金属铬在双银膜层设计中的应用

朱宏刚

（天津北玻玻璃工业技术有限公司 天津 301800）

0 引言

作为节能建筑材料，Low-E玻璃的节能特性与普通玻璃及热反射镀膜玻璃相比，Low-E玻璃对远红外辐射具有极高的反射率。在有效减少室内外热传递的作用下，可保持室内温度稳定，对减少建筑加热或制冷能耗，起到了非常优秀的节能降耗作用。

目前离线镀膜产品按照功能层数量主要分为：单银、双银和三银三种类型。单银产品外观颜色一致性最佳，其次为双银产品，最后为三银产品。究其主要原因，随着银层数量的增加，膜层整体厚度及复杂程度显著提高。由于光的干涉和反射效应会出现镀膜产品偏角色现象，膜层越厚越明显。双银产品的节能性明显优于单银产品但略逊色于三银产品；其偏角色现象明显优于三银产品且生产可控性远高于三银产品。因此，双银产品在目前高端幕墙上得到了最广泛的应用，占据了离线镀膜产品的主要市场。

但是双银产品也存在着一定缺点，它始终无法克服偏角色变化视觉轻易可区分的弊端。随着国家对节能要求的逐步提高，玻璃幕墙亟待一些高端产品。本文以光学理论为基础在双银结构中引入金属铬膜层试图改变常规双银膜层结构，从而改变光在膜层中微观干涉及反射途径，从而探索对双银偏角色及性能提高的可行性。

1 Low-E玻璃

1.1 偏角变色

Low-E玻璃颜色会随着观察角度的变化而变化，这种现象称之为偏角变色现象。偏角变色是由于观察角度随着远离法线逐渐增大，入射光线在膜层中走过的路径逐渐增加，反射光线的叠加情况逐步变化，进而颜色逐渐变化。偏角色现象原理如图1所示。若光线以任何非垂直的角度入射，从基片表面反射回来的ABC光线所传播的路径都要比垂直反射EFE光线长，通过薄膜n2后产生了光程差。若光程差是对应l/2的奇数倍则发生相消干涉，若是偶数倍会发生相长干涉。随着入射角度逐步变大，光程差也在改变，那么光线的叠加在相消干涉和相长干涉间变化。

图1 偏角色现象原理

1.2 折射

光线在界面上不仅会发生反射，还会发生折射。当光线穿过一种介质（透明、非金属）进入另一种介质，一些光线会穿透它并进入第二种介质，也会有一部分在交界面上发生反射。若第二介质的折射系数低于第一介质的折射系数，即n2＜n1，那么反射光线就不会发生相位变化，如图2所示。若第二种介质的折射系数高于第一种，即n2＞n1，那么反射光线就会发生180°的相位变化。这就相当于光线的传播距离至少增加了半个波长，如图3所示。

图2 无相变化

图3 相位反转

2 实验

2.1 基片清洗

本实验试样基片采用6 mm新鲜浮法玻璃原片，通过镀膜线专用清洗机用高洁净去离子水清洗及烘干。清洗过程中对于玻璃基片表面洁净度要求非常苛刻，由于离线Low-E膜厚一般小于400 nm，附着在玻璃基片上表面的哪怕是很小的脏污都会对后续膜层的耐久性及加工性产生影响。附着在玻璃表面的脏污会向膜层内迁移，对膜层造成不同程度的破坏。

2.2 实验试样膜层设计

本实验膜层设计采用以下三种：

膜结构一：

膜结构二：

膜结构三：

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

在固定除金属铬层外其它膜层厚度的情况下，通过改变铬层在不同膜结构中的厚度制备一系列镀膜试样，而后测量所有样品的光学数据及热力学数据；通过数据分析金属铬在实际膜层设计中是否有正向作用。

2.3 试样制备

基片经过清洗风干后利用北玻集团自主研发的超大玻璃镀膜生产线进行试样制备。

A系列试样制备：在膜结构一的基础上，设定金属Cr膜层厚度从1 nm开始以1 nm的幅度逐步加厚直至5 nm制备5种试样；

B系列试样制备：在膜结构二的基础上，设定金属Cr膜层厚度从1 nm开始以1 nm的幅度逐步加厚直至5 nm制备5种试样；

C系列试样制备：在膜结构三的基础上，设定金属Cr膜层厚度从1 nm开始以1 nm的幅度逐步加厚直至5 nm制备5种试样。

2.4 试样光学性能测试

将A、B、C系列样品及基准样使用离线镀膜生产线在线光度计（北京奥博泰生产Filmstar6300）进行可见光范围内数据扫描。每块样品可分别获得玻面10°角颜色数据：Lg、a*g、b*g及玻面45°角颜色数据：Lg45°、a*g45°、b*g45°两组数据。将每组数据对应颜色值的45°角玻面颜色数据与10°角玻面颜色数据取差值得到偏角色数据，见表1。

表1 试样颜色对比

3 数据分析

样品偏角色数据对比曲线见图4。

从图4可以看出：金属铬分别在A、B、C三种结构中从1 nm逐步递增至5 nm时，DLg、Da*g、Db*g数值呈现不同幅度变化。建筑玻璃镀膜产品由于玻璃安装后，观察者与玻璃表面的法线夹角存在随机变化，作为使用者自然希望镀膜玻璃在不同角度观察颜色均不发生改变。但是，由于双银产品的膜层总厚度一般都超过120 nm，因此，不同角度光在膜层中的反射与折射是明显存在的。从生产及使用经验上，希望双银产品偏色趋势Da*g为-0.5～-2，Db*g为-1～-3最佳。通过对比，B系列结构全部样品均符合要求。

究其原因：主要是金属铬处于两层银中间，将原本介于两层银层之间较厚的介质层一分为二，改变了光在双银中间介质层的传播路径，而中间介质层对双银偏角色变化起着决定性作用。另外，从膜层设计角度看，如果以金属铬层为分界线，两侧的膜层结构是接近对称的，光在较为对称的介质路径中传播会削弱光学干涉及折射效果，最终达到偏角色变化趋于最小值。

图5为样品可见光玻面反射（Rg）和膜面反射（Rf）在各结构中随着铬金属层厚度变化的曲线。

从图5中可以看出：

在A结构中玻面反射（Rg）随着铬金属层厚度的增加呈现先降低后升高的变化，但整体反射率低于基准样品。而膜面反射（Rf）随着铬金属层厚度的增加呈现逐步升高且任意情况下均高于基准样品。

在B结构中玻面反射（Rg）随着铬金属层厚度的增加逐步升高且任意情况下均高于基准样品。而膜面反射（Rf）随着铬金属层厚度的增加呈现先降低后升高的变化，但整体反射率低于基准样品。

在C结构中玻面反射（Rg）随着铬金属层厚度的增加逐步升高且在最后C5点略高于标准样品。而膜面反射（Rf）随着铬金属层厚度的增加呈现逐步升高且任意情况下均高于基准样品。

浮法玻璃原片的可见光反射率一般为7%～8%，当浮法原片涂覆Low-E膜层后玻面或膜面任意面反射率均大于4%；只有少部分产品的某一面反射率会达到4%左右。从理论上看，当某一镀膜产品的反射率低于浮法原片反射率时，就可以理解为具备减反功能。在实际使用过程中，一些客户希望建筑玻璃外表面光鲜亮丽而另一些客户希望建筑反射色柔和，因此反射率的适用范围比较广，10%～30%不等。但是对于建筑玻璃室内反射，无论是设计师还是使用者都希望越低越好。在实际使用过程中也尝试室内片用减反射玻璃，但由于成本过高很难得到普及。单面减反射玻璃反射率一般为4%～5%，而双面减反射玻璃反射率为0.8%～1.5%。

在B结构的基础上通过对各层物质膜厚进行综合调整，最终获得一灰色系双银产品，其玻面反射率及膜面反射率见表2。

表2 优化样品颜色数据

表2相关膜厚：

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数据表明：当金属铬位于中间介质层时，通过对每层膜结构进行优化设计，最终可获得一款中性灰色系双银产品且偏角色变化最大值仅为-1.4（△a*g），属于肉眼难以区分的色差范围，同时膜面反射可降低至1.3%，减反效果达到双面减反玻璃效果。

4 结语

金属铬位于双银中间介质层可大幅度减小双银偏角色变化，可用于改善双银外观颜色使用；金属铬位于双银中间介质层，通过对双银其它膜层厚度进行优化设计，可降低膜面反射，达到减反效果。