一種可變反射率柔性薄膜器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可變反射率柔性薄膜器件及其制備方法。使用本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)反射率變化范圍大、反應(yīng)時間短，且重量輕、兼容性好、適應(yīng)范圍廣。本發(fā)明的可變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積的高反射率導(dǎo)電層、電致變色層、離子導(dǎo)電層、離子儲存層和透明導(dǎo)電層組成，所述變反射率薄膜器件為全固態(tài)無機結(jié)構(gòu)，具有更好的環(huán)境穩(wěn)定性，擁有更長的使用壽命、重量輕、能耗低，且容易實現(xiàn)大面積批量化生產(chǎn)，簡化工程化應(yīng)用工藝，降低成本。
【專利說明】一種可變反射率柔性薄膜器件及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可變反射率器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種可變反射率柔性薄膜器件及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光壓推進太陽帆航天器依靠面積巨大但質(zhì)量很輕的太陽帆反射太陽光獲得源源不斷的推力，是唯一不依靠反作用推進實現(xiàn)飛行控制的飛行器。它無需消耗燃料，在太空中的壽命不受有限燃料的制約。利用太陽光壓提供的持續(xù)加速度，經(jīng)過長時間加速，太陽帆航天器速度可比當今火箭推進的最快航天器快4?6倍。由于太陽帆航天器具有巨大的優(yōu)勢，會在未來的空間任務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮更重要作用。
[0003]然而，太陽帆是一個具有6自由度的柔性體航天器，其轉(zhuǎn)動慣量、自然頻率、阻尼和模態(tài)常數(shù)都是不確定的，同時任務(wù)設(shè)計的太陽帆航天器尺寸巨大、轉(zhuǎn)動慣量很大，且執(zhí)行任務(wù)飛行時間長，存在的干擾力矩較多，利用傳統(tǒng)的姿態(tài)控制方法會大大降低太陽帆航天器的飛行性能，已不適用于太陽帆航天器的姿態(tài)控制，在此領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者提出了多種新型姿態(tài)控制技術(shù)，通過歸納可分為兩類，一是通過導(dǎo)軌上的滑塊來改變質(zhì)心，從而形成力矩進行姿態(tài)控制，二是利用小帆的角度調(diào)整來獲得姿態(tài)控制力矩，但這兩類都有機械活動部件，其可靠性不能得到充分的保障，且實現(xiàn)過程較為復(fù)雜。
[0004]考慮到太陽帆光壓與推力的正比例關(guān)系，可以設(shè)計一種反射率可變的薄膜，通過改變薄膜的反射率改變太陽帆光壓，從而改變作用在太陽帆上的力，進而可以實現(xiàn)對太陽帆航天器的姿態(tài)的控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種可變反射率柔性薄膜器件，能夠?qū)崿F(xiàn)反射率變化范圍大、反應(yīng)時間短，且重量輕、兼容性好、適應(yīng)范圍廣。
[0006]本發(fā)明的可變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積的高反射率導(dǎo)電層、電致變色層、離子導(dǎo)電層、離子儲存層和透明導(dǎo)電層組成；其中，所述高反射率導(dǎo)電層的厚度為200nm?500nm，其反射率大于90% ;所述電致變色層的厚度為300nm?600nm,由氧化鶴制成；所述離子導(dǎo)電層的厚度為200nm?400nm,由鉭酸鋰或銀酸鋰制成；所述離子儲存層的厚度為150nm?300nm，由氧化鎳制成；所述透明導(dǎo)電層的厚度為50nm?90nm,由摻錫氧化銦或摻招氧化鋅制成。
[0007]進一步地，所述反射率導(dǎo)電層由鋁或銀制成。
[0008]進一步地，所述柔性薄膜基片的材料為聚酰亞胺或聚酯，厚度小于100 μ m。
[0009]一種制備可變反射率柔性薄膜器件的制備方法，包括如下步驟:
[0010]步驟1，將柔性薄膜基底依次在丙酮、無水乙醇中超聲清洗，然后烘干，放入鍍膜機真空室之后抽真空，然后用離子源轟擊進行離子清洗和表面活化；
[0011]步驟2，采用直流磁控濺射技術(shù)在柔性薄膜基底上鍍制高反射率導(dǎo)電層；
[0012]步驟3，采用直流磁控濺射技術(shù)在高反射率導(dǎo)電層上制備電致變色層；
[0013]步驟4，采用射頻磁控濺射技術(shù)在電致變色層上制備離子導(dǎo)電層；
[0014]步驟5，采用直流磁控濺射技術(shù)在離子導(dǎo)電層上制備離子儲存層；
[0015]步驟6，采用射頻磁控濺射技術(shù)在離子儲存層上制備透明導(dǎo)電層。
[0016]有益效果:
[0017](I)該可變反射率薄膜器件具有反射率變化范圍大，反應(yīng)時間短等優(yōu)點，而且該基于柔性薄膜基底的電致變色型變反射率器件其重量更輕、兼容性更好、適應(yīng)范圍更廣，具有更廣闊的應(yīng)用前景。
[0018](2)柔性變反射率薄膜器件更容易實現(xiàn)大面積批量化生產(chǎn)，簡化工程化應(yīng)用工藝，降低成本。
[0019](3)該變反射率薄膜器件為全固態(tài)無機結(jié)構(gòu)，能耗低，且具有更好的環(huán)境穩(wěn)定性，擁有更長的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明提出的一種可變反射率薄膜器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0022]本發(fā)明提供了一種可變反射率柔性薄膜器件，利用電致變色材料的特性，通過控制電壓改變電致變色材料的顏色，從而改變薄膜器件的反射率，并且具有薄膜器件兼容性好、重量輕的優(yōu)點，同時具有操控方便、性能卓越的優(yōu)勢。該薄膜器件可以在一個微小的控制電壓作用下實現(xiàn)對太陽光反射率的顯著變化，其功耗微乎其微。
[0023]電致變色材料可以分為無機電致變色材料和有機電致變色材料，無機電致變色材料的性能穩(wěn)定、附著力強、使用壽命長等優(yōu)點，而有機電致變色材料的色彩豐富、響應(yīng)速度快、易進行分子設(shè)計及成本低廉等優(yōu)點。由于全固態(tài)全無機多層膜結(jié)構(gòu)的電致變色器件具有環(huán)境適應(yīng)性強、性能穩(wěn)定性好、工程實用性強等優(yōu)勢。
[0024]本發(fā)明的可變反射率柔性薄膜器件，如圖1所示，其基底為柔性薄膜基片，柔性薄膜基底上依次沉積高反射率導(dǎo)電層、電致變色層、離子導(dǎo)電層、離子儲存層和透明導(dǎo)電層，其中高反射率導(dǎo)電層、電致變色層、離子導(dǎo)電層、離子儲存層、透明導(dǎo)電層都為無機材料。通過改變可變反射率柔性薄膜器件的電壓，改變電致變色層的顏色，從而改變到達高反射率導(dǎo)電層的太陽光強度，從而實現(xiàn)可變反射率柔性薄膜器件反射率的可變性。
[0025]其中，所述柔性薄膜基片為聚酰亞胺、聚酯等柔性薄膜材料，其厚度小于ΙΟΟμπι;所述高反射率導(dǎo)電層(反射率大于90% )為鋁(Al)或銀(Ag)等高導(dǎo)電材料所制備的薄膜，其厚度為200?500nm ;所述電致變色層為氧化鎢(WO3)薄膜，其厚度為300?600nm ;所述離子導(dǎo)電層為鉭酸鋰(LiTaO3)薄膜或鈮酸鋰(LiNbO3)，其厚度為200?400nm ;所述離子儲存層為氧化鎳(N1)薄膜，其厚度為150?300nm ;所述透明導(dǎo)電層為摻錫氧化銦(ITO)或摻鋁氧化鋅(ZAO)薄膜，其厚度為50?90nm。
[0026]本發(fā)明提供一種可變反射率薄膜器件的制備方法，其具體實施例如下:
[0027]實施例一
[0028]在厚度為50 μ m的聚酰亞胺薄膜基底上制備結(jié)構(gòu)從至上依次為Al薄膜層、WO3薄膜層、LiTaO3薄膜層、N1薄膜層和ITO薄膜層的變反射率薄膜器件。
[0029](I)將1cmX 1cm的聚酰亞胺基底依次在丙酮、無水乙醇中超聲清洗，然后烘干，放入鍍膜機真空室之后抽系統(tǒng)至I X 1-4Pa,再用離子源轟擊進行鍍膜前的離子清洗和表面活化。
[0030](2)預(yù)濺射5min，在聚酰亞胺基底上制備Al薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為鋁靶(純度為99.99% );濺射類型為直流濺射；濺射氣壓為0.3Pa ;靶基距為8cm ;濺射功率為200W ;薄膜厚度為250nm。
[0031](3)預(yù)濺射5min，在Al薄膜上制備WO3薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為鎢靶(純度為99.9% );濺射類型為直流濺射；濺射氣壓為0.8Pa ;氧氬比為2/1 ;靶基距為8cm ;濺射功率為500W ;薄膜厚度為350nm。
[0032](4)預(yù)濺射5min，在WO3薄膜上制備LiTaO3薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為LiTaO3陶瓷靶；濺射類型為射頻濺射；濺射氣壓為0.5Pa ;氧氬比為1/12 ;靶基距為8cm ;濺射功率為250W ;薄膜厚度為250nm。
[0033](5)預(yù)濺射5min，在LiTaO3薄膜上制備N1薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為鎳靶(純度為99.9% );濺射類型為直流濺射；濺射氣壓為0.5Pa ;靶基距為8cm ;氧氬比為1/1 ；濺射功率為450W ;薄膜厚度為250nm。
[0034](6)預(yù)濺射5min，在N1薄膜上制備ITO薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為ITO陶瓷靶；濺射類型為射頻濺射；濺射氣壓為0.3Pa ;氧氬比為1/50 ;靶基距為8cm ;濺射功率為250W ;薄膜厚度為90nm。
[0035]本實施例器件的電致變色響應(yīng)時間為7s，由SSR太陽光譜反射計測試結(jié)果，其褪色態(tài)反射率為0.607，著色態(tài)反射率為0.079，則本實施例的平均反射率變化量為0.528。
[0036]實施例二
[0037]在厚度為50 μ m的聚酰亞胺薄膜基底上制備結(jié)構(gòu)從至上依次為Al薄膜層、WO3薄膜層、LiNbO3薄膜層、N1薄膜層和ITO薄膜層的變反射率薄膜器件。
[0038](I)將1cmX 1cm的聚酰亞胺基底依次在丙酮、無水乙醇中超聲清洗，然后烘干，放入鍍膜機真空室之后抽系統(tǒng)至I X 1-4Pa,再用離子源轟擊進行鍍膜前的離子清洗和表面活化。
[0039](2)預(yù)濺射5min，在聚酰亞胺基底上制備Al薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為鋁靶(純度為99.99% );濺射類型為直流濺射；濺射氣壓為0.3Pa ;靶基距為8cm ;濺射功率為200W ;薄膜厚度為250nm。
[0040](3)預(yù)濺射5min，在Al薄膜上制備WO3薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為鎢靶(純度為99.9% );濺射類型為直流濺射；濺射氣壓為0.8Pa ;氧氬比為2/1 ;靶基距為8cm ;濺射功率為500W ;薄膜厚度為350nm。
[0041](4)預(yù)濺射5min，在WO3薄膜上制備LiNbO3薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為LiNbO3陶瓷靶；濺射類型為射頻濺射；濺射氣壓為0.3Pa ;氧氬比為1/9 ;靶基距為8cm ;濺射功率為250W ;薄膜厚度為300nm。
[0042](5)預(yù)濺射5min，在LiNbO3薄膜上制備N1薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為鎳靶(純度為99.9% );濺射類型為直流濺射；濺射氣壓為0.5Pa ;靶基距為8cm ;氧氬比為1/1 ；濺射功率為450W ;薄膜厚度為250nm。
[0043](6)預(yù)濺射5min，在N1薄膜上制備ITO薄膜，使用工藝參數(shù)如下:靶材為ITO陶瓷靶；濺射類型為射頻濺射；濺射氣壓為0.3Pa ;氧氬比為1/50 ;靶基距為8cm ;濺射功率為250W ;薄膜厚度為90nm。
[0044]本實施例器件的電致變色響應(yīng)時間為7s，由SSR太陽光譜反射計測試結(jié)果，其褪色態(tài)反射率為0.604，著色態(tài)反射率為0.092，則本實施例的平均反射率變化量為0.512。
[0045]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種可變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積的高反射率導(dǎo)電層、電致變色層、離子導(dǎo)電層、離子儲存層和透明導(dǎo)電層組成；其中，所述高反射率導(dǎo)電層的厚度為200nm?500nm，其反射率大于90% ;所述電致變色層的厚度為300nm?600nm,由氧化鶴制成；所述離子導(dǎo)電層的厚度為200nm?400nm,由鉭酸鋰或鈮酸鋰制成；所述離子儲存層的厚度為150nm?300nm，由氧化鎳制成；所述透明導(dǎo)電層的厚度為50nm?90nm,由摻錫氧化銦或摻招氧化鋅制成。
2.如權(quán)利要求1所述的可變反射率柔性薄膜器件，其特征在于，所述反射率導(dǎo)電層由招或銀制成。
3.如權(quán)利要求1所述的可變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為聚酰亞胺或聚酯，厚度小于100 μ m。
4.一種制備如權(quán)利要求1所述可變反射率柔性薄膜器件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，將柔性薄膜基底依次在丙酮、無水乙醇中超聲清洗，然后烘干，放入鍍膜機真空室之后抽真空，然后用離子源轟擊進行離子清洗和表面活化； 步驟2，采用直流磁控濺射技術(shù)在柔性薄膜基底上鍍制高反射率導(dǎo)電層； 步驟3，采用直流磁控濺射技術(shù)在高反射率導(dǎo)電層上制備電致變色層； 步驟4，采用射頻磁控濺射技術(shù)在電致變色層上制備離子導(dǎo)電層； 步驟5，采用直流磁控濺射技術(shù)在離子導(dǎo)電層上制備離子儲存層； 步驟6，采用射頻磁控濺射技術(shù)在離子儲存層上制備透明導(dǎo)電層。
【文檔編號】B32B37/02GK104459847SQ201410577317
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】左華平, 馮煜東, 王虎, 王志民, 楊淼, 許旻, 吳春華, 王潔冰, 趙印中, 李林 申請人:蘭州空間技術(shù)物理研究所