白砂結構體及白砂結構體的製造方法與流程

2023-10-30 00:16:02

本申請為名稱為「白砂結構體及白砂結構體的製造方法」、申請號為201380051021.x，申請日為2013年7月31日，並於2015年3月30日進入中國國家階段的專利申請的分案申請。

本發明涉及一種白砂結構體和白砂結構體的製造方法，並且特別地涉及具有例如由玻璃製成的基材和形成在基材上的白砂薄膜的產品。

背景技術：

近年，白砂火山噴出物作為100％天然新型材料引起關注，其具有多種功能，諸如除臭功能、溼度控制功能、負離子效果功能和防止病屋綜合症功能。

作為白砂火山噴出物的應用產品，白砂結構體201(參考圖9)被實際使用為房屋內部材料(內部裝飾材料)、房屋外部材料(外部裝飾材料)或鋪裝材料，以提供特定的效果。

白砂結構體201具有顆粒狀或塊狀的白砂203，在基材207上使用諸如粘合劑205的膠粘劑將顆粒狀或塊狀的白砂203形成為塊狀狀態。

相關技術的技術文件包括，例如，專利文獻1和專利文獻2。

在先技術文獻

專利文獻

專利文獻1：特開2004-339712號公報；

專利文獻2：特開2008-101436號公報。

技術實現要素：

本發明要解決的問題

傳統的白砂結構體201具有諸如除臭功能和吸溼功能的功能。重要的是長時間保持這些功能。傳統的白砂結構體201包括塊狀白砂203，因此，具有低透光率以及較差的光學特性。如果需要基材207提供能見度，白砂203對基材207的鍍膜則被限制。

白砂產品的應用主要是建材，需要尋找與機械、熱、電、生物功能、分離和化學特性相關的白砂的新功能，並且需要發展顯現這些功能的白砂應用產品。

考慮到上述需要，本發明的目標是提供一種白砂結構體，除了除臭和吸溼功能外，其還具有優秀的光學和電學特性，並且能夠抵抗老化長時間地保持這些性能。本發明的另一個目的是提供一種製造此種白砂結構體的方法。

解決問題的方法

本發明的第一方面是：白砂結構體，其包括基材和通過物理氣相沉積形成的在基材上的白砂薄膜。

與第一方面的白砂結構體相關，本發明的第二方面通過直接地在基材上沉積組成白砂的金屬氧化物形成白砂薄膜。

與第一或第二方面的白砂結構體相關，本發明的第三方面以透明或半透明材料製成基材。

本發明的第四方面為構成第一方面的白砂結構體，以便白砂結構體為光控制元件，基材為第一傳導膜，白砂薄膜被形成在還原顯色膜的表面上，還原顯色膜被形成在基材的表面上，氧化顯色膜被形成在白砂薄膜的表面上，第二傳導膜被形成在氧化顯色膜的表面上，並且每層傳導膜都由透明或半透明體製成，或者其中一層傳導膜由透明或半透明體製成，而另一層由反射膜製成。

本發明的第五方面為構成第一方面的白砂結構體，以便白砂結構體為光控制元件，基材是傳導膜，白砂薄膜被形成在氧化顯色膜的表面上，氧化顯色膜被形成在基材的表面上，還原顯色膜被形成在白砂薄膜的表面上，第二傳導膜被形成在還原顯色膜的表面上，並且每層傳導膜都由透明或半透明體製成，或者其中一層傳導膜由透明或半透明體製成，而另一層由反射膜製成。

本發明的第六方面為構成第一方面的白砂結構體，以便白砂結構體為減反射材料，基材由透明或半透明體製成，並且白砂薄膜和折射率比白砂薄膜的折射率更高的高折射率薄膜交替地一層疊在另一層上地在基材的表面上形成多層。

本發明的第七方面是第一至第六方面的任何方面的白砂結構體的製造方法。作為用於物理氣相沉積的薄膜形成材料，該方法採用顆粒狀或塊狀白砂，或採用由燒結的顆粒狀或塊狀白砂製成的預定尺寸的燒結體。

發明效果

本發明能夠提供白砂結構體，其具有除臭和吸溼功能、光學和電學特性以及使白砂薄膜長時間很難從基材脫落的脫落抵抗性，並且提供該白砂結構體的製造方法。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的實施方式的白砂結構體的示意性構造。

圖2是示出了根據本發明的實施方式的白砂結構體的白砂薄膜的放大視圖，其中(a)示出了白砂薄膜的表面，而(b)示出了沿(a)的直線l的白砂薄膜的表面粗糙度。

圖3示出了根據本發明的實施方式的白砂結構體的白砂薄膜的微觀結構(根據形成條件的微觀結構的改變)。

圖4示出了根據本發明的實施方式的白砂結構體的白砂薄膜的剖面的微觀結構。

圖5示出了噴鍍設備的示意性構造。

圖6示出了根據本發明的實施方式的光控制元件。

圖7示出了根據本發明的實施方式的光控制元件。

圖8示出了根據本發明的實施方式的光控制元件。

圖9示出了根據相關技術的白砂結構體的示意性構造。

具體實施方式

如圖1所示，根據本發明的實施方式的白砂結構體1包括：形成為例如平板的基材3和白砂薄膜5。

通過諸如噴鍍的物理氣相沉積法(pvd)完全地且整體地覆蓋基材3的表面(平整的基材3的厚度方向的一面)而形成白砂薄膜5。

白砂薄膜5可被形成為覆蓋基材3的表面的至少一部分。白砂薄膜5也可被形成為覆蓋平整的基材3的厚度方向的兩面的全部或部分。基材3可以具有除了板狀的其他形狀。

白砂結構體1可作為房屋內部裝飾材料、外部裝飾材料或鋪墊材料。

以下將描述作為白砂薄膜5的原材料的白砂火山噴出物。

白砂火山噴出物構成了白砂堆積層。白砂堆積層從日本的鹿兒島縣蔓延到宮城縣的南部，並且最厚具有150米的厚度。

在當沒有其他類型的土壤混合的大量的火山碎屑大規模地流動累積而形成厚厚的白砂堆積層時，得到白砂火山噴出物。一般類型的土壤由混合了通過植物和微生物的作用創造出的多種有機物的粉末狀巖石組成。

另一方面，白砂火山噴出物是在形成巖石之前由巖漿形成的粉末，並且大體不含營養物(有機物)。白砂火山噴出物是在非常高的溫度下從巖漿燒結的高純度的無機陶瓷物。白砂火山噴出物是多孔的，並且包含作為主要成分的火山玻璃和60％到80％的矽酸成分。

以下將詳細地描述白砂，即白砂火山噴出物(例如，存在於日本九州的高千穗山的高千穗白砂)。高千穗白砂的重量百分比的解析結果如下所述：

灼燒損失2.7％，sio267.8％，al2o315.1％，na2o3.7％，cao2.2％，fe2o32.5％，k2o2.2％，tio20.27％，mno0.06％，mgo0.58％，p2o50.03％，so30.20％以及少於0.001％的cl-。

灼燒損失歸因於三氧化硫(so3)並且是根據jisr5202測量的。氧化矽(ⅳ)(sio2)是根據凝聚重量吸收組合法測量的。氧化鋁(al2o3)、氧化鐵(ⅲ)(fe2o3)、氧化鈦(ⅳ)(tio2)、氧化鈣(cao)、氧化鎂(mgo)、氧化鈉(na2o)、氧化鉀(k2o)、氧化錳(mno)和五氧化二磷(p2o5)是根據氫氟酸、硝酸、高氯酸分解icp發光光譜測量的。氯離子(cl-)是通過根據環境局的第13號通報的洗堤和通過根據離子層析法測量測試液測量的。

除了高千穗白砂之外的白砂(例如鹿兒島白砂)或具有與高千穗白砂的成分相同的成分的白砂可替代高千穗白砂被採用。

白砂的主要成分是矽酸和氧化鋁。白砂還包含斜長石、石英、氧化鈦等。在白砂顆粒中有許多小氣泡。

平滑乾燥粉狀的白砂很難保持水分，因此，不適合用於稻田。在暴雨情況下，白砂容易引起滑坡，並且因此被視為麻煩製造者。

以下將詳細地描述白砂結構體1。白砂結構體1的基材3為透明或半透明材料(例如，玻璃板)。

與相關技術不同，白砂薄膜5不使用諸如膠粘劑的粘合劑，並且通過直接地沉積組成白砂的金屬氧化物等被形成在基材3上。例如，白砂薄膜5僅由白砂成分製成。白砂薄膜5的厚度為大約5nm到100um。白砂薄膜5可在1nm到1mm，或1nm到10mm的厚度範圍被形成。

所述薄膜是薄的且表現出不同於大塊的膜的特徵的膜。

裸眼觀察時，在基材3上的白砂薄膜5看起來很平整。當如圖2所示被放大時，白砂具有微小的凹凸形狀。例如，在白砂薄膜5上的1um乘1um的掃描區域中，微孔被證實。

通過諸如噴鍍的物理氣相沉積法形成的白砂薄膜5根據形成條件而改變其微觀結構。

如圖3所示，改變基材(基板)3的溫度ts(開氏溫標上的度數)和惰性氣體的壓強(例如，氬氣ar)將導致白砂薄膜5的微觀結構的改變。這裡，tm是薄膜形成材料(圖5中的靶材11)的熔點。

圖3中所示的區1(區-1)是當氬氣氣壓高且基材3的溫度低時創建的微觀結構區。該區的剖面在圖4(a)中被建模。根據區1條件形成的白砂薄膜5包含微柱以及很多空隙和孔，以減小密度。

圖3中所示的區t(區-t)是當氬氣氣壓低且基材3的溫度低時創建的微觀結構區。該區的剖面在圖4(b)中被建模。根據區t條件形成的白砂薄膜5包含微柱和較少的空隙，以形成密實的膜。

圖3中所示的區2(區-2)是當基材3的溫度高時創建的微觀結構區。該區的剖面在圖4(c)中被建模。根據區2條件形成的白砂薄膜5包含微柱和比區t的顆粒大的顆粒。

圖3中所示的區3(區-3)是當基材3的溫度更高時創建的微觀結構區。該區的剖面在圖4(d)中被建模。根據區3條件形成的白砂薄膜5是各相同性的、且近似塊體狀態。

白砂結構體1的白砂薄膜5可在上述的區中的任何一個中被形成。優選的是根據用途適當地選擇白砂薄膜5的形成方式。

以下將描述白砂結構體1的製造方法(白砂薄膜鍍膜方法)。該方法使用圖5所示的噴鍍設備7，並且通過在基材3的表面上噴鍍而整體地形成白砂薄膜5。

為了進行噴鍍，作為在基材3上形成白砂薄膜5的材料(薄膜形成材料)的靶材11被安裝在真空腔9中。施加高壓以便電離了的惰性氣體(在真空腔9中的氬氣)撞擊靶材11。

其結果是原子被撞出靶材11的表面。原子到達設置在真空腔9中的基材3，並且形成白砂薄膜5。

通過將顆粒狀或塊狀的(粉狀的或粉末狀的)白砂燒結成具有預定尺寸的燒結體(大量的白砂顆粒或塊的一個整體)而製成靶材11。顆粒狀或塊狀的白砂可作為靶材11被使用。

在上述描述中，僅惰性氣體被引入真空腔9中。除了惰性氣體，活性氣體(例如，氧氣o2)也可被引入真空腔9。當活性氣體被引入時，(薄膜形成材料)白砂(組成白砂的金屬氧化物)的被撞出的原子與活性氣體反應，並且反應的化合物在基材3上沉積為白砂薄膜5。

如此，通過在基材3的表面上沉積白砂薄膜5的物理氣相沉積法形成白砂結構體1。白砂結構體1具有白砂原始的功能，諸如除臭和吸溼功能。由於白砂結構體1不包括粘合劑，所以這些功能持續很長時間。

當被包含於白砂薄膜5中的氧化鈦作為光催化劑分解臭氣成分時，實現白砂結構體1的除臭功能。白砂結構體1是多孔的，以便微孔和細孔實現吸附作用，以顯示吸溼功能。

根據圖9所示的相關技術，白砂結構體201包含顆粒狀或塊狀的白砂203，並且因此，需要諸如粘合劑的膠粘劑205將白砂203粘於基材207。即是說，在基材207上形成白砂203的薄膜需要時間和勞動。另一方面，白砂結構體1上的白砂薄膜5通過物理氣相沉積法形成。不需要相關技術的時間和勞動，白砂結構體1可通過簡單的工藝製造。

在白砂結構體1中，白砂薄膜5形成於其上的基材3是玻璃板。該構造提高了光學特性(例如，可見光的透光率)。

本發明關注薄膜而不是顆粒或塊狀物，並且採用噴鍍作為薄膜形成技術，以形成白砂薄膜5(納米級的)。對於形成被控制到原子級的微觀結構的薄膜，噴鍍是有利的技術，其具有高品質和良好的粘附性，並且可製造成大片均勻區域。通過使用噴鍍的優勢，不使用粘合劑白砂薄膜5也可沉積在基材3上。

本發明積極地使用白砂薄膜的物理特性，保持優異的功能，諸如白砂薄膜的除臭和吸溼功能，並且當白砂被應用到需要提供能見度的基材(玻璃板)3時，實現高透光率。

下面將詳細描述。通過噴鍍在基材(玻璃板)3的表面上形成的白砂薄膜5具有微細的凹凸形狀。微細的凹凸形狀的凹凸程度(在有些例子中為高度)比可見光的波長更小，因此，可見光不受白砂薄膜5的幹擾地(如同白砂薄膜5不存在一樣)穿過白砂結構體1。

根據白砂結構體1，玻璃板3的表面覆蓋有親水的白砂薄膜5，並且因此當具有玻璃板製成的基材3的白砂結構體1被用作窗戶玻璃或鏡子時，白砂結構體1幾乎不會結霧。

如果白砂結構體1被用作內部裝飾材料，其顯示出除臭、溼度控制、殺菌和負離子生成功能，以實現舒適的居住環境。

現今的房屋是高度無通風的，並且即使在一定程度上進行通風，日常生活也可能積累多種物質，從而在房屋內產生氣味和溼氣。為了處理它們，當溼度增加時，白砂結構體1吸收過多的水分，當溼度降低時，白砂結構體1釋放水分，從而自動地調節房間的溼度。並且，白砂結構體1迅速地除去香菸和寵物的氣味，並且一定能夠吸收諸如由家具等釋放的甲醛的化學物質。

當白砂結構體1被用作外部裝飾材料時，白砂結構體1顯示出防水性能和透溼性，並且提供漂亮、溫暖、賞心悅目的外觀，白砂結構體1可抵擋紫外線，並且顯示出大致地不褪色性或不退化性。

當製造白砂結構體1時，顆粒狀或塊狀白砂的燒結體被用作靶材。該白砂靶材容易操控。

在上述描述中，物理氣相沉積法直接地在基材3的表面上形成白砂薄膜5。替代地，其它層可介入，以間接地在基材3上形成白砂薄膜5。

以下將描述通過間接地在基材3上形成白砂薄膜5的方式形成的產品。

通過間接地在基材3上形成白砂薄膜5的方式形成的白砂結構體1是如圖6和圖7(a)所示的光控制元件(可見光控制組件)21。光控制元件21被形成為例如長方形的平板(參考圖7(a))。

光控制元件21是利用物體顏色根據氧化還原反應變化的ec現象的元件，並且包括基材3、還原顯色膜23、白砂薄膜5、氧化顯色膜25和第二傳導膜27。

基材3構成第一傳導膜(薄膜)。在第一傳導膜3的表面上，執行諸如噴鍍的物理氣相沉積，以直接形成與第一傳導膜3接觸的還原顯色膜(薄膜)23。還原顯色膜23由例如氧化鎢(ⅵ)(wo3)製成。

白砂薄膜5為透明或半透明，並且通過諸如噴鍍的物理氣相沉積法直接形成在還原顯色膜23的表面上，並且白砂薄膜5與還原顯色膜23的表面接觸。

在白砂薄膜5的表面上，執行諸如噴鍍的物理氣相沉積，以在白砂薄膜5上直接形成氧化顯色膜(薄膜)25，並且氧化顯色膜(薄膜)25接觸白砂薄膜5。氧化顯色膜25由例如氧化銦和氧化錫(ⅳ)(irox+sno2)製成。直接地被形成在氧化顯色膜25上、且與氧化顯色膜25接觸的是第二傳導膜27。

傳導膜3和27中的每層都是透明的或半透明的，並且由例如透明傳導膜(i.t.o(氧化銦錫)；錫氧化銦；摻錫氧化銦)製成。

優選的白砂薄膜5是，圖3所示的區1(區-1)中的白砂薄膜5，或圖3所示的區t(區-t)中的白砂薄膜5。

以下將描述光控制元件21的操作。

如上所述，白砂薄膜5具有微細凹凸形狀，並且在白砂薄膜5中，有微小空隙，以包含水分(h2o)。

如圖6所示，當在第一傳導膜3和第二傳導膜27之間施加電壓時，單價陽離子(例如，氫離子h+)進入還原顯色膜23，生成化合物(hxwo3)以使還原顯色膜23顯色。其結果是降低還原顯色膜23的可見光透光率。並且，施加在第一傳導膜3和第二傳導膜27之間的電壓使得單價陰離子(例如，氫氧根離子oh-)進入氧化顯色膜25，生成化合物(ir(oh)n+x)。結果是，氧化顯色膜25被顯色，以降低氧化顯色膜25的可見光透光率。即使在停止電壓施加後顯色狀態仍持續。

當施加與圖6相反的電壓時，還原顯色膜23和氧化顯色膜25變為無色且透明或半透明，以增加其可見光透光率。在停止電壓施加後無色且透明或半透明狀態仍持續。

根據相關技術的ecd(電致變色顯示)利用了物體顏色根據氧化還原反應變化的ec現象，並且採用液體或流體(或膠狀體)替代白砂薄膜5作為電解質薄膜。

在製造工藝中，採用液態電解質膜的傳統的ecd必須包括液體或流體處理流程，從而使得ecd的製造複雜化。另外，傳統的ecd具有歸因於老化或根據使用環境引起液體洩露的風險。為了處理該風險，根據另一相關技術的ecd採用含稀有金屬的固態電解質膜。

因為使用了稀有金屬，採用固態電解質膜的ecd很昂貴。另一方面，光控制元件21是基於白砂可用作為電解質膜的發現，並且採用白砂薄膜5作為光控制元件21的固態電解質膜。因為光控制元件21不使用稀有金屬，所以它不昂貴，並且與傳統的固態電解質膜相比，顯示出較高的離子傳導率。

與採用液體電解質膜的傳統的ecd相比，光控制元件21包含更簡單的製造工藝，並且不會由於老化或根據使用環境引起液體洩露。

光控制元件21可被使用為能夠輕鬆地在傳輸或阻擋可見光之間切換的擋光組件。擋光組件可使用於建築窗或客機窗。

可根據組合噴鍍，特別地可根據被使用為在高速和低溫下形成光學薄膜的技術的ras(自由基輔助濺射)，形成白砂薄膜5。該技術能夠快速地形成白砂薄膜5，並且抑制基材3等的溫度增加。

例如，在日本特開2001-234338號公報、特開平11-279757號公報和特開平11-256327號公報中描述了ras技術。

白砂薄膜5可被形成為如圖7(a)所示的單一連續產品。在這種情況下，光控制元件21可使用為如上所述的擋光組件。如圖7(b)所示，第一傳導膜3、還原顯色膜23、白砂薄膜5、氧化顯色膜25和第二傳導膜27可被分隔且被劃分為很多微小的塊31，以便給每個塊31施加單獨的電壓。在這種情況下，光控制元件21可替代lcd使用為圖像顯示單元。

在圖6中，還原顯色膜23和氧化顯色膜25可互相替換。

白砂結構體1被使用為光控制元件21，基材3被使用為第一傳導膜，白砂薄膜5被形成在氧化顯色薄膜25的表面上，氧化顯色薄膜25被形成在基材3的表面上，還原顯色膜23被形成在白砂薄膜5的表面上，並且第二傳導膜27被形成在還原顯色膜23的表面上。

傳導膜3和27中的其中一層可由透明或半透明體製成，並且另一層(例如，第一傳導膜3)可由反射膜製成，以反射可見光。

在這種情況下，第一傳導膜3由al(鋁)製成，以形成反射電極膜。由於第一傳導膜3用作反射電極膜，光控制元件21可被使用為防眩鏡。

光控制元件21可被使用為減反射材料(減反射板)。

在這種情況下，減反射材料21的基材3由透明或半透明體製成。在減反射材料21中，基材3的表面設置有減反射膜(ar鍍層)。

示例將被詳細地描述。如圖8所示，白砂薄膜5(5a)是透明的或半透明的，並且直接形成在基材3的表面上，且與基材3的表面接觸。直接形成在白砂薄膜5(5a)的表面上且與白砂薄膜5(5a)的表面接觸的是薄膜29(29a)(例如，氧化鈦(ⅳ)(tio2))，薄膜29(29a)的折射率比白砂薄膜5(5a)的折射率更高。高折射率薄膜29也是透明的或半透明的。

直接形成在高折射率薄膜29(29a)的表面上且與高折射率薄膜29(29a)的表面接觸的是與白砂薄膜5(5a)不同的白砂薄膜5(5b)。直接形成在白砂薄膜5(5b)的表面上且與白砂薄膜5(5b)的表面接觸的是與高折射率薄膜29(29a)不同的高折射率薄膜29(29b)(例如，氧化鈦(ⅳ)(tio2))。

白砂薄膜5的折射率低，並且大約為1.4至1.5。高折射率薄膜29具有大約2.0至3.0的高折射率。因為ar鍍層，整個反射率大約為5％。

在上述描述中，四層薄膜交替地形成在基材3上，即是，白砂薄膜5a、高折射率薄膜29a、白砂薄膜5b、高折射率薄膜29b。該構造並不限制本發明。白砂薄膜5和高折射率薄膜29可以交替地一層疊在另一層上地在基材3上形成多層。

在上述描述中，白砂薄膜5被形成在基材3的表面上，並且高折射率薄膜29被形成在白砂薄膜5的表面上。白砂薄膜5和高折射率薄膜29可互相替換。即是說，高折射率薄膜29可形成在基材3的表面上，白砂薄膜5可形成在高折射率薄膜29的表面上。

如上所述，ar鍍層能夠最小化歸因於反射的光損失，因此其適用於太陽能電池鍍膜。給電池表面提供「減反膜」的結果是確定地將陽光裝進電池中。

白砂薄膜5的折射率低，並且大約為1.4至1.5，因此白砂薄膜是用於太陽能電池鍍膜的最優材料(特別地，太陽能聚光的聚光鏡)。另外，被包含在白砂薄膜中的氧化鈦tio2的光催化特性在太陽能電池上實現防汙效果。

另一方面，如果通過在太陽能電池上形成作為光催化材料的氧化鈦tio2薄膜而不是白砂薄膜來實現防汙效果，則氧化鈦tio2的高折射率會改變設置有氧化鈦tio2薄膜的模塊或聚光鏡的光路徑。陽光則不能確定地被裝進太陽能電池。

在本發明的範圍之內，本發明不被限制於上述實施方式。

附圖標記說明

1：白砂結構體

3：基材

5，5a，5b：白砂薄膜

11：靶材

21：光控制元件

23：還原顯色膜

25：氧化顯色膜

27：第二傳導膜

29，29a，29b：高折射率薄膜