在線Low-E鍍膜玻璃膜層顏色變化與光學(xué)厚度的調(diào)整

李清華 劉衛(wèi)東 馬玉聰

（1. 中國(guó)耀華玻璃集團(tuán)有限公司 秦皇島 066000； 2. 秦皇島耀華玻璃技術(shù)開發(fā)有限公司 秦皇島 066000； 3. 河北省鍍膜玻璃技術(shù)創(chuàng)新中心 秦皇島 066000）

0 引言

光的顏色是否可以看見是由它的波長(zhǎng)決定的。透明體的顏色由它透過的色光決定（透過什么顏色的光物體就成什么顏色）；不透明體的顏色由它反射的色光決定（什么顏色反射什么顏色的光）。透明膜層反射的顏色由膜層的波長(zhǎng)決定，因此控制了膜層的光學(xué)厚度就達(dá)到了調(diào)整膜層顏色的目的。

1 在線Low-E的膜層結(jié)構(gòu)

用化學(xué)氣相沉積方法（CVD法）可以在玻璃表面鍍上一層摻氟氧化錫膜層。該膜層摻雜氟的濃度很低，摩爾比大約1%，用于在氧化錫膜層中產(chǎn)生導(dǎo)帶電子。這些自由的電子能夠反射紅外輻射，幾乎使窗戶的熱絕緣性加倍。一層330 nm厚度的氧化錫膜可以反射超過總熱量的80%，并且比較厚一點(diǎn)的膜層的反射率可高達(dá)90%。

該膜層在反射紅外線熱能的同時(shí)，允許可見光和紫外線透過，同時(shí)該膜層的外觀為中性顏色和高透明度。一般在6 mm凈色玻璃基片上鍍上330 nm厚的摻氟氧化錫膜層透過可達(dá)到82%，霧度小于1。因該膜層具有反射紅外作用，因此把該膜層叫功能層。

氧化錫膜是透明的，但用這樣的單層膜會(huì)在玻璃表面顯示出很明顯的像油污般虹彩。同時(shí)由于鈉鈣硅玻璃里的鈉離子擴(kuò)散作用，會(huì)使鈉離子擴(kuò)散到摻氟氧化錫膜層，導(dǎo)致膜層性能減弱。

入射光在薄膜的上表面和下表面發(fā)生反射，反射的兩束光會(huì)發(fā)生干涉。當(dāng)兩束光的光程差為入射光的波長(zhǎng)的一半的偶數(shù)倍，則干涉后的光增強(qiáng)，就是目測(cè)看到的顏色；如果光程差為入射光的波長(zhǎng)的一半的奇數(shù)倍，則干涉后的光相互抵消減弱，這部分光就看不到了。光程差與薄膜的光學(xué)厚度有關(guān)。

因此有必要在玻璃和功能層之間鍍上一層膜層，該膜層作用是遮蓋鈉離子和抑制虹彩。

如果光線垂直入射，那么光譜反射率達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為：

式中：d——膜層厚度；

n——真實(shí)折射系數(shù)；

l——選定的波長(zhǎng)；

z——干涉序列數(shù) 0,1,2,3,……。

膜層厚度的增加會(huì)導(dǎo)致反射率和色差的提高，這就降低了減反射的效果。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通常的做法是把膜層嵌入可見光范圍內(nèi)吸收率很低的兩層介質(zhì)膜層中間。對(duì)于較厚 SnO2膜來說， 鈉離子擴(kuò)散中間阻擋層也可以同時(shí)當(dāng)作鍍膜生產(chǎn)中的一個(gè)行之有效的減反射膜。它的光學(xué)厚度nsz·d應(yīng)當(dāng)是l/4，且它在可見光范圍內(nèi)的真實(shí)折射系數(shù)nsz應(yīng)滿足公式：nsz＝ （n2·nG）?。

當(dāng) SnO2∶F 膜的真實(shí)折射系數(shù)n2＝1.87 而且玻璃的指數(shù)nG＝1.52 時(shí)，可以得到中間層所要求的折射系數(shù)nSZ＝1.69。

當(dāng)l取550 nm的對(duì)視覺比較舒適的綠光時(shí)，得到遮蓋層厚度為81 nm。

圖1為消除色差原理圖。

圖1 消除色差原理

以合適比例的單丁基三氯化錫和正硅酸四乙酯原料通過CVD反應(yīng)可生成二氧化硅與氧化錫的膜層（SnxS iyO2），可以調(diào)整它們的組成以達(dá)到目標(biāo)折射率。

以一定比例的硅烷、乙烯、二氧化碳和氮?dú)鉃樵?，通過CVD反應(yīng)可生成二氧化硅、碳、氧的混合物（SiCxOy）。

另一種顏色抑制的辦法不需要調(diào)整它的折射率，在基板與膜層之間加入兩層介質(zhì)層，使從膜層到基板各層的折射率排布呈“高-低-高-低（基板）”布置。如只要先涂1層約25 nm厚的氧化錫再放1層約25 nm的二氧化硅，最后涂1層摻氟的氧化錫就達(dá)到了抑制色差的目的。

本文主要論述二氧化硅和二氧化錫膜層消除色差及顏色調(diào)整的方法。

2 膜層的厚度和折射率對(duì)顏色的影響

在鍍膜生產(chǎn)中，鍍膜原料混合配比、原料混合氣體濃度、鍍膜溫度、玻璃的拉引速度、排廢、原料混合氣體的流速、反應(yīng)氣體氣流分布情況、鍍膜器距離玻璃板的高度、反應(yīng)壓力等都對(duì)膜層顏色產(chǎn)生影響。為了保證顏色目標(biāo)值，膜層厚度及折射率要加以控制。因此在鍍膜時(shí)盡量保證參數(shù)的穩(wěn)定。本文以功能層厚度330 nm、折射率1.87、遮蓋層厚度81 nm、折射率1.69為目標(biāo)值，通過改變厚度和折射率后觀察復(fù)合層的顏色變化情況。

通過橢偏儀可以測(cè)試遮蓋層的膜層厚度和折射率；通過臺(tái)階儀可以測(cè)試功能層的厚度。通過調(diào)節(jié)使之達(dá)到目標(biāo)值就可以控制顏色的穩(wěn)定性。

為了了解膜層厚度、折射率和顏色之間的關(guān)系，做了多次實(shí)驗(yàn)，分析現(xiàn)有膜層厚度、折射率變化對(duì)顏色影響的變化趨勢(shì)，方便快速調(diào)節(jié)顏色。

2.1 功能層的變化對(duì)顏色的影響

功能層的變化比較復(fù)雜，首先要達(dá)到要求的輻射率，其次膜層厚度變化對(duì)顏色影響比較小，第三要求高透過率。因此大多數(shù)鍍膜生產(chǎn)廠家將功能層厚度控制在320～340 nm區(qū)域。這個(gè)范圍a值變化較小，在符合目標(biāo)功能的前提下對(duì)顏色的影響相對(duì)較小，見圖2。只要保持穩(wěn)定的水錫摩爾比，基本上就可以控制膜層的折射率。

圖2 摻氟氧化錫厚度-顏色變化曲線

圖3 折射率變化對(duì)顏色的影響

2.2 遮蓋層的調(diào)整

遮蓋層對(duì)膜層的顏色影響比較大。溫度的變化和錫硅摩爾比的變化會(huì)影響到膜層的折射率，同時(shí)溫度的變化、鍍膜器堵塞情況和廢氣抽力的變化也會(huì)對(duì)厚度造成影響。因此，要根據(jù)膜層變化情況定時(shí)清理功能層鍍膜器，防止堵塞造成顏色變化甚至產(chǎn)生廢膜。

假如功能層為330 nm，選擇的顏色區(qū)域是a（0～2），b＝（0～2）區(qū)域，遮蓋層對(duì)整體顏色影響比較大，當(dāng)厚度及折射率發(fā)生變化時(shí)要及時(shí)調(diào)整，見圖3。

從圖3可以看出，以1.69折射率的藍(lán)色曲線為基準(zhǔn)值，當(dāng)功能層的厚度為330 nm時(shí)，折射率增加時(shí)，相當(dāng)于光學(xué)厚度增加，以a值變化更大，膜層薄到一定程度會(huì)發(fā)黃。相反，功能層膜層折射率的降低會(huì)導(dǎo)致膜層發(fā)藍(lán)。結(jié)合圖2曲線可以看到，當(dāng)功能層厚度增加，a值減小，b值增加。符合320～345 nm變化趨勢(shì)。

圖4為遮蓋層折射率為1.69的雙層復(fù)合膜顏色變化曲線。

圖4 遮蓋層折射率為1.69的雙層復(fù)合膜顏色變化曲線

從圖4可以看出，遮蓋層折射率1.69厚度81 nm的復(fù)合膜層顏色更接近中性色。當(dāng)遮蓋層厚度減小時(shí)，b值減小較大。功能層厚度減少，a變化較大。其功能層變化符合圖2趨勢(shì)，但膜層顏色變化范圍在不同厚度情況下（波長(zhǎng)下）有所不同。見圖5。

圖5 遮蓋層厚度變化對(duì)雙層膜層顏色的影響

從圖5和圖2可以看出，當(dāng)遮蓋層厚度為81 nm、折射率為1.7，功能層在320～345 nm之間變化時(shí)，a值變化不大，b值從-2.5往-1變化。膜層整體顏色變化不大，對(duì)浮法玻璃生產(chǎn)線生產(chǎn)在線Low-E相當(dāng)有利。功能層高于345 nm時(shí)，a值有了一個(gè)反向變化。膜層越厚，a值越大，直至約410 nm后出現(xiàn)反向變化。

以功能層330 nm厚度為例，當(dāng)遮蓋層膜層變薄時(shí)，a值往負(fù)值變化較大，同時(shí)b值往正值輕微移動(dòng)。

影響目視顏色的因素有很多：膜層折射率、成膜的每層結(jié)構(gòu)的厚度、燈光照射到玻璃的角度以及目測(cè)角度。因此要確定到底應(yīng)該怎么調(diào)整到位，需要知道以下數(shù)據(jù)：① 底膜折射率和厚度；② 頂膜厚度；③實(shí)驗(yàn)室測(cè)量顏色坐標(biāo)；④ 看的角度多大。有了這些數(shù)據(jù)就可以調(diào)整鍍膜的參數(shù)了。底膜的折射率和厚度通過橢偏儀檢測(cè)，功能層厚度通過臺(tái)階儀檢測(cè)。實(shí)際檢測(cè)中橢偏儀及臺(tái)階儀檢測(cè)時(shí)間比較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致鍍膜生產(chǎn)被迫暫時(shí)停止。

3 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)了顏色變化趨勢(shì)后，再結(jié)合一些可迅速量化的參數(shù)，如錫槽溫度、便攜式四點(diǎn)探針及現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)等，可以分析出膜層的變化趨勢(shì)，并盡快進(jìn)行調(diào)整。