Szkło niskoemisyjne, często określane skrótem low‑e (od ang. low emissivity), stało się jednym z kluczowych materiałów łączących świat ceramiki, inżynierii materiałowej i nowoczesnego budownictwa. Łączy w sobie klasyczne właściwości szkła – przeźroczystość, trwałość, odporność chemiczną – z zaawansowaną funkcją kontrolowania przepływu energii cieplnej. Dzięki specjalnym powłokom cienkowarstwowym szkło to potrafi odbijać znaczną część długofalowego promieniowania cieplnego, przepuszczając jednocześnie światło widzialne. W efekcie umożliwia ograniczenie strat ciepła zimą i przegrzewania pomieszczeń latem, co przekłada się na mniejsze zużycie energii i niższą emisję gazów cieplarnianych. Z punktu widzenia gospodarki jest to materiał o strategicznym znaczeniu – występuje w budownictwie, przemyśle motoryzacyjnym, kolejowym, AGD, a także w specjalistycznych zastosowaniach, takich jak laboratoria, przemysł farmaceutyczny czy fotowoltaika. Zrozumienie technologii wytwarzania szkła niskoemisyjnego, jego parametrów oraz łańcucha wartości wokół tego materiału pozwala lepiej ocenić jego wpływ na rozwój niskoemisyjnej gospodarki i transformację energetyczną.

Podstawy materiałowe i właściwości szkła niskoemisyjnego

Szkło niskoemisyjne należy do grupy materiałów ceramicznych nieorganicznych o amorficznej strukturze. Bazą jest klasyczne szkło sodowo‑wapniowo‑krzemianowe lub szkło o składzie modyfikowanym (np. zwiększona zawartość tlenku krzemu czy domieszki poprawiające odporność chemiczną i mechaniczną). Dopiero na tak przygotowany podkład nanoszona jest powłoka o obniżonej emisyjności, której głównym zadaniem jest selektywne oddziaływanie z promieniowaniem cieplnym.

Kluczowe pojęcie to emisyjność (ε) – bezwymiarowa wielkość opisująca zdolność powierzchni do emitowania promieniowania cieplnego względem ciała doskonale czarnego. Zwykłe szkło ma emisyjność rzędu 0,84–0,89, co oznacza, że intensywnie wypromieniowuje ciepło w zakresie podczerwieni. Szkło niskoemisyjne dzięki powłoce metalicznej lub tlenkowej ma emisyjność obniżoną nawet do wartości 0,02–0,04 w przypadku zaawansowanych powłok wielowarstwowych. To radykalnie zmienia bilans cieplny przegrody szklanej.

Najczęściej stosuje się powłoki z ultracienkich warstw metali szlachetnych – przede wszystkim srebra – oraz ceramiki w postaci tlenków metali (np. tlenki cynku, cyny, tytanu, cyrkonu) pełniących rolę warstw barierowych, adhezyjnych i ochronnych. Cała struktura jest typowym przykładem ceramiki wielowarstwowej, gdzie każdy poziom o grubości od kilku do kilkudziesięciu nanometrów ma precyzyjnie określoną funkcję optyczną i termiczną.

Najważniejsze parametry opisujące szkło niskoemisyjne to:

• współczynnik przenikania ciepła U (W/m²K) – im niższy, tym lepsza izolacyjność cieplna szyby lub całego zespołu szyb;
• współczynnik przepuszczalności energii słonecznej g – określa, jaka część energii słonecznej przenika do wnętrza; w przypadku szkła niskoemisyjnego można uzyskać zarówno wysokie g (korzystne zimą), jak i obniżone (ważne przy ochronie przed przegrzewaniem);
• przepuszczalność światła Lt – istotna z punktu widzenia komfortu wzrokowego; typowe wartości mieszczą się w zakresie 60–80% przy zachowaniu niskiej emisyjności;
• odbicie światła zewnętrzne i wewnętrzne – wpływa na wygląd elewacji oraz efekt lustra weneckiego;
• odcień własny szkła – wynik interferencji w powłokach i składu chemicznego szkła (często lekko zielonkawy, niebieskawy lub szarawy ton).

Właściwości termiczne szkła niskoemisyjnego mają szczególne znaczenie przy ocenie całego budynku. Zastosowanie szyb dwukomorowych z jedną lub dwiema powłokami low‑e, wypełnionych gazem szlachetnym (argon, krypton, ksenon), pozwala obniżyć współczynnik U pakietu szybowego nawet poniżej 0,5 W/m²K. Przekłada się to na redukcję strat ciepła o kilkadziesiąt procent w stosunku do tradycyjnych przeszkleń, co w budynkach o dużych przeszkleniach ma znaczenie strategiczne dla całorocznych kosztów ogrzewania i chłodzenia.

Technologie wytwarzania szkła niskoemisyjnego

Produkcja szkła niskoemisyjnego jest wieloetapowym procesem, w którym łączą się klasyczne operacje hutnictwa szkła z zaawansowanymi technikami inżynierii powierzchni. W praktyce wyróżnia się dwa główne podejścia do wytwarzania powłok: metody pirolityczne (on‑line, hard‑coat) i metody próżniowe (off‑line, soft‑coat). Każde z nich ma odmienną logistykę, wymagania procesowe i obszary zastosowań.

Wytop szkła bazowego metodą float

Pierwszy etap jest wspólny dla większości zastosowań – to produkcja tafli szklanej w standardzie float. Surowce (piasek kwarcowy, węglan sodu, wapień, dolomit, stłuczka szklana i dodatki uszlachetniające) są dozowane, mieszane i topione w wannach szklarskich w temperaturze ok. 1500–1600°C. Utrzymanie stałego składu chemicznego i jednorodności stopu ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości powierzchni, odpowiedniej lepkości i braku defektów, które mogłyby utrudnić późniejsze nanoszenie powłok.

Stopione szkło spływa na wannę z ciekłą cyną, na której rozlewa się w cienką, płaską taflę. Dzięki różnicy gęstości szkło unosi się na cynie, co pozwala uzyskać idealnie gładkie powierzchnie i stałą grubość (typowo 3–12 mm, ale możliwe są też inne zakresy). Proces float zapewnia niewielką chropowatość powierzchni, co jest istotne dla jakości adhezji powłok niskoemisyjnych.

Powłoki pirolityczne (on‑line, hard‑coat)

Technologia on‑line polega na nakładaniu powłok bezpośrednio na gorącą taflę szkła na linii float, zwykle w temperaturze kilkuset stopni Celsjusza. Stosuje się proces pirolitycznego rozkładu związków w fazie gazowej (CVD – Chemical Vapor Deposition), ewentualnie ich modyfikacje. Prekursory chemiczne (np. chlorowcowe związki metali, organometaliczne kompleksy) są doprowadzane do strefy reakcyjnej, gdzie w kontakcie z gorącą powierzchnią tafli ulegają rozkładowi, tworząc cienką warstwę tlenków metali.

Najczęściej stosowane są tlenki cyny (SnO₂), tlenki fluorku cyny (FTO), tlenki tytanu oraz tlenki krzemu jako warstwy ochronne. Powłoki pirolityczne cechują się:

• bardzo dobrą adhezją chemiczną do szkła – są trwałe i odporne mechanicznie;
• możliwością dalszej obróbki termicznej (gięcie, hartowanie, laminowanie) bez degradacji parametrów;
• odpornością na czynniki atmosferyczne, co pozwala je stosować także jako powierzchnię zewnętrzną.

Ich główną wadą jest niższa kontrola struktury warstw w porównaniu z procesami próżniowymi oraz trudniejsza optymalizacja w kierunku bardzo niskiej emisyjności. Osiągane parametry są w pełni wystarczające dla wielu zastosowań budowlanych, ale w sytuacjach wymagających ekstremalnie niskiego U oraz precyzyjnej kontroli widma transmisji częściej wybiera się powłoki typu soft‑coat.

Powłoki próżniowe (off‑line, soft‑coat)

Technologia off‑line odbywa się już po schłodzeniu tafli szkła, w oddzielnych instalacjach przemysłowych – liniach do powlekania próżniowego. Najczęściej wykorzystuje się technikę magnetronowego rozpylania katodowego (magnetron sputtering). Tafle szkła są kolejno wprowadzane do komór próżniowych, w których na ich powierzchni osadzane są kolejne warstwy metaliczne i tlenkowe.

W procesie sputteringu jonizowany gaz (zwykle argon) bombarduje tarczę (target) z metalu lub tlenku, wybijając atomy, które osadzają się na powierzchni szkła. Dzięki zastosowaniu pól magnetycznych można zwiększyć gęstość plazmy i precyzyjnie kontrolować tempo osadzania. Typowa wielowarstwowa struktura szkła low‑e typu soft‑coat obejmuje:

• warstwę adhezyjną (np. tlenek cynku, tlenek cyny) poprawiającą przyczepność;
• warstwę srebra (Ag) odpowiadającą za właściwości refleksyjne w podczerwieni;
• warstwy barierowe i ochronne (np. tlenek tytanu, tlenek cyrkonu, tlenek krzemu) zabezpieczające srebro przed utlenianiem i uszkodzeniami;
• warstwy antyrefleksyjne i korygujące barwę, optymalizujące transmisję światła.

Układy te mogą składać się z kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu warstw, z których każda ma ściśle określoną grubość w zakresie kilku–kilkudziesięciu nanometrów. Taka precyzja pozwala uzyskać bardzo niską emisyjność i doskonałą selektywność widmową – szkło przepuszcza większość światła widzialnego, a jednocześnie odbija znaczną część promieniowania podczerwonego. Dzięki temu redukuje się straty ciepła zimą, a także przegrzewanie wnętrz przy wysokim nasłonecznieniu.

Powłoki soft‑coat są bardziej wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne i chemiczne niż hard‑coat, dlatego zasadniczo nie powinny pozostawać nieosłonięte w eksploatacji. Zazwyczaj umieszcza się je wewnątrz zespolonego pakietu szybowego, co chroni przed korozją i zarysowaniami. Wymagane jest też stosowanie specjalnych uszczelniaczy i gazów wypełniających komorę, aby nie doprowadzić do degradacji warstw metalicznych.

Obróbka dalsza: cięcie, hartowanie, laminowanie, zespolenie

Po naniesieniu powłok tafle szkła przechodzą kolejne etapy obróbki: cięcie do formatu, obróbkę krawędzi, ewentualne wiercenie otworów i wycinanie kształtów nieregularnych. W przypadku powłok pirolitycznych można następnie szkło hartować (podgrzać do ok. 600–650°C i szybko schłodzić), giąć lub laminować. Powłoki soft‑coat wymagają bardziej restrykcyjnych parametrów procesu, ale nowoczesne linie hartowania są w stanie zachować ich parametry optyczne i termiczne.

W budownictwie szkło niskoemisyjne niemal zawsze występuje w postaci zespolonej – jako element pakietu 2‑ lub 3‑szybowego, wypełnionego gazem (argon, krypton) lub mieszankami specjalnymi. Do separacji szyb stosuje się ramki dystansowe z aluminium, stali nierdzewnej, tworzyw kompozytowych lub tzw. ciepłe ramki ograniczające mostki termiczne. Cały układ uszczelnia się butylem i polisulfidami lub silikonami strukturalnymi, tworząc szczelną barierę dla pary wodnej i gazu wypełniającego.

Kontrola jakości na wszystkich etapach – od składu szkła bazowego, przez jednorodność powłok, po szczelność pakietów – ma kluczowe znaczenie dla trwałości i powtarzalności parametrów szkła niskoemisyjnego. Zaawansowane systemy pomiarowe (spektrofotometry, skanery defektów, kamery termowizyjne) pozwalają utrzymać wysokie standardy, a jednocześnie gromadzić dane do dalszej optymalizacji procesów.

Zastosowania przemysłowe, znaczenie gospodarcze i perspektywy rozwoju

Szkło niskoemisyjne, choć najczęściej kojarzone z nowoczesnymi oknami, w rzeczywistości przenika wiele sektorów gospodarki. Od budownictwa mieszkaniowego i komercyjnego, poprzez motoryzację, kolejnictwo, przemysł okrętowy, aż po specjalistyczne urządzenia laboratoryjne, aparaturę medyczną i elementy systemów energetyki odnawialnej. Rozwój tej grupy materiałów wpisuje się w globalny trend poprawy efektywności energetycznej i redukcji emisji CO₂, a przez to ma wyraźny wymiar geopolityczny i gospodarczy.

Budownictwo: okna, fasady, dachy szklane

Największy udział szkła niskoemisyjnego przypada na sektor budowlany. Nowoczesne przepisy w zakresie ochrony cieplnej budynków wymagają stosowania przegród o coraz niższym współczynniku U. W przypadku okien oznacza to konieczność stosowania szyb wielokomorowych, które bez powłok low‑e byłyby nieefektywne kosztowo i przestrzennie (wymagałyby nadmiernie dużej liczby warstw szkła i szerokich komór).

Szkło niskoemisyjne jest obecnie standardem w:

• oknach mieszkaniowych i drzwiowych – zarówno w budownictwie jednorodzinnym, jak i wielorodzinnym;
• fasadach słupowo‑ryglowych i strukturalnych budynków biurowych oraz użyteczności publicznej;
• dachach szklanych, świetlikach, ogrodach zimowych, gdzie kluczowa jest kontrola zysków i strat ciepła;
• przesłonach balkonowych, loggiach, oranżeriach i zabudowach tarasowych.

Dzięki niskoemisyjnym powłokom możliwe jest łączenie dużych powierzchni przeszklonych z wysokim standardem energetycznym budynku – istotnym w kontekście standardów budownictwa pasywnego i niemal zeroenergetycznego (nZEB). Oprócz klasycznych powłok ograniczających straty ciepła zimą rozwijane są także powłoki o zwiększonym odbiciu energii słonecznej, służące do ochrony przed nadmiernym nagrzewaniem. Pozwala to projektować fasady o wyważonym bilansie cieplnym, dopasowane do lokalnego klimatu i orientacji względem stron świata.

Ekonomicznie przekłada się to na:

• niższe rachunki za energię dla użytkowników budynków;
• możliwość spełnienia rygorystycznych norm i certyfikatów (np. LEED, BREEAM), co podnosi wartość nieruchomości;
• zmniejszenie obciążeń sieci energetycznych poprzez redukcję szczytowego zapotrzebowania na ogrzewanie i klimatyzację.

Na rynku europejskim i globalnym rośnie udział rozwiązań hybrydowych – łączenia szkła niskoemisyjnego z funkcjami przeciwsłonecznymi, akustycznymi, bezpiecznymi (szkło laminowane), a także z powłokami samoczyszczącymi czy fotokatalitycznymi. Powstają też zintegrowane moduły fasadowe zawierające szkło low‑e, warstwy fotowoltaiczne, izolację i systemy mocowań, co upraszcza proces prefabrykacji elewacji.

Motoryzacja, transport kolejowy i lotnictwo

W sektorze transportowym szkło niskoemisyjne pełni ważną rolę w poprawie komfortu termicznego i redukcji zużycia paliwa lub energii elektrycznej. W pojazdach osobowych stosuje się je przede wszystkim w szybach czołowych i bocznych, często w połączeniu z powłokami przeciwsłonecznymi. Dzięki temu wnętrze samochodu nagrzewa się wolniej podczas postoju na słońcu, a klimatyzacja może pracować z mniejszym obciążeniem.

W transporcie kolejowym – szczególnie w pociągach dużych prędkości – szkło niskoemisyjne w połączeniu z szybami laminowanymi i dźwiękochłonnymi zapewnia zarówno izolację akustyczną, jak i termiczną. W długich zestawach wagonów o dużej powierzchni przeszkleń ma to istotne znaczenie energetyczne. Podobne wymagania dotyczą transportu miejskiego (tramwaje, autobusy z dużymi szybami panoramicznymi), gdzie komfort termiczny pasażerów w bezpośredni sposób wpływa na atrakcyjność komunikacji publicznej.

W lotnictwie tradycyjne szkło jest w dużej mierze zastępowane przez materiały polimerowe (np. poliwęglan, PMMA), lecz również tam wykorzystuje się ideę niskoemisyjnych powłok na przezroczystych materiałach. Powłoki te są projektowane tak, by zmniejszać promieniowanie cieplne przenikające przez iluminatory, a jednocześnie spełniać restrykcyjne wymagania dotyczące masy, odporności na promieniowanie UV i warunki środowiskowe.

Przemysł AGD, chłodnictwo i laboratoria

W przemyśle urządzeń gospodarstwa domowego szkło niskoemisyjne jest szeroko stosowane w drzwiach piekarników, kuchni mikrofalowych, a przede wszystkim w urządzeniach chłodniczych. Drzwi szklane do lodówek sklepowych czy witryn chłodniczych, wyposażone w powłoki low‑e, znacząco redukują straty energii, co w skali sieci handlowych przekłada się na bardzo istotne oszczędności.

W chłodnictwie komercyjnym i przemysłowym stosuje się często kombinacje powłok niskoemisyjnych z powłokami antyroszeniowymi, co pozwala uniknąć kondensacji pary wodnej na powierzchni szyby. Parametry te są krytyczne z punktu widzenia prezentacji towaru, higieny oraz efektywności energetycznej całego systemu.

W laboratoriach, przemyśle farmaceutycznym i chemicznym szkło niskoemisyjne znajduje zastosowanie w obudowach urządzeń, oknach obserwacyjnych w reaktorach, komorach klimatycznych, inkubatorach i piecach laboratoryjnych. Odpowiednio zaprojektowane powłoki umożliwiają utrzymywanie stałej temperatury wewnątrz, a jednocześnie obserwację procesów bez konieczności otwierania komór, co zmniejsza ryzyko wahań parametrów i strat energii.

Fotowoltaika, energetyka i zastosowania specjalne

W sektorze energetyki odnawialnej szkło niskoemisyjne występuje przede wszystkim jako element modułów fotowoltaicznych oraz systemów solarnych. W modułach PV istotne jest maksymalne przepuszczenie światła w zakresie długości fal istotnych dla danego typu ogniwa, przy jednoczesnym ograniczeniu strat cieplnych i ochronie warstwy aktywnej przed przegrzewaniem. Kombinacja powłok antyrefleksyjnych i selektywnie refleksyjnych w podczerwieni stanowi istotny obszar badań i rozwoju w dziedzinie materiałów szklano‑ceramicznych dla PV.

W systemach solarnych termicznych (kolektory płaskie, koncentratory) stosuje się szkło o niskiej emisyjności, które ogranicza straty promieniowania cieplnego z absorbera, poprawiając sprawność całego układu. Dotyczy to zarówno kolektorów na wodę użytkową, jak i bardziej zaawansowanych systemów koncentracji słonecznej (CSP), gdzie kontrola widma promieniowania jest jednym z kluczowych elementów optymalizacji.

Do zastosowań specjalnych można zaliczyć:

• szkło niskoemisyjne w przemyśle kosmicznym (osłony optyczne, okna w modułach orbitalnych);
• okna w piecach przemysłowych, w których wymagana jest obserwacja procesu przy jednoczesnym ograniczeniu strat ciepła;
• osłony ekranów i wyświetlaczy o kontrolowanej emisji cieplnej, stosowane w pomieszczeniach o specyficznym reżimie klimatycznym.

Znaczenie gospodarcze i wpływ na transformację energetyczną

Znaczenie szkła niskoemisyjnego wykracza daleko poza same koszty ogrzewania budynków. Stanowi ono element szerszego systemu transformacji energetycznej, w którym kluczową rolę odgrywa poprawa efektywności energetycznej po stronie popytu. Ograniczenie zużycia energii w budynkach mieszkalnych i komercyjnych jest jednym z najtańszych sposobów redukcji emisji CO₂, a szkło low‑e jest jednym z podstawowych narzędzi osiągania tych celów.

Na poziomie makroekonomicznym upowszechnienie szkła niskoemisyjnego:

• zmniejsza zależność państw od importu paliw kopalnych, szczególnie w klimacie umiarkowanym i chłodnym;
• tworzy nowe miejsca pracy w branżach o wysokiej wartości dodanej – od hut szkła, przez producentów powłok, po firmy przetwórcze i montażowe;
• wspiera rozwój innowacji w obszarze ceramiki funkcjonalnej, technologii próżniowych i inżynierii powierzchni.

Z perspektywy przemysłu szkło niskoemisyjne jest też istotnym czynnikiem konkurencyjności. Producenci, którzy inwestują w nowoczesne linie powlekania i badania nad nowymi typami powłok, zyskują przewagę na globalnym rynku. Równolegle rośnie znaczenie recyklingu szkła i powłok, a także zmniejszania śladu węglowego całego cyklu życia produktów. Pojawiają się inicjatywy mające na celu wykorzystanie ceramicznych powłok niskoemisyjnych o niższej zawartości metali szlachetnych lub ich kompletnym zastąpieniu innymi związkami o podobnych właściwościach optycznych.

Ciekawym kierunkiem rozwoju jest integracja szkła niskoemisyjnego z inteligentnymi systemami sterowania. W połączeniu z roletami, żaluzjami fasadowymi, szkłem elektrochromowym lub termochromowym powstają fasady adaptacyjne, które dynamicznie reagują na zmieniające się warunki pogodowe i potrzeby użytkowników. Takie rozwiązania umożliwiają dalsze zwiększanie efektywności energetycznej budynków oraz poprawę komfortu cieplnego i wizualnego.

Od strony badawczej ważnym obszarem jest poszukiwanie nowych materiałów na powłoki, w tym tlenkowych i azotkowych warstw o wysokiej stabilności i selektywności widmowej. Badania koncentrują się również na zmniejszaniu grubości powłok przy zachowaniu ich funkcjonalności, co pozwala ograniczyć zużycie surowców i energii w procesach wytwórczych. Kolejnym wyzwaniem jest rozwój technologii umożliwiających szerokie zastosowanie szkła niskoemisyjnego w krajach rozwijających się, gdzie duży udział w bilansie energetycznym stanowi chłodzenie budynków, a wysokie koszty inwestycyjne bywają barierą dla modernizacji zasobów.

W efekcie szkło niskoemisyjne staje się nie tylko elementem przegrody budowlanej lub komponentem technicznym, lecz jednym z kluczowych ogniw gospodarki niskoemisyjnej. Rozwój jego zastosowań i technologii produkcji wpływa na rynek energii, politykę klimatyczną, rozwój miast oraz innowacje w przemyśle materiałów szklano‑ceramicznych, czyniąc z niego materiał o znaczeniu znacznie większym, niż mogłaby sugerować jego pozorna zwyczajność.