CN111562638A - 一种反射型隔热薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反射型隔热薄膜，由亚波长结构体嵌入柔性薄膜中制备得到。本发明提供的隔热薄膜在近红外的设计波段内具有95％以上的反射率，能够起到很好的隔热效果，同时由于整个薄膜中不存在金属，所以不存在电磁波信号屏蔽的副作用，采用的亚波长结构体，如硅，在红外不存在吸收，所以不产生二次热辐射。所设计的反射型隔热薄膜可拉伸、可弯折，可贴附在弯曲或者拱形表面上。另外，单层的结构具有超薄和超轻的优点。

Description

一种反射型隔热薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学材料技术领域，尤其涉及一种反射型隔热薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，能源已经成为全世界都极为关注的问题，各国都在积极推进节能措施。由于普通玻璃对红外线的隔绝不够，使得汽车、建筑物等在炎热的夏季快速升温，为了保持人体舒适度，需要对车内和室内进行外部干预降温，如开启空调制冷，这将使得汽车能耗增加和电能消耗增加。为了降低这种热辐射的影响，人们发明了各种隔热薄膜和隔热材料，按原理划分，主要分为反射型隔热和吸热型隔热。

其中，吸热型隔热是利用涂敷在透明聚酯膜表面的吸热剂吸收红外热量达到隔热目的，吸热型只能短时间内起到隔热效果，往往存在严重的二次热辐射，目前已有的相变吸热材料，利用固液态的转变达到吸热目的。

目前应用较广的是反射型隔热膜，其是在透明的聚酯膜上溅镀多层金属或者是金属膜和介质膜交叠来反射红外热量达到隔热目的，反射型隔热膜能长久起到隔热效果。但是目前大家采用带有金属层的反射式隔热膜，往往对通讯电磁信号存在一定的屏蔽，对于车内和室内电子通讯设备的使用存在干扰，极其不利于人们的日常生活。除此以外，带有金属层的反射型隔热膜还具有诸多缺点，例如金属膜常采用溅镀工艺制成，在柔性基底上进行大曲率弯折时，会导致薄膜产生裂纹，影响隔热性能；金属存在一定程度的吸收，会产生二次热辐射，影响整体隔热效果；金属膜的存在极大地影响了在可见光波段的透过率等。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种反射型隔热薄膜及其制备方法，制备的反射型隔热薄膜在近红外宽波段具有较高反射率。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种反射型隔热薄膜，由亚波长结构体嵌入柔性薄膜中制备得到。

所述亚波长结构体的上表面与所述柔性薄膜的上表面齐平。

所述亚波长结构体的高度小于所述柔性薄膜的厚度。

本发明中，所述亚波长结构体的几何形状可以为圆柱体、圆盘、圆棒、长方体或立方体等。

所述亚波长结构体在柔性薄膜中呈周期性排布阵列。

相邻两个亚波长结构体中心之间的距离优选为500～1200纳米，进一步优选为660纳米。

优选的，所述亚波长结构体在柔性薄膜中的排布方式为四方晶格排布或六方晶格排布。

当排布方式为四方晶格排布时，所述反射型隔热薄膜的结构如图1、图2所示。

其中，图1为俯视图，图2为侧视图。

所述亚波长结构体的材质优选为硅、锗、氮化硅或砷化镓等高折射率电介质材料。

当所述亚波长结构体为圆柱体时，所述圆柱体的直径优选为300～1000纳米，进一步优选为360～400纳米，高度优选为150～800纳米，进一步优选为230～500纳米，周期优选为500～1200纳米，进一步优选为660纳米。

上述周期指两个圆柱体中心之间的距离。

优选的，所述柔性薄膜为透明的柔性薄膜。

所述柔性薄膜的材质优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。

所述柔性薄膜的厚度优选为100～200微米，进一步优选为150微米。

由于是采用亚波长结构体嵌入到透明材料中形成反射膜，在可见光波段内存在平均50％的透过率，具有较好的透过率，既具有一定的对外可见度，又保留着一定的隐私性。

本发明提供的反射型隔热薄膜具有可拉伸和可弯折的特性，可贴附在弯曲表面上。

并且针对不同红外波段，设计不同结构参数，可以实现红外波段高反全覆盖。

进一步的，本发明提供了一种反射型隔热薄膜，由两层或两层以上上述反射型隔热薄膜上下层叠设置而成。

所述两层或两层以上反射型隔热薄膜中嵌入的亚波长结构体的尺寸不同。

在本发明的一些具体实施例中，所述反射型隔热薄膜由两层上述反射型隔热薄膜上下层叠设置而成；可记为第一隔热薄膜，第二隔热薄膜。

所述两层反射型隔热薄膜(即第一隔热薄膜和第二隔热薄膜)中嵌入的亚波长结构体的尺寸不同。

本发明通过将两个或两个以上拥有不同几何参数结构体的薄膜进行叠合，可以实现更宽谱段的红外高反射，获得更好的隔热效果。

本发明提供了上述反射型隔热薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A)在硅晶圆表面溅镀一层铂作为过渡层；

B)在铂过渡层表面生长一层硅薄膜或氮化硅薄膜；

C)在硅薄膜或氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；

D)采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；

E)在刻蚀后的硅表面旋涂聚二甲基硅氧烷，真空固化；

F)利用铂与底层硅晶圆较差的黏附性和固化后聚二甲基硅氧烷与铂较好的黏附性，将聚二甲基硅氧烷从底层硅晶圆上剥离下来；

G)刻蚀除去残余的铂层，得到反射型隔热薄膜。

上述溅镀可以采用电子束蒸发仪、磁控溅射仪等本领域技术人员熟知的仪器进行。

所述铂过渡层的厚度优选为50nm。

上述制备过程的流程图如图3所示。

本发明提供了上述反射型隔热薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A)在硅晶圆表面溅镀一层铂作为过渡层；

B)在铂过渡层表面生长一层硅薄膜或氮化硅薄膜；

C)在硅薄膜或氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；

D)采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；

E＇)在刻蚀后的硅表面底涂紫外固化胶，覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯膜进行辊压，然后紫外固化；

F＇)利用铂与底层硅晶圆较差的黏附性和固化后聚对苯二甲酸乙二醇酯与铂较好的黏附性，将聚对苯二甲酸乙二醇酯从底层硅晶圆上剥离下来；

G)刻蚀除去残余的铂层，得到反射型隔热薄膜。

所述铂过渡层的厚度优选为50nm。

本发明提供了上述反射型隔热薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A＇)在硅晶圆表面溅镀一层锗作为牺牲层；

B＇)在锗牺牲层表面生长一层硅薄膜或氮化硅薄膜；

C)在硅薄膜或氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；

D)采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；

E)在刻蚀后的硅表面旋涂聚二甲基硅氧烷，真空固化，得到复合膜；

F＂)将复合膜置于1：1：30的氢氧化氨、双氧水和去离子水的混合溶液中，使得锗膜层被腐蚀，嵌入硅结构的聚二甲基硅氧烷脱落，得到反射型隔热薄膜。

所述锗牺牲层的厚度优选为50nm。

与现有技术相比，本发明提供了一种反射型隔热薄膜，由亚波长结构体嵌入柔性薄膜中制备得到。本发明提供的隔热薄膜在近红外的设计波段内具有95％以上的反射率，能够起到很好的隔热效果，同时由于整个薄膜中不存在金属，所以不存在电磁波信号屏蔽的副作用，采用的亚波长结构体，如硅，在红外不存在吸收，所以不产生二次热辐射。所设计的反射型隔热薄膜可拉伸、可弯折，可贴附在弯曲或者拱形表面上。另外，单层的结构具有超薄和超轻的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的反射型隔热薄膜的俯视图；

图2为本发明实施例1提供的反射型隔热薄膜的侧视图；

图3为本发明提供的反射型隔热薄膜的制备方法流程图；

图4为本发明实施例1提供的反射型隔热薄膜的近红外反射、透射、吸收光谱图；

图5为本发明实施例4制备的周期变化后的隔热薄膜的反射光谱图；

图6为实施例5中亚波长结构体的排布方式示意图；

图7为实施例5中亚波长结构体的反射光谱图；

图8为实施例1制备的隔热薄膜在可见光波段的反射率曲线图；

图9为实施例6制备的隔热薄膜的反射光谱图；

图10为实施例7制备的双层隔热薄膜的反射光谱图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的反射型隔热薄膜及其制备方法进行详细描述。

实施例1

①在硅晶圆上使用电子束蒸发仪溅镀一层50纳米铂Pt作为过渡层；②在铂金属上生长一层硅；③在硅薄膜上旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；④以光刻胶为掩膜采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；⑤接着旋涂PDMS，60摄氏度真空固化；⑥利用铂与底层硅晶圆较差的黏附性和固化后PDMS与铂较好的黏附性，将PDMS从底层硅晶圆上剥离下来；⑦使用离子束刻蚀机除去残余的铂层，得到反射型隔热薄膜。

嵌入的硅亚波长结构的几何参数为：直径400纳米，高度500纳米，周期为660纳米；薄膜厚度150微米。其俯视图如图1所示，侧视图如图2所示。

图4是上述隔热薄膜对应的近红外反射、透射、吸收光谱图，由图4可以看出，制备的隔热薄膜在1.2到1.5微米波段内具有大于90％的反射率，其在整个波段内吸收几乎为0，不存在二次热辐射。

计算薄膜在可见光波段的反射率，如图8所示，可以看出制备的隔热薄膜在可见光波段的平均透射率约为50％，既具有一定的对外可见度，又有一定的隐私性。

实施例2

①在硅晶圆上使用磁控溅射仪溅镀一层50纳米铂Pt作为过渡层；②在铂金属上生长一层硅；③在硅薄膜上旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；④以光刻胶为掩膜采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；⑤接着底涂紫外固化胶，覆盖PET膜进行滚压，滚压均匀后进行紫外固化；⑥利用铂与底层硅晶圆较差的黏附性和固化后PET与铂较好的黏附性，将PET从底层硅晶圆上剥离下来；⑦使用离子束刻蚀机除去残余的铂层，得到反射型隔热薄膜。

实施例3

①在硅晶圆上使用电子束蒸发仪溅镀一层50纳米锗Ge作为牺牲层；②在锗膜上生长一层硅；③在硅薄膜上旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；④以光刻胶为掩膜采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；⑤接着旋涂PDMS，60摄氏度真空固化；⑥然后置于1：1：30的氢氧化氨、双氧水和去离子水的混合溶液中，使得锗膜层被腐蚀，嵌入硅结构的PDMS脱落，得到反射型隔热薄膜。

实施例4

采用实施例1的方法制备隔热薄膜，嵌入的硅亚波长结构的周期分别为750nm和800nm，以模仿隔热薄膜被拉伸后，周期结构排布变化对反射性能的影响。

图5是制备的周期变化后的隔热薄膜的反射光谱图，由图5可以看出，即使薄膜由于拉伸，改变了周期值，制备的隔热薄膜在设计波段内依然具有很高的反射率。

实施例5

按照实施例1的方法制备隔热薄膜，嵌入的硅亚波长结构的排布方式如图6所示，以模仿隔热薄膜在拉伸过程中周期性排布被破坏，对反射性能的影响。

图7为计算所得的反射光谱，由图7可以看出，本发明制备的隔热薄膜在被拉伸后，圆柱错位排布时，在设计波段内仍然保持很高的反射率。

可以表明，本发明制备的隔热薄膜具有良好的抗拉伸和弯折性能。

实施例6

针对近红外短波长1.05到1.15微米，设计反射隔热膜，硅圆柱亚波长结构体的几何参数为：直径360纳米，高度230纳米，周期为660纳米，其余同实施例1。

其反射光谱如图9所示，可以看出，制备的隔热薄膜在设计波段具有大于95％的反射率。

实施例7

将实施例1和实施例6制备的两层隔热薄膜叠合在一起，得到双层反射型隔热薄膜。

反射光谱如图10所示，叠合后薄膜的反射光谱被拓宽，具有更好的隔热效果。

由上述实施例可知，本发明制备的反射型隔热薄膜具有较高的反射率，以及良好的可拉伸、可弯折性能。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种反射型隔热薄膜，其特征在于，由亚波长结构体嵌入柔性薄膜中制备得到。

2.根据权利要求1所述的反射型隔热薄膜，其特征在于，所述亚波长结构体的几何形状为圆柱体、圆盘、圆棒、长方体或立方体。

3.根据权利要求1所述的反射型隔热薄膜，其特征在于，所述亚波长结构体在柔性薄膜中的排布方式为四方晶格排布或六方晶格排布。

4.根据权利要求1所述的反射型隔热薄膜，其特征在于，所述亚波长结构体的材质为硅、锗、氮化硅或砷化镓。

5.根据权利要求1所述的反射型隔热薄膜，其特征在于，所述柔性薄膜的材质为聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

6.根据权利要求1所述的反射型隔热薄膜，其特征在于，所述柔性薄膜的厚度为100～200微米；

所述亚波长结构体为圆柱体；

所述圆柱体的直径为300～1000纳米，高度为150～800纳米，周期为500～1200纳米。

7.一种反射型隔热薄膜，其特征在于，由两层或两层以上权利要求1～6任一项所述的反射型隔热薄膜上下层叠设置而成；

所述两层或两层以上反射型隔热薄膜中嵌入的亚波长结构体的尺寸不同。

8.权利要求1～6任一项所述的反射型隔热薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A)在硅晶圆表面溅镀一层铂作为过渡层；

B)在铂过渡层表面生长一层硅薄膜或氮化硅薄膜；

C)在硅薄膜或氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；

D)采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；

E)在刻蚀后的硅表面旋涂聚二甲基硅氧烷，真空固化；

F)利用铂与底层硅晶圆较差的黏附性和固化后聚二甲基硅氧烷与铂较好的黏附性，将聚二甲基硅氧烷从底层硅晶圆上剥离下来；

G)刻蚀除去残余的铂层，得到反射型隔热薄膜。

9.权利要求1～6任一项所述的反射型隔热薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A)在硅晶圆表面溅镀一层铂作为过渡层；

B)在铂过渡层表面生长一层硅薄膜或氮化硅薄膜；

C)在硅薄膜或氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；

D)采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；

E＇)在刻蚀后的硅表面底涂紫外固化胶，覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯膜进行辊压，然后紫外固化；

F＇)利用铂与底层硅晶圆较差的黏附性和固化后聚对苯二甲酸乙二醇酯与铂较好的黏附性，将聚对苯二甲酸乙二醇酯从底层硅晶圆上剥离下来；

G)刻蚀除去残余的铂层，得到反射型隔热薄膜。

10.权利要求1～6任一项所述的反射型隔热薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A＇)在硅晶圆表面溅镀一层锗作为牺牲层；

B＇)在锗牺牲层表面生长一层硅薄膜或氮化硅薄膜；

C)在硅薄膜或氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，采用双光束干涉正交曝光制备光刻胶掩膜；

D)采用含氟气体对硅进行干法刻蚀；

E)在刻蚀后的硅表面旋涂聚二甲基硅氧烷，真空固化，得到复合膜；

F＂)将复合膜置于1：1：30的氢氧化氨、双氧水和去离子水的混合溶液中，使得锗膜层被腐蚀，嵌入硅结构的聚二甲基硅氧烷脱落，得到反射型隔热薄膜。

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