包含納米線柵的低輻射率窗膜和塗層的製作方法

2023-10-09 22:15:49

專利名稱：包含納米線柵的低輻射率窗膜和塗層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高透明度、低輻射率的窗膜或塗層。該技術具有特別的(但不是 唯一的)應用，如用於對建築物、車輛、以及無源太陽能熱量吸收器的窗的節能效果增強。
背景技術：
在雙層玻璃窗中，大約60%的通過窗中央的熱量傳遞不是通過傳導或對流發生， 而是由具有5微米至20微米的波長的長波紅外線的吸收和二次輻射(所謂的由具有室溫 或接近室溫的物體發出的黑體輻射)引起的。這是由於玻璃強力吸收這些波長的輻射能引 起的，而由於其80% 90%的輻射率，其在受熱時也以這些波長強力輻射。從而，儘管玻璃 對於長波紅外線是不透明的，但是通過吸收和二次輻射使其在一定程度上表現為好像它對 於長波紅外線是透明的一樣。傳統上，通過向一個或多個玻璃表面添加低輻射率塗層來減少這種熱傳遞。例如， 鋁、銀、或金的薄(< lOnm)膜具有約10% 25%的輻射率，意味著(a)該膜對於長波紅外 線具有高反射率，以及(b)當該膜被加熱時，其傾向於保持其熱量而不是將它們輻射出去。 然而，這些膜仍然具有很大的透明度，即，它們允許大部分的可見光和近紅外(NIR)光無衰 減地通過。這大大減少了穿過窗玻璃之間的空氣間隙的輻射熱傳遞，從而提高了雙層窗玻 璃結構的有效絕熱值，同時仍然允許其用作窗玻璃。「介電鏡」是一種使兩種材料(例如，金屬和透明陶瓷或聚合物)之間的介電常數 的不匹配度最大化的多層結構。這引起了光學指數不匹配，進而又導致在寬的波長頻帶上 具有非常高的反射率，其中，轉折頻率(即，高透明度和高反射率之間的界線)由各層的厚 度確定。本質上，介電鏡與抗反射塗層正好相反。自從二十世紀九十年代以來，通過將金屬 膜組裝成金屬和電介質的一個或多個交替的層來使長波「黑體」紅外線輻射的反射最大化， 從而增強金屬膜的低輻射率特性已經成為了一種標準做法。這允許在可以透過大部分可 見光和太陽輻射(例如，對於15. 1版本的International Glazingdatabase中報告的AFG Sunbelt Low-E玻璃來說，Tvis = 41. 4%以及Tsol = 21. 5% )的結構中具有低至2. 5% 的輻射率。近來，還可以看到已經將聚合陶瓷塗層用作低輻射率窗濾光器(例如，在2002年 第一期的 International Glass Review 中由 JohnD. Siegel 著的「The MSVD Low EiPremium Performance' Myth」中所述)。這樣的塗層是半晶質金屬氧化物，例如利用化學氣相沉積 (CVD)工藝沉積到玻璃上的氧化錫(SnO)。這些趨於具有比金屬和金屬_電介質塗層更高 的輻射率，但是對可見光及NIR光子具有更好的透射率。這賦予它們更高的太陽能熱增益係數(SHGC)，使得它們更適於用在寒冷、陽光充足的氣候地帶。這些塗層還比「軟」的金屬 塗層具有更高的魯棒性，從而由於它們不需要無刷清洗工藝而更易於在工業環境中應用。 廣泛用於視頻顯示器的一種導電陶瓷氧化銦錫(ITO)已經被限制用作低輻射率塗層，尤其 是被設計用來保持光學器件冷卻的「熱鏡」。在2000年8月的MRS公報中的《透明導電氧 化物》中，David S. Ginley和Clark Bright公開了其它的「低輻射率」陶瓷塗層，包括氧 化鎘錫(Cd2SnO4)、氧化鋅錫(ZnSnO4)、氧化鎂銦(MgIn2O4)、氧化鎵銦(GaInO3)、氧化鋅銦 (Zn2In2O3)、氧化銅鋁(CuAlO2)、和氮化鋁矽(AlSiN)。不利的是，即使對於非常透明的聚合物低輻射率塗層，在塗層本身中還會對可見 光以及尤其是NIR波長中的光子進行一些反射和吸收，從而經過塗覆的玻璃對可見光僅有 80% 90%的透射率，對整個太陽光譜有50% 65%的透射率，而對於標準的6mm透明浮 法玻璃來說，透射率為77%，對於同樣厚度的低鐵玻璃來說，透射率高達90%。這減少了通 過窗玻璃的太陽能熱增益，這在需要太陽能熱量的較冷的氣候地帶，或在主要目的是用於 聚集並存儲太陽能熱量的無源太陽能裝置中是不需要的。 有些濾光器(包括分布布拉格反射器和梳狀濾光器)可以被設計用於以黑體波長 進行操作，並可以作為在某個有限範圍內的理想長通濾光器使用。換言之，它們反射閾值波 長以上的輻射能量，而透射所述波長以下的輻射能量。然而，所有的這些濾光器實際上都是 帶通反射器，這意味著它們在第二閾值波長以上再次成為能透射的。實際上，現實材料的實 際限制通常將這些反射器的帶寬限制為不大於幾百納米，這只是一小部分約15，OOOnm寬 的黑體光譜。線柵偏振片通過反射掉一個偏振方向的光而使垂直偏振方向的光通過，從而將略 高於50%的通過它們的光衰減掉。自二十世紀六十年代以來，就已經提出了反射而不吸 收紅外線的線柵偏振片(如Sriram等人的美國專利第4，512，638號所述)。隨著二十世 紀九十年代和二十一世紀初納米光刻的出現，已經可以生產反射可見光波長的寬波帶線柵 偏光片，以用於高端光學器件和雷射技術(如Perkins等人的美國專利第6，122，103號所 述)。這樣的器件需要平行的金屬線(技術上稱為「光柵(grating) 」而不是「柵格(grid) 」， 儘管後一術語被廣泛使用)，這些線為數十納米寬並間隔開幾百納米。這些偏光片的一個優 點在於它們只在反射/偏振長波紅外線甚至微波和無線電波長中有效，就像它們在偏振可 見光中一樣。已知無數導電網、柵格、和鑽孔板用作微波和射頻(RF)輻射的防護罩或反射器。 一個實例是覆蓋微波爐的玻璃或透明塑料門的金屬屏。只要網中的孔顯著小於由微波爐磁 電管輸出的5cm 12cm波長，該網對於那些波長就好像它是均勻的導電膜或板，從而將反 射微波輻射。然而，由於可見光具有遠小於網中孔的波長，因此它能夠通過這些孔，就好像 其通過非導電材料中的孔一樣。從而微波爐中烹飪的食物是可見的，而不會在操作過程中 受到有害的微波輻射。本說明書背景技術部分中包含的信息(包括本文中引用的任何參考文獻及對其 的描述和討論)都僅用於技術參考目的，不應被認為是限制本發明的範圍的主題。

發明內容
本技術旨在通過降低窗玻璃和其它透明或半透明建築材料對由室溫物體發射的長波(黑體)紅外線的輻射率，同時保持對約250nm 2500nm的太陽光譜的高透射率以便 將太陽能熱量保持在裝置、建築物、或車輛中，來提高窗玻璃和其它透明或半透明建築材料 的有效絕熱值。在一個實施例中，用於降低窗對長波紅外光的輻射率的裝置是導電材料膜。 該膜以作為薄導電材料元件和空洞區的排列的圖案形成。該薄導電材料元件間隔一定距 離，以使該導電材料高度地反射長波紅外光，並高度地透射可見光和近紅外光。在另一個實施例中，該薄導電材料元件可以採取被設計用於生產(produce)高透射率、低輻射率(低E)的窗膜(下文稱為「柵格低輻射率膜」)的微米級或納米級柵格、光 柵、或塗層的形式。柵格低輻射率膜特別用於(但不限於)通過最大化它們對太陽輻射的 吸收量同時限制能夠發射的黑體輻射的量，來調節建築物、車輛和無源太陽能裝置的溫度。該柵格低輻射率膜或塗層將窗的有效絕熱值提高為顯著高於普通玻璃或聚合物 可能達到的值。相比於現有的柵格低輻射率膜和塗層，其對太陽光譜具有更高的透射率。該 低輻射率膜或塗層改善了特別是用於寒冷、晴朗氣候條件中的建築物、車輛和無源太陽能 裝置中的太陽能熱量的吸收和收集。本技術允許具有柵格低輻射率膜或塗層的窗由於審美的原因而在光學上更類似 於普通柵格玻璃或聚合物窗。該低輻射率膜或塗層可以置於厚或薄、強或弱、硬或柔、整體 式或由多個分離部分組成的材料上，而不會以任何顯著方式改變其基本功能。從以下對本發明的各個實施例的更具體描述中，本發明的其他特徵、細節、用途和 優點將顯而易見，本發明在附圖中進一步示出，並在附加權利要求中被進一步限定。


請注意，在所有附圖中，緊密相關的元件具有相同的元件標號。圖1是標準玻璃或塑料窗玻璃的示意圖。圖2是以低輻射率金屬網覆蓋的玻璃或塑料窗玻璃的一個實施例的示意圖。圖3是示出具有不同周期的低輻射率金屬柵格的反射率與波長的曲線，以及太陽 輻射和室溫黑體輻射的強度與波長的曲線。圖4是示出具有不同周期的聚合ITO低輻射率柵格的反射率與波長的曲線，以及 太陽輻射的強度與波長的曲線。圖5是示出具有不同周期的聚合ITO低輻射率柵格的反射率與波長的曲線，以及 由室溫物體發射的黑體輻射的強度與波長的曲線。圖6是已經在雙層玻璃窗的相對表面上放置了兩個相反偏光性的低輻射率線柵 的窗的實施例的分解圖。
具體實施例方式圖1是普通玻璃或塑料窗玻璃101的示意圖。在受到紫外線光子103撞擊時，窗 玻璃101吸收該光子，這是因為紫外線波長落在窗材料的透射波帶之外。當受到近紫外線、 可見光、或近紅外線(NIR)光子104撞擊時，該窗101使其透射過去，這是因為這些波長落 入窗材料的透射波帶之內。當受到長波紅外線(黑體)光子撞擊時，窗玻璃101再次對其 進行吸收，這是因為這些長波落在窗材料的透射波帶之外。然而，在吸收該能量的過程中， 窗玻璃局部受熱，根據斯特藩_玻爾茲曼定律，從而局部增加了它自身的黑體輻射。從而，黑體光子可以看上去好像以平行(collimate)或散射的方式「通過」了窗玻璃，如圖1所示。該行為對於透明材料來說是正常也是所期望的，但是對於在整個材料的厚度中(例如，在寒冷的天氣中溫室的整塊玻璃)存在大的溫度梯度的建築物材料，是不期望的， 這是因為其允許熱量通過輻射方式逸出該建築物。圖2是同一窗玻璃的剖面圖，只是在該窗玻璃表面添加了金屬絲網、光柵或柵格 102。線之間的間隔被選擇為顯著小於黑體輻射的波長，即，小於5 20微米，同時還大於 大部分或全部的可見光，即，大於600納米或0. 6微米。在該範圍內，精確的間隔對柵格的 透射和反射特性具有顯著影響。然而，這些線的寬度被選擇為遠小於該間隔，從而窗玻璃表 面被這些線實際阻擋的部分最小。例如，如果這些線寬15nm、間隔1500nm，則大約的表 面被遮擋，99%的表面未被遮擋。在這種情況中，線柵對表面的幾何遮擋在該窗的總透射率 方面沒有顯著作用。與之前的圖1 一樣，在圖2中，紫外線光子103被吸收，NUV/VIS/NIR光子被透射。 然而，對於黑體光子105，線柵(wire grid) 102與光滑的導電板沒什麼區別。因此，黑體光 子105被反射。這有兩種效果。第一，防止了該窗玻璃表面吸收由其它物體發射的黑體光 子。第二，防止窗玻璃通過其表面發射自己的黑體光子，因為這樣的光子完全被反射回窗玻 璃材料中並被再吸收。從而，線柵顯著降低了窗玻璃對長波紅外線的有效輻射率。只要這些線平行並且間隔寬，為了執行期望的反射長波以及透射短波的功能，也 不需要它們特別直或厚度特別一致。這些配線的位置和寬度可以跨越幾十納米，而不會顯 著影響柵格作為低輻射率膜的性能。然而，這些線確實需要足夠寬和足夠高才能成為優良 導體。由在周圍環境條件下易於氧化且其氧化物是不良導體的導體製成的薄於IOnm的線 可能不適於該應用，除非將它們塗覆透明材料以防止氧化。對於非塗覆應用，儘管也可以使 用其它金屬和粗度，但是銀、鋁、或金和線粗為15nm的示例性金屬導體具有更好的性能。該效果類似於法拉第籠，其具有以毫米、釐米或米等級重複的周期性結構的網篩 (mesh screen)，其允許較短波長輻射毫無阻礙地通過，同時阻擋RF輻射。其還類似於微波 爐中使用的微波屏蔽網。此外，置於表面上的導線的柵格或光柵與以孔或線間隙的陣列形 成圖案的導電板或膜之間的不同，主要是語義上的，在柵格或光柵的電學或光學性能方面 區別很小或沒有區別。從而，術語柵格、光柵、圖案膜在本文中可互換使用。鑑於實施方式 中的這種可能的多樣性，用於減小窗對長波紅外光的輻射率的裝置可以歸結為導電材料的 膜，其中，該導電材料的膜以薄導電材料元件和空洞區域的排列為圖案形成。該薄導電材料 元件排列或間隔一定距離，以使導電材料對長波紅外光具有高反射率，對可見光和近紅外 光具有高透射率。可選地，假設外塗層的膜厚度顯著小於外塗層材料中黑體光子的消光距離，則柵 格或光柵可以塗覆於電介質層、IR非透明材料，由於低輻射率窗塗層，不會顯著影響其性 能。可以期望在一些應用中使用對可見光、近紅外線、和黑體輻射透明的諸如金剛石的外塗 層材料。然而，儘管這樣的塗層可以延長線柵的使用壽命，但是它們對於其作為線柵低輻射 率表面的功能不是必須的。「線」可以是任何低輻射率材料條或材料堆，且用於該目的的透明導電氧化物的使 用將最大化太陽輻射的透射率，而不會顯著降低其對長波(黑體)紅外線的輻射率。這樣 的透明導電氧化物可以單體使用或以交替的多層使用來形成介電鏡。金屬氧化物介電鏡的條還可以用於提高輻射率，儘管這將比單獨的氧化物條提供更小的透射率。柵格或光柵結構可以利用對大表面形成微圖案的任何方法形成。例如，可以利用 光刻、電子束平板印刷、納米平板印刷、或微接觸印刷使表面形成圖案。利用當前技術易於 實現所要求的特徵尺寸，並不會出現大的挑戰。例如，視頻顯示工業採用能使幾平方米的面 積形成圖案(與使建築玻璃形成圖案所需的尺寸相當)的大生產力設備。也可以使用更粗糙的方法。例如，可以在沉積塗層之前，將極微小的小圓粒(bead) 或其它物體散布在玻璃表面上，並在之後擦掉。該塗層可以利用噴墨而印刷或應用到表面 上，或該表面可以利用溶膠_凝膠墨或嵌段共聚物通過化學自組裝來形成圖案。在一個實施例中，可以通過溶膠-凝膠工藝，在單一的操作(single operation) 中執行低輻射率塗層的沉積和表面圖案化，如Manea，E.、Budianu，E.、Purica，M. >Podaru, C.、Popescu，A.、Cerniac，I. R Babarada, F.在《國際半導體會議》2006 年第 1 卷，2006 年 9月期，第179-182頁中的《對於「蜂窩結構」構造的矽太陽能電池，通過 溶膠-凝膠方法制 備的SnO2薄膜的光學特性》中所述的，該文章通過引用結合到本文中。該工藝的目的是為 窗和其它建築材料產生光電低反射率表面，而不是產生透明柵格低輻射率表面。然而，如本 文中所述，可以使用該相同的工藝在玻璃或透明聚合物襯底上產生PbO、ITO以及其它柵格 低輻射率金屬氧化物材料的蜂窩式結構。在另一個實施例中，一種用於圖案化的方法是以諸如聚苯乙烯-b_聚(甲基丙烯 酸甲酯)(PS-B-PMMA)的自組織二嵌段共聚物來塗覆玻璃表面。在該示例性的工藝中，首先 將低輻射率塗層沉積到玻璃表面上。接下來，苯乙烯/苯並環丁烯/甲基丙烯酸甲酯(BCB/ MMA)無規共聚物以示例性比例56/2/42在甲苯中溶解成0. 3%重量的溶液，在低輻射率表 面上沉積8 12納米厚，在250°C下烘烤30分鐘以交聯這些共聚物，最後在甲苯中浸泡5 分鐘以去除任何殘留聚合物。該工藝產生了用作自組織聚合物膜的定位點的分子「刷」。接下來，包含約70 % PS和30 % PMMA的嵌段共聚物在甲苯中溶解成1 %的溶液，在 玻璃表面上沉積約30nm厚，並在真空爐中在160°C 190°C烘烤12小時。在這些條件下， 共聚物膜自組裝成規則的、蜂窩狀的在PS矩陣中垂直定向的PMMA圓柱體的陣列。為了交 聯膜的PS成分以及使PMMA成分溶解，在真空狀態下使總劑量> 25J/cm2的該樣本在水銀 UV燈下固化。然後將該樣本在冰醋酸中浸泡15分鐘以使PMMA溶解，在PMMA曾經佔據的區 域中留下空的圓柱孔。然後應用蝕刻劑溶解這些孔下的空間中的低輻射率層。蝕刻劑的精確的化學處理及施加時間取決於低輻射率表面的組成和厚度。通 常，氟化氫(HF)溶液可以用於腐蝕金屬氧化物，以及諸如鹽酸(HCl)的不攜帶氟的酸 (non-fluorine-bearing acid，無氟酸)可以用於腐蝕金屬，而使聚合物掩模不受影響。然 後利用丙酮去除該蝕刻掩模，從而該工藝結束。現在，窗玻璃塗覆了低輻射率柵格，該柵格的孔的尺寸和間隔是PS-b-PMMA共聚 物的分子量的函數，由如下關係式定義p = (0. 5556) * (ff/100)0 64, D = Ρ/1. 74，其中，P是 孔周期或中心到中心的間隔，W是以道爾頓為單位的分子量，以及D是孔直徑。在另一個實施例中，利用光刻對表面進行圖案化。利用標準CAD和印刷技術製備 玻璃平板印刷光掩模。DesignCAD LT是用於光掩膜設計的一種通用工具，其輸出可以被上 傳至諸如由PhotoScience公司銷售的自動掩膜印刷服務。該掩膜包括正方形柵格的圖像， 當聚焦到表面上時，正方形柵格的圖像具有以約0. 9 1. 1微米為周期、間隔約0. 6 0. 8微米的間隙。以這些尺寸，柵格將由垂直交叉的約為0.3微米寬(利用以250 400納米波長進行輻射的標準水銀蒸氣UV燈易於實現的特徵尺寸)的線組成。更小的特徵尺寸是 更加適合的，但是會需要亞波長幹擾技術和超紫外線(EUV)反射光學器件，這會增加所需 設備的成本和複雜性。利用噴墨印刷機將諸如Microchem KMPR 1000的快速曝光的UV敏感光刻膠材料 對表面進行塗覆約1微米的厚度，然後在潔淨室的環境下以100°c烘烤5分鐘。只要能夠提 供對於顯影光刻膠中的特徵的有利的長厚比(aspect ratio)，準確的厚度並不重要，以及 該塗層也不必在微米等級上特別一致和平坦。士50% 90%的高度變化是完全可接受的， 並不會顯著削弱處理結果，這是因為低輻射率塗層本身通常遠薄於1微米，通常在0. 2微米 或更小的級別。接下來，塗覆玻璃和聚合物片被放置到連續掃描UV光刻系統(例如，可從Anvik 公司得到的系統之一，其每小時能夠處理約20平方米)中，並利用光掩膜的凸出的、最小化 圖像進行曝光。該處理沒有留下可見的切痕，並且在撰寫本文時其限於1 μ m的特徵尺寸， 儘管將來可能會得到更小的特徵尺寸。該連續掃描以及圖案化處理要求來回移動玻璃而圖 案化設備本身保持靜止。因此，佔地面積要求約為需要圖案化的最大的窗玻璃的長度和寬 度的兩倍，再加上三側約2米的進出通道。對於圖案化3mX4m的玻璃的系統來說，所要求 的佔地面積約為lOmXIOm。曝光波長通常為365nm (儘管其它UV波長，甚至X射線波長也 有效)，並且1微米的KMPR 1000所需要的劑量約為70JOUles/cm2。儘管對於該處理是非 強制的，但還是推薦在曝光後以100°C烘烤3分鐘。接下來，利用顯影溶劑(諸如Microchem SU-8和2. 38% TMAN (0. 26N)鹼性水顯 影劑)清洗該樣本120秒。此時，在所需線柵形狀的光刻膠中有氣孔。然後利用上述標準 的沉積技術通過光刻膠中的孔將低輻射率塗層沉積到表面上。最後，利用「剝離」溶劑(諸 如丙酮和MicroChem去除劑PG(NMP))在80°C浸泡10分鐘來洗掉殘餘的光刻膠，或利用等 離子蝕刻劑來洗掉殘餘的光刻膠。例如，利用以下設置，反應離子蝕刻劑可以在10分鐘以 內執行剝離操作100mTorr的壓力、10°C的溫度、200W的功率、80sccm的O2和8sccm的CF4。 一旦光刻膠被徹底剝離，就完成了微圖案化的低輻射率表面。在另一個實施例中，利用標準的膠印技術(有時稱為滾筒型納米壓印光刻或 RNIL)對光刻膠進行圖案化。由金屬、陶瓷、聚合物、或任何其它持久材料(例如100微米 厚的鎳板)組成的印刷板或「薄片」其上製備有微小圓球的圖案，並且以所需要的孔的大 小和形狀(或以任何其它想要的圖案)進行製備，通常飾以微圖案化的石英主體(quartz master)(但這不是必須的)，並將其圍繞在圓柱形滾筒周圍。然後待圖案化的表面(例 如，窗玻璃)被塗覆液態光刻膠或掩膜材料(例如，苯甲醚中的的Microchem Nano PMMACopolymer)，並且利用基本上類似於印刷機的設備，使加熱至設計用於乾燥並硬化光 刻膠的溫度(例如，玻璃臨界溫度)的滾筒按照標準印刷工藝滾過玻璃表面。然後，允許圖 案化的表面在周圍環境條件下，通過烘烤處理(例如，在160°C下烘烤30分鐘)或通過暴 露於紫外線硬化燈(例如，285nm水銀蒸氣燈)，進行充分乾燥並硬化。然後通過印刷圖案 (例如，通過濺射處理或化學氣相沉積處理)沉積低輻射率塗層，以及如上所述剝離圖案化 的光刻膠。於2008年4月9日至11日在韓國京畿道韓國國際會展中心舉行的關於智能制 造應用的國際會議中，Shuhuai Lan、Hyejin Lee、Jun Ni、SoohumLee 和 Moongu Lee 在《對滾筒式納米壓印工藝的研究》中描述了非常類似的用於對柔性和剛性表面進行圖案化的處理。前述的描述僅是用於示範的目的，並且不應該被看作是對本發明的範圍的限制。 在不背離本發明的精神的條件下，還可以使用各種其它圖案化技術，本發明的精神在於對 可見光譜高度透明度的微圖案化柵格低輻射率表面。圖3是示出不同間隔的低輻射率線柵的反射率與波長、以及還示出陽光和由室溫 物體發射的黑體輻射的強度與波長的曲線。提供高度透明、可購買到的低輻射率膜的反 射光譜用於進行比較(源自15. 1版本的國際窗用玻璃資料庫(International Glazing Database)。所選範圍內的所有柵格都對由太陽發射的可見光和NIR光高度透明並對黑體 輻射具有高反射率，在這兩種情況中，柵格的性能與單片低輻射率膜比起來更有利，同時還 提供了對於VIS和NIR波長的更高的透明度。所有這樣的柵格，以及具有基本相同的光學 特性的衍生結構，當被用作柵格低輻射率窗膜時都考慮為本發明的實施例。還應該注意，圖3中的曲線描繪了對所有波長反射一致的理想金屬的線柵。 例如， 鋁非常近似於完美金屬，因此鋁線柵的響應非常類似於圖3中所繪製的響應曲線。然而，諸 如銅和金的「非完美」金屬，在對近紅外線和長波紅外線具有高反射率的同時對可見光譜的 較短波長具有非常小的反射率(以及對具有相應能量的電子具有更小的導電性)，這就是 為什麼這些金屬分別顯示出黃色和紅色的原因。當利用這樣的金屬形成低輻射率線柵或光 柵時，可見波長的反射光譜降低，因此相比於圖3中的曲線，反射率與波長的關係曲線移向 右側。同時，相比於理想金屬(例如，金在對應於綠光的大約500nm波長處呈現出透射峰 值，而理想金屬的透射光譜沒有顯示峰值)增強了可見波長的透射光譜。因此，柵格或光柵 對太陽輻射變得更加透明。然而，由於這些「非完美」金屬對黑體波長具有高反射率，因此 柵格保持了相當的低輻射率特性。對於諸如SnO的透明導電氧化物，曲線甚至更向右偏移， 這是由於這些金屬對於可見光幾乎完全透明，而對長波紅外線保持高反射率。圖3示出了 以周期為600nm的具有550nm的孔進行圖案化的低輻射率表面，將呈現出與同樣材料的單 片膜相當的輻射率，但其採用的材料少了 65%，且呈現出對太陽光譜的大幅提高透射率。出於本發明的目的，並不關注低輻射率柵格是通過在絕緣表面上沉積導線形成、 通過在固態導電膜中蝕刻多個孔形成、還是通過一些其它方法形成。柵格開口的壓縮排列 (packing arrangement)可以呈正方形或六角形對稱，或具有很好地規定的平均尺寸和間 隔的開口的偽隨機布置。此外，儘管具有相對於其它孔被高度拉伸的一個尺寸的這些開口 將傾向於具有偏振效果，但是這些孔的形狀可以是正方形、圓形、三角形、不規則形、或不會 顯著改變該裝置的功能的任何其它形狀。圖3的曲線還示出了導線的平行光柵(也稱為線柵偏光片)的反射率與波長的關 系。由於其偏振效果，該結構具有以下重要的特性其反射率在很寬的波長範圍內(從近紫 外線到遠紅外線)基本保持恆定(在此實例中約為44%)。類似的，由於其偏振特性，光柵 對所有波長都具有約40% 50%的輻射率，這顯著少於普通玻璃的80% 90%。儘管線 柵偏光片通常用於光學領域，但是它們還沒有在窗和其它建築材料中用作低輻射率膜。這 種應用被看作是本發明的一個實施例。與前面一樣，還應該注意，如果導線被包覆一層透明 電介質材料，假設層厚度顯著小於材料中黑體光子的消光距離，或者包裹對黑體輻射也透明的材料(如金剛石)，則能夠大大地保護線柵的低輻射率特性。
圖4是示出具有不同周期的聚合物ITO柵格的反射率與波長關係、以及太陽輻射 的強度與波長關係的曲線。如該曲線清楚示出的，相比於單片ITO膜，該柵格結構對於可見 光和近紅外線太陽輻射更加透明。圖5是示出具有不同周期的聚合物ITO柵格的反射率與波長關係、以及由室溫物 體發射的黑體輻射的強度與波長關係的曲線。如該曲線清楚示出的，對黑體波長中的紅外 光的反射率(約等於減去輻射率後的反射率)隨著柵格尺寸的增加而改變最多幾個百分 數。從而，輻射率「損失」小於透射率增益，這意味著，如以BTU為單位測量的熱量消耗或金 錢花費所表明的，當這些微結構的塗層被結合到窗玻璃中時，該窗將在寒冷、晴朗天氣中更 好地發揮作用。其它熱分解、透明、導電、低輻射率塗層的光譜會在此處所示的曲線上有細節上的 變化，但是在總體形式和功能上基本相同，且在它們基本的性能特徵方面類似。還應該注 意，高透明度的低輻射率塗層是對熱色或熱反射窗濾光器的極好的補充，這是因為它們將 低輻射率功能從SHGC的調節中分離，從而增加了可用到這種熱色或熱反射濾光器的透射 率的範圍。圖6示出了本發明另一個實施例的分解圖，在該實施例中，在兩個窗玻璃401和 401'的相對表面上覆蓋有線柵402和402'。由於由光柵發射的黑體輻射本質上是偏振 的，因此在雙層玻璃窗的兩個相對表面上放置兩個相反的偏光性的線柵偏光片是可能的， 從而由一個偏光片發射的光被另一個偏光片強力反射，反之亦然。這是使窗的有效輻射率 非常接近於零的另一種方法。然而，如果將這些偏光片設計成對可見光範圍內的光進行偏 振，則這些交叉的偏光片將產生透射非常少的光的高反射窗。如果將線柵的間隔調整為偏振(以便反射)黑體輻射而對可見光能夠高度透射 (如圖3所示)，則該設計作為普通建築物窗(例如，作為人們可以透過其看到物體和情景 的固態、透明、非漫射牆元件)的效用最大。可替換地，如果線柵的間隔使得可見光在從中通過時被強力偏振，則該窗將對可 見光譜幾乎全反射，除非在這兩個偏光片之間的某一位置處設置可選的消偏光片406。消偏 光片406的用途是使通過其的可見光和近紅外光的偏振向量旋轉設定量(通常為90度)， 從而從線柵402發射的偏振可見光被線柵402'透射，而不是反射，反之亦然。在一個實施例中，消偏光片406被選擇為使得太陽光譜(例如波長為0. 25 2. 5 微米)中的光子的偏光性旋轉，但是對5 20微米的黑體光子的偏光性沒有影響。可替換 地，如果消偏光片材料對黑體輻射是不透明的，則其易於吸收並再輻射黑體光子，有效地使 其偏光性隨機化。在這種情況中，每個線柵都將接收所有偏光性的黑體光子，且每個線柵都 將反射/衰減該黑體輻射約55%，從而整個裝置的有效輻射率約為20%，其遠低於普通玻 璃的80% 90%的輻射率。如果消偏光片406同時對可見光、近紅外光、和黑體輻射透明，則這樣的裝置作為 低輻射率窗的效用將最大。這點可通過以下條件實現如果消偏光片406薄於黑體光子的 消光距離，或如果厚於此(例如，結構或襯底材料)的消偏光片的多個部分由對太陽光譜和 黑體光譜中的光的波長透明的材料製成。在這種情況中，金剛石是優選的材料，原因在於其 結構堅硬、不溶於水、且在0. 25 30. 0微米的範圍內透明。包括氯化鈉的其它材料在類似的範圍內也是透明的，但是其可溶於水汽，其要求非常徹底地乾燥和密封。在這兩種情況下，黑體透明消偏光片既不消偏振也不吸收/ 二次輻射黑體光子，從而再一次地，由一個線 柵發射的黑體輻射將被另一個基本完全發射，從而整個裝置的有效輻射率少於5%，而其對 可見光和NIR光的透射率(根據線間隔)可能近似等於窗材料本身的透射率。由於扭轉向列液晶單元具有其偏振特性可以開啟和關閉的優點，其通常被用作消 偏光片。線柵偏光片和本文中公開的其它線柵形成有效的向列和扭轉向列液晶單元的定向 層，從而減少了可用低輻射率裝置所需的元件總數。作為定向層的線柵和光柵的使用被看 作是本發明的一個實施例。因此，可以同時使用線柵作為消偏光片、定向層、以及低輻射率 表面。在所有其它方面中，液晶單元以及其它消偏光片的設計、製造和使用都是已知的。儘管本文中示出並描述了多個典型的實施例，但是應該理解，本發明並不限於這 些具體的構造。可選的組件(諸如抗反射塗層或膜)也可以被添加或移除來滿足具體應用 或具體製造方法的需要，並且可以通過刪除、組合、和替換某些部件來產生一些實施例的低 級形式(degraded form)。例如，線柵可以被替換為納米金屬杆狀、環形、方形或其它形狀的 偽隨機散布。該布置可能是低效的，但是可能製造起來更便宜。儘管本發明各實施例的材料和結構可以是剛性的，但是對於低反射率膜，為了執 行本文中描述的功能，其對剛性沒有要求。此外，當本發明各實施例中的不同部件被示出並 被描述為被附著或直接物理接觸，但是如果這些部件僅是相鄰但物理分離，本發明的其它 實施例也是可以工作的。因此，儘管柵格低輻射率膜可以具體化為固態物體(例如，窗、玻 璃塊、上下層窗空間、或活動窗玻璃)或一組固態物體(例如，附於光學工作檯的濾光舞臺 燈或一組部件)，但是它們還可以具體化為柔性物體，諸如帳篷材料、毯子、窗簾、或可應用 於玻璃窗、上下層窗空間、玻璃塊、或其它建築材料的表面的嵌花膜。多種可選材料可用於製造柵格低輻射率窗裝置，包括金屬、陶瓷、玻璃、納米結構 以及微結構的光子材料、甚至冰、液體和蒸汽。該裝置可以包括被設計用於增強絕熱特性的 特徵，包括但不限於氣隙、真空隙、泡沫、珠子(bead)、纖維墊、或氣凝膠。其可以足夠厚和 硬，以用作車輛或建築物壁的結構部件。其可以被包起來或形成在複雜表面之上。其可以 用顏色進行美學上的改善，或其可以偽裝成類似於更傳統的建築材料。各層的確切排列可以不同於此處所描述的，這取決於所選材料和波長，不同層可 以被組合成單個層、物體、裝置、或材料，而不改變本發明的基本結構和功能。儘管上述的描 述包括許多特徵，但是這些都不應該被理解為限制本發明的範圍，而應該為只提供對本發 明的某些示例性的實施例的說明。還存在製造不同材料、以及具有不同構造的裝置的可能 性。此外，該裝置可以包含一個或多個附加的偏光片，或反射型的或吸收型的，不管是 對於彼此和對於原來的兩個偏光片是平行的還是成一定角度旋轉的，來改變該裝置中不同 位置處不同波長的光的偏振狀態。此外，可以採用不同線間隔的多個線柵來調整準確的反 射率、透射率、和明顯的輻射率，以指定裝置中不同位置處的波長。此外，液晶消偏光片可以 採用向列的、扭轉向列的、近晶體的、固體/晶體的、以及其它物理/分子態的許多不同的組 合，具有或不具有電場、粗糙表面、內部導線，或其它用於重定向部件分子的裝置。通過使用 透鏡、稜鏡膜、或非平行方向的反射型組件，來自該裝置的反射可以在任何方向上被發送， 或可以漫射，以限制有時在諸如建築物或車輛的大鏡面表面發生的眩目的「第二個太陽」的效應。這些實施例被看作是本發明的一部分。還存在不影響本發明的實施的核心原理的多種其它變體。例如，任一或所有的層 都可以由摻雜的、納米結構的、或微結構的材料組成，這些材料包括但不限於多層聚合光學 膜和常規光子晶體。可以添加一個或多個帶狀反射器(諸如分布式布拉格反射器(DBR) 或梳狀濾光器)來調節該裝置在特定波長處的反射率和透射率。任何類型的濾色器，不管 是反射型的還是吸收型的，都可以出於美學原因來添加。一個或多個層可以為非平面形狀 (例如，拋物面形)、或其它形狀的反射器或類似器件可以包含進來，以有助於匯集或偏轉 從各個角度入射的光，而不改變該裝置用於增強窗的低輻射率的基本特性。雖然上面已經在一定程度上具體性的或參考一個或多個單獨實施例而對本發明 的各實施方式進行了描述，但是，本領域的技術人員可在不背離本發明的實質或範圍的前 提下對所公開的實施方式進行各種修改。意思是，上面描述中包含的和附圖中示出的所有 內容都應該解釋為僅用於說明特定實施例而不是限制性的。所有方向參考(例如，近端、 遠端、上面、下面、裡面、外面、向上、向下、左面、右面、橫向、前面、後面、頂部、底部、上方、下 方、垂直、水平、順時針和逆時針)只用於辨別方向的目的，以幫助讀者理解本發明，並不產 生限制，尤其是對本發明的位置、定向或使用不產生限制。除非特別說明，否則連接參考 (例如，附於、接合、連接和結合)可寬泛地進行解釋，其可包括一組元件之間的中間構件並 且這些元件之間可有相對運動。同樣地，連接參考並非必然暗示兩個元件直接連接和彼此 相對固定。在不背離所附權利要求所限定的本發 明的基本要素的前提下，可對細節或結構 進行修改或改變。
權利要求
一種用於降低窗對長波紅外光的輻射率的裝置，包括導電材料膜，以作為薄導電材料元件和空洞區的排列的圖案形成，其中，所述薄導電材料元件間隔一定距離，以使所述導電材料高度反射所述長波紅外光，並高度透射可見光和近紅外光。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述圖案包括柵格。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述圖案包括光柵。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述光柵被進一步配置為起偏光片作用。
5.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述光柵被進一步配置為起液晶定向層作用。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述膜包括所述窗的窗玻璃表面上的塗層。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述薄導電材料元件的寬度等於或大於1納米。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述薄導電材料元件之間的距離小於約20微米 且大於約0. 1微米。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述導電材料包括金屬或金屬氧化物線網。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述薄導電材料段包括偽隨機分散的線段。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述薄導電材料元件進一步包括導電氧化物條；以及 所述圖案包括所述條在交替層中形成介電鏡的排列。
12.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述薄材料元件之間的距離不一致。
13.根據權利要求1所述的裝置，進一步包括塗覆所述導電材料的電介質材料層，其 中，所述薄電介質材料層對可見光、紅外線、以及長波紅外線(黑體)輻射中的每一個均是 透明的。
14.根據權利要求1所述的裝置，進一步包括 塗覆所述導電材料的薄電介質材料層，其中，所述薄電介質材料層對長波紅外線(黑體)輻射是不透明的；以及 所述薄層的厚度顯著小於所述電介質材料中的長波紅外線(黑體)輻射的消光距離。
15.根據權利要求3所述的裝置，進一步包括 所述導電材料的第二膜，其中，所述第二膜的圖案包括第二光柵；以及 所述兩個光柵垂直排列。
16.根據權利要求15所述的裝置，進一步包括消偏光片，位於所述導電材料的所述兩個膜之間，其中， 所述兩個光柵對可見光、近紅外線、和長波紅外線(黑體)輻射進行偏振，以及 所述消偏光片使所述可見光和近紅外線輻射的偏振向量旋轉，而不影響所述長波紅外 線(黑體)輻射的偏振。
17.一種低輻射率窗，包括 窗玻璃；以及導電材料膜，以作為薄導電材料元件和空洞區的排列的圖案形成，其中， 所述薄導電材料元件間隔一定距離，以使所述導電材料高度反射長波紅外光，並高度 透射可見光和近紅外光。
18.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中，所述圖案包括柵格。
19.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中，所述圖案包括光柵。
20.根據權利要求19所述的低輻射率窗，其中，所述光柵被進一步配置為起偏光片作用。
21.根據權利要求19所述的低輻射率窗，其中，所述光柵被進一步配置為起液晶定向層作用。
22.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中，所述膜包括所述窗的窗玻璃表面上的塗層。
23.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中，所述薄導電材料元件的寬度等於或大 於1納米。
24.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中，所述薄導電材料元件之間的距離小於 約20微米且大於約0.1微米。
25.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中，所述導電材料包括金屬或金屬氧化物 線網。
26.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中，所述薄導電材料元件包括偽隨機分散 的線段。
27.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中， 所述薄導電材料元件進一步包括導電氧化物條；以及 所述圖案包括所述條在交替層中形成介電鏡的排列。
28.根據權利要求17所述的低輻射率窗，其中，所述薄導電材料元件之間的距離不一致。
29.根據權利要求17所述的低輻射率窗，進一步包括塗覆所述導電材料的電介質材 料層，其中，所述薄電介質材料層對可見光、紅外線、以及長波紅外線(黑體)輻射中的每一 個均是透明的。
30.根據權利要求17所述的低輻射率窗，進一步包括 塗覆所述導電材料的薄電介質材料層，其中，所述薄電介質材料層對長波紅外線(黑體)輻射是不透明的；以及 所述薄層的厚度顯著小於所述電介質材料中的長波紅外線(黑體)輻射的消光距離。
31.根據權利要求19所述的低輻射率窗，進一步包括 所述導電材料的第二膜，其中，所述第二膜的圖案包括第二光柵；以及 所述兩個光柵垂直排列。
32.根據權利要求31所述的低輻射率窗，進一步包括消偏光片，位於所述導電材料的所述兩個膜之間，其中，所述兩個光柵對可見光、近紅 外線、和長波紅外線(黑體)輻射進行偏振，以及所述消偏光片使所述可見光和近紅外線輻射的偏振向量旋轉，而不影響所述長波紅外 線(黑體)輻射的偏振。
33.一種低輻射率窗，包括 窗玻璃；以及納米級導線柵格，支撐在所述窗玻璃上，其中，所述納米級導線間隔一定距離，以使所述柵格高度反射長波紅外光，並高度透射可見 光和近紅外光。
34.根據權利要求33所述的低輻射率窗，進一步包括塗覆所述納米級導線的薄電介質材料層，其中，所述薄電介質材料層對長波紅外線(黑體)輻射是不透明的；以及所述薄層的厚度顯著小於所述電介質材料中的長波紅外線(黑體)輻射的消光距離。
全文摘要
一種用於窗(101)的高透明度、低輻射率膜或塗層(102)被設計成最優化所謂的溫室加熱。該效果是通過使用導電柵格和/或光柵(102)實現的，其中，導電柵格和/或光柵的寬度和間隔被選擇為使得柵格(102)作為對長波的紅外線(黑體)輻射(105)一致的導電膜。該導電柵格膜(102)強力反射黑體輻射(105)，使得柵格(102)對於可見光和近紅外光(104)呈現高度透明，從而使其透射。
文檔編號G02B1/10GK101868738SQ200880116846
公開日2010年10月20日 申請日期2008年9月19日 優先權日2007年9月19日
發明者保羅·齊賽克, 威爾·麥卡錫, 理察·M·鮑爾斯 申請人:雷文布裡克有限責任公司