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CN104459847A - 一种可变反射率柔性薄膜器件及其制备方法 - Google Patents

一种可变反射率柔性薄膜器件及其制备方法 Download PDF

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王虎
王志民
杨淼
许旻
吴春华
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赵印中
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Abstract

本发明公开了一种可变反射率柔性薄膜器件及其制备方法。使用本发明能够实现反射率变化范围大、反应时间短，且重量轻、兼容性好、适应范围广。本发明的可变反射率柔性薄膜器件，由柔性薄膜基底和在柔性薄膜基底上依次沉积的高反射率导电层、电致变色层、离子导电层、离子储存层和透明导电层组成，所述变反射率薄膜器件为全固态无机结构，具有更好的环境稳定性，拥有更长的使用寿命、重量轻、能耗低，且容易实现大面积批量化生产，简化工程化应用工艺，降低成本。

Description

一种可变反射率柔性薄膜器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及可变反射率器件技术领域，具体涉及一种可变反射率柔性薄膜器件及其制备方法。
背景技术
光压推进太阳帆航天器依靠面积巨大但质量很轻的太阳帆反射太阳光获得源源不断的推力，是唯一不依靠反作用推进实现飞行控制的飞行器。它无需消耗燃料，在太空中的寿命不受有限燃料的制约。利用太阳光压提供的持续加速度，经过长时间加速，太阳帆航天器速度可比当今火箭推进的最快航天器快4～6倍。由于太阳帆航天器具有巨大的优势，会在未来的空间任务应用中发挥更重要作用。
然而，太阳帆是一个具有6自由度的柔性体航天器，其转动惯量、自然频率、阻尼和模态常数都是不确定的，同时任务设计的太阳帆航天器尺寸巨大、转动惯量很大，且执行任务飞行时间长，存在的干扰力矩较多，利用传统的姿态控制方法会大大降低太阳帆航天器的飞行性能，已不适用于太阳帆航天器的姿态控制，在此领域国内外学者提出了多种新型姿态控制技术，通过归纳可分为两类，一是通过导轨上的滑块来改变质心，从而形成力矩进行姿态控制，二是利用小帆的角度调整来获得姿态控制力矩，但这两类都有机械活动部件，其可靠性不能得到充分的保障，且实现过程较为复杂。
考虑到太阳帆光压与推力的正比例关系，可以设计一种反射率可变的薄膜，通过改变薄膜的反射率改变太阳帆光压，从而改变作用在太阳帆上的力，进而可以实现对太阳帆航天器的姿态的控制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可变反射率柔性薄膜器件，能够实现反射率变化范围大、反应时间短，且重量轻、兼容性好、适应范围广。
本发明的可变反射率柔性薄膜器件，由柔性薄膜基底和在柔性薄膜基底上依次沉积的高反射率导电层、电致变色层、离子导电层、离子储存层和透明导电层组成；其中，所述高反射率导电层的厚度为200nm～500nm，其反射率大于90％；所述电致变色层的厚度为300nm～600nm，由氧化钨制成；所述离子导电层的厚度为200nm～400nm，由钽酸锂或铌酸锂制成；所述离子储存层的厚度为150nm～300nm，由氧化镍制成；所述透明导电层的厚度为50nm～90nm，由掺锡氧化铟或掺铝氧化锌制成。
进一步地，所述反射率导电层由铝或银制成。
进一步地，所述柔性薄膜基片的材料为聚酰亚胺或聚酯，厚度小于100μm。
一种制备可变反射率柔性薄膜器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将柔性薄膜基底依次在丙酮、无水乙醇中超声清洗，然后烘干，放入镀膜机真空室之后抽真空，然后用离子源轰击进行离子清洗和表面活化；
步骤2，采用直流磁控溅射技术在柔性薄膜基底上镀制高反射率导电层；
步骤3，采用直流磁控溅射技术在高反射率导电层上制备电致变色层；
步骤4，采用射频磁控溅射技术在电致变色层上制备离子导电层；
步骤5，采用直流磁控溅射技术在离子导电层上制备离子储存层；
步骤6，采用射频磁控溅射技术在离子储存层上制备透明导电层。
有益效果：
(1)该可变反射率薄膜器件具有反射率变化范围大，反应时间短等优点，而且该基于柔性薄膜基底的电致变色型变反射率器件其重量更轻、兼容性更好、适应范围更广，具有更广阔的应用前景。
(2)柔性变反射率薄膜器件更容易实现大面积批量化生产，简化工程化应用工艺，降低成本。
(3)该变反射率薄膜器件为全固态无机结构，能耗低，且具有更好的环境稳定性，拥有更长的使用寿命。
附图说明
图1是本发明提出的一种可变反射率薄膜器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种可变反射率柔性薄膜器件，利用电致变色材料的特性，通过控制电压改变电致变色材料的颜色，从而改变薄膜器件的反射率，并且具有薄膜器件兼容性好、重量轻的优点，同时具有操控方便、性能卓越的优势。该薄膜器件可以在一个微小的控制电压作用下实现对太阳光反射率的显著变化，其功耗微乎其微。
电致变色材料可以分为无机电致变色材料和有机电致变色材料，无机电致变色材料的性能稳定、附着力强、使用寿命长等优点，而有机电致变色材料的色彩丰富、响应速度快、易进行分子设计及成本低廉等优点。由于全固态全无机多层膜结构的电致变色器件具有环境适应性强、性能稳定性好、工程实用性强等优势。
本发明的可变反射率柔性薄膜器件，如图1所示，其基底为柔性薄膜基片，柔性薄膜基底上依次沉积高反射率导电层、电致变色层、离子导电层、离子储存层和透明导电层，其中高反射率导电层、电致变色层、离子导电层、离子储存层、透明导电层都为无机材料。通过改变可变反射率柔性薄膜器件的电压，改变电致变色层的颜色，从而改变到达高反射率导电层的太阳光强度，从而实现可变反射率柔性薄膜器件反射率的可变性。
其中，所述柔性薄膜基片为聚酰亚胺、聚酯等柔性薄膜材料，其厚度小于100μm；所述高反射率导电层(反射率大于90％)为铝(Al)或银(Ag)等高导电材料所制备的薄膜，其厚度为200～500nm；所述电致变色层为氧化钨(WO3)薄膜，其厚度为300～600nm；所述离子导电层为钽酸锂(LiTaO3)薄膜或铌酸锂(LiNbO3)，其厚度为200～400nm；所述离子储存层为氧化镍(NiO)薄膜，其厚度为150～300nm；所述透明导电层为掺锡氧化铟(ITO)或掺铝氧化锌(ZAO)薄膜，其厚度为50～90nm。
本发明提供一种可变反射率薄膜器件的制备方法，其具体实施例如下：
实施例一
在厚度为50μm的聚酰亚胺薄膜基底上制备结构从至上依次为Al薄膜层、WO3薄膜层、LiTaO3薄膜层、NiO薄膜层和ITO薄膜层的变反射率薄膜器件。
(1)将10cm×10cm的聚酰亚胺基底依次在丙酮、无水乙醇中超声清洗，然后烘干，放入镀膜机真空室之后抽系统至1×10-4Pa，再用离子源轰击进行镀膜前的离子清洗和表面活化。
(2)预溅射5min，在聚酰亚胺基底上制备Al薄膜，使用工艺参数如下：靶材为铝靶(纯度为99.99％)；溅射类型为直流溅射；溅射气压为0.3Pa；靶基距为8cm；溅射功率为200W；薄膜厚度为250nm。
(3)预溅射5min，在Al薄膜上制备WO3薄膜，使用工艺参数如下：靶材为钨靶(纯度为99.9％)；溅射类型为直流溅射；溅射气压为0.8Pa；氧氩比为2/1；靶基距为8cm；溅射功率为500W；薄膜厚度为350nm。
(4)预溅射5min，在WO3薄膜上制备LiTaO3薄膜，使用工艺参数如下：靶材为LiTaO3陶瓷靶；溅射类型为射频溅射；溅射气压为0.5Pa；氧氩比为1/12；靶基距为8cm；溅射功率为250W；薄膜厚度为250nm。
(5)预溅射5min，在LiTaO3薄膜上制备NiO薄膜，使用工艺参数如下：靶材为镍靶(纯度为99.9％)；溅射类型为直流溅射；溅射气压为0.5Pa；靶基距为8cm；氧氩比为1/1；溅射功率为450W；薄膜厚度为250nm。
(6)预溅射5min，在NiO薄膜上制备ITO薄膜，使用工艺参数如下：靶材为ITO陶瓷靶；溅射类型为射频溅射；溅射气压为0.3Pa；氧氩比为1/50；靶基距为8cm；溅射功率为250W；薄膜厚度为90nm。
本实施例器件的电致变色响应时间为7s，由SSR太阳光谱反射计测试结果，其褪色态反射率为0.607，着色态反射率为0.079，则本实施例的平均反射率变化量为0.528。
实施例二
在厚度为50μm的聚酰亚胺薄膜基底上制备结构从至上依次为Al薄膜层、WO3薄膜层、LiNbO3薄膜层、NiO薄膜层和ITO薄膜层的变反射率薄膜器件。
(1)将10cm×10cm的聚酰亚胺基底依次在丙酮、无水乙醇中超声清洗，然后烘干，放入镀膜机真空室之后抽系统至1×10-4Pa，再用离子源轰击进行镀膜前的离子清洗和表面活化。
(2)预溅射5min，在聚酰亚胺基底上制备Al薄膜，使用工艺参数如下：靶材为铝靶(纯度为99.99％)；溅射类型为直流溅射；溅射气压为0.3Pa；靶基距为8cm；溅射功率为200W；薄膜厚度为250nm。
(3)预溅射5min，在Al薄膜上制备WO3薄膜，使用工艺参数如下：靶材为钨靶(纯度为99.9％)；溅射类型为直流溅射；溅射气压为0.8Pa；氧氩比为2/1；靶基距为8cm；溅射功率为500W；薄膜厚度为350nm。
(4)预溅射5min，在WO3薄膜上制备LiNbO3薄膜，使用工艺参数如下：靶材为LiNbO3陶瓷靶；溅射类型为射频溅射；溅射气压为0.3Pa；氧氩比为1/9；靶基距为8cm；溅射功率为250W；薄膜厚度为300nm。
(5)预溅射5min，在LiNbO3薄膜上制备NiO薄膜，使用工艺参数如下：靶材为镍靶(纯度为99.9％)；溅射类型为直流溅射；溅射气压为0.5Pa；靶基距为8cm；氧氩比为1/1；溅射功率为450W；薄膜厚度为250nm。
(6)预溅射5min，在NiO薄膜上制备ITO薄膜，使用工艺参数如下：靶材为ITO陶瓷靶；溅射类型为射频溅射；溅射气压为0.3Pa；氧氩比为1/50；靶基距为8cm；溅射功率为250W；薄膜厚度为90nm。
本实施例器件的电致变色响应时间为7s，由SSR太阳光谱反射计测试结果，其褪色态反射率为0.604，着色态反射率为0.092，则本实施例的平均反射率变化量为0.512。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可变反射率柔性薄膜器件，其特征在于，由柔性薄膜基底和在柔性薄膜基底上依次沉积的高反射率导电层、电致变色层、离子导电层、离子储存层和透明导电层组成；其中，所述高反射率导电层的厚度为200nm～500nm，其反射率大于90％；所述电致变色层的厚度为300nm～600nm，由氧化钨制成；所述离子导电层的厚度为200nm～400nm，由钽酸锂或铌酸锂制成；所述离子储存层的厚度为150nm～300nm，由氧化镍制成；所述透明导电层的厚度为50nm～90nm，由掺锡氧化铟或掺铝氧化锌制成。
2.如权利要求1所述的可变反射率柔性薄膜器件，其特征在于，所述反射率导电层由铝或银制成。
3.如权利要求1所述的可变反射率柔性薄膜器件，其特征在于，所述柔性薄膜基片的材料为聚酰亚胺或聚酯，厚度小于100μm。
4.一种制备如权利要求1所述可变反射率柔性薄膜器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将柔性薄膜基底依次在丙酮、无水乙醇中超声清洗，然后烘干，放入镀膜机真空室之后抽真空，然后用离子源轰击进行离子清洗和表面活化；
步骤2，采用直流磁控溅射技术在柔性薄膜基底上镀制高反射率导电层；
步骤3，采用直流磁控溅射技术在高反射率导电层上制备电致变色层；
步骤4，采用射频磁控溅射技术在电致变色层上制备离子导电层；
步骤5，采用直流磁控溅射技术在离子导电层上制备离子储存层；
步骤6，采用射频磁控溅射技术在离子储存层上制备透明导电层。
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