电致变色调光节能隔音玻璃及电致变色调光节能隔音窗系统

技术领域

本申请涉及透光材料，尤其是隔音透光材料以及由其形成的隔音系统。

背景技术

玻璃窗广泛应用于建筑幕墙、门窗、交通车窗、飞机悬窗、船窗等，普遍存在噪声污染、眩光、节能性能差、透光性不可调控等缺点。

此外，现有技术中玻璃窗存在声音传导和能量的有效调控这两种难以解决的问题，传统的隔音是通过减少声波传动来实现降噪，但主动降噪是目前建筑门窗亟需解决的问题。

发明内容

本申请需要解决的问题包括玻璃的噪声污染和传导、可控调光、节能舒适等一个或多个性能方面的提升。本申请的目的在于提供具有改进的舒适性和/或科技性和/或智能调光和/或降噪节能性能的隔音玻璃。

为此，本申请的一些实施例提供了一种电致变色调光节能隔音玻璃，其包括第一玻璃层、第二玻璃层以及所述第一玻璃层、第二玻璃层之间的功能层结构，在所述第一玻璃层、第二玻璃层的四周还设置密封结构；其中，所述功能层结构包括第一中空腔和所述电致变色调光薄膜上的共振超材料薄膜，其中，所述共振超材料薄膜由叠层设置的网状导电金属层、连接层和氧化锌基柱状层构成。

在一些实施例中，所述连接层的材料为ZnSn，ZnSnO，InGaZnO或者GaSnZnO。

在一些实施例中，所述连接层的厚度为300至3000nm。

在一些实施例中，所述氧化锌基柱状层的材料选自ZnO、ZnSn、ZnAl、ZnSnO或者ZnAlO中的一种或多种。

在一些实施例中，所述氧化锌基柱状层的膜厚为1um至500um。

在一些实施例中，所述氧化锌基柱状层包括多层氧化锌基柱状层，每个氧化锌基柱状层针对一个频段的波。

在一些实施例中，所述多层氧化锌基柱状层中的氧化锌基柱具有不同的高度，所述不同高度的氧化锌基柱成排规则地设置或者所述不同高度的氧化锌基柱交错地不规则地设置。

在一些实施例中，所述网状导电金属层为所述氧化锌基柱状层提供电场。

在一些实施例中，在所述氧化锌基柱状层和所述第二玻璃层之间还包括硅基空隙层。

在一些实施例中，在所述硅基空隙层与所述第二玻璃层定义的空隙腔体内充有惰性气体。

在一些实施例中，所述电致变色调光薄膜包括顺序设置的第一透明导电膜传导层、第一电致变色层、离子传导层、第二电致变色层和第二透明导电膜传导层。

本申请的另一些实施例提供了一种电致变色调光节能隔音窗系统，其包括第一玻璃，第二玻璃，第三玻璃，其中，所述第一玻璃，第二玻璃，第三玻璃为上述中任意一项的电致变色调光节能隔音玻璃；第一玻璃和第二玻璃由第一密封体密封形成的第一中空腔，以及第二玻璃和第三玻璃之间由第二密封体密封形成第二中空腔。

本申请的另一些实施例提供了一种电致变色调光节能隔音窗系统，其包括第一玻璃，第二玻璃，第三玻璃，在第一玻璃与第二玻璃之间的贴附在所述第二玻璃上的第一功能层结构；第一玻璃和第二玻璃由第一密封体密封形成的第一中空腔，以及第二玻璃和第三玻璃之间由第二密封体密封形成第二中空腔；所述第一功能层结构包括电致变色调光薄膜以及其上的共振超材料薄膜，所述共振超材料薄膜由自下至上顺序叠层设置的网状导电金属层、连接层和氧化锌基柱状层构成。

在所述隔音窗系统的一些实施例中，在所述第一中空腔、第二中空腔中充填氩气。

在所述隔音窗系统的在所述第一中空腔中的第一玻璃表面和/或第二玻璃表面附连多层微穿孔结构的隔音胶片，所述多层微穿孔结构的隔音胶片的材料为SGP和/或PVB和/或EVA。

所述多层微穿孔结构的隔音胶片包括微穿孔结构，所述微穿孔结构是蜂窝板类型的微孔。

在所述隔音窗系统的所述第一中空腔内的四个角上设置有四个次级声源，在所述第二中空腔内的四个角上也设置有四个次级声源。

在一些实施例中，透明导电膜传导层均为透明氧化物薄膜TCO。

在本申请的一些实施例中，可以在上述网状导电金属层和氧化锌基柱状层之间设置连接层，从而可以有效的提供纳米空隙。连接层也可以作为氧化锌基柱状生长的基础，实现声波的水平传导和低频吸收。连接层的材料可以为ZnSn，ZnSnO，InGaZnO或者GaSnZnO。

本申请的有益效果在于：本发明的实施例的技术方案在第二透明导电膜传导层的透明氧化物薄膜上引入网状导电金属层，既可以给第二透明导电膜传导层（CL）提供更好的导电性能，同时可以作为压电材料的共振电场调制薄膜。从而达到了实现光电多层波导模式变换，实现声波的耦合以及谐振振动。

在本申请的一些实施例中，引入氧化锌基柱状层作为很好的表面声波（SAW）的传感器薄膜材料，作为声波频率（低频、高频）的压电换能器。

在本申请的一些实施例中，通过将氧化锌基柱状层和硅基空隙层结合形成振动膜结构微型隔音薄膜器件，可以最大宽幅频率下实现共振薄膜腔声晶体降噪。

附图说明

图1 为根据本申请的一种实施例的电致变色调光节能隔音玻璃的结构示意图；

图2 为根据本申请的另一种实施例的电致变色调光节能隔音玻璃的结构示意图；

图3 为根据本申请的实施例的电致变色调光节能隔音玻璃中的氧化锌基柱状层的结构示意图。

图4为根据本申请的实施例的电致变色调光节能隔音玻璃窗系统的一种实施例的结构示意图。

图5为根据本申请的实施例的电致变色调光节能隔音玻璃窗系统的另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细说明。

这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本申请的示例性实施例的目的。但是本申请可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

还应当提到的是，在一些替换实现方式中，除非明确限定顺序，所提到的功能/动作可以按照不同于附图中标示的顺序发生。举例来说，取决于所涉及的功能/动作，相继示出的两幅图实际上可以基本上同时执行或者有时可以按照相反的顺序来执行。

实施例1：

根据本申请的一种实施例的电致变色调光节能隔音玻璃的结构如图1所示，其包括第一玻璃层110、第二玻璃层120以及功能层结构200，在所述第一玻璃层110、第二玻璃层120的四周还可以设置密封结构300。其中，所述功能层结构200由顺序设置的第一透明导电膜传导层(CL1)210、第一电致变色层（EC1）220、离子传导层(IC)230、第二电致变色层(EC2)240、第二透明导电膜传导层(CL2)250、网状导电金属层260、ZnSnO连接层270和氧化锌基柱状层280。

将金属层构型为网状可以确保其通透性，提升光、电磁波透过率。通过在隔音玻璃中引入网状导电金属层260还可以提高电极的导电性，又可以针对氧化锌基柱状层提供声波能量的来源。引入氧化锌基柱状层作为很好的表面声波（SAW）的传感器薄膜材料，作为声波频率（低频、高频）的压电换能器。

第一电致变色层220和第二电致变色层240之间具有离子互补关系，可实现的联动变色，进而实现调光和热控的效果，可以很好的阻隔红外热量实现低碳节能。通过网状导电金属层的良好的导电性实现了快速变色和红外反射低辐射互补，另外还可以形成电场，并通过电场和氧化锌基柱状层的压电材料实现超材料隔音功能，从而实现光波导、声波导的双向有效调控。

增加ZnSnO层作为金属层和氧化锌基柱状层的连接层，可以有效的提供纳米空隙，也可以作为氧化锌基柱状层中的ZnO基柱生长的基础，实现声波的水平传导和低频吸收。

实施例2：

根据本申请的一种实施例的电致变色调光节能隔音玻璃的结构如图2所示，其包括第一玻璃层110、第二玻璃层120以及功能层结构200，在所述第一玻璃层110、第二玻璃层120的四周还可以设置密封结构300。其中，所述功能层结构200由顺序设置的第一透明导电膜传导层(CL)210、第一电致变色层（EC1）220、离子传导层(IC)230、第二电致变色层(EC2)240、透明导电膜传导层(CL)250、网状导电金属层260、ZnSnO连接层270，氧化锌基柱状层280，和硅基空隙层281。

除具有实施例1中的全部功能特征和结构特征外。本实施例中增加的硅基空隙层和作为声波频率（低频、高频）的压电换能器的氧化锌基柱状层的结合可以形成振动膜结构微型隔音薄膜器件，可以最大宽幅频率下实现共振薄膜腔声晶体降噪。

本申请的通过将传统的电致变色薄膜结构和网状导电金属层和压电材料组成的压电单元完美结合，既然保证了建筑门窗和交通门窗的通透性和美观性；又做到了调光可调，热量可调控，主动降噪，最终可实现调光范围：0.5%~70%的调节范围，紫外线可以100%隔离，太阳能全光谱热量调控能力达85%以上，声波主动降噪不低于18dB，有良好的低频声波隔音能力。

一般的压电材料是通过ZnO的半导体导电性能实现声波降噪，通过网状导电金属层可以降低电阻率，提升导电性能，减少电压损耗。通过引入网状导电金属层可以大大增加电极的导电率，同时提升压电材料的声波均匀性。

所述氧化锌基柱状层可以具有不同的层次和/或高低起伏，如图3所示，可以形成三层或三个以上的不同层次，例如第一氧化锌基柱状层2081针对0.0001-20Hz的次声波；第二氧化锌基柱状层2082针对20-16000Hz的声波，第三第二氧化锌基柱状层2083针对16000Hz以上频率的声波。为此，第一氧化锌基柱状层2081、第二氧化锌基柱状层2082以及第三氧化锌基柱状层2083中的氧化锌基柱高度不同，通过形成不同层次和高低起伏的氧化锌基柱状层，可以有效的提升声波震荡的吸收，具有多频率的声波吸收的能力。所述高低起伏可以体现在一个单向方向上，或者体现在两个方向上，如图3所示。

另外，虽然图中示出了成排地规则地排列的第一氧化锌基柱状层2081、第二氧化锌基柱状层2082、第三氧化锌基柱状层2083，但应当理解，三个氧化锌基柱状层中的氧化锌基柱也可以是不规则设置的，例如他们可以交错设置。

硅基空隙层281可以沉积在氧化锌基柱状层的表面。这样形成大致波浪形的层，从而与第二玻璃层120共同定义空隙腔体290，在空隙腔体290内可以填充惰性气体，例如氩气以提升隔音效果。

各器件层的组分如下：

第一透明导电膜传导层(CL1层)210、第二透明导电膜传导层(CL2)250可以采用选自氧化铟锡（ITO）、氧化锌铝（AZO）、氧化锌硼（BZO）、氧化锌镓（GZO）、氧化锌铟镓（IGZO）、掺氟氧化锡（FTO）中的一种或多种材料制成。

第一电致变色层（EC1层）220可以为选自氧化钨（WOx）、氧化钼（MoOx）、氧化铌（NbOx）、氧化钛（TiOx）、氧化钽（TaOx）中的一种或多种材料。

离子传导层(IC层)230可以为以下材料中的一种或多种或它们的混合物：氧化硅锂（LiSizOx）、氧化钽锂（LiTazOxNy）、氧化铌锂（LiNbzOx）、氧化钴锂（LiCozOx）、氧化铝锂（LiAlzOx）、氮氧化磷锂（LiPzOx）、氧化硼锂（LiBzOx）。

第二电致变色层（EC2层）240可以为选自氧化镍（NiOx）、氧化铱（IrOx）、氧化锰（MnOx）、氧化钴（CoOx）、氧化钨镍（WNizOx）、氧化钨铱（WIrzOx）、氧化钨锰（WMnzOx）、氧化钨钴（WCozOx）中的一种或多种材料。

网状导电金属层260可以由网状金属导电层材料制成，所述网状金属导电层材料可以为选自银（Ag）、铝（Al）中的一种或多种。

连接层270的材料为氧化锌锡ZnSnO或者ZnSn，InGaZnO或者GaSnZnO。选用ZnSnO作为连接层是尤其有利的，ZnSnO层作为金属层和氧化锌基柱状层的连接层，优选为微纳柱状体；可以有效的提供纳米空隙，也可以作为氧化锌基柱状层生长的基础，实现声波的水平传导和低频吸收。另外ZnSnO是抗氧化层以及良好热稳定性；在纳米尺度下具有高密度微孔结构。

氧化锌基柱状层280可以由选自氧化锌铝（AZO）、氧化锌硼（BZO）、氧化锌镓（GZO）、氧化锌铟镓（IGZO）中的一种或者多种材料制成。

硅基空隙层281组分：多晶硅（Si）、氧化硅（例如SiO、SiO2）、氮化硅（SiN）中的一种或多种。

网状金属导电层260为材料创新膜层：网状金属导电薄膜层，金属导电薄膜的加入，既可以实现导电电极的高导电率，还可以给压电材料提供电场，实现隔音的效果。

第一透明导电膜传导层(CL1层)210、第二透明导电膜传导层(CL2)250分别引入纳米网状的第一电致变色层220和第二电致变色层260可以达到控制电致变色层中的通道密度，优化电致变色层的电子、离子导通性，以实现稳定的快速声波压电材料的导通和变色均匀性。

上述电致变色调光节能隔音玻璃的制作工艺如下：

步骤S1，第一透明导电膜传导层(CL1层)210，即第一透明电极形成步骤，包括形成选自氧化铟锡（ITO）、氧化锌铝（AZO）、氧化锌硼（BZO）、氧化锌镓（GZO）、氧化锌铟镓（IGZO）、掺氟氧化锡（FTO）中的一种或多种材料的薄膜，膜厚100nm~2000nm。

步骤S2，第一电致变色层220形成步骤：第一电致变色层220即底层电致变色层，可以通过真空镀膜、蒸发镀膜等方法沉积在第一透明导电膜传导层(CL1层)210上，第一电致变色层220膜厚为150至1200nm。其材料选自氧化钨（WOx）、氧化钼（MoOx）、氧化铌（NbOx）、氧化钛（TiOx）、氧化钽（TaOx）中的一种或多种。

步骤S3，离子传导层（IC）230形成步骤：包括在所述第一电致变色层上沉积离子传导层230，膜厚为3至500nm。离子传导层的材料选自以下材料或它们的混合物：氧化硅锂（LiSizOx）、氧化钽锂（LiTazOx）、氧化铌锂（LiNbzOx）、氧化钴锂（LiCozOx）、氧化铝锂（LiAlzOx）、氧化磷锂（LiPzOx）、氧化硼锂（LiBzOx）。

步骤S5，第二电致变色层（EC2）240形成步骤：在离子传导层上沉积第二电致变色层240，膜厚为150至1200nm。第二电致变色层的材料选自氧化镍（NiOx）、氧化铱（IrOx）、氧化锰（MnOx）、氧化钴（CoOx）、氧化钨镍（WNizOx）、氧化钨铱（WIrzOx）、氧化钨锰（WMnzOx）、氧化钨钴（WCozOx）。

步骤S6，网状导电金属层260形成步骤：网状导电金属层260为纳米网状金属导电层，通过真空镀膜、蒸发镀膜等方法沉积在第二透明导电膜传导层(CL2层)250上，其膜厚为5至1000nm。材料选自银（Ag）、铝（Al）中的一种或多种；然后通过激光刻蚀、酸碱刻蚀、掩模板、等离子刻蚀、微球微纳加工等方法形成纳米网状结构层，通过图形、孔洞或者线条形成不同覆盖率的网状导电金属层260的网状结构。

步骤S7，连接层270形成步骤：ZnSnO连接层的材料选自氧化锌锡（ZnSnO）、锌锡ZnSn、InGaZnO或者GaSnZnO中的一种或多种；通过真空镀膜、蒸发镀膜等方法沉积在网状导电金属层250上，以ZnSnO为例，连接层270的膜厚为300至3000nm。

步骤S8，氧化锌基柱状层280形成步骤：氧化锌基柱状层的材料选自氧化锌（ZnO）、锌锡ZnSn、锌铝ZnAl、氧化锌锡ZnSnO或者氧化锌铝ZnAlO中的一种或多种；通过真空镀膜、蒸发镀膜、旋涂镀膜、提拉镀膜等方法沉积在ZnSnOi连接层270上，氧化锌基柱状层280的膜厚为1um至500um。

在一些实施例中，还包括步骤S9，硅基空隙层281形成步骤：硅基空隙层的材料选自多晶硅（Si）、氧化硅（sio）、氮化硅（siN）中的一种或多种；所述材料通过真空镀膜、蒸发镀膜、提拉镀膜等方法沉积在氧化锌基柱状层上，所述硅基空隙层281的膜厚为10nm至1000nm。

可以在密封前或者在密封后向空隙腔体290内充入包括氩气的惰性气体。

传统隔声是指一种物体或者声学器件阻挡声音传播的能力，通常采用透射声能与入射声能的比（即透射系数tI）的倒数来描述；而现实生活中，用分贝表示隔声大小的量称为隔声量或者传声损失，用符号TL表示，由公式1定义为：

共振超材料薄膜厚度对隔音效果的影响如公式2所示：

公式2

其中，Kmem为有效弹性模量；Ra为空气的特性阻抗；R为声阻尼；S为薄膜的面积；r为薄膜半径；w为声波的角频率。

当振动频率较低时，薄膜的隔音量与质量无关，仅与刚度有关；也就是薄膜低频劲道有关。

公式3，其中，T为声压透射系数，E为薄膜的杨氏模量，T为薄膜的厚度。

根据申请人进行的实验测算，薄膜的隔声量随着共振超材料薄膜厚度t的倍增，而增加18dB，而随着频率的倍增而减少6dB；当共振超材料薄膜厚度t~（0.3~0.8mm）也就是在低频下可以具有18dB的倍增厚度的隔音量增量。

共振超材料薄膜比表面对隔音效果的影响如公式4所示：

公式4，其中，S为比表面面积；u为薄膜的泊松比。

本申请的一些实施例提出了一种电致变色调光节能隔音窗系统800，该隔音窗系统由隔音玻璃组成，隔音玻璃可以为实施例1至3中的隔音玻璃，或者经过类似改造的玻璃。

实施例3：

如图4所示，本申请的实施例3提供了一种电致变色调光节能隔音窗系统800，其包括第一玻璃810，第二玻璃820，第三玻璃830，其中，所述第一玻璃810，第二玻璃820，第三玻璃830为实施例1或2中的隔音玻璃。第一玻璃810和第二玻璃820由第一密封体900A密封形成的第一中空腔，以及第二玻璃820和第三玻璃830之间由第二密封体900B密封形成第二中空腔。

优选地，在所述第一中空腔、第二中空腔中充填氩气。

优选地，在所述第一中空腔中的第一玻璃810表面和/或第二玻璃820表面可以附连多层微穿孔结构的隔音胶片830C，所述多层微穿孔结构的隔音胶片830C，所述隔音胶片的材料可以为SGP/PVB/EVA。多层微穿孔结构的隔音胶片830C，微穿孔结构可以通过使得隔音胶片通过刀模形成类似于蜂窝板类型的各种圆孔、菱形、方形等微孔而得到。

优选地，在所述第一中空腔内的四个角上设置有四个次级声源840A，在所述第二中空腔内的四个角上也设置有四个次级声源840B。

本申请的实施例通过在玻璃微纳结构设计来完美解决主动降噪和能量调控的方法之一，再通过中空氩（Ar）气结构、引入次级声源，采用多层微穿孔结构的隔音胶片等综合方案可以既保留了建筑门窗的采光和通透性，有解决了能量调控和声波主动降噪的问题，具有很大的市场前景和应用价值。

实施例4：

如图5所示，本申请的实施例4提供了一种电致变色调光节能隔音窗系统800，其包括第一玻璃810，第二玻璃820，第三玻璃830，在第一玻璃810与第二玻璃820之间的贴附在所述第二玻璃820上的第一功能结构830。第一密封体900A密封形成的第一中空腔，以及在第二玻璃820和第三玻璃830之间第二密封体900B密封形成第二中空腔。第一功能层结构830包括电致变色调光薄膜830A以及共振超材料薄膜830B。

优选地，在所述第一中空腔、第二中空腔中充填氩气。

优选地，所述第一功能层结构830还包括多层微穿孔结构的隔音胶片830C，所述多层微穿孔结构的隔音胶片830C，所述隔音胶片的材料可以为SGP/PVB/EVA。多层微穿孔结构的隔音胶片830C，微穿孔结构可以通过使得隔音胶片通过刀模形成类似于蜂窝板类型的各种圆孔、菱形、方形等微孔而得到。

因图5为局部示意图，因此第一功能层结构830仅显示为覆盖第二玻璃820的表面的一部分，在实际情况下，其可以根据需要附连在第二玻璃820的整个表面或者部分表面。

优选地，在所述第一中空腔内的四个角上布置四个次级声源840A，在所述第二中空腔内的四个角上也布置四个次级声源840B。

本申请的实施例通过在玻璃微纳结构设计来完美解决主动降噪和能量调控的方法之一，再通过中空氩（Ar）气结构、引入次级声源，采用多层微穿孔结构的隔音胶片等综合方案可以既保留了建筑门窗的采光和通透性，有解决了能量调控和声波主动降噪的问题，具有很大的市场前景和应用价值。

进行以下优化以提升隔音效果：

首先，当比表面面积S发生倍增变化时（4π~32π），可实现低频下12dB的隔音量增量。

第二，通过在第一玻璃810和第二玻璃820形成的第一中空腔内，和/或在第二玻璃820和第三玻璃830形成的第二中空腔内可以充入氩气可以实现29~32dB的隔音量。

第三，在所述第一中空腔内的四个角上布置四个次级声源，在所述第二中空腔内的四个角上也布置四个次级声源，对400-1000 Hz频段噪声实现了10 dB的降噪。

第四，增加夹层材料SGP/PVB/EVA：采用多层微穿孔结构，可以有效吸收高频噪声，达到降噪效果；例如，所述夹层材料的厚度在0.76mm时具有5.5 dB的降噪；当厚度在1.52mm时具有7dB的降噪。

中空腔中可以充入氩气，和/或加入引入共振超材料薄膜和次级声源；形成主动噪声控制的系统，窗户传入室内的噪声通常比较接近平面波，所以共振超材料薄膜激振器能更好地匹配初级噪声和低频噪声的降噪，另外在通过增加扬声器作为次级声源，可以很好的进行补偿；且由于这种共振超材料薄膜是透明的，安装在窗户表面也不影响整个系统的美观。

在一些实施例中，硅基空隙层的加入可调节声波吸收的比表面和形成大面积的吸声黑洞，可以通过不同覆盖率的调整，例如通过改变氧化硅的不同的膜厚和晶粒大小，通过改变镀膜的压力和功率等，来实现不同频率声波的吸收能力、和透光性可调。另外不同密度的膜层形成了膜层内部漫反射，光进入后有一定的吸热功能，从而使得增加光线的漫反射可以对红外反射调控能力增强。

采用多层微穿孔结构的隔音胶片可以有效的吸收噪声，增强多层窗的噪声控制能力；还不影响玻璃窗的通透性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。