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浅析镀膜玻璃生产过程中色差的控制技巧

时间:2015-11-01  作者:潘其真 孟怡敏 张珮珮

摘要:通过对离线磁控溅射镀膜玻璃生产工艺和物体呈色原理的了解,以及各种材料形成的薄膜,对玻璃颜色影响程度的分析,提出了在生产过程中准确、快速地将玻璃色差调整到最小的方法。
论文关键词:镀膜玻璃,磁控溅射,膜系,色差

镀膜玻璃在国内使用、生产已经有十多年了,其生产主要以离线磁控溅射镀膜工艺为主,现有引进生产近40条,国产生产线200多条。

上世纪引进的近30条生产线和所有国产线,主要生产阳光控制膜系列镀膜玻璃产品,有几条经过改造的生产线和本世纪引进的7条大型生产线,主要以生产Low-E系列产品为主,生产阳光控制膜玻璃为辅。阳光控制膜玻璃具有良好的装饰效果和节能效果,以及较低的价格,因此目前在国内中、高档建筑玻璃市场仍占有主导地位。

在阳光控制膜玻璃生产过程中,影响产品质量的因素很多,如耐研磨性能,耐酸碱性能,颜色一致性… …。其中颜色一致性问题,是生产准备过程中和生产过程中最值得关注的,因为要保证本批产品之间无色差,还要保证本批产品与前批(一个月甚至一年前)产品间无色差,这就需要操作人员对生产工艺参数作适当调整,以弥补工艺状态不同造成的影响,如靶材溅射沟深浅不同引起溅射效率不同带来的影响、开始生产时的冷态靶与生产半小时后的热态靶溅射效率不同带来的影响… …。要调整镀膜玻璃的颜色,首先要确定膜系结构,然后根据各层膜厚度对成品颜色、透过率的影响,微调各靶溅射功率和玻璃在镀膜室的运行速度,使成品与标准样之间的色差△E≤2CIELAB,这种调整经常会影响生产的正常进行,导致设备空耗。因此总结调整经验,在生产准备时只用两片调试片,最多三片,就将工艺参数调整到位;在生产过程中根据△L*、△a*、△b*的漂移,随时微调各靶溅射功率和玻璃在镀膜室的运行速度,使△E*始终保持在尽可能小的状态,是每一个操作人员都应该研究的问题。下面对几种常见膜系的各层膜厚度对成品颜色的影响,进行简单的分析。

2.磁控溅射镀膜的工艺原理

在充入少量工艺气体的真空室内,当极间电压很小时,只有少量离子和电子存在,电流密度在10-15A/cm2数量极,当真空室内阴极(靶材)和阳极间电压增加时,带电粒子在电场的作用下加速运动,能量增加,与电极或中性气体原子相碰撞,产生更多的带电粒子,直至电流达到10-6A/cm2数量极,当电压再增加时,则会产生负阻效应,即“雪崩”现象。此时离子轰击阴极,击出阴极原子和二次电子,二次电子与中性原子碰撞,产生更多离子,此离子再轰击阴极,又产生二次电子,如此反复。当电流密度达到10-2A/cm2数量级时,电流将随电压的增加而增加,形成高密度等离子体的异常辉光放电,高能量的离子轰击阴极(靶材)产生溅射现象。溅射出来的高能量靶材粒子沉积到阳极(玻璃毛坯)上,从而达到镀膜的目的。

3.镀膜玻璃改变颜色的原理。

3.1物体呈现颜色的原理

物体的颜色取决于物体对各种波长光线的吸收、反射和透视能力。物体分消色物体和有色物体。

3.1.1消色物体的颜色

消色物体指黑、白、灰色物体,它对照明光线具有非选择性吸收的特性,即光线照射到消色物体上时,被吸收的入射光中,各种波长的色光是等量的;被反射或透射的光线,其光谱成分也与入射光的光谱成分相同。当白光照射到消色物体上时,反光率在75%以上,即呈白色;反光率在10%以下,即呈黑色;反光率介于两者之间,就呈深浅不同的灰色。

3.1.2有色物体的颜色

有色物体对照明光线具有选择性吸收的特性,即光线照射到有色物体上时,入射光中被吸收的各种波长的色光是不等量的,有的波长被吸收得多,有的波长被吸收得少。白光照射到有色物体上,其反射或透射的光线与入射光线相比,不仅亮度有所减弱,光谱成分也改变了,因而呈现出各种不同的颜色。对可见光选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。

3.2膜层材料的种类及对玻璃颜色的影响

组成阳光控制膜玻璃的膜层材料,常见的有氮化钛、氧化钛、不锈钢、氧化不锈钢、氮化不锈钢、铬、氧化铬、氮化铬、氧化锡等。这些材料根据与玻璃附着力的大小,对颜色影响程度,耐研磨性能的不同和耐酸碱性能的好坏,或单独使用或组合使用,形成各种不同膜系的镀膜玻璃产品。这些产品按改变颜色的原理分为两大类,第一类属可见光吸收型镀膜玻璃,包括上述大多数膜层材料构成的产品;第二类属可见光干涉型镀膜玻璃,指在玻璃表面第一层膜或第二层膜(第一层膜很薄)为氧化钛、氧化铬、氧化锡,并且膜层足够厚,第二或三层膜为阻挡层或保护层,有的还有第四、五层,主要起调节玻璃可见光透光率和保护膜层作用,对玻璃颜色也有一定的调节作用。

3.3什么是色差

根据阳光控制镀膜玻璃国家标准GB/T18915.1-2002,每片玻璃之间的色差△Eab*>3.0 CIELAB即为不合格品。

膜系

L*、L1*为玻璃亮度,L*为标准样值,L1*为测试样值,数值越大,表示玻璃越亮,L1*-L*>0表示测试样比标准样亮。a*、a1*为两片玻璃的红、绿值,a*为标准样值,a1*为测试样值,数值为正且越大,表示玻璃越红;数值为负且绝对值越大,表示玻璃越绿。a1*-a*>0(a1*、a*均为正值),表示测试样比标准样红,数值越大,表示越红;浅析镀膜玻璃生产过程中色差的控制技巧 (a1*、a*均为负值),表示测试样比标准样绿,绝对值越大,表示越绿。b*、b1*为两片玻璃的黄、兰值,b*为标准样值,b1*为测试样值,数值为正且越大,表示玻璃越黄;数值为负且绝对值越大,表示玻璃越兰。b1*-b*>0(b1*、b*均为正值),表示测试样比标准样黄,数值越大,表示越黄;色差 (b1*、b*均为负值),表示测试样比标准样兰,绝对值越大,表示越兰。

4调整镀膜玻璃颜色的方法

4.1膜层厚度的计算方法

镀膜玻璃的膜层厚度,可以通过仪器准确测量。单层膜的厚度测量非常简单,多层膜中各层膜的厚度测量比较麻烦,不能直接测量,需要模拟各层膜的参数,分别镀在玻璃上形成单层膜,进行分别测量。这种方法主要用于实验室内的定量科学研究,生产工厂一般无人采用。在需要得到膜层厚度数据时,工业生产中常用估算法,即:

膜层厚度(Å)=DDR×功率÷(速度×周长) … … ⑴

DDR:动态沉积速率,单位Å.mm2/w.s

功率:溅射电源溅射时的总功率,单位w

速度:玻璃在镀膜室内的运行速度,单位mm/s

周长:单个靶材的溅射沟槽周长,单位mm

速度、功率、周长都可以精确测量,只有DDR会随靶材溅射沟槽的深浅、溅射电源功率、镀膜室工艺气体压力等的变化而变化。

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