CN104608434B - 一种低辐射薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低辐射薄膜，包括基底、覆盖于基底之上的单银层和覆盖于单银层之上的周期性多层膜，薄膜厚度为1325nm～1575.8nm；其中，单银层由两层保护层和Ag膜构成，厚度为29nm～92nm；周期性多层膜由高折射率材料和低折射率材料交替叠加而成，厚度为1275nm～1490nm。本发明公开的低辐射薄膜采用金属薄银层来抑制长波长红外波和短波长紫外波的透射，采用周期性结构来增强可见光波段的透射；对可见光的透射率达到70～96％，对紫外波段的透射率降低到15％、对780nm～1200nm红外波段的透射率降低到10％以下、对1200nm～3000nm红外波段的透射率降低到25％以下，层数显著降低，很大程度上缩减了成本，简化了工艺流程。

Description

一种低辐射薄膜

技术领域

本发明涉及一种薄膜结构，更具体地，涉及一种低辐射薄膜结构。

背景技术

低辐射薄膜(Low-Emissivity Film，Low-E Film)是一种对红外、紫外具有高反射而对可见光具有良好透过率的薄膜，可以实现调节阳光和热力、节约能源、改善环境等功能。

目前市场上已有的低辐射薄膜大致分为：单银低辐射薄膜(Single Low-E Film)、双银低辐射薄膜(Double Low-E Film)和周期性多层低辐射薄膜(Photonic Crystal Low-E Film)；其中，银系低辐射薄膜的可见光透过率仅为50％～80％，且由于银系膜包括保护层、阻挡层、组合层等，对应着不同材料、不同厚度、不同光学性能的膜层，各异的物理化学工艺参数导致在薄膜制造和参数检测上存在困难；

周期性多层低辐射薄膜对紫外透射率均值约30％、对红外的透射率在波长800nm～1200nm范围内低于10％，在大于波长1200nm范围内均值约85％，膜层数在30～40层，厚度大；由于周期性多层膜需要反复30多次膜层沉积覆盖，导致制备工艺复杂且生产成本较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低辐射薄膜，其目的在于采用金属薄银层抑制长波长红外波和短波长紫外波的透射，采用周期性多层膜增强可见光波段的透射，提高低辐射薄膜对可见光的透射率,并降低对紫外和红外的透射率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种由TiO₂作为保护层的单银层结构与周期性的TiO₂/SiO₂结构相匹配的结型结构低辐射薄膜，包括基底、覆盖于基底之上的单银层和覆盖于单银层之上的周期性多层膜；

其中，单银层为类似夹心饼干的3层结构：中间一层为Ag膜，Ag膜上下两表面分别紧贴一层TiO₂保护层；TiO₂保护层用于提高Ag膜与其他膜层的附着力，并具有防止Ag膜被氧化腐蚀的作用，同时还具有调节膜系光学性能的作用，体现在降低Ag膜膜面的反射，增强可见光的透射上；

单银层中TiO₂保护层厚度在10nm～40nm；随着保护层厚度的增加，可见光透射峰有明显的红移，可以实现对可见光的增透，厚度过薄无法起到保护和连接作用，厚度过厚则会制约可见光高透射；在该厚度范围的TiO₂保护层既具有较好的保护作用，又不影响Ag膜的光学特性；

其中，周期性多层膜为10层结构，是5个TiO₂/SiO₂结型结构的叠加，所述TiO₂/SiO₂结型结构为一层TiO₂膜上覆盖一层SiO₂膜形成的结构；该周期性多层膜结构在可见光380nm～780nm范围内透射率为70～96％，且可见光大部分波段的透射率在85％以上。

优选的，低辐射薄膜的厚度为1325nm～1575.8nm，不包括基底的情况下层数为13层，相比于现有技术的低辐射薄膜，显著的减少了层数和厚度。

优选的，单银层中Ag膜厚度在9.2nm～9.8nm或10nm～12nm；Ag膜在该厚度范围内具有最好的光谱特性，既满足对可见光的高透射，又能起到对紫外和红外辐射的阻挡作用。

优选的，周期性多层膜厚度为1275nm～1490nm。

优选的，周期性多层膜中TiO₂膜的厚度为100nm～117nm。

优选的，周期性多层膜中SiO₂膜的厚度为155nm～181nm。

优选的，周期性多层膜的中心波长λ₀为900nm～1050nm；调节周期性多层膜的中心波长可以改变峰值位置和展宽带隙；在该中心波长范围内，实现可见光380nm～780nm范围内为透射谱高峰。

由于本发明提供的低辐射薄膜的低辐射特性由附着于基底上的单银层和周期性多层膜实现，对于基底无材料类别和厚度限制，可根据应用领域选择，如果为民用，多选用玻璃材料；若为实验室需要，也可以选用其他的透明基底材料。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于本发明提供的低辐射薄膜的Ag膜厚度在9nm～12nm，在该厚度范围内具有最好的光谱特性，既满足对可见光的高透射，又能起到对紫外和红外辐射的阻挡作用；

(2)由于本发明提供的低辐射薄膜的TiO₂保护层厚度为10nm～40nm，在该厚度范围的TiO₂保护层既具有较好的保护作用，又不影响Ag膜膜层的光学特性；

(3)由于本发明采用的周期性多层膜具有光子带隙特性，调节中心波长和周期可以改变峰值位置和展宽带隙，使得本发明提供的低辐射薄膜对可见光的透射率达到70～96％，且对可见光大部分波段的透射率在85％以上，相较于现有技术的银系低辐射薄膜50～80％的可见光透射率有显著的提高；相对更高的透射率在自然光采集上具有明显优势；

(4)由于本发明提供的低辐射薄膜采用单银层与周期性多层膜结合的结构，其中3层结构的单银层主要用于实现对红外和紫外的低辐射，10层结构的周期性多层膜主要用于实现可见光的高透射，与现有技术的周期性多层低辐射薄膜30～40层的层数相比，层数显著降低，很大程度上缩减了成本，简化了膜层沉积工序流程，提高了生产效率；

(5)由于本发明采用的金属Ag膜在对可见光透射的条件下，对于波长较长的红外波具有良好的低透过率特性；且由于采用周期性多层膜与金属Ag膜结合的结构，增强了周期性多层膜对红外和紫外的限制作用；本发明提供的低辐射薄膜与周期性多层膜相比，在紫外、红外波段的透射率有了明显的降低，紫外区域降低约15％，达到15％，对780nm～1200nm红外波段的透射率降低到10％以下、对1200nm～3000nm红外波段的透射率降低60％，达到25％以下，从而起到紫外、红外低辐射的作用；本发明提供的低辐射薄膜在紫外、红外屏蔽，维持膜层两侧紫外和红外辐射差方面具有优异的性能；

(6)由于单银层里采用了保护层，将金属Ag膜与基底和周期性多层膜的最底层在不影响光学性能的基础上完美衔接，并起到防止金属Ag膜腐蚀的作用。

附图说明

图1是本发明提供的低辐射薄膜结构示意图；

图2是本发明实施例1的效果图；

图3是本发明实施例2的效果图；

图4是本发明实施例3的效果图；

图5是本发明实施例4的效果图；

图6是本发明实施例5的效果图；

图7是本发明实施例6的效果图；

图8是本发明实施例7的效果图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：A1为SiO₂膜，A2为TiO₂膜，B1为TiO₂保护层，B2为Ag膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的低辐射薄膜为13层结构(不包括基底层)，厚度为1325nm～1575.8nm，包括单银层和周期性多层膜层；单银层为类似夹心饼干的结构：中间一层为Ag膜，厚度在9nm～12nm；所述Ag膜上下两表面分别紧贴一层TiO₂保护层；TiO₂保护层厚度在10nm～40nm；单银层总厚度为29nm～92nm；周期性多层膜为10层结构，即5个TiO₂/SiO₂结型结构的叠加，其中，一个TiO₂/SiO₂结型结构为一层SiO₂膜上覆盖一层TiO₂膜形成的结构，TiO₂膜的厚度为100nm～117nm，SiO₂膜的厚度为155nm～181nm；周期性多层膜厚度为1275nm～1490nm，中心波长λ₀为900nm～1050nm。

图1中所示的周期性多层膜结构A中，高折射率膜层TiO₂与低折射率膜层SiO₂的光学厚度为1/4的设计波长，第一层膜层A1对应的物理厚度为：λ₀/4n_L，第二层膜层A2对应的物理厚度为：λ₀/4n_H；其中n_H为TiO₂膜层A2的折射率，n_L为SiO₂膜层A1的折射率，周期性多层膜A的λ₀为900nm～1050nm。

以下结合具体实施例做进一步阐述：

实施例1：

实施例1提供的低辐射薄膜厚度为1410nm，包括单银层和周期性多层膜，具体的，Ag膜厚度为10nm，TiO₂保护层厚度为25nm；周期性多层膜中，TiO₂膜厚度为106nm，SiO₂膜厚度为164nm；周期性多层膜的中心波长λ₀为950nm。

图2所示为本发明实施例1提供的低辐射薄膜的透射率效果图，可见光透过率为70～96％，且可见光大部分波段的透射率在85％以上，紫外区域波段的透射率低于15％，对780nm～1200nm红外波段的透射率低于10％，对1200nm～3000nm红外波段的透射率达到25％。

实施例2～7：

实施例2～7提供的低辐射薄膜包括单银层和周期性多层膜，具体参数如表1所示，实施例2～7提供的低辐射薄膜的各波段透射率如表2所示：

表1实施例2～7的膜层参数列表

表2实施例2～7的各波段透射率表

分析实施例1～7提供的低辐射薄膜对各波段透射率数据发现，金属Ag膜B2厚度为9nm～12nm、保护层B1 TiO₂厚度为10nm～40nm和中心波长λ₀在900nm～1050nm范围的低辐射薄膜，其透射特性在可控范围内波动，可见光透过率范围为63％～96％，且可见光大部分波段的透射率在80％以上，紫外区域平均透射率为10％～18％，780nm～1200nm红外波段透射率均低于10％，在1200nm～3000nm红外波段平均透射率为18％～27％。

在金属Ag膜B2和保护层B1厚度范围的选取上主要考虑以下因素：金属Ag膜要对可见光的透射率达到最高而对红外、紫外的透射率最低；针对不同厚度的Ag膜进行红外传输特性测试发现，其厚度在9nm～12nm，对可见光透明，且对紫外、红外波段透射降低明显；随着保护层厚度的增加，可见光透射峰有明显的红移，可以实现对可见光的增透，厚度过薄无法起到保护和连接作用，厚度过厚则会制约可见光高透射，所以保护层厚度选择10nm～40nm；

在中心波长λ₀、周期性膜层A1和A2厚度范围选取上主要考虑以下因素：周期性多层结构在透射光谱中存在一定宽度(n_H和n_L分别为两种材料的折射率)的透射高峰，这个高峰位置随着中心波长λ₀变化而发生移动，若要实现可见光380nm～780nm范围内为透射谱高峰，则中心波长λ₀范围为900nm～1050nm；周期性结构材料光学厚度(nd)为中心波长的1/4，即n₁d₁＝n₂d₂＝λ₀/4，在已知材料折射率n₁和n₂的情况下，即可确定膜层A1和A2的物理厚度d₁和d₂的范围。

由图2～8以及表2的数据分析可知，Ag膜厚度在9nm～12nm范围均满足本发明提供的低辐射薄膜的透射要求；TiO₂保护层厚度在10nm～40nm范围均满足本发明提供的低辐射薄膜的透射要求；周期性膜层A1和A2在比例不变情况下改变A1和A2的厚度，在中心波长在900nm～1050nm范围，即低折射率膜层SiO₂膜厚度在155nm～181nm、高折射率膜层TiO₂膜厚度在100nm～117nm范围，均满足本发明提供的低辐射薄膜的透射要求。

本发明提供的低辐射薄膜可用在民用玻璃的表面，起到调节居室温度和节能环保的作用；还可用作建筑物幕墙，起到消除光污染的作用；还可用在汽车玻璃上，在不影响驾驶员视觉观察的前提上减少对车内的热量辐射，提高车内舒适度，同时减少内部空调热量与外界的交换，达到节约资源的目的；另外，在医用照明灯设计中，本发明提供的低辐射薄膜可以消除红外、紫外对医疗手术灯环境的光污染；在实验室科研、工厂生产条件下，可以对特定设备进行低红外、紫外的保护，以提高实验效果；总的来说，在需要尽量隔绝红外、紫外，又需要可视或者利用可见光的场合，本发明提供的低辐射薄膜是很好的选择，且相关性能越好，其利用价值越大。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低辐射薄膜，其特征在于，所述薄膜包括基底、覆盖于基底之上的单银层和覆盖于单银层之上的周期性多层膜；

所述单银层为3层结构，中间一层为Ag膜，Ag膜上下两表面分别紧贴一层TiO₂保护层；所述TiO₂保护层厚度在10nm～40nm；所述TiO₂保护层用于提高Ag膜与其他膜层的附着力，并具有防止Ag膜被氧化腐蚀的作用和调节膜系光学性能的作用；

所述周期性多层膜为10层结构，是5个TiO₂/SiO₂结型结构的叠加，所述TiO₂/SiO₂结型结构为一层TiO₂膜上覆盖一层SiO₂膜形成的结构；

所述周期性多层膜的中心波长λ₀为900nm～1050nm；所述周期性多层膜中TiO₂膜的厚度为100nm～117nm；所述周期性多层膜中SiO₂膜的厚度为155nm～181nm。

2.如权利要求1所述的低辐射薄膜，其特征在于，所述薄膜厚度为1325nm～1575.8nm。

3.如权利要求1所述的低辐射薄膜，其特征在于，所述单银层中Ag膜厚度在9.2nm～9.8nm或10nm～12nm。

4.如权利要求1所述的低辐射薄膜，其特征在于，所述周期性多层膜厚度为1275nm～1490nm。