[发明专利]包含纳米线栅的低辐射率窗膜和涂层

说明书

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)。