日光管控的制作方法
【專利說明】日光管控
[0001] 本發(fā)明涉及借助包含位于透明基材上的間斷式金屬結構的裝置管控輻射，更具體 地涉及季節(jié)性調(diào)節(jié)透過窗戶進入建筑物或交通工具的內(nèi)部空間的日光透射。
[0002] 已知某些結構提供了濾光器或光柵，從而在其被電磁波照射時，影響這些電磁波 的反射。所述結構用于若干不同的應用中，例如安全裝置（例如用于鈔票、信用卡、護照、票 券等）、熱反射性窗格玻璃或窗戶，以及光譜選擇性反射顏料。
[0003]EP-A-1767964和W02012/147052描述了作為零級衍射濾光器的熱反射性結構，其 包含高折射率材料如ZnS的層；提出了用于IR管控目的的窗格玻璃，其用于其中必須要控 制透射至建筑物或交通工具中的太陽能的日光管控應用中。濾光器的功能基于高折射率層 中的特定光柵結構。
[0004] 一些商業(yè)的熱管控膜包含多個層，包括銀和/或介電層，其提供了特定的角度依 賴性反射。US-7727633和US-7906202描述了兩種光學層的組合，其有助于拒止紅外波長 范圍內(nèi)的日光：第一種層是聚合物多層膜，其提供了對有限的紅外波長范圍的高反射率； 該膜由數(shù)十或數(shù)百個子層（Bragg反射體）構成，從而導致角度敏感的反射波段，當光的入 射角增大時，該波段向可見光方向移動。第二種層包含納米顆粒，其吸收紅外波長范圍內(nèi)的 光。
[0005]US-A-2011-203656描述了一些位于透明聚合物基材上的金屬納米結構，其用作太 陽能電池或發(fā)光二極管中的透明電極。W02004/019083描述了 一種衍射光柵，其包含反射 面，該反射面部分涂覆有導電材料，其用于各種應用如光學遠程通信。G.Mbise等，Proc. SPIE1149,179(1989)報導了在傾斜角度下透過沉積在玻璃上的Cr膜的角度依賴性光透 射。
[0006] 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，透過（通常為平的）半透明的（尤其是透明的）基材如玻璃或層狀玻 璃板的光透射的強角度依賴性可通過將特定金屬納米結構結合至基材表面上且保持基材 的光學質(zhì)量實現(xiàn)。金屬納米結構排列在不同于基材平面的方向上，且彼此隔開（由此形成 間斷式金屬層）。出于簡便的原因，本發(fā)明裝置和本發(fā)明窗戶中所含的金屬納米結構也稱為 "金屬結構"。
[0007]因此，本發(fā)明涉及一種光學裝置，其包含在其表面上具有這些金屬結構的基材。所 述裝置可與窗戶玻璃連接，或者集成至該玻璃窗中，由此提供可用于日光的光透射調(diào)節(jié)和/ 或熱管控應用。由此改進的窗戶顯示出角度依賴的透射性質(zhì)，這導致在掠射光入射下（這 通常在溫帶氣候區(qū)如歐洲或北美的夏季在高太陽高度下發(fā)生）降低的日光透射，和在幾乎 垂直入射下的相對較高的日光透射（這通常在冬季的低太陽高度下發(fā)生）。因此，根據(jù)本發(fā) 明安裝的窗戶在夏季提供了熱拒止，而在冬季保持了熱量透過性。
[0008] 本發(fā)明中所用的術語"表面"是指可被另一種固體材料（例如金屬、包封層等）覆 蓋，由此形成本發(fā)明建筑構件、裝置或窗戶窗格玻璃的內(nèi)表面或者形成本發(fā)明建筑構件、裝 置或窗戶窗格玻璃的外表面的材料表面。
[0009] 本發(fā)明中所用的術語"基材平面"是指其中金屬納米結構結合至基材表面上的基 材宏觀延度的平面（在圖la中表示為X和y軸）。盡管基材在宏觀尺度下可能是彎曲的， 然而在微觀尺度上忽略與平面度的偏離，因此在下文中稱基材表面形成了平面?；谋砻?(包括金屬納米結構）可進一步包埋在一個或多個半透明或透明材料的其他層中或者被其 覆蓋。
[0010] 本發(fā)明中所用的術語"納米平面"是指可在基材平面的一個維度內(nèi)在所述平面整 體上延伸，且在第二維度內(nèi)至多l(xiāng)〇〇〇nm(通常要小得多，這可由下文本發(fā)明詳述中所給的 尺寸清楚看出）的結構。納米平面可為彎曲的，或者優(yōu)選為平的。納米平面被金屬層覆蓋 或部分覆蓋，其中二者可進一步包埋在一個或多個半透明或透明材料的其他層中或者被其 覆蓋。
[0011] 本發(fā)明中所用的術語"傾斜角"是指基材的納米平面相對于基材平面的傾斜角度； 因此，傾斜角的納米平面可相對于基材平面垂直，但不平行于基材平面。優(yōu)選的傾斜角如下 文所述。
[0012] 本發(fā)明中就例如納米平面上的金屬層所用的術語"納米結構"是指可在基材平 面的一個維度內(nèi)延伸，且在與基材平面成直角的維度內(nèi)各自至多為lOOOnm(通常要小得 多，這可由下文本發(fā)明詳述中所給的尺寸清楚看出），且其處于基材平面內(nèi)的另一維度可 在整個基材上延伸的結構。正如下文所述的那樣，其最小尺寸（納米結構的厚度）通常為 l-75nm(如下文所述）。這些結構的納米尺度還用于保持所選基材的光學質(zhì)量，例如全透 性。
[0013] 本發(fā)明中所用的術語"半透明的"或"半透明性"是指材料，通常是基材的材料或包 封介質(zhì)允許日光光譜的光通過所述材料（通常波長范圍為約350-約2500nm)的性質(zhì)。本 發(fā)明中所用的術語"透明的"或"透明性"是指材料，通常是基材的材料或包封介質(zhì)允許日 光的可見光譜的光以最小散射效應通過所述材料的性質(zhì)。該術語通常意指對日光的可見范 圍的電磁波的透明性允許透射至少10%，優(yōu)選至少30%，更優(yōu)選至少50%可見范圍內(nèi)（尤 其是400-700nm)的太陽輻射能。
[0014] 本發(fā)明中所用的術語"窗戶"是指通常是交通工具、農(nóng)業(yè)或者尤其是建筑中的構造 構件，其置于壁中或者構成所述壁，由此使得該壁通常將內(nèi)部空間（通常是交通工具或者 尤其是建筑物的內(nèi)部空間）與另一內(nèi)部空間或者尤其是外部空間（通常是室外環(huán)境）隔 開，從而允許光通過該壁（通常允許陽光從外部通入內(nèi)部空間中）。
[0015] 本發(fā)明中所用的術語"窗戶窗格玻璃"是指由半透明的，尤其是透明的材料構成的 窗戶的半透明的，尤其是透明的構造構件，通常為無框架或配件的窗戶。
[0016] 本發(fā)明透明窗戶窗格玻璃的典型實例為建筑物窗戶或交通工具窗戶，例如在公共 汽車或火車中。
[0017] 本發(fā)明中所用的術語"金屬層"基本上是各向同性的，因此通常在兩個維度內(nèi)均提 供了金屬導電性。
[0018] 本發(fā)明中所用的術語"間斷式金屬層"是指在一個維度內(nèi)以一定周期間斷的金屬 層，其中在所述層的2個或更多個間斷部分之間基本上不存在金屬導電性，而在其第二維 度內(nèi)在該層的非間斷帶中存在金屬導電性。
[0019] 本發(fā)明中所用的術語"間斷周期"是指金屬層的2個相鄰部分之間的間距加金屬 層的一個相鄰部分的寬度的最短寬度（平均值）；其通常大致與光柵周期的周期相同（例 如，作為在垂直于光柵長度的方向上光柵的2個相鄰峰中心的距離測得）。
[0020] 本發(fā)明的另一種半透明構造構件的典型實例（其是不透明的）為散射和/或吸收 可見光，但仍允許一些陽光輻射通過的玻璃正面構件。該類半透明構造構件還可在其內(nèi)側 被不透明材料，例如涂層或壁構件（例如黑色涂層或起與內(nèi)部的熱橋梁作用的膜）覆蓋。其 效果是通過該半透明構造構件的輻射被所述不透明材料吸收和/或反射。因此，由本發(fā)明 提供的透過半透明構件的光透射調(diào)節(jié)提供了該半透明構造構件內(nèi)側及其不透明覆蓋物上 的光透射效果，例如熱效果的調(diào)節(jié)。
[0021] 因此，本發(fā)明首先涉及一種半透明構造構件，例如窗戶窗格玻璃或正面構件，其包 含半透明的，尤其是透明的基材層，所述基材包含由具有相對于基材平面的傾斜角的平或 彎曲納米平面結構化的表面，所述納米平面涂覆有金屬。因此，基材在其結構化表面上攜帶 有呈間斷式金屬層形式的金屬納米結構。該復合層的特征通常在于50-1000nm的間斷周期 和l-75nm的在其最小維度內(nèi)，通常在垂直于基材納米平面表面的方向中的金屬結構厚度， 這將在下文更詳細地解釋。
[0022] 基材的納米平面相對于基材表面的傾斜角通常為10-90°，優(yōu)選為30-90°，其中 90°表示納米平面垂直于基材平面（即，在圖la中所示的z方向上）延伸。
[0023] 因此，本發(fā)明提供了一種半透明構造構件，其包含半透明基材層，所述基材包含由 具有相對于基材平面的傾斜角的金屬化納米平面結構化的表面。金屬化以覆蓋至少一部 分所述納米平面的間斷式金屬層的形式作為涂層提供，其特征在于金屬層中的間斷周期為 50-1000nm且金屬層的厚度為l-50nm。另一實施方案是一種包含半透明基材層的半透明 構造構件，其如上所述包含由具有相對于基材平面的傾斜角的金屬化的納米平面結構化的 表面，其中金屬層中的間斷周期為50nm至小于500nm，尤其是小于500nm(如下文進一步描 述），且金屬層的厚度為l_75nm。周期和金屬層厚度的更優(yōu)選范圍如下文所述。
[0024] 本發(fā)明進一步涉及一種光學裝置，其包括所述的特定特征。
[0025] 基材通常包含平或彎曲的聚合物片或玻璃片，或聚合物片和玻璃片?；纳系慕?屬結構通常被合適的半透明的，優(yōu)選透明的介質(zhì)包封。
[0026] 本發(fā)明裝置中所需的透明基材表面上的間斷式金屬結構通常通過諸如氣相沉積、 濺射、印刷、澆鑄或沖壓的方法使結構化的表面部分金屬化而制備?？衫缤ㄟ^使用陰影掩 模、光致抗蝕劑技術避免表面被金屬完全覆蓋。在優(yōu)選的實施方案中，通過在傾斜角度下 直接沉積沉積金屬而將金屬結構施加至先前制備的光柵結構上，例如玻璃表面或樹脂表面 上，這將在下文進一步解釋。
[0027] 本發(fā)明的裝置，例如膜包含金屬結構且可與用于光管控和/或熱量管控的其他已 知措施，例如膜組合。所述裝置或膜可設計用于顯示出顯色或彩色中性透射性質(zhì)。本發(fā)明 的裝置，例如膜或玻璃具有生產(chǎn)成本效率高（包括輥至輥熱壓花或UV復制和介電薄膜涂覆 方法在內(nèi)的方法）的額外優(yōu)點。
[0028] 所述金屬結構優(yōu)選以位于下層結構上的線型帶的形式排列在結構化基材的表面 上，其通常為光柵，例如已知用于零級反射裝置的光柵，其中的一些已描述在前文提及的 EP-A-1767964和W02012/147052中了。因此，所述金屬納米結構形成在一個維度內(nèi)以上述 周期間斷，而在其第二維度內(nèi)在該層的非間斷帶中具有金屬導電性的層。最優(yōu)選地，該裝置 位于宏觀上是平的基材上，如圖la所示，其中直角坐標表示具有位于基材表面上的金屬納 米結構（以表面上的線表示的金屬結構）和間斷（以這些線之間的空白間隙表示）的整個 裝置的優(yōu)選空間取向；其中基材平面內(nèi)的X軸指向周期的方向；其中基材平面內(nèi)的y軸