JP2014527638A - スペクトル選択性パネル - Google Patents

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Abstract

本発明の開示は、可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるとともに適当な光線を誘導するために構成される第１材料を備えるスペクトル選択性パネルを提供する。さらに、パネルは第１材料の中、上、または近傍に配置される回折要素を備える。回折要素は、赤外線波長帯域の波長を有する光線を主に偏向するように構成される。スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する赤外線と関連するエネルギーの少なくとも一部がパネルに沿ってパネルの側部の方へ指向されるように、第１材料が構成されるとともに回折要素が配向される。

Description

本発明は、スペクトル選択性パネルに関し、具体的には、これに限定されないが、可視光線に対して透明であって赤外線を偏向させるパネルに関する。
大型の窓を通して太陽光線を受ける空間のような内部空間の過熱は、エアコンディショナの使用により克服され得る問題である。内部空間を冷却するのに、地球全体で大量のエネルギーが使用される。電気エネルギーの大半は持続不能な供給源を使用して発生されるものであり、これは増大しつつある環境問題である。
特許文献１（本出願人により所有）は、窓ガラスとして使用されるとともに、可視光線に対しては概ね透過性であるが入射光線の一部分をパネルの側面部分へ転向させてここで光電池に吸収させ電気を発生させる材料を開示している。この材料は、二重の利点を備えている。すなわち、赤外放射線の透過が減少するので内部空間の加熱が抑制され得るのと同時に、電気エネルギーの発生が可能である。
米国特許第６２８５４９５号明細書
本発明は、第一の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるとともに、適当な光線を誘導するために構成される第１材料と、
第１材料の中、上、または近傍に配置される回折要素であって、赤外線波長帯域の波長を有する光線を主に偏向するように構成される回折要素と、を備え、
スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する赤外線と関連するエネルギーの少なくとも一部分がパネルに沿ってパネルの側面部分の方へ指向されるように、第１材料が構成されるとともに回折要素が配向される、スペクトル選択性パネルを提供する。
本発明の実施形態によるスペクトル選択性パネルは、太陽光線のための赤外線広帯域熱シールドと考えられ、様々な目的に使用され得る。例えば、スペクトル選択性パネルは、建物、自動車、船舶、または窓またはブラインドを含む他の物品の形で設けられるか、これらを含むとよい。さらに、スペクトル選択性パネルは物品のカバーを形成してもよい。
特定の実施形態において、回折要素は位相格子などの格子であり、反射モードと透過モードのいずれかの格子でよい。回折要素は、二次元の格子でも三次元の格子でもよい。
回折要素は、赤外線波長帯域の範囲の格子間隔を有するとよい。例えば、格子間隔は１μｍから１０μｍ、２μｍから６μｍの範囲、またはおよそ４μｍでよい。
さらに、回折要素は一般的に、可視光線のゼロ次透過の最大化を可能にするように構成される。結果的に、回折要素は、全内部反射によるパネル内での赤外線の「捕捉」を助ける入射太陽赤外線の偏向と同時に、高い可視範囲透過の維持を促進する。
一つの特定例において、回折要素は、部分的または全体的に第１材料で構成される。
回折要素は、スペクトル選択性パネルまたはその構成部品の何らかの面に装着または形成されるとよい。例えば、回折要素は、スペクトル選択性パネルの面にエッチング加工される格子でよい。代替的に、スペクトル選択性パネル部分の面に蒸着される材料から格子が形成されてもよい。さらに、スペクトル選択性パネル部分、またはポリマー材料などスペクトル選択性パネル部分に蒸着される材料に、格子がエンボス加工されてもよい。
回折要素はまた、赤外線波長帯域の波長を有する光線に対して反射性であって、可視光線波長範囲の波長を有する光線に対しては透過性であるとよい積層構造を有してもよい。回折要素は、積層構造にエッチングまたはエンボス加工される格子構造を有する一次元、二次元、または三次元の格子であるとよい。
一つの特定実施形態では、スペクトル選択性パネルの部分の間に回折要素が挟持される。
一例において、回折要素は複数の溝を有する。複数の溝は、材料、例えばエポキシ、散乱材料、または発光材料で少なくとも部分的に充填されるとよい。
代替的な実施形態において、回折要素はやはり格子であるが、溝がなく、周期的な屈折率の変化を有する構造を有する。スペクトル選択性パネルは、第１材料の中または上に配置される散乱材料を含んでもよい。散乱材料は一般的に、それ自体の組成と何らかの添加活性剤ドーパントのいずれかにより光発光特性も有し得る高屈折率材料のナノまたはミクロ粉末により代表され、このような粉末は一般的に、周囲のマトリクス材料、例えば紫外線硬化性の液状エポキシに組み込まれ、この散乱材料も光線を優先方向に散乱するように構成され得る。周囲のエポキシ材料における散乱粉末濃度の重量％と特徴的な粉末粒子サイズの両方（そしておそらくは粒子形状または結晶相含有量のタイプ）は、最大の可視範囲透明度とともに、可能な限り最良の赤外線偏向／捕捉能力を達成するように最適化される。パネル構造に使用されるこれらの散乱層は複数存在してもよい。回折要素は、二つ以上の回折要素の一つであってもよい。
散乱材料はミクロまたはナノサイズ粒子であるとよく、膜の形で用意されるとよい。
スペクトル選択性パネルはさらに、赤外線の一部分が発光材料によって吸収される結果、光発光、蛍光、または燐光による光線の放出となるように構成される発光材料を含むとよい。入射角度に応じて、発光材料はさらに、スペクトル選択性パネルの側面部分への赤外線の指向を促進する。
散乱材料の一部分は、第１パネル部分にも分散されるとよい。例えば、散乱材料が希土類酸化物（例えばＹｂ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３）の粒子など広いバンドギャップを有する材料を含む場合に、赤外線および／または可視波長範囲において光線の散乱が実質的に無損失状態で達成されるとよい。
一実施形態において、スペクトル選択性パネルは、赤外線固有の可視透過性集光器を形成する。さらに、赤外線の一部分はパネルの側面部分の方へ指向されて、ここで例えば光電池を使用する電気エネルギーの発生に使用されるとよい。
スペクトル選択性パネルは、コンポーネントパネル部分と回折要素とを有するとよい、および／または、対向関係で配置されるコンポーネントパネル部分のうち隣接する部分の間に散乱材料が挟持されるとよい。例えば、コンポーネントパネル部分の間に挟持される層に回折要素が含まれるとよく、この層は一側面部分に回折要素を有するとよい。代替的に、スペクトル選択性パネルが、コンポーネントパネル部分の間に挟持される層に含まれる二つの回折要素を有し、この層がそれぞれの側面部分に回折要素を有してもよい。いずれの事例でも、層は、コンポーネントパネル部分を層に結合する接着材としても機能するとよい。
スペクトル選択性パネルは、適当なスペーサを使用して離間されるとよいコンポーネントパネル部分の間の空気または気体充填間隙などの間隙も有するとよい。一つの特定実施形態において、回折要素および／または散乱材料は、この間隙の中または上に配置される。間隙を画定するコンポーネントパネル部分の表面は、散乱材料および／または発光材料で被覆されるとよい。
一例において、回折要素は複数の溝を有し、この複数の溝が間隙に設けられるように配置される。
スペクトル選択性パネルは一般的に、赤外線（ＩＲ）波長帯域内の入射光線は反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大部分に対しては概ね透過性であるように構成される反射膜などの反射コンポーネントも含む。スペクトル選択性パネルが紫外線に対して反射性であってもよい。
スペクトル選択性パネルは一般的に、一般的には反射層または多層膜である反射コンポーネントがスペクトル選択性パネルの底部分に（窓タイプの製品に使用される場合には内側に面した窓表面またはその近傍に）配置されて、第１パネル部分を透過した赤外線の一部分をスペクトル反射性コンポーネントが反射するように構成される。
さらに、スペクトル選択性パネルは、スペクトル選択性パネルの第１パネル部分における透過に先立って光線が入射する上部層を有してもよい。上部層は一般的に、可視光線に対しては概ね透過性または耐反射性であって、発光材料により放出される赤外線などの赤外線の一部分を反射するために構成される多層構造である。
一実施形態において、発光材料は、赤外線の吸収のために構成される可視透明発光団を含む。発光材料はまた、入射紫外線の（わずかな）部分（または入射可視放射線の小さな画分）が発光材料に吸収されてランダム方向での発光光線の放出という結果を生じるように構成されてもよい。
さらに発光材料は、受光光線の周波数の上方および／または下方変換による発光光線の放出のために構成されるとよい。
発光材料は、有機または無機の染料分子、レーザ染料分子、および／または適当な希土類酸化物材料のような金属酸化物ベースの発光材料を含むとよく、第１パネル部分の中、またはパネルの第１パネル部分の底部または上部の側に設けられるとよい。代替的に、発光材料が第１パネル部分の中央領域の近傍に集中していてもよい。発光材料はまた、第１パネル部分の中または上の層を形成してもよい。代替的または付加的に、発光材料が第１または第２パネル部分の中に分散されてもよい。一つの特定例において、第１パネル部分は、対向関係で構成されるコンポーネントパネル部分を有し、隣接のコンポーネントパネル部分の間に発光材料が配置される。
一つの特定実施形態において、スペクトル選択性パネルは、赤外線とスペクトル選択性パネルにより側面部分の方へ指向される他の光線の一部分を受光するための、スペクトル選択性パネルの側面部分またはその近傍に配置される少なくとも一つの光電池を備える。例えば、少なくとも一つの光電池は、赤外線波長範囲の光線の吸収に適した比較的狭いバンドギャップを有する、ＧｅまたはＧａＡｓベース、またはＣＩＧＳ（銅・インジウム・ガリウム・ジセレニド）、またはＣＩＳ（銅・インジウム・ジセレニド）の光電池でよい。さらに、少なくとも一つの光電池は、多数のバンドギャップを有する光電池の積層体を有するとよい。
本発明は、第二の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるとともに適当な光線を誘導するために構成される第１材料と、
第１材料の中または上に配置される散乱材料であって、赤外線波長帯域の波長を有する光線を主に散乱するように構成される散乱材料と、を備え、
スペクトル選択性パネルが、スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する赤外線と関連するエネルギーの少なくとも一部分がこのパネルに沿ってパネルの側面部分の方へ指向されるように構成される、スペクトル選択性パネルを提供する。
本発明は、発明の特定実施形態についての以下の説明から、より充分に理解されるだろう。説明は添付図面を参照して提示される。
本発明の特定の実施形態によるスペクトル選択性パネルの図である。 本発明の別の特定実施形態によるスペクトル選択性パネルの図である。 本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネルの別の概略図である。 本発明の代替的実施形態によるスペクトル選択性パネルを示す。 本発明の別の実施形態の概略図を示す。 本発明の特定実施形態によるコンポーネントを使用して行われた測定の結果を示す。 本発明の特定実施形態によるコンポーネントを使用して行われた測定の結果を示す。
まず図１を参照して、スペクトル選択性パネル１００を説明する。スペクトル選択性パネル１００は、例えば、建物、自動車、船舶、または他の適当な物品の窓ガラスの形で設けられ得る。スペクトル選択性パネルは、赤外線波長帯域の波長を有する光線の透過を減少させる一方で、可視光線に対しては概ね透過性である。スペクトル選択性パネル１００は、赤外線を転向させ、この転向した赤外線を電気エネルギーの発生に使用するように構成されている。
スペクトル選択性パネル１００は、この実施形態において、ガラスパネル１０２，１０４を含む。ガラスパネル１０２の一面には回折要素１０６が設けられる。ガラスパネル１０２，１０４は、材料１０８が充填された間隙によって離間されている。この材料１０８は、接着材としてばかりではなく、散乱および／または発光材料が組み込まれることで複合機能材料となる透明マトリクスとしても機能する。材料１０８は、さらに以下でより詳細に説明されるだろう。
パネル１０２，１０４の外面は、多層コーティング１１２，１１０でそれぞれ被覆されている。スペクトル選択性パネル１００の側面部分には、太陽電池１１４が配置されている。スペクトル選択性パネル１００が備える太陽電池はいかなる数であってもよいこと、すなわち、一方の側面部分のみに配置されるたった一つの太陽電池や、２，３，４個または５個以上の太陽電池などであってよいことを理解されたい。これらの太陽電池を一緒に電気接続する複数の可能な方法、つまり直列接続、全並列、また、より複雑な並列太陽電池束の直列接続が利用され得る。
回折要素１０６は、入射および反射赤外線をスペクトル偏向するため、また可視光線の透過のために構成される。入射赤外線の偏向は、矢印１２０により概略的に示されている。この特定例において、回折要素１０６は透過モードのブレーズド回折格子であって、入射太陽赤外線の大半が単一の優先的な回折次数に偏向されるように設計され、予想される一般的な窓表面への日中太陽放射入射角により決定される光線入射角に合わせて最適化される格子設計特徴を含む。回折要素１０６が反射モードでも動作可能であることを、当業者は認識するだろう。
この特定実施形態において、回折要素１０６は、例えばエッチング加工によってガラスパネル１０２の面に形成される。結果的に、回折要素１０６もガラスで構成されるか、あるいは代替的に、（ＳｉＯ２のような）透明膜層がガラス基材に蒸着されてからこの膜層がエッチング加工されるか機械的に加工されて回折構造を形成するとよい。しかし、他の構成も考えられることを当業者は認識するだろう。例えば、ポリマー材料に回折構造をエンボス加工することによって回折要素１０６が形成されるとよい。この事例では、格子１０６は離れた場所で形成されてからガラスパネル１０２に接着される。代替的に、ガラスパネル１０２の面にポリマー材料（または別の適当な材料）を最初に塗着することにより、格子１０６がガラスパネル１０２に形成されてもよい。
一例において、スペクトル選択性パネルは、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を含んで２枚のガラスパネルの間に挟持される層（不図示）を含む。この例で層は、発光および散乱材料を含む。一つの回折格子が層の各面にエンボス加工され、次に、ガラスパネルの表面部分によって格子の溝が閉じられるように、この層がガラスパネルの格子に接着される。層は一般的に、ガラスパネルへの結合のための接着材としても機能する。
以下のパラメータ、すなわち屈折率、格子輪郭形状、ブレーズ角、デューティサイクル、格子間隔、相数レベル、およびエッチング深さを調節することにより、回折要素１０６のスペクトル特性は当業者によって設計され得る。この特定例では、回折光学要素１０６は複数の溝１１０を有し、各溝は隣接の溝まで４μｍの範囲の距離（格子間隔）を有する。
複数の溝１１０と、ガラスパネル１０２，１０４の間の間隙には、材料１０８が充填される。材料１０８は、エポキシを含む発光散乱粉末である。材料１０８は、接着、発光、そして散乱の機能を提供する。
発光散乱粉末による入射光線の散乱は、パネル１００の側面部分へ指向される光線の部分を増大する。この機能は、矢印１２２により概略的に示されている。
スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する光線は発光材料により吸収され、矢印１２４で概略的に示されているランダム方向に放出される発光放射の放出を結果的に生じる。この結果、入射する放射より横断方向の配向の少ない放射が生じ、結果的に電気エネルギーの発生のため太陽電池１１４の方へガラスパネル１０２，１０４の側面部分に向かう光線方向を促進する。
進入する赤外線または紫外線の一部分を吸収して発光放射をランダム方向に放出する発光材料でガラスパネル１０２，１０４がドープされてもよいことを、当業者は認識するだろう。
コーティング１１０は多層コーティングであり、広い赤外線波長帯域内の入射赤外線を反射するように構成される。さらに、多層コーティング１１０は可視光線に対して耐反射性であって入射紫外線に対しては反射性である。結果的に、スペクトル選択性パネル１００の上部分から入射する赤外線および紫外線の一部分はガラスパネル１０２，１０４を透過してから、多層コーティング１１０により反射される。ガラスパネル１０２，１０４は、反射の角度に応じて、反射光線の一部分がガラスパネル１０２，１０４に沿って太陽電池１１４の方へ誘導され、ここで電気エネルギーの発生のため赤外線が吸収されるように構成される。
層１１０により横断方向に反射される赤外線の一部分は、多数の散乱および／または内部反射により相応の光量が太陽電池１１４の方へ誘導されるように、層１０８により散乱される。結果的に、層１０８の散乱特性は、赤外線放射の通過量の減少とエネルギー発生効率とを促進する。
上部コーティング１１２は、―入手可能な限り多くのパネル構造内の入射紫外線エネルギーを使用するため―紫外線および可視波長範囲での耐反射特性を有して無機発光団の範囲を励起するか、あるいは代替的に、紫外線での高い反射特性と、可視波長範囲での耐反射特性とを有するのと同時に、部分的な赤外線反射器として機能する。可視範囲での耐反射特性は、特定の入射角範囲内での入射光線エネルギーの反射を最小にする設計によっても調節可能である。別の実施形態において、上部コーティング１１２は紫外線放射に対しては高反射性であるが、可視光線に対しては耐反射性、そして任意で発光団材料が光線を放出する赤外線波長（小）帯域内でも高反射性であるように構成される。紫外線帯域での高反射特性は、この例では、入射する放射紫外線により悪影響を受けないように発光団を保護するのに使用される。このコーティングは、主に発光材料が光線を放出する波長範囲内の赤外線を反射するように設計される多層構造体である。結果的に、コーティング１１２は、発生された発光放射が光電池１１４の方へ指向されずに漏出することを概ね防止する。
スペクトル選択性パネル１００の機能は、以下のように要約されるとよい。回折要素１０６による偏向と材料１０８における多数の散乱事象の後に、増大した光子部分が、総内部反射角を超える角度で伝播する。太陽赤外線の大きな画分が（発光放射の散乱および放出によって促進される）広い角度で入射することを考慮すると、この赤外線の大部分はスペクトル選択性パネル１００内に捕捉されてパネル１００の側面部分に達する。上部コーティング１１２は、発光団により放出される光線を反射するように設計され、可視透明である。底部コーティング１１０は、赤外線のほぼ大半をすべての角度および波長で反射する。偏向および複数通過散乱による進入光子の角度再分配と組み合わされたこれらの特性は、本発明の実施形態によるスペクトル選択性パネル１００に独自の特徴である。
代替的実施形態において、スペクトル選択性パネル１００は必ずしも光電池１１４を有する必要はなく、例えば、赤外線放射の形でスペクトル選択性パネル１００の側面部分の方へ指向される熱エネルギーの除去のために構成されるベントその他を有してもよいことが認識されるだろう。側面部分のいくつかが、このような側面からパネルの他の側面へ光線を再指向するＡｌまたはＡｇまたは他の適当な誘電性コーティングを含む高反射性材料によって被覆されてもよい。
ここで、図２および３を参照して、本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネル２００，３００の回折要素２０６，３０６を説明する。
回折要素２０６は、ガラスパネル１０２の一面に形成され、透過モードのブレーズド回折格子または異なる輪郭タイプ（鋸歯、矩形、または台形）の溝付き回折格子である。
この特定の例において、回折要素２０６は複数の溝を有し、各溝は矩形の断面形状を有する。
ガラスパネル１０２，１０４は、材料２０８が充填された間隙によって離間されている。材料２０８は、発光散乱粉末および顔料が分散された光学エポキシで構成される。エポキシは、ガラスパネル１０４をガラスパネル１０２に結合する。材料２０８はさらに、発光および散乱特性を有する。
図３は、回折要素３０６を備えたスペクトル選択性パネル３００を示す。この実施形態でも回折要素３０６は溝を有するが、各溝は三角形の断面形状を有する。
スペクトル選択性パネル２００と同様に、ガラスパネル１０２，１０４は、発光粉末および顔料が散乱または溶解されたエポキシで構成される材料３０８が充填された間隙によって離間されている。
ここで、図４を参照して、本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネル４００を説明する。
この実施形態では、ガラスパネル１０２，１０４の間の間隙に空気が充填されている。二重ガラス窓構造と同様に、この間隙によって、総内部反射によるガラスパネル内部での多数反射における光線捕捉確率の向上につながるような付加的な高屈折率差の界面が得られ、また、熱絶縁、全体的な構造安定性の向上、および遮音性がもたらされる。
代替的実施形態において、間隙には他の適当な誘電材料が充填されてもよいことを理解されたい。説明された実施形態の変形例において、スペクトル選択性パネル１００は、隣接するガラスパネルの間に間隙を画定するか画定しない何枚かのガラスパネルを備えていてもよいことも理解されるだろう。さらに、単数または複数のガラスパネルは、例えばポリビニルブチラール（ＰＶＢ）またはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を含むポリマー材料など、他の適当な材料のパネルに置き換えられてもよく、安全ガラスなどの積層材の形で設けられてもよい。
ガラスパネル１０２，１０４の内面は、コーティング４０８で被覆されている。ガラスパネル１０２，１０４は、透明ガラススペーサ４０６によって離間されている。
コーティング４０８の各々は、この例では、パネル４００の側面部分に向かう方向での赤外線の優先散乱のために構成される多層構造を有する。この実施形態では、コーティング４０８が比較的広いバンドギャップを有するナノまたはミクロサイズの希土類酸化物粒子を含むものであることにより、散乱が効果的に無損失（非吸収）なものとなっている。さらに、コーティング（または層）４０８は、ガラスパネル１０２，１０４をスペーサ４０６に結合するエポキシを含んでいてもよい。
層４０８は発光材料をも含み、上述の希土類酸化物がその機能を有するようにドープされる。例えば、光線がスペクトル選択性パネルの横断方向から入射して発光材料によって吸収される場合には、続いて放出される発光放射はランダム方向に放出される。この結果、横断方向の配向の少ない放射となり、電気エネルギーの発生のため、ガラスパネル１０２，１０４が発光放射を太陽電池１１４の方へ誘導するような方向に、発光放射の一部分が放出されるだろう。
ガラスパネル１０２，１０４は、進入する赤外線または紫外線の一部分を吸収すると共に発光放射をランダム方向に、しかし空間等方状態で放出するような発光材料でドープされてもよい。
層１１０により横断方向に反射される赤外線の一部分は、多数の散乱および／または内部反射により相当の光量が太陽電池１１４の方へ指向されるように、層４０８によって散乱される。結果的に、層４０８の散乱特性は、赤外線放射の通過量の減少とエネルギー発生効率とを促進する。
この実施形態において、ガラスパネル１０２，１０４の間の間隙には空気が充填される。しかしながら、他の適当な誘電材料で間隙が充填されてもよいことを当業者は理解するだろう。
この例において、層４０８に含まれ設けられる発光材料は、ガラスパネル１０２，１０４の上下の面にそれぞれ設けられる。代替的に、ガラスパネル１０２，１０４の一方のみに発光材料が配置されて、発光材料がドープされるか発光材料を含んでいてもよい。
ここで、図５を参照して、本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネル５００を説明する。発光散乱粉末は、組成物であって発光とともに散乱の機能をもたらす単一材料を含む。代替的に、発光散乱粉末は構成材料の混合物であってもよく、各構成材料がそれぞれの機能を有するとよい。スペクトル選択性パネル５００は、ガラスパネル１０２，１０４を備える。この実施形態では、発光散乱粉末および顔料が分散される光学エポキシを含む層５０６によってガラスパネルが離間されている。代替的に、層５０６は、散乱材料および／または発光材料を含む懸濁液または溶液を含んでいてもよい。結果的に、層５０６はガラスパネル１０２，１０４を相互に結合する機能を組み合わせて、発光材料を提供するとともに散乱層としても作用する。
スペクトル選択性パネル４００，５００の散乱層は高周波スパッタリングを使用して形成されたものであり、希土類酸化物を含む。散乱層は、上述の層４０８，５０６に含まれるか、その代わりに設けられてもよい。これらの希土類酸化物層は、赤外線波長範囲で優先的な散乱／拡散特性を有して、赤外線波長範囲での優先的散乱に寄与する無定形の表面カバー（炉内アニール処理により形成）を有するように設けられる。例えばＹｂ２Ｏ３層を含むかもしれないこれらの微結晶性希土類酸化物層は、７００〜１５００ｎｍの厚さを有し、純アルゴン雰囲気での高周波マグネトロンスパッタリングを使用してガラスに蒸着され、空気中における６００℃の温度での３時間の炉内処理により蒸着後の再酸化およびアニール処理（結晶化）を受ける。
拡散層４０８，５０６は、光学的無損失散乱などの散乱機能を発光エネルギー変換機能と組み合わせる。層４０８，５０６は数百ｎｍの厚さを有し、電子エネルギーレベル構造内に広いバンドギャップを有して赤外線および可視波長範囲での本質的に無損失の光散乱を可能にする希土類材料（Ｙｂ２Ｏ３，Ｎｄ２Ｏ３など）のナノまたはミクロサイズ粒子を含む。希土類粒子は、光透明性の紫外線硬化性エポキシ（Ｎｏｒｌａｎｄ ＮＯＡ６３エポキシなど）により連結される。さらに、発光団（顔料およびナノ粉末材料）が、層４０８，５０６のエポキシ材料に分散される。一例において、赤外線励起型の有機・無機ハイブリッド発光団が、およそ０．２５〜１重量％ほどの濃度でエポキシに分散される。
希土類酸化物は、例えば希土類金属イオンにより代表される希土類発光材料でドープされてもよく、例えばＹ２Ｏ３：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ３：ＥＲ、またはＮａＹＦ４：Ｙｂの形で設けることができる。
スペクトル選択性パネル４００，５００は一般的に、図１を参照して説明された回折要素１０６のような回折要素（不図示）をも備える。
例えば図１〜５に示されているような実施形態によるスペクトル選択性パネルの赤外線反射層１１０を、これからさらに詳細に説明する。
層１１０は、超広帯域ヒートミラー特性を有して三重積層エッジフィルタ設計を使用する多層の光学干渉コーティングフィルタの形で設けられる。層１１０は、紫外線範囲でも反射性である。層１１０は、高周波スパッタリング技術を使用してＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＴａ２Ｏ５から形成される。このようなコーティングの総厚みは、これらの実施形態では４〜８μｍの間であり、連続層における光学材料の順序は、選択される設計に応じて変化してもよい。アニーリング実験（５℃／分の温度傾斜率により６００℃で３時間）は、優れた安定性を実証した。層１１０は傷および割れに対する耐性を持ち、耐熱性、非吸湿性で、共通化学溶剤タイプの作用に対して安定している。
ガラス上のコーティング１１０の性能特徴の試験およびモデリングが行われた。結果は、７００〜１７００ｎｍの波長範囲内に含まれて基材コーティングシステムを光学的に透過する総積分太陽赤外線出力の画分はおよそ４％に過ぎないことを示した。コーティング１１０は超広帯域特性を有するので、赤外線出力の反射率は広範囲の入射角について効率的である。
上記のように、上部コーティング１１２はスペクトル選択性の放射ミラーの形で設けられる。コーティング１１０は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＴａ２Ｏ５の多数の層（２０〜２５）を含み、高周波スパッタリング技術を使用して設けられる。これらの実施形態では、スペクトル選択性パネル内で発生される特に発光性の放射が、反射によるコーティング１１２での透過を防止されるように、層１１２が設計される。このようなコーティングの厚みは、設計要件で変化し、数μｍの範囲である。
図６は、例えば図４および５に示された実施形態について説明されたようなガラス上の希土類酸化物層の透過および吸収スペクトル（波長（ｎｍ）と相関させた強度）を示す。プロット線６００は、約１μｍの厚さを有する散乱層についての透過スペクトルを示し、プロット線６０２は総反射（正反射および拡散反射）を示し、プロット線６０４は（吸収および散乱透過損失と反射損失の寄与率の和で表される）対応の光学損失スペクトルを示す。層は、近赤外線範囲の大部分をカバーする赤外線スペクトル範囲の優先的散乱を示す。可視透明度は８０％近くであった。１．４９に近い屈折率（ガラスに適合）の光学エポキシと接触した後で、散乱は減少し透明性は向上する。この希土類酸化物散乱層は、適当な光線によって励起された時に発光団特性を有する。
図７は、スペクトル選択性パネル４００，５００（波長（ｎｍ）と相関させた透過光量画分）について透過スペクトルを示す。プロット線７００は、スペクトル選択性パネル４００のタイプ（空隙あり）のパネルについて測定された透過データを示し、プロット線７０２は、スペクトル選択性パネル５００のタイプ（空隙なし）のパネルについて測定された透過データを示す。
パネル４００の空隙が可視透過に著しい影響を与えないことは注目に値する。さらに、エポキシはガラスと屈折率が適合するので、エポキシそのものは重大な透過損失を発生させない。
スペクトル選択性パネル４００の機能は、以下のように要約することができる。散乱層および界面における多数の散乱通過の後に、空気に包囲されるガラスパネルを伝搬する光線については、（統計学的に）より多くの光子が総内部反射角を超える角度で伝搬する。太陽赤外線の大きな画分が（発光放射の散乱および放出により促進される）広い角度で入射することを考慮すると、この赤外線の大きな画分がスペクトル選択性パネル４００に捕捉され、パネル４００の側面部分に達するだろう。上部コーティング１１２は、発光団により放出される光線を反射するように設計され、可視透明である。いくつかの実行例では、このコーティングのスペクトル特徴は、多様な製品タイプに合う色範囲内で予定される可視呈色をパネルに提供するのに使用可能である。底部コーティング１１０は、赤外線のほぼ大半をすべての角度および波長で反射する。比較的薄い非吸収性または弱吸収性の発光層４０８での多数通過散乱による進入光子の角度再分配と組み合わされたこれらの特性は、本発明の実施形態によるスペクトル選択性パネル４００に独自の特徴である。散乱作用も、発光団吸収経路長を向上させることにより発光プロセスを強化することが可能である。
特定の例について本発明を説明したが、他の多くの形で発明が具体化されてもよいことが当業者には理解されるだろう。例えば、スペクトル選択性パネル１００，２００は、反射性の上部および底部コーティング１１２，１１０および２１０，２０８をそれぞれ備える。説明された実施形態の変形例では、スペクトル選択性パネル１００，２００がこのような反射性の上部および底部コーティングを備えなくてもよいことが理解されるだろう。
本発明は、スペクトル選択性パネルに関し、具体的には、これに限定されないが、可視光線に対して透明であって赤外線を偏向させるパネルに関する。
大型の窓を通して太陽光線を受ける空間のような内部空間の過熱は、エアコンディショナの使用により克服され得る問題である。内部空間を冷却するのに、地球全体で大量のエネルギーが使用される。電気エネルギーの大半は持続不能な供給源を使用して発生されるものであり、これは増大しつつある環境問題である。
特許文献１（本出願人により所有）は、窓ガラスとして使用されるとともに、可視光線に対しては概ね透過性であるが入射光線の一部分をパネルの側面部分へ転向させてここで光電池に吸収させ電気を発生させる材料を開示している。この材料は、二重の利点を備えている。すなわち、赤外放射線の透過が減少するので内部空間の加熱が抑制され得るのと同時に、電気エネルギーの発生が可能である。
米国特許第６２８５４９５号明細書
本発明は、第一の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるとともに、適当な光線を誘導するために構成された、発光材料を含む第１材料であって、前記発光材料によって赤外線の一部が吸収される結果、光発光、蛍光、または燐光による光線が放出される第１材料と、
第１材料の中、上、または近傍に配置される回折要素であって、赤外線波長帯域の波長を有する光線を主に偏向するように構成される回折要素と、を備え、
スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する赤外線と関連するエネルギーの少なくとも一部分がパネルに沿ってパネルの側面部分の方へ指向されるように、第１材料が構成されるとともに回折要素が配向される、スペクトル選択性パネルを提供する。
本発明の実施形態によるスペクトル選択性パネルは、太陽光線のための赤外線広帯域熱シールドと考えられ、様々な目的に使用され得る。例えば、スペクトル選択性パネルは、建物、自動車、船舶、または窓またはブラインドを含む他の物品の形で設けられるか、これらを含むとよい。さらに、スペクトル選択性パネルは物品のカバーを形成してもよい。
特定の実施形態において、回折要素は位相格子などの格子であり、反射モードと透過モードのいずれかの格子でよい。回折要素は、二次元の格子でも三次元の格子でもよい。
回折要素は、赤外線波長帯域の範囲の格子間隔を有するとよい。例えば、格子間隔は１μｍから１０μｍ、２μｍから６μｍの範囲、またはおよそ４μｍでよい。
さらに、回折要素は一般的に、可視光線のゼロ次透過の最大化を可能にするように構成される。結果的に、回折要素は、全内部反射によるパネル内での赤外線の「捕捉」を助ける入射太陽赤外線の偏向と同時に、高い可視範囲透過の維持を促進する。
一つの特定例において、回折要素は、部分的または全体的に第１材料で構成される。
回折要素は、スペクトル選択性パネルまたはその構成部品の何らかの面に装着または形成されるとよい。例えば、回折要素は、スペクトル選択性パネルの面にエッチング加工される格子でよい。代替的に、スペクトル選択性パネル部分の面に蒸着される材料から格子が形成されてもよい。さらに、スペクトル選択性パネル部分、またはポリマー材料などスペクトル選択性パネル部分に蒸着される材料に、格子がエンボス加工されてもよい。
回折要素はまた、赤外線波長帯域の波長を有する光線に対して反射性であって、可視光線波長範囲の波長を有する光線に対しては透過性であるとよい積層構造を有してもよい。回折要素は、積層構造にエッチングまたはエンボス加工される格子構造を有する一次元、二次元、または三次元の格子であるとよい。
一つの特定実施形態では、スペクトル選択性パネルの部分の間に回折要素が挟持される。
一例において、回折要素は複数の溝を有する。複数の溝は、材料、例えばエポキシ、散乱材料、または発光材料で少なくとも部分的に充填されるとよい。
代替的な実施形態において、回折要素はやはり格子であるが、溝がなく、周期的な屈折率の変化を有する構造を有する。スペクトル選択性パネルは、第１材料の中または上に配置される散乱材料を含んでもよい。散乱材料は一般的に、それ自体の組成と何らかの添加活性剤ドーパントのいずれかにより光発光特性も有し得る高屈折率材料のナノまたはミクロ粉末により代表され、このような粉末は一般的に、周囲のマトリクス材料、例えば紫外線硬化性の液状エポキシに組み込まれ、この散乱材料も光線を優先方向に散乱するように構成され得る。周囲のエポキシ材料における散乱粉末濃度の重量％と特徴的な粉末粒子サイズの両方（そしておそらくは粒子形状または結晶相含有量のタイプ）は、最大の可視範囲透明度とともに、可能な限り最良の赤外線偏向／捕捉能力を達成するように最適化される。パネル構造に使用されるこれらの散乱層は複数存在してもよい。回折要素は、二つ以上の回折要素の一つであってもよい。
散乱材料はミクロまたはナノサイズ粒子であるとよく、膜の形で用意されるとよい。
入射角度に応じて、発光材料はさらに、スペクトル選択性パネルの側面部分への赤外線の指向を促進する。
散乱材料の一部分は、第１パネル部分にも分散されるとよい。例えば、散乱材料が希土類酸化物（例えばＹｂ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３）の粒子など広いバンドギャップを有する材料を含む場合に、赤外線および／または可視波長範囲において光線の散乱が実質的に無損失状態で達成されるとよい。
一実施形態において、スペクトル選択性パネルは、赤外線固有の可視透過性集光器を形成する。さらに、赤外線の一部分はパネルの側面部分の方へ指向されて、ここで例えば光電池を使用する電気エネルギーの発生に使用されるとよい。
スペクトル選択性パネルは、コンポーネントパネル部分と回折要素とを有するとよい、および／または、対向関係で配置されるコンポーネントパネル部分のうち隣接する部分の間に散乱材料が挟持されるとよい。例えば、コンポーネントパネル部分の間に挟持される層に回折要素が含まれるとよく、この層は一側面部分に回折要素を有するとよい。代替的に、スペクトル選択性パネルが、コンポーネントパネル部分の間に挟持される層に含まれる二つの回折要素を有し、この層がそれぞれの側面部分に回折要素を有してもよい。いずれの事例でも、層は、コンポーネントパネル部分を層に結合する接着材としても機能するとよい。
スペクトル選択性パネルは、適当なスペーサを使用して離間されるとよいコンポーネントパネル部分の間の空気または気体充填間隙などの間隙も有するとよい。一つの特定実施形態において、回折要素および／または散乱材料は、この間隙の中または上に配置される。間隙を画定するコンポーネントパネル部分の表面は、散乱材料および／または発光材料で被覆されるとよい。
一例において、回折要素は複数の溝を有し、この複数の溝が間隙に設けられるように配置される。
スペクトル選択性パネルは一般的に、赤外線（ＩＲ）波長帯域内の入射光線は反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大部分に対しては概ね透過性であるように構成される反射膜などの反射コンポーネントも含む。スペクトル選択性パネルが紫外線に対して反射性であってもよい。
スペクトル選択性パネルは一般的に、一般的には反射層または多層膜である反射コンポーネントがスペクトル選択性パネルの底部分に（窓タイプの製品に使用される場合には内側に面した窓表面またはその近傍に）配置されて、第１パネル部分を透過した赤外線の一部分をスペクトル反射性コンポーネントが反射するように構成される。
さらに、スペクトル選択性パネルは、スペクトル選択性パネルの第１パネル部分における透過に先立って光線が入射する上部層を有してもよい。上部層は一般的に、可視光線に対しては概ね透過性または耐反射性であって、発光材料により放出される赤外線などの赤外線の一部分を反射するために構成される多層構造である。
一実施形態において、発光材料は、赤外線の吸収のために構成される可視透明発光団を含む。発光材料はまた、入射紫外線の（わずかな）部分（または入射可視放射線の小さな画分）が発光材料に吸収されてランダム方向での発光光線の放出という結果を生じるように構成されてもよい。
さらに発光材料は、受光光線の周波数の上方および／または下方変換による発光光線の放出のために構成されるとよい。
発光材料は、有機または無機の染料分子、レーザ染料分子、および／または適当な希土類酸化物材料のような金属酸化物ベースの発光材料を含むとよく、第１パネル部分の中、またはパネルの第１パネル部分の底部または上部の側に設けられるとよい。代替的に、発光材料が第１パネル部分の中央領域の近傍に集中していてもよい。発光材料はまた、第１パネル部分の中または上の層を形成してもよい。代替的または付加的に、発光材料が第１または第２パネル部分の中に分散されてもよい。一つの特定例において、第１パネル部分は、対向関係で構成されるコンポーネントパネル部分を有し、隣接のコンポーネントパネル部分の間に発光材料が配置される。
一つの特定実施形態において、スペクトル選択性パネルは、赤外線とスペクトル選択性パネルにより側面部分の方へ指向される他の光線の一部分を受光するための、スペクトル選択性パネルの側面部分またはその近傍に配置される少なくとも一つの光電池を備える。例えば、少なくとも一つの光電池は、赤外線波長範囲の光線の吸収に適した比較的狭いバンドギャップを有する、ＧｅまたはＧａＡｓベース、またはＣＩＧＳ（銅・インジウム・ガリウム・ジセレニド）、またはＣＩＳ（銅・インジウム・ジセレニド）の光電池でよい。さらに、少なくとも一つの光電池は、多数のバンドギャップを有する光電池の積層体を有するとよい。
本発明は、第二の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるとともに適当な光線を誘導するために構成される第１材料と、
第１材料の中または上に配置される散乱材料であって、赤外線波長帯域の波長を有する光線を主に散乱するように構成される散乱材料と、を備え、
スペクトル選択性パネルが、スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する赤外線と関連するエネルギーの少なくとも一部分がこのパネルに沿ってパネルの側面部分の方へ指向されるように構成される、スペクトル選択性パネルを提供する。
本発明は、発明の特定実施形態についての以下の説明から、より充分に理解されるだろう。説明は添付図面を参照して提示される。
本発明の特定の実施形態によるスペクトル選択性パネルの図である。 本発明の別の特定実施形態によるスペクトル選択性パネルの図である。 本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネルの別の概略図である。 本発明の代替的実施形態によるスペクトル選択性パネルを示す。 本発明の別の実施形態の概略図を示す。 本発明の特定実施形態によるコンポーネントを使用して行われた測定の結果を示す。 本発明の特定実施形態によるコンポーネントを使用して行われた測定の結果を示す。
まず図１を参照して、スペクトル選択性パネル１００を説明する。スペクトル選択性パネル１００は、例えば、建物、自動車、船舶、または他の適当な物品の窓ガラスの形で設けられ得る。スペクトル選択性パネルは、赤外線波長帯域の波長を有する光線の透過を減少させる一方で、可視光線に対しては概ね透過性である。スペクトル選択性パネル１００は、赤外線を転向させ、この転向した赤外線を電気エネルギーの発生に使用するように構成されている。
スペクトル選択性パネル１００は、この実施形態において、ガラスパネル１０２，１０４を含む。ガラスパネル１０２の一面には回折要素１０６が設けられる。ガラスパネル１０２，１０４は、材料１０８が充填された間隙によって離間されている。この材料１０８は、接着材としてばかりではなく、散乱および／または発光材料が組み込まれることで複合機能材料となる透明マトリクスとしても機能する。材料１０８は、さらに以下でより詳細に説明されるだろう。
パネル１０２，１０４の外面は、多層コーティング１１２，１１０でそれぞれ被覆されている。スペクトル選択性パネル１００の側面部分には、太陽電池１１４が配置されている。スペクトル選択性パネル１００が備える太陽電池はいかなる数であってもよいこと、すなわち、一方の側面部分のみに配置されるたった一つの太陽電池や、２，３，４個または５個以上の太陽電池などであってよいことを理解されたい。これらの太陽電池を一緒に電気接続する複数の可能な方法、つまり直列接続、全並列、また、より複雑な並列太陽電池束の直列接続が利用され得る。
回折要素１０６は、入射および反射赤外線をスペクトル偏向するため、また可視光線の透過のために構成される。入射赤外線の偏向は、矢印１２０により概略的に示されている。この特定例において、回折要素１０６は透過モードのブレーズド回折格子であって、入射太陽赤外線の大半が単一の優先的な回折次数に偏向されるように設計され、予想される一般的な窓表面への日中太陽放射入射角により決定される光線入射角に合わせて最適化される格子設計特徴を含む。回折要素１０６が反射モードでも動作可能であることを、当業者は認識するだろう。
この特定実施形態において、回折要素１０６は、例えばエッチング加工によってガラスパネル１０２の面に形成される。結果的に、回折要素１０６もガラスで構成されるか、あるいは代替的に、（ＳｉＯ２のような）透明膜層がガラス基材に蒸着されてからこの膜層がエッチング加工されるか機械的に加工されて回折構造を形成するとよい。しかし、他の構成も考えられることを当業者は認識するだろう。例えば、ポリマー材料に回折構造をエンボス加工することによって回折要素１０６が形成されるとよい。この事例では、格子１０６は離れた場所で形成されてからガラスパネル１０２に接着される。代替的に、ガラスパネル１０２の面にポリマー材料（または別の適当な材料）を最初に塗着することにより、格子１０６がガラスパネル１０２に形成されてもよい。
一例において、スペクトル選択性パネルは、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を含んで２枚のガラスパネルの間に挟持される層（不図示）を含む。この例で層は、発光および散乱材料を含む。一つの回折格子が層の各面にエンボス加工され、次に、ガラスパネルの表面部分によって格子の溝が閉じられるように、この層がガラスパネルの格子に接着される。層は一般的に、ガラスパネルへの結合のための接着材としても機能する。
以下のパラメータ、すなわち屈折率、格子輪郭形状、ブレーズ角、デューティサイクル、格子間隔、相数レベル、およびエッチング深さを調節することにより、回折要素１０６のスペクトル特性は当業者によって設計され得る。この特定例では、回折光学要素１０６は複数の溝１１０を有し、各溝は隣接の溝まで４μｍの範囲の距離（格子間隔）を有する。
複数の溝１１０と、ガラスパネル１０２，１０４の間の間隙には、材料１０８が充填される。材料１０８は、エポキシを含む発光散乱粉末である。材料１０８は、接着、発光、そして散乱の機能を提供する。
発光散乱粉末による入射光線の散乱は、パネル１００の側面部分へ指向される光線の部分を増大する。この機能は、矢印１２２により概略的に示されている。
スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する光線は発光材料により吸収され、矢印１２４で概略的に示されているランダム方向に放出される発光放射の放出を結果的に生じる。この結果、入射する放射より横断方向の配向の少ない放射が生じ、結果的に電気エネルギーの発生のため太陽電池１１４の方へガラスパネル１０２，１０４の側面部分に向かう光線方向を促進する。
進入する赤外線または紫外線の一部分を吸収して発光放射をランダム方向に放出する発光材料でガラスパネル１０２，１０４がドープされてもよいことを、当業者は認識するだろう。
コーティング１１０は多層コーティングであり、広い赤外線波長帯域内の入射赤外線を反射するように構成される。さらに、多層コーティング１１０は可視光線に対して耐反射性であって入射紫外線に対しては反射性である。結果的に、スペクトル選択性パネル１００の上部分から入射する赤外線および紫外線の一部分はガラスパネル１０２，１０４を透過してから、多層コーティング１１０により反射される。ガラスパネル１０２，１０４は、反射の角度に応じて、反射光線の一部分がガラスパネル１０２，１０４に沿って太陽電池１１４の方へ誘導され、ここで電気エネルギーの発生のため赤外線が吸収されるように構成される。
層１１０により横断方向に反射される赤外線の一部分は、多数の散乱および／または内部反射により相応の光量が太陽電池１１４の方へ誘導されるように、層１０８により散乱される。結果的に、層１０８の散乱特性は、赤外線放射の通過量の減少とエネルギー発生効率とを促進する。
上部コーティング１１２は、―入手可能な限り多くのパネル構造内の入射紫外線エネルギーを使用するため―紫外線および可視波長範囲での耐反射特性を有して無機発光団の範囲を励起するか、あるいは代替的に、紫外線での高い反射特性と、可視波長範囲での耐反射特性とを有するのと同時に、部分的な赤外線反射器として機能する。可視範囲での耐反射特性は、特定の入射角範囲内での入射光線エネルギーの反射を最小にする設計によっても調節可能である。別の実施形態において、上部コーティング１１２は紫外線放射に対しては高反射性であるが、可視光線に対しては耐反射性、そして任意で発光団材料が光線を放出する赤外線波長（小）帯域内でも高反射性であるように構成される。紫外線帯域での高反射特性は、この例では、入射する放射紫外線により悪影響を受けないように発光団を保護するのに使用される。このコーティングは、主に発光材料が光線を放出する波長範囲内の赤外線を反射するように設計される多層構造体である。結果的に、コーティング１１２は、発生された発光放射が光電池１１４の方へ指向されずに漏出することを概ね防止する。
スペクトル選択性パネル１００の機能は、以下のように要約されるとよい。回折要素１０６による偏向と材料１０８における多数の散乱事象の後に、増大した光子部分が、総内部反射角を超える角度で伝播する。太陽赤外線の大きな画分が（発光放射の散乱および放出によって促進される）広い角度で入射することを考慮すると、この赤外線の大部分はスペクトル選択性パネル１００内に捕捉されてパネル１００の側面部分に達する。上部コーティング１１２は、発光団により放出される光線を反射するように設計され、可視透明である。底部コーティング１１０は、赤外線のほぼ大半をすべての角度および波長で反射する。偏向および複数通過散乱による進入光子の角度再分配と組み合わされたこれらの特性は、本発明の実施形態によるスペクトル選択性パネル１００に独自の特徴である。
代替的実施形態において、スペクトル選択性パネル１００は必ずしも光電池１１４を有する必要はなく、例えば、赤外線放射の形でスペクトル選択性パネル１００の側面部分の方へ指向される熱エネルギーの除去のために構成されるベントその他を有してもよいことが認識されるだろう。側面部分のいくつかが、このような側面からパネルの他の側面へ光線を再指向するＡｌまたはＡｇまたは他の適当な誘電性コーティングを含む高反射性材料によって被覆されてもよい。
ここで、図２および３を参照して、本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネル２００，３００の回折要素２０６，３０６を説明する。
回折要素２０６は、ガラスパネル１０２の一面に形成され、透過モードのブレーズド回折格子または異なる輪郭タイプ（鋸歯、矩形、または台形）の溝付き回折格子である。
この特定の例において、回折要素２０６は複数の溝を有し、各溝は矩形の断面形状を有する。
ガラスパネル１０２，１０４は、材料２０８が充填された間隙によって離間されている。材料２０８は、発光散乱粉末および顔料が分散された光学エポキシで構成される。エポキシは、ガラスパネル１０４をガラスパネル１０２に結合する。材料２０８はさらに、発光および散乱特性を有する。
図３は、回折要素３０６を備えたスペクトル選択性パネル３００を示す。この実施形態でも回折要素３０６は溝を有するが、各溝は三角形の断面形状を有する。
スペクトル選択性パネル２００と同様に、ガラスパネル１０２，１０４は、発光粉末および顔料が散乱または溶解されたエポキシで構成される材料３０８が充填された間隙によって離間されている。
ここで、図４を参照して、本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネル４００を説明する。
この実施形態では、ガラスパネル１０２，１０４の間の間隙に空気が充填されている。二重ガラス窓構造と同様に、この間隙によって、総内部反射によるガラスパネル内部での多数反射における光線捕捉確率の向上につながるような付加的な高屈折率差の界面が得られ、また、熱絶縁、全体的な構造安定性の向上、および遮音性がもたらされる。
代替的実施形態において、間隙には他の適当な誘電材料が充填されてもよいことを理解されたい。説明された実施形態の変形例において、スペクトル選択性パネル１００は、隣接するガラスパネルの間に間隙を画定するか画定しない何枚かのガラスパネルを備えていてもよいことも理解されるだろう。さらに、単数または複数のガラスパネルは、例えばポリビニルブチラール（ＰＶＢ）またはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を含むポリマー材料など、他の適当な材料のパネルに置き換えられてもよく、安全ガラスなどの積層材の形で設けられてもよい。
ガラスパネル１０２，１０４の内面は、コーティング４０８で被覆されている。ガラスパネル１０２，１０４は、透明ガラススペーサ４０６によって離間されている。
コーティング４０８の各々は、この例では、パネル４００の側面部分に向かう方向での赤外線の優先散乱のために構成される多層構造を有する。この実施形態では、コーティング４０８が比較的広いバンドギャップを有するナノまたはミクロサイズの希土類酸化物粒子を含むものであることにより、散乱が効果的に無損失（非吸収）なものとなっている。さらに、コーティング（または層）４０８は、ガラスパネル１０２，１０４をスペーサ４０６に結合するエポキシを含んでいてもよい。
層４０８は発光材料をも含み、上述の希土類酸化物がその機能を有するようにドープされる。例えば、光線がスペクトル選択性パネルの横断方向から入射して発光材料によって吸収される場合には、続いて放出される発光放射はランダム方向に放出される。この結果、横断方向の配向の少ない放射となり、電気エネルギーの発生のため、ガラスパネル１０２，１０４が発光放射を太陽電池１１４の方へ誘導するような方向に、発光放射の一部分が放出されるだろう。
ガラスパネル１０２，１０４は、進入する赤外線または紫外線の一部分を吸収すると共に発光放射をランダム方向に、しかし空間等方状態で放出するような発光材料でドープされてもよい。
層１１０により横断方向に反射される赤外線の一部分は、多数の散乱および／または内部反射により相当の光量が太陽電池１１４の方へ指向されるように、層４０８によって散乱される。結果的に、層４０８の散乱特性は、赤外線放射の通過量の減少とエネルギー発生効率とを促進する。
この実施形態において、ガラスパネル１０２，１０４の間の間隙には空気が充填される。しかしながら、他の適当な誘電材料で間隙が充填されてもよいことを当業者は理解するだろう。
この例において、層４０８に含まれ設けられる発光材料は、ガラスパネル１０２，１０４の上下の面にそれぞれ設けられる。代替的に、ガラスパネル１０２，１０４の一方のみに発光材料が配置されて、発光材料がドープされるか発光材料を含んでいてもよい。
ここで、図５を参照して、本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネル５００を説明する。発光散乱粉末は、組成物であって発光とともに散乱の機能をもたらす単一材料を含む。代替的に、発光散乱粉末は構成材料の混合物であってもよく、各構成材料がそれぞれの機能を有するとよい。スペクトル選択性パネル５００は、ガラスパネル１０２，１０４を備える。この実施形態では、発光散乱粉末および顔料が分散される光学エポキシを含む層５０６によってガラスパネルが離間されている。代替的に、層５０６は、散乱材料および／または発光材料を含む懸濁液または溶液を含んでいてもよい。結果的に、層５０６はガラスパネル１０２，１０４を相互に結合する機能を組み合わせて、発光材料を提供するとともに散乱層としても作用する。
スペクトル選択性パネル４００，５００の散乱層は高周波スパッタリングを使用して形成されたものであり、希土類酸化物を含む。散乱層は、上述の層４０８，５０６に含まれるか、その代わりに設けられてもよい。これらの希土類酸化物層は、赤外線波長範囲で優先的な散乱／拡散特性を有して、赤外線波長範囲での優先的散乱に寄与する無定形の表面カバー（炉内アニール処理により形成）を有するように設けられる。例えばＹｂ２Ｏ３層を含むかもしれないこれらの微結晶性希土類酸化物層は、７００〜１５００ｎｍの厚さを有し、純アルゴン雰囲気での高周波マグネトロンスパッタリングを使用してガラスに蒸着され、空気中における６００℃の温度での３時間の炉内処理により蒸着後の再酸化およびアニール処理（結晶化）を受ける。
拡散層４０８，５０６は、光学的無損失散乱などの散乱機能を発光エネルギー変換機能と組み合わせる。層４０８，５０６は数百ｎｍの厚さを有し、電子エネルギーレベル構造内に広いバンドギャップを有して赤外線および可視波長範囲での本質的に無損失の光散乱を可能にする希土類材料（Ｙｂ２Ｏ３，Ｎｄ２Ｏ３など）のナノまたはミクロサイズ粒子を含む。希土類粒子は、光透明性の紫外線硬化性エポキシ（Ｎｏｒｌａｎｄ ＮＯＡ６３エポキシなど）により連結される。さらに、発光団（顔料およびナノ粉末材料）が、層４０８，５０６のエポキシ材料に分散される。一例において、赤外線励起型の有機・無機ハイブリッド発光団が、およそ０．２５〜１重量％ほどの濃度でエポキシに分散される。
希土類酸化物は、例えば希土類金属イオンにより代表される希土類発光材料でドープされてもよく、例えばＹ２Ｏ３：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ３：ＥＲ、またはＮａＹＦ４：Ｙｂの形で設けることができる。
スペクトル選択性パネル４００，５００は一般的に、図１を参照して説明された回折要素１０６のような回折要素（不図示）をも備える。
例えば図１〜５に示されているような実施形態によるスペクトル選択性パネルの赤外線反射層１１０を、これからさらに詳細に説明する。
層１１０は、超広帯域ヒートミラー特性を有して三重積層エッジフィルタ設計を使用する多層の光学干渉コーティングフィルタの形で設けられる。層１１０は、紫外線範囲でも反射性である。層１１０は、高周波スパッタリング技術を使用してＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＴａ２Ｏ５から形成される。このようなコーティングの総厚みは、これらの実施形態では４〜８μｍの間であり、連続層における光学材料の順序は、選択される設計に応じて変化してもよい。アニーリング実験（５℃／分の温度傾斜率により６００℃で３時間）は、優れた安定性を実証した。層１１０は傷および割れに対する耐性を持ち、耐熱性、非吸湿性で、共通化学溶剤タイプの作用に対して安定している。
ガラス上のコーティング１１０の性能特徴の試験およびモデリングが行われた。結果は、７００〜１７００ｎｍの波長範囲内に含まれて基材コーティングシステムを光学的に透過する総積分太陽赤外線出力の画分はおよそ４％に過ぎないことを示した。コーティング１１０は超広帯域特性を有するので、赤外線出力の反射率は広範囲の入射角について効率的である。
上記のように、上部コーティング１１２はスペクトル選択性の放射ミラーの形で設けられる。コーティング１１０は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＴａ２Ｏ５の多数の層（２０〜２５）を含み、高周波スパッタリング技術を使用して設けられる。これらの実施形態では、スペクトル選択性パネル内で発生される特に発光性の放射が、反射によるコーティング１１２での透過を防止されるように、層１１２が設計される。このようなコーティングの厚みは、設計要件で変化し、数μｍの範囲である。
図６は、例えば図４および５に示された実施形態について説明されたようなガラス上の希土類酸化物層の透過および吸収スペクトル（波長（ｎｍ）と相関させた強度）を示す。プロット線６００は、約１μｍの厚さを有する散乱層についての透過スペクトルを示し、プロット線６０２は総反射（正反射および拡散反射）を示し、プロット線６０４は（吸収および散乱透過損失と反射損失の寄与率の和で表される）対応の光学損失スペクトルを示す。層は、近赤外線範囲の大部分をカバーする赤外線スペクトル範囲の優先的散乱を示す。可視透明度は８０％近くであった。１．４９に近い屈折率（ガラスに適合）の光学エポキシと接触した後で、散乱は減少し透明性は向上する。この希土類酸化物散乱層は、適当な光線によって励起された時に発光団特性を有する。
図７は、スペクトル選択性パネル４００，５００（波長（ｎｍ）と相関させた透過光量画分）について透過スペクトルを示す。プロット線７００は、スペクトル選択性パネル４００のタイプ（空隙あり）のパネルについて測定された透過データを示し、プロット線７０２は、スペクトル選択性パネル５００のタイプ（空隙なし）のパネルについて測定された透過データを示す。
パネル４００の空隙が可視透過に著しい影響を与えないことは注目に値する。さらに、エポキシはガラスと屈折率が適合するので、エポキシそのものは重大な透過損失を発生させない。
スペクトル選択性パネル４００の機能は、以下のように要約することができる。散乱層および界面における多数の散乱通過の後に、空気に包囲されるガラスパネルを伝搬する光線については、（統計学的に）より多くの光子が総内部反射角を超える角度で伝搬する。太陽赤外線の大きな画分が（発光放射の散乱および放出により促進される）広い角度で入射することを考慮すると、この赤外線の大きな画分がスペクトル選択性パネル４００に捕捉され、パネル４００の側面部分に達するだろう。上部コーティング１１２は、発光団により放出される光線を反射するように設計され、可視透明である。いくつかの実行例では、このコーティングのスペクトル特徴は、多様な製品タイプに合う色範囲内で予定される可視呈色をパネルに提供するのに使用可能である。底部コーティング１１０は、赤外線のほぼ大半をすべての角度および波長で反射する。比較的薄い非吸収性または弱吸収性の発光層４０８での多数通過散乱による進入光子の角度再分配と組み合わされたこれらの特性は、本発明の実施形態によるスペクトル選択性パネル４００に独自の特徴である。散乱作用も、発光団吸収経路長を向上させることにより発光プロセスを強化することが可能である。
特定の例について本発明を説明したが、他の多くの形で発明が具体化されてもよいことが当業者には理解されるだろう。例えば、スペクトル選択性パネル１００，２００は、反射性の上部および底部コーティング１１２，１１０および２１０，２０８をそれぞれ備える。説明された実施形態の変形例では、スペクトル選択性パネル１００，２００がこのような反射性の上部および底部コーティングを備えなくてもよいことが理解されるだろう。

Claims (34)

  1. スペクトル選択性パネルであって、
    可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるとともに、適当な光線を誘導するために構成される第１材料と、
    前記第１材料の中、上、または近傍に配置される回折要素であって、赤外線波長帯域の波長を有する光線を主に偏向するように構成される回折要素と、を備え、
    前記スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する赤外線に関連するエネルギーの少なくとも一部が前記パネルに沿って前記パネルの側部へ指向されるように、前記第１材料が構成されるとともに前記回折要素が配向される、スペクトル選択性パネル。
  2. 前記回折要素が部分的に前記第１材料で構成される、請求項１記載のスペクトル選択性パネル。
  3. 前記回折要素が全体的に前記第１材料で構成される、請求項１または２記載のスペクトル選択性パネル。
  4. 前記回折要素が格子である、請求項１〜３のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  5. 前記回折要素が位相格子であって２μｍから６μｍの範囲の格子間隔を有する、請求項４記載のスペクトル選択性パネル。
  6. 前記格子が前記スペクトル選択性パネルの面に形成される、請求項４または５記載のスペクトル選択性パネル。
  7. 前記格子が前記スペクトル選択性パネルの部分の面にエンボス加工される、請求項４または５記載のスペクトル選択性パネル。
  8. 前記格子が前記スペクトル選択性パネルの面にエッチング加工される、請求項４または５記載のスペクトル選択性パネル。
  9. 前記格子が、前記スペクトル選択性パネルの部分の面に蒸着される材料から形成される、請求項４または５記載のスペクトル選択性パネル。
  10. 前記格子が、前記スペクトル選択性パネルの部分に蒸着される材料にエンボス加工される、請求項４または５記載のスペクトル選択性パネル。
  11. 前記格子が、前記スペクトル選択性パネルの面に蒸着される材料の面にエッチング加工される、請求項４または５記載のスペクトル選択性パネル。
  12. 前記回折要素が前記スペクトル選択性パネルの面に装着される、請求項１〜５のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  13. 前記回折要素が前記スペクトル選択性パネルの部分の間に挟持される、請求項１〜１２のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  14. 前記回折要素が複数の溝を有する、請求項１〜１３のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  15. 前記複数の溝が少なくとも部分的に別の材料で充填される、請求項１４記載のスペクトル選択性パネル。
  16. 前記回折要素が、前記第１材料の中または上に配置される散乱材料を含む、請求項１〜１５のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  17. 前記散乱材料が積層構造を有し、光線を優先方向に散乱させるように構成される、請求項１６記載のスペクトル選択性パネル。
  18. コンポーネントパネルの部分の間に挟持される層に前記回折要素が含まれ、前記層が一側部に前記回折要素を有する、請求項１〜５のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  19. コンポーネントパネルの部分の間に挟持される層に含まれる少なくとも二つの回折要素を備え、前記層が側部それぞれに前記回折要素を有する、請求項１〜５のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  20. 前記層が、コンポーネントパネルの部分を前記層に結合する接着材としても機能する、請求項１８または１９記載のスペクトル選択性パネル。
  21. 赤外線の一部分を吸収するように構成される発光材料をさらに含む、請求項１〜２０のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  22. ミクロまたはナノサイズの粒子を含む散乱材料を含む、請求項１〜２１のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  23. 光線の散乱が前記赤外線および／または可視波長範囲において略無損失状態で達成され、前記散乱材料が希土類酸化物粒子を含む、請求項２２記載のスペクトル選択性パネル。
  24. パネルの部分の間に間隙を有する、請求項１〜２３のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  25. 前記間隙が空気充填される、請求項２４記載のスペクトル選択性パネル。
  26. 前記回折要素が前記間隙の中または上に配置される、請求項２４または２５記載のスペクトル選択性パネル。
  27. 前記回折要素が複数の溝を有し、前記複数の溝が前記間隙内に設けられるように配置される、請求項２６記載のスペクトル選択性パネル。
  28. 赤外線（ＩＲ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で前記可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大部分に対しては略透過性であるように構成される反射性コンポーネントを備える、請求項１〜２７のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  29. 前記スペクトル選択性パネルの第１パネル部分の透過に先立って光線が入射する上部層を備える、請求項１〜２８のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  30. 前記上部層が、可視光線に対して略透過性または反射防止性ですらあり、赤外線の一部を反射するために構成される多層構造体である、請求項２９記載のスペクトル選択性コンポーネント。
  31. 前記発光材料が、赤外線の吸収のために構成される可視透明発光団を有する、請求項２１記載のスペクトル選択性パネル。
  32. 前記発光材料が、受光光線の周波数の上方および／または下方変換による発光光線の放出のために構成される、請求項２１または３１記載のスペクトル選択性パネル。
  33. 前記スペクトル選択性パネルの側部の方へ指向される赤外線または他の光線の一部を前記スペクトル選択性パネルにより受光するため、前記スペクトル選択性パネルの側部の上または近傍に配置される少なくとも一つの光電池を有する、請求項１〜３２のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  34. スペクトル選択性パネルであって、
    可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるとともに、適当な光線を誘導するために構成される第１材料と、
    前記第１材料の中または上に配置される散乱材料であって、赤外線波長帯域の波長を有する光線を主に散乱するように構成される散乱材料と、を備え、
    前記スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する赤外線に関連するエネルギーの少なくとも一部分が前記パネルに沿って前記パネルの側部の方へ指向されるように、前記スペクトル選択性パネルが構成される、スペクトル選択性パネル。
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