在線Low-E鍍膜玻璃膜層顏色變化與光學厚度的調整

李清華 劉衛東 馬玉聰

（1. 中國耀華玻璃集團有限公司 秦皇島 066000； 2. 秦皇島耀華玻璃技術開發有限公司 秦皇島 066000； 3. 河北省鍍膜玻璃技術創新中心 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決定，因此控制了膜層的光學厚度就達到了調整膜層顏色的目的。

1 在線Low-E的膜層結構

用化學氣相沉積方法（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生導帶電子。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%，并且比較厚一點的膜層的反射率可高達90%。

該膜層在反射紅外線熱能的同時，允許可見光和紫外線透過，同時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在玻璃表面顯示出很明顯的像油污般虹彩。同時由于鈉鈣硅玻璃里的鈉離子擴散作用，會使鈉離子擴散到摻氟氧化錫膜層，導致膜層性能減弱。

入射光在薄膜的上表面和下表面發生反射，反射的兩束光會發生干涉。當兩束光的光程差為入射光的波長的一半的偶數倍，則干涉后的光增強，就是目測看到的顏色；如果光程差為入射光的波長的一半的奇數倍，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厚度有關。

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，那么光譜反射率達到最大值時所對應的波長為：

式中：d——膜層厚度；

n——真實折射系數；

l——選定的波長；

z——干涉序列數 0,1,2,3,……。

膜層厚度的增加會導致反射率和色差的提高，這就降低了減反射的效果。要實現這一點，通常的做法是把膜層嵌入可見光范圍內吸收率很低的兩層介質膜層中間。對于較厚 SnO2膜來說， 鈉離子擴散中間阻擋層也可以同時當作鍍膜生產中的一個行之有效的減反射膜。它的光學厚度nsz·d應當是l/4，且它在可見光范圍內的真實折射系數nsz應滿足公式：nsz＝ （n2·nG）?。

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

當l取550 nm的對視覺比較舒適的綠光時，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反應可生成二氧化硅與氧化錫的膜層（SnxS iyO2），可以調整它們的組成以達到目標折射率。

以一定比例的硅烷、乙烯、二氧化碳和氮氣為原料，通過CVD反應可生成二氧化硅、碳、氧的混合物（SiCxOy）。

另一種顏色抑制的辦法不需要調整它的折射率，在基板與膜層之間加入兩層介質層，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整的方法。

2 膜層的厚度和折射率對顏色的影響

在鍍膜生產中，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、反應氣體氣流分布情況、鍍膜器距離玻璃板的高度、反應壓力等都對膜層顏色產生影響。為了保證顏色目標值，膜層厚度及折射率要加以控制。因此在鍍膜時盡量保證參數的穩定。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為目標值，通過改變厚度和折射率后觀察復合層的顏色變化情況。

通過橢偏儀可以測試遮蓋層的膜層厚度和折射率；通過臺階儀可以測試功能層的厚度。通過調節使之達到目標值就可以控制顏色的穩定性。

為了了解膜層厚度、折射率和顏色之間的關系，做了多次實驗，分析現有膜層厚度、折射率變化對顏色影響的變化趨勢，方便快速調節顏色。

2.1 功能層的變化對顏色的影響

功能層的變化比較復雜，首先要達到要求的輻射率，其次膜層厚度變化對顏色影響比較小，第三要求高透過率。因此大多數鍍膜生產廠家將功能層厚度控制在320～340 nm區域。這個范圍a值變化較小，在符合目標功能的前提下對顏色的影響相對較小，見圖2。只要保持穩定的水錫摩爾比，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 折射率變化對顏色的影響

2.2 遮蓋層的調整

遮蓋層對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影響到膜層的折射率，同時溫度的變化、鍍膜器堵塞情況和廢氣抽力的變化也會對厚度造成影響。因此，要根據膜層變化情況定時清理功能層鍍膜器，防止堵塞造成顏色變化甚至產生廢膜。

假如功能層為330 nm，選擇的顏色區域是a（0～2），b＝（0～2）區域，遮蓋層對整體顏色影響比較大，當厚度及折射率發生變化時要及時調整，見圖3。

從圖3可以看出，以1.69折射率的藍色曲線為基準值，當功能層的厚度為330 nm時，折射率增加時，相當于光學厚度增加，以a值變化更大，膜層薄到一定程度會發黃。相反，功能層膜層折射率的降低會導致膜層發藍。結合圖2曲線可以看到，當功能層厚度增加，a值減小，b值增加。符合320～345 nm變化趨勢。

圖4為遮蓋層折射率為1.69的雙層復合膜顏色變化曲線。

圖4 遮蓋層折射率為1.69的雙層復合膜顏色變化曲線

從圖4可以看出，遮蓋層折射率1.69厚度81 nm的復合膜層顏色更接近中性色。當遮蓋層厚度減小時，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，但膜層顏色變化范圍在不同厚度情況下（波長下）有所不同。見圖5。

圖5 遮蓋層厚度變化對雙層膜層顏色的影響

從圖5和圖2可以看出，當遮蓋層厚度為81 nm、折射率為1.7，功能層在320～345 nm之間變化時，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，對浮法玻璃生產線生產在線Low-E相當有利。功能層高于345 nm時，a值有了一個反向變化。膜層越厚，a值越大，直至約410 nm后出現反向變化。

以功能層330 nm厚度為例，當遮蓋層膜層變薄時，a值往負值變化較大，同時b值往正值輕微移動。

影響目視顏色的因素有很多：膜層折射率、成膜的每層結構的厚度、燈光照射到玻璃的角度以及目測角度。因此要確定到底應該怎么調整到位，需要知道以下數據：① 底膜折射率和厚度；② 頂膜厚度；③實驗室測量顏色坐標；④ 看的角度多大。有了這些數據就可以調整鍍膜的參數了。底膜的折射率和厚度通過橢偏儀檢測，功能層厚度通過臺階儀檢測。實際檢測中橢偏儀及臺階儀檢測時間比較長，會導致鍍膜生產被迫暫時停止。

3 結語

總結了顏色變化趨勢后，再結合一些可迅速量化的參數，如錫槽溫度、便攜式四點探針及現場在線檢測等，可以分析出膜層的變化趨勢，并盡快進行調整。