专利名称：：光学膜的制作方法
技术领域：
：本发明涉及具有抗反射性能的纳米结构及其在光学膜中的应用。更具体地，本发明涉及同时具有抗反射和自清洁性能的这种结构及其在诸如太阳能电池组件和太阳能聚集器等光捕获装置中的应用。
背景技术：
：表面的光反射降低了用于光收集的装置的效率，所述用于光收集的装置例如用于发电或发热，或用于制氢，或捕获光而用于传输目的，例如用于沿光导器传输光以照明建筑物内部或简单地照明几乎没有自然入射光之处的黑暗内部。太阳能聚集器是将光从阳光直照的相对较宽区域聚焦到能量转换装置(例如，光伏电池)所处的较小区域中的可选系统，由此允许使用较小的转换器并因而降低太阳能系统的成本(其通常由能量转换器的价格决定)。从诸如太阳能电池组件或折射太阳能聚集器等透射光收集装置的表面反射的所有光都损耗，由此使总的收集光减少。通过将抗反射涂层置于光收集表面的外侧上，减少反射，由此使收集器的效率提高。累积在光收集装置外侧上的灰尘和污垢，由于使表面透射减少，因而也会降低装置效率。因此，必须清洁太阳能板和太阳能收集器，以使其效率随时间推移得以保持。即使在具有阳光直照程度高的环境中，也常常发生降雨，这可有助于清洁这种装置的外表面。此外，可用洒水器实施低成本的人工可替代方案替代降雨来执行这样的清洁。在降雨或洒水系统的作用下能够自清洁、去除灰尘和污物的表面当存在于光收集装置上时将是特别有益的。光反射的问题还可影响到显示器表面，特别是用于显示电子制式影像的显示器表面，例如在电视接收机、电脑显示器、投影显示系统等中所用的显示器表面。来自显示器表面的环境光的反射产生分散的表面反射或闪光，由此降低了影像质量。
发明内容在一个方面，本发明提供一种基板，例如透明光学基板膜，包括作为抗反射表面操作的调制纳米脊结构。本发明还涉及具有改进抗反射性能的这种基板，特别是在宽范围光入射角度上、尤其在大光入射角(例如，以相对于表面法向的大于60度的角)情况下作为有效的入射光(例如光学光)抗反射体的基板。至少根据本发明该方面的基板特别适用于诸如太阳能电池组件和太阳能聚集器等光捕获装置的表面和显示器的表面，以减少分散的表面反射。在另一个方面，本发明提供一种基板，例如，透明光学基板膜，包括同时用作抗反射表面和自清洁表面的调制纳米脊结构。这些基板特别适用于诸如太阳能电池、光学聚集器和窗户等需要保持清洁的光收集装置的外表面上。从一个方面可见，因而本发明提供一种纳米结构，包括多个纳米脊，其中每个纳米脊的高度是调制的，由此沿每个纳米脊的长度形成一个或多个峰(例如，一系列峰)。通常，每个纳米脊的长度将远大于其高度(例如，其最大高度)。典型地，每个纳米脊的长度将在3cm的量级，例如，大于lcm。为了使抗反射性能最大化(基于对光"显现"为具有分级折射率界面的表面的效果)，优选的是，纳米结构的一个或多个尺寸，优选全部尺寸小于入射光的半波长。这些尺寸包括特别是每个纳米脊的间距和高度(以及还优选最大高度)、沿纳米脊结构的长度设置的每个峰的间距和高度，和相邻纳米脊和/或峰的间隔(在相邻纳米脊和/或峰在其底部不接触的情况下)。优选地，纳米结构的尺寸将小于波长，更优选地小于入射光的半波长，例如小于入射光的1/4波长。虽然入射光包含宽范围波长，不过优选是指能理想地减少反射所涉及的入射光。通常有意义的波长为光学范围内(至近红外)的波长，即，400nm至1000纳米范围内的波长，这是因为，这些波长是使光伏电池能用于产生电流的波长。每个纳米脊的精确形状和尺寸(以及沿纳米脊的长度所形成的峰的精确形状和尺寸)不是严格的，可以想到的是，宽范围的不同形状和尺寸也能对沿每个纳米脊的高度提供所需调制，从而提供理想的抗反射性能。本领域技术人员可容易确定适合的形状和尺寸。例如，纳米脊和/或峰可为成角度的，平滑的，弯曲的，钝形的，等等，或者为这些形状的任意组合。在给定的纳米结构内，不同纳米脊可具有不同的形状和/或尺寸。同样考虑沿给定纳米脊的不同峰的形状和尺寸，和/或不同纳米脊上的不同峰。不过，通常优选的是，每个纳米脊(及其相应峰)在形状和尺寸上(至少在制造工艺的允许限度内)大致相同。类似地，纳米脊的精确取向和间隔以及沿特定纳米脊的峰间隔可变，但仍可实现在此描述的理想效果。不过，优选的是，这些结构有规律地分开，优选紧邻排布(例如，这些结构具有零间隔)。更优选地，根据本发明的纳米结构将在结构上大致有规律。纳米脊的最大高度和/或间距在不同纳米脊之间可以变化，不过，这些参数将大致相同。类似地，每个峰的间距在给定纳米脊上各峰之间和在不同纳米脊上的各峰之间可以变化。不过，优选的是，单一纳米脊上的所有峰、更优选所有纳米脊上的所有峰都具有大致相同的间距。在本发明特别优选的实施方式中，沿每个纳米脊的高度变化将恒定(即，有规律的)，所有纳米脊的尺寸和结构大致相同。特别优选的是其中提供了规则、重复的结构。在沿纳米脊长度的任何部位处，根据本发明的纳米脊的"高度"是从纳米脊的底部至其最高表面测得的距离，并包括此位置存在的任何峰的高度。由于存在一个或多个峰，因而每个纳米脊的高度将沿纳米脊的长度而变化(即，调制)。任何特定纳米脊的最大高度为从纳米脊的底部至最高峰上的最高点的最大距离。在此关于纳米脊所用的术语"间距"意在表示相邻纳米脊的中点之间的平均距离，并意在表示结构的周期性。关于所述峰所用的术语"间距"是指在任何一个纳米脊上相邻峰的中点之间的平均距离。优选的是，纳米脊的最大高度范围为50nm至800nm，更特别为100nm至600nm，优选为100nm至300nm，特别是180nm至200nm，例如约200nm。优选地，每个纳米脊的间距范围为50nm至800nm，更特别为100nm至600nm，优选为100nm至300nm，特别是180nm至200nm，例如约200nm。在特别优选的方面，任何特定的纳米脊的间距和最大高度(更优选结构中基本上所有纳米脊的间距和最大高度)将大致相同，例如约为200nm。优选地，纳米脊有规律地分开并取向大致相同。通常这些纳米脊在结构上呈周期性，从而形成一系列大致平行的纳米脊。更优选地，相邻纳米脊将紧邻分开，例如具有小于入射光的波长的间隔(即，相邻纳米脊底部之间的距离)，更优选地小于入射光的半波长。进一步优选地，相邻纳米脊具有零间隙，即，这些纳米脊在底部接触。相邻脊上的峰可彼此同相或异相，不过，这些峰优选呈异相，例如呈180度异相。最优选地，这些峰将形成有规律的阵列，优选大致为六边形阵列。当以六边形图样分开时，各个峰的中心通常具有150至300nm、优选200至250nm、例如约为231nm的间隔。根据本发明的纳米结构中每个纳米脊将包含一个或多个峰，优选包括一系列峰。关于峰尺寸，优选的是，峰高为纳米脊最大高度的10至90%，优选15至50%。"峰高"是指脊调制深度，即，峰与相邻谷之间的高度差。优选峰高可在10nm至200nm的范围内，优选20nm至100nm，最特别为30nm至50nm。当所述结构不均一时，峰高在不同纳米脊之间以及在同一纳米脊内可变化。在特别优选的方面，所有纳米脊将具有大致相同的峰高。虽然位于纳米脊上的各峰的间距不需彼此相同，但优选的是，峰间距在整个纳米结构中大致相同。峰间距的典型值在100nm至400nm的范围内，优选150nm至350nm，特别为200nm至250nm，例如约为231nm。优选的是，各纳米脊取向相同，例如，它们彼此平行地延伸，且相邻纳米脊底部接触(即，各纳米脊具有零间隙)。对于单一纳米脊而言，优选大致为线性，即，纳米脊自身大致沿直线延伸而没有任何显著的弯曲或角度。因此，平行的线性纳米脊是特别优选的。纳米脊的确切形状不是严格的。不过，为了改进所述结构的抗反射能力，优选的是，这些纳米脊形状应实现梯度折射率，这使得入射光在由于折射系数急剧变化所致的反射最小(优选为零)的情况下行进通过所述结构。类似考虑也适用于沿每个纳米脊的长度设置的峰的形状。通常可通过随结构高度增大而逐步縮小(即，具有减小的截面积)的纳米脊结构而提供折射率的平滑过渡，例如，可逐渐縮小以形成峰。这样的结构形成具有多个竖直开口或孔的多孔结构。由于所述结构的多孔率随结构高度而增大，因而所述结构具有梯度折射率，由此使得在大波长带和宽范围的光入射角上具有低反射率。纳米脊和峰可以形成能够提供折射率平滑过渡的任何形状。通常这些结构将具有成角度的形状，例如提供近似三角形的横截面，其中脊的顶部形成尖突。不过，这些结构可相对较钝(即平坦)或较圆滑(即弯曲或平滑)。例如，这些结构可具有波形横截面。脊和峰的形状可相互独立选择。不过，优选的是，所有峰具有大致相同的形状且所有脊具有大致相同的形状(不过可能是与峰不同的形状)。在特别优选的实施例中，脊和峰将具有相同形状(不过可能具有不同尺寸)。各纳米脊的底部可相互分开或者可接触。当这些基底分开时，它们通常以小于或等于入射光(例如可见光)波长的距离分离。分开的纳米脊可具有正方形、矩形或三角形的外形，不过，这些纳米脊优选具有三角形外形以使抗反射性能最大化。优选相邻纳米脊的底部接触。在此描述的纳米结构优选使供纳米结构设置其上的基板的表面反射率减小至在400nm至1000nm的波长范围内小于2%，优选小于1%。本发明的纳米结构自身能够防水并因而能够自清洁，这是因为，水位于结构峰的顶部，并因而升高至大部分为空气的界面上方。当水滴滚过表面上的污物颗粒时(例如降雨之后)，这些污物颗粒粘到水滴表面，然后被带离。优选地，本发明的纳米结构将呈现出大于150°的水接触角，即它们是超疏水的。不过，纳米结构的疏水性质可利用疏水材料、优选高度疏水材料来增强。例如，纳5米结构可包括疏水材料。可替代地或者另外地，这些结构可用疏水材料涂覆。适合的涂层技术是本领域中公知的，不过，优选的方法是等离子体辅助化学气相沉积。"疏水材料"是指斥水的任何材料，特别是具有至少100°水接触角的材料。这种材料的示例典型地为碳氟化合物，例如PTFE(Teflon)，和用氟烷基硅烷涂覆的材料。在纳米结构可经受机械磨损的情况下，也可涂覆可选的保护性硬涂层，优选在疏水涂层之前涂覆。本发明的纳米结构可形成为任何适合基板上的表面层，不过通常这种基板为玻璃或聚合物基板，例如透明的聚合物膜或玻璃板。适合的聚合物基板可包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或者可为包括PMMA或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、环烯共聚物(C0C)和许多其它物质的共聚物或混合物。设置有在此说明的纳米结构的基板形成本发明的另一个方面。设置有在此说明的纳米结构的基板可通过现有技术中公知的各种方法生产，所述方法例如为蚀刻(例如等离子体蚀刻)，化学气相沉积(例如等离子体增强化学气相沉积)，溶胶凝胶法，相分离，微压印或模制，光刻图案化技术(例如全息光刻、深UV或电子束光刻)。这些技术中的任一种均可用于形成主体工具(mastertool)，主体工具然后被复制在巻对巻工艺(roll-to-rollprocess)上，以生产所需抗反射膜。全息光刻是无掩模全息技术，其通过干涉实现细微特征大小的图案化。这种技术包括通过将至少两条来自激光器或其它相干源的束重叠而暴露于光敏膜中的周期性或半周期性的图案。然后，可利用公知的光刻技术并使用被记录的图样而在下方材料中形成图案。在必要时，以这种方式生产的小规模纳米结构可用例如US2007/0023692中所述的方法无缝缝合在一起以形成更大规模的结构。纳米结构图案由此形成在光刻胶层中(通常在玻璃上)。然后，可利用镍电化成型将此图案复制到金属模中，并将来自之前的电镀进行进一步的电镀。最后，通过初始主体结构的一次或多次复制形成金属"薄垫片"，该金属"薄垫片"弯曲覆盖"铸造鼓"的表面，所述"铸造鼓"然后可用于复制所述结构。特别适用于复制在此描述的表面层和纳米结构的方法包括热压成形或UV可固化树脂涂层铸造，这些方法可通过批量或连续的双巻轴(reel-to-reel)方式进行。压印辊能够连续生产具有大面积纳米结构的材料。在优选实施方式中，根据本发明的基板的生产工艺包括热压成形或UV可固化树脂涂层铸造。已经发现本发明的纳米结构具有抗反射和/或自清洁性能。因此，本发明的另一个方面提供了本发明的纳米结构、表面层或光学膜的用于实现抗反射和/或自清洁作用的应用。特别优选的是，在大光入射角时保持抗反射作用。特别优选的是，本发明的纳米结构、表面层或光学膜同时实现抗反射和自清洁作用。由于其自清洁和抗反射性能，本发明的纳米结构、表面层和膜特别适用于窗户、太阳能聚集器、平坦太阳能电池组件或者目的在于捕获和传输光的其它表面。在又一个实施方式中，本发明提供了窗户、太阳能聚集器、平坦太阳能电池组件或者目的在于捕获和传送光的其它表面，其包括文中所述纳米结构、表面层或光学膜。由于其抗反射性能，因而在此描述的结构也可置于影像显示装置的外表面上，以减少反射并防止由于外来光所致的光干涉或图像闪光，并由此增强图像的可视性。这种装置的示例包括用于液晶显示器(LCD)的偏振膜，直视显示器上的屏幕或在投影显示中所投影到的屏幕，等离子体显示面板，和光学透镜。现在将通过以下非限制性实施例并参照附图描述本发明的某些优选实施方式，其中图1是根据本发明实施方式的单一纳米脊的示意性视图(纵向截面)；图2和3是根据本发明实施方式的一系列纳米脊的示意性视图(横向截面)；图4是根据本发明实施方式的多个纳米脊的示意性视图(当从上方观看时)；图5是显示出根据实施例1在光入射角范围内(0至60°)不同表面的入射光透射率％的曲线；图6是显示出当纳米脊平行于入射光方向和横向于入射光方向(转置)时根据本发明的纳米结构的反射结果的曲线；图7是将根据本发明的调制纳米脊结构的反射结果与通过MARAG膜所获得的反射结果相比较的曲线；禾口图8是显示出根据本发明的纳米结构与MARAG膜相比在400nm至700nm的多波长范围的总镜面反射率的曲线。具体实施例方式图i示意性显示出通过单一纳米脊的截面的纵剖面，单一纳米脊形成了根据本发明实施方式的纳米结构的一部分。纳米脊1设置有多个相同的峰2，峰2具有成角度的外形，且每个峰2渐縮至尖端3。每个峰具有峰高h2和峰间距p2。在沿纳米脊长度的任意给定部位，纳米脊的高度是从纳米脊底部4至纳米脊1上表面5测得的距离。在图1中，纳米脊1的最大高度h是从纳米脊底部4至峰2之一的尖端3的距离。在所示实施方式中，纳米脊1沿其长度是线性的。沿纳米脊长度形成的一系列峰和谷提供了理想的纳米脊高度调制。图2示意性显示出通过多个相同取向或平行的纳米脊6的横向界面，纳米脊6具有纳米脊间距pl(在相邻纳米脊的中点之间的距离)。每个纳米脊6具有成角度的外形，并设置有多个相同角度的峰7(不过为了说明目的，每个纳米脊上仅显示出第一峰)。在所示特定纳米结构中，相邻的纳米脊6在其底部接触(即具有零间隔)，相邻纳米脊上的峰7呈180°异相。实线显示出纳米结构的横截面外形(包括交替的峰7和谷8)。沿每个纳米脊6长度的连续的峰和谷提供理想的纳米脊高度调制。每个纳米脊上的第二峰或谷用虚线例示。在图2中，每个纳米脊6的最大高度是从纳米脊底部9至峰7之一的尖端10测得的距离。图3示意性显示出通过多个相同取向的或平行的纳米脊11的横向截面，纳米脊11具有纳米脊间距pl。每个纳米脊11具有波状或弯曲的外形，并设置有多个相同的平滑或弯曲的峰12。相邻的纳米脊11在其底部接触(即具有零间隔)，相邻纳米脊上的峰12呈180°异相。沿每个纳米脊11长度的连续的峰12和谷13提供所需纳米脊高度调制。在图73中，每个纳米脊11的最大高度是从纳米脊基底14至峰12之一的尖端15的距离。图4示意性表示出设置有多个相同峰的一系列相同的平行纳米脊16。相邻纳米脊16上的峰的最高点17呈180。异相，并形成六边形阵列。纳米脊间距pl是相邻纳米脊16的中点之间的距离，并呈现出纳米结构的周期性。同一个纳米脊16上的相邻峰的最高点17之间的间隔为峰间距。在本发明特别优选的实施方式中，Pl为200nm，p2为231nm。实施例1适合的脊外形通过光刻胶中的UV干涉图案化而形成。接着用手工铸造UV可固化树脂膜将此结构复制到镍电化成型模中，然后用此成型模制备根据本发明的纳米结构，并使用准直白光源、精密成角膜保持器、校准精密光探测器和积分球来测量反射率。结果:在纳米脊平行于入射光方向取向的情况下测定调制纳米脊结构的反射性能，并与以下情况进行比较1、设置在相同基底膜上并由相同树脂形成的平坦结构。这种树脂为Rad-KoteX_6JA_68_A，是——禾中由Rad—CureCorporation,9AudreyPlace,Fairfield,NewJersey07004在市场销售的漆。这种漆已配制成通过可见光固化，且其粘度为500cP。2、相同的调制纳米脊结构，但经旋转90°(S卩，纳米脊横向于入射光方向取向)。3、MARAG(蛾眼防闪光)膜(由Autotype生产)。结果显示在图58中。由图6可见，在校正取向的脊(平行于入射光方向)与横向于入射光方向(转置)的脊之间的反射率结果的边界改进(marginalimprovement)表明(a)纳米结构保持了各向异性；和(b)其各向异性较小。图7对根据本发明的调制纳米脊结构的结果与通过MARAG膜所获得的结果相比较。这显示出(a)在零度处的差别很小；和(b)调制纳米脊在大入射角(特别是超过30度)情况下具有改进的反射性能。还在Minolta分光光度计中对8度时漫反射率进行测量。图8显示出根据本发明的纳米结构与MARAG膜相比在400nm至700nm的多波长范围的总镜面反射率。本发明的调制纳米结构在所检测的所有波长上呈现出较低的反射率。实施例2:用高疏水氟化烃的几纳米涂层通过离子体辅助化学气相沉积对实施例1中制备的调制纳米结构膜进行表面处理以提供疏水涂层。进行接触角测量，并与通过对应平坦结构所获得的结果进行比较。使用来自FibroSystemAG(瑞典)的PG_X"小型"测角器及其附属软件。所述系统将液滴(在此为去离子水液滴)沉积在膜表面上，并使用成像系统测量液滴的曲率。使用已知曲率的球校准所述系统。结果:根据本发明的涂层调制纳米结构与设置有相同涂层的平坦表面相比的结果示于表l中表1-接触角测量<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>根据本发明的纳米结构上的接触角测量给出了约150至160度的值(这是超疏水表面的特征)。没有纳米结构的相同表面涂层给出仅为120至125度的接触角。权利要求一种纳米结构，包括多个纳米脊，其中，每个所述纳米脊的高度是调制的，由此沿每个所述纳米脊的长度形成一个或多个峰(例如一系列峰)。2.如权利要求1所述的纳米结构，其中，每个所述纳米脊的总高度和/或间距小于入射光(例如光学光)的半波长。3.如权利要求1或2所述的纳米结构，其中，所述纳米脊相对于彼此大致相同取向。4.如权利要求1至3中任一项所述的纳米结构，其中，所述相邻纳米脊上的峰相互异相，优选180度异相。5.如权利要求4所述的纳米结构，其中，所述峰形成大致六边形的阵列。6.如前述权利要求中任一项所述的纳米结构，其中，每个所述峰的高度在所述纳米脊的总高度的10%至90%的范围内。7.如前述权利要求中任一项所述的纳米结构，其中，每个所述纳米脊的间距在100nm至300nm的范围内。8.如前述权利要求中任100nm至300nm的范围内。9.如前述权利要求中任-280nm的范围内，且优选231nm10.如前述权利要求中任-范围内。11.如前述权利要求中任-用疏水材料涂覆。12.如前述权利要求中任150°。13.—种基板，包括如前述权利要求中任一项所述的纳米结构。14.如权利要求13所述的基板，其中，所述纳米结构形成为透明聚合物或玻璃板上的表面层。15.如权利要求14所述的基板，所述基板为光学膜。16.—种如权利要求15所述的基板作为抗反射和/或自清洁膜的应用。17.—种如权利要求15或16所述的基板的应用，用在适于捕获并透射光的表面上，例如窗户、太阳能聚集器或平坦太阳能电池组件上。18.—种如权利要求13至16中任一项所述的基板在显示器表面上的应用。-项所述的纳米结构，其中，每个所述纳米脊的总高度在项所述的纳米结构，其中，每个所述峰的间距在180nm至项所述的纳米结构，其中，每个峰的高度在30nm至50nm的项所述的纳米结构，其中，所述纳米脊包括疏水材料和/或-项所述的纳米结构，所述纳米结构呈现出的水接触角大于全文摘要本发明提供一种纳米结构，其包括多个纳米脊，其中，每个纳米脊的高度是调制的，由此沿每个纳米脊的长度形成一个或多个峰(例如，一系列峰)。文档编号G02B5/18GK101720441SQ200880022200公开日2010年6月2日申请日期2008年6月27日优先权日2007年6月28日发明者尼古拉斯·西蒙·沃克申请人:微尖科技有限公司