CN102329086B - 一种兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜制作方法，包括衬底、吸收层和辐射层；衬底根据应用领域确定，一般为透明材料；吸收层由胶层和碳化层构成，是在原胶层的基础上进行碳化形成的黑色多孔蓬松状物质，具有高可见光吸收性能；辐射层是在吸收层的基础上溅射高红外辐射材料形成，使其具有原吸收层的粗糙表面从而进一步提高红外辐射特性；衬底的材料，吸收层的厚度和辐射层的材料和厚度都是根据实际应用选定。本发明的吸收辐射膜可利用微机械加工工艺形成各种精细的微结构，可控性高，同时还兼具高可见光吸收和高红外辐射得性能。
Description
技术领域
本发明涉及可见光吸收及红外辐射技术领域，具体涉及一种兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜的制作方法。
背景技术
可见光能量尤其是太阳光能量的利用是绿色能源的一个重要方面。目前，可见光的主要利用途径是将可见光能量吸收，然后转换为可利用的其他能量形式，其中涉及到光电转换材料、光热转换材料等。光热转换材料的利用尤其普遍，例如太阳能热水器、太阳能热发电和太阳房、太阳能空调等都用到了光热转换材料。而现在普遍使用的可见光吸收材料为SiC、陶瓷等。
可见光吸收性能的影响因素主要有吸收层的材料、颜色、结构和厚度等。可见光的吸收有两种：一般吸收和选择吸收。一般吸收物质对光能的吸收很少，吸收系数与波长无关，并且对某一波段的光的吸收量几乎一样；选择吸收物质对光能的吸收很多，并且随波长的变化而剧烈变化。由于可见光被选择吸收，会使白光变为彩色光，物体呈现颜色，都是其表面或体内对可见光进行选择吸收的结果，黑色物质对可见光各波段的光都有很强的吸收作用。材料的结构也对可见光的吸收有很大影响，通过研究可知，多孔结构的材料可以明显增大可见光的吸收系数，同时多孔粗糙的表面结构能够明显减小反射光强。
红外辐射材料是在一定红外波段范围内具有较高辐射率和较高辐射强度的无机材料，已在军事技术、工农业生产、空间技术、资源勘测、气象预报和环境科学等许多不同的领域内获得了广泛应用。高性能红外辐射材料的研制是目前红外领域的主要课题之一，其实现方式有很多，包括高红外辐射涂层、高红外辐射陶瓷、以及各种能够提高红外辐射的掺杂材料等。
实际物体的发射率除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。不同材料的发射率不同，金属的发射率比非金属的要小。表面光洁度不同的物体发射率不同，通常表面粗糙的材料发射率比光洁表面高。表面颜色也影响物体发射率，以黑色为代表的深色系物体表面发射率比浅色系高。
总之，在可见光吸收材料领域和红外辐射材料领域，都有比较成熟的技术，如广泛用于太阳能热水器的SiC可见光吸收材料和用于工业窑炉中来节能的高红外发射率涂层等。但是能够兼具高可见光吸收和高红外辐射两种性能的材料却很少，目前报道的只有某些陶瓷材料有这种功能。但是，陶瓷材料的制作工艺复杂，成型困难，可塑性较差，在一些要求微结构加工的领域无法得到应用。
发明内容
本发明提出了一种兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜的制作方法，该方法基于微机械加工工艺，制作过程主要分为吸收层制作和辐射层制作；吸收层通过微机械加工工艺使附着在透明衬底上的胶层焦化膨胀，形成黑色多孔蓬松状物质，具有高可见光吸收性能的特征，是吸收可见光的主要区域；辐射层是在吸收层的基础上进行再加工，溅射高红外辐射材料，使其具有粗糙的表面，其作用是进一步提高可见光吸收性能，同时具有高红外辐射的特征。
该方法实现的具体过程如下：
选择透可见光衬底，衬底操作面平整，大小根据实际需要确定；依次采用超声波、丙酮、乙醇和去离子水彻底清洗；在清洗后的衬底操作面上旋涂光刻胶，形成胶层；胶层面积根据实际需要确定，小面积直接加工而成，而较大面积则用小面积进行拼接制作；胶层的厚度根据透明衬底材料的热导率和表面附着性能确定，透明衬底材料的热导率越高，胶层需要的厚度越大；透明材料的表面附着性能越高，胶层需要的厚度越小；所述小面积为1～3英寸；
采用微机械加工技术控制工艺过程碳化胶层，形成吸收层，胶层被碳化的厚度根据微机械加工技术能使胶层碳化的能力和辐射层透光性决定，碳化程度越高，需要吸收层碳化厚度越小；辐射层透光性越大，需要吸收层碳化厚度越大；最后在吸收层的表面制作一层辐射层，形成兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜。
进一步地，在制作胶层后，通过光刻工艺将胶层刻成所需图形，然后制作完辐射层时，再对辐射层进行光刻刻蚀，形成于胶层图形重合的辐射层，以完成特定需求。
有益效果
1）本发明实现了兼具高可见光吸收性能和高红外辐射性能的薄膜的制作，该方法基于微机械加工工艺制作过程主要分为吸收层制作和辐射层制作；加工工艺较为简单；同时，吸收层通过微机械加工工艺使附着在透明衬底上的胶层焦化膨胀，形成黑色多孔蓬松状物质，具有高可见光吸收性能的特征，是吸收可见光的主要区域；辐射层是在吸收层的基础上进行再加工，溅射高红外辐射材料，使其具有粗糙的表面，其作用是进一步提高可见光吸收性能，同时具有高红外辐射的特征。
2）吸收层的原材料采用光刻胶，所以此薄膜可以在碳化前通过光刻技术使得吸收层其具有各种微结构，控制灵活，厚度和图案成型尺寸控制精度高。
附图说明
图1为包括衬底在内的吸收辐射膜切面示意图。
图2为高可见光吸收高红外辐射膜的使用示意图。
图3为利用微机械工艺做出的微结构示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜的制作方法，采用微机械加工工艺制作，薄膜的吸收层吸收入射的可见光，同时可见光能量传输到具有高红外辐射性能的辐射层向外辐射，完成可见光到红外光的转换。
下面结合附图以一种可见光到红外转换芯片为例，对本发明进行详细描述。
图1为包括衬底在内的兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜切面示意图。如图所示，包括衬底1、胶层2、碳化层3和辐射层4。其中胶层2和碳化层3结合构成吸收层5。该应用实例制作的具体过程如下：
步骤一：选择衬底。可见光到红外转换芯片的用途决定了衬底1的材料，可见光到红外转换芯片采用透射形式，所以衬底要求为透明材料，同时要求衬底的热导率不能太大，所以选取石英作为衬底1的材料。
石英材料的表面附着性决定吸收层5的厚度，附着性越差则吸收层5厚度越大，所以要求石英衬底1的表面有一定粗糙度，即有一定附着力。衬底1的面积决定了器件的有效面积，在此采用2寸面积。
步骤二：清洗衬底。为保证薄膜的均匀性，衬底的操作面需要彻底清洗。利用超声波、丙酮、乙醇和去离子水分别彻底清洗。
步骤三：旋涂胶层。胶层2的厚度由衬底1材料的热导性和衬底1的表面附着性决定，其原则是保证薄膜能够牢固的附着在衬底上，同时不会因为离衬底太近而导致影响应该传导向辐射层的能量。根据选定的石英衬底材料确定胶层2的厚度为2μm。
步骤四：光刻图形。利用光刻工艺制作30μm×30μm，间距20μm的图案，如图3所示。
步骤五：碳化胶层形成吸收层5。利用MEMS技术，控制工艺碳化光刻后的微结构，利用反应离子刻蚀机进行碳化，碳化厚度调整功率、压力等实现。碳化的厚度根据碳化程度和辐射层4透光性决定。由于辐射层4使用石墨，石墨的透光性很差，所以碳化层3厚度选择为0.2μm。
该吸收层通过微机械加工工艺使附着在透明衬底上的胶层焦化膨胀，形成黑色多孔蓬松状物质，胶层进行碳化后，可以大幅度的减少入射光的放射和透射，使该片子具有高可见光吸收性能的特征，是吸收可见光的主要区域；
步骤六：溅射辐射层。可见光到红外转换芯片要求薄膜有很高的红外辐射能力，所以辐射层4可选石墨层，在实际操作中还可以选择钨、碳化硅。
石墨的厚度不能太厚，否则影响吸收层的热传递效率，最后选取石墨红外辐射层4的厚度为0.5μm。
步骤七：刻蚀辐射层。由于在溅射时没有选择性，吸收层图案之外也溅射了辐射层，为保证吸收层和辐射层的统一性，需要对腐蚀层进行光刻刻蚀，形成与吸收层图案相同的辐射层。
辐射层是在吸收层的基础上进行再加工，溅射高红外辐射材料，使其具有粗糙的表面，其作用是进一步吸收透射光，提高可见光吸收性能，同时具有高红外辐射的特征。
通过涂胶、对版、光刻、显影、刻蚀、去胶等工艺去除微结构间距上的石墨。根据上述过程形成的薄膜，具有高的可见光吸收性能和高红外辐射性能，整个过程通过微机械加工工艺实现，可控性强，能够精确的形成各种微结构。
Claims (1)
1.一种兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜的制作方法，其特征在于：该薄膜制作的过程具体如下：
步骤一：选择透可见光衬底，大小根据实际需要确定；
步骤二：清洗衬底操作面；
步骤三：在清洗后的衬底操作面上旋涂光刻胶，形成胶层；
胶层面积根据实际需要确定，小面积直接加工而成，而较大面积则用小面积进行拼接制作；胶层的厚度根据透明衬底材料的热导率和表面附着性能确定，透明衬底材料的热导率越高，胶层需要的厚度越大；透明材料的表面附着性能越高，胶层需要的厚度越小；所述小面积为1～3英寸；所述衬底材料为石英；
步骤四：采用微机械加工技术控制工艺过程碳化胶层，形成吸收层；
胶层被碳化的厚度根据微机械加工技术碳化胶层的能力和辐射层透光性决定，碳化程度越高，需要吸收层碳化厚度越小；辐射层透光性越大，需要吸收层碳化厚度越大；
步骤五：在吸收层的表面溅射一层高红外辐射材料形成辐射层，最终形成兼具高可见光吸收和高红外辐射的薄膜；所述辐射层选自石墨层、钨或碳化硅；
进一步地，在制作胶层后，通过光刻工艺将胶层刻成所需图形，然后制作完辐射层时，再对辐射层进行光刻刻蚀，形成与胶层图形重合的辐射层；
其中，所述步骤二清洗衬底操作面具体为：依次采用超声波、丙酮、乙醇和去离子水彻底清洗衬底操作面。
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