离线双银Low-E镀膜玻璃膜系开发浅谈

      0　引言

 

      目前国内使用的Low-E镀膜玻璃产品主要是单银Low-E镀膜玻璃，只有少数几家玻璃加工企业可以生产双银Low-E镀膜玻璃（以下简称双银Low-E），且具有较成熟的生产技术，而这几家玻璃企业所生产的双银Low-E多为自产自用。随着国家建筑节能要求的不断提升，建筑节能性能更高的双银Low-E的需求量也在不断提高。目前国内Low-E玻璃市场中，双银Low-E使用量不到单银Low-E使用量的10％。限制双银Low-E推广和使用的原因主要有两点：一是双银Low-E镀膜玻璃工艺技术难度较大，生产技术整体不够成熟；二是双银Low-E市场价格较高。所以，只有了解双银Low-E膜系的开发过程，解决双银Low-E在生产中的关键技术问题， 实现双银Low-E镀膜玻璃的产品质量和产量的稳定，才能够使这种节能性能更高的产品的成本降低，并得到更广泛的推广和使用。本文即通过双银Low-E膜系开发过程的分析， 明确了在双银Low-E镀膜玻璃膜系的开发过程中应注意的问题，并从实际生产的角度提出了一些对于双银Low-E膜系开发的建议。

 

 

 

      1　技术背景

 

      真空磁控溅射镀膜技术是通过真空磁控溅射镀膜机实现的，镀膜机内由不同级别的真空泵抽气，在系统内营造出一个镀膜所需的真空环境，真空度要达到Low-E镀膜所需的本底真空，一般在（1~5）×10-8 Pa。在真空环境中向靶材（阴极）下充入工艺气体氩气（Ar），氩气在外加电场（由直流或交流电源产生）作用下发生电离生成氩离子（Ar+），同时在电场E的作用下，氩离子加速飞向阴极靶并以高能量轰击靶表面，使靶材产生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子（或分子）沉积在玻璃基片上形成薄膜。同时被溅射出的二次电子在阴极暗区被加速，在飞向基片的过程中，落入设定的正交电磁场的电子阱中，直接被磁场的洛伦兹力束缚，使其在磁场B的洛伦兹力作用下，以旋轮线和螺旋线的复合形式在靶表面附近作回旋运动。电子e的运动被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子区域内，使其到达阳极前的行程大大增长，大大增加碰撞电离几率，使得该区域内气体原子的离化率增加，轰击靶材的高能Ar+离子增多，从而实现了磁控溅射高速沉积的特点。在运用该机理开发Low-E膜系的过程中，要注意以下几个问题：①保证整体工艺中各个环节的可靠性。具体包括靶材质量、工艺气体纯度、原片新鲜程度、原片清洗质量等基础因素，这一系列因素会对Low-E镀膜玻璃产品的最终质量产生影响。②选择合适的靶材。要建立的膜系是通过对阴极的前后顺序布置实现的。③控制好各环节的工艺性能及参数。如适合的本底真空度、靶材适用的溅射功率、工艺气体和反应气体用量与输入均匀性、膜层厚度等。总之，只有控制好以上各因素，才能够保证所开发的双银Low-E镀膜玻璃具有稳定的颜色、优异的机械性能和可加工性。

 

      此外，在双银膜系开发过程中，原始数据的积累和归纳分析非常重要。原始数据应该包括：膜层结构、各个单层膜的厚度和均匀性调试数据、双银Low-E样片的光学参数、面电阻及理化性能试验数据等。

 

 

 

      2　双银Low-E镀膜玻璃膜系的开发过程

 

      双银Low-E镀膜玻璃膜系开发过程中有3个必要条件必须保证：一是硬件的保证。离线双银Low-E产品的实现是基于可生产大面积建筑用镀膜玻璃的真空磁控溅射设备；二是合理的膜层结构设计。基于对各膜层材料性能充分理解掌握的基础上，进行合理的膜层结构设计，才能确保产品在机械性能、抗氧化性能、可加工性上的优异表现；三是有清晰的开发流程。明确开发流程各阶段的关键参数及工作重点，重视原始数据的记录和分析。

 

      2.1　仪器和设备

 

      目前，国内双银Low-E镀膜玻璃的膜系开发和生产基本都是在相关生产企业内完成的，一般在开发过程中所需要的仪器和设备见表1。

 

 

 

      2.2　膜层结构设计

 

      随着量子化学和凝聚态物理理论上的不断突破以及计算机技术的飞速发展，人们可以根据所需要的材料结构和性能，设计出满足要求的材料，即材料设计（materials design）方法。现代膜层的结构设计从原子、分子层次进行，即按照应用目标，可以先运用相关商业软件（MS或者其他专用软件）进行设计，获得预期目标，掌握各个因素在膜层中所起的作用，例如各膜层的成玻璃深加工分，厚度，匹配顺序等对产品综合性能的影响，再与实际生产经验相结合，可以科学指导膜层设计，降低研发成本，缩短研发周期。材料制备技术的整体提升，更得以使原子、分子为起点设计的材料合成，在微观尺度上控制其结构的目标实现。例如，在高真空条件下的磁控溅射、分子束外延、纳米粒子组合、调制、胶体化学方法等，使材料研究、薄膜制备设备对设计加以验证，进而扩大到工业化生产，实现具有自主知识产权的技术研发与生产全过程。

 

      按照现行国家标准规定，采用磁控溅射法生产的Low-E镀膜玻璃辐射率e应小于0.15。目前市场上单银Low-E镀膜玻璃的e在0.07~0.12，而双银Low-E镀膜玻璃的辐射率e则能够控制在0.05以下。Low-E镀膜玻璃的辐射率e与膜层材料的电导率s有如下关系：

 

      从上面关系式中，可以看出膜层材料的辐射率与膜层电导率成反比关系，即膜层电导率越高，膜层的辐射率就越低；而膜层的电导率又主要取决于膜层中功能层金属材料的类别和厚度。双银Low-E镀膜玻璃因镀了2层Ag，且Ag的总厚度要厚于普通单银，使膜层有了更高的电导率、更低的辐射率；同时，因为使用了2层Ag，使得双银膜系结构变得更为复杂，在开发双银膜系时，合理布置膜层结构变得非常关键。正是因为双银膜系的膜层数量多，并且各个膜层对镀膜玻璃的玻璃面颜色、膜面颜色、可见光透过率及颜色影响程度不同，所以，为了使最终产品具有稳定的性能和生产重复性，开发双银膜系的过程，一定要对各个单层的厚度和均匀性足够重视。

 

 

      从图1中，可以看到1套双银膜系包括了9个功能结构层在内的9层至10多层膜层。不同功能结构层可选用的材料不同，例如，介质层可以选用： SiNx、TiOx、ZnSnOx、SnOx、AZO、ZnAlOx等，保护层可以选择NiCr及其氧化物、Cr、Ti及其氧化物等。在多种膜层材料中，也可以选择一种材料和其它几种材料的组合。所以，如何选择每个功能结构层的材料至关重要，涉及诸多选择因素，如：材料的折射率、密度、硬度，对可见光、红外线的选择吸收性、反射性，材料的膨胀系数，材料的导电性，不同材料的附着力等。

 

 

 

      2.3　开发流程

 

      双银Low-E膜系的开发过程是一个很系统的过程，这个过程的每个阶段有不同的工作重点，每个阶段要注意一些原始数据的记录积累和分析，逐步建立起适合于生产体系的数据库系统，在需要做生产工艺调整和变动过程中，关注关键参数的变化趋势及其规律性，才能形成生产规范并有效指导稳定生产，只有实现稳定生产，才能有稳定的产品质量，实现提升产品成品率和降低成本的目标。另外，完整的开发过程不仅包括所开发膜系产品的实现，还应包括为幕墙公司和下游玻璃深加工企业提供必要的应用参数和后续加工指导。下游玻璃深加工厂是双银Low-E镀膜玻璃产品的直接使用者，双银Low-E镀膜玻璃的可加工性将在这些工厂里得到检验。因此，在开发双银Low-E产品的过程中，要不断模拟和验证所开发的双银Low-E镀膜玻璃在切割、磨边、钢化、厂房环境暴露等情况下，自身的保护层所提供的保护性是否可靠。据笔者经验和已有数据分析认为：介质保护层厚度和金属保护层厚度的配比对双银Low-E的可加工性有明显的影响。具体开发流程详见图2。

 

 

      针对图2中的流程，应注意以下问题：

 

      （1） 明确目标参数。目标参数包括双银Low-E镀膜玻璃的可见光透过率T、透过颜色at、bt，玻面反射率Rg、玻面颜色ag、bg，膜面反射率Rf、膜面颜色af、bf，膜层面电阻，电导率，玻璃面色差DE。一般情况下，DT ±1％、DRg ± 1％、Dag ± 0.8％、Dbg ± 0.8％、Dat ±0.8％、Dbt ±0.8％。双银Low-E镀膜玻璃的非膜面色差DE要满足现行国家标准规定。

 

      （2）设计膜层结构、配置靶材。在这个环节要明确各膜层所使用的靶材、各靶材的使用功率、工艺气体和反应气体配比。

 

      （3）控制各单层膜的均匀性。监控各个单层膜厚度以nm为单位，其中，介质层横向厚度均匀性要在±1.5％以内；金属层横向厚度均匀性要控制在±1％以内。

 

      （4）及时进行初调试环节和调试规律的总结。应重点归纳底层介质层、中间层介质层、顶层介质层对双银Low-E镀膜玻璃颜色参数的影响规律；底层Ag、顶层Ag对双银Low-E镀膜玻璃颜色参数、透过率、面电阻的影响规律；NiCr、NiCrOx等Ag层保护材料对Low-E镀膜玻璃颜色参数、透过率、抗氧化性的影响规律。一般情况下，单一膜层对镀膜玻璃的某一光热性能和抗氧化性能的影响具有差异性。

 

      （5）按目标参数准确调试阶段。要结合各个膜层对双银Low-E镀膜玻璃性能的不同影响进行分析，实际调试过程中，膜系开发人员一般会同时调试多个膜层的功率、气体配比等参数。当调试参数与目标参数非常接近时，一般会采取微调某单一膜层溅射功率，以使调试参数不断趋近目标参数。

 

      （6）定标阶段。此阶段应汇总如下数据：工艺参数（靶材配置、靶材功率、工艺气体配比、工艺速度）、调试样玻璃面和膜面颜色参数、表面电阻、玻璃面45°角色差值。

 

      （7）调试样品参数至少要经过3次以上重复再现、每次2 h以上连续稳定生产，才可以确认新调试的双银Low-E膜系可以投入生产。

 

      （8） 为客户提供双银Low-E中空玻璃的U值、Sc值。随着对居民建筑节能性要求的不断提高，相关标准对外窗和玻璃幕墙的传热系数U和遮阳系数Sc提出了更为严苛的限值要求。另外，镀膜玻璃生产企业有必要为后续玻璃深加工企业提供双银Low-E镀膜玻璃加工指导书。

 

 

 

      3　开发过程及实际投产需要注意的问题

 

      双银膜系的开发目的就是获得一套工艺稳定、光学参数性能优良、机械性能和抗氧化性能较好的双银膜系产品。根据实际生产经验，笔者认为双银Low-E膜系开发过程及实际投产过程中需要注意以下问题：

 

      （1）确定合理的目标参数。双银Low-E的辐射率一般能做到0.05甚至更低，其面电阻一般也可以做到3Ω以下，这个参数主要取决于Ag层的厚度； 双银Low-E镀膜玻璃的透过率一般在50％~70％之间；考虑到安装到幕墙后的颜色，双银Low-E镀膜玻璃的玻璃面颜色ag一般在0~-5之间、玻面bg一般在-5~-10之间。选择合适的目标参数的重要原则是：既要有利于工艺上的实现，又要在将来的使用中给建筑师和业主以舒适的视觉效果。

 

      （2）膜层总体结构设计合理。膜层结构是双银Low-E镀膜玻璃的最核心的技术指标。只有膜层结构设计合理，才能开发出理化性能优异、使用性能稳定的镀膜玻璃。另外，不同靶材的工艺气体和反应气体的配比和总量会对工艺稳定性、膜层应力、膜层耐酸性、膜层耐磨性、生产效率和生产节能性产生影响。

 

      （3）重视双银Low-E膜层结构中单层膜厚度及均匀性对其整体性能的影响。双银Low-E膜层数较单银Low-E多，各膜层对最终产品的理化性能的影响敏感性不同。另外，双银Low-E中，单层膜的厚度均匀性对最终产品的颜色均匀性会有明显的影响，所以在调试双银工艺前，应该首先对单层膜的厚度均匀性进行调节并且了解单层膜的厚度范围。其中，对于非金属介质层的单层均匀性，一般可以通过镀膜玻璃膜面颜色参数bf值的均匀性来衡量；而包括Ag和NiCr在内的金属膜层的单层均匀性，一般可以通过镀膜玻璃透过率T值的均匀性来衡量。

 

      （4）在初调试阶段，有必要总结每个膜层对产品理化性能的影响，尤其是各膜层对镀膜玻璃颜色和机械性能的影响规律，这项工作在后期准确调试中会起到重要的指导意义。

 

      （5）按照目标参数进行准确调试。在这个阶段，我们是要在以上各阶段工作的基础上，通过工艺条件的监控、工艺参数的调整，最终实现具有目标参数和优异理化性能的产品。所以，在这个阶段重点工作应包括：调试过程参数记录、调试样品性能测试结果和最终工艺参数的确定。

 

      （6）性能测试及通过连续性生产验证产品稳定性。这个阶段工作意义重大：首先，通过性能测试可以了解定样双银Low-E产品的各项性能指标，测试方法可以参照国标进行；同时，也为后续产品性能的提高和改进提供了方向，对于某项性能短板进行改进。因为双银Low-E膜系的复杂性，最终产品的性能对设备状态、工艺参数、真空度等条件有较高要求，只有通过连续性生产验证，具有可重复实现性的膜系才能在后续真正实现投产。

      

      （7）关注用户使用情况，及时给予技术支持。要考虑目前国内玻璃深加工行业的现状，实际各加工厂的技术条件和加工实力差异很大。因此，笔者建议具有生产双银Low-E能力的玻璃加工企业，对新开发的双银Low-E镀膜产品编制详细的《加工指导书》，对下游玻璃深加工厂的加工条件给出加工要求，在必要时给予技术支持。这样，双银Low-E镀膜玻璃在国内建筑中，会得到更广泛的推广，也可以为整个社会节省更多的能量。