氧化铟锡薄膜隔热效果的计算与分析.

氧化铟锡薄膜隔热效果的计算与分析常天海(华南理工大学电信学院 ,广东广州 510640摘 要 :分析了氧化铟锡薄膜应用于玻璃领域隔热节能的前景。利用MA TLAB高级计算机语言 ,拟合了大气层外的太阳辐射光谱 ,给出了氧化铟锡薄膜隔热效果的 计算公式与结果。关键词:氧化铟锡薄膜 ;隔热效果 ;计算与分析中图分类号 :T K513.2;TB43文献标识码 :A文章编号 :100627086(20040120043204CALCU LATION AN D ANALYSIS OF HEAT 2INSU LATINGEFFECT ON IN DIUM TIN OXIDE FI LMCHANG Tian 2hai(School of E lectronic &I nform ation E ngineering ,South China U niversity of T echnology ,G u angzhou 510640,ChinaAbstract :The foreground of applying indium tin oxide film to heat 2insulating and energy |saving in glass field has been analysed.Using advanced computer language MA TLAB ,sun radialization spectrum besides aerosphere has been imi 2tated.Calculating formulas of heat 2insulating effect on indium tin oxide film have been derived ,and calculating results have been given.K ey w ords :indium tin oxide film ;heat 2insulating effect ;calculation and analysis1引言能源危机将是人类面临的最大威胁之一 ,除了开发核能等新能源外 ,各种节能技 术也是当今世界关注的科研热点。据统计 ,目前全世界约有 40%的能源消耗于各种 温度控制 ,随着使用空调场合的增多 ,这个比例还会提高。造成这种高能耗的主要原 因之一是越来越多的场合采用了对整个太阳光谱都具有高透过率的玻璃材料。因此 许多基于玻璃表面改性的节能产品如墙幕玻璃、太阳膜等应运而生 ,这些产品的主 要功能就是调控太阳能 ,既要透明 ,又要隔热。相比较而言 ,在众多的隔热薄膜中 ,氧化铟锡 （Indium Tin Oxide ,ITO 薄膜充分体 现了透明性和隔热性的统一。关于它的研究很多 13,但关于它在太阳辐射光谱范围 内的的隔热效果的理论计算 ,鲜见报道。作者参考大气层外的太阳辐射光谱 ,根据 ITO 薄膜玻璃与玻璃基底本身的透射 比曲线,对ITO 薄膜的隔热效果进行了计算。在数据处理过程中 ,利用了具有曲线拟 合及绘图功能的 MA TLAB 高级语言。 2 太阳辐射能量的光谱分布 2.1 太阳常数太阳内部通过核聚变把氢转变为氦 ,在反应过程中可产生 3601021kW 功率。 这股能量以电磁波形式向空间四面八方传播 ,到达地球表面的功率为 851021kW , 相当于全世界发电量的几十万倍。由于大气层 （厚度约为 30km 的影响,到达地面的 太阳辐照量会变化 ,即其辐射光谱是不稳定的。但在大气层外的太阳收稿日期 :2003210223.作者简介 :常天海（1964-,男,河南省罗山县人 ,副教授,从事薄膜及光电子技术研 究。34 第 10卷第 1期 2004年 03月真空与低温Vacuum &Cryogenics44真空与低温第 10 卷第 1 期辐照量基本保持不变 ,故定义大气层外、平均日地距离处 ,垂直于辐射传播方向 上单位面积、单位时间内测得的 1353W/m2 的太阳辐照度为太阳常数 4。太阳常数是太阳辐射光谱范围内的总能量 ,根据波长 它,分为三部分 :紫外线 ( 0.38 、m可见光(0.38 m0.78。m表 15列出了以 为中 心的小波段内的太阳平均辐照度表 1 大气层外随 变化的太阳平均辐照度 G sc及(0 范围内的总辐照度占太阳常数的分数 f(0 / m G/W? m-2? m-1f(0 /%/ m G ?sc/mW-2? m-1f(0 /%sc0.2463.00.140.681427.042.660.26130.00.270.701369.046.880.28222.00.560.721314.048.860.30514.0 1.210.751235.051.690.32830.0 2.220.801109.056.020.341074.0 3.720.90891.063.370.361068.0 5.32 1.00748.069.490.381120.07.00 1.20485.078.400.401429.08.73 1.40337.084.330.421747.011.22 1.60245.088.610.441810.013.73 1.80159.091.590.462066.016.65 2.00103.093.490.482074.019.68 2.2079.094.830.501942.022.60 2.4062.095.860.521833.025.38 2.6048.096.670.541783.028.08 2.8039.097.310.561695.030.65 3.0031.097.830.581715.033.18 3.2022.698.220.601666.036.68 3.6013.598.720.621602.038.10 4.009.599.060.641544.040.427.00 1.099.820.661486.044.8150.00 3.9 10-4100.00及(0 范围内的总辐照度占太阳常数的分数。表 1 表明,紫外线占 7.00%,可见光 占 47.29%,红外线占 45.71%,将各自的分数乘以太阳常数 , 可得各自范围内的平均辐 照度,分别是 :95、640、618W/m2? m。2.2 太阳辐射光谱的拟合曲线根据泰勒公式 ,可以将符合条件的函数 y=f(x 展开成幂级数y=p1x n-1+p2x n-2+p3x n-3+ +p n(1 其拉格朗日型余项 R n(x 在 n时极 限为零 ,也就是说 ,理论上可以用多项式 y=p1x n-1+p2x n-2+ p3x n-3+ +p n 来对 函数 y=f(x 进行近似模拟 ,并且可以达到所希望的精度。在 MA TLAB 中,经调用函 数 P=polyfit(X,Y,n 即可实现此功能。该函数采用最小二乘法对输入数据 x 和 y 用 n阶多项式进行逼近 ,求得向量 P=p1p2p3p n,便可求出 y与 x的拟合方程 y=p1x n-1+p2x n-2+p3x n-3+ +p n。对于表 1中的数据而言 ,G sc和 分别相当于式 (1中的 y与x。调用函数 P=polyfit(X,Y,n,可以得到 G sc与的拟合方程 ,然后调用二维绘图函数 ,就可以得到 图 1 所示的太阳辐射拟合光谱。显然 , 太阳辐射能主要集中在 0.22.5 m范围内。3 IT O 薄膜隔热效果的计算3.1 计算公式简述在辐射研究中 ,经常要涉及如下 3个物理量 :辐射通量 e 即, 单位时间内通过 某一面积的辐射能量Q e ,它可表示为 e =5Q e5t,单位为 W ;辐射照度 E e ,即单位受光面积上所接受的辐射通量 e 它, 可表示为 E e =5 e5A,单位为 W/m 2;透射比 ( ,即透过介质的某一波长的辐射通量 et ( 与其入射通量 e ( 之比,它可表示 为(=et ( /。e ( 显然,对于波长范围位于 1与 2之间的辐射光谱 ,介质的总透射比 为= 21e( ( d 21 e ( d = 21 ( E e( d 21E e( d 21 ( E e ( 2E e ( ,辐射源的辐射能减少量为(2因此,透过单位面积的介质后 Q e =(1-621E e ( =61E e ( -6E e ( (33.2 计算结果与分析图 2 给出了 ITO 薄膜玻璃与玻璃基底本身 ( 厚度为 5mm 在 0.22.5 m波长范围内的透射比曲线。图 1 大气层外的太阳辐射拟合光谱图 2 ITO 薄膜玻璃与玻璃基底本身在 0.22.5 m的 透射比曲线测试仪器为 Lambda9型紫外 /可见/近红外分光光度计。对应表 1 中的波长 取 值间隔 ,在图 2中对透射比(取值,然后代入式 (2和式(3中,进行 ITO 薄膜隔热效果的计算。图 3 3 种条件下的太阳光谱拟合曲线利用21E e ( 可,求得太阳光谱在 0.242.50 波m 长范围内的辐射能为 1298.88W/m 2,占太阳 常数的96%。利用21 ( E e ( 可,求得透过 ITO 薄膜玻璃后 ,太阳光谱在 0.242.50 波m 长总辐射能为 626.01W/m 2,其中紫外区为 32.83W/m 2,占 5.74%;可见光区为 410.68W/m 2,占 65.80%;近红外区为 177.58W/m 2,占 28.66%。同时 ,也可以求得透过玻璃基底本身后 太阳光谱在 0.242.50 m波 长范围内的总辐射能为 993.90W/m 2,其中紫外区为 56.92W/m 2,占 5173%;可见光区54常天海:氧化铟锡薄膜隔热效果的计算与分析64真空与低温第 10 卷第 1 期为 509.38W/m2,占 51125%;近红外区为 410.54W/m2,占 41.30%。显然,透过 ITO薄膜玻璃与玻璃基底本身后 ,太阳光谱在 0.242.50 m波长范围内 的辐射能的减少量分别为 672.87W/m2和 304.96W/m2。所以,ITO 薄膜的隔热效果 为二者之差 ,即 367.91W/m2,占太阳光谱在 0.242.50m波长范围内的总辐射能的 28.30%,这说明 ITO 薄膜具有较好的隔热性能。利用 MA T2 LAB 中的多项式拟合 及绘图功能 ,得到图 3 所示的 3种条件下的太阳光谱拟合曲线。它直观地表明了 ITO 薄膜对可见光具有高透射比 ,其隔热性能主要体现在对红外光的隔断。4结论作者的计算依据是大气层外的太阳光谱辐射 ,这与实际工况有一定的误差。 ITO 薄膜隔热性能的试验研究指出其隔热效果在同一天的不同时段差别较大3, 就是这种误差的反映。因为厚度约为 30km 的大气层对太阳辐射的数量和分布都有影响 ,到 达地面的太阳辐照量会因大气的吸收、反射和散射而变化。但尽管如此,作者的计算结果仍然可以肯定 :ITO 薄膜具有明显的隔热效果 ,可以应用于建筑物窗玻璃及汽 车挡风玻璃等领域的节能设计。作者的计算也可调用 MA TLAB 中的积分 a b f(xd x求值函数 quad( f(x 前,a,b, 提是必须先建立图 2 所示透射比曲线的拟合方程 ,但这可能会增加计算误差。参考文献 :1 KIM D W,SUN G Y J,PAR KJ W,et al.A study of transparent indium tin oxide(ITOcontact to p2G aNJ.Thin S olidFilms,2001,398-399:8792.2 CHOI S K,L EE J I.E ffect of film density on electrical properties of indium tin oxide films deposited by dc magnetron reactivesputteringJ.Journal of Vacuum Science and Technology,Part A:Vacuum,Surfaces and Films,2001,19(5:20432 047.3 常天海,黄光周,于继荣,等.汽车前挡风玻璃用 ITO 薄膜的隔热及节能实验 研究J.真空,2002,3:1822.4 王丙忠.太阳辐射能的测量与标准 M. 北京:科学出版社 ,1988.5 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟 M. 西安:西北工业大学出版 社,1990.(上接第 38 页轮不能直接与等离子体接触。用宽 200mm、长度约 5m的 Kapton 膜进行了多 次镀膜试验 ,都能按正常镀膜的放电条件进行放电 ,并能按正、反 2 个方向进行镀 膜。镀膜试验结果显示 :机构运转正常 ,膜行程的长度与输入的理论值基本一致。用 最低速度 (0.01mm/s和最高速度 (5mm/s运行 ,机构运转都较平稳 ,镀出的硅氧烷膜均 匀性好 ,达到了预想的效果。由于硅氧烷膜的性能与镀膜的工艺参数有关,作者将在后续文章中对此进行探讨。5结论(1 通过在射频放电平行平板等离子体聚合装置中增加卷绕机构 ,可以实现大面 积等离子体聚合镀膜。(2研制的卷绕机构设计合理 ,镀膜速度可在 0.015.00mm/s范围内调节 ,膜宽可 达 200mm,长度可足够长 ,膜可以正、反方向运动 , 指标达到了设计要求。参考文献 :1 赵化侨.等离子体化学与工艺 M. 合肥:中国科学技术大学出版社 ,1993.2 王敬宜,王云飞 ,周先凯,等.等离子体聚合制备原子氧防护膜的研究 C.北京 : 卫星环境工程与可靠性技术研讨会会议文集 ,2003.