金屬鉻在雙銀膜層設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱宏剛

（天津北玻玻璃工業(yè)技術(shù)有限公司 天津 301800）

0 引言

作為節(jié)能建筑材料，Low-E玻璃的節(jié)能特性與普通玻璃及熱反射鍍膜玻璃相比，Low-E玻璃對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射具有極高的反射率。在有效減少室內(nèi)外熱傳遞的作用下，可保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，對(duì)減少建筑加熱或制冷能耗，起到了非常優(yōu)秀的節(jié)能降耗作用。

目前離線(xiàn)鍍膜產(chǎn)品按照功能層數(shù)量主要分為：?jiǎn)毋y、雙銀和三銀三種類(lèi)型。單銀產(chǎn)品外觀(guān)顏色一致性最佳，其次為雙銀產(chǎn)品，最后為三銀產(chǎn)品。究其主要原因，隨著銀層數(shù)量的增加，膜層整體厚度及復(fù)雜程度顯著提高。由于光的干涉和反射效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)鍍膜產(chǎn)品偏角色現(xiàn)象，膜層越厚越明顯。雙銀產(chǎn)品的節(jié)能性明顯優(yōu)于單銀產(chǎn)品但略遜色于三銀產(chǎn)品；其偏角色現(xiàn)象明顯優(yōu)于三銀產(chǎn)品且生產(chǎn)可控性遠(yuǎn)高于三銀產(chǎn)品。因此，雙銀產(chǎn)品在目前高端幕墻上得到了最廣泛的應(yīng)用，占據(jù)了離線(xiàn)鍍膜產(chǎn)品的主要市場(chǎng)。

但是雙銀產(chǎn)品也存在著一定缺點(diǎn)，它始終無(wú)法克服偏角色變化視覺(jué)輕易可區(qū)分的弊端。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能要求的逐步提高，玻璃幕墻亟待一些高端產(chǎn)品。本文以光學(xué)理論為基礎(chǔ)在雙銀結(jié)構(gòu)中引入金屬鉻膜層試圖改變常規(guī)雙銀膜層結(jié)構(gòu)，從而改變光在膜層中微觀(guān)干涉及反射途徑，從而探索對(duì)雙銀偏角色及性能提高的可行性。

1 Low-E玻璃

1.1 偏角變色

Low-E玻璃顏色會(huì)隨著觀(guān)察角度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為偏角變色現(xiàn)象。偏角變色是由于觀(guān)察角度隨著遠(yuǎn)離法線(xiàn)逐漸增大，入射光線(xiàn)在膜層中走過(guò)的路徑逐漸增加，反射光線(xiàn)的疊加情況逐步變化，進(jìn)而顏色逐漸變化。偏角色現(xiàn)象原理如圖1所示。若光線(xiàn)以任何非垂直的角度入射，從基片表面反射回來(lái)的ABC光線(xiàn)所傳播的路徑都要比垂直反射EFE光線(xiàn)長(zhǎng)，通過(guò)薄膜n2后產(chǎn)生了光程差。若光程差是對(duì)應(yīng)l/2的奇數(shù)倍則發(fā)生相消干涉，若是偶數(shù)倍會(huì)發(fā)生相長(zhǎng)干涉。隨著入射角度逐步變大，光程差也在改變，那么光線(xiàn)的疊加在相消干涉和相長(zhǎng)干涉間變化。

圖1 偏角色現(xiàn)象原理

1.2 折射

光線(xiàn)在界面上不僅會(huì)發(fā)生反射，還會(huì)發(fā)生折射。當(dāng)光線(xiàn)穿過(guò)一種介質(zhì)（透明、非金屬）進(jìn)入另一種介質(zhì)，一些光線(xiàn)會(huì)穿透它并進(jìn)入第二種介質(zhì)，也會(huì)有一部分在交界面上發(fā)生反射。若第二介質(zhì)的折射系數(shù)低于第一介質(zhì)的折射系數(shù)，即n2＜n1，那么反射光線(xiàn)就不會(huì)發(fā)生相位變化，如圖2所示。若第二種介質(zhì)的折射系數(shù)高于第一種，即n2＞n1，那么反射光線(xiàn)就會(huì)發(fā)生180°的相位變化。這就相當(dāng)于光線(xiàn)的傳播距離至少增加了半個(gè)波長(zhǎng)，如圖3所示。

圖2 無(wú)相變化

圖3 相位反轉(zhuǎn)

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 基片清洗

本實(shí)驗(yàn)試樣基片采用6 mm新鮮浮法玻璃原片，通過(guò)鍍膜線(xiàn)專(zhuān)用清洗機(jī)用高潔凈去離子水清洗及烘干。清洗過(guò)程中對(duì)于玻璃基片表面潔凈度要求非?？量?，由于離線(xiàn)Low-E膜厚一般小于400 nm，附著在玻璃基片上表面的哪怕是很小的臟污都會(huì)對(duì)后續(xù)膜層的耐久性及加工性產(chǎn)生影響。附著在玻璃表面的臟污會(huì)向膜層內(nèi)遷移，對(duì)膜層造成不同程度的破壞。

2.2 實(shí)驗(yàn)試樣膜層設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)釉O(shè)計(jì)采用以下三種：

膜結(jié)構(gòu)一：

膜結(jié)構(gòu)二：

膜結(jié)構(gòu)三：

玻璃/SiAlNx/ ZnAlOx/ Ag/NiCr/AZO/SiAlNx/ ZnAlOx/Ag/NiCr/AZO/Cr/SiAlNx

在固定除金屬鉻層外其它膜層厚度的情況下，通過(guò)改變鉻層在不同膜結(jié)構(gòu)中的厚度制備一系列鍍膜試樣，而后測(cè)量所有樣品的光學(xué)數(shù)據(jù)及熱力學(xué)數(shù)據(jù)；通過(guò)數(shù)據(jù)分析金屬鉻在實(shí)際膜層設(shè)計(jì)中是否有正向作用。

2.3 試樣制備

基片經(jīng)過(guò)清洗風(fēng)干后利用北玻集團(tuán)自主研發(fā)的超大玻璃鍍膜生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行試樣制備。

A系列試樣制備：在膜結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上，設(shè)定金屬Cr膜層厚度從1 nm開(kāi)始以1 nm的幅度逐步加厚直至5 nm制備5種試樣；

B系列試樣制備：在膜結(jié)構(gòu)二的基礎(chǔ)上，設(shè)定金屬Cr膜層厚度從1 nm開(kāi)始以1 nm的幅度逐步加厚直至5 nm制備5種試樣；

C系列試樣制備：在膜結(jié)構(gòu)三的基礎(chǔ)上，設(shè)定金屬Cr膜層厚度從1 nm開(kāi)始以1 nm的幅度逐步加厚直至5 nm制備5種試樣。

2.4 試樣光學(xué)性能測(cè)試

將A、B、C系列樣品及基準(zhǔn)樣使用離線(xiàn)鍍膜生產(chǎn)線(xiàn)在線(xiàn)光度計(jì)（北京奧博泰生產(chǎn)Filmstar6300）進(jìn)行可見(jiàn)光范圍內(nèi)數(shù)據(jù)掃描。每塊樣品可分別獲得玻面10°角顏色數(shù)據(jù)：Lg、a*g、b*g及玻面45°角顏色數(shù)據(jù)：Lg45°、a*g45°、b*g45°兩組數(shù)據(jù)。將每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)顏色值的45°角玻面顏色數(shù)據(jù)與10°角玻面顏色數(shù)據(jù)取差值得到偏角色數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 試樣顏色對(duì)比

3 數(shù)據(jù)分析

樣品偏角色數(shù)據(jù)對(duì)比曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出：金屬鉻分別在A、B、C三種結(jié)構(gòu)中從1 nm逐步遞增至5 nm時(shí)，DLg、Da*g、Db*g數(shù)值呈現(xiàn)不同幅度變化。建筑玻璃鍍膜產(chǎn)品由于玻璃安裝后，觀(guān)察者與玻璃表面的法線(xiàn)夾角存在隨機(jī)變化，作為使用者自然希望鍍膜玻璃在不同角度觀(guān)察顏色均不發(fā)生改變。但是，由于雙銀產(chǎn)品的膜層總厚度一般都超過(guò)120 nm，因此，不同角度光在膜層中的反射與折射是明顯存在的。從生產(chǎn)及使用經(jīng)驗(yàn)上，希望雙銀產(chǎn)品偏色趨勢(shì)Da*g為-0.5～-2，Db*g為-1～-3最佳。通過(guò)對(duì)比，B系列結(jié)構(gòu)全部樣品均符合要求。

究其原因：主要是金屬鉻處于兩層銀中間，將原本介于兩層銀層之間較厚的介質(zhì)層一分為二，改變了光在雙銀中間介質(zhì)層的傳播路徑，而中間介質(zhì)層對(duì)雙銀偏角色變化起著決定性作用。另外，從膜層設(shè)計(jì)角度看，如果以金屬鉻層為分界線(xiàn)，兩側(cè)的膜層結(jié)構(gòu)是接近對(duì)稱(chēng)的，光在較為對(duì)稱(chēng)的介質(zhì)路徑中傳播會(huì)削弱光學(xué)干涉及折射效果，最終達(dá)到偏角色變化趨于最小值。

圖5為樣品可見(jiàn)光玻面反射（Rg）和膜面反射（Rf）在各結(jié)構(gòu)中隨著鉻金屬層厚度變化的曲線(xiàn)。

從圖5中可以看出：

在A結(jié)構(gòu)中玻面反射（Rg）隨著鉻金屬層厚度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的變化，但整體反射率低于基準(zhǔn)樣品。而膜面反射（Rf）隨著鉻金屬層厚度的增加呈現(xiàn)逐步升高且任意情況下均高于基準(zhǔn)樣品。

在B結(jié)構(gòu)中玻面反射（Rg）隨著鉻金屬層厚度的增加逐步升高且任意情況下均高于基準(zhǔn)樣品。而膜面反射（Rf）隨著鉻金屬層厚度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的變化，但整體反射率低于基準(zhǔn)樣品。

在C結(jié)構(gòu)中玻面反射（Rg）隨著鉻金屬層厚度的增加逐步升高且在最后C5點(diǎn)略高于標(biāo)準(zhǔn)樣品。而膜面反射（Rf）隨著鉻金屬層厚度的增加呈現(xiàn)逐步升高且任意情況下均高于基準(zhǔn)樣品。

浮法玻璃原片的可見(jiàn)光反射率一般為7%～8%，當(dāng)浮法原片涂覆Low-E膜層后玻面或膜面任意面反射率均大于4%；只有少部分產(chǎn)品的某一面反射率會(huì)達(dá)到4%左右。從理論上看，當(dāng)某一鍍膜產(chǎn)品的反射率低于浮法原片反射率時(shí)，就可以理解為具備減反功能。在實(shí)際使用過(guò)程中，一些客戶(hù)希望建筑玻璃外表面光鮮亮麗而另一些客戶(hù)希望建筑反射色柔和，因此反射率的適用范圍比較廣，10%～30%不等。但是對(duì)于建筑玻璃室內(nèi)反射，無(wú)論是設(shè)計(jì)師還是使用者都希望越低越好。在實(shí)際使用過(guò)程中也嘗試室內(nèi)片用減反射玻璃，但由于成本過(guò)高很難得到普及。單面減反射玻璃反射率一般為4%～5%，而雙面減反射玻璃反射率為0.8%～1.5%。

在B結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)各層物質(zhì)膜厚進(jìn)行綜合調(diào)整，最終獲得一灰色系雙銀產(chǎn)品，其玻面反射率及膜面反射率見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化樣品顏色數(shù)據(jù)

表2相關(guān)膜厚：

玻 璃/SiAlNx（ 40 nm）/ZnAlOx（19 nm）/Ag（10.9 nm）/NiCr（0.5 nm）/AZO（10 nm）/SiAlNx（ 24.7 nm）/Cr（3.7 nm）/SiAlNx（40 nm）/ZnAlOx（18.9 nm）/Ag（11.3 nm）/NiCr（0.5 nm）/AZO（17 nm）/SiAlNx（23 nm）

表2數(shù)據(jù)表明：當(dāng)金屬鉻位于中間介質(zhì)層時(shí)，通過(guò)對(duì)每層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終可獲得一款中性灰色系雙銀產(chǎn)品且偏角色變化最大值僅為-1.4（△a*g），屬于肉眼難以區(qū)分的色差范圍，同時(shí)膜面反射可降低至1.3%，減反效果達(dá)到雙面減反玻璃效果。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬鉻位于雙銀中間介質(zhì)層可大幅度減小雙銀偏角色變化，可用于改善雙銀外觀(guān)顏色使用；金屬鉻位于雙銀中間介質(zhì)層，通過(guò)對(duì)雙銀其它膜層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可降低膜面反射，達(dá)到減反效果。