Градиентное функциональное покрытие на прозрачной подложке

Градиентное функциональное покрытие на прозрачной подложке

Реферат

Изобретение относится к области градиентных функциональных тонкопленочных покрытий, прозрачных в видимой области спектра, получаемых на прозрачных подложках методами вакуумного магнетронного распыления и выполняющих специальные функции, например ослабление теплового или радиочастотного излучения.

Прозрачные материалы с функциональными покрытиями применяют для остекления зданий и транспортных средств, в том числе для авиации, с целью защиты от избыточного теплового потока солнечного излучения в жаркое время года и сохранения тепла в холодное время года. Применение таких материалов позволяет уменьшить затраты энергии на кондиционирование и обогрев помещений и салона транспортного средства. Кроме того, такие покрытия используют для защиты от излучения в радиочастотном диапазоне, увеличение уровня которого в последнее время связано с бурным развитием телекоммуникационных систем и сотовой связи и становится серьезной экологической проблемой.

В настоящее время наиболее широкое коммерческое применение имеют функциональные материалы остекления на основе интерференционных металлдиэлектрических покрытий, в которых полупрозрачный слой металла расположен между прозрачными в видимой области спектра диэлектрическими слоями. За счет металлического электропроводящего слоя такие покрытия ослабляют поток теплового солнечного излучения в жаркое время года, обладают низкой излучательной способностью, что приводит к уменьшению потерь тепла через остекление, которое переносится излучением в инфракрасной области спектра в холодное время года, а также экранируют излучение радиочастотного диапазона. Однако интерференционные покрытия, как правило, изменяют цветопередачу материала остекления как в проходящем, так и в отраженном свете. Искажение цветопередачи является результатом интерференционного эффекта, когда отраженное от разных поверхностей раздела слоистого покрытия излучение с разными длинами волн не совпадает по фазе и, следовательно, имеет разную интенсивность. В результате слоистое покрытие имеет разные коэффициенты пропускания и отражения для излучения, длины волн которого соответствуют разным цветам. Причем изменение цветопередачи зависит от толщины слоев покрытия. Искажение цветопередачи дает отрицательный эффект для ряда практических приложений, например, при остеклении транспортных средств, в частности, в авиации, и строительных сооружений, так как приводит к искажению цветового восприятия объектов.

Известно низкоэмиссионное функциональное покрытие на прозрачной подложке, содержащее, по меньшей мере, три слоя, расположенных на ней в порядке: диэлектрик, металл, диэлектрик, полученное методом вакуумного магнетронного распыления, причем слой металла толщиной 7-20 нм выполнен из серебра или меди, а слои диэлектриков получены магнетронным распылением мишени из алюминиевого сплава в атмосфере смеси аргона с азотом с толщиной каждого слоя 10-60 нм (патент РФ №2132406).

Недостатком этого решения является значительное искажение цветопередачи как в проходящем, так и в отраженном свете, особенно при использовании меди в качестве металлического слоя.

Известно бесцветное функциональное покрытие, включающее прозрачную стеклянную подложку и подслой, содержащий слои с разными показателями преломления в следующем порядке: 1 слой с показателем преломления, большим, чем показатель преломления подложки, 2 слой с показателем преломления, меньшим, чем у первого слоя, и 3 слой с показателем преломления, большим, чем у 1 слоя, а затем функциональный слой толщиной 200-1000 нм (патент США №5271960).

Недостатком известного покрытия является сложность и дороговизна технологического процесса, связанная с введением в покрытие дополнительных слоев, недостаточное ослабление теплового потока солнечного излучения, а также неэффективность в случае использования в качестве функционального слоя покрытия системы диэлектрик - металл - диэлектрик (особенно если в качестве слоя металла используется наиболее дешевый металл - медь).

Известно функциональное покрытие на прозрачной подложке, содержащее первый слой прозрачного диэлектрика, слой металла и внешний слой прозрачного диэлектрика, при этом слои диэлектрика включают продукт химической реакции, образованный при вакуумном распылении мишени, содержащей алюминий, в химически активном газе, содержащем кислород и азот, и отношение кислорода к сумме кислорода и азота составляет 0,1-0,3 (патент США №4769291).

Недостатком данного технического решения является искажение цветопередачи прозрачной подложки с функциональным металлдиэлектрическим покрытием, а также недостаточное ослабление теплового потока солнечного излучения.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению, взятым за прототип, является градиентное функциональное покрытие на прозрачной подложке, нанесенное магнетронным распылением с использованием двух отсеков, при этом градиентный слой может быть нанесен таким образом, что концентрация первого материала будет больше рядом с нижней частью слоя покрытия, и концентрация второго материала будет изменяться по мере увеличения расстояния от нижней части слоя покрытия (патент РФ №2341587).

Недостатком данного технического решения является искажение цветопередачи прозрачной подложки с покрытием как в проходящем, так и в отраженном свете, особенно при использовании меди в качестве металлического слоя, а также недостаточное ослабление теплового потока солнечного излучения.

Технической задачей заявляемого изобретения является уменьшение искажений цветопередачи прозрачной подложки с функциональным металлдиэлектрическим покрытием в проходящем и отраженном свете, а также уменьшение проходящего через прозрачную подложку с покрытием теплового потока солнечного излучения при сохранении интегрального коэффициента пропускания в видимой области спектра и величины поверхностного сопротивления покрытия.

Для решения поставленной технической задачи предложено градиентное функциональное покрытие на прозрачной подложке, которое содержит первый слой прозрачного диэлектрика из смеси оксида и нитрида алюминия толщиной 5-40 нм, слой меди толщиной 9-14 нм и внешний слой прозрачного диэлектрика из смеси оксида и нитрида алюминия толщиной 30-45 нм с уменьшающимся по направлению от слоя металла показателем преломления, полученным за счет увеличения в указанном направлении процентного содержания оксида алюминия.

Прозрачные слои диэлектрика представляют собой продукты химической реакции, образованные при вакуумном распылении мишени, содержащей алюминий, в химически активном газе, содержащем кислород и азот, при этом внешний слой прозрачного диэлектрика выполнен при изменении парциального давления кислорода от 0,006 до 0,020 Па.

Искажение цветопередачи происходит в результате интерференционного эффекта, когда отраженное от разных поверхностей внешнего покрытия излучение с разными длинами волн, соответствующими разным цветам, зависит от величины амплитудных коэффициентов отражения от этих поверхностей и оптической толщины покрытия на рассматриваемых длинах волн излучения. Причем чем меньше величина амплитудных коэффициентов отражения от поверхностей раздела металл - внешнее покрытие и внешнее покрытие - воздух, тем меньше будет разность коэффициентов отражения и пропускания на разных длинах волн излучения, а следовательно, будет меньше искажаться цветопередача. В предлагаемом изобретении внешнее градиентное покрытие на границе металл - внешний слой имеет высокий показатель преломления (n=2,1), что обеспечивает низкий амплитудный коэффициент отражения от этой границы, а на границе внешний слой - воздух показатель преломления низкий (n=1,6), что также обеспечивает низкий, по сравнению с традиционным покрытием с постоянным по толщине показателем преломления, амплитудный коэффициент отражения от данной границы, что позволяет реализовать условие уменьшения искажений цветопередачи. Уменьшение показателя преломления внешнего диэлектрического слоя в направлении от слоя металла к внешней среде реализуется путем нанесения смеси прозрачных диэлектриков - нитрида алюминия и оксида алюминия - с разными показателями преломления (у нитрида алюминия n=2,1, у оксида алюминия n=1,6) с увеличивающимся в указанном направлении процентным содержанием оксида алюминия. Это позволяет получить покрытие с уменьшающимся по толщине показателем преломления от n=2,1 до n=1,6. Такое изменение показателя преломления достигается за счет увеличения парциального давления кислорода в процессе нанесения внешнего диэлектрического слоя при распылении одной алюминиевой мишени в смеси газов аргона, азота и кислорода. В прототипе искажение цветопередачи более велико вследствие невозможности достижения плавного изменения показателя преломления, так как наличие двух отсеков для напыления приводит к появлению в составе покрытия безградиентных слоев, соединенных между собой переходным градиентным слоем нерегулируемой толщины.

Правильный выбор сочетания слоев градиентного функционального покрытия с соответствующими показателями преломления позволил наряду со снижением искажений цветопередачи увеличить ослабление теплового потока солнечной энергии при сохранении величины интегрального коэффициента пропускания в видимой области спектра и величины поверхностного сопротивления покрытия, которая определяет излучательную способность покрытия и эффективность экранирования радиочастотного излучения.

Примеры осуществления

Пример 1

Нанесение слоев покрытия проводили в вакуумной установке, оснащенной устройствами нанесения покрытий, например магнетронными системами распыления, и устройством для создания газового разряда. Подложку из органического стекла закрепляли в устройстве перемещения подложек, которое обеспечивало прохождение подложки в зонах нанесения всех слоев покрытия на расстоянии 180 мм от распылительных устройств. Перед нанесением каждого слоя покрытия в соответствующей зоне магнетронной системы распыления создавали предварительное разрежение не более 0,003 Па. Нанесение первого диэлектрического слоя проводили в зоне магнетронной системы распыления алюминия, для чего напускали в вакуумную камеру кислород до давления 0,006 Па, затем азот до суммарного давления 0,036 Па и, наконец, аргон до суммарного давления 0,25 Па. От источника электропитания магнетрона подавали отрицательный относительно вакуумной камеры потенциал на алюминиевый катод магнетрона и устанавливали среднюю плотность тока разряда 150-200 А/м². Перемещая подложку в зоне магнетронного разряда, наносили первый слой прозрачного диэлектрика - смеси оксида и нитрида алюминия с показателем преломления 2,1 - до толщины 17 нм. Нанесение слоя меди проводили до толщины 12 нм в среде аргона при давлении 0,25-0,30 Па и скорости осаждения не менее 3 нм/с. Нанесение внешнего слоя прозрачного диэлектрика - смеси оксида и нитрида алюминия - проводили в смеси аргона, азота и кислорода в зоне магнетронной системы распыления алюминия при средней плотности тока разряда 150-200 А/м² до толщины 43 нм. При нанесении внешнего слоя диэлектрика в начале процесса парциальное давление азота и кислорода устанавливали таким же, как при нанесении первого диэлектрического слоя, а затем увеличивали парциальное давление кислорода от 0,006 до 0,020 Па.

Покрытия по примерам 2-5 наносили способом, аналогичным примеру 1.

Скорость осаждения покрытий контролировали с помощью оптических, гравиметрических либо других методов, а толщину покрытий контролировали также либо перечисленными методами, либо по предварительно измеренной скорости и времени нанесения.

Примеры градиентных функциональных тепло-радиозащитных покрытий, полученных на органическом стекле по предлагаемому способу и по прототипу, и их оптические свойства представлены в таблице.

В качестве величины, наиболее полно отражающей характеристики цветопередачи, приведены значения полного цветового различия в проходящем ΔЕ_T и отраженном ΔЕ_R свете образцов органического стекла с покрытием относительно чистого органического стекла в системе CIE Lab.

В качестве величины, характеризующей прозрачность материала в видимой области спектра, приведен интегральный коэффициент пропускания Тв, учитывающий спектральное распределение интенсивности источника излучения (Солнце) и спектральную чувствительность глаза:

где t(λ) - спектральный коэффициент пропускания образца, J(λ) - энергетический спектр источника излучения, w(λ) - спектральная чувствительность глаза, λ_в1=380 нм, λ_в2=780 нм - границы видимого диапазона спектра.

В качестве величины, характеризующей ослабление материалом теплового потока солнечного излучения, приведен коэффициент ослабления теплового потока солнечного излучения (величина, обратная интегральному коэффициенту пропускания Тс для потока солнечного излучения в диапазоне длин волн атмосферного солнечного спектра, учитывающего спектральное распределение интенсивности солнечного излучения) Кт=1/Т_с:

где t(λ) - спектральный коэффициент пропускания образца, J(λ) - энергетический спектр излучения Солнца на поверхности Земли, λ₁=380 нм, λ₂=2500 нм - границы диапазона атмосферного солнечного спектра.

В качестве величины, характеризующей излучательную способность покрытия и ослабление радиочастотного излучения, приведено поверхностное сопротивление R_S функционального покрытия.

№ п/п	Толщина слоев покрытия, нм	Интегральный коэффициент пропускания видимого света Тв, %	Коэффициент ослабления теплового потока солнечного излучения, КT	Поверхностное сопротивление, Ом/квадрат	Полное цветовое различие
1 слой	2 слой	3 слой	ΔЕT	ΔЕR
1				81	1,71	9,0	8,5	9,2
2				80	1,66	10,0	10,1	8,9
3				80,5	1,68	10,0	11,0	9,8
4				80	1,65	8,0	8,8	9,6
5				79	1,62	11,0	10,03	8,86
Прототип				80	1,45	9,5	14,5	13,2
Прототип				76	1,40	12,3	14,6	34,0

Из данных таблицы следует, что заявляемое градиентное функциональное покрытие имеет на 15% более высокий коэффициент ослабления теплового излучения и уменьшенное в 1,5-3 раза искажение цветопередачи относительно подложки при сохранении высокого уровня интегрального коэффициента пропускания видимого света и поверхностного сопротивления.

1. Градиентное функциональное покрытие на прозрачной подложке, отличающееся тем, что оно содержит первый слой прозрачного диэлектрика из смеси оксида и нитрида алюминия толщиной 5-40 нм, слой меди толщиной 9-14 нм и внешний слой прозрачного диэлектрика из смеси оксида и нитрида алюминия толщиной 30-45 нм с уменьшающимся по направлению от слоя металла показателем преломления, полученным за счет увеличения в указанном направлении процентного содержания оксида алюминия.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что прозрачные слои диэлектрика представляют собой продукты химической реакции, образованные при вакуумном распылении мишени, содержащей алюминий, в химически активном газе, содержащем кислород и азот, при этом внешний слой прозрачного диэлектрика выполнен при изменении парциального давления кислорода от 0,006 до 0,020 Па.