專利名稱：一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及可見光吸收及紅外輻射技術領域，具體涉及一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜的制作方法。
背景技術：
可見光能量尤其是太陽光能量的利用是綠色能源的一個重要方面。目前，可見光的主要利用途徑是將可見光能量吸收，然后轉換為可利用的其他能量形式，其中涉及到光電轉換材料、光熱轉換材料等。光熱轉換材料的利用尤其普遍，例如太陽能熱水器、太陽能熱發電和太陽房、太陽能空調等都用到了光熱轉換材料。而現在普遍使用的可見光吸收材料為SiC、陶瓷等。可見光吸收性能的影響因素主要有吸收層的材料、顏色、結構和厚度等。可見光的吸收有兩種一般吸收和選擇吸收。一般吸收物質對光能的吸收很少，吸收系數與波長無關，并且對某一波段的光的吸收量幾乎一樣；選擇吸收物質對光能的吸收很多，并且隨波長的變化而劇烈變化。由于可見光被選擇吸收，會使白光變為彩色光，物體呈現顏色，都是其表面或體內對可見光進行選擇吸收的結果，黑色物質對可見光各波段的光都有很強的吸收作用。材料的結構也對可見光的吸收有很大影響，通過研究可知，多孔結構的材料可以明顯增大可見光的吸收系數，同時多孔粗糙的表面結構能夠明顯減小反射光強。紅外輻射材料是在一定紅外波段范圍內具有較高輻射率和較高輻射強度的無機材料，已在軍事技術、工農業生產、空間技術、資源勘測、氣象預報和環境科學等許多不同的領域內獲得了廣泛應用。高性能紅外輻射材料的研制是目前紅外領域的主要課題之一，其實現方式有很多，包括高紅外輻射涂層、高紅外輻射陶瓷、以及各種能夠提高紅外輻射的摻雜材料等。實際物體的發射率除了依賴于溫度和波長外，還與構成該物體的材料性質及表面狀態等因素有關。不同材料的發射率不同，金屬的發射率比非金屬的要小。表面光潔度不同的物體發射率不同，通常表面粗糙的材料發射率比光潔表面高。表面顏色也影響物體發射率，以黑色為代表的深色系物體表面發射率比淺色系高。總之，在可見光吸收材料領域和紅外輻射材料領域，都有比較成熟的技術，如廣泛用于太陽能熱水器的SiC可見光吸收材料和用于工業窯爐中來節能的高紅外發射率涂層等。但是能夠兼具高可見光吸收和高紅外輻射兩種性能的材料卻很少，目前報道的只有某些陶瓷材料有這種功能。但是，陶瓷材料的制作工藝復雜，成型困難，可塑性較差，在一些要求微結構加工的領域無法得到應用。
發明內容
本發明提出了一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜的制作方法，該方法基于微機械加工工藝，制作過程主要分為吸收層制作和輻射層制作；吸收層通過微機械加工工藝使附著在透明襯底上的膠層焦化膨脹，形成黑色多孔蓬松狀物質，具有高可見光吸收性能的特征，是吸收可見光的主要區域；輻射層是在吸收層的基礎上進行再加工，濺射高紅外輻射材料，使其具有粗糙的表面，其作用是進一步提高可見光吸收性能，同時具有高紅外輻射的特征。該方法實現的具體過程如下選擇透可見光襯底，襯底操作面平整，大小根據實際需要確定；依次采用超聲波、 丙酮、乙醇和去離子水徹底清洗；在清洗后的襯底操作面上旋涂光刻膠，形成膠層；膠層面積根據實際需要確定，小面積直接加工而成，而較大面積則用小面積進行拼接制作；膠層的厚度根據透明襯底材料的熱導率和表面附著性能確定，透明襯底材料的熱導率越高，膠層需要的厚度越大；透明材料的表面附著性能越高，膠層需要的厚度越小；采用微機械加工技術控制工藝過程碳化膠層，形成吸收層，膠層被碳化的厚度根據微機械加工技術能使膠層碳化的能力和輻射層透光性決定，碳化程度越高，需要吸收層碳化厚度越小；輻射層透光性越大，需要吸收層碳化厚度越大；最后在吸收層的表面制作一層輻射層，形成兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜。進一步地，在制作膠層后，通過光刻工藝將膠層刻成所需圖形，然后制作完輻射層時，再對輻射層進行光刻刻蝕，形成于膠層圖形重合的輻射層，以完成特定需求。有益效果1)本發明實現了兼具高可見光吸收性能和高紅外輻射性能的薄膜的制作，該方法基于微機械加工工藝制作過程主要分為吸收層制作和輻射層制作；加工工藝較為簡單；同時，吸收層通過微機械加工工藝使附著在透明襯底上的膠層焦化膨脹，形成黑色多孔蓬松狀物質，具有高可見光吸收性能的特征，是吸收可見光的主要區域；輻射層是在吸收層的基礎上進行再加工，濺射高紅外輻射材料，使其具有粗糙的表面，其作用是進一步提高可見光吸收性能，同時具有高紅外輻射的特征。2)吸收層的原材料采用光刻膠，所以此薄膜可以在碳化前通過光刻技術使得吸收層其具有各種微結構，控制靈活，厚度和圖案成型尺寸控制精度高。
圖1為包括襯底在內的吸收輻射膜切面示意圖。圖2為高可見光吸收高紅外輻射膜的使用示意圖。圖3為利用微機械工藝做出的微結構示意圖。
具體實施例方式本發明提出了一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜的制作方法，采用微機械加工工藝制作，薄膜的吸收層吸收入射的可見光，同時可見光能量傳輸到具有高紅外輻射性能的輻射層向外輻射，完成可見光到紅外光的轉換。下面結合附圖以一種可見光到紅外轉換芯片為例，對本發明進行詳細描述。圖1為包括襯底在內的兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜切面示意圖。如圖所示，包括襯底1、膠層2、碳化層3和輻射層4。其中膠層2和碳化層3結合構成吸收層5。 該應用實例制作的具體過程如下步驟一選擇襯底。可見光到紅外轉換芯片的用途決定了襯底1的材料，可見光到紅外轉換芯片采用透射形式，所以襯底要求為透明材料，同時要求襯底的熱導率不能太大， 所以選取石英作為襯底1的材料。石英材料的表面附著性決定吸收層5的厚度，附著性越差則吸收層5厚度越大，所以要求石英襯底1的表面有一定粗糙度，即有一定附著力。襯底1的面積決定了器件的有效面積，在此采用2寸面積。步驟二 清洗襯底。為保證薄膜的均勻性，襯底的操作面需要徹底清洗。利用超聲波、丙酮、乙醇和去離子水分別徹底清洗。步驟三旋涂膠層。膠層2的厚度由襯底1材料的熱導性和襯底1的表面附著性決定，其原則是保證薄膜能夠牢固的附著在襯底上，同時不會因為離襯底太近而導致影響應該傳導向輻射層的能量。根據選定的石英襯底材料確定膠層2的厚度為2 μ m。步驟四光刻圖形。利用光刻工藝制作30μπιΧ30μπι，間距20μπι的圖案，如圖3 所示。步驟五碳化膠層形成吸收層5。利用MEMS技術，控制工藝碳化光刻后的微結構， 利用反應離子刻蝕機進行碳化，碳化厚度調整功率、壓力等實現。碳化的厚度根據碳化程度和輻射層4透光性決定。由于輻射層4使用石墨，石墨的透光性很差，所以碳化層3厚度選擇為0. 2 μ m。該吸收層通過微機械加工工藝使附著在透明襯底上的膠層焦化膨脹，形成黑色多孔蓬松狀物質，膠層進行碳化后，可以大幅度的減少入射光的放射和透射，使該片子具有高可見光吸收性能的特征，是吸收可見光的主要區域；步驟六濺射輻射層。可見光到紅外轉換芯片要求薄膜有很高的紅外輻射能力，所以輻射層4可選石墨層，在實際操作中還可以選擇鎢、碳化硅。石墨的厚度不能太厚，否則影響吸收層的熱傳遞效率，最后選取石墨紅外輻射層4 的厚度為0.5 μ m。步驟七刻蝕輻射層。由于在濺射時沒有選擇性，吸收層圖案之外也濺射了輻射層，為保證吸收層和輻射層的統一性，需要對腐蝕層進行光刻刻蝕，形成與吸收層圖案相同的輻射層。輻射層是在吸收層的基礎上進行再加工，濺射高紅外輻射材料，使其具有粗糙的表面，其作用是進一步吸收透射光，提高可見光吸收性能，同時具有高紅外輻射的特征。通過涂膠、對版、光刻、顯影、刻蝕、去膠等工藝去除微結構間距上的石墨。根據上述過程形成的薄膜，具有高的可見光吸收性能和高紅外輻射性能，整個過程通過微機械加工工藝實現，可控性強，能夠精確的形成各種微結構。
權利要求
1.一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜的制作方法，其特征在于該薄膜制作的過程具體如下步驟一選擇透可見光襯底，大小根據實際需要確定；步驟二 清洗襯底操作面；步驟三在清洗后的襯底操作面上旋涂光刻膠，形成膠層；膠層面積根據實際需要確定，小面積直接加工而成，而較大面積則用小面積進行拼接制作；膠層的厚度根據透明襯底材料的熱導率和表面附著性能確定，透明襯底材料的熱導率越高，膠層需要的厚度越大；透明材料的表面附著性能越高，膠層需要的厚度越小；步驟四采用微機械加工技術控制工藝過程碳化膠層，形成吸收層；膠層被碳化的厚度根據微機械加工技術碳化膠層的能力和輻射層透光性決定，碳化程度越高，需要吸收層碳化厚度越小；輻射層透光性越大，需要吸收層碳化厚度越大；步驟五在吸收層的表面濺射一層高紅外輻射材料形成輻射層，最終形成兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜。
2.如權利要求1所述的一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜的制作方法，其特征在于所述步驟二清洗襯底操作面具體為依次采用超聲波、丙酮、乙醇和去離子水徹底清洗襯底操作面。
3.如權利要求1所述的一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜的制作方法，其特征在于進一步地，在制作膠層后，通過光刻工藝將膠層刻成所需圖形，然后制作完輻射層時，再對輻射層進行光刻刻蝕，形成于膠層圖形重合的輻射層。
4.如權利要求1所述的一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜的制作方法，其特征在于所述小面積為1 3英寸。
全文摘要
本發明公開了一種兼具高可見光吸收和高紅外輻射的薄膜制作方法，包括襯底、吸收層和輻射層；襯底根據應用領域確定，一般為透明材料；吸收層由膠層和碳化層構成，是在原膠層的基礎上進行碳化形成的黑色多孔蓬松狀物質，具有高可見光吸收性能；輻射層是在吸收層的基礎上濺射高紅外輻射材料形成，使其具有原吸收層的粗糙表面從而進一步提高紅外輻射特性；襯底的材料，吸收層的厚度和輻射層的材料和厚度都是根據實際應用選定。本發明的吸收輻射膜可利用微機械加工工藝形成各種精細的微結構，可控性高，同時還兼具高可見光吸收和高紅外輻射得性能。
文檔編號C03C17/34GK102329086SQ20111020741
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者吳峰霞, 李卓, 錢麗勛, 韓階平 申請人:北京理工大學, 北京金盛微納科技有限公司