辐射制冷滤光片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种辐射制冷滤光片，包括基板，所述的基板单面抛光，所述基板的毛面上设有金属反射层，所述基板的抛光面上依次设有中间层和顶层；所述中间层包括交替设置的A层和B层；每层A层、B层的厚度为50～400nm；所述A层的材料为二氧化硅或氧化铝，所述B层的材料为二氧化钛、氮化硅或碳化硅；或，所述A层的材料为二氧化钛或氧化铝，所述B层的材料为二氧化硅、氮化硅或碳化硅；所述顶层的材料为氟化镱、氟化钇或硫化锌；中间层与顶层共同构成在大气透明窗口(8～13um波段)波段的多谐振吸收增强器。相比于传统的滤光片，本发明专利技术的滤光片不但能长时间地在强光下工作，并且能够实现被动地辐射制冷。

Radiation cooling filter and preparation method and application thereof

The invention discloses a radiation refrigeration filter, which comprises a substrate, the substrate is polished on one side, a metal reflective layer is arranged on the surface of the substrate, and the polishing surface of the substrate is successively provided with an intermediate layer and a top layer; the intermediate layer comprises alternately arranged A and B layers; the thickness of each layer A and B layers is 50-400 nm; The material of the A layer is silicon dioxide or alumina, and the material of the B layer is titanium dioxide, silicon nitride or silicon carbide; or the material of the A layer is titanium dioxide or alumina, and the material of the B layer is silicon dioxide, silicon nitride or silicon carbide; the material of the top layer is ytterbium fluoride, yttrium fluoride or zinc sulfide; the middle layer and the top layer. A multi resonance absorption enhancer is formed in the atmosphere transparent window (8 to 13um band) band. Compared with the traditional filter, the filter of the invention can not only work under strong light for a long time, but also realize passive radiation cooling.

【技术实现步骤摘要】
辐射制冷滤光片及其制备方法和应用
本专利技术涉及环保节能制冷领域及装饰领域，尤其涉及一种辐射制冷滤光片及其制备方法和应用。
技术介绍
颜色滤光片是一种在可见光波段选择性地反射或者透射特定波长而呈现不同颜色的常用光学器件，其红、绿、蓝三基色的颜色滤光片在液晶显示、光通信、传感探测和成像等领域有着广泛的应用。滤光片可以分为反射式滤光片和透射式滤光片，反射式滤光片是指滤光片能反射特定波长的光从而显示出特定颜色。当入射光源为白光(如太阳光)，反射式滤光片通过反射特定波段的光，从而显示出特定的颜色，其余波段的光可以选择透射到滤光片后表面的空间，更常见的做法是在滤光片的背面使用在可见光波段具有吸收特性的材料(如黑硅等)来吸收这一部分的光，同时也能防止环境光从后表面进入滤光片而降低滤光片的颜色纯度。因此，基于上述思路制备的滤光片吸收的光能会转化为无法被利用的热量，若承受长时间的强光照射，吸收的热量甚至会“烧坏”滤光片。故在炎热的夏天，当建筑物外观装饰所使用的滤光片往往需要冷却以延长其使用寿命，但却会增加建筑物的制冷能源消耗。大气透明窗口是指电磁波通过大气层时反射、吸收和散射较少，透射率较高的波段。与地表物体辐射相对应的大气透明窗口是8-13um波段。基于此，人们提出了辐射制冷的方法，其核心思想是物体将热量通过大气透明传输窗口辐射到温度极低的外太空；在辐射器的基础上加上对太阳辐射的反射模块可在日间实现制冷。基于辐射制冷的思想，研究人员提出多种方法。其中，Hossain等利用圆锥体超材料(CMM)柱阵列结构实现红外大气透明窗口(8-13μm)接近90％的峰值辐射系数(AMetamaterialEmitterforHighlyEfficientRadiativeCooling，AdvancedOpticalMaterials，31047-1051(2015))；zhu等采用二氧化硅平板上刻蚀周期孔阵列的三维光子晶体结构在红外大气透明窗口(8-13μm)的平均辐射系数在10°出射时高达96.2％(Radiativecoolingofsolarabsorbersusingavisiblytransparentphotoniccrystalthermalblackbody，PNAS，Vol112(5)，12285(2015))。但是上述方法提出的方法中，器件结构复杂、加工难度大，制备成本高，往往需要电子束曝光等复杂的纳米加工技术，不利于大规模大面积生产。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有辐射制冷功能的反射式滤光片，基于一维光子晶体和散射的原理，该滤光片通过反射、散射和吸收不同波段电磁波能量以呈现红绿蓝等不同颜色和实现日间辐射制冷，其结构简单，制备成本低，适合大规模生产。本专利技术提供了如下技术方案：一种辐射制冷滤光片，包括基板，所述的基板单面抛光，所述基板的毛面上设有金属反射层，所述基板的抛光面上依次设有中间层和顶层；所述中间层包括交替设置的A层和B层；每层A层、B层的厚度为50～400nm；所述A层的材料为二氧化硅或氧化铝，所述B层的材料为二氧化钛、氮化硅或碳化硅；或，所述A层的材料为二氧化钛或氧化铝，所述B层的材料为二氧化硅、氮化硅或碳化硅；所述顶层的材料为氟化镱、氟化钇或硫化锌；中间层与顶层共同构成在大气透明窗口(8～13um波段)波段的多谐振吸收增强器。基于材料的色散特性，在可见光波段内，二氧化硅或氧化铝为低折射率材料，二氧化钛、氮化硅或碳化硅为高折射率材料；在大气透明窗口波段内，二氧化钛或氧化铝为低折射率材料，二氧化硅、氮化硅或碳化硅为高折射率材料。在可见光波段或大气透明窗口波段内，A层和B层组成高、低折射率材料交替层叠的中间层。由于本专利技术的A层和B层材料在可见-近红外(0.3～2.5μm)波段的吸收极小，故整个结构在可见-近红外波段的吸收率极低，即对太阳辐射的吸收极少，并且基板的毛面结构配合金属反射层能有效地散射和反射96％以上的入射太阳辐射；中间层与顶层共同构成大气透明窗口的多谐振吸收增强器，在大气透明窗口具有很强的辐射能力，能够将物体热量以红外辐射的形式“投射”到外太空，从而达到制冷的目的。同时，在可见光波段(0.3um～0.78um)，辐射制冷滤光片反射特定波段的光，从而实现滤光功能。所述基板的材料可以为K9、熔融石英、蓝宝石、硅片、白玻璃等硬质材料，也可以为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等柔性有机材料。所述的金属反射层的材料为金、银或铝；所述金属反射层的厚度大于100nm。由于A层、B层和顶层的材料在0.3～2.5μm波段均无吸收，整个滤光片在0.3～2.5μm波段的反射率由基板的毛面结构和金属反射层共同决定。当金属反射层厚度大于100nm时，滤光片对太阳辐射波段的散射率和反射率之和超过96％。优选的，所述金属反射层的材料为金、银或铝；进一步优选的为银。所述的中间层由一个或多个A层/B层单元组成。优选的，所述的A层/B层单元个数为1～10。作为优选，所述的中间层中，各层的厚度为50～300nm。优选的，所述顶层的厚度为50～200nm。通过对中间层、顶层的厚度和层数进行优化，可以提高辐射制冷滤光片的滤光和制冷效果。优选的，所述的A层/B层单元个数为4～6；考虑大气透明窗口的高辐射要求，所述A层的材料为二氧化钛，厚度为50～200nm；所述B层的材料为二氧化硅或氧化铝，厚度为50～250nm；所述顶层的材料为硫化锌，厚度为5～100nm。为了进一步提高辐射制冷滤光片的制冷效率，优选的，所述的中间层为非周期结构。非周期结构是指，中间层中，各A层/B层单元的厚度不完全相同。优选的，所述A层的材料为二氧化钛，所述B层的材料为二氧化硅。二氧化硅和二氧化钛在可见光和大气透明窗口两个不同的波段内，都能构成高、低折射率交替结构，使制得的辐射制冷滤光片的制冷效果更好。优选的，所述A层的材料为二氧化钛，所述B层的材料为二氧化硅；A层靠近基板设置所述顶层的材料为硫化锌，厚度为95～100nm；A层/B层单元个数为6；由基板至顶层，中间层各层的厚度依次为89～91nm、110～115nm、85～90nm、78～82nm、90～95nm、80～85nm、83～87nm、120～125nm、175～180nm、115～120nm、85～90nm、85～90nm。该技术方案的辐射制冷滤光片为辐射制冷红光滤光片。优选的，所述A层的材料为二氧化钛；所述B层的材料为二氧化硅；A层靠近基板设置所述顶层的材料为硫化锌，厚度为168～173nm；A层/B层单元个数为5；由基板至顶层，中间层各层的厚度依次为100～105nm、165～168nm、108～112nm、145～148nm、125～130nm、120～125nm、138～143nm、100～105nm、158～163nm、60～62nm。该技术方案的辐射制冷滤光片为辐射制冷绿光滤光片。优选的，所述A层的材料为二氧化钛；所述B层的材料为二氧化硅；A层靠近基板设置所述顶层的材料为硫化锌，厚度为125～130nm；A层/B层单元个数为4；由基板至顶层，中间层各层的厚度依次为125～130nm、255～260nm、133～135nm、68～72nm、1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辐射制冷滤光片，包括基板，其特征在于，所述的基板单面抛光，所述基板的毛面上设有金属反射层，所述基板的抛光面上依次设有中间层和顶层；所述中间层包括交替设置的A层和B层；每层A层、B层的厚度为50～400nm；所述A层的材料为二氧化硅或氧化铝，所述B层的材料为二氧化钛、氮化硅或碳化硅；或，所述A层的材料为二氧化钛或氧化铝，所述B层的材料为二氧化硅、氮化硅或碳化硅；所述顶层的材料为氟化镱、氟化钇或硫化锌；中间层与顶层共同构成在大气透明窗口(8～13um波段)波段的多谐振吸收增强器。

【技术特征摘要】
1.一种辐射制冷滤光片，包括基板，其特征在于，所述的基板单面抛光，所述基板的毛面上设有金属反射层，所述基板的抛光面上依次设有中间层和顶层；所述中间层包括交替设置的A层和B层；每层A层、B层的厚度为50～400nm；所述A层的材料为二氧化硅或氧化铝，所述B层的材料为二氧化钛、氮化硅或碳化硅；或，所述A层的材料为二氧化钛或氧化铝，所述B层的材料为二氧化硅、氮化硅或碳化硅；所述顶层的材料为氟化镱、氟化钇或硫化锌；中间层与顶层共同构成在大气透明窗口(8～13um波段)波段的多谐振吸收增强器。2.根据权利要求1所述的辐射制冷滤光片，其特征在于，所述基板的材料为K9、熔融石英、蓝宝石、硅片、白玻璃等硬质材料，也可以为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等柔性有机材料。3.根据权利要求1所述的辐射制冷滤光片，其特征在于，所述的金属反射层的材料为金、银或铝；所述金属反射层的厚度大于100nm。4.根据权利要求1所述的辐射制冷滤光片，其特征在于，所述的中间层由一个或多个A层/B层单元组成；所述的A层/B层单元个数为1～10。5.根据权利要求1所述的辐射...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈伟东，袁华新，杨陈楹，郑晓雯，沐雯，王震，袁文佳，章岳光，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33