一种热致变色智能窗及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种热致变色智能窗及制备方法，其为全薄膜结构，从下到上依次为：基片、电加热层、缓冲层、热致变色层、保护层，或者基片、缓冲层、热致变色层、保护层、电加热层。其中热致变色层材料是掺杂F-、WOx或MgO的VO2。该制备方法中热致变色层采用中频或直流溅射，在缓冲层上生长热致变色层VO2，靶材是V，通过掺杂在膜层中引入0.1%～10%（wt％）的F-、MgO、WOx或MoOx，气体采用Ar与O2混合气，体积比例Ar:O2为99:1～9:1。本发明采用电加热与热致变色材料的复合结构，通过电加热提高基底温度使VO2在室温下强制发生相变，解决了热致变色薄膜相变温度较高，无法实际应用的难题。
【专利说明】一种热致变色智能窗及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热致变色智能窗领域，尤其是一种由电加热薄膜与热致变色薄膜相结合的复合结构智能窗。
【背景技术】
[0002]VO2材料是一种相变材料，在一定温度下，由低温状态的半导体单斜晶相转变为金属四方晶相。VO2相变后光学性质发生变化，使红外光透过率急剧降低、反射率增大，从而可以有效阻挡红外线的透过，避免室内温度持续升高。当温度低于VO2相变温度，自动恢复红外光的透过，从而使室温上升。因此，VO2薄膜用于建筑窗户、交通工具窗户等方面，可以根据季节(温度)变化，自动调节控制室温，得到冬暖夏凉的效果。目前，VO2热致变色材料还没有作为智能窗大规模应用，主要原因是相变温度远高于室温20-25°C。因此迫切需要一种新型结构的智能窗，来解决目前存在的问题。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种热致变色智能窗，以解决目前智能窗相变温度过高的问题，从而可使热致变色窗户大规模应用。
[0004]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:一种热致变色智能窗，该智能窗为全薄膜结构，其关键技术在于:所述智能窗结构从下到上依次为:基片、电加热层、缓冲层、热致变色层、保护层，或者从下到上依次为基片、缓冲层、热致变色层、保护层、电加热层。
[0005]优选的，所述基片采用玻璃或其他透明高分子材料，如PU、PMMA, PET或FRP。
[0006]优选的，所述缓冲层材料为Ti02、SiO2, SiNx, TiNx, Al2O3^BiOx其中的一种或几种，该膜层厚度10-1000nm。
[0007]优选的，所述热致变色层材料是掺杂F_、W0X、MoOx, MgO中的一种或几种的V02，其膜层厚度10-1000nm。
[0008]优选的，所述保护层材料是SiNx、TiNx, SiO2, TiO2其中的一种或几种，或透明高分子材料，其膜层厚度10-1000nm。
[0009]优选的，所述电加热层的材料为TCO导电浆、导电银浆、导电铜浆中的一种或几种，膜层厚度100-5000nm。
[0010]本发明还提供了上述智能窗的制备方法，该制备方法如下:
当电加热层处于最上层时，
1)制备基片:采用平板玻璃或其他透明高分子薄膜，将基片切割到一定尺寸，在清洗机内清洗后，移送至磁控溅射镀膜设备；
2)制备缓冲层:采用中频或直流溅射，靶材为T1、S1、B1、Al中的一种或几种，通入气体是Ar与O2或Ar与N2的混合气体，其中体积比:Ar:02为99:1~5:1，Ar:N2为99:1~1:6，基片加热温度为100°C~600°C，该缓冲层厚度10~1000 nm ； 3)制备热致变色层:采用中频或直流溅射，在所述缓冲层上生长热致变色层VO2，选取的靶材是V，通过掺杂的方式在膜层中引入0.1%?10% (wt%)的F_、MgO、WOx、MoOx的一种或几种，气体采用Ar与O2混合气，体积比例Ar: O2为99:1?9:1，基片加热温度100°C?600°C，膜层厚度10?IOOOnm ；
4)制备保护层:采用中频或直流溅射，在热致变色层上生长保护层，选取的靶材是Ti或硅，通入的气体是Ar与O2或Ar与N2混合气体，体积比例Ar: O2为99:1?5:1，Ar =N2为99:1?5:1，该层厚度10?IOOOnm ；
5)制备电加热层:采用丝网印刷方式在保护层表面上印刷一定形状的导电胶并烘干；
6)引线，在上述制备好的样品上固定电极并引出导线；
当电加热层位于基片上时，在制备好基片后，采用丝网印刷方式在基片表面上印刷一定形状的导电胶并烘干，其他膜层的制备方法与上述方法相同。
[0011]采用上述技术所产的有益效果在于:
1、本发明首次提出了电加热与热致变色材料的复合结构，通过电加热提高基底温度使VO2在室温下强制发生相变，解决了热致变色薄膜相变温度较高，无法实际应用的难题；
2、采用电加热薄膜与热致变色薄膜结合的方式使热致变色智能窗在外界温度高于25°C即可使用，对热致变色窗户的大规模应用提供一种有效的解决方法。本发明可以在保持可见光透过的情况下，调节红外光的透过，吸收紫外光，并具有在冬天加热除冰雪的功能，拓宽热致变色智能窗的使用范围；
3、本发明热致变色层的VO2材料具有较宽的迟滞温度范围10-30V，相变温度低于500C，从高温到低温的相变温度低于25°C。当室外温度过高时，启动电加热使热致变色层达到50°C，转变为金属态；当外界温度低于25°C时，热致变色层自动恢复至半导体态，从而实现室温调节。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为实施例1的膜层结构；
图2为实施例2的膜层结构；
图3为印刷电加热层的一种简单图案；
图4为印刷电加热层的另一种简单图案；
其中，1、基片，2、电加热层，3、缓冲层，4、热致变色层，5、保护层。
【具体实施方式】
[0013]下面将结合具体实施例对本发明进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0014]实施例1
参见附图1，本实施例为全薄膜结构，其膜层从下到上依次为:基片1、电加热层2、缓冲层3、热致变色层4、保护层5。本实施例制备方法如下:
参见附图1， (I)基片的制备:将普通的平板玻璃基片裁成10cm*10cm正方形,在丙酮中超声洗漆IOmin,然后在酒精中超声洗漆20min。
[0015](2)电加热层的制备:在清洗的基片上制备电加热层，采用ITO透明导电胶印制，提前在丝网上设计能构成回路的简单线路图，印刷后烘烤，把制备好电加热层的基片固定在磁控溅射仪器样品托上。参见附图3或附图4，横向印刷或纵向印刷均可。
[0016](3)缓冲层的制备:采用中频或直流溅射，选取制备缓冲层的靶材是Si靶，反应气体是Ar与N2，基片加热生长缓冲层。
[0017]具体参数如下:
基片温度:300°C ；
气体比例:Ar:N2=1:1 ；
工作气压:1.0Pa ；
溅射功率:150W ；
派射时间:1Omin ；
膜层厚度:20nm。
[0018](4)热致变色层的生长:在步骤(3)制备缓冲层的基片上生长热致变色薄膜层V02。选取靶材V，掺杂1%的W0X。反应气体是Ar与O2，基片加热生长变色层。
[0019]具体参数如下:
基片温度:450°C ；
气体比例:Ar:02=98:2 ；
工作气压:10Pa ；
溅射功率:130W ；
派射时间:20min ；
膜层厚度:80nm。
[0020](5)保护层的制备:在制备好的复合膜层基底上生长保护层，选取靶材Ti，反应气体是Ar与N2，基片加热生长保护层。
[0021]具体参数如下:
基片温度:400°C ；
气体比例:Ar:N2=97:3 ；
工作气压:1.0Pa ；
溅射功率:150W ；
派射时间:20min ；
膜层厚度:120nm。
[0022](6)引线:在上述步骤制备好的样品上固定电极并引出导线。即可制得合格的新型结构智能窗。
[0023]本实施例的智能窗，在紫外-红外透过率测试仪下测试，25°C、6V电压l_2min内，紫外光的吸收率是90%，可见光的透过率60%，红外线的阻隔率达到90%，断电后效果能长时间的维持。当温度降至20°C，本智能窗阻隔红外线的效果降低，红外线透过率是85%，可见光的透过率是80%，紫外光的吸收率依然是90%。相变温度明显降低。
[0024]实施例2 参见附图2，本实施例膜层结构下到上依次为:基片1、缓冲层3、热致变色层4、保护层
5、电加热层2。本实施例制备方法如下:
参见附图2，
(O基片的制备:将普通的平板玻璃基片裁成10cm*10cm正方形,在丙酮中超声洗漆IOmin,后在酒精中超声洗漆20min。
[0025](2)缓冲层的制备:采用中频或直流溅射，选取靶材Ti，反应气体是Ar与O2，基底加热生长缓冲层。
[0026]具体参数如下:
基片温度:500°C。
[0027]气体比例:Ar:02=7:1 ；
工作气压:1.0Pa ；
溅射功率:150W ；
派射时间:20min ；
膜层厚度:80nm。
[0028](3 )热致变色层的生长:在步骤(2 )制备的缓冲层基片上生长热致变色薄膜层VO2,选取靶材V，掺杂2%的MgO ;反应气体是Ar与02，基片加热生长热致变色层。
[0029]具体参数如下:
基片温度:400°C ；
气体比例:Ar:02=99:1 ；
工作气压:1.0Pa ；
溅射功率:120W ；
派射时间:30min ；
膜层厚度:80nm。
[0030](4)保护层的制备:在制备好的复合膜层基底上生长保护层，选取靶材Ti，反应气体是Ar与N2，基底加热生长保护层。
[0031]具体参数如下:
基片温度:300°C ；
气体比例:Ar: N2=99:1 ；
工作气压:1.0Pa ；
溅射功率:130W ；
派射时间:20min ；
膜层厚度:100nm。
[0032](5)电加热层的制备:在(I) - (4)步骤制备好的基片上制备电加热层，采用ITO透明导电胶印制，印刷后烘烤。参见附图3或附图4，横向印刷或纵向印刷均可。
[0033](6)引线:在上述制备好的样品上固定电极并引出导线。即可制得合格的新型结构智能窗。
[0034]本实施例制备的智能窗在紫外-红外透过率测试仪下测试，25°C、6V电压2min内，紫外光的吸收率是95%，可见光的透过率55%，红外线的阻隔率达到90%，断电后效果能长时间的维持。当温度降至20°C，本智能窗阻隔红外线的效果降低，红外线透过率是85%，可见光的透过率是70%，紫外光的吸收率依然是95%。
[0035]上述实施例1吸收紫外稍微差些，但是可见光透过率高，实施例2吸收紫外强，可见光透过率低。两种膜层的结构设计不一样，但是都可以达到相同的效果。
[0036]本发明结构简单，制作方便，解决了热致变色材料相变温度过高，无法大规模应用的问题。该智能窗可以通过施加较低的电压辅助控制热致变色薄膜，有效调节红外线透过。在环境温度低的情况下，热致变色薄膜呈半导体态，保持红外光透过；当环境温度高于室温20-25°C以上时，通过电加热，使热致变色薄膜温度达到相变温度，转变为金属相，有效阻隔红外线的透过。本发明实现了热致变色智能窗在室温下即可使用，可用于建筑玻璃、汽车、舰船、飞行器等领域。另外，本发明还可以结合夹胶、中空、贴膜等深加工方法复合使用，以提高其安全性能与使用范围。
【权利要求】
1.一种热致变色智能窗，该智能窗为全薄膜结构，其特征在于:所述智能窗结构从下到上依次为:基片(I)、电加热层(2)、缓冲层(3)、热致变色层(4)、保护层(5)，或者从下到上依次为:基片(I)、缓冲层(3)、热致变色层(4)、保护层(5)、电加热层(2)。
2.根据权利要求1所述的热致变色智能窗，其特征在于:所述基片(I)采用玻璃或其他透明高分子材料。
3.根据权利要求2所述的热致变色智能窗，其特征在于:所述透明高分子材料为PU、PMMA、PET 或 FRP。
4.根据权利要求1所述的热致变色智能窗，其特征还在于:所述缓冲层(3)材料为TiO2, SiO2, SiNx, TiNx, A1203、BiOx 其中的一种或几种，该膜层厚度 10-1000nm。
5.根据权利要求1所述的热致变色智能窗，其特征还在于:所述热致变色层(4)材料是掺杂F_、W0x、Mo0x、Mg0中的一种或几种的VO2，其膜层厚度I O-1 OOOnm。
6.根据权利要求1所述的热致变色智能窗，其特征还在于:所述保护层(5)材料是SiNx、TiNx, SiO2, TiO2其中的一种或几种，或透明高分子材料，所述保护层(5)厚度为10-1000nm。
7.根据权利要求1所述的热致变色智能窗，其特征还在于:所述电加热层(4)的材料为TCO导电浆、导电银浆、导电铜浆中的一种或几种，该加热层(4)厚度为100-5000nm。
8.权利要求1-7任一项所述的智能窗的制备方法，其特征在于:该制备方法如下: 当电加热层处于最上层时， 1)制备基片(I):采用平板玻璃或其他透明高分子薄膜，将基片(I)切割到一定尺寸，在清洗机内清洗后，移送至磁控溅射镀膜设备； 2)制备缓冲层(3):采用中频或直流溅射，靶材为T1、S1、B1、Al中的一种或几种，通入气体是Ar与O2或Ar与N2的混合气体，其中体积比:Ar: O2为99:1~5:1，Ar::N2为99:1~1:6，基片加热温度为100°C~600°C，该缓冲层厚度10~1000 nm ； 3)制备热致变色层(4):采用中频或直流溅射，在所述缓冲层(3)上生长热致变色层VO2，选取的靶材是V，通过掺杂的方式在该膜层中引入0.1%~10% (wt%)的F_、MgO、W0X、MoOx的一种或几种，气体采用Ar与O2混合气，体积比例Ar:02为99:1~9:1，基片加热温度100°C~600°C，膜层厚度10~1000nm ； 4)制备保护层(5):采用中频或直流溅射，在热致变色层(4)上生长保护层(5)，选取的靶材是Ti或硅，通入的气体是Ar与O2或Ar与N2混合气体，体积比例Ar:02为99:1~5:1，AriN2 为 99:1 ~5:1，膜层厚度 10 ~1000nm ； 5)制备电加热层(2):采用丝网印刷方式在保护层(5)表面上印刷一定形状的导电胶并烘干； 6)引线，在上述制备好的样品上固定电极并引出导线； 当电加热层(2)位于基片(I)上时，在制备好基片(I)后，采用丝网印刷方式在基片(I)表面上印刷一定形状的导电胶并烘干，其他膜层的制备方法与上述方法相同。
【文档编号】B32B15/20GK103692730SQ201310692460
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】栾晓波, 潘清涛, 陈支勇, 李娜, 程金树, 袁坚, 杨瑛 申请人:河北省沙河玻璃技术研究院