日光管控的制作方法
【专利说明】日光管控
[0001] 本发明涉及借助包含位于透明基材上的间断式金属结构的装置管控辐射，更具体 地涉及季节性调节透过窗户进入建筑物或交通工具的内部空间的日光透射。
[0002] 已知某些结构提供了滤光器或光栅，从而在其被电磁波照射时，影响这些电磁波 的反射。所述结构用于若干不同的应用中，例如安全装置（例如用于钞票、信用卡、护照、票 券等）、热反射性窗格玻璃或窗户，以及光谱选择性反射颜料。
[0003]EP-A-1767964和W02012/147052描述了作为零级衍射滤光器的热反射性结构，其 包含高折射率材料如ZnS的层；提出了用于IR管控目的的窗格玻璃，其用于其中必须要控 制透射至建筑物或交通工具中的太阳能的日光管控应用中。滤光器的功能基于高折射率层 中的特定光栅结构。
[0004] 一些商业的热管控膜包含多个层，包括银和/或介电层，其提供了特定的角度依 赖性反射。US-7727633和US-7906202描述了两种光学层的组合，其有助于拒止红外波长 范围内的日光：第一种层是聚合物多层膜，其提供了对有限的红外波长范围的高反射率； 该膜由数十或数百个子层（Bragg反射体）构成，从而导致角度敏感的反射波段，当光的入 射角增大时，该波段向可见光方向移动。第二种层包含纳米颗粒，其吸收红外波长范围内的 光。
[0005]US-A-2011-203656描述了一些位于透明聚合物基材上的金属纳米结构，其用作太 阳能电池或发光二极管中的透明电极。W02004/019083描述了 一种衍射光栅，其包含反射 面，该反射面部分涂覆有导电材料，其用于各种应用如光学远程通信。G.Mbise等，Proc. SPIE1149,179(1989)报导了在倾斜角度下透过沉积在玻璃上的Cr膜的角度依赖性光透 射。
[0006] 现已发现，透过（通常为平的）半透明的（尤其是透明的）基材如玻璃或层状玻 璃板的光透射的强角度依赖性可通过将特定金属纳米结构结合至基材表面上且保持基材 的光学质量实现。金属纳米结构排列在不同于基材平面的方向上，且彼此隔开（由此形成 间断式金属层）。出于简便的原因，本发明装置和本发明窗户中所含的金属纳米结构也称为 "金属结构"。
[0007]因此，本发明涉及一种光学装置，其包含在其表面上具有这些金属结构的基材。所 述装置可与窗户玻璃连接，或者集成至该玻璃窗中，由此提供可用于日光的光透射调节和/ 或热管控应用。由此改进的窗户显示出角度依赖的透射性质，这导致在掠射光入射下（这 通常在温带气候区如欧洲或北美的夏季在高太阳高度下发生）降低的日光透射，和在几乎 垂直入射下的相对较高的日光透射（这通常在冬季的低太阳高度下发生）。因此，根据本发 明安装的窗户在夏季提供了热拒止，而在冬季保持了热量透过性。
[0008] 本发明中所用的术语"表面"是指可被另一种固体材料（例如金属、包封层等）覆 盖，由此形成本发明建筑构件、装置或窗户窗格玻璃的内表面或者形成本发明建筑构件、装 置或窗户窗格玻璃的外表面的材料表面。
[0009] 本发明中所用的术语"基材平面"是指其中金属纳米结构结合至基材表面上的基 材宏观延度的平面（在图la中表示为X和y轴）。尽管基材在宏观尺度下可能是弯曲的， 然而在微观尺度上忽略与平面度的偏离，因此在下文中称基材表面形成了平面。基材表面 (包括金属纳米结构）可进一步包埋在一个或多个半透明或透明材料的其他层中或者被其 覆盖。
[0010] 本发明中所用的术语"纳米平面"是指可在基材平面的一个维度内在所述平面整 体上延伸，且在第二维度内至多l〇〇〇nm(通常要小得多，这可由下文本发明详述中所给的 尺寸清楚看出）的结构。纳米平面可为弯曲的，或者优选为平的。纳米平面被金属层覆盖 或部分覆盖，其中二者可进一步包埋在一个或多个半透明或透明材料的其他层中或者被其 覆盖。
[0011] 本发明中所用的术语"倾斜角"是指基材的纳米平面相对于基材平面的倾斜角度； 因此，倾斜角的纳米平面可相对于基材平面垂直，但不平行于基材平面。优选的倾斜角如下 文所述。
[0012] 本发明中就例如纳米平面上的金属层所用的术语"纳米结构"是指可在基材平 面的一个维度内延伸，且在与基材平面成直角的维度内各自至多为lOOOnm(通常要小得 多，这可由下文本发明详述中所给的尺寸清楚看出），且其处于基材平面内的另一维度可 在整个基材上延伸的结构。正如下文所述的那样，其最小尺寸（纳米结构的厚度）通常为 l-75nm(如下文所述）。这些结构的纳米尺度还用于保持所选基材的光学质量，例如全透 性。
[0013] 本发明中所用的术语"半透明的"或"半透明性"是指材料，通常是基材的材料或包 封介质允许日光光谱的光通过所述材料（通常波长范围为约350-约2500nm)的性质。本 发明中所用的术语"透明的"或"透明性"是指材料，通常是基材的材料或包封介质允许日 光的可见光谱的光以最小散射效应通过所述材料的性质。该术语通常意指对日光的可见范 围的电磁波的透明性允许透射至少10%，优选至少30%，更优选至少50%可见范围内（尤 其是400-700nm)的太阳辐射能。
[0014] 本发明中所用的术语"窗户"是指通常是交通工具、农业或者尤其是建筑中的构造 构件，其置于壁中或者构成所述壁，由此使得该壁通常将内部空间（通常是交通工具或者 尤其是建筑物的内部空间）与另一内部空间或者尤其是外部空间（通常是室外环境）隔 开，从而允许光通过该壁（通常允许阳光从外部通入内部空间中）。
[0015] 本发明中所用的术语"窗户窗格玻璃"是指由半透明的，尤其是透明的材料构成的 窗户的半透明的，尤其是透明的构造构件，通常为无框架或配件的窗户。
[0016] 本发明透明窗户窗格玻璃的典型实例为建筑物窗户或交通工具窗户，例如在公共 汽车或火车中。
[0017] 本发明中所用的术语"金属层"基本上是各向同性的，因此通常在两个维度内均提 供了金属导电性。
[0018] 本发明中所用的术语"间断式金属层"是指在一个维度内以一定周期间断的金属 层，其中在所述层的2个或更多个间断部分之间基本上不存在金属导电性，而在其第二维 度内在该层的非间断带中存在金属导电性。
[0019] 本发明中所用的术语"间断周期"是指金属层的2个相邻部分之间的间距加金属 层的一个相邻部分的宽度的最短宽度（平均值）；其通常大致与光栅周期的周期相同（例 如，作为在垂直于光栅长度的方向上光栅的2个相邻峰中心的距离测得）。
[0020] 本发明的另一种半透明构造构件的典型实例（其是不透明的）为散射和/或吸收 可见光，但仍允许一些阳光辐射通过的玻璃正面构件。该类半透明构造构件还可在其内侧 被不透明材料，例如涂层或壁构件（例如黑色涂层或起与内部的热桥梁作用的膜）覆盖。其 效果是通过该半透明构造构件的辐射被所述不透明材料吸收和/或反射。因此，由本发明 提供的透过半透明构件的光透射调节提供了该半透明构造构件内侧及其不透明覆盖物上 的光透射效果，例如热效果的调节。
[0021] 因此，本发明首先涉及一种半透明构造构件，例如窗户窗格玻璃或正面构件，其包 含半透明的，尤其是透明的基材层，所述基材包含由具有相对于基材平面的倾斜角的平或 弯曲纳米平面结构化的表面，所述纳米平面涂覆有金属。因此，基材在其结构化表面上携带 有呈间断式金属层形式的金属纳米结构。该复合层的特征通常在于50-1000nm的间断周期 和l-75nm的在其最小维度内，通常在垂直于基材纳米平面表面的方向中的金属结构厚度， 这将在下文更详细地解释。
[0022] 基材的纳米平面相对于基材表面的倾斜角通常为10-90°，优选为30-90°，其中 90°表示纳米平面垂直于基材平面（即，在图la中所示的z方向上）延伸。
[0023] 因此，本发明提供了一种半透明构造构件，其包含半透明基材层，所述基材包含由 具有相对于基材平面的倾斜角的金属化纳米平面结构化的表面。金属化以覆盖至少一部 分所述纳米平面的间断式金属层的形式作为涂层提供，其特征在于金属层中的间断周期为 50-1000nm且金属层的厚度为l-50nm。另一实施方案是一种包含半透明基材层的半透明 构造构件，其如上所述包含由具有相对于基材平面的倾斜角的金属化的纳米平面结构化的 表面，其中金属层中的间断周期为50nm至小于500nm，尤其是小于500nm(如下文进一步描 述），且金属层的厚度为l_75nm。周期和金属层厚度的更优选范围如下文所述。
[0024] 本发明进一步涉及一种光学装置，其包括所述的特定特征。
[0025] 基材通常包含平或弯曲的聚合物片或玻璃片，或聚合物片和玻璃片。基材上的金 属结构通常被合适的半透明的，优选透明的介质包封。
[0026] 本发明装置中所需的透明基材表面上的间断式金属结构通常通过诸如气相沉积、 溅射、印刷、浇铸或冲压的方法使结构化的表面部分金属化而制备。可例如通过使用阴影掩 模、光致抗蚀剂技术避免表面被金属完全覆盖。在优选的实施方案中，通过在倾斜角度下 直接沉积沉积金属而将金属结构施加至先前制备的光栅结构上，例如玻璃表面或树脂表面 上，这将在下文进一步解释。
[0027] 本发明的装置，例如膜包含金属结构且可与用于光管控和/或热量管控的其他已 知措施，例如膜组合。所述装置或膜可设计用于显示出显色或彩色中性透射性质。本发明 的装置，例如膜或玻璃具有生产成本效率高（包括辊至辊热压花或UV复制和介电薄膜涂覆 方法在内的方法）的额外优点。
[0028] 所述金属结构优选以位于下层结构上的线型带的形式排列在结构化基材的表面 上，其通常为光栅，例如已知用于零级反射装置的光栅，其中的一些已描述在前文提及的 EP-A-1767964和W02012/147052中了。因此，所述金属纳米结构形成在一个维度内以上述 周期间断，而在其第二维度内在该层的非间断带中具有金属导电性的层。最优选地，该装置 位于宏观上是平的基材上，如图la所示，其中直角坐标表示具有位于基材表面上的金属纳 米结构（以表面上的线表示的金属结构）和间断（以这些线之间的空白间隙表示）的整个 装置的优选空间取向；其中基材平面内的X轴指向周期的方向；其中基材平面内的y轴