一种基于光学薄膜的透明辐射制冷器件及制备方法

1.本发明涉及辐射冷却相关技术领域，具体涉及一种基于薄膜设计的透明辐射制冷器件及制备方法。


背景技术：

2.对于自身温度高于绝对零度的体系来说，内部粒子热运动产生的电磁波向外辐射能量的过程叫做热辐射。根据普朗克黑体辐射定律，接近室温(300k左右)的物体在进行热辐射过程时，向外辐射的电磁波集中在波长10μm附近；与此同时，由于大气环境下气体分子振动吸收的特性，对于3-5μm和8-13μm的电磁波，可以在大气中长距离传输。基于上述特点，通过调控物体辐射的电磁波长，不仅能够实现红外探测、红外隐身等与信息传输相关的应用，还可以通过与低温的外太空环境进行热交换，达到辐射制冷的效果。相比于空调、风扇等主动式制冷设备产生的大量能耗，利用辐射冷却技术的物体无需耗能就可以达到24h的制冷效果，是一种无污染、节能的绿色新型制冷技术。
3.太阳作为主要热源，其以可见光的形式向地球传递热量。为了更好地实现辐射制冷，一方面需要提高大气窗口波段(尤其是8-13μm)电磁波的辐射功率，另一方面需要减少对可见光波段电磁波的吸收。根据基尔霍夫定律，在给定的温度下，物体的辐射率恒等于吸收率；与此同时，根据电磁波理论，介质对光的反射、透射和吸收率相加恒等于1。基于上述特点，通过控制器件对不同波长的光进行特定的反射、透射和吸收，就能够使器件具有预期的制冷作用。目前辐射制冷的应用，主要针对需要制冷降温的建筑物或衣物等表面，通过微纳加工或者、生长或涂覆薄膜的方式，增加物体表面对可见光波段的反射率或透射率，同时提高对大气窗口波段的吸收率，是辐射制冷目前最主要的应用。
4.对于器件散热，辐射制冷也有不可忽视的应用前景。首先，随着虚拟增强现实技术的日益发展，在追求轻便和舒适感的前提下，对于头戴式设备的散热性能提出了更高的要求。相比于具有复杂设计结构的主动式散热部件，基于辐射制冷的被动式散热更能满足头戴式设备对重量和体积的要求。除此以外，在太阳能领域中，电池的寿命受环境温度的影响较大，废热会导致太阳能电池的寿命极大降低，而主动式散热引入的能量消耗不利于太阳能电池的有效能量转换，此时被动式散热至关重要。并且，对于手机、电脑等电子设备，屏幕发热是影响设备性能的制约因素，若是采用高导热率的透明材料，加以辐射冷却的调控使得辐射率增加，也能达到器件散热的效果。
5.综上所述，对于以上三种器件，如果找到一种材料和设计方案，使得散热部件在可见光范围内具有高透过率，在大气窗口波段具有高吸收率，并且部件材料在实现较大辐射面积的条件下，具备良好的导热率，那么将能广泛应用到器件散热中，提高设备的性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的是寻找到适合上述应用场景的辐射制冷材料，并通过光学设计实现电磁波各波段辐射率的调控，从而克服应用场景中现有技术的不足。本发明提供了一种基
于光学薄膜的辐射制冷器件，该器件具有高可见光透过率、高红外辐射率，制冷效率更高。
7.本发明还提供了一种基于光学薄膜的辐射制冷器件的制备方法，该方法工艺简单，可以实现工业化批量生产。
8.一种基于光学薄膜的辐射制冷器件，包括：
9.基板，其采用具备高导热率的透明材料；
10.设置在基板一侧具有高可见光透过率和高红外辐射率的光学薄膜，该光学薄膜包括设于基板上的红外反射层以及设于红外反射层表面的光学增透膜；所述器件在可见光波段(460-660nm)透过率在60％以上，在大气窗口波段(8-13μm)辐射率在50％以上。
11.作为优选，所述基板为碳化硅。进一步优选为非掺杂型碳化硅片。作为进一步优选，基板厚度为0.5-5mm。
12.本发明基板采用具备高导热率的透明材料碳化硅；在基板一侧具有高可见光透过率和高红外辐射率的光学薄膜，对可见光波段和大气窗口波段同时进行调控，一方面能够保证在可见光下透明，同时对太阳光有较低的吸收率，另一方面通过在大气窗口波段高辐射率来提高散热效果，进一步提高辐射冷却的性能。
13.碳化硅作为第三代半导体，高热导率、高电导率、高击穿电场和高功率密度、耐高温等优越的物理性能，使其在大功率电子器件领域和航天、核能等极端环境应用领域都有着不可替代的优势；与此同时，碳化硅在可见光波段具有较好的透过率，能够满足特定应用场合的需求。在此发明中，利用碳化硅良好的导热性以及对可见光的较高透过率，基于辐射制冷原理通过方案设计与简易制作，将其应用于虚拟增强现实、太阳能电池、手机电脑屏幕等电子设备，能够在提高器件散热能力的基础上，具有主动式散热所没有的优势。
14.具体来说，对于虚拟增强现实设备，考虑到头戴式设备佩戴的舒适性，在衡量设备的优劣时，重量和体积往往是一项重要指标。若将设备中有一定重量和体积的主动式散热部件替换成简易轻便的被动式散热，将会使得头戴式设备在散热正常的情况下，具备良好的舒适性，同时增加设备的续航能力。为提高被动式散热的性能，关键器件需要具备良好的导热性能，同时能够尽可能获得大的辐射率和辐射散热面积。如果虚拟增强现实设备中的镜片部分使用碳化硅材料，那么由于碳化硅具有很好的导热性，设备工作中产生的热量能够很好地传导至镜片部分；另外由于其自身对于可见光波段有良好的透过率，通过多层光学膜系设计，不仅能够进一步提高可见光的透过率，还能增加在大气窗口处的辐射率，将热量更好地传递出去；此外，碳化硅具备高达2.6左右的折射率，对于提高头戴式显示设备的视场角与轻便性都有较大的帮助。同样的，对于太阳能电池和电子屏幕来说，散热部件不仅需要具有高导热率和高辐射率，同时对可见光有较高的透过率，以保证器件能够在满足散热的同时保证设备的正常性能。
15.作为优选，本发明设计一种基于光学薄膜的碳化硅辐射制冷器件，其结构包括：
16.基板，采用碳化硅材料；
17.光学薄膜，具有较高的可见光透过率和较高的红外辐射率，对可见光波段进行透过率控制的基础上，增大在大气窗口波段的辐射率；所述光学薄膜由红外反射层和光学增透膜构成；所述可见光波段在460-660nm之间；所述大气窗口波段在8-13μm之间；所述高可见光透过率，在碳化硅基板和空气的介质面上可达到0.96-0.99；所述较高的红外辐射率，在大气窗口波段辐射率达到0.6-0.9。
18.进一步的，所述光学薄膜结构为红外反射层和光学增透膜；所述红外反射层采用在可见光范围内透过率较高，且大气窗口波段的反射率在50％以上的材料，如氧化铟锡(ito，厚度不限，比如可以为5～50nm)等，其能够在基板和光学增透膜中间，有效提高红外吸收能力；所述光学增透膜采用高低折射率材料交替分布且在大气窗口波段有吸收的结构，所述光学增透膜采用高低折射率材料交替布置的膜堆结构。作为优选，光学薄膜包括红外反射层与高低折射率交替的氧化物薄膜。所述光学增透膜中，高折射率材料选自二氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfo2)等；低折射率材料选自二氧化硅(sio2)等。作为优选，光学增透膜可以采用如二氧化硅和二氧化钛交替的膜系结构，其不仅能够提高可见光透过率，同时氧化物对红外的吸收也能增加器件在大气窗口波段的辐射。整体对可见光透过率在0.6以上，对大气窗口波段(8-13μm)辐射率在0.5以上，层数为5-51层(即，所述光学增透膜的总层数为4～50层)，总厚度为0.5-5μm。
19.作为优选的方案，高折射率材料选自二氧化钛；低折射率材料选自二氧化硅；所述光学增透膜的总层数为6～20层，每层厚度为80～300nm。
20.作为一种具体的优选方案，所述光学增透膜的结构为tio2\sio2\tio2\sio2\tio2\sio2\tio2\sio2\tio2\sio2，每层厚度分别为：150～160nm\175～185nm\100～110nm\180～185nm\125～130nm\205～210nm\125～135nm\205～210nm\132.0～135nm\100～110nm。
21.采用该结构的辐射制冷器件其可见光范围内透过率能够达到70％左右，在8-13μm波段此器件的吸收率基本在80％左右。
22.本发明同时提供了一种上述技术方案任一项所述的基于光学薄膜的辐射制冷器件的制备方法，包括：
23.(1)利用仿真软件，确定满足目标透射率和辐射率的最优的光学薄膜材料、光学薄膜组成；
24.进行仿真计算过程中，可以将其中的一些参数进行认为设定，剩余参数利用现有的仿真软件进行仿真优化；作为优选，红外反射层的厚度、高低折射率材料以及层数设定为定值；利用仿真软件对每层的厚度进行优化；优化目标为透射率和辐射率满足设定要求；
25.作为优选，可选择的仿真软件包括但不限于macleod与comsol。
26.(2)利用镀膜方法依次在基材上加工红外反射层和光学增透膜。
27.作为优选，利用磁控溅射加工所述工红外反射层，利用电子束蒸发镀膜加工所述光学增透膜。
28.本发明与现有技术相比具有如下优势：
29.相比于微纳加工对工艺的较高要求，以及掺杂颗粒薄膜制备中的复杂步骤，光学薄膜的制备简单，材料来源广泛，具有极好的稳定性，成本较低，适合大规模生产；
30.碳化硅材料良好的导热性能以及通过调控后的高可见光透过率、高红外辐射率，利用辐射制冷的原理，使其能够应用在各种设备中，将器件工作时产生的热量传递出去，实现比环境温度更低的散热，相比于主动式散热更加节能轻便，提高空间和能量的利用率。
31.特别地，对于虚拟/增强现实设备来说，使用碳化硅作为镜片不仅能够实现良好地导热与散热，其具备的高折射率能够进一步增大镜片的视场角，具备更大的光学显示范围，使得头戴式设备在重量与体积大大减轻的同时，满足性能与散热需求。
附图说明
32.图1：本发明中辐射制冷器件的结构示意图。
33.图2a：无膜层的sic器件可见光范围内(460-660nm)的透过率仿真结果。
34.图2b：sic基底上附加设计膜系结构的器件在可见光范围内(460-660nm)的单面透过率仿真结果。
35.图2c：sic基底上附加设计膜系结构的器件在可见光范围内(460-660nm)的整体透过率仿真结果。
36.图3：sic基底上附加设计膜系结构的器件在大气窗口波段(8-13μm)的吸收率仿真结果。
37.图4：按照设计参数制成器件在460-660nm波段的透过率实验结果。
38.图5：按照设计参数制成器件在8-13μm波段的吸收率实验结果。
39.图6a：按照设计参数制成器件在红外相机拍摄下的实验结果，基板温度为45℃。
40.图6b：按照设计参数制成器件在红外相机拍摄下的实验结果，基板温度为80℃。
具体实施方式
41.本发明中利用光学薄膜制备辐射制冷器件的设计思路是：在碳化硅作为基板的条件下，根据光学增透膜的设计原理，采用折射率高低交替的材料作为薄膜，控制膜厚与层数，以同时达到可见光的高透过率和红外的高吸收率。
42.下面结合实施例对本发明进行详细说明。此例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到。
43.如图1所示，为本发明的基于光学薄膜的辐射制冷器件一种结构示意图，包括基板30、设置在基板30顶面的红外反射层20以及设置在红外反射层20顶面的光学增透膜10。
44.其中基板30可以选择碳化硅片。红外反射层20可以采用氧化铟锡薄膜。光学增透膜10可以采用二氧化硅和二氧化钛交替布置的膜堆结构。
45.实际制作时，可以采用仿真软件优化得到每层二氧化硅和二氧化钛的厚度(优化时，保持红外反射层20厚度为固定值)，然后根据得到的厚度参数进行实际的制作。
46.本实施例中，基于macleod与comsol的仿真结果，具体膜层结构如下表所示：
47.膜层厚度ito10nmtio2156.65nmsio2177.92nmtio2104.02nmsio2182.59nmtio2128.31nmsio2207.29nmtio2130.87nmsio2207.46nm
tio2132.65nmsio2106.34nm
48.使用macleod软件对sic器件进行仿真，其中未添加任何膜层的sic器件在可见光范围内(460-660nm)的透过率见图2a，由图2a可知未添加任何膜层的sic器件透过率为66％左右；而添加了按照上述参数设置的膜系结构后，sic器件在460-660nm条件下单面透过率见图2b，能够达到单面透过98％的效果；与此同时，此器件在空气中的整体透过率为78％左右(见图2c)。
49.使用comsol软件对sic器件进行仿真，按照设计参数进行膜系仿真时，能够得到此器件在大气窗口波段8-13μm下，吸收率能够达到75％左右，具体请参照图3。
50.获得上述膜层厚度后，进行实际器件的制作：
51.准备厚度为500μm的非掺杂型碳化硅片，清洗后使用磁控溅射在其表面生长一层氧化铟锡薄膜作为红外反射层，厚度大约为10nm；再使用电子束蒸发镀膜的方式，在氧化铟锡薄膜的基础上生长二氧化硅和二氧化钛交替的薄膜，每层厚度为100-200nm，总厚度大致为1.5μm；
52.采用本发明方法制成的器件在460-660nm波段的透过率结果见图4，使用测试设备为nicolet is50，实验结果为在可见光范围内透过率能够达到70％左右。
53.为获得此器件在大气窗口波段的吸收率，使用傅里叶红外光谱仪进行测试，结果见图5，设备型号为bruker vertex 70，实验结果为在8-13μm波段此器件的吸收率基本在80％左右。
54.为更好了解器件的散热效果，对此器件置于红外相机下拍摄，使用设备为blackbird precision sl,jenoptik，当基板温度为45℃时，红外相机的拍摄结果见图6a；当基板温度为80℃时，红外相机的拍摄结果见图6b。图中的a(图6a和6b中左上)为未镀膜情况下的碳化硅，b(图6a和6b中左下)为近似黑体，c(图6a和6b中右上)为按照本发明上述膜系结构进行镀膜后的碳化硅，d(图6a和6b中右下)为石英玻璃。由图6a和图6b中可见，对于碳化硅来说，镀膜前后器件的热辐射效果有明显提升，在基板温度为45℃情况下由35.5℃提升到了40.2℃，近乎接近黑体的辐射能力；更为明显的是，在基板温度为80℃情况下，镀膜后的碳化硅能够达到70.8℃的热辐射效果。

技术特征：
1.一种基于光学薄膜的透明辐射制冷器件，其特征在于，包括：基板，其采用具备高导热率的透明材料；设置在基板一侧具有高可见光透过率和高红外辐射率的光学薄膜，该光学薄膜包括设于基板上的红外反射层以及设于红外反射层表面的光学增透膜；所述器件在可见光波段透过率在60％以上，在大气窗口波段辐射率在50％以上。2.如权利要求1所述的基于光学薄膜的透明辐射制冷器件，其特征在于，所述基板为碳化硅。3.如权利要求2所述的基于光学薄膜的透明辐射制冷器件，其特征在于，基板厚度为0.5-5mm。4.如权利要求1所述的基于光学薄膜的透明辐射制冷器件，其特征在于，所述红外反射层材料为氧化铟锡。5.如权利要求4所述的基于光学薄膜的透明辐射制冷器件，其特征在于，所述光学增透膜采用高低折射率材料交替布置的膜堆结构。6.如权利要求5所述的基于光学薄膜的透明辐射制冷器件，其特征在于，所述光学增透膜中，高折射率材料选自二氧化钛、二氧化铪；低折射率材料选自二氧化硅。7.如权利要求5所述的基于光学薄膜的透明辐射制冷器件，其特征在于，所述光学增透膜中，高折射率材料选自二氧化钛；低折射率材料选自二氧化硅；光学增透膜的总层数为4-50层。8.如权利要求7所述的基于光学薄膜的透明辐射制冷器件，其特征在于，光学增透膜的总层数为6～20层，每层厚度为80～300nm。9.一种如权利要求1～8任一项所述的基于光学薄膜的透明辐射制冷器件的制备方法，其特征在于，包括：(1)利用仿真软件，确定满足目标透射率和辐射率的最优的光学薄膜材料、光学薄膜组成；(2)利用镀膜方法依次在基材上加工红外反射层和光学增透膜。10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，利用磁控溅射加工所述红外反射层，利用电子束蒸发镀膜加工所述光学增透膜。

技术总结
本发明公开了一种基于光学薄膜的辐射制冷器件，包括：基板；设置在基板一侧具有高可见光透过率和高红外辐射率的光学薄膜，该光学薄膜包括设于基板上的红外反射层以及设于红外反射层表面的光学增透膜；所述器件在可见光波段透过率在60％以上，在大气窗口波段辐射率在50％以上。本发明基于光学薄膜的辐射冷却器件结构简单、稳定性好，适合大规模低成本生产；碳化硅良好的导热性以及通过调控后的高可见光透过率、高红外辐射率，使其能应用在各种器件中，比主动式散热部件更加节能简便；尤其对于虚拟/增强现实设备，若使用碳化硅作为镜片，除了能够进行良好地导热和散热，其特有的高折射率能够进一步增大设备的视场角，提升光学性能。能。


技术研发人员：仇旻 杜凯凯 李晓萱
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：2022.08.01
技术公布日：2023/10/11