合物薄片的反射率可通過在其上濺射沉積折射率大于聚合物的不連續(xù)樹枝狀無機電介質(zhì)材料層而加以減少。無機材料可以是起始金屬(選自鉭、鈮、鈦、鉿、鎢和鋯)的氧化物、氮化物或氮氧化物。起始涂層可以包含有次級金屬(選自銦、錫和鋅)的氧化物、氮化物或氮氧化物的覆蓋層加以補足。當(dāng)在多平面窗口單元內(nèi)作為內(nèi)部塑料表面采用時，涂層以最少的色彩和霧使通過聚合物薄膜的透射率增加。這樣雖然反射率降低，但是透射率卻沒有降低。
因此工業(yè)界還是強烈需要開發(fā)一種具有VLT和VLR兩者均低的廉價涂層和/或涂膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種改進的光學(xué)裝置，特別是改進的太陽能控制薄膜，它具有低的可見光透射率和低的可見光反射率，本發(fā)明還提供一種廉價的制造方法。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種改進的太陽能控制薄膜和/或涂層，它具有良好的太陽能衰減特性以及低的VLT和低的VLR特性。
按照本發(fā)明，通過薄膜光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代材料科學(xué)和新穎的解決VLT/VLR分歧的途徑來獲得這些改進的薄膜和/或涂層。具體而言，與已有技術(shù)的實際相反，本發(fā)明首先著力于反射而后才是透射。
尤其本發(fā)明的特定目標(biāo)是，首先開發(fā)一種光學(xué)裝置或部件，它體現(xiàn)為一定程度的可見光透射控制并具有異常低的可見光反射率降低；其次，將兩個或更多個的裝置或部件組合起來以實現(xiàn)所需的透射控制水平。
本發(fā)明的第一方面在于采用非常薄而非厚的合適于控制光透射的金屬層或薄膜。適合于上述目的的金屬包括金、銀、鎳、鉻、鎳-鉻合金和不銹鋼。當(dāng)這些金屬薄層或薄膜被磁控陰極濺射淀積到襯底上時，得到的薄膜傾向于非連續(xù)的樹枝狀和不相個。金屬并不形成相干的、表面光滑的連續(xù)層。由于薄膜平面的不規(guī)則性，金屬不具有閃亮或鏡面狀的反射面。相反，光被散射和吸收，從而使金屬薄膜具有低的VLR。
由于金屬薄膜或涂層較薄，所以并不給涂覆的襯底以所希望的可見光阻擋作用，也即涂覆襯底的VLT遠(yuǎn)大于所需的水平。按照本發(fā)明提供的以下辦法，使可見光的阻擋作用增加而VLT下降，即通過將兩個或兩個以上的涂覆襯底組合為一個合成薄膜，其中金屬覆的諸表面是合成結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部表面，并且是光學(xué)去耦的，從而使涂層的光阻擋作用聯(lián)合，也即累加在一起以獲得所希望的低VCT水平，而同時保持單個金屬涂層表面的低VLR。是使金屬表面通過多個涂覆襯底疊加用的內(nèi)插粘附層成為單一的合成薄膜加以光學(xué)去耦。
因此本發(fā)明提供極為便宜的太陽能控制薄膜，它具有低的VLT和低的VLR，并且只包含層疊的兩個或兩個以上的部件或亞單元，每個由帶有非相干的薄金屬薄膜的襯底構(gòu)成。
通過結(jié)合有向一個或多個亞單元添加將使合成透射率和/或反射率降低或者增加合成薄膜可見光吸收的材料，可以獲得對膜的反射率、透射率和/或賠度的進一步控制。
如上所述，經(jīng)典光學(xué)指出，將金屬層夾在折射率高的材料層之間將進一步降低金屬的反射率。因此在實現(xiàn)本發(fā)明提出的新途徑時，更可取的是應(yīng)將高折射率的一個或多個涂層與上述低VLR金屬薄膜結(jié)合使用。雖然至今用于此目的上述材料(例如氧化鈦)當(dāng)然可以繼續(xù)用于減少反射率，但是本發(fā)明提供特別重要的第二個新的方面。
本發(fā)明的第二個方面在于采用合成的高含氧BiOx作為高折射率的優(yōu)選材料來制造質(zhì)量優(yōu)秀、性能杰出的低反射率裝置或者部件，并且造價便宜。
在其第二個方面中，本發(fā)明基于這樣一個發(fā)現(xiàn)，即當(dāng)Bi在受控氧分壓氣氛下同氧進行磁控陰極反應(yīng)濺射，使沉積在或接近金屬光學(xué)層膜上的BoOx膜中氧對Bi的原子比落在大約1.7-2.5以內(nèi)，則層膜可見光反射率大大降低。
反應(yīng)濺射合成的BiOx(x＝1.7-2.5)薄膜具有2.5-2.7的可見光光學(xué)折射率，堪與TiO2的相比，且明顯高于其它的可見光透明材料。此外，合成BiOx的動態(tài)淀積速率遠(yuǎn)大于TiO2的，并且更容易控制，從而能容易、快速、經(jīng)濟地制造以提供質(zhì)量極高的高折射率涂層。
襯底、高折射率材料層和極薄的非連續(xù)或不相干金屬薄膜的組合提供一種光學(xué)裝置、部件或者亞單元，它們制造起來非常便宜并且具有極低的VLR以及一定程度的VLT控制。
于是本發(fā)明的第三方面在于以這樣一種方式組合這些兩層以上的亞單元或者部件，俾使以獲得所需的VLT水平單個部件的VLT控制因素疊加或組合起來。部件組合最好是通過用內(nèi)插的粘合層進行層疊并結(jié)合在一起來達(dá)到，以便限定獨立的干涉濾光片，后者借助內(nèi)插粘合層光學(xué)上加以去耦。在兩單元組合中，每層金屬薄膜將提供大約50％的可見光透射控制，而在三單元組合中，每層金屬薄膜將提供大約1/3的可見光透射控制。
這樣，通過聯(lián)合兩個或兩個以上的亞單元(每個由低反射率金屬薄膜和高折射率材料薄膜或?qū)樱貏e是BiOx(x＝1.7-2.5)構(gòu)成)，本發(fā)明提供的太陽能控制薄膜和/或涂層，具有良好的太陽能輸出特性、低的可見光反射率和低的可見光透射率。
作為本發(fā)明的一個目標(biāo)同樣提供一種高效、經(jīng)濟地大量生產(chǎn)改進了的太陽能薄膜和涂層的方法。
按照本發(fā)明較佳實施例的方法，首先將襯底材料的普通透明薄膜或片，通過磁控陰極濺射合，在那里濺射沉積上高折射率的材料層于襯底。比較好的是高折射率材料包括Bi通過磁控陰極濺射合，在那里濺射沉積上受控氧分壓氣氛同氧下這樣進行反應(yīng)，俾使合成的高含氧BiOx的原子比約為1.7-2.5。合成BiOx的動態(tài)淀積速率非常高，因而方便迅速且經(jīng)濟將涂層或薄膜涂覆在襯底上。于是將涂覆襯底經(jīng)過磁控陰極濺射臺，在那里迅速而經(jīng)濟地鍍上一層極薄金屬膜于高折射率的涂層上。
兩層涂層或薄膜的濺射淀積可以通過將襯底兩次通過一單合濺射裝置或者沿襯底行進路徑一次通過兩個或更多個濺射出來實現(xiàn)。襯底可以包括玻璃或塑料的薄片或者連續(xù)的網(wǎng)狀物。在任何情況下，襯底十分有效、迅速地涂覆以高折射率的薄層和不相干的金屬薄層，從而便宜地提供性能大大加強的太陽能控制裝置或部件。
最終的裝置或部件具有十分低的可見光反射率和主要取決于金屬薄膜本性和厚度大的一定程度的可見光透射率。通過將兩層或更多的裝置或部件層疊起來，基本上可以方便地獲得任何所希望的可見光透射率控制。
通過采用不同材料作為合成產(chǎn)品的多種涂層可以進一步改變光學(xué)性能。
本發(fā)明因此提供大為改進的低VLT和低VLR光學(xué)裝置以及有效而又經(jīng)濟地大量制造這些裝置的工藝。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的描述將可以進一步明了本發(fā)明的這些目標(biāo)和其它優(yōu)點。
附圖的簡要說明

圖1為按照本發(fā)明太陽能控制薄膜的較佳實施例的剖面放大圖，它由本發(fā)明的兩個低反射率裝置或部件組成；圖2為圖1合成結(jié)構(gòu)的不同實施例的相似示意圖；圖3為按照本發(fā)明太陽能控制薄膜的較佳實施例的示意圖，它由本發(fā)明的三個低反射率裝置或部件構(gòu)成；正被顯示的薄膜粘附在玻璃或窗口的平板上；圖4為圖3合成結(jié)構(gòu)的不同實施例的相似示意圖；圖5為本發(fā)明和普通太陽能控制薄膜的特性透射和反射譜的比較圖；圖6為本發(fā)明和普通太陽能控制薄膜的特性透射和吸收譜的比較圖；圖7為制造本發(fā)明的低反射率裝置或部件的設(shè)備示意圖；以及圖8為鉍反應(yīng)濺射時逐步增加氧分壓下動態(tài)淀積速率與高氧含量的鉍氧化物中原子比之間的相關(guān)示意圖。
實施發(fā)明的較佳方式以下詳細(xì)描述發(fā)明人目前認(rèn)為是實現(xiàn)其發(fā)明的最佳模式的較佳實施例。
在本說明書和所附權(quán)利要求中所用的術(shù)語含義如下“可見光輻射”或“光線”是指波長介于380-750鈉米的電磁波輻射(CI標(biāo)準(zhǔn))。
“透明”指能夠透射可見光輻射的性能。
“可見光透射”、“可見光透射率”和“縮寫VLT”是意指透射通過透明光學(xué)裝置例如窗口的可見光部分的百分比“可見光反射”、“可見光反射率”和“縮寫VLR”是指被光學(xué)裝置反射的可見光部分的百分比“可見光吸收”、“可見光吸收率”和“縮寫VLA”是意指被光學(xué)裝置吸收的可見光部分的百分比·通常VLT，VLR，VLA之和應(yīng)為100％。
“SC”或“遮擋系數(shù)是窗口系統(tǒng)的太陽能控制能力效率的結(jié)構(gòu)量度。它表示為通過任何給定窗口系統(tǒng)的太陽熱增益與同樣條件下但窗是干凈的的、沒有遮擋的雙強度窗玻璃制成時將發(fā)生的太陽熱增益之比。遮擋系數(shù)越低，窗口控制太陽能的能力越高。給予干凈玻璃的數(shù)值為1.00。小于1.00的SC表示比單面干凈玻璃具有較好的熱衰減。
對金屬層或薄膜的“不相干”意指缺乏相干性，缺少有序的連續(xù)性或排列，由分立的元素組成，不一致，不均勻。
“濺射淀積”或“被濺射淀積的”意指工藝或者工藝的產(chǎn)品，其中利用磁控濺射設(shè)備將材料層淀積在襯底上。
圖1示出按照本發(fā)明的合成太陽能控制薄膜較佳實施例的局部剖面放大圖。在圖1中，標(biāo)號為10的合成薄膜由兩個光學(xué)亞單元、部件或裝置12組成，每個后者由襯底14、高折射率的材料層16和薄而非連續(xù)的不相干、樹枝被狀金屬層18組成。
襯底14可以包括普通用于太陽能控制薄膜的任何透明支撐材料，特別是網(wǎng)狀的柔性聚合物薄膜。較佳的聚合物通常是PET(Polyethylenetherephthalate)薄膜，厚度約為1-2密耳直到50密耳。薄膜的折射率通常在1.4-1.7之間。
層16由折射率大于襯底14的材料構(gòu)成，比較好的是折射率為2.0或以上。同樣比較可取的是，該材料是能相對容易地濺射淀積到襯底上的一種。合適的材料包括普通的鉻氧化物(CrO，CrO2，CrO3)、Nb2O5、TiO2和Si3N4，所有這些都可以直接或者通過反應(yīng)濺射淀積到襯底14上。然而正如下面將要詳細(xì)描述的那樣，作為高折射率層16的比較好的材料是含氧量高的合成Bi氧化物，氧、Bi的原子比(A/R)約為1.7-2.5。普通的Bi氧化物Bi2O3對可見光的吸收率太大，以致不能考慮為光學(xué)材料，無異是乃非層16的候選者。通過在受控氧分偏壓氣氛下濺射Bi，可以形成含氧量高的Bi氧化物，它的吸收率不大，折射率為2.4-2.7。
高折射率材料層16的厚度將隨合成薄膜10所需的VLT和層18所述金屬的厚度變化，所有這些都是相關(guān)的。一般情況下，對于VLT等于或大于20-25％的VLT的合成薄膜，層16的厚度將在0.1-10納米左右的量級，而對于VLT等于或小于20-25％的合成薄膜則將在大約0-50鈉米量級。
對于成功實施本發(fā)明來說，合成薄膜10中每個光學(xué)亞單元或者部件12的屬層18的形成非?？量?。每層18的反射率或者VLR必須與合成薄膜10所需的VLR幾乎相同或合理地相近，并且同時還必須提供合理水平的可見光遮擋效應(yīng)以便讓合理的少量亞單元一起使合成薄膜的VLT將減至所需百分比的VLT上。為了實現(xiàn)這些矛盾的目標(biāo)，每層金屬層18必須是能夠散射、擴散和/或吸收可見光的不相干薄膜，但卻具有足夠的厚度以使部分遮擋或者減少可見光透射過亞單元12。按照本發(fā)明，這可以通過濺射淀積一層所選的金屬薄層來實現(xiàn)。
濺射淀積極薄的層或金屬涂層導(dǎo)致正被演積的金屬成簇狀，很象單塊巖石或森林中的樹木。薄膜或涂層是不相干的并且可以說是樹枝狀卵石狀。金屬不會充滿成為相干、表面平滑的高反射層，猶如一旦淀積持續(xù)至超過一定厚度時交發(fā)生的那樣。一般而言，金屬層厚度不應(yīng)超過20鈉米量級，比較可取的應(yīng)約在1-20鈉米之間，而最好是在2-5鈉米之間，這取決于所需或規(guī)定的VLT。對于本發(fā)明所預(yù)期的低反射率薄膜，該涂層應(yīng)足夠 薄且不規(guī)則，從而使得每層金屬層18的VLR不超過大約12％的量級。
所用金屬比較好的選自金、銀、鉻、鎳及其合金以及不銹鋼。層16和18材料的選擇將決定合成薄膜的顏色。例如，帶有合理欠涂層的銀將傾向于產(chǎn)生藍(lán)色薄膜，而不銹鋼則將傾向于產(chǎn)生灰色薄膜。通過使亞單元或部件12之一采用不同于其他亞單元或部件12所用的材料來制作可以獲得其它變化，這是允許的，因為在合成膜10中該亞單元實際上是彼此相互隔離而且光學(xué)去耦合的。
如圖1所示，兩個亞單元或光學(xué)部件12層疊在一起，其金屬涂層表面彼此并列放置，并被一普通疊層粘合劑的內(nèi)插透明層20隔開。因此在合成結(jié)構(gòu)中，兩個亞單元12的可見光遮擋能力累加在一起并可將合成薄膜的VLT減至所需的水平上。另外還可以采用高折射率的材料層16來補足不相干的金屬薄膜18以進一步減小透射率和/或反射率并/或增加吸收率。這樣折射層16和金屬層18乃相互地、可變化地互相依賴于所期望的結(jié)果，也即規(guī)定的合成薄膜10的VLT，VLR，顏色和暗度。
為了完成窗口薄膜工業(yè)所用的產(chǎn)品，襯底14之一的暴露表面涂有抗劃傷和耐磨損的硬涂層22，而另一襯底14的暴露表面則涂以壓敏粘合劑24以便于將合成薄膜層疊至窗口、鑲有玻璃的單元或其類似物上。在膜使用之前，該壓敏粘合劑24由通常的釋放薄片加以保持和防護。正如技術(shù)中所貫用的那樣，最好是在壓敏粘合劑24中結(jié)合有紫外線吸收添加劑及其類似物。
圖2示出簡化了的圖1合成薄膜的替換物。雖然圖2的替換物不象圖1結(jié)構(gòu)那樣能夠提高對VLT和VLR的相同控制能力，但盡管如此，它包含的實用而便宜的膜，具有合理的低VLT和VLR控制特性，適合于比設(shè)代成圖1結(jié)構(gòu)所需要求少的應(yīng)用場合。由于兩者的結(jié)構(gòu)相似，所以圖2中與圖1相對應(yīng)或相同的元件采用相同的標(biāo)號，只是增加了前綴”a”。正如將經(jīng)看到的那樣，兩種結(jié)構(gòu)的差異在于圖2省略了高折射率材料層16。
對于規(guī)定可見光透射率相對較高(25-50％)，且需要較低但不是極低的可見光反射率(13％)并且不需暗的有色薄膜的太陽能應(yīng)用來說，圖2簡化了的合成結(jié)構(gòu)將是完全足夠適用的。
具有不可少的可見光遮擋效應(yīng)的金屬薄膜可以容易地被濺射淀積成足夠薄而不規(guī)則的層以便提供VLR低至9-10％。作為一個特例，構(gòu)筑成如圖2所示的太陽能控制薄膜具有兩層鉻薄膜18a(每層以2.5nm的厚度濺射淀積在相應(yīng)襯底14a上)產(chǎn)生的合成薄膜，其VLT為45％和VLR為9％。在另一個例子中，鉻層厚度增加到3.5nm以產(chǎn)生VLT為25％而VLR為13％的合成薄膜。和普通具有單個金屬層并且提供25％VLT的太陽能薄膜相比，其VLR將為30％以上。
因此，不管是圖1移動復(fù)雜結(jié)構(gòu)還是圖2的簡單結(jié)構(gòu)，本發(fā)明在可見光反射率和制造成本上具有明顯優(yōu)勢。而且當(dāng)規(guī)范有關(guān)變得比上述更為嚴(yán)格時，可能不得不依賴于將圖1和圖2的結(jié)構(gòu)混合起來，也即兩種控制元件12/12a由圖1更復(fù)雜的濾光片12之一和圖2簡單的單元12app g構(gòu)成。
當(dāng)規(guī)范變得甚至更為嚴(yán)格時，則必須求助于圖3和圖4的結(jié)構(gòu)，其中太陽能薄膜粘合在玻璃平板28上。在圖3和圖4的結(jié)構(gòu)中，通過采用圖1中描述的三種控制單元，使可見光透射率和可見光反射率減至極低的水平。由于部件的相似性和基本上一樣，故用和圖1中相同的標(biāo)號于圖3和4，只是在圖3加上后綴b，而在圖4則加上后綴c。
參見圖3，本發(fā)明的太陽能控制薄膜10b由三個亞單元12b構(gòu)成，每個后者又由聚合物襯底14b、高折射率涂層16b和薄而不相干的金屬薄膜18b構(gòu)成。三個亞單元按這樣的關(guān)系進行安裝，即讓三個金屬表面18b在合成部件10b的內(nèi)部并且通過粘合劑20b的內(nèi)插層彼此層疊在一起。每個粘合劑層的厚度約為0.5-5.0微米。實際上該組件與圖1的相同，只是把第三個亞單元12b夾在原先的兩個亞單元之間。
通過采用3個甚至更多的金屬薄膜18b，可使合成薄膜的VLT減至極低的水平，例如20％或以下，而單獨的薄膜18b可以保持得足夠薄和不規(guī)則，也即呈樹枝狀，從而提供極低的VLR，例如10％或以下。高折射率層16b也有助于獲得極低的VLR，并且無論何時當(dāng)暗度成分所需的特性時，還給層膜以暗度。
壓敏粘合劑24b層提供于合成薄膜的外表面14b之一上面以粘合在窗口28上，并提供抗劃傷和耐磨的硬涂層22b于另一外表面14b上以防在沖洗窗口時不會損壞。
合成薄膜10b一般將粘合在窗口28的內(nèi)表面上或房間一側(cè)。如圖3和圖4所示，窗口的右側(cè)表面是內(nèi)表面或房間一側(cè)，其上粘有合成膜，而左側(cè)表面則面向門外。在圖3中，內(nèi)部或中央亞單元12b的金屬層18b面對著玻璃或窗口的平板28，從而使窗口的室內(nèi)和室外的反射率相同，也即VLR(玻璃)＝VLR(房間)。
圖4所示的合成薄膜10c與圖3所示的合成薄膜10b相同，除了內(nèi)部或中央的亞單元12c是相反的以外，也即使金屬表面18c面向室內(nèi)。這導(dǎo)致組件玻璃一側(cè)的VLR降低而略微增加室內(nèi)一側(cè)的VLR，也即VLR(玻璃)＜VLR(房間)。因此通過如圖4所示那樣對亞單元進行定向，可以使外部反射率VLR(玻璃)比圖3組件的降低幾個百分點。
如上結(jié)合圖2對圖1太陽能薄膜的更改所討論那樣，當(dāng)規(guī)范規(guī)定最終產(chǎn)品允許省略高折射率層時，則圖3和4中16b、16c的一層、兩層或全部均可加以省略。
為了將本發(fā)明的太陽能控制薄膜與現(xiàn)有通用太陽能控制薄膜進行評比，采用和通用太陽能控制薄膜相同的PET作襯底并濺射沉積相同的不連續(xù)的鉻層層，且省略氧化物或高折射率預(yù)涂層來制造樣品。于是將鉻涂層薄膜疊加在粘合劑上以形成圖2所示由兩個襯底與兩層鉻組成的合成薄膜樣品(稱作DC2)以及如圖3所示，由三個襯底和三層鉻組成的合成薄膜樣品(稱作TCr)。按照圖1還制備了一種樣品(稱作DCr1)。這些薄膜隨后經(jīng)過VLR和VLA特性測試，并與有的通用太陽線薄膜進行比較。
本發(fā)明的受讓人加洲圣地亞哥的沉積公司制造了各種太陽能控制薄膜，它們由涂覆單層金屬的聚合物襯底構(gòu)成，這些金屬包括Ti不銹鋼(SS)、或銦康(in cone)或NiCr，以及多層膜，并且以Solar Bronze的商標(biāo)出售，它由聚合物襯底、不銹鋼薄層、銅薄層和不銹鋼薄層組成。這些薄膜每種均以許多不同的質(zhì)量等級出售，具有不同的可見光透射率成阻擋特性。通常用光線阻擋效率來衡量質(zhì)量等級，也即當(dāng)solar Bronze膜具有的可見光透射率在25％而可見光阻擋能力為75％時標(biāo)識為“75SB”。同樣，“75Ti”和“75SS”分別標(biāo)識涂鈦和不銹鋼并且可見光阻擋能力各為75％而可見光透射率各為25％的產(chǎn)品。
為了區(qū)分研究開發(fā)和試驗階段其間的目的，本發(fā)明的太陽能層膜則以不同的符號加以標(biāo)識，也即用兩位數(shù)標(biāo)識可見光透射率而不是阻擋能力。這樣，“DCr2-45”薄膜是一種按照圖2構(gòu)造并且具有45％VLT的膜。同樣，”Tcr-30”薄膜是一種具有三層不連續(xù)的鉻層(無氧化物預(yù)涂層)，且VLT為30％的膜。
測試結(jié)果清楚地表明，本發(fā)明的薄膜在降低VLR方面的效果，正如以下比較所示。
薄膜類型VLT VLR VLA SCSB50451936-46SS500 1436-67Ti50491535-64NiCr50 441541-59DCr2-45 449 47-66SB75233544-27SS75233048-41Ti75233048-41NiCr75 203149-37DCr2-25 231364-52DCr1-20 201268TCr30 3010.5 59-56TCr20 2010.5 69-49本發(fā)明的效果還可以用圖5和圖6加以證明，它們分別比較了若干太陽能薄膜有不同可見光透射(VLD)下可見光反射率(VLR)和吸收率的情況。圖中說明對本發(fā)明太陽能薄膜的測試結(jié)果，包括由三層鉻膜構(gòu)成的“TCr”，按圖2所示由兩層鉻膜“DCr2”構(gòu)成的以及按圖1的兩層鉻膜組成的“DCr1”，并且相互以及與鈦薄膜“Ti”和Solar Bronze薄膜“SB”進行比較。不銹鋼和鎳/鉻薄膜的曲線與”Ti”的非常相似，因而為清楚起見予以省略。
如圖所示，本發(fā)明的太陽能薄膜與通用薄膜相比，具有小得多的反射率和大得多的吸收率。該圖還說明，采用三層金屬而不是兩層金屬可降低VLR，而通過加入高折射率層還可以進一步降低。
如前述表格的數(shù)據(jù)同樣表明的那樣，本發(fā)明的太陽能薄膜的屏蔽系數(shù)“SC”與通用薄膜相比，即使僅由實驗樣品確定，也保持在相當(dāng)好的水平上。而開發(fā)高折射率材料層將進一步改善此屏蔽系數(shù)。
除了性能極大改善以外，本發(fā)明的太陽能薄膜采用普通的磁控濺射設(shè)備和普通的薄膜疊加設(shè)備可以非常有效而經(jīng)濟地生產(chǎn)。濺射設(shè)備用來生產(chǎn)太陽能控制亞單元12、12a，12b和12c，然后將它們組裝和疊加在一起成前述任何一種取向。
適合濺射形成亞單元的設(shè)備形式之一示意說明于圖。
該設(shè)備由真空室40構(gòu)成，上面裝備有抽真空用的設(shè)施(未示出)以及向真空室或室的被選部分引進諸如氬一類隋性氣體，和/或諸如氧一類氣體(準(zhǔn)備與靶材料反應(yīng)以沉積反應(yīng)涂層于網(wǎng)狀物，例如靶材料的氧化物)的設(shè)施42和43。該真空室配備有未繞的卷軸46，因此接受待涂的連續(xù)網(wǎng)狀對應(yīng)材料的滾筒以及待繞的卷軸48，因此纏繞上面已有涂層的網(wǎng)狀襯底材料。襯底網(wǎng)狀物可包括通常用于濺射操作的任何材料，例如，PET一類聚合物。正如虛線所示，網(wǎng)狀物50由多個導(dǎo)滾52引導(dǎo)進入至通過至少一個，最好兩個涂覆臺。在所示的設(shè)備中，涂覆以沿著網(wǎng)狀物行進方向，依次包括第一濺射積分56和第二濺射沉積臺58。
配備速度可變的網(wǎng)狀物驅(qū)動系統(tǒng)(未示出)將網(wǎng)狀物以取決于所希涂覆特性的預(yù)選速度輸送通過涂覆臺。通常將精簡網(wǎng)狀物全部涂覆上，隨后移出真空室。
兩個淀積臺56和58最好的具有相同的構(gòu)造并分別包括內(nèi)部激冷的旋轉(zhuǎn)鼓56a，58a，長直徑相對較大，用于支撐和冷卻網(wǎng)狀物，以及一個或多個磁控陰極，用以濺射沉積涂層于網(wǎng)狀物上56b，58b。每個陰極承載著材料靶56c，58c，它受到離子轟擊而沉積到網(wǎng)狀物50上。
為了實現(xiàn)本發(fā)明，用擋板59把兩個淀積臺相互隔離從而可以在兩個臺上進行不同的濺射操作，但全在同一其空室內(nèi)，且均單次通過網(wǎng)狀物。在本發(fā)明的較佳實施例中，第一站臺56用以注積高折射率于材料的層16，16b或16c于襯底，而第二臺58則用來淀積不連續(xù)金屬薄膜18，18a，18b或者18c，從而使襯底從未繞卷軸到待繞卷軸一次通過使形成亞單元12，12a，12b或12c。
順著流動方向，從每個站臺56、58配備上光學(xué)監(jiān)視器62a，62b用以監(jiān)控每項涂層操作，并確保襯底上涂層合適的厚度和成分。
如上所述，在第二站臺待淀積的材料是非常薄面不連續(xù)的金屬或合金薄膜，比較好的是金、銀、鎳和鉻及合金以及不銹鋼。這些金屬的濺射非常直接，特別是由于薄膜的厚度，也即1-29納米，所以實現(xiàn)起來容易而且快速。金屬最好在惰性氣體分壓氣氛下濺射，惰性氣體經(jīng)入口43引入基本上封閉的站58。
光學(xué)薄膜中通常采用的高折射率材料均淀積較慢且難，特別是折射率最高的鈦氧化物。為了增強氧化物的沉積速率以保持與金屬膜的同步，可證明有必要增加站臺56的磁控陰極數(shù)和/或添加另外的氧化物淀積臺于56和58之間。大家知道，高折射率化合物可用其自身作靶56c，或在反應(yīng)氣體(例如O2，和/或N2，通過入口42引入站臺56)分壓氣氛下金屬靶自身可以反應(yīng)濺射。即使這樣，由于TiO2在襯底上的淀積速率如此之慢，造成工藝冗長，而最終產(chǎn)品如此昂貴，以致從生產(chǎn)經(jīng)濟考慮，可決定改用其它的氧化物和氮化物，即使折射率明顯低于所需的。
雖然文獻(xiàn)上報導(dǎo)Bi2O3用于遠(yuǎn)紅外范圍，但由于其在可見光波譜中的高吸收，而未被考慮作為可見，因此通用太陽能薄膜市場上并沒有找到它的應(yīng)用。
本發(fā)明的提出部分在于發(fā)現(xiàn)，含氧量高(x＞＝1.7)的合成BiOx薄膜對光的吸收不強，并提供堪與TiO2相比的極高折射率。更重要的是，在本發(fā)明的工藝中，合成BiOx的淀積速率是TiO2的25倍或以上，從而在經(jīng)濟上可以接受并且性能更好。
淀積BiOx薄膜可以通過反應(yīng)濺射淀積、反應(yīng)蒸發(fā)淀積和真空電弧淀積來實現(xiàn)，但是如圖7所示目前比較好的是采用反應(yīng)濺射淀積。特別是靶56c由Bi構(gòu)成并且在氧分壓氣氛下濺射，可改變氧分壓以獲得合成鉍氧化物具有氧與Bi的原子比至少為1.7-2.5，也即BiOx(x＝1.7-2.5)。
襯底50上淀積的合成BiOx(x＝1.7-2.5)膜的厚度可以根據(jù)所希性能從大約0.1-50nm之間變化。推薦的厚度變化范圍是對于VLT＝＞35％的太陽能薄膜是0.1-10nm，對于VLT＝＜35％的太陽能薄膜是10-50nm。生長速率一般從20英尺/分鐘(fpm)到50fpm視膜厚而定。對于大多數(shù)由本發(fā)明實現(xiàn)的應(yīng)用，能夠接受的是以50fpm生產(chǎn)40納米厚的薄膜。
但是所需Bi的氧化程度也將進入生產(chǎn)方程。圖8包括合成氧化鉍BiOx的反應(yīng)濺射淀積速率、氧與Bi的原子比以及濺射真空室內(nèi)氧分壓之間的相互關(guān)系。在圖8中，氧分壓(OPP)沿著橫坐標(biāo)作圖，動態(tài)淀積速率(DDR)沿著左邊的縱坐標(biāo)作圖，而原子比(AR)沿著右側(cè)的縱坐標(biāo)。下降的曲線為DDR而AR則為上升曲線。DDR從兩次測試中計算得到。AR由氦離子束盧瑟福背散射測量和俄歇電子譜剖面確定，以通常的Bi2O3體材料作為校對標(biāo)準(zhǔn)。出于未知的原因，俄歇譜剖面總是比盧瑟福背散射產(chǎn)生的AR多，尤其高AR值。盡管如此，值得指出的是隨著OPP的增加，AR增加并且當(dāng)AR等于或超過1.7時薄膜變得清晰起來。
正如圖8所示，AR為1.8的BiOx約在氧分壓為7.5E-ST(7.5×10-5Torr)和DDR約為3.5nmXcm**2/j(用厚度nm乘以面積cm2除以能量示)下淀積；而AR為2.5的BiOx可以在OPP為12E-5T和DDR約為2.5nmXcm**2/j下產(chǎn)生。相反，TiO2的反應(yīng)濺射的DDR一般為0.1nmXcm**2/j。因此，本發(fā)明提供的合成BiOx(x＝＞1.7)淀積速率是TiO2的25-35倍，這在經(jīng)濟上很有價值，特別是由于其折射率指標(biāo)基本相同。而且，BiOx淀積速率的提高便于氧化物以金屬沉積時相同的網(wǎng)狀物速度進行沉積，從而為本發(fā)明太陽能控制薄膜提供十分經(jīng)濟的生產(chǎn)。
考慮到生長速率和所有涂層質(zhì)量，比較好的AR將在1.8-2.2之間。
俄歇譜剖面測量表明，襯底上的BiOx涂層非常均勻。掃描電子顯微鏡在50000倍下進一步表明，增加OPP以產(chǎn)生AR為1.7或以上的BiOx的薄膜，其涂層表面變得極其光滑和均勻，從而顯著減少吸收，并為本發(fā)明的實施提供理想的高折射率膜。
本發(fā)明由此提供經(jīng)濟地大量制造具有低可見光透射率和低可見光反射率的高度耐用的太陽能控制薄膜。
因此，業(yè)已表明以方便、經(jīng)濟和實用的方式獲得了本發(fā)明的目標(biāo)和優(yōu)點。
雖然此處說明并描述了本發(fā)明的較佳實施例，但要明白，其中可以進行各種變化，重新布置和頁改而不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種太陽能控制薄膜，它具有低可見光透射率和低可見光反射率，其特征在于包括第一透明襯底材料片，其上薄而不相干的透明金屬薄膜有效地部分遮擋可見光的透射，并且具有預(yù)選的可見光反射率；第二透明襯底材料片，其上薄而不連貫的透明金屬薄膜有效地部分遮擋可見光的透射，并且具有預(yù)選的可見光反射率；以及粘結(jié)劑層，它將所述第一片與第二片結(jié)合起來，它們的金屬薄膜相互面對并且彼此隔開和光學(xué)去耦，被結(jié)合的片形成合成薄膜，其可見光透射率阻擋效應(yīng)接近等于不相干薄膜阻擋效應(yīng)之和，而可見光反射率基本上剛好等于其中一個不相干薄膜的可見光反射率，每個不相干薄膜的可見光反射率當(dāng)可見光透射率約為50％或以下時使合成薄膜的可見光反射率不超過大約12％，當(dāng)可見光透射率約為35％或以下時不超過大約15％，而當(dāng)可見光透射率約為25％或以下時不超過大約20％。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能控制薄膜，其特征在于，所述襯底材料片中至少有一個承受有高折射率的材料層束襯底與不相干金屬薄膜之間以進一步控制合成薄膜的可見光透射率和可見光反射率。
3.如權(quán)利要求2所述的太陽能控制薄膜，其特征在于高折射率材料選自氮化硅、鉻、鈮和鈦的氧化物，以及鉍的合成氧化物，后者的氧與鉍的原子比約在1.7-2.5之間。
4.如權(quán)利要求1所述的太陽能控制薄膜，其特征在于薄而不相干的金屬薄膜選自金、銀、鎳、鉻及其合金以及不銹鋼。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽能控制薄膜，其特征在于包括第三透明襯底材料薄片，其上薄而不相干的透明金屬薄膜有效地部分遮擋可見光的透射，并且具有如其它不相干薄膜基本相同的低可見光反射率，將所述第三片夾在并且實際上結(jié)合在所述第一和第二片之間，使其上的不相干金屬薄膜與所述第一和第二片的不相干金屬薄膜互相隔開并且光學(xué)去耦。
6.如權(quán)利要求5所述的太陽能控制薄膜，其特征在于所述襯底材料片的一片、兩片或全部承受有高折射率的材料層于襯底與不相干金屬薄膜之間以進一步控制合成薄膜的可見光透射率和可見光反射率。
7.如權(quán)利要求1所述的太陽能控制薄膜，其特征在于包括一層位于合成薄膜一側(cè)的壓敏粘合劑，用來將其與窗戶結(jié)合，而在合成薄膜另一側(cè)面上的保護涂層則用以防止薄膜的損傷。
8.一種太陽能控制薄膜，它具有低可見光透射率和低可見光反射率，其特征在于包括第一透明襯底材料片，其上有高折射率材料的薄透明層和疊蓋在高折射率材料上面的薄而透明的不相干金屬涂層薄膜，后者有效地部分遮擋可久光透射通過被涂覆的襯底且具有預(yù)選的可見光反射率；第二透明襯底材料片，其上有高折射率材料的薄透明層和疊蓋在高折射率材料上面的薄而透明的不相干金屬薄膜涂層，后者有效地部分遮擋可見光透射穿過被涂覆的襯底，并且具有預(yù)選的可見光反射率；以及粘結(jié)劑層，它將所述第一片與第二片結(jié)合起來，它們的金屬薄膜相互面對并且彼此隔開和光學(xué)去耦，被結(jié)合的片形成合成薄膜，其可見光透射率阻擋效應(yīng)接近等于諸不相干薄膜阻擋效應(yīng)之和，而可見光反射率基本上剛好等于其中一個不相干薄膜的可見光反射率，每個不相干薄膜的可見光反射率當(dāng)可見光透射率小于大約25％時使合成薄膜的可見光反射率不超過大約20％，當(dāng)可見光透射率小于大約35％時不超過大約15％，而當(dāng)可見光透射率高至大約50％時不超過大約12％。
9.如權(quán)利要求8所述的太陽能控制薄膜，其特征在于包括第三透明襯底材料薄片，其上薄而不相干的透明金屬薄膜有效地部分遮擋可見光的透射，并且具有如其它不相干薄膜相同的低可見光反射率，將所述第三片夾在并且實際上結(jié)合在所述第一和第二片之間，使其上的不相干金屬薄膜與所述第一和第二片的不相干金屬薄膜互相隔開并且光學(xué)去耦。
10.如權(quán)利要求8所述的太陽能控制薄膜，其特征在于高折射率材料包括反應(yīng)淀積在襯底上的合成氧化鉍，其中氧與鉍的原子比在1.7-2.5之間。
11.如權(quán)利要求8所述的太陽能控制薄膜，其特征在于高折射率材料選自鉻、鈮和鈦的氧化物以及氮化硅。
12.一種具有低可見光透射率和低可見光反射率的太陽能控制薄膜的制造方法，其特征在于包括以下步驟在透明襯底上淀積一層薄而不相干的透明金屬涂層它有效地部分遮擋透射過襯底的可見光，并且足夠薄而不相于以及具有預(yù)選的可見光反射率；將多個涂層的襯底如此裝配成合成薄膜俾使合成薄膜的薄而不相干的透明金屬涂層在內(nèi)部相互面對，并且彼此隔開和光學(xué)去耦，而且使得諸金屬涂層一起提供的聯(lián)合可見光阻擋效應(yīng)足以提供通過合成薄膜預(yù)選的低可見光透射率水平，以及將諸涂層襯底疊加起來以提供一合成薄膜，其聯(lián)合的可見光透射率阻擋效應(yīng)接近等于諸不相干薄膜阻擋效應(yīng)之和，而可見光反射率基本上剛好等于其中一個不相干薄膜的可見光反射率，每個不相干薄膜的可見光反射率使得當(dāng)可見光透射率小于大約25％時合成薄膜的可見光反射率不超過大約20％，當(dāng)可見光透射率小于大約35％時不超過大約15％，而當(dāng)可見光透射率高至大約50％時不超過大約12％。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，將涂覆的襯底彼此疊加，并通過一個或多個粘合劑內(nèi)插層使彼分隔和光去耦。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，包括在襯底上首先淀積高折射率材料的薄透明層并隨后在高折射率材料上淀積金屬涂層。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于高折射率材料的折射率至少為2.0。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于包括在襯底上反應(yīng)濺射淀積合成的氧化鉍，其中氧與鉍的原子比為1.7-2.5，隨后在合成的氧化鉍上淀積薄的金屬涂層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種太陽能控制薄膜，它包括第一透明襯底材料片，其上薄而不相干的透明金屬薄膜有效地部分遮擋可見光的透射，并且具有預(yù)選的可見光反射率；第二透明襯底材料片，其上薄而不連貫的透明金屬薄膜有效地部分遮擋可見光的透射，并且具有預(yù)選的可見光反射率；以及粘結(jié)劑層，它將所述第一片與第二片結(jié)合起來，它們的金屬薄膜相互面對并且彼此隔開和光學(xué)去耦。
文檔編號F21V9/06GK1169127SQ95196693
公開日1997年12月31日 申請日期1995年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月1日
發(fā)明者P·Y·揚 申請人:沉淀技術(shù)股份有限公司