在线Low-E镀膜玻璃膜层颜色变化与光学厚度的调整

李清华 刘卫东 马玉聪

（1. 中国耀华玻璃集团有限公司 秦皇岛 066000； 2. 秦皇岛耀华玻璃技术开发有限公司 秦皇岛 066000； 3. 河北省镀膜玻璃技术创新中心 秦皇岛 066000）

0 引言

光的颜色是否可以看见是由它的波长决定的。透明体的颜色由它透过的色光决定（透过什么颜色的光物体就成什么颜色）；不透明体的颜色由它反射的色光决定（什么颜色反射什么颜色的光）。透明膜层反射的颜色由膜层的波长决定，因此控制了膜层的光学厚度就达到了调整膜层颜色的目的。

1 在线Low-E的膜层结构

用化学气相沉积方法（CVD法）可以在玻璃表面镀上一层掺氟氧化锡膜层。该膜层掺杂氟的浓度很低，摩尔比大约1%，用于在氧化锡膜层中产生导带电子。这些自由的电子能够反射红外辐射，几乎使窗户的热绝缘性加倍。一层330 nm厚度的氧化锡膜可以反射超过总热量的80%，并且比较厚一点的膜层的反射率可高达90%。

该膜层在反射红外线热能的同时，允许可见光和紫外线透过，同时该膜层的外观为中性颜色和高透明度。一般在6 mm净色玻璃基片上镀上330 nm厚的掺氟氧化锡膜层透过可达到82%，雾度小于1。因该膜层具有反射红外作用，因此把该膜层叫功能层。

氧化锡膜是透明的，但用这样的单层膜会在玻璃表面显示出很明显的像油污般虹彩。同时由于钠钙硅玻璃里的钠离子扩散作用，会使钠离子扩散到掺氟氧化锡膜层，导致膜层性能减弱。

入射光在薄膜的上表面和下表面发生反射，反射的两束光会发生干涉。当两束光的光程差为入射光的波长的一半的偶数倍，则干涉后的光增强，就是目测看到的颜色；如果光程差为入射光的波长的一半的奇数倍，则干涉后的光相互抵消减弱，这部分光就看不到了。光程差与薄膜的光学厚度有关。

因此有必要在玻璃和功能层之间镀上一层膜层，该膜层作用是遮盖钠离子和抑制虹彩。

如果光线垂直入射，那么光谱反射率达到最大值时所对应的波长为：

式中：d——膜层厚度；

n——真实折射系数；

l——选定的波长；

z——干涉序列数 0,1,2,3,……。

膜层厚度的增加会导致反射率和色差的提高，这就降低了减反射的效果。要实现这一点，通常的做法是把膜层嵌入可见光范围内吸收率很低的两层介质膜层中间。对于较厚 SnO2膜来说， 钠离子扩散中间阻挡层也可以同时当作镀膜生产中的一个行之有效的减反射膜。它的光学厚度nsz·d应当是l/4，且它在可见光范围内的真实折射系数nsz应满足公式：nsz＝ （n2·nG）½。

当 SnO2∶F 膜的真实折射系数n2＝1.87 而且玻璃的指数nG＝1.52 时，可以得到中间层所要求的折射系数nSZ＝1.69。

当l取550 nm的对视觉比较舒适的绿光时，得到遮盖层厚度为81 nm。

图1为消除色差原理图。

图1 消除色差原理

以合适比例的单丁基三氯化锡和正硅酸四乙酯原料通过CVD反应可生成二氧化硅与氧化锡的膜层（SnxS iyO2），可以调整它们的组成以达到目标折射率。

以一定比例的硅烷、乙烯、二氧化碳和氮气为原料，通过CVD反应可生成二氧化硅、碳、氧的混合物（SiCxOy）。

另一种颜色抑制的办法不需要调整它的折射率，在基板与膜层之间加入两层介质层，使从膜层到基板各层的折射率排布呈“高-低-高-低（基板）”布置。如只要先涂1层约25 nm厚的氧化锡再放1层约25 nm的二氧化硅，最后涂1层掺氟的氧化锡就达到了抑制色差的目的。

本文主要论述二氧化硅和二氧化锡膜层消除色差及颜色调整的方法。

2 膜层的厚度和折射率对颜色的影响

在镀膜生产中，镀膜原料混合配比、原料混合气体浓度、镀膜温度、玻璃的拉引速度、排废、原料混合气体的流速、反应气体气流分布情况、镀膜器距离玻璃板的高度、反应压力等都对膜层颜色产生影响。为了保证颜色目标值，膜层厚度及折射率要加以控制。因此在镀膜时尽量保证参数的稳定。本文以功能层厚度330 nm、折射率1.87、遮盖层厚度81 nm、折射率1.69为目标值，通过改变厚度和折射率后观察复合层的颜色变化情况。

通过椭偏仪可以测试遮盖层的膜层厚度和折射率；通过台阶仪可以测试功能层的厚度。通过调节使之达到目标值就可以控制颜色的稳定性。

为了了解膜层厚度、折射率和颜色之间的关系，做了多次实验，分析现有膜层厚度、折射率变化对颜色影响的变化趋势，方便快速调节颜色。

2.1 功能层的变化对颜色的影响

功能层的变化比较复杂，首先要达到要求的辐射率，其次膜层厚度变化对颜色影响比较小，第三要求高透过率。因此大多数镀膜生产厂家将功能层厚度控制在320～340 nm区域。这个范围a值变化较小，在符合目标功能的前提下对颜色的影响相对较小，见图2。只要保持稳定的水锡摩尔比，基本上就可以控制膜层的折射率。

图2 掺氟氧化锡厚度-颜色变化曲线

图3 折射率变化对颜色的影响

2.2 遮盖层的调整

遮盖层对膜层的颜色影响比较大。温度的变化和锡硅摩尔比的变化会影响到膜层的折射率，同时温度的变化、镀膜器堵塞情况和废气抽力的变化也会对厚度造成影响。因此，要根据膜层变化情况定时清理功能层镀膜器，防止堵塞造成颜色变化甚至产生废膜。

假如功能层为330 nm，选择的颜色区域是a（0～2），b＝（0～2）区域，遮盖层对整体颜色影响比较大，当厚度及折射率发生变化时要及时调整，见图3。

从图3可以看出，以1.69折射率的蓝色曲线为基准值，当功能层的厚度为330 nm时，折射率增加时，相当于光学厚度增加，以a值变化更大，膜层薄到一定程度会发黄。相反，功能层膜层折射率的降低会导致膜层发蓝。结合图2曲线可以看到，当功能层厚度增加，a值减小，b值增加。符合320～345 nm变化趋势。

图4为遮盖层折射率为1.69的双层复合膜颜色变化曲线。

图4 遮盖层折射率为1.69的双层复合膜颜色变化曲线

从图4可以看出，遮盖层折射率1.69厚度81 nm的复合膜层颜色更接近中性色。当遮盖层厚度减小时，b值减小较大。功能层厚度减少，a变化较大。其功能层变化符合图2趋势，但膜层颜色变化范围在不同厚度情况下（波长下）有所不同。见图5。

图5 遮盖层厚度变化对双层膜层颜色的影响

从图5和图2可以看出，当遮盖层厚度为81 nm、折射率为1.7，功能层在320～345 nm之间变化时，a值变化不大，b值从-2.5往-1变化。膜层整体颜色变化不大，对浮法玻璃生产线生产在线Low-E相当有利。功能层高于345 nm时，a值有了一个反向变化。膜层越厚，a值越大，直至约410 nm后出现反向变化。

以功能层330 nm厚度为例，当遮盖层膜层变薄时，a值往负值变化较大，同时b值往正值轻微移动。

影响目视颜色的因素有很多：膜层折射率、成膜的每层结构的厚度、灯光照射到玻璃的角度以及目测角度。因此要确定到底应该怎么调整到位，需要知道以下数据：① 底膜折射率和厚度；② 顶膜厚度；③实验室测量颜色坐标；④ 看的角度多大。有了这些数据就可以调整镀膜的参数了。底膜的折射率和厚度通过椭偏仪检测，功能层厚度通过台阶仪检测。实际检测中椭偏仪及台阶仪检测时间比较长，会导致镀膜生产被迫暂时停止。

3 结语

总结了颜色变化趋势后，再结合一些可迅速量化的参数，如锡槽温度、便携式四点探针及现场在线检测等，可以分析出膜层的变化趋势，并尽快进行调整。