CN101868738B - 包含纳米线栅的低辐射率窗膜和涂层 - Google Patents

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Abstract

一种用于窗(101)的高透明度、低辐射率膜或涂层(102)被设计成最优化所谓的温室加热。该效果是通过使用导电栅格和/或光栅(102)实现的，其中，导电栅格和/或光栅的宽度和间隔被选择为使得栅格(102)作为对长波的红外线(黑体)辐射(105)一致的导电膜。该导电栅格膜(102)强力反射黑体辐射(105)，使得栅格(102)对于可见光和近红外光(104)呈现高度透明，从而使其透射。

Description

包含纳米线栅的低辐射率窗膜和涂层
相关申请的交叉引用 
本申请要求根据美国专利法第35条119(e)款于2007年9月19日提交的名称为“Low-emissivity window films and coatingincorporating nanoscale wire grids”的美国临时申请第61/994,370号的优先权，其全部内容引用结合于此。 
技术领域
本发明涉及一种高透明度、低辐射率的窗膜或涂层。该技术具有特别的(但不是唯一的)应用，如用于对建筑物、车辆、以及无源太阳能热量吸收器的窗的节能效果增强。 
背景技术
在双层玻璃窗中，大约60％的通过窗中央的热量传递不是通过传导或对流发生，而是由具有5微米至20微米的波长的长波红外线的吸收和二次辐射(所谓的由具有室温或接近室温的物体发出的黑体辐射)引起的。这是由于玻璃强力吸收这些波长的辐射能引起的，而由于其80％～90％的辐射率，其在受热时也以这些波长强力辐射。从而，尽管玻璃对于长波红外线是不透明的，但是通过吸收和二次辐射使其在一定程度上表现为好像它对于长波红外线是透明的一样。 
传统上，通过向一个或多个玻璃表面添加低辐射率涂层来减少这种热传递。例如，铝、银、或金的薄(＜10nm)膜具有约10％～25％的辐射率，意味着(a)该膜对于长波红外线具有高反射率，以及(b)当该膜被加热时，其倾向于保持其热量而不是将它们辐射出去。然而，这些膜仍然具有很大的透明度，即，它们允许大部分的可见光和近红外(NIR)光无衰减地通过。这大大减少了穿过窗玻璃之间的空气间隙的辐射热传递，从而提高了双层窗玻璃结构的有效绝热值，同时仍然允许其用作窗玻璃。 
“介电镜”是一种使两种材料(例如，金属和透明陶瓷或聚合物)之间的介电常数的不匹配度最大化的多层结构。这引起了光学指数不匹配，进而又导致在宽的波长频带上具有非常高的反射率，其中，转折频率(即，高透明度和高反射率之间的界线)由各层的厚度确定。本质上，介电镜与抗反射涂层正好相反。自从二十世纪九十年代以来，通过将金属膜组装成金属和电介质的一个或多个交替的层来使长波“黑体”红外线辐射的反射最大化，从而增强金属膜的低辐射率特性已经成为了一种标准做法。这允许在可以透过大部分可见光和太阳辐射(例如，对于15.1版本的International Glazingdatabase中报告的AFG Sunbelt Low-E玻璃来说，Tvis＝41.4％以及Tsol＝21.5％)的结构中具有低至2.5％的辐射率。 
近来，还可以看到已经将聚合陶瓷涂层用作低辐射率窗滤光器(例如，在2002年第一期的International Glass Review中由JohnD.Siegel著的“The MSVD Low E‘Premium Performance’Myth”中所述)。这样的涂层是半晶质金属氧化物，例如利用化学气相沉积(CVD)工艺沉积到玻璃上的氧化锡(SnO)。这些趋于具有比金属和金属-电介质涂层更高的辐射率，但是对可见光及NIR光子具有更好的透射率。这赋予它们更高的太阳能热增益系数(SHGC)，使得它们更适于用在寒冷、阳光充足的气候地带。这些涂层还比“软”的金属涂层具有更高的鲁棒性，从而由于它们不需要无刷清洗工艺 而更易于在工业环境中应用。广泛用于视频显示器的一种导电陶瓷氧化铟锡(ITO)已经被限制用作低辐射率涂层，尤其是被设计用来保持光学器件冷却的“热镜”。在2000年8月的MRS公报中的《透明导电氧化物》中，David S.Ginley和Clark Bright公开了其它的“低辐射率”陶瓷涂层，包括氧化镉锡(Cd2SnO4)、氧化锌锡(ZnSnO4)、氧化镁铟(MgIn2O4)、氧化镓铟(GaInO3)、氧化锌铟(Zn2In2O3)、氧化铜铝(CuAlO2)、和氮化铝硅(AlSiN)。 
不利的是，即使对于非常透明的聚合物低辐射率涂层，在涂层本身中还会对可见光以及尤其是NIR波长中的光子进行一些反射和吸收，从而经过涂覆的玻璃对可见光仅有80％～90％的透射率，对整个太阳光谱有50％～65％的透射率，而对于标准的6mm透明浮法玻璃来说，透射率为77％，对于同样厚度的低铁玻璃来说，透射率高达90％。这减少了通过窗玻璃的太阳能热增益，这在需要太阳能热量的较冷的气候地带，或在主要目的是用于聚集并存储太阳能热量的无源太阳能装置中是不需要的。 
有些滤光器(包括分布布拉格反射器和梳状滤光器)可以被设计用于以黑体波长进行操作，并可以作为在某个有限范围内的理想长通滤光器使用。换言之，它们反射阈值波长以上的辐射能量，而透射所述波长以下的辐射能量。然而，所有的这些滤光器实际上都是带通反射器，这意味着它们在第二阈值波长以上再次成为能透射的。实际上，现实材料的实际限制通常将这些反射器的带宽限制为不大于几百纳米，这只是一小部分约15,000nm宽的黑体光谱。 
线栅偏振片通过反射掉一个偏振方向的光而使垂直偏振方向的光通过，从而将略高于50％的通过它们的光衰减掉。自二十世纪六十年代以来，就已经提出了反射而不吸收红外线的线栅偏振片(如Sriram等人的美国专利第4,512,638号所述)。随着二十世纪九十年代和二十一世纪初纳米光刻的出现，已经可以生产反射可见光波长的宽波带线栅偏光片，以用于高端光学器件和激光技术(如Perkins等人的美国专利第6,122,103号所述)。这样的器件需要平行的金属线(技术上称为“光栅(grating)”而不是“栅格(grid)”，尽管后一术语被广泛使用)，这些线为数十纳米宽并间隔开几百纳米。这些偏光片的一个优点在于它们只在反射/偏振长波红外线甚至微波和无线电波长中有效，就像它们在偏振可见光中一样。 
已知无数导电网、栅格、和钻孔板用作微波和射频(RF)辐射的防护罩或反射器。一个实例是覆盖微波炉的玻璃或透明塑料门的金属屏。只要网中的孔显著小于由微波炉磁电管输出的5cm～12cm波长，该网对于那些波长就好像它是均匀的导电膜或板，从而将反射微波辐射。然而，由于可见光具有远小于网中孔的波长，因此它能够通过这些孔，就好像其通过非导电材料中的孔一样。从而微波炉中烹饪的食物是可见的，而不会在操作过程中受到有害的微波辐射。 
本说明书背景技术部分中包含的信息(包括本文中引用的任何参考文献及对其的描述和讨论)都仅用于技术参考目的，不应被认为是限制本发明的范围的主题。 
发明内容
本技术旨在通过降低窗玻璃和其它透明或半透明建筑材料对由室温物体发射的长波(黑体)红外线的辐射率，同时保持对约250nm～2500nm的太阳光谱的高透射率以便将太阳能热量保持在装置、建筑物、或车辆中，来提高窗玻璃和其它透明或半透明建筑材料的有效绝热值。在一个实施例中，用于降低窗对长波红外光的辐射率的装置是导电材料膜。该膜以作为薄导电材料元件和空洞区的排列的图案形成。该薄导电材料元件间隔一定距离，以使该导电材料高度地反射长波红外光，并高度地透射可见光和近红外光。其中，薄导电材料元件之间的距离约小于20微米且大于约0.1微米。 
在另一实施例中，提供了一种低辐射率窗，包括：窗玻璃；以及导电材料膜，以作为薄导电材料元件和空洞区的排列的图案形成，其中，所述薄导电材料元件间隔一定距离，以使使得所述导电材料高度反射长波红外光并高度透射可见光和近红外光。其中，薄导电材料元件之间的距离约小于20微米且大于约0.1微米。 
在另一个实施例中，该薄导电材料元件可以采取被设计用于生产(produce)高透射率、低辐射率(低E)的窗膜(下文称为“栅格低辐射率膜”)的微米级或纳米级栅格、光栅、或涂层的形式。栅格低辐射率膜特别用于(但不限于)通过最大化它们对太阳辐射的吸收量同时限制能够发射的黑体辐射的量，来调节建筑物、车辆和无源太阳能装置的温度。 
该栅格低辐射率膜或涂层将窗的有效绝热值提高为显著高于普通玻璃或聚合物可能达到的值。相比于现有的栅格低辐射率膜和涂层，其对太阳光谱具有更高的透射率。该低辐射率膜或涂层改善了特别是用于寒冷、晴朗气候条件中的建筑物、车辆和无源太阳能装置中的太阳能热量的吸收和收集。 
本技术允许具有栅格低辐射率膜或涂层的窗由于审美的原因而在光学上更类似于普通栅格玻璃或聚合物窗。该低辐射率膜或涂层可以置于厚或薄、强或弱、硬或柔、整体式或由多个分离部分组成的材料上，而不会以任何显著方式改变其基本功能。 
从以下对本发明的各个实施例的更具体描述中，本发明的其他特征、细节、用途和优点将显而易见，本发明在附图中进一步示出，并在附加权利要求中被进一步限定。 
附图说明
请注意，在所有附图中，紧密相关的元件具有相同的元件标号。 
图1是标准玻璃或塑料窗玻璃的示意图。 
图2是以低辐射率金属网覆盖的玻璃或塑料窗玻璃的一个实施例的示意图。 
图3是示出具有不同周期的低辐射率金属栅格的反射率与波长的曲线，以及太阳辐射和室温黑体辐射的强度与波长的曲线。 
图4是示出具有不同周期的聚合ITO低辐射率栅格的反射率与波长的曲线，以及太阳辐射的强度与波长的曲线。 
图5是示出具有不同周期的聚合ITO低辐射率栅格的反射率与波长的曲线，以及由室温物体发射的黑体辐射的强度与波长的曲线。 
图6是已经在双层玻璃窗的相对表面上放置了两个相反偏光性的低辐射率线栅的窗的实施例的分解图。 
具体实施方式
图1是普通玻璃或塑料窗玻璃101的示意图。在受到紫外线光子103撞击时，窗玻璃101吸收该光子，这是因为紫外线波长落在窗材料的透射波带之外。当受到近紫外线、可见光、或近红外线(NIR)光子104撞击时，该窗101使其透射过去，这是因为这些波长落入窗材料的透射波带之内。当受到长波红外线(黑体)光子撞击时，窗玻璃101再次对其进行吸收，这是因为这些长波落在窗材料的透射波带之外。然而，在吸收该能量的过程中，窗玻璃局部受热，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，从而局部增加了它自身的黑体辐射。从而，黑体光子可以看上去好像以平行(collimate)或散射的方式“通过”了窗玻璃，如图1所示。 
该行为对于透明材料来说是正常也是所期望的，但是对于在整个材料的厚度中(例如，在寒冷的天气中温室的整块玻璃)存在大的温度梯度的建筑物材料，是不期望的，这是因为其允许热量通过辐射方式逸出该建筑物。 
图2是同一窗玻璃的剖面图，只是在该窗玻璃表面添加了金属丝网、光栅或栅格102。线之间的间隔被选择为显著小于黑体辐射的波长，即，小于5～20微米，同时还大于大部分或全部的可见光，即，大于600纳米或0.6微米。在该范围内，精确的间隔对栅格的透射和反射特性具有显著影响。然而，这些线的宽度被选择为远小于该间隔，从而窗玻璃表面被这些线实际阻挡的部分最小。例如，如果这些线宽15nm、间隔1500nm，则大约1％的表面被遮挡，99％的表面未被遮挡。在这种情况中，线栅对表面的几何遮挡在该窗的总透射率方面没有显著作用。 
与之前的图1一样，在图2中，紫外线光子103被吸收，NUV/VIS/NIR光子被透射。然而，对于黑体光子105，线栅(wire grid)102与光滑的导电板没什么区别。因此，黑体光子105被反射。这有两种效果。第一，防止了该窗玻璃表面吸收由其它物体发射的黑体光子。第二，防止窗玻璃通过其表面发射自己的黑体光子，因为这样的光子完全被反射回窗玻璃材料中并被再吸收。从而，线栅显著降低了窗玻璃对长波红外线的有效辐射率。 
只要这些线平行并且间隔宽，为了执行期望的反射长波以及透射短波的功能，也不需要它们特别直或厚度特别一致。这些配线的位置和宽度可以跨越几十纳米，而不会显著影响栅格作为低辐射率膜的性能。然而，这些线确实需要足够宽和足够高才能成为优良导体。由在周围环境条件下易于氧化且其氧化物是不良导体的导体制成的薄于10nm的线可能不适于该应用，除非将它们涂覆透明材料以防止氧化。对于非涂覆应用，尽管也可以使用其它金属和粗度，但是银、铝、或金和线粗为15nm的示例性金属导体具有更好的性能。 
该效果类似于法拉第笼，其具有以毫米、厘米或米等级重复的周期性结构的网筛(mesh screen)，其允许较短波长辐射毫无阻碍地 通过，同时阻挡RF辐射。其还类似于微波炉中使用的微波屏蔽网。此外，置于表面上的导线的栅格或光栅与以孔或线间隙的阵列形成图案的导电板或膜之间的不同，主要是语义上的，在栅格或光栅的电学或光学性能方面区别很小或没有区别。从而，术语栅格、光栅、图案膜在本文中可互换使用。鉴于实施方式中的这种可能的多样性，用于减小窗对长波红外光的辐射率的装置可以归结为导电材料的膜，其中，该导电材料的膜以薄导电材料元件和空洞区域的排列为图案形成。该薄导电材料元件排列或间隔一定距离，以使导电材料对长波红外光具有高反射率，对可见光和近红外光具有高透射率。 
可选地，假设外涂层的膜厚度显著小于外涂层材料中黑体光子的消光距离，则栅格或光栅可以涂覆于电介质层、IR非透明材料，由于低辐射率窗涂层，不会显著影响其性能。可以期望在一些应用中使用对可见光、近红外线、和黑体辐射透明的诸如金刚石的外涂层材料。然而，尽管这样的涂层可以延长线栅的使用寿命，但是它们对于其作为线栅低辐射率表面的功能不是必须的。 
“线”可以是任何低辐射率材料条或材料堆，且用于该目的的透明导电氧化物的使用将最大化太阳辐射的透射率，而不会显著降低其对长波(黑体)红外线的辐射率。这样的透明导电氧化物可以单体使用或以交替的多层使用来形成介电镜。金属氧化物介电镜的条还可以用于提高辐射率，尽管这将比单独的氧化物条提供更小的透射率。 
栅格或光栅结构可以利用对大表面形成微图案的任何方法形成。例如，可以利用光刻、电子束平板印刷、纳米平板印刷、或微接触印刷使表面形成图案。利用当前技术易于实现所要求的特征尺寸，并不会出现大的挑战。例如，视频显示工业采用能使几平方米的面积形成图案(与使建筑玻璃形成图案所需的尺寸相当)的大生产力设备。 
也可以使用更粗糙的方法。例如，可以在沉积涂层之前，将极微小的小圆粒(bead)或其它物体散布在玻璃表面上，并在之后擦掉。该涂层可以利用喷墨而印刷或应用到表面上，或该表面可以利用溶胶-凝胶墨或嵌段共聚物通过化学自组装来形成图案。 
在一个实施例中，可以通过溶胶-凝胶工艺，在单一的操作(single operation)中执行低辐射率涂层的沉积和表面图案化，如Manea，E.、Budianu，E.、Purica，M.、Podaru，C.、Popescu，A.、Cerniac，I.及Babarada，F.在《国际半导体会议》2006年第1卷，2006年9月期，第179-182页中的《对于“蜂窝结构”构造的硅太阳能电池，通过溶胶-凝胶方法制备的SnO2薄膜的光学特性》中所述的，该文章通过引用结合到本文中。该工艺的目的是为窗和其它建筑材料产生光电低反射率表面，而不是产生透明栅格低辐射率表面。然而，如本文中所述，可以使用该相同的工艺在玻璃或透明聚合物衬底上产生PbO、ITO以及其它栅格低辐射率金属氧化物材料的蜂窝式结构。 
在另一个实施例中，一种用于图案化的方法是以诸如聚苯乙烯-b-聚(甲基丙烯酸甲酯)(PS-B-PMMA)的自组织二嵌段共聚物来涂覆玻璃表面。在该示例性的工艺中，首先将低辐射率涂层沉积到玻璃表面上。接下来，苯乙烯/苯并环丁烯/甲基丙烯酸甲酯(BCB/MMA)无规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，在低辐射率表面上沉积8～12纳米厚，在250℃下烘烤30分钟以交联这些共聚物，最后在甲苯中浸泡5分钟以去除任何残留聚合物。该工艺产生了用作自组织聚合物膜的定位点的分子“刷”。 
接下来，包含约70％PS和30％PMMA的嵌段共聚物在甲苯中溶解成1％的溶液，在玻璃表面上沉积约30nm厚，并在真空炉中在160℃～190℃烘烤12小时。在这些条件下，共聚物膜自组装成规 则的、蜂窝状的在PS矩阵中垂直定向的PMMA圆柱体的阵列。为了交联膜的PS成分以及使PMMA成分溶解，在真空状态下使总剂量＞25J/cm2的该样本在水银UV灯下固化。然后将该样本在冰醋酸中浸泡15分钟以使PMMA溶解，在PMMA曾经占据的区域中留下空的圆柱孔。然后应用蚀刻剂溶解这些孔下的空间中的低辐射率层。 
蚀刻剂的精确的化学处理及施加时间取决于低辐射率表面的组成和厚度。通常，氟化氢(HF)溶液可以用于腐蚀金属氧化物，以及诸如盐酸(HCl)的不携带氟的酸(non-fluorine-bearing acid，无氟酸)可以用于腐蚀金属，而使聚合物掩模不受影响。然后利用丙酮去除该蚀刻掩模，从而该工艺结束。 
现在，窗玻璃涂覆了低辐射率栅格，该栅格的孔的尺寸和间隔是PS-b-PMMA共聚物的分子量的函数，由如下关系式定义：P＝(0.5556)*(W/100)0.64，D＝P/1.74，其中，P是孔周期或中心到中心的间隔，W是以道尔顿为单位的分子量，以及D是孔直径。 
在另一个实施例中，利用光刻对表面进行图案化。利用标准CAD和印刷技术制备玻璃平板印刷光掩模。DesignCAD LT是用于光掩膜设计的一种通用工具，其输出可以被上传至诸如由PhotoScience公司销售的自动掩膜印刷服务。该掩膜包括正方形栅格的图像，当聚焦到表面上时，正方形栅格的图像具有以约0.9～1.1微米为周期、间隔约0.6～0.8微米的间隙。以这些尺寸，栅格将由垂直交叉的约为0.3微米宽(利用以250～400纳米波长进行辐射的标准水银蒸气UV灯易于实现的特征尺寸)的线组成。更小的特征尺寸是更加适合的，但是会需要亚波长干扰技术和超紫外线(EUV)反射光学器件，这会增加所需设备的成本和复杂性。 
利用喷墨印刷机将诸如Microchem KMPR 1000的快速曝光的UV敏感光刻胶材料对表面进行涂覆约1微米的厚度，然后在洁净室的环境下以100℃烘烤5分钟。只要能够提供对于显影光刻胶中的特征的有利的长厚比(aspect ratio)，准确的厚度并不重要，以及该涂层也不必在微米等级上特别一致和平坦。±50％～90％的高度变化是完全可接受的，并不会显著削弱处理结果，这是因为低辐射率涂层本身通常远薄于1微米，通常在0.2微米或更小的级别。 
接下来，涂覆玻璃和聚合物片被放置到连续扫描UV光刻系统(例如，可从Anvik公司得到的系统之一，其每小时能够处理约20平方米)中，并利用光掩膜的凸出的、最小化图像进行曝光。该处理没有留下可见的切痕，并且在撰写本文时其限于1μm的特征尺寸，尽管将来可能会得到更小的特征尺寸。该连续扫描以及图案化处理要求来回移动玻璃而图案化设备本身保持静止。因此，占地面积要求约为需要图案化的最大的窗玻璃的长度和宽度的两倍，再加上三侧约2米的进出通道。对于图案化3m×4m的玻璃的系统来说，所要求的占地面积约为10m×10m。曝光波长通常为365nm(尽管其它UV波长，甚至X射线波长也有效)，并且1微米的KMPR 1000所需要的剂量约为70Joules/cm2。尽管对于该处理是非强制的，但还是推荐在曝光后以100℃烘烤3分钟。 
接下来，利用显影溶剂(诸如Microchem SU-8和2.38％TMAN(0.26N)碱性水显影剂)清洗该样本120秒。此时，在所需线栅形状的光刻胶中有气孔。然后利用上述标准的沉积技术通过光刻胶中的孔将低辐射率涂层沉积到表面上。最后，利用“剥离”溶剂(诸如丙酮和MicroChem去除剂PG(NMP))在80℃浸泡10分钟来洗掉残余的光刻胶，或利用等离子蚀刻剂来洗掉残余的光刻胶。例如，利用以下设置，反应离子蚀刻剂可以在10分钟以内执行剥离操作：100mTorr的压力、10℃的温度、200W的功率、80sccm的 O2和8sccm的CF4。一旦光刻胶被彻底剥离，就完成了微图案化的低辐射率表面。 
在另一个实施例中，利用标准的胶印技术(有时称为滚筒型纳米压印光刻或RNIL)对光刻胶进行图案化。由金属、陶瓷、聚合物、或任何其它持久材料(例如100微米厚的镍板)组成的印刷板或“薄片”其上制备有微小圆球的图案，并且以所需要的孔的大小和形状(或以任何其它想要的图案)进行制备，通常饰以微图案化的石英主体(quartz master)(但这不是必须的)，并将其围绕在圆柱形滚筒周围。然后待图案化的表面(例如，窗玻璃)被涂覆液态光刻胶或掩膜材料(例如，苯甲醚中的1％的Microchem Nano PMMACopolymer)，并且利用基本上类似于印刷机的设备，使加热至设计用于干燥并硬化光刻胶的温度(例如，玻璃临界温度)的滚筒按照标准印刷工艺滚过玻璃表面。然后，允许图案化的表面在周围环境条件下，通过烘烤处理(例如，在160℃下烘烤30分钟)或通过暴露于紫外线硬化灯(例如，285nm水银蒸气灯)，进行充分干燥并硬化。然后通过印刷图案(例如，通过溅射处理或化学气相沉积处理)沉积低辐射率涂层，以及如上所述剥离图案化的光刻胶。于2008年4月9日至11日在韩国京畿道韩国国际会展中心举行的关于智能制造应用的国际会议中，Shuhuai Lan、Hyejin Lee、Jun Ni、SoohumLee和Moongu Lee在《对滚筒式纳米压印工艺的研究》中描述了非常类似的用于对柔性和刚性表面进行图案化的处理。 
前述的描述仅是用于示范的目的，并且不应该被看作是对本发明的范围的限制。在不背离本发明的精神的条件下，还可以使用各种其它图案化技术，本发明的精神在于对可见光谱高度透明度的微图案化栅格低辐射率表面。 
图3是示出不同间隔的低辐射率线栅的反射率与波长、以及还示出阳光和由室温物体发射的黑体辐射的强度与波长的曲线。提供 高度透明、可购买到的低辐射率膜的反射光谱用于进行比较(源自：15.1版本的国际窗用玻璃数据库(International Glazing Database)。所选范围内的所有栅格都对由太阳发射的可见光和NIR光高度透明并对黑体辐射具有高反射率，在这两种情况中，栅格的性能与单片低辐射率膜比起来更有利，同时还提供了对于VIS和NIR波长的更高的透明度。所有这样的栅格，以及具有基本相同的光学特性的衍生结构，当被用作栅格低辐射率窗膜时都考虑为本发明的实施例。 
还应该注意，图3中的曲线描绘了对所有波长反射一致的理想金属的线栅。例如，铝非常近似于完美金属，因此铝线栅的响应非常类似于图3中所绘制的响应曲线。然而，诸如铜和金的“非完美”金属，在对近红外线和长波红外线具有高反射率的同时对可见光谱的较短波长具有非常小的反射率(以及对具有相应能量的电子具有更小的导电性)，这就是为什么这些金属分别显示出黄色和红色的原因。当利用这样的金属形成低辐射率线栅或光栅时，可见波长的反射光谱降低，因此相比于图3中的曲线，反射率与波长的关系曲线移向右侧。 
同时，相比于理想金属(例如，金在对应于绿光的大约500nm波长处呈现出透射峰值，而理想金属的透射光谱没有显示峰值)增强了可见波长的透射光谱。因此，栅格或光栅对太阳辐射变得更加透明。然而，由于这些“非完美”金属对黑体波长具有高反射率，因此栅格保持了相当的低辐射率特性。对于诸如SnO的透明导电氧化物，曲线甚至更向右偏移，这是由于这些金属对于可见光几乎完全透明，而对长波红外线保持高反射率。图3示出了以周期为600nm的具有550nm的孔进行图案化的低辐射率表面，将呈现出与同样材料的单片膜相当的辐射率，但其采用的材料少了65％，且呈现出对太阳光谱的大幅提高透射率。 
出于本发明的目的，并不关注低辐射率栅格是通过在绝缘表面上沉积导线形成、通过在固态导电膜中蚀刻多个孔形成、还是通过一些其它方法形成。栅格开口的压缩排列(packing arrangement)可以呈正方形或六角形对称，或具有很好地规定的平均尺寸和间隔的开口的伪随机布置。此外，尽管具有相对于其它孔被高度拉伸的一个尺寸的这些开口将倾向于具有偏振效果，但是这些孔的形状可以是正方形、圆形、三角形、不规则形、或不会显著改变该装置的功能的任何其它形状。 
图3的曲线还示出了导线的平行光栅(也称为线栅偏光片)的反射率与波长的关系。由于其偏振效果，该结构具有以下重要的特性：其反射率在很宽的波长范围内(从近紫外线到远红外线)基本保持恒定(在此实例中约为44％)。类似的，由于其偏振特性，光栅对所有波长都具有约40％～50％的辐射率，这显著少于普通玻璃的80％～90％。尽管线栅偏光片通常用于光学领域，但是它们还没有在窗和其它建筑材料中用作低辐射率膜。这种应用被看作是本发明的一个实施例。与前面一样，还应该注意，如果导线被包覆一层透明电介质材料，假设层厚度显著小于材料中黑体光子的消光距离，或者包裹对黑体辐射也透明的材料(如金刚石)，则能够大大地保护线栅的低辐射率特性。 
图4是示出具有不同周期的聚合物ITO栅格的反射率与波长关系、以及太阳辐射的强度与波长关系的曲线。如该曲线清楚示出的，相比于单片ITO膜，该栅格结构对于可见光和近红外线太阳辐射更加透明。 
图5是示出具有不同周期的聚合物ITO栅格的反射率与波长关系、以及由室温物体发射的黑体辐射的强度与波长关系的曲线。如该曲线清楚示出的，对黑体波长中的红外光的反射率(约等于减去辐射率后的反射率)随着栅格尺寸的增加而改变最多几个百分数。 从而，辐射率“损失”小于透射率增益，这意味着，如以BTU为单位测量的热量消耗或金钱花费所表明的，当这些微结构的涂层被结合到窗玻璃中时，该窗将在寒冷、晴朗天气中更好地发挥作用。 
其它热分解、透明、导电、低辐射率涂层的光谱会在此处所示的曲线上有细节上的变化，但是在总体形式和功能上基本相同，且在它们基本的性能特征方面类似。还应该注意，高透明度的低辐射率涂层是对热色或热反射窗滤光器的极好的补充，这是因为它们将低辐射率功能从SHGC的调节中分离，从而增加了可用到这种热色或热反射滤光器的透射率的范围。 
图6示出了本发明另一个实施例的分解图，在该实施例中，在两个窗玻璃401和401′的相对表面上覆盖有线栅402和402′。由于由光栅发射的黑体辐射本质上是偏振的，因此在双层玻璃窗的两个相对表面上放置两个相反的偏光性的线栅偏光片是可能的，从而由一个偏光片发射的光被另一个偏光片强力反射，反之亦然。这是使窗的有效辐射率非常接近于零的另一种方法。然而，如果将这些偏光片设计成对可见光范围内的光进行偏振，则这些交叉的偏光片将产生透射非常少的光的高反射窗。 
如果将线栅的间隔调整为偏振(以便反射)黑体辐射而对可见光能够高度透射(如图3所示)，则该设计作为普通建筑物窗(例如，作为人们可以透过其看到物体和情景的固态、透明、非漫射墙元件)的效用最大。 
可替换地，如果线栅的间隔使得可见光在从中通过时被强力偏振，则该窗将对可见光谱几乎全反射，除非在这两个偏光片之间的某一位置处设置可选的消偏光片406。消偏光片406的用途是使通过其的可见光和近红外光的偏振向量旋转设定量(通常为90度)，从而从线栅402发射的偏振可见光被线栅402′透射，而不是反射，反之亦然。 
在一个实施例中，消偏光片406被选择为使得太阳光谱(例如波长为0.25～2.5微米)中的光子的偏光性旋转，但是对5～20微米的黑体光子的偏光性没有影响。可替换地，如果消偏光片材料对黑体辐射是不透明的，则其易于吸收并再辐射黑体光子，有效地使其偏光性随机化。在这种情况中，每个线栅都将接收所有偏光性的黑体光子，且每个线栅都将反射/衰减该黑体辐射约55％，从而整个装置的有效辐射率约为20％，其远低于普通玻璃的80％～90％的辐射率。 
如果消偏光片406同时对可见光、近红外光、和黑体辐射透明，则这样的装置作为低辐射率窗的效用将最大。这点可通过以下条件实现：如果消偏光片406薄于黑体光子的消光距离，或如果厚于此(例如，结构或衬底材料)的消偏光片的多个部分由对太阳光谱和黑体光谱中的光的波长透明的材料制成。在这种情况中，金刚石是优选的材料，原因在于其结构坚硬、不溶于水、且在0.25～30.0微米的范围内透明。包括氯化钠的其它材料在类似的范围内也是透明的，但是其可溶于水汽，其要求非常彻底地干燥和密封。在这两种情况下，黑体透明消偏光片既不消偏振也不吸收/二次辐射黑体光子，从而再一次地，由一个线栅发射的黑体辐射将被另一个基本完全发射，从而整个装置的有效辐射率少于5％，而其对可见光和NIR光的透射率(根据线间隔)可能近似等于窗材料本身的透射率。 
由于扭转向列液晶单元具有其偏振特性可以开启和关闭的优点，其通常被用作消偏光片。线栅偏光片和本文中公开的其它线栅形成有效的向列和扭转向列液晶单元的定向层，从而减少了可用低辐射率装置所需的元件总数。作为定向层的线栅和光栅的使用被看作是本发明的一个实施例。因此，可以同时使用线栅作为消偏光片、定向层、以及低辐射率表面。在所有其它方面中，液晶单元以及其它消偏光片的设计、制造和使用都是已知的。 
尽管本文中示出并描述了多个典型的实施例，但是应该理解，本发明并不限于这些具体的构造。可选的组件(诸如抗反射涂层或膜)也可以被添加或移除来满足具体应用或具体制造方法的需要，并且可以通过删除、组合、和替换某些部件来产生一些实施例的低级形式(degraded form)。例如，线栅可以被替换为纳米金属杆状、环形、方形或其它形状的伪随机散布。该布置可能是低效的，但是可能制造起来更便宜。 
尽管本发明各实施例的材料和结构可以是刚性的，但是对于低反射率膜，为了执行本文中描述的功能，其对刚性没有要求。此外，当本发明各实施例中的不同部件被示出并被描述为被附着或直接物理接触，但是如果这些部件仅是相邻但物理分离，本发明的其它实施例也是可以工作的。因此，尽管栅格低辐射率膜可以具体化为固态物体(例如，窗、玻璃块、上下层窗空间、或活动窗玻璃)或一组固态物体(例如，附于光学工作台的滤光舞台灯或一组部件)，但是它们还可以具体化为柔性物体，诸如帐篷材料、毯子、窗帘、或可应用于玻璃窗、上下层窗空间、玻璃块、或其它建筑材料的表面的嵌花膜。 
多种可选材料可用于制造栅格低辐射率窗装置，包括金属、陶瓷、玻璃、纳米结构以及微结构的光子材料、甚至冰、液体和蒸汽。该装置可以包括被设计用于增强绝热特性的特征，包括但不限于气隙、真空隙、泡沫、珠子(bead)、纤维垫、或气凝胶。其可以足够厚和硬，以用作车辆或建筑物壁的结构部件。其可以被包起来或形成在复杂表面之上。其可以用颜色进行美学上的改善，或其可以伪装成类似于更传统的建筑材料。 
各层的确切排列可以不同于此处所描述的，这取决于所选材料和波长，不同层可以被组合成单个层、物体、装置、或材料，而不改变本发明的基本结构和功能。尽管上述的描述包括许多特征，但 是这些都不应该被理解为限制本发明的范围，而应该为只提供对本发明的某些示例性的实施例的说明。还存在制造不同材料、以及具有不同构造的装置的可能性。 
此外，该装置可以包含一个或多个附加的偏光片，或反射型的或吸收型的，不管是对于彼此和对于原来的两个偏光片是平行的还是成一定角度旋转的，来改变该装置中不同位置处不同波长的光的偏振状态。此外，可以采用不同线间隔的多个线栅来调整准确的反射率、透射率、和明显的辐射率，以指定装置中不同位置处的波长。此外，液晶消偏光片可以采用向列的、扭转向列的、近晶体的、固体/晶体的、以及其它物理/分子态的许多不同的组合，具有或不具有电场、粗糙表面、内部导线，或其它用于重定向部件分子的装置。通过使用透镜、棱镜膜、或非平行方向的反射型组件，来自该装置的反射可以在任何方向上被发送，或可以漫射，以限制有时在诸如建筑物或车辆的大镜面表面发生的眩目的“第二个太阳”的效应。这些实施例被看作是本发明的一部分。 
还存在不影响本发明的实施的核心原理的多种其它变体。例如，任一或所有的层都可以由掺杂的、纳米结构的、或微结构的材料组成，这些材料包括但不限于多层聚合光学膜和常规光子晶体。可以添加一个或多个带状反射器(诸如分布式布拉格反射器(DBR)或梳状滤光器)来调节该装置在特定波长处的反射率和透射率。任何类型的滤色器，不管是反射型的还是吸收型的，都可以出于美学原因来添加。一个或多个层可以为非平面形状(例如，抛物面形)、或其它形状的反射器或类似器件可以包含进来，以有助于汇集或偏转从各个角度入射的光，而不改变该装置用于增强窗的低辐射率的基本特性。 
虽然上面已经在一定程度上具体性的或参考一个或多个单独实施例而对本发明的各实施方式进行了描述，但是，本领域的技术人 员可在不背离本发明的实质或范围的前提下对所公开的实施方式进行各种修改。意思是，上面描述中包含的和附图中示出的所有内容都应该解释为仅用于说明特定实施例而不是限制性的。所有方向参考(例如，近端、远端、上面、下面、里面、外面、向上、向下、左面、右面、横向、前面、后面、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针和逆时针)只用于辨别方向的目的，以帮助读者理解本发明，并不产生限制，尤其是对本发明的位置、定向或使用不产生限制。除非特别说明，否则连接参考(例如，附于、接合、连接和结合)可宽泛地进行解释，其可包括一组元件之间的中间构件并且这些元件之间可有相对运动。同样地，连接参考并非必然暗示两个元件直接连接和彼此相对固定。在不背离所附权利要求所限定的本发明的基本要素的前提下，可对细节或结构进行修改或改变。 

Claims (32)

1.一种用于降低窗对长波红外光的辐射率的装置，包括：
导电材料膜，以作为薄导电材料元件和空洞区的排列的图案形成，其中，
所述薄导电材料元件间隔一定距离，以使所述导电材料高度反射所述长波红外光并高度透射可见光和近红外光，其中所述距离小于20微米且大于0.1微米。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述图案包括栅格。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述图案包括光栅。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述光栅被进一步配置为起偏光片作用。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述光栅被进一步配置为起液晶定向层作用。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述膜包括所述窗的窗玻璃表面上的涂层。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述薄导电材料元件的宽度等于或大于1纳米。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述导电材料包括金属或金属氧化物线网。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述薄导电材料元件包括伪随机分散的线段。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述薄导电材料元件进一步包括导电氧化物条；以及
所述图案包括所述条在交替层中形成介电镜的排列。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述薄导电材料元件之间的距离不一致。
12.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：涂覆所述导电材料的电介质材料层，其中，所述电介质材料层对可见光、红外线、以及长波红外线黑体辐射中的每一个均是透明的。
13.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
涂覆所述导电材料的薄电介质材料层，其中，
电介质材料包括所述薄电介质材料层，所述薄电介质材料层对长波红外线黑体辐射是不透明的；以及
所述薄电介质材料层的厚度显著小于所述电介质材料中的长波红外线黑体辐射的消光距离。
14.根据权利要求3所述的装置，进一步包括：
所述导电材料的第二膜，其中，
所述第二膜的图案包括第二光栅；以及
所述两个光栅垂直排列。
15.根据权利要求14所述的装置，进一步包括：
消偏光片，位于所述导电材料的所述两个膜之间，其中，
所述两个光栅对可见光、近红外线、和长波红外线黑体辐射进行偏振，以及
所述消偏光片使所述可见光和近红外线辐射的偏振向量旋转，而不影响所述长波红外线黑体辐射的偏振。
16.一种低辐射率窗，包括：
窗玻璃；以及
导电材料膜，以作为薄导电材料元件和空洞区的排列的图案形成，其中，
所述薄导电材料元件间隔一定距离，以使得所述导电材料高度反射长波红外光并高度透射可见光和近红外光，其中，所述距离小于20微米且大于0.1微米。
17.根据权利要求16所述的低辐射率窗，其中，所述图案包括栅格。
18.根据权利要求16所述的低辐射率窗，其中，所述图案包括光栅。
19.根据权利要求18所述的低辐射率窗，其中，所述光栅被进一步配置为起偏光片作用。
20.根据权利要求18所述的低辐射率窗，其中，所述光栅被进一步配置为起液晶定向层作用。
21.根据权利要求16所述的低辐射率窗，其中，所述膜包括所述窗的窗玻璃表面上的涂层。
22.根据权利要求16所述的低辐射率窗，其中，所述薄导电材料元件的宽度等于或大于1纳米。
23.根据权利要求16所述的低辐射率窗，其中，所述导电材料包括金属或金属氧化物线网。
24.根据权利要求16所述的低辐射率窗，其中，所述薄导电材料元件包括伪随机分散的线段。
25.根据权利要求16所述的低辐射率窗，其中，
所述薄导电材料元件进一步包括导电氧化物条；以及
所述图案包括所述条在交替层中形成介电镜的排列。
26.根据权利要求16所述的低辐射率窗，其中，所述薄导电材料元件之间的距离不一致。
27.根据权利要求16所述的低辐射率窗，进一步包括：涂覆所述导电材料的电介质材料层，其中，所述电介质材料层对可见光、红外线、以及长波红外线黑体辐射中的每一个均是透明的。
28.根据权利要求16所述的低辐射率窗，进一步包括：
涂覆所述导电材料的薄电介质材料层，其中，
电介质材料包括所述薄电介质材料层，所述薄电介质材料层对长波红外线黑体辐射是不透明的；以及
所述薄电介质材料层的厚度显著小于所述电介质材料中的长波红外线黑体辐射的消光距离。
29.根据权利要求17所述的低辐射率窗，进一步包括：
所述导电材料的第二膜，其中，
所述第二膜的图案包括第二光栅；以及
所述两个光栅垂直排列。
30.根据权利要求29所述的低辐射率窗，进一步包括：
消偏光片，位于所述导电材料的所述两个膜之间，其中，
所述两个光栅对可见光、近红外线、和长波红外线黑体辐射进行偏振，以及
所述消偏光片使所述可见光和近红外线辐射的偏振向量旋转，而不影响所述长波红外线黑体辐射的偏振。
31.一种低辐射率窗，包括：
窗玻璃；以及
纳米级导线栅格，支撑在所述窗玻璃上，其中，
所述纳米级导线间隔一定距离，以使所述栅格高度反射长波红外光并高度透射可见光和近红外光，其中，所述距离小于20微米且大于0.1微米。
32.根据权利要求31所述的低辐射率窗，进一步包括：
涂覆所述纳米级导线的薄电介质材料层，其中，
电介质材料包括所述薄电介质材料层，所述薄电介质材料层对长波红外线黑体辐射是不透明的；以及
所述薄电介质材料层的厚度显著小于所述电介质材料中的长波红外线黑体辐射的消光距离。
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