一种基于光学薄膜的透明辐射制冷器件及制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学薄膜的透明辐射制冷器件及制备方法


[0001]本专利技术涉及辐射冷却相关
，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。

技术介绍

[0002]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
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5μm和8
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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。
[0003]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
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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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。本专利技术提供了一种基
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。
[0007]本专利技术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。
[0008]一种基于光学薄膜的辐射制冷器件，包括：
[0009]基板，其采用具备高导热率的透明材料；
[0010]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
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660nm)透过率在60％以上，在大气窗口波段(8
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13μm)辐射率在50％以上。
[0011]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
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5mm。
[0012]本专利技术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。
[0013]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。在此专利技术中，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。
[0014]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。
[0015]作为优选，本专利技术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：
[0016]基板，采用碳化硅材料；
[0017]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
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660nm之间；所述大气窗口波段在8
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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
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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
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0.9。
[0018]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇旻，杜凯凯，李晓萱，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：