ITRM20100380A1 - Film sottile per schermi elettromagnetici trasparenti per risparmio energetico - Google Patents

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ITRM20100380A1
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Amore Marcello D
Alessandro Domenico Lampasi
Francesca Sarto
Maria Sabrina Sarto
Alessio Tamburrano
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Enea Agenzia Naz Per Le Nuove Tecnologie
Univ Roma La Sapienza
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Description

FILM SOTTILE PER SCHERMI ELETTROMAGNETICI
TRASPARENTI PER RISPARMIO ENERGETICO;
Settore tecnico
La presente invenzione riguarda la realizzazione di uno schermo elettromagnetico (EM) passivo a radio frequenza (RF) preferibilmente per la banda da 30 kHz a 18 GHz, trasparente nel visibile, basso-emissivo e a controllo solare.
Più in particolare, l’invenzione si riferisce a film sottile schermante alle frequenze radio per la realizzazione di uno schermo trasparente al visibile ed in grado di contribuire al risparmio energetico, sia per quanto riguarda il raffrescamento (controllo solare) che il riscaldamento (bassa-emissività), ad esempio in ambito edile e nel settore dei veicoli di trasporto.
Stato della tecnica
Come à ̈ noto, il settore edilizio civile e industriale à ̈ responsabile di circa un terzo del consumo energetico nazionale.
La principale causa di consumo energetico e di impatto ambientale nell’edilizia à ̈ dovuta alla climatizzazione degli ambienti.
Pertanto, la riduzione del fabbisogno energetico per il raffrescamento e il riscaldamento si può ottenere con un’ottimizzazione impiantistica e dei sistemi costruttivi e tra questi la scelta della tipologia di vetro da applicare alle finestre per il controllo dei flussi termici tra esterno ed interno e viceversa. Con riferimento esclusivamente alle problematiche energetiche e di scambio di calore fra l’interno e l’esterno di un edificio, sono attualmente note due tipologie di pellicole applicate alle vetrate di edifici:
i) Pellicole basso-emissive (applicate sulla superficie interna della vetrata) che bloccano la radiazione infrarossa emessa dai corpi scaldanti dell’impianto termico, migliorando le prestazioni dei doppi vetri e riducendo dal 25 al 35% le dispersioni termiche;
ii) Pellicole a controllo solare che riflettono la radiazione solare infrarossa, riducendo significativamente il calore in ingresso negli ambienti condizionati.
E’ anche noto che pellicole basso-emissive e/o a controllo solare facilmente applicabili sulle superfici vetrate sono sempre più utilizzate per migliorare l’isolamento termico, ridurre le spese di climatizzazione, assicurare un miglior comfort ambientale, grazie anche alla riduzione dei riflessi luminosi e degli abbagliamenti.
Sebbene le pellicole per il risparmio energetico di tipo noto siano molto diffuse, il loro comportamento nei confronti delle onde elettromagnetiche alle RF non à ̈ stato normalmente investigato dai produttori e comunque non ottimizzato per il raggiungimento di prestazioni schermanti soddisfacenti.
Si deve considerare a questo proposito che le superfici vetrate costituiscono una zona critica non solo dal punto di vista energetico, ma anche dal punto di vista elettromagnetico in quanto risultano generalmente trasparenti alle radiofrequenze e rappresentano quindi la via preferenziale per la penetrazione del campo elettromagnetico all’interno di un edificio.
Un primo inconveniente à ̈ che in tali circostanze, quando si à ̈ in presenza di sorgenti emittenti esterne, quali ad esempio stazioni radiobase o ripertitori radio e TV, si possono verificare all'interno dell'edificio valori di campo elettromagnetico critici per l’esposizione delle persone.
Un secondo inconveniente à ̈ relativo ai campi EM generati da sorgenti poste all'interno di un edificio che trasmettendosi all'esterno attraverso vetrate non schermate possono inoltre creare problemi al corretto funzionamento di dispositivi elettrici ed elettronici che operano in prossimità. Ad esempio, l'utilizzo sempre più diffuso di dispositivi wireless all'interno di abitazioni, uffici ed edifici adibiti ad attività commerciali à ̈ spesso causa di interferenze elettromagnetiche su telecomandi di autovetture o su dispositivi elettronici per il controllo o il comando a distanza di macchinari.
Il campo elettromagnetico a RF incidente su un edificio o generato da sorgenti presenti al suo interno subisce un’attenuazione che dipende da numerosi fattori; la presenza di finestre rappresenta la principale causa che contribuisce alla trasmissione del campo sia dall'esterno verso l’interno di un edificio, sia dall'interno all'esterno.
Per risolvere questo problema, la schermatura elettromagnetica a radiofrequenza à ̈ generalmente realizzata mediante l'uso di schermi contenenti componenti conduttivi, come ad esempio griglie metalliche, materiali caricati con polveri conduttive o con film sottili di ossido di indio drogato con stagno (ITO). Tuttavia, i metalli sono buoni materiali schermanti delle radiazioni elettromagnetiche non solo a radio frequenza ma anche nella banda del visibile, ed hanno un alto coefficiente di assorbimento della radiazione elettromagnetica nell’infrarosso .
Schermi elettromagnetici per la radiofrequenza, aventi anche un’alta trasparenza nel visibile, sono stati sviluppati utilizzando la tecnologia dei film sottili multistrato metallo/dielettrico.
Essi sono generalmente costituiti dalla ripetizione di una struttura simmetrica comprendente un sottile strato metallico, responsabile della conduzione elettrica, inserito tra due strati di materiale dielettrico allo scopo di ridurre la riflettanza nel visibile. La struttura à ̈ ripetuta una o più volte, fintanto che lo spessore totale di metallo sia sufficiente a garantire la conduzione elettrica necessaria per ottenere la schermatura RF voluta e la trasmittanza nel visibile non scenda oltre un valore minimo desiderato. Valori tipici dello spessore totale del metallo, ad esempio con riferimento ad argento, sono tra 20 nm e 66 nm per ottenere valori dell’efficienza di schermatura, di interesse per applicazioni elettromagnetiche, compresi tra circa 30 dB e 40 dB e della trasmittanza visibile media tra il 50 % e il 70%. In particolare, la trasmittanza nel visibile à ̈ tanto più alta quanto minore à ̈ lo spessore dei singoli strati metallici nei quali viene suddiviso lo spessore totale di metallo necessario a garantire la prestazione elettromagnetica a RF.
La stessa tecnologia può essere utilizzata per la realizzazione di rivestimenti basso-emissivi, in grado di riflettere la radiazione infrarossa. In questo caso, però, lo spessore totale di metallo utilizzato à ̈ tipicamente inferiore a quello necessario per applicazioni di schermatura RF aventi la stessa trasmittanza ottica nel visibile. Di contro, le prestazioni basso-emissive e di controllo solare dei rivestimenti ottimizzati per la schermatura a RF sono limitate da un alto valore dell’assorbimento della radiazione infrarossa.
Il limite nell’ottimizzazione simultanea delle prestazioni schermanti a RF, trasparenti nel visibile e riflettenti (basso-assorbenti) nell’IR à ̈ dovuto al diverso meccanismo fisico responsabile della schermatura della radiazione elettromagnetica nei tre diversi intervalli di frequenza di interesse, da parte del rivestimento metallo/dielettrico. In particolare, mentre nell’intervallo RF il meccanismo di schermatura à ̈ la riflessione, nell’intervallo IR oltre alla riflessione à ̈ presente anche un forte assorbimento dovuto all’alto coefficiente di assorbimento IR degli strati metallici, assorbimento che cresce linearmente con lo spessore totale del metallo presente nella struttura, fintanto che ciascuno strato metallico ha uno spessore singolo minore della profondità di penetrazione della radiazione elettromagnetica (skin depth) in questo intervallo di frequenza (IR); valori tipici della skin depth nell’IR sono dell’ordine di qualche decina di nanometri (per es. circa 30 nm per l’argento alla lunghezza d’onda di 1mm). Un’alto valore dell’assorbimento IR nel caso di rivestimenti da utilizzare per applicazioni di controllo solare à ̈ altamente dannoso perché, oltre a limitare la riduzione del calore solare immesso nell’ambiente che si vuole schermare, può causare il danneggiamento per surriscaldamento o shock termico della finestra (o substrato trasparente) sul quale à ̈ applicato.
Dispositivi trasparenti nel visibile e con un basso assorbimento della radiazione infrarossa non contenenti metallo sono altresì noti allo stato dell’arte; tali filtri hanno il vantaggio di riflettere selettivamente la radiazione infrarossa, minimizzando l’assorbimento tipico dei materiali metallici, ma non possono schermare la radiazione elettromagnetica a radiofrequenza, in quanto non sono elettricamente conduttivi.
Scopo del trovato
Forma pertanto un primo scopo del presente trovato la realizzazione di un film schermante multifunzionale selettivo in frequenza, tale che risulti schermante alle frequenze radio e nell’infrarosso, trasparente nel visibile e con un basso assorbimento alla radiazione solare per poter efficacemente ridurre il calore in ingresso negli ambienti chiusi dovuto alla radiazione solare.
Sommario del trovato
A tali scopi si à ̈ pervenuti con un dispositivo secondo almeno una delle rivendicazioni allegate.
Il dispositivo oggetto della presente invenzione consiste in un rivestimento nano-strutturato, da applicare su un supporto trasparente come ad esempio una vetrata o una pellicola (di seguito denominato “substrato†), su una sola o su entrambe le facce di esso, come mostrato rispettivamente in fig. 1 e fig.
2, avente prestazioni schermanti delle radiazioni elettromagnetiche per RF, trasparenti nel visibile e al tempo stesso schermanti e basso-assorbenti nei confronti della radiazione infrarossa.
Per ottenere tali prestazioni multifunzionali il dispositivo sfrutta la nanostruttura al fine di integrare in modo costruttivo e non competitivo dispositivi molteplici, ciascuno dei quali à ̈ dedicato ad una singola funzionalità in una banda specifica e opportunamente selezionata della radiazione elettromagnetica.
I vantaggi ottenuti consistono essenzialmente nel fatto che grazie all’invenzione si sono ottenuti film schermanti elettromagnetici per RF trasparenti nel visibile e al tempo stesso schermanti e bassoassorbenti nei confronti della radiazione infrarossa, che superarano le limitazioni suddette degli schermi elettromagnetici a RF trasparenti nel visibile già noti allo stato dell’arte.
Il trovato della presente invenzione propone, in una sua particolare realizzazione, descritta a scopo esemplificativo e non riduttivo dell’invenzione stessa, un rivestimento nano-strutturato, applicato su una faccia di un substrato trasparente dal lato di incidenza della radiazione solare (come indicato in fig.1), costituito da una sequenza di strati metallici e dielettrici asimmetrica, tali che lo spessore dei singoli strati metallici sia maggiore per gli strati più lontani dal substrato (più “esterni†) e sia minore per gli strati metallici più vicini al substrato (più “interni†), come meglio descritto a titolo esemplificativo e non limitativo della presente invenzione nel disegno di fig.3.
In un’altra sua particolare realizzazione il trovato della presente invenzione consiste in un rivestimento nano-strutturato costituito dalla sovrapposizione di una prima sequenza di strati metallici e dielettrici alternati, sulla quale à ̈ depositata una seconda sequenza di strati sottili costituiti da materiali dielettrici trasparenti nel visibile e nell’infrarosso, aventi spessore e indice di rifrazione opportunamente scelti per riflettere la radiazione infrarossa, come meglio descritto a titolo esemplificativo e non limitativo della presente invenzione nel disegno di fig.7 o di fig. 15, in riferimento all’ esempio 2 e all’esempio 4. L’aggiunta di tale sequenza di strati trasparenti al visibile e all’IR, sovrastante il film metallo/dielettrico, ha lo scopo di riflettere la luce solare nell’intervallo di frequenza IR in cui l’assorbimento del film sottostante (metallo/dielettrico) à ̈ più alto, a causa della presenza degli strati metallici. Il vantaggio di tale film nano-strutturato oggetto della presente invenzione à ̈ che il calore assorbito dal film e trasmesso al substrato nella banda del vicino IR à ̈ drasticamente diminuito, senza che ciò comporti l’aumento dell’assorbimento nel restante intervallo di frequenza (dall’UV all’ IR), perché costituito da singoli strati di materiali trasparenti in tutto l’intervallo UV-IR. Inoltre, i suddetti vantaggi sono ottenuti senza alterare le prestazioni elettromagnetiche a RF, in quanto lo spessore totale di metallo contenuto nel rivestimento non à ̈ modificato e gli strati dielettrici sottili con spessore fino a 500 nm risultano perfettamente trasparenti alla radiazione EM a RF, come pure senza alterare le prestazioni ottiche nel visibile, perché riflette selettivamente solo la banda del vicino infrarosso, dove l’occhio umano non vede, e trasmette in tutto l’intervallo del visibile.
In una particolare forma di realizzazione del trovato i film nano-strutturati aventi prestazioni schermanti delle radiazioni elettromagnetiche a RF, trasparenti nel visibile e al tempo stesso schermanti e basso-assorbenti nei confronti della radiazione infrarossa, descritti nelle realizzazioni dell’invenzione precedenti, sono applicati ciascuno su una delle facce di un substrato trasparente S, in una configurazione "a sandwich", secondo lo schema di applicazione mostrato in fig. 2, e come descritto a titolo esemplificativo e non riduttivo della presente invenzione negli esempi 3 e 5. Tale forma di realizzazione ha il vantaggio di aumentare in modo considerevole l’efficienza di schermatura del trovato.
Lista dei Disegni
Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni, dati qual esempio non limitativo, nei quali:
- la fig. 1 mostra uno schema di applicazione a singola faccia del film nano-strutturato dell’invenzione applicato ad un substrato S, ad esempio una vetrata o una pellicola trasparente da applicare a sua volta su una vetrata; il film F à ̈ applicato sulla faccia dal lato di incidenza della radiazione solare;
- la fig. 2 mostra uno schema di applicazione a doppia faccia (“a sandwich†) del film dell’invenzione applicato ad un substrato S, ad esempio una vetrata o una pellicola trasparente da applicare a sua volta su una vetrata; F1 à ̈ il film nano-strutturato applicato sulla faccia del substrato S dal lato di incidenza della radiazione solare; F2 à ̈ il film nano-strutturato applicato sulla faccia del substrato S dal lato opposto a quello di incidenza della radiazione solare; - la fig. 3 mostra lo schema del film dell’invenzione secondo una sua particolare realizzazione descritta nell’esempio 1 (Asymmetric-single);
- la fig. 4 mostra l’andamento calcolato della efficienza di schermatura (SE) dello schermo descritto nell’esempio 1, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nanostrutturato sono quelli riportatati in tabella 1;
- la fig. 5 mostra l’andamento della trasmittanza calcolata nel range ottico, dello schermo descritto nell’esempio 1, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nano-strutturato sono quelli riportatati in tabella 1, confrontata con la curva di riferimento che risulta dal prodotto tra la curva di sensibilità media dell’occhio umano e quella della distribuzione di energia dell’illuminante (D65);
- la fig. 6 mostra l’andamento calcolato della assorbanza dello schermo descritto nell’esempio 1 nel quale gli spessori dei singoli strati del film nano-strutturato sono quelli riportatati in tabella 1, nell’intervallo di lunghezza d’onda dove à ̈ significativo lo spettro solare, confrontata con la curva di riferimento relativa allo spettro solare incidente;
- la fig. 7 mostra lo schema del film dell’invenzione secondo una sua particolare realizzazione descritta all’esempio 2 (Fluoride-single);
- la fig. 8 mostra l’andamento calcolato della efficienza di schermatura (SE) dello schermo descritto nell’esempio 2, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nanostrutturato sono quelli riportatati in tabella 2;
- la fig. 9 mostra l’andamento della trasmittanza calcolata nel range ottico dello schermo descritto nell’esempio 2, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nano-strutturato sono quelli riportatati in tabella 2, confrontata con la curva di riferimento che risulta dal prodotto tra la curva di sensibilità media dell’occhio umano e quella della distribuzione di energia dell’illuminante (D65);
- la fig. 10 mostra l’andamento della assorbanza calcolata dello schermo descritto nell’esempio 2 nel quale gli spessori dei singoli strati del film nano-strutturato sono quelli riportatati in tabella 2, nell’intervallo di lunghezza d’onda dove à ̈ significativo lo spettro solare, confrontata con la curva di riferimento relativa allo spettro solare incidente;
- la fig. 11 mostra lo schema del film dell’invenzione secondo una sua particolare realizzazione descritta all’esempio 3 (Fluoride-double);
- la fig. 12 mostra l’andamento calcolato della efficienza di schermatura (SE) dello schermo descritto nell’esempio 3, nel quale gli spessori dei singoli strati dei film nanostrutturati F1 e F2 sono quelli riportatati nelle tabelle 3a e 3b, rispettivamente;
- la fig. 13 mostra l’andamento della trasmittanza calcolata nel range ottico dello schermo descritto nell’esempio 3, nel quale gli spessori dei singoli strati dei film nano-strutturati F1 e F2 sono quelli riportatati nelle tabelle 3a e 3b rispettivamente, confrontata con la curva di riferimento che risulta dal prodotto tra la curva di sensibilità media dell’occhio umano e quella della distribuzione di energia dell’illuminante (D65);
- la fig. 14 mostra l’andamento della assorbanza calcolata dello schermo descritto nell’esempio 3, nel quale gli spessori dei singoli strati dei film nano-strutturati F1 e F2 sono quelli riportatati nelle tabelle 3a e 3b rispettivamente, nell’intervallo di lunghezza d’onda dove à ̈ significativo lo spettro solare, confrontata con la curva di riferimento relativa allo spettro solare incidente;
- la fig. 15 mostra lo schema del film dell’invenzione secondo una sua particolare realizzazione descritta all’esempio 4 (Oxides-single);
- la fig. 16 mostra l’andamento calcolato della efficienza di schermatura (SE) dello schermo descritto nell’esempio 4, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nanostrutturato sono quelli riportatati in tabella 4;
- la fig. 17 mostra l’andamento della trasmittanza calcolata nel range ottico dello schermo descritto nell’esempio 4, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nano-strutturato sono quelli riportatati in tabella 4, confrontata con la curva di riferimento che risulta dal prodotto tra la curva di sensibilità media dell’occhio umano e quella della distribuzione di energia dell’illuminante (D65);
- la fig. 18 mostra l’andamento calcolato della assorbanza dello schermo descritto nell’esempio 4, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nano-strutturato sono quelli riportatati in tabella 4 nell’intervallo di lunghezza d’onda dove à ̈ significativo lo spettro solare, confrontata con la curva di riferimento relativa allo spettro solare incidente;
- la fig. 19 mostra lo schema del film dell’invenzione secondo una sua particolare realizzazione descritta all’esempio 5 (Oxides-double)
- la fig. 20 mostra mostra l’andamento calcolato della efficienza di schermatura (SE) dello schermo descritto nell’esempio 5, nel quale gli spessori dei singoli strati dei film nano-strutturati F1 e F2 sono quelli riportatati nelle tabelle 5a e 5b, rispettivamente;
- la fig. 21 mostra l’andamento della trasmittanza calcolata nel range ottico dello schermo descritto nell’esempio 5, nel quale gli spessori dei singoli strati dei film nano-strutturati F1 e F2 sono quelli riportatati nelle tabelle 5a e 5b rispettivamente, confrontata con la curva di riferimento che risulta dal prodotto tra la curva di sensibilità media dell’occhio umano e quella della distribuzione di energia dell’illuminante (D65);
- la fig. 22 mostra l’andamento della assorbanza calcolata dello schermo descritto nell’esempio 5, nel quale gli spessori dei singoli strati dei film nano-strutturati F1 e F2 sono quelli riportatati nelle tabelle 5a e 5b rispettivamente, nell’intervallo di lunghezza d’onda dove à ̈ significativo lo spettro solare, confrontata con la curva di riferimento relativa allo spettro solare incidente;
- la fig. 23 mostra lo schema del film dell’invenzione secondo una sua particolare realizzazione descritta all’esempio 6 (Lowreflectance-single);
- la fig. 24 mostra l’andamento calcolato della efficienza di schermatura (SE) dello schermo descritto nell’esempio 6, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nanostrutturato sono quelli riportatati in tabella 6;
- la fig. 25 mostra l’andamento della trasmittanza calcolata nel range ottico dello schermo descritto nell’esempio 6, nel quale gli spessori dei singoli strati del film nano-strutturato sono quelli riportatati in tabella 6, confrontata con la curva di riferimento che risulta dal prodotto tra la curva di sensibilità media dell’occhio umano e quella della distribuzione di energia dell’illuminante (D65);
- la fig. 26 mostra l’andamento calcolato della assorbanza dello schermo descritto nell’esempio 6 nel quale gli spessori dei singoli strati del film nano-strutturato sono quelli riportatati in tabella 6, nell’intervallo di lunghezza d’onda dove à ̈ significativo lo spettro solare, confrontata con la curva di riferimento relativa allo spettro solare incidente.
Descrizione dettagliata del trovato
Il trovato della presente invenzione consiste in uno schermo elettromagnetico a radiofrequenza bassoassorbente nei confronti della radiazione solare e trasparente nel visibile, costituito da un film nanostrutturato schermante multifunzionale applicato ad un substrato trasparente (denominato “substrato†), su una sola o su entrambe le sue facce, secondo lo schema riportato in fig. 1 e fig. 2, rispettivamente.
Il substrato (indicato con “S†nelle fig. 1 e fig. 2) può essere costituito da qualsiasi materiale trasparente, per esempio vetro o polimero, sotto forma di lastra o di pellicola flessibile. Nel caso di utilizzo di materiali polimerici, sono preferibili quelli con alta temperatura di fusione e con alta temperatura di lavoro, come ad esempio il policarbonato o il poliestere, affinchà ̈ lo schermo non si degradi sotto il carico termico solare e durante il processo di deposizione del film. Nel caso in cui il substrato sia una lastra, essa può essere costituita da un unico materiale trasparente o da una coppia di lastre trasparenti contenenti al loro interno un mezzo gassoso isolante, come, per esempio, un doppio vetro di una finestra. Nel caso in cui la realizzazione preferita dell’invenzione sia quella “a sandwich†schematizzata in fig.2, il substrato S può essere costituito da una lastra di materiale trasparente o da una o da una coppia di lastre trasparenti contenenti al loro interno un mezzo gassoso isolante come definito sopra, su ciascuna faccia del quale sia applicata una pellicola flessibile rivestita con il film dell’invenzione: in particolare la pellicola applicata sulla faccia dal lato di incidenza della radiazione solare à ̈ rivestita con il film indicato con F1 nella fig. 2 e la pellicola applicata sulla faccia opposta a quella di incidenza della radiazione solare con il film indicato con F2 nella fig. 2.
In un esempio di realizzazione esemplificativo e non limitativo della presente invenzione il film F Ã ̈ costituito da una sovrapposizione di strati nanometrici dielettrici o semiconduttori D e metallici M.
Con riferimento alla fig. 1, in un esempio di realizzazione, il film F può essere applicato e rivestire un solo lato del substrato.
Con riferimento alla fig.2, in un secondo esempio di realizzazione i film nano-strutturati F1 e F2 sono applicati su entrambe le facce del substrato S, in una configurazione a “sandwich†; in tal caso, i due film F1 e F2 possono essere nano-strutturati al loro interno secondo la stessa sequenza di strati o secondo una sequenza diversa.
Gli strati dielettrici D sono preferibilmente costituiti da materiali trasparenti nel visibile e nell’infrarosso, quali, ad esempio : TiO2, SiO2, Al2O3, Ta2O5, HfO2, SnO2, In2O3, MgF2, CaF2, BaF2, LaF3, AlF3, ZnO, ITO, Si3N4, GaN, ZnSe, DLC. Vantaggiosamente, nell’esempio di realizzazione descritto gli strati D sono costituiti da TiO2, particolarmente conveniente grazie al suo alto indice di rifrazione e al basso coefficiente di estinzione nello spettro del visibile e del vicino infrarosso.
Lo spessore di ciascuno degli strati dielettrici à ̈ compreso tra 10 nm e 300 nm, ed à ̈ ottimizzato in modo da centrare la banda di trasparenza del film nel visibile e ottenere la colorazione dello schermo desiderata.
In una forma preferita di realizzazione, gli strati metallici M sono separati dai successivi strati dielettrici D da uno strato barriera ultrasottile B che ha la funzione di inibire la diffusione dell’argento o del metallo nello strato sovrastante.
Tale strato-barriera B può essere realizzato ad esempio con Ti o Ni avente uno spessore preferibile di 1 nm, che può variare tra 0.1 e 2 nm.
Gli strati metallici M sono costituiti da un metallo ad alta conducibilità elettrica, come ad esempio: Ag, Au, Cu, Al, Ni, Pd, Pt o loro leghe.
Vantaggiosamente, nell’esempio di realizzazione descritto gli strati metallici sono stati scelti in argento (Ag) allo scopo di ottenere una migliore trasmissione nel visibile, in quanto, nel range ottico delle lunghezze d’onda incidenti sullo schermo, l’argento à ̈ caratterizzato da un basso valore della parte immaginaria dell’indice di rifrazione e pertanto riduce l’assorbimento da parte dello schermo.
Secondo l’invenzione, gli strati del metallo M sono stati scelti in modo da avere uno spessore totale di metallo sufficiente ad ottenere una efficienza di schermatura (SE) nella banda fino a 18 GHz, preferibilmente non inferiore a 30 dB, ma che può essere variata tra 20 dB e 100 dB, a seconda delle esigenze particolari dell’applicazione. In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione gli spessori dei singoli strati metallici variano tra 8 e 50 nm.
Secondo l’invenzione, lo spessore degli strati metallici che costituiscono il film F à ̈ maggiore per gli strati più lontani dal substrato (più “esterni†) e minore per gli strati metallici più vicini al substrato (più “interni†), come meglio descritto a titolo esemplificativo e non limitativo della presente invenzione nella tabella 1 e nella figura 3 (relative all’esempio 1) e nella tabella 6 e nella figura 23 (relative all’esempio 6). Tale configurazione ha il vantaggio di ridurre l’assorbimento interno al film, amplificato dalle riflessioni multiple alle interfacce tra gli strati metallici e dielettrici, soprattutto nella zona del film dove à ̈ maggiore il carico termico solare, cioà ̈ quella più esterna. Il risultato à ̈ che il film ha un fattore di assorbimento totale dello spettro solare più basso, a parità di spessore totale del metallo utilizzato e quindi di efficienza di schermatura a radiofrequenza.
In un’altra sua particolare realizzazione il trovato della presente invenzione consiste in un rivestimento nano-strutturato costituito dalla sovrapposizione di una prima sequenza di strati metallici e dielettrici alternati, sulla quale à ̈ depositata una seconda sequenza di strati sottili costituiti da materiali dielettrici trasparenti nel visibile e nell’infrarosso, aventi spessore e indice di rifrazione opportunamente scelti per riflettere la radiazione infrarossa, come raffigurato nel disegno di fig.7 e meglio descritto nell’esempio 2 e nell’esempio 4, a titolo esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. L’aggiunta di tale sequenza di strati trasparenti al visibile e all’IR, sovrastante il film metallo/dielettrico, ha lo scopo di riflettere la luce solare nell’intervallo di frequenza IR in cui l’assorbimento del film sottostante (metallo/dielettrico) à ̈ più alto, a causa della presenza degli strati metallici. Il vantaggio di tale film nano-strutturato oggetto della presente invenzione à ̈ che il calore assorbito dal film e trasmesso al substrato nella banda del vicino IR à ̈ drasticamente diminuito, senza che ciò comporti l’aumento dell’assorbimento nel restante intervallo di frequenza (dall’UV all’ IR), perché costituito da singoli strati di materiali trasparenti in tutto l’intervallo UV-IR. Inoltre, i suddetti vantaggi sono ottenuti senza alterare le prestazioni elettromagnetiche a RF, in quanto lo spessore totale di metallo contenuto nel rivestimento non à ̈ modificato, e gli strati dielettrici sottili con spessore fino a 500 nm risultano perfettamente trasparenti alla radiazione EM a RF, come pure senza alterare le prestazioni ottiche nel visibile, perché riflette selettivamente solo la banda del vicino infrarosso, dove l’occhio umano non vede, e trasmette in tutto l’intervallo del visibile.
A titolo esemplificativo e non limitativo della presente invenzione sono di seguito descritte alcune realizzazioni preferibili del trovato, i parametri caratteristici delle quali, secondo le definizioni correnti date dalle norme standardizzate vigenti nel settore dei vetri a controllo solare dello schermo sono riportati in tabella 7.
- In riferimento a tale tabella 7, si precisano le definizioni dei parametri ivi riportati:Tvà ̈ la trasmittanza luminosa, definita come la media della trasmittanza (T(l)) pesata sulla curva di sensibilità media dell’occhio umano (V(l)) e la distribuzione di energia spettrale dell’illuminante D65 (Dl), nell’intervallo spettrale 380-780 nm:
780 nm
Ã¥ D l T ( l ) V ( l ) D l
T = l = 380 nm
v 780 nm
Ã¥ D l V ( l ) D l
l = 380nm
dove Δλ à ̈ l’intervallo di lunghezze d’onda utilizzato per il calcolo;
- Rvfà ̈ la riflettanza luminosa dal lato di incidenza della radiazione solare, definita come la media della riflettanza dal lato di incidenza della radiazione solare (Rf(l)) pesata sulla curva di sensibilità media
dell’occhio umano (V(l)) e la distribuzione
di energia spettrale dell’illuminante D65
(Dl), nell’intervallo spettrale 380-780 nm:
780 nm
Ã¥ D l R f ( l ) V ( l ) D l
R 380 nm
vf = l =
780 nm
Ã¥ D l V ( l ) D l
l = 380 nm
dove Δλ à ̈ l’intervallo di lunghezze d’onda
utilizzato per il calcolo;
- Rvbà ̈ la riflettanza luminosa dal lato
opposto a quello di incidenza della
radiazione solare, definita come la media
della riflettanza dal lato opposto a quello
di incidenza della radiazione solare (Rb(l))
pesata sulla curva di sensibilità media
dell’occhio umano (V(l)) e la distribuzione
di energia spettrale dell’illuminante D65
(Dl), nell’intervallo spettrale 380-780 nm:
780 nm
Ã¥ D l R b ( l ) V ( l ) D l
R = l = 380nm
vb 780 nm
D l V ( l ) D l
l = 3 å80 nm
dove Δλ à ̈ l’intervallo di lunghezze d’onda
utilizzato per il calcolo;
- Teà ̈ la trasmittanza solare diretta, definita come la media della trasmittanza (T(l))
pesata sulla distribuzione di energia
spettrale dello spettro solare (Sl):
2500 nm
Ã¥ S l R ( l ) D l
T e = l = 300 nm
2500 nm
S l D l
l = 3 å00 nm
dove Δλ à ̈ l’intervallo di lunghezze d’onda
utilizzato per il calcolo;
- Aeà ̈ l’assorbanza solare diretta, definita
come la media dell’assorbanza (A(l)) della
radiazione solare, pesata sulla distribuzione
di energia spettrale dello spettro solare
(Sl):
2500 nm
Ã¥ S l A ( l ) D l
A 300 nm
e = l =
2500 nm
S l l
l = 3 å D
00 nm
dove Δλ à ̈ l’intervallo di lunghezze d’onda
utilizzato per il calcolo;
- g à ̈ il fattore solare definito anche come
“solar heat gain coefficient (SHGC)†,
definito come la somma di Tee del fattore di
scambio termico secondario della vetrata
verso l’interno qirisultante dalla
trasmissione del calore per convezione e per irraggiamento nel lontano infrarosso della frazione della radiazione solare incidente che à ̈ stata assorbita dalla vetrata, calcolato con la seguente formula semplificata valida nel caso di substrati lastriformi singoli:
g= Te+ 0.26 Ae
- SEglassà ̈ il valor medio dell’efficienza di schermatura (SE(f)) nell’intervallo di frequenza tra 30 KHz e 18 GHz nel caso in cui il substrato sia una lastra di vetro di spessore 6 mm, dove SE(f) à ̈ espressa in funzione della frequenza f, per onda piana ed incidenza normale dalla relazione:
æ
SE(f)2<E i>ö
<=>0 log10ç
à ̈ E ÷
t à ̧
nella quale Eied Etsono le ampiezze dei campi elettrici incidente e trasmesso attraverso un pannello di dimensioni elettricamente grandi realizzato con il materiale schermante dell’invenzione.
- SEpolycarbonateà ̈ il valor medio dell’efficienza di schermatura (SE(f)) nell’intervallo di frequenza tra 30 KHz e 18 GHz nel caso in cui il substrato sia una pellicola di policarbonato di spessore 100mm, dove SE(f) à ̈ definita come al punto precedente.
ESEMPIO 1: Asymmetric-single
Una particolare realizzazione del trovato consiste in un film multistrato nano-strutturato costituito dalla sequenza di strati riportata in tabella 1, secondo lo schema raffigurato in fig.3, depositato su un substrato di vetro di spessore 6 mm ovvero su un foglio di policarbonato di spessore 100 mm, secondo lo schema di applicazione a singola faccia raffigurato in fig.1.
Le prestazioni aspettate di tale schermo sono riportate nelle fig. 4-5-6, per quanto riguarda rispettivamente l'efficienza di schermatura elettromagnetica fino a 18GHz, la trasmittanza nel visibile e l’assorbanza nel range dove à ̈ più significativo lo spettro solare. I parametri caratteristici, secondo le definizioni correnti date dalle norme standardizzate vigenti nel settore dei vetri a controllo solare dello schermo sono riportati in tabella 7.
ESEMPIO 2: Fluoride - single
Una particolare realizzazione del trovato consiste in un film multistrato nano-strutturato costituito dalla sequenza di strati riportata in tabella 2, secondo lo schema raffigurato in fig.7, depositato su un substrato di vetro di spessore 6 mm ovvero su un foglio di policarbonato di spessore 100 mm, secondo lo schema di applicazione a singola faccia raffigurato in fig.1.
Le prestazioni attese di tale schermo sono riportate nelle fig. 8-9-10, per quanto riguarda rispettivamente l'efficienza di schermatura elettromagnetica fino a 18 GHz, la trasmittanza nel visibile e l’assorbanza nel range dove à ̈ più significativo lo spettro solare. I parametri caratteristici, secondo le definizioni correnti date dalle norme standardizzate vigenti nel settore dei vetri a controllo solare dello schermo sono riportati in tabella 7.
ESEMPIO 3: Fluoride -double
Un esempio di realizzazione del trovato consiste in due film nano-strutturati F1 e F2 applicati sulle due facce di una lastra di vetro di spessore 6 mm, secondo lo schema di applicazione raffigurato in fig.2. I film nano-strutturati F1 e F2 sono costituiti dalle sequenze di strati nanometrici, come indicato nello schema di fig. 11 e nelle tabelle 3a e 3b, rispettivamente.
Le prestazioni attese di tale schermo sono riportate nelle fig. 12-13-14, per quanto riguarda rispettivamente l'efficienza di schermatura elettromagnetica fino a 18 GHz, la trasmittanza nel visibile e l’assorbanza nel range dove à ̈ più significativo lo spettro solare. I parametri caratteristici, secondo le definizioni correnti date dalle norme standardizzate vigenti nel settore dei vetri a controllo solare dello schermo sono riportati in tabella 7.
ESEMPIO 4: Oxide - single
Una particolare realizzazione del trovato consiste in un film multistrato nano-strutturato costituito dalla sequenza di strati riportata in tabella 4, secondo lo schema raffigurato in fig.15, depositato su un substrato di vetro di spessore 6 mm ovvero su un foglio di policarbonato di spessore 100 mm, secondo lo schema di applicazione a singola faccia raffigurato in fig.1.
Le prestazioni attese di tale schermo sono riportate nelle fig. 16-17-18, per quanto riguarda rispettivamente l'efficienza di schermatura elettromagnetica fino a 18 GHz, la trasmittanza nel visibile e l’assorbanza nel range dove à ̈ più significativo lo spettro solare. I parametri caratteristici, secondo le definizioni correnti date dalle norme standardizzate vigenti nel settore dei vetri a controllo solare dello schermo sono riportati in tabella 7.
ESEMPIO 5: Oxide -double
Un esempio di realizzazione del trovato consiste in due film nano-strutturati F1 e F2 applicati sulle due facce di una lastra di vetro di spessore 6 mm, secondo lo schema di applicazione raffigurato in fig.2. I film nano-strutturati F1 e F2 sono costituiti dalle sequenze di strati nanometrici, come indicato nello schema di fig. 19 e nelle tabelle 5a e 5b, rispettivamente.
Le prestazioni attese di tale schermo sono riportate nelle fig. 20-21-22, per quanto riguarda rispettivamente l'efficienza di schermatura elettromagnetica fino a 18 GHz, la trasmittanza nel visibile e l’assorbanza nel range dove à ̈ più significativo lo spettro solare. I parametri caratteristici, secondo le definizioni correnti date dalle norme standardizzate vigenti nel settore dei vetri a controllo solare dello schermo sono riportati in tabella 7.
ESEMPIO 6: Low-reflectance-single
Una particolare realizzazione del trovato consiste in un film multistrato nano-strutturato costituito dalla sequenza di strati riportata in tabella 6, secondo lo schema raffigurato in fig.23, depositato su un substrato di vetro di spessore 6 mm ovvero su un foglio di policarbonato di spessore 100 mm, secondo lo schema di applicazione a singola faccia raffigurato in fig.1.
Le prestazioni aspettate di tale schermo sono riportate nelle fig. 24-25-26, per quanto riguarda rispettivamente l'efficienza di schermatura elettromagnetica fino a 18 GHz, la trasmittanza nel visibile e l’assorbanza nel range dove à ̈ più significativo lo spettro solare. I parametri caratteristici, secondo le definizioni correnti date dalle norme standardizzate vigenti nel settore dei vetri a controllo solare dello schermo sono riportati in tabella 7.
Procedimento di realizzazione
Secondo l’invenzione, lo schermo oggetto della presente invenzione à ̈ stato ottenuto depositando gli strati M, D, B sul substrato S mediante la tecnica dello sputtering (ion beam sputtering, RF sputtering, magnetron sputtering, DC sputtering reattivo) allo scopo di controllare lo spessore dei singoli strati depositati.
In particolare si à ̈ trovato che per la realizza-
zione dello schermo il sistema di deposizione ottimale
à ̈ lo sputtering a doppio fascio ionico (DIBS) che
consente di ottenere ottime proprietà di adesione
anche su substrato plastico, in quanto à ̈ in grado di
operare a basse temperature e di trattare
opportunamente la superficie del substrato prima della
deposizione del film. Sistemi di deposizione per
sputtering per pellicole (“web-coater†) possono essere
utilizzati per realizzare il film dell’invenzione nel
caso in cui il substrato sia una pellicola flessibile.
Si riportano di seguito tabelle esplicative delle
caratteristiche strutturali e funzionali di forme
preferite ma non limitative di attuazione
dell’invenzione, ed in particolare della composizione
e distribuzione degli strati formanti il film e del
substrato utilizzato.
TABELLE
Tabella 1 – Asymmetric-single
Layer Material Thickness (nm) Substrate Glass 6 mm
1 TiO239
2 Ag 16
3 Ti 0.5
4 TiO274
5 Ag 16
6 Ti 0.5
7 TiO274
8 Ag 33
9 TiO238 Tabella 2 – Fluoride-single
Layer Material Thickness (nm) Substrate Glass 6 mm
1 TiO239
2 Ag 15
3 Ti 0.5
4 TiO275
5 Ag 15
6 Ti 0.5
7 TiO275
8 Ag 15
9 MgF2155
10 Ag 20
11 MgF266
12 LaF3115
13 MgF2131
14 LaF3115
15 MgF2118
16 LaF3115
17 MgF266
Tabella 3a – Fluoride-double: film F1
Layer Material Thickness (nm) Substrate Glass 6 mm
1 TiO237
2 Ag 15
3 Ti 0.5
4 TiO270
5 Ag 16
6 Ti 0.5
7 TiO270
8 Ag 16
9 MgF2138
10 Ag 20
11 MgF236
12 LaF363
13 MgF272
14 LaF363
15 MgF264
16 LaF363
17 MgF236
Tabella 3b – Fluoride-double: film F2
Layer Material Thickness (nm) Substrate Glass 6 mm
1 TiO237
2 Ag 13
3 Ti 0.5 4 TiO270
5 Ag 15
6 Ti 0.5 7 TiO270
8 Ag 17
9 TiO270
10 Ag 20
11 TiO237
Tabella 4 – Oxide-single
Layer Material Thickness (nm) Substrate Glass 6 mm
1 TiO233
2 Ag 15
3 Ti 0.5
4 TiO263
5 Ag 15
6 Ti 0.5
7 TiO263
8 Ag 16
9 SiO2125
10 Ag 20
11 SiO234
12 Al2O361
13 SiO267
14 Al2O361
15 SiO260
Tabella 5a – Oxide-double: film F1
Layer Material Thickness (nm) Substrate Glass 6 mm
1 TiO238
2 Ag 15
3 Ti 0.5
4 TiO273
5 Ag 15
6 Ti 0.5
7 SiO273
8 Ag 16
9 SiO2141
10 Ag 20
11 SiO262
12 Al2O3112
13 SiO2123
14 Al2O3112
15 SiO2111
16 Al2O3112
17 SiO262
Tabella 5b – Oxide-double: film F2
Layer Material Thickness (nm) Substrate Glass 6 mm
1 TiO239
2 Ag 13
3 Ti 0.5
4 TiO272
5 Ag 15
6 Ti 0.5
7 TiO272
8 Ag 18
9 TiO272
10 Ag 20
11 TiO239
Tabella 6 – Low-reflactance-single
Layer Material Thickness (nm) Substrate Glass 6 mm
1 TiO231 2 Ag 19 3 Ti 0.5 4 TiO263 5 Ag 28 6 Ti 0.5 7 TiO230
Tabella 7
<Tv>g RvfRvbAeTeSEglassSEpolycarbonate<Esempio no.>
(%)(SHGC) (%) (%)(%)(%) (dB) (dB)
1 - Asymmetric-single 50 0.225 29 24 15 19 37 40
2: Fluoride-single 47 0.182 34 21 13 15 37 40
3: Fluoride-double 36 0.170 28 9.8 19 12 74 -
4: Oxide-single 46 0.219 29 18 15 18 37 40
5: Oxide-double 37 0.163 32 11 19 11 74 -
6:Low-reflectance-single 65 0.292 8.7 9.0 17 25 34 37
L’invenzione à ̈ stata descritta con riferimento a
forme preferite di attuazione, ma si intende che
modifiche potranno essere apportate senza comunque
uscire dall’ambito di tutela accordato.

Claims (19)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Film sottile nanostrutturato multifunzionale comprendente una sovrapposizione di strati nanometrici dielettrici o semiconduttori (D) e strati metallici (M), detto film essendo schermante della radiazione elettromagnetica a radiofrequenza, trasparente nel visibile, schermante della radiazione infrarossa e basso-assorbente della radiazione solare.
  2. 2. Film nano-strutturato della rivendicazione 1 caratterizzato da un’efficienza di schermatura media nella banda fino a 18 [GHz] superiore a 30 dB.
  3. 3. Film nano-strutturato della rivendicazione 1 caratterizzato da una trasmittanza luminosa non inferiore al 35%.
  4. 4. Film nano-strutturato della rivendicazione 1 caratterizzato da un’ assorbanza solare inferiore al 20%.
  5. 5. Film nano-strutturato di cui alla rivendicazione 1, comprendente una pluralità di strati schermanti ciascuno dei quali à ̈ dedicato ad una singola funzionalità associata ad una banda selettiva della radiazione elettromagnetica.
  6. 6. Film s econdo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti strati nanometrici dielettrici (D) sono costituiti da materiali trasparenti nel visibile e nell’infrarosso, quali, ad esempio : TiO2, SiO2, Al2O3, Ta2O5, HfO2, SnO2, In2O3, MgF2, CaF2, BaF2, LaF3, AlF3, ZnO, ITO, Si3N4, GaN, ZnSe, DLC.
  7. 7. Film secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti strati nanometrici metallici (M) sono costituiti da un metallo ad alta conducibilità elettrica, come ad esempio: Ag, Au, Cu, Al, Ni, Pd, Pt o da leghe di questi.
  8. 8. Film secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti in cui detti strati metallici (M) sono in argento.
  9. 9. Film secondo a l m e n o u n a d e l l e rivendicazioni precedenti in cui detti strati metallici (M) sono separati dai successivi strati dielettrici (D) da uno strato barriera ultrasottile (B).
  10. 10. Film secondo a l m e n o u n a d e l l e rivendicazioni precedenti in cui detti strati barriera (B) sono realizzati in Ti o Ni ed hanno uno spessore compreso tra 0.1 nm e 2 nm.
  11. 11. Film secondo almeno u n a d e l l e rivendicazioni precedenti costituito dalla sovrapposizione di una prima sequenza di strati metallici e dielettrici alternati, sulla quale à ̈ depositata una seconda sequenza di strati sottili costituiti da materiali dielettrici trasparenti nel visibile e nell’infrarosso, aventi spessore e indice di rifrazione opportunamente scelti per riflettere la radiazione infrarossa.
  12. 12. Schermo elettromagnetico multifunzionale comprendente un substrato lastriforme trasparente nel visibile (S) rivestito su almeno un lato da un film secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
  13. 13. Schermo secondo la rivendicazione 12 in cui sono previsti due film (F1 e F2) applicati a ciascuna delle facce del substrato (S).
  14. 14. Schermo elettromagnetico multifunzionale di cui alla rivendicazione 13 nel quale detti film F1 e F2 che rivestono ciascuna faccia del substrato siano tra di loro diversi.
  15. 15. Schermo elettromagnetico multifunzionale di cui alla rivendicazione 13 nel quale detti film (F1 e F2) che rivestono ciascuna faccia del substrato siano tra di loro uguali.
  16. 16. Schermo elettromagnetico multifunzionale di cui ad una delle rivendicazioni precedenti 12-15 nel quale detto substrato S sia costituito da una pellicola flessibile trasparente.
  17. 17. Schermo elettromagnetico multifunzionale di cui ad una delle rivendicazioni precedenti 12-15 nel quale detto substrato S sia selezionato tra una lastra di vetro o polimero o una coppia di lastre separate da un mezzo isolante gassoso.
  18. 18. Schermo elettromagnetico multifunzionale di cui ad una delle rivendicazioni precedenti 12-15 nel quale detto substrato S sia selezionato tra una lastra di vetro o polimero o una coppia di lastre separate da un mezzo isolante gassoso, sulle cui facce sia applicata una pellicola flessibile trasparente.
  19. 19. Schermo secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti 12-18 in cui gli strati metallici più esterni, ovvero più lontani dal substrato, sono più spessi di quelli più interni, ovvero più vicino al substrato, essendo detto film applicato su una faccia di un substrato trasparente dal lato di incidenza della radiazione solare.
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