磁控溅射法镀制红外低辐射膜的研究进展

第４５卷第５期

真空ＶＡＣＵＵＭ

Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ｓｅｐ．２００８

２００８年９月

磁控溅射法镀制红外低辐射膜的研究进展

辛荣生１，林

（１．郑州大学材料科学与工程学院，河南

摘

郑州

＊

钰

２

４５００５２；２．河南教育学院化学系，河南郑州４５００１４）

要：本文介绍了采用磁控溅射法在玻璃和柔性衬底上镀制红外低辐射薄膜的研究进展。根据国内外

的研究现状，对薄膜的节能原理、制备方法、膜层结构及其光学、热学性能进行了综述，较详细地论述了目前低辐射薄膜研究中较为突出的金属银氧化和介质层增透的问题。关键词：低辐射薄膜；磁控溅射；可见光透过率；红外反射中图分类号：ＴＢ４３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－０３２２（２００８）０５－００４２－０４

Ｒｅｃｅｎｔｓｔｕｄｉｅｓｏｎｉｎｆｒａｒｅｄｌｏｗ－ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙｔｈｉｎｆｉｌｍｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｂｙｍａｇｎｅｔｒｏｎ

ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ

ＸＩＮＲｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ１，ＬＩＮＹｕ

２

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００５２，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＨｅｎａｎＥｄｕｃａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００１４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｒｅｃｅｎｔｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｌｏｗ－ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙｔｈｉｎｆｉｌｍｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｂｙｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎ

ｇｌａｓｓｏｒｏｔｈｅｒｆｌｅｘｉｂｌｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｅａｒｌｉｅｒｗｏｒｋｓ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｙｓｉｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｆｉｌｍｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒｔｈｅｓｉｌｖｅｒｏｘｉｄａｔｉｏｎａｎｄｈｉｇｈｅｒｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌａｙｅｒｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓｉｎｃｅｔｈｅｙａｒｅｎｏｗｆｏｃｕｓｅｄｉｎｒｅｓｐｅｃｔｔｏｔｈｅｓｔｕｄｙｏｎｉｎｆｒａｒｅｄｌｏｗ－ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙｔｈｉｎｆｉｌｍｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｗｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙｆｉｌｍ；ｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ；ｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ；ｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ

红外低辐射薄膜是在近几十年才得到大力发展的一种材料，因它对可见光具有较高的透射率，且对红外光、特别是６￣１５μｍ的远红外光具有较高的反射率，所以可同时具备隔热、保温和采光等功能。用低辐射薄膜装配门窗、高级建筑物的幕墙可以减少室内冬季取暖和夏季空调等设备的能量消耗，并且有利于环境保护，因此红外低辐射膜在建筑行业和汽车工业可得到广泛的应用。

低辐射薄膜（Ｌｏｗ－Ｅ膜）的制备方法可分为在线法和离线法两大类［１］。在线法是指在浮法玻璃生产线上利用高温热解法镀低辐射膜玻璃。离线法是指在玻璃下线以后，用磁控溅射等方法在玻璃表面镀低辐射膜的方法，因离线膜的光学性能和热学性能要比在线膜好，更能满足应用需要，所以目前对离线膜的研究比较多。

研究者们在用磁控溅射法制备红外低辐射

收稿日期：２００８－０２－０７

作者简介：辛荣生（１９５９－），男，辽宁省抚顺市人，副教授。（０７２１０２２３０００９）。＊基金项目：河南省科研项目

薄膜方面开展了许多工作，最近几年，用该方法分别在玻璃和柔性衬底上镀制红外低辐射薄膜发展的很快。本文根据国内外的研究现状，对磁控溅射制备红外低辐射膜的工艺方法、膜层结构与性能及其节能原理进行综述性的介绍。

１低辐射薄膜节能原理

根据膜层的反射率Ｒ与其折射率ｎ和吸收系数ｋ的关系：

Ｒ＝［（ｎ－１）２＋ｋ２］／［（ｎ＋ｌ）２＋ｋ２］

通过求解麦克斯韦电磁场方程，可以得到导电膜层的反射率：

Ｒ≈１－４［（πυε］１／２０）／σ

由此可见，膜层的电导率σ值越大，它对入

（或射光的反射率越大；电磁辐射的频率υ越小

波长越大），膜材料的反射率越大。所以，导电薄

第４５卷辛荣生，等：磁控溅射法镀制红外低辐射膜的研究

４３

膜对波长较大的红外线具有高反射性。

另外，当一个薄膜表面受到电磁辐射时，除了反射（Ｒ）外，还有吸收（Ａ）、透射（τ），它们之间有

使用中不受破坏。现在的膜设计一般是在银上面增加阻挡层，如ＮｉＣｒ合金、Ｔｉ金属薄层等［４］，以防止银氧化。还有研究发现银靶中掺Ｐｄ，可以大大提高银的抗潮能力［５］；银靶中掺Ａｕ，可以提高薄膜的抗氧化性能［６］。

Ａ＋Ｒ＋τ＝１００％的关系。而物体吸收热量后

还会再发射出去，称之为热量的电磁辐射，用发射率或辐射率Ｅ表征。基尔霍夫定律指出：在热平衡条件下，物体发射的辐射功率必等于它吸收的辐射功率，即在热平衡时Ｅ＝Ａ，所以有：

Ｅ＝（１－Ｒ－τ）

可见，具有红外高反射率的薄膜，也就是红外低辐射薄膜，它能阻止室内物体热量的流失，这时τ≈０，Ｅ≈（１－Ｒ）。因为根据维恩定律，物体最大热辐射率的波长λｍａｘ与绝对温度Ｔ之间有如下的关系：

Ｆｉｇ．１

图１

低辐射膜膜系的典型结构

Ｔｙｐｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｌｏｗ－ｅｍｍｉｓｓｉｖｉｔｙｆｉｌｍｓ

λｍａｘ＝２８９８／Ｔ（Ｋ）（μｍ）

代入Ｔ＝２９３Ｋ，得λｍａｘ＝９．８９μｍ。实际上当室内物体温度为２９３Ｋ（２０℃）时，室内物体辐射的红外线能量大部分是落在

为了保护金属膜，在金属膜的两侧需要镀介质膜，如ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２膜等。内侧介质膜用来提高银与玻璃表面的附着力，同时兼有调节膜系光学性能和颜色的作用［７］。外层介质膜既是减反射膜也是保护膜，有时也称它为增透膜。两侧的介质膜厚度都小于四分之一光学波长，

通常在

３￣１０μｍ的波长范围内，低辐射薄膜对物体这

个波长范围的热辐射能正好具有高反射性，因此将该膜镀在窗玻璃上冬季可以阻止室内物体热量通过窗户流出室外。同样，镀有低辐射膜的窗玻璃夏季也能阻挡室外红外辐射热量流入室内。

这些就是低辐射薄膜的保温隔热原理，这种节能的方式不论对于玻璃还是柔性透明ＰＥＴ衬底都是一样的，镀膜本身并不改变玻璃或者ＰＥＴ的性质，但膜却能反射红外辐射。这也是为什么将透明柔性衬底低辐射薄膜贴在玻璃上也能起作用的原因。

根据太阳光谱能量分布可知，太阳辐射能量的９７％集中在波长０．３￣２．５μｍ的范围内，当膜层很薄时，这个波长范围的光一般还是能够透过薄膜的。因此用低辐射薄膜装配门窗玻璃，对采光的影响不大。

３０￣７０ｎｍ范围内。并且，介质膜的折射率越高，整

个膜系的透射率也越高。因ＴｉＯ２的折射率较高（为２．５左右），且有光催化活性［８］，故常选择ＴｉＯ２作介质层。不过，作为增透膜的ＴｉＯ２介质层虽有保

护作用，但它的硬度并不很高，在近几年的膜设计中，也出现了增透层加镀顶层膜的方法，选择诸如

Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２等材料作顶层膜，以增加低辐射薄膜的

强度、化学稳定性、耐磨性和耐蚀性等［９，１２］。

３磁控溅射制备方法

磁控溅射法可分为直流磁控溅射和射频磁

控溅射以及中频反应孪生靶溅射（ＴｗｉｎＭａｇ）等方法。射频磁控溅射法用在靶材为绝缘体的场合，当然也可以用于金属靶材，特别是在反应溅射中，由于金属靶材往往会在靶的表面形成一层金属氧化物造成电荷堆积使溅射中止，所以这时就不能用直流磁控溅射的方法。Ｍ．Ｍｉｙａｚａｋｉ等人用射频溅射的办法，在玻璃表面镀制了ＺｎＯ／Ａｇ／金炯等人用射频溅射法镀ＺｎＯ的低辐射薄膜［１０］。

制了ＴｉＯ２／Ａｇ／Ｔｉ／ＴｉＯ２的薄膜［１１］。

２典型的膜层结构

目前采用磁控溅射法制备的红外低辐射膜

［２］

的典型膜层结构如图１所示。

低辐射薄膜的中间金属层起着反射红外线的重要作用，一般选用银，因它在对红外光具有较高反射率的同时，对可见光还具有较高的透射率，按银膜的数量可分为单银膜（图ａ）、双银膜（图ｂ）

和多银膜，

每层银膜厚度一般在

［３］

ＴｗｉｎＭａｇ磁控溅射法可以制备性能更为优良

的Ｌｏｗ－Ｅ膜［２］，尤其当介质层为ＴｉＯ２时运用的很

多。因为用直流溅射法时，ＴｉＯ２的溅射率很低，而用ＴｗｉｎＭａｇ磁控溅射法，ＴｉＯ２的溅射率就得到很大提高了。Ｓｚｃｚｙｒｂｏｗｓｋｉ等人利用该方法制得了透射率为８０％的Ｌｏｗ－Ｅ膜

［１２］

１０￣１８ｎｍ之间。但由于银膜的稳定性较差，尤

其是在溅射的条件下容易氧化

，所以目前研

究的热点是如何保护银层在溅射镀膜和后期

。

４４

真空ＶＡＣＵＵＭ

第５期

胡云慧等人用磁控溅射法在柔性ＰＥＴ衬底上制备低辐射薄膜取得了成功，

他们在

４．２热学性能

热学性能也是红外低辐射薄膜的一项重要

ＺｎＯ－Ａｇ－Ｔｉ－ＺｎＯ四层膜系和ＺｎＯ－Ａｇ－Ｔｉ－ＺｎＯ－Ａｇ－Ｔｉ－ＺｎＯ－ＴｉＯ２八层膜系的基础上，提出了简化膜系，即Ａｇ－ＩＴＯ或ＩＴＯ－Ａｇ－ＩＴＯ膜系，通过调

整和控制各方面工艺，应用一种磁控溅射卷绕系统（如图２），成功地生产出了能实现大规模工业化生产，且性能指标达目前国内外同类产品技术水平的柔性高透明低辐射膜［１３］。

指标，热学性能参数很多，其中主要有传热系数遮阳系数（ＳＣ）等。Ｕ值是指在单位温差（Ｕ值）、

下单位面积窗户所传递的热量，而ＳＣ值是指通过玻璃组件太阳辐射能与通过３ｍｍ普通透明玻璃太阳辐射能的比值，它们分别表征了玻璃组件的保温性能和对太阳能辐射的屏蔽性能。表１列出了目前较优的Ｌｏｗ－Ｅ玻璃和普通玻璃的Ｕ值及ＳＣ值。

表１Ｌｏｗ－Ｅ玻璃和普通玻璃的Ｕ值及ＳＣ值

Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（Ｕ）ａｎｄｓｕｎ－ｓｈａｄｅｃｏｅｆｆｃｉｅｎｔ

（ＳＣ）ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔＬｏｗ－Ｅｇｌａｓｓａｎｄｏｒｄｉｎａｒｙｇｌａｓｓ

６ｍｍ厚玻璃（外层＋内层）

单层普通单层Ｌｏｗ－Ｅ

图２

磁控溅射卷绕镀膜设备结构示意图

普通＋普通

透光率％

Ｕ值６．２３．４２．９２．７１．８１．７１．９

ＳＣ值０．９５０．６３０．８８０．６１０．６２０．６８０．７０

８９８２８０７６７６７７７７

Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｆｉｌｍｃｏｉｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ

Ｌｏｗ－Ｅ外＋普通Ｌｏｗ－Ｅ内＋普通普通＋Ｌｏｗ－Ｅ外普通＋Ｌｏｗ－Ｅ内

４

４．１

薄膜的光热性能

光学性能

光学性能是衡量红外低辐射薄膜质量好坏

注：Ｌｏｗ－Ｅ内、外分别指靠近室内和室外的镀膜面。

的重要指标，它主要包括可见光区域的透过率和红外区域的反射率。

单银膜的可见光透过率要比双银膜高，而且在红外线范围内，它的透过率也比双银膜高，故其红外反射效果不如双银膜。图３是单银膜（Ｂ）和双银膜（Ａ）透光性的比较［６］。

由表１可见，Ｌｏｗ－Ｅ膜能起到很好的遮阳保温效果，并且镀在玻璃的不同表面效果也不一样。外层玻璃内表面镀Ｌｏｗ－Ｅ膜的Ｕ值要比镀在外表面的好。外层玻璃镀Ｌｏｗ－Ｅ膜在降低ＳＣ值方面要比内层玻璃好一些，ＭｃＥｖｏｙＭＥ等人的实验也证实了Ｌｏｗ－Ｅ膜所镀的位置对玻璃组件的热学性能有着明显的影响［１４］。

参考文献

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图３

单银膜（Ｂ）和双银膜（Ａ）的光谱

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Ｆｉｇ．３Ｓｐｅｃｔｒａｏｆｆｉｌｍｓｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｓｉｌｖｅｒｌａｙｅｒ（Ｂ）ａｎｄｄｏｕｂｌｅｓｉｌｖｅｒ

ｌａｙｅｒ（Ａ）

为了进一步改善原有Ｌｏｗ－Ｅ玻璃的可见光透过率，Ｃ．Ｓｃｈａｅｆｅｒ等人采用高折射率的

ＴｉＯ２来代替ＳｎＯ２、ＺｎＯ或ＩＴＯ作为Ｌｏｗ－Ｅ膜的

介质层，同时在金属银上面镀Ｔｉ阻挡层。这样制备的红外低辐射薄膜在可见光区最高透过率可达８２％以上，红外区域的平均反射率达

９０％左右

［３］

。

第４５卷辛荣生，等：磁控溅射法镀制红外低辐射膜的研究

４５

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中国真空学会第六届三次理事会暨２００８学术年会正式通知

中国真空学会第六届三次理事会暨２００８学术年会，定于２００８年１０月１７日－１９日在云南昆明市真空企业界又一次盛会，展示近两年来真空召开，由中国真空学会主办。这次会议是我国真空科技界、

科技事业发展的成就。欢迎广大科技工作者、企业家、会员参加会议。并鼓励学生代表到会，会议将评选学生优秀论文。会议邀请柳百新院士作《金属材料中若干科学问题的多尺度计算与模拟》、戴永年院士作《真空冶金发展动态》、许宁生教授作《纳米冷阴极及其器件的研制》、叶志镇教授作《ＺｎＯ半导体材料及应用研究》、达道安研究员《宇宙空间极高真空特性研究》、赵益萍副总《北仪创新公司非晶硅太阳能电池生产线简介》等２０多位国内外知名专家学者作精彩的大会报告和分会场报告，并将召开第六届三次理事会和六次常务理事会，传达中国科协会议精神，报告我学会工作，讨论明年第七届理事会换届工作等有关事宜。希望全体理事和常务理事准时到会，不能到会理事，可委托代表参加，以确保会议的有效性。同时，真诚欢迎国内外的真空企业给予赞助，赞助单位可在论文摘要集刊登一页广告或会场布置小型宣传展示，感谢你们对会议的支持。

一、会议时间：１０月１７日昆明云安会都的会议楼－云安会堂全天报到，１０月１８－１９日开会。二、会议地点：昆明市西山区石安公路马街路口，昆明云安会都。联系电话：０８７１－８１７１６６６三、会议收费：每人会议费８００元（学生代表凭有效证件收４００元）。四、会议安排：（会议具体程序，报到时发放为准）

１０月１７日晚召开六届三次理事会和六届六次常务理事会，要求各位理事１７日下午六点钟前报

到。１０月１８日上午举行开幕式，颁发中国真空科技成就奖和中国真空科技青年创新奖；大会邀请报告；下午继续大会邀请报告。１０月１９日各个分会场邀请报告和口头报告、粘贴报告。１０月２０日安排参观考察。五、论文要求：

凡是会议发表论文请自备Ｕ盘电子版，会议准备有多媒体设备。

六、交通路线：昆明云安会都距机场８公里，距火车站６公里，距市中心４公里。

１．昆明火车站：乘２路公共汽车在小西门下车，换乘８１路公共汽车在云安会都下车。

２．飞机场：乘５２路公共汽车在小西门百汇商场下车，换乘８１路公共汽车在云安会都下车。

昆明火车站乘出租车至云安会都约１５分钟，车费约２５元。３．出租车：自飞机场、

七、会场宣传：会场外摆设宣传台，凡参加的单位，每张宣传台交费２０００元。

八、联系方式：

联系人：谭宁、周思平；地址：北京石景山路２３号中础大厦４２０室中国真空学会；邮编：１０００４９；电话／传真：０１０－６８８７８４４７；６８８２０３４８；手机：１３６７１００９０８１；１３６８１３５７１５２电子邮箱：ｃｖｓ＠ｃｈｉｎｅｓｅｖａｃｕｕｍ．ｃｏｍ或ｔａｎｎｉｎｇ１００３＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ

（中国真空学会办公室）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wy0m.html