LU85252A1 - Vitrage a basse emissivite - Google Patents
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Description
I* 1
La présente invention concerne un vitrage comprenant une feuille transmettant la lumière portant sur une de ses faces un revêtement d'oxyde métallique conducteur de l'électricité et transmettant la lumière, qui réduit l'émissivité du rayonnement infra-rouge de 5 cette face du vitrage.
De tels vitrages sont largement utilisés lorsqu'on désire profiter autant que possible du rayonnement solaire et réduire la perte calorifique par émission de rayonnement infra-rouge de longueur d'onde moyenne et longue. Par exemple, pour un collecteur solaire vitré, 10 il est très important pour obtenir un rendement élevé, que le vitrage transmette une proportion aussi élevée que possible de rayonnement solaire tout en émettant une proportion aussi faible que possible de rayonnement à des longueurs d'onde correspondant à la température du collecteur lui-même. Idéalement pour cette raison, un tel vitrage devrait 15 transmettre tout le rayonnement dans le spectre solaire tout en émettant aucun rayonnement à des longueurs d'onde supérieures à," disons, 2. 000 nm ou 3. 000 nm.
De tels vitrages sont également utilisés dans les constructions horticoles, par exemple des serres, des châssis de cou-20 ches et des cloches où il est avantageux de réduire la perte calorifique tout en permettant l'exposition maximum des végétaux à la lumière visible, de manière à en favoriser la croissance.
Une autre utilisation de tels vitrages réside dans les bâtiments d'habitation, de nouveau avec pour objectif principal la réduc-25 tion des pertes calorifiques, et ici une considération légèrement différente apparaît, en ce sens que la qualité de la lumière visible transmise peut être aussi importante que sa quantité. En particulier, il est sou- % haitable que le vitrage permette une vision claire, c’est-à-dire qu'il s transmette la lumière dé manière non diffuse.
30 Un des objets principaux de la présente invention est de favoriser le facteur de transmission lumineuse des vitrages comprenant un revêtement de faible émissivité dans l'infra-rouge.
La présente invention fournit un vitrage comprenant une feuille transmettant la lumière portant sur une de ses faces un re-35 vêtement d'oxyde métallique conducteur de l'électricité et transmettant I la lumière, qui réduit l'émissivité du rayonnement infra-rouge de cette 2 face du vitrage, caractérisé en ce que les compositions et les épaisseurs de la feuille transmettant la lumière et du revêtement conducteur de l'électricité sont telles que seuls ils auraient un facteur de transmis-' sion lumineuse d'au moins 70 %, et en ce que le revêtement conducteur 5 de l'électricité est surmonté d'un revêtement diélectrique dont l'épais-seur est inférieure à 160 nm et qui augmente le facteur de transmission lumineuse du vitrage.
Tel qu'il est utilisé dans la présente description le terme "facteur de transmission lumineuse" correspond au rapport de 10 la quantité de lumière visible transmise à la quantité de lumière visible incidente, ces quantités étant des intégrations corrigées des quantités de lumière transmise et incidente sur la totalité du spectre de la lumière i visible, les intégrations étant corrigées pour tenir compte de la distri bution spectrale de la source de rayonnement et des caractéristiques de 15 sensibilité spectrale de l'oeil humain. Les mesures sont effectuées avec la lumière dirigée vers la face du vitrage portant le revêtement, au moyen d'un spectrophotomètre et la source lumineuse considérée a la composition spectrale de l'illuminant C tel que défini par la Commission ’ Internationale de l'Eclairage. Cet illuminant peut être considéré comme 20 représentant la lumière du jour moyenne. Le facteur de correction pour la sensibilité de l'oeil que l'on applique, est également normalisé par la Commission Internationale de l'Eclairage.
L'invention offre l'avantage d'augmenter le facteur de transmission lumineuse à travers le vitrage. H est bien connu dans 25 la technique que la réduction de l'émissivité due à un revêtement conducteur est liée à la présence de porteurs de charge libres à la surface du vitrage. Nous avons cependant trouvé que, même si un tel revêtement diélectrique augmente l'émissivité de la surface portant le revêtement conducteur, pourvu que l'épaisseur du revêtement diélectrique soit 30 inférieure à 160 nm, l'augmentation de l'émissivité peut être parfaitement acceptable et le vitrage selon l'invention présente un compromis favorable entre son facteur de transmission de la lumière visible et ses propriétés d'émission de l'infra-rouge.
On a trouvé en fait que l'émissivité du vitrage selon 35 l'inventionjdans l'infra-rouge^augmente substantiellement proportionnel- * 3 que le revêtement diélectrique ait une épaisseur inférieure à 140 nm et de préférence n'excédant pas 110 nm.
Dans les formes préférées de réalisation de l'inven- * tion, le revêtement diélectrique a une épaisseur optique en transmission 5 d'au moins 60 et de préférence d'au moins 70 nm. L'épaisseur optique en transmission d'un revêtement est définie comme son épaisseur géométrique multipliée par son indice de réfraction. En utilisant cette caractéristique de l'invention, on peut obtenir des avantages considérables au point de vue du facteur de transmission lumineuse, par extinc-10 tion interférentielle de la lumière visible réfléchie. On a pensé que, pour obtenir l’avantage maximum de ces effets d’interférence, le revêtement devrait avoir une épaisseur optique égale à un quart de la longueur d'onde de la lumière dont la transmission doit être la plus élevée. En fait, on a trouvé que ceci n’est pas vrai dans le cas où l'on applique 15 selon l’invention des revêtements de deux matières différentes.
L'épaisseur optimale du revêtement diélectrique destiné à augmenter le facteur de transmission lumineuse est aussi fonction de l'épaisseur du revêtement conducteur sous-jacent. La variation de l'épaisseur op-. timale, qui est substantiellement sinusoïdale, est explicitée par le 20 tableau ci-dessous qui donne l’épaisseur géométrique optimale d'un revêtement diélectrique de silice déposé sur des revêtements d'oxyde d'étain dopé, de différentes épaisseurs géométriques, déposés sur un substrat de verre sodo-calcique. La composition du revêtement de silice est SiOx où x se situe entre environ 1,95 et 2,0, mais pour la fa-25 cilité on s'y référera comme étant un revêtement de dioxyde de silicium (S1O2). De manière similaire, les revêtements d'oxyde d'étain dopé seront mentionnés sous la formule d'oxyde stannique (SnC^).
SnO^ 350 nm 385 nm 420 nm 455 nm 490 nm
SiC>2 100 ωη 55 nm 100 nm 55 nm 100 nm.
30 Les revêtements de SiO£ ont un indice de réfraction d’environ 1,41, de sorte que les valeurs correspondantes de l’épaisseur optique sont 141 nm et 77,5 nm.
De préférence, l’indice de réfraction du revêtement diélectrique équivaut, à dix pour cent près, à la racine carrée de l'in-35 dice de réfraction du revêtement conducteur de l'électricité. L'adop- I tion de cette caractéristique préférée de la présente invention réduit
P
' 4 la quantité totale de lumière réfléchie aux interfaces entre le revêtement diélectrique et, d’une part l'air, et d’autre part le revêtement conducteur. A titre d'exemple, les revêtements de Sn02 cités ci-dessus ont un indice de réfraction d’environ 2,0. L'indice de réfraction des revê-5 tements de SiO^» 1,41, est substantiellement égal à la racine carrée de 2.
H est surprenant que le respect de cette condition donne également des avantages importants en réduisant la proportion de lumière transmise qui est transmise de manière diffuse.
. 10 Dans certaines formes préférées de réalisation de l’invention, le revêtement conducteur de l'électricité comprend de l'oxyde d'étain. L'utilisation de revêtements à basse émissivité infra-. rouge constitués d'oxyde d'étain est bien connue en soi et on peut former de tels revêtements qui ont une bonne transmission lumineuse et une 15 bonne émissivité infra-rouge. De plus, de tels revêtements peuvent être très résistants à l'abrasion.
Dans d'autres formes préférées de réalisation de l'invention, le revêtement conducteur de l'électricité comprend de l'oxyde d'indium. Les revêtements d'oxyde d'indium sont également bien 20 connus en soi et ces revêtements peuvent présenter de meilleures propriétés que l'oxyde d'étain, en ce qui concerne le facteur de transmission lumineuse élevé et la faible émissivité infra-rouge, mais ont l'inconvénient d'être relativement facilement abîmés par abrasion.
Pour cette raison, les revêtements d'oxyde d'indium ne sont pas lar-25- gement utilisés dans des circonstances où ils sont exposés. Puisque, selon la présente invention, le revêtement conducteur de l'électricité, par exemple d'oxyde d'indium, est surmonté d'un autre revêtement, un tel manque relatif de résistance à l'abrasion ne doit plus présenter de désavantages.
30 Dans des formes préférées de réalisation de l'in vention, le revêtement diélectrique a une résistance à l'abrasion plus * forte que le revêtement conducteur de l'électricité. L'expression "résistance à l'abrasion" est utilisée ici pour désigner la résistance à l'abrasion telle que mesurée selon l'American National Standard 35 ^ n° Z 26. 1-1977 Test n° 18 pour du verre de sécurité. yM De préférence, le revêtement diélectrique est cons- » 5 titué de silice. La silice peut former des revêtements hautement transparents qui ont une excellente résistance à l'abrasion et une bonne stabilité chimique. De plus, on peut fabriquer aisément des reve-- tements de silice ayant un indice de réfraction d’environ 1,41. Ceci 5 est spécialement utile, ainsi qu’on l’a mentionné plus haut, lorsque l’indice de réfraction du revêtement conducteur de l’électricité sous-jacent est approximativement égal à (1,41)^, ainsi que c’est le cas pour l’oxyde d’étain.
Un tel revêtement de silice peut être formé de dif-10 férentes manières. Dans un de ces procédés, une feuille transparente de verre portant un revêtement conducteur de l’électricité est plongée dans une solution d’un composé organo-siliceux telle qu’une solution de tétraméthylorthosilicate SiiOCH^)^ dans du méthanol. Exposé à l’air, le SiiOCHg)^ est converti en Si(OH)^ et celui-ci à son tour est converti 15 en SiC>2 par chauffage à l’air, de préférence à 500-600“C. L’épaisseur j voulue du revêtement peut être atteinte en réglant la vitesse à laquelle • la feuille est retirée de la solution. Dans un autre procédé particuliè- f rement adapté à la formation d’un revêtement continu sur du verre . chaud portant un revêtement conducteur, par exemple un ruban continu 20 de verre fraîchement formé portant ce revêtement, le revêtement diélectrique est formé par dépôt à partir de réactif en phase vapeur, par exemple par contact du verre chaud portant un revêtement avec de la vapeur d’hydrure de silicium en présence d’oxygène atmosphérique.
Des revêtements ayant des surfaces très lisses 25 peuvent être formés de ces deux manières. La rugosité de la surface est un des nombreux facteurs ayant un effet sur la proportion de transmission lumineuse diffuse / non diffuse. Lorsqu’on utilise des revêtements conducteurs assez épais, par exemple dont l’épaisseur approche 1.000 nm, il est difficile d’éliminer toute rugosité de la surface 30 du revêtement. Cette rugosité favorise la diffusion de la lumière transmise. L’application d’un revêtement supplémentaire ayant une surface plus lisse peut améliorer ce phénomène, de sorte qu’une proportion plus élevée de la lumière transmise est non-diffuse. Il faut noter que ce phénomène ne dépend pas de l’indice de réfraction du revêtement 35 I diélectrique.
J Parmi d’autres matières que l’on peut utiliser pour f- « . " 6 former le revêtement diélectrique se trouvent les fluorure de calcium et de magnésium. On notera cependant que ces matières ne sont pas très résistantes à l'abrasion, quoique l'on puisse avantageusement les utiliser pour la formation d'un revêtement qui doit être déposé sur une 5 face interne d'un vitrage multiple.
Dans certaines formes préférées de réalisation de l'invention, le revêtement diélectrique est un revêtement de matière polymère. De tels revêtements, par exemple d'un silicone ou d'un polyuréthane, peuvent être formés en plongeant une feuille de verre 10 revêtue de matière conductrice dans une solution de la matière diélectrique souhaitée, tandis que la face non revêtue de la feuille de verre est protégée. De tels revêtements sont de préférence utilisés sur une face interne d'un vitrage multiple de manière à être protégés contre l'abrasion.
15 Des formes préférées de réalisation de la présente invention seront maintenant décrites à titre d'exemple en se référant aux dessins schématiques annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe d'un détail d'un - vitrage selon l'invention et 20 La figure 2 est une vue en coupe d'un détail d'un panneau creux comportant un vitrage selon l'invention.
Dans la figure 1, une feuille 1 transmettant la lumière, par exemple de verre, porte un revêtement 2 sur une de ses faces. Ce revêtement 2 est un revêtement d'oxyde métallique conduc-25 teur de l'électricité qui réduit l'émissivité de la face portant le revêtement vis-à-vis du rayonnement infra-rouge, en particulier du rayonnement infra-rouge ayant des longueurs d'onde supérieures à 3. 000 nm. Le revêtement conducteur 2 est surmonté d'un revêtement diélectrique 3 dont l'épaisseur n'excède pas 160 nm et qui augmente le facteur de 30 transmission lumineuse du vitrage.
Dans la figure 2, une feuille de vitrage 4 transmettant la lumière porte sur une de ses faces un revêtement conducteur 5 d'oxyde métallique transmettant la lumière qui réduit l'émissivité du vitrage vis-à-vis du rayonnement infra-rouge, qui est à son tour sur-35 » monté d'un revêtement diélectrique 6 dont l'épaisseur est inférieure à 7 »
La feuille de matière vitreuse 4 est solidarisée via un intercalaire périphérique 7 à une seconde feuille de vitrage 8 qui peut porter un revêtement ou non. Les revêtements 5, 6 sont disposés à l'intérieur du panneau de manière à être protégés de l'abrasion.
5 Le tableau 1 suivant donne les propriétés de feuil les 1 de verre flotté de 6 mm d'épaisseur portant des revêtements 2 d'oxyde d'étain dopé au fluor qui sont surmontés de revêtements diélectriques 3 de silice.
Les revêtements de silice sont chimiquement 10 stables et résistants à l'abrasion, de sorte qu'ils peuvent être exposés aux conditions atmosphériques. Un tel vitrage peut être incorporé dans un panneau creux par exemple tel que décrit en se référant à la figure 2 avec la face portant les revêtements dirigée vers l'intérieur ou l'extérieur du panneau. L'indice de réfraction des revêtements d'oxyde 15 d'étain est environ 2,0 et celui des revêtements de silice est environ 1,41.
Dans le tableau 1, les différentes colonnes concernent les propriétés suivantes : I Epaisseur réelle du revêtement de SnC^ (nm) 20 II Emissivité infra-rouge du verre portant le revêtement de Sn02(%) III Facteur de transmission lumineuse du verre portant le revêtement de SnC^ (%) IV Epaisseur réelle,optimale du revêtement de SiC^ (nm) V Emissivité infra-rouge du verre revêtu de Sn02 et SiC^ (%) 25 VI Facteur de transmission lumineuse du verre revêtu de Sn02 et Si02 (%) TABLEAU 1
1 II m IV V VI
350 29 83 100 35 90 30 420 21 85 100 25 90.5 490 16 82 100 20 90.3 840 12 75 100 17 90.3
Le dépôt des revêtements d'oxyde d'étain tels que cités ci-dessus est bien connu et ne nécessite pas d'être détaillé ici.
35 Des exemples spécifiques de procédés appropriés de dépôt de tels revê-J tements peuvent être trouvés dans la demande de brevet britannique » 8 publiée sous le n* 2. 119. 360 A.
Suivent maintenant des exemples de deux procédés de dépôt de revêtement de silice, l'un étant un procédé par lot, l'autre un procédé continu.
5 Procédé par lot de dépôt de silice
On réalise une solution dans les proportions suivantes : tétraméthylorthosilicate SiiOCH^)^ 0. 55 mole
Eau 0. 75 mL
HCl 1.0 mL
10 Méthanol ad. 1.0 L
Le verre portant le revêtement d'oxyde métallique est plongé dans une telle solution et en est retiré sans à-coups. Le . verre portant le revêtement est ensuite chauffé dans l'air à une tempé rature aussi élevée que l'on peut (par exemple comprise entre 500°C et 15 600°C) pour convertir le SiiOCH^)^ d'abord en Si(OH)^ et finalement en
Si°2.
L'épaisseur du revêtement de SiO^ résultant est réglée en variant la vitesse à laquelle la feuille est retirée de la ‘ solution.
20 Un tel procédé produit une feuille de verre portant une couche d'oxyde métallique et dont les deux faces portent un revêtement de silice, à moins évidemment que la face ne portant pas de revêtement ait été protégée pendant l'immersion ou nettoyée après l'immersion et avant le chauffage. Le second revêtement de silice a un 25 effet négligeable sur les propriétés de la feuille.de verre.
Procédé continu de dépôt de silice
Des feuilles ou un ruban continu de verre chaud revêtu(es) d'oxyde métallique est/sont mise en contact avec de l'hydrure de silicium en phase * $ vapeur. Si le verre est suffisamment chaud, par exemple à une tempé-30 rature supérieure à 500°C, l'hydrure de silicium pyrolyse en présence d'oxygène pour former un revêtement adhèrent de silice.
L'exemple 6 du brevet britannique n® 1.524.326 donne un procédé de formation d'un revêtement de silicium sur un ruban de verre en exposant le ruban à de la vapeur cftydrure de silicium 35 dans une atmosphère sans oxygène. Ce procédé peut facilement être v/ modifié, simplement en exécutant le revêtement à l'air, pour former
L
9 un revêtement de silice (SiO^).
L'influence de la variation de l'épaisseur d'un revêtement de SiO^ diélectrique déposé sur un revêtement de SnO., de 840 nm d'épaisseur sur le facteur de transmission lumineuse et l'émis-5 sivité infra-rouge est représenté dans le tableau 2 suivant (verre flotté de 6 mm d'épaisseur).
TABLEAU 2
Epaisseur SiC^ Facteur de transmission Emissivité (nm) lumineuse infra-rouge (%) 10 0 75 12 50 86.7 14.5 75 89-6 15.8 100 90. 3 17 150 85.4 19.5 15 On notera que l'émissivité infra-rouge du vitrage augmente linéairement avec l'épaisseur du revêtement diélectrique tandis que le facteur de transmission lumineuse atteint un maximum lorsque le revêtement diélectrique a une épaisseur de 100 nm (épaisseur optique 141 nm). Ceci est dû à des effets d'interférence.
20 Au lieu de former un revêtement conducteur.d'oxyde d'étain, il est possible d'utiliser un autre oxyde métallique, par exemple de l'oxyde d'indium. Des revêtements d'oxyde d'indium dopé peuvent être formés de la même manière que des revêtements d'oxyde d'étain au moyen d'une solution de chlorure d'indium. En fait, les 25 revêtements, d'oxyde d'indium aussi minces que 100 nm ont une excellente basse émissivité infra-rouge. Les revêtements d'oxyde d'indium eux-mêmes n'ont pas une résistance élevée à l'abrasion, mais ils peu- * vent être protégés par un revêtement superficiel dur, par exemple de silice qui a une meilleure résistance à l'abrasion. Sans cela, ils sont 30 utilisés de préférence ainsi qu'on le représente à la figure 2, à l'intérieur de vitrages multiples.
Dans le cas où le revêtement diélectrique n'est pas exposé, tel le revêtement 6 à l'intérieur du vitrage creux représenté à la figure 2, le revêtement peut être constitué d'une matière fragile.
36 Des exemples de telles matières relativement fra- I giles sont les fluorures de magnésium et de calcium qui peuvent être t » 10 déposés sous forme de revêtements minces ayant un indice de réfraction de 1,38 et 1,43 respectivement.
En variante, le revêtement diélectrique peut être - constitué de matière polymère. De nombreuses telles matières ont un 5 indice de réfraction d'environ 1,5. De telles matières peuvent être appliquées sur des feuilles de verre portant un revêtement d'oxyde métallique par immersion dans une solution de la matière polymère voulue.
Des revêtements diélectriques de silicone ou de polyuréthane peuvent être appliqués de cette manière.
10 II faut cependant noter que de tels revêtements ne doivent pas avoir une épaisseur supérieure à 160 nm afin de ne pas per-* dre le bénéfice de l'application du revêtement conducteur à basse émis sivité. A titre d'exemple, si un revêtement de Sn02 de 840 nm est surmonté d'une couche diélectrique polymère de 1.000 nm d'épaisseur, 15 l'émissivité infra-rouge du vitrage sera d'environ 90 %, substantiellement la même que celle du verre sans revêtement.
• λ
Claims (10)
1. Vitrage comprenant une feuille transmettant la lumière portant sur une de ses faces un revêtement d'oxyde métallique conducteur de l'électricité et transmettant la lumière, qui réduit l'émissivité du rayonnement infra-rouge de cette face du vitrage, caractérisé 5 en ce que les compositions et les épaisseurs de la feuille transmettant la lumière et du revêtement conducteur de l'électricité sont telles que seuls ils auraient un facteur de transmission lumineuse d'au moins 70 %, et en ce que le revêtement conducteur de l'électricité est surmonté d'un revêtement diélectrique dont l'épaisseur est inférieure à 160 nm et qui 10 augmente le facteur de transmission lumineuse du vitrage.
2. Vitrage selon la revendication 1, caractérisé en 1 ce que le revêtement diélectrique a une épaisseur inférieure à 140 nm et de préférence n'excédant pas 110 nm.
3. Vitrage selon l'une des revendications 1 ou 2, ca-15 ractérisé en ce que le revêtement diélectrique a une épaisseur optique en transmission d'au moins 60 et de préférence d'au moins 70 nm.
4. Vitrage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'indice de réfraction du revêtement diélectrique équivaut à dix pour cent près, à la racine carrée de l'indice de réfrac- 20 tion du revêtement conducteur de l'électricité.
5. Vitrage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le revêtement conducteur de l'électricité comprend de l'oxyde d'étain.
6. Vitrage selon l'une des revendications 1 à 4, ca-25 ractérisé en ce que le revêtement conducteur de l'électricité comprend . de l'oxyde d'indium.
7. Vitrage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le revêtement diélectrique a une résistance à l'abrasion plus forte que le revêtement conducteur de l'électricité.
8. Vitrage selon l’une des revendications 1 à 7, ca ractérisé en ce que le revêtement diélectrique est constitué de silice.
9. Vitrage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le revêtement diélectrique est un revêtement de matière polymère. A a. 9 12
10. Vitrage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la feuille transmettant la lumière est une feuille de verre. ; 4· Λ 1 X
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