ET D ' UNE COUCHE D ' EMAIL

L' invention se rapporte au domaine des matériaux comprenant une feuille de verre revêtue d'un empilement de couches minces. De tels matériaux sont destinés à former ou à être incorporés dans des vitrages de bâtiment ou dans des parties d'appareils électroménagers, comme des portes de four .

Les empilements de couches minces confèrent diverses propriétés aux matériaux, par exemple des propriétés optiques (couches réfléchissantes ou au contraire antireflets) , énergétiques (couches de contrôle solaire et/ou à faible émissivité) ou encore de conduction électrique (utilisées par exemple pour des vitrages chauffants) .

Les feuilles de verre sont parfois revêtues, sur au moins une partie de leur surface, d'une couche d'émail. Un émail est un matériau minéral formé à partir d'une composition comprenant au moins un pigment et au moins une fritte de verre. Une fritte de verre se compose de fines particules d'un verre à bas point de fusion, qui sous l'effet d'un traitement thermique de cuisson se ramollit et adhère à la feuille de verre. On forme ainsi une couche minérale, généralement opaque, à forte résistance chimique et mécanique, adhérant parfaitement au verre en maintenant les particules de pigment. Les couches d'émail peuvent avoir une fonction décorative ou esthétique, mais aussi de protection.

Les couches d'émail peuvent par exemple être déposées à la périphérie de feuilles de verre utilisées dans des portes de four pour camoufler certaines zones du four. Des empilements à faible émissivité sont parfois disposés sous la couche d'émail afin de réduire les échanges thermiques avec l'extérieur du four. Il existe aussi dans le domaine du bâtiment des vitrages appelés « allèges », utilisés pour les façades d'immeubles, et dans lesquels la feuille de verre est entièrement recouverte d'une couche d'émail colorée et décorative. Des empilements de contrôle solaire sont parfois disposés sous la couche d'émail afin de limiter le réchauffement du bâtiment sous l'effet du rayonnement solaire. Les couches d'émail peuvent aussi être utilisées pour créer un certain design, en déposant l'émail sous forme de motifs quelconques, par exemple dans des applications en façade, en cloison, en paroi de douche etc...

Les inventeurs ont pu mettre en évidence que dans le cas de l'utilisation d'émaux contenant du zinc et moins de 5% en poids d'oxyde de bismuth déposés sur des empilements de couches minces, l'aspect visuel de l'émail pouvait dépendre fortement de la température de cuisson. Typiquement, que ce soit dans le cas de l'émaillage du verre nu ou d'un verre revêtu d'un empilement de couches minces, il existe une température de cuisson minimale nécessaire pour obtenir une bonne cuisson de l'émail et un bon aspect visuel en réflexion. Pour le verre nu, la plage de températures de cuissons possibles est large, au sens où une augmentation de la température de cuisson de 50 ou 100 °C au- delà de cette température de cuisson minimale ne modifie pas de manière substantielle l'aspect en réflexion de l'émail. En revanche, dans le cas d'un verre revêtu d'un empilement de couches minces, une augmentation parfois minime de la température de cuisson par rapport à la température de cuisson minimale peut conduire à une modification de l'aspect en réflexion. La plage de températures de cuisson possibles, appelée DT, est alors réduite. Ainsi, il a été observé que pour des empilements dont la dernière couche (ou l'une des dernières couches) était à base de nitrure de silicium, la plage DT pouvait être aussi faible que 5 ou 10°C. De faibles plages DT sont préjudiciables du point de vue de la production industrielle car l'obtention de produits de teinte homogène nécessite l'emploi d'équipements de cuisson capables de chauffer la feuille de verre de manière très homogène. Même dans le cas d'équipements performants, les bords de la feuille de verre connaissent souvent des températures légèrement plus élevées que le centre, ce qui peut conduire à des hétérogénéités de teinte. Enfin, dans le cas d'empilements de couches ayant une faible émissivité, les zones dépourvues d'émail sont essentiellement chauffées par convection tandis que les zones recouvertes d'émail sont chauffées par convection et rayonnement. Les zones proches des zones dépourvues d'émail connaissent par conséquent des températures plus basses que les autres. Il est donc très difficile dans le cas de faibles plages DT d'obtenir industriellement des feuilles de verre parfaitement homogènes en termes d'aspect visuel.

L' invention a pour but de résoudre ces problèmes en proposant des empilements pour lesquels la plage DT est élevée, permettant de réduire les coûts de production industrielle .

A cet effet, l'invention a pour objet un matériau comprenant une feuille de verre revêtue sur au moins une partie d'une de ses faces d'un empilement de couches minces, ledit empilement étant revêtu sur au moins une partie de sa surface d'une couche d'émail comprenant du zinc et moins de 5% en poids d'oxyde de bismuth, ledit empilement comprenant en outre, en contact avec la couche d'émail, une couche, dite couche de contact, qui est à base d'un oxyde, l'épaisseur physique de ladite couche de contact étant d'au moins 5 nm.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un matériau selon l'invention, comprenant le dépôt d'un empilement de couches minces sur au moins une partie d'une face d'une feuille de verre, puis le dépôt, sur au moins une partie de la surface dudit empilement d'une couche d'émail comprenant du zinc et moins de 5% en poids d'oxyde de bismuth.

Le matériau selon l'invention possède, de manière superposée, un empilement de couches minces puis une couche d'émail, cette dernière n'étant pas en contact avec la feuille de verre. La présence d'une couche de contact permet d'augmenter la plage DT et donc l'homogénéité visuelle du matériau .

La feuille de verre est de préférence plane, en particulier lorsque le matériau est destiné à des vitrages pour le bâtiment ou des portes de four, mais elle peut également être bombée. Dans ce dernier cas la feuille de verre est généralement plane au moment du dépôt de l'empilement de couches minces puis de la couche d'émail, et peut ensuite être bombée. Le verre est typiquement un verre silico-sodo-calcique, mais d'autres verres, par exemple des borosilicates ou des aluminosilicates peuvent également être employés. La feuille de verre est de préférence obtenue par flottage, c'est-à-dire par un procédé consistant à déverser du verre fondu sur un bain d'étain en fusion. La feuille de verre peut être renforcée mécaniquement, notamment durcie ou trempée thermiquement. Pour ce faire, la feuille de verre est réchauffée à une température d'environ 600°C ou au-delà, traitement pouvant conduire si on le souhaite à un bombage du verre, puis refroidie rapidement afin de créer à sa surface des contraintes de compression. La cuisson de l'émail a de préférence lieu durant ce traitement thermique. La feuille de verre peut être claire ou teintée, par exemple en vert, bleu, gris ou bronze. La feuille de verre présente de préférence une épaisseur comprise dans un domaine allant de 0,7 à 19 mm, notamment de 1 à 10 mm, particulièrement de 2 à 6 mm, voire de 2 à 4 mm. La feuille de verre est de préférence revêtue de l'empilement de couches minces sur au moins 70%, notamment 80%, voire sur la totalité de la surface de la première face. Selon les applications l'empilement peut être revêtu par la couche d'émail sur au moins 80%, voire 90% de sa surface (cas des allèges) , ou sur au plus 40%, notamment 30% et même 20%, voire 15% de sa surface, souvent à la périphérie de la feuille de verre (cas des portes de four, ou encore des vitrages incorporant une Marie-Louise) . Dans le cas de motifs émaillés destinés à conférer un certain design, ce chiffre est typiquement compris entre 5 et 80%.

Par « contact », on entend dans le présent texte un contact physique. Par l'expression « à base de » on entend de préférence le fait que la couche en question comprend au moins 50% en poids du matériau considéré, notamment 60%, voire 70% et même 80% ou 90%. La couche peut même essentiellement consister ou consister en ce matériau. Par « essentiellement consister », il faut comprendre que la couche peut comprendre des impuretés sans influence sur ses propriétés. Les termes « oxyde » ou « nitrure » ne signifient pas nécessairement que les oxydes ou nitrures sont stœchiométriques . Ils peuvent en effet être sous- stœchiométriques , sur-stœchiométriques ou stœchiométriques.

De préférence, la couche de contact comprend un oxyde d'au moins un élément choisi parmi l'aluminium, le silicium, le titane, le zinc, le zirconium, l'étain. La couche de contact peut comprendre un oxyde d'au moins deux ou trois de ces éléments, par exemple un oxyde de zinc et d'étain, ou un oxyde de silicium et d'aluminium.

La couche de contact est avantageusement une couche à base d'oxyde de silicium, plus particulièrement une couche consistant essentiellement en un oxyde de silicium. Lorsque la couche d'oxyde de silicium est déposée par pulvérisation cathodique elle contient généralement de l'aluminium, car il est d'usage de doper les cibles de silicium par de l'aluminium afin d'accélérer les vitesses de dépôt.

La couche de contact est de préférence obtenue par pulvérisation cathodique ou par un procédé sol-gel. Plus de détails sur ces procédés sont donnés dans la suite du texte.

La couche de contact présente de préférence une épaisseur physique d'au moins 10 nm, notamment 20 nm, 30 nm, 40 nm, voire 50 nm et même 80 ou 100 nm, ou encore 150 ou 200 nm. Cette épaisseur est de préférence d'au plus 2 ym, notamment 1 ym, voire 500 nm et même 100 nm. L'augmentation de l'épaisseur de la couche de contact est favorable à l'obtention de plages DT élevées.

L'empilement comprend de préférence au moins une couche à base d'un nitrure.

L'au moins une couche à base d'un nitrure comprend de préférence un nitrure d'au moins un élément choisi parmi l'aluminium, le silicium, le zirconium, le titane. Elle peut comprendre un nitrure d'au moins deux ou trois de ces éléments, par exemple un nitrure de silicium et de zirconium, ou un nitrure de silicium et d'aluminium. De façon préférée, la couche à base d'un nitrure est une couche à base de nitrure de silicium, plus particulièrement une couche consistant essentiellement en un nitrure de silicium. Lorsque la couche de nitrure de silicium est déposée par pulvérisation cathodique elle contient généralement de l'aluminium, car il est d'usage de doper les cibles de silicium par de l'aluminium afin d'accélérer les vitesses de dépôt .

L'au moins une couche à base d'un nitrure présente de préférence une épaisseur physique comprise dans un domaine allant de 2 à 100 nm, notamment de 5 à 80 nm, voire de 20 à 50 nm. Les couches à base de nitrure sont couramment employées dans nombre d'empilements de couches minces car elles possèdent des propriétés de blocage avantageuses, en ce sens qu'elles évitent l'oxydation d'autres couches présentes dans l'empilement, notamment des couches fonctionnelles qui seront décrites ci-après. Les inventeurs ont toutefois pu mettre en évidence que la présence de ces couches, en particulier à proximité de la couche d'émail, était préjudiciable à l'obtention de plages DT élevées. L'invention est donc particulièrement utile pour les empilements contenant ce type de couches.

De préférence, au moins une couche à base d'un nitrure est en contact avec la couche de contact, ou éloignée de moins de 5 nm de la couche de contact. Les avantages de l'invention sont encore plus manifestes pour ces empilements .

L'empilement comprend de préférence au moins une couche fonctionnelle, notamment une couche fonctionnelle électro-conductrice, de contrôle solaire, ou à faible émissivité. La couche fonctionnelle est de préférence comprise entre deux couches minces diélectriques, dont une au moins est une couche à base de nitrure. D'autres couches diélectriques possibles sont par exemple des couches d'oxydes ou d' oxynitrures .

Au moins une couche fonctionnelle est avantageusement choisie parmi :

- les couches métalliques, notamment en argent ou en niobium, les couches d'un oxyde transparent conducteur, notamment choisi parmi l'oxyde d'indium et d'étain, les oxydes d'étain dopés (par exemple au fluor ou à l'antimoine) et les oxydes de zinc dopés (par exemple à l'aluminium ou au gallium) , et les couches à base de nitrure de niobium.

Ces couches sont particulièrement appréciées pour leur faible émissivité ou leur capacité à filtrer le rayonnement solaire, ce qui confère aux vitrages d'excellentes propriétés d'isolation thermique. Les vitrages bas-émissifs permettent par temps chaud de réfléchir vers l'extérieur une partie du rayonnement solaire, et donc de limiter 1 ' échauffement de l'intérieur des habitations, et le cas échéant de réduire les dépenses de climatisation. A l'inverse, par temps froid, ces vitrages permettent de conserver la chaleur au sein de l'habitation, et par conséquent de réduire l'effort énergétique de chauffage. Dans le cas des portes de four, les couches bas-émissives permettent de réduire les émissions de chaleur à l'extérieur du four, augmentant ainsi l'efficacité de ce dernier tout en limitant les risques de brûlures pour les utilisateurs.

Selon un mode de réalisation de 1 ' invention, l'empilement de couches minces comprend de préférence au moins une couche d'oxyde d'indium et d'étain, Son épaisseur physique est de préférence comprise entre 30 et 200 nm, notamment entre 40 et 150 nm. Cette couche est avantageusement comprise entre deux couches à base de nitrure, notamment de nitrure de silicium. La couche de contact est de préférence à base d'oxyde de silicium.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'empilement de couches minces comprend au moins un couche d'argent, notamment une, deux ou trois couches d'argent. L'épaisseur physique totale en argent est de préférence comprise entre 3 et 30 nm, notamment entre 5 et 20 nm. La ou chaque couche d'argent est de préférence entourée de couches diélectriques, dont certaines sont à base de nitrure, notamment de nitrure de silicium.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'empilement de couches minces comprend une couche de niobium ou de nitrure de niobium. La couche fonctionnelle est de préférence entourée de couches diélectriques, dont certaines sont à base de nitrure, notamment de nitrure de silicium.

Alternativement, l'empilement peut ne pas comprendre de couche fonctionnelle. L'empilement peut ainsi, par exemple, comprendre une succession de couches minces dont aucune, à titre individuel, ne confère de fonction particulière, mais qui ensemble permettent d'obtenir des effets optiques, notamment par le biais d'interférences multiples. Il peut par exemple s'agir d'empilements antireflet ou au contraire d'empilements réfléchissants.

Au moins une partie de l'empilement de couches minces peut être déposée par diverses techniques connues, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) , ou par pulvérisation cathodique, notamment assistée par champ magnétique (procédé magnétron) .

Selon un mode de réalisation, la totalité de l'empilement de couches minces (y compris la couche de contact) est déposée par pulvérisation cathodique, notamment assistée par champ magnétique. Dans ce procédé, un plasma est créé sous un vide poussé au voisinage d'une cible comprenant les éléments chimiques à déposer. Les espèces actives du plasma, en bombardant la cible, arrachent lesdits éléments, qui se déposent sur la feuille de verre en formant la couche mince désirée. Ce procédé est dit « réactif » lorsque la couche est constituée d'un matériau résultant d'une réaction chimique entre les éléments arrachés de la cible et le gaz contenu dans le plasma. L'avantage majeur de ce procédé réside dans la possibilité de déposer sur une même ligne un empilement très complexe de couches en faisant successivement défiler la feuille de verre sous différentes cibles, ce généralement dans un seul et même dispositif.

Selon un autre mode de réalisation, la totalité de l'empilement de couches minces, à l'exception de la couche de contact, est déposée par pulvérisation cathodique, notamment assistée par champ magnétique. Dans ce cas, la couche de contact est de préférence déposée par procédé sol- gel. Dans ce dernier procédé, un sol contenant des précurseurs de la couche à produire est déposé sur la feuille de verre par divers moyens, tels que la pulvérisation, le rideau, l'enduction laminaire, le rouleau, la sérigraphie etc.... Le sol contient de préférence des précurseurs organométalliques de la couche à produire, par exemple de l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) . La couche est ensuite séchée puis recuite afin de la densifier. Ce procédé permet d'obtenir des couches de contact plus épaisses que par le procédé de pulvérisation cathodique. L'épaisseur physique de la couche de contact peut ainsi être d'au moins 100 nm, notamment 200 nm et même 500 nm, voire 1 ym et plus.

La couche d'émail est de préférence formée à partir d'une composition comprenant au moins un pigment et au moins une fritte de verre de borosilicate de zinc. La couche d'émail ne comprend de préférence pas d'oxyde de plomb. La teneur pondérale en oxyde de bismuth dans la couche d'émail est avantageusement d'au plus 4%, notamment 3%, voire 2%, et même 1%. Elle est de préférence nulle.

La composition d'émail comprend généralement en outre un médium organique, destiné à faciliter l'application de la composition sur le substrat ainsi que son adhésion temporaire à ce dernier, et qui est éliminé lors de la cuisson de l'émail. Le médium comprend typiquement des solvants, des diluants, des huiles et/ou des résines. Dans le présent texte on qualifie de « composition d'émail » la composition liquide qui est utilisée pour déposer, sur la feuille de verre, une couche d'émail humide. Le terme « couche d'émail » est utilisé pour qualifier la couche finale, après cuisson, tandis que le terme « couche d'émail humide » est utilisé pour décrire la couche d'émail avant cuisson. La couche d'émail est de préférence déposée par sérigraphie. Pour ce faire, on dispose sur la feuille de verre un écran de sérigraphie, lequel comprend des mailles dont certaines sont obturées, puis on dépose la composition d'émail sur l'écran, puis on applique un racle afin de forcer la composition d'émail à traverser l'écran dans les zones où les mailles de l'écran ne sont pas obturées, de manière à former une couche d'émail humide.

Le dépôt de la couche d'émail comprend une étape de cuisson, de préférence à une température d'au moins 600 et même 650°C, et d'au plus 700°C, de préférence lors d'un traitement de bombage et/ou de trempe de la feuille de verre.

Les pigments comprennent de préférence un ou plusieurs oxydes choisis parmi les oxydes de chrome, de cuivre, de fer, de manganèse, de cobalt, de nickel. Il peut s'agir à titre d'exemple de chromâtes de cuivre et/ou de fer.

De préférence la couche d'émail est opaque, de teinte noire ou grise. Toute autre teinte est toutefois possible : blanche, rouge, bleue, verte, jaune etc... La couche d'émail peut recouvrir la totalité de la surface de la feuille de verre, ou encore être disposée en périphérie de la feuille de verre.

L'invention a également pour objet un vitrage, notamment une allège, ou une porte de dispositif électroménager comprenant au moins un matériau tel que décrit précédemment .

Le vitrage est de préférence un vitrage pour bâtiment. Il peut notamment s'agir d'une allège, d'une partie de façade, d'une cloison, d'une paroi de douche, comprenant un empilement de couches minces conférant des propriétés de basse émissivité et/ou de contrôle solaire ou des effets optiques particuliers. L'émail peut revêtir la totalité du vitrage (cas de l'allège) ou seulement une partie, soit pour dissimuler et/ou protéger des éléments situés derrière le vitrage, soit pour créer un design.

Le matériau selon l'invention peut être feuilleté à une autre feuille de verre au moyen d'un intercalaire de feuilletage, notamment en polyvinlybutyral (PVB) . L'empilement de couches minces se trouve alors de préférence du côté de l'intercalaire. Dans ce cas, l'utilisation d'une couche de contact à base de silice est particulièrement avantageuse car la silice présente le même indice de réfraction que le PVB, de sorte qu'elle n'a pas d'impact sur l'optique du matériau final.

La porte de dispositif électroménager est de préférence une porte de four ou une porte de dispositif réfrigérant (froid positif ou négatif) .

La porte de four comprend de préférence au moins un verre extérieur, proche de l'utilisateur, et un verre intérieur, proche de l'intérieur du four. Dans ce cas, le matériau selon l'invention peut être un verre intérieur, notamment revêtu d'un empilement à faible émissivité, ou un verre extérieur, notamment revêtu d'un empilement conférant des effets optiques, par exemple un empilement réfléchissant .

La porte de dispositif réfrigérant peut notamment être un simple vitrage ou un vitrage multiple, notamment un double vitrage. Le matériau selon l'invention, intégré à cette porte, est de préférence revêtu d'un empilement à faible émissivité .

Les exemples de réalisation qui suivent illustrent l'invention de manière non limitative.

Exemple comparatif 1

Dans cet exemple comparatif, une feuille de verre clair sodocalcique a été revêtue par sérigraphie d'une couche d'émail noir. L'émail, à base de borosilicate de zinc, comprend (en poids) 8% de B ₂ O ₃ , 32% de Si0 ₂ , 17% de ZnO, 4% de Ti0 ₂ , 2% d'Al ₂ 0 ₃ , 22% de Cr ₂ 0 ₃ et 12% de CuO. La composition de l'émail est exempte d'oxyde de bismuth.

La plage DT a ensuite été évaluée de la manière suivante. Un échantillon est placé dans un four à gradient de manière à cuire l'émail à une température différente selon la zone de l'échantillon. Une mesure de la clarté L* en réflexion non-spéculaire en fonction de la zone permet d'évaluer l'amplitude de la plage DT .

La plage DT est supérieure à 50°C. Une valeur de L* inférieure à 5 (caractéristique d'une couleur noire) est obtenue .

Exemple comparatif 2

L'exemple comparatif 2 se distingue du précédent en ce que la feuille de verre clair sodocalcique a été préalablement revêtue par pulvérisation cathodique magnétron d'un empilement de couches minces à faible émissivité constitué, à partir du verre, des couches suivantes : SiN _x (40 nm) / NiCr (1 nm) / Ag (7 nm) / NiCr (0,5 nm) / SiN _x (40 nm) / TiZrO _x (3 nm) .

La couche d'émail a donc été déposée en contact avec cet empilement de couches minces.

Dans ce cas la plage DT n'était que de 5°C. Des valeurs L* de 7 ont été obtenues, caractéristiques d'un noir moins profond que dans le cas de l'exemple comparatif 1.

Exemple 1

L'exemple 1 se distingue de l'exemple comparatif 2 en ce qu'une couche de contact en silice déposée par un procédé sol-gel a été déposée sur l'empilement de couches minces. La couche de contact a été déposée par sérigraphie et son épaisseur était de 100 nm.

La plage DT était d'au moins 15°C. Des valeurs L* de 5 ont été obtenues.

Exemple 2

Contrairement à l'exemple 1, la couche de contact en silice a été déposée par pulvérisation cathodique magnétron d'une cible de silicium dopée à l'aluminium dans un plasma réactif contenant de l'argon et de l'oxygène. L'épaisseur de la couche de contact était de 30 nm.

La plage DT était d'au moins 20°C. Des valeurs L* de 5 ont été obtenues.

Des résultats similaires ont été obtenus avec des épaisseurs de couche de contact de 50 et 70 nm.

Exemple 3

Dans cet exemple, la feuille de verre clair sodocalcique a été préalablement revêtue par pulvérisation cathodique magnétron d'un empilement de couches minces de contrôle solaire constitué, à partir du verre, des couches suivantes : SiN _x (10 nm) / Nb (30 nm) / SiN _x (30 nm) .

La couche de contact en silice a été déposée par pulvérisation cathodique magnétron d'une cible de silicium dopée à l'aluminium dans un plasma réactif contenant de l'argon et de l'oxygène. L'épaisseur de la couche de contact était selon les essais de 10 ou 30 nm.

La plage DT était d'au moins 20°C dans tous les cas.

Des valeurs L* de 5 ont été obtenues. L'utilisation d'une couche de contact a donc permis d' augmenter la plage de températures de cuisson utilisables et d' atteindre des teintes noires plus profondes.