National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST; ordförande:Ryoji Chubachi) och Sumitomo Chemical Co., Ltd. (Sumitomo Chemical; President:Masakazu Tokura) har utvecklat en ny energisparande, automatisk ljusstyrningsfilm. Detta är resultatet av en forskargrupp bestående av Kazuki Yoshimura (ledare), Energy Control Thin Film Group, materialforskningsinstitutet för hållbar utveckling (direktör:Mamoru Nakamura) vid AIST, och Basic Chemicals Research Laboratory (direktör:Yoshiaki Takeuchi) av Sumitomo Chemical.

Denna ljusstyrningsfilm är baserad på det faktum att det sker en förändring i solljusets infallsvinkel mellan sommar och vinter. Filmen blockerar solljus på sommaren genom att använda total reflektion men överför det på vintern. Till skillnad från andra ljuskontrollfilmer, filmen kan styra överföringen av direkt solljus samtidigt som det alltid låter människor inomhus se utsikten utanför fönstret. Utan några inneboende förändringar, filmen styr automatiskt ljusöverföringen beroende på årstid. Ljusgenomsläppligheten kan styras helt enkelt genom att fästa filmen på ett befintligt fönster. Därför, om filmen kan produceras effektivt, det kommer att spara energi genom att avsevärt minska kyl- och värmebelastningen.

Denna ljuskontrollfilm kommer att ställas ut i Sumitomo Chemicals monter på Automotive Engineering Exposition 2013, kommer att hållas 22-24 maj, 2013, på Pacifico Yokohama, Yokohama, Kanagawa prefektur.

Forskningens sociala bakgrund

AIST har utvecklat resursbesparande, miljöförbättrande byggmaterial som hjälper till att minska CO2-utsläppen från energianvändning i hemmet och på jobbet. Kyla och uppvärmning står för cirka 30 % av energianvändningen i hemmet och på jobbet, och fönster är byggnadskomponenter som väsentligt påverkar energianvändningen för dessa ändamål. Syftet med ett fönster är att släppa in ljus. Vanligt fönsterglas överför värme, samt synligt ljus, och försämrar byggnaders värmeisolering. Därför, Enbart förbättring av värmeisoleringen av fönster sparar avsevärt energi. På senare år har dubbelglas och låg-E-glas (ekoglas) med höga isoleringsegenskaper har blivit mycket använda. Ljuskontrollglas kontrollerar självt inkommande och utgående ljus och värme för att förbättra energieffektiviteten genom att effektivt blockera solljus, förutom värmeisolering.

Glaset måste uppfylla två motstridiga krav:på sommaren, den behöver blockera så mycket solljus som möjligt för att minska kylbelastningen samtidigt som den släpper in lite ljus från utsikten utanför fönstret. För att uppfylla dessa krav, energibesparande ljuskontrollglas har kommersialiserats; sådana typer av glas inkluderar lågemissionsglas som överför synligt ljus och reflekterar nära-infrarött ljus, och elektrokromt glas som kan växla mellan blockerande och transparenta tillstånd.

Det finns en säsongsmässig förändring i infallsvinkeln för solljus på ett fönster. Solljus kommer i en större infallsvinkel på sommaren. Om ett fönster bara kan blockera ljus med stor infallsvinkel, det skulle vara möjligt att blockera direkt solljus och släppa in ljus från utsikten utanför fönstret. Dock, glasögon och filmer med denna typ av ljusstyrningsfunktion hade inte utvecklats hittills.

Forskningens historia

AIST trodde att glas kunde utvecklas för att styra ljustransmission enligt solljusets infallsvinkel genom att utnyttja total reflektion vid gränssnittet mellan två transparenta medier. Den har utvecklat ett ray-tracing-program specifikt för att analysera reflektion och transmission av solljus för att optimera strukturen hos en ljuskontrollfilm. Den har hittat filmens struktur som kan blockera så mycket direkt solljus som möjligt på sommaren samtidigt som det släpper in så mycket ljus från utsikten utanför som möjligt.

Tillverkningsmetoden för en ljuskontrollfilm med denna struktur var nyckeln till kommersialiseringen av filmen. Sumitomo Chemical, som har stark kapacitet inom teknik för tillverkning av transparenta filmer, utvecklade tillverkningsprocessen, och forskarna utvecklade en prototyp av totalreflektionsljuskontrollfilm.

Information om forskning

Figur 1 visar den grundläggande strukturen för den utvecklade totalreflektionsljuskontrollfilmen. Filmen använder ett transparent medium med de främre och bakre ytorna inte parallella med varandra. Till exempel, när ett akrylmaterial (brytningsindex n =1,49) används som det transparenta mediet, med baksidan vinklad i 7°, och ljus kommer från luft till mediets yta i en infallsvinkel större än 60°, ljuset som bryts i mediet infaller på baksidan i en vinkel som är större än den kritiska vinkeln och total reflektion uppstår. Dock, om en transparent film med icke-parallella ytor används som fönsterruta, ljuset från vyn utanför fönstret bryts och vyn ser svävande ut i luften. För att förhindra detta, en annan film med samma tvärsnitt läggs upp och ner mot den första filmen. Som ett resultat, brytningarna av ljuset som passerar genom filmerna tar ut och utsikten ser likadan ut som med en enda ruta av klart glas. Ett mycket tunt luftskikt bildas automatiskt genom att de två filmerna skiktas.

Dock, en film med strukturen i fig. 2 kan inte användas på fönsterglas utan modifiering. Om filmen var 1 m kvadrat, dess tjocklek skulle vara så mycket som cirka 10 cm. Dock, om tvärsnittet liknar det i fig. 1, ljustransmissionens infallsvinkelberoende förblir oförändrat. Därför, som visas i fig. 4, en flerstegs ljuskontrollfilm med liknande totalreflektionsegenskaper kan göras genom att förkorta stegets vertikala längd och tillhandahålla fler steg. Om längden L för ett steg är 10 cm, bredden W kan vara 1 cm. Om L är 1 cm, W kan vara 1 mm. En ljusreglerande film med sådana dimensioner kan fästas på fönsterglas för att uppnå liknande totalreflektionsegenskaper som en enstegsfilm. Om vinkeln på botten av ett steg från vertikalen är mindre än 42°, ljuset i horisontell riktning passerar igenom och utsikten ser likadan ut som med genomskinligt glas.

En undersökning av ljustransmissionsegenskaperna hos en flerstegs totalreflektionsljuskontrollfilm visar att det infallande ljuset går ut i samma vinkel när infallsvinkeln är mindre än 60°, som med enstegsfilmen. När infallsvinkeln är 60° eller större, total reflektion uppstår. Dock, till skillnad från enstegsfilmen, ljuset blockeras inte helt; istället, cirka 75 % är blockerad. Figur 5 visar en klar akrylmodell av den ljusreglerande filmen med en sådan struktur. När infallsvinkeln för solljus är 60° eller större, skuggor skapas.

Alla dessa egenskaper för solljustransmission är de för direkt solljus. I verkliga applikationer, indirekt såväl som direkt solljus måste beaktas. Forskargruppen körde ett fälttest för att fastställa den ljusblockerande prestandan för den totala reflekterande filmen i en verklig miljö.

Figur 6 visar tidsberoendet för mängden solljus som sänds genom en- och fyrstegs akryl-totalreflekterande ljuskontrollfilmer (12 × 12 cm) fästa på ett söderläge fönster. Mätningarna gjordes i september och visar därför filmernas prestanda under sommaren. Den enstegs totalreflekterande ljuskontrollfilmen blockerade nästan allt direkt solljus och överförde endast indirekt solljus. Solljustransmittansen bestämdes genom att integrera intensiteten av det transmitterade direkta och indirekta solljuset och dividera den totala mängden solljus som transmitterats under en dag med den totala mängden vertikalt direkt solljus som infaller på en yta som vetter mot söder. Solljustransmittansen är 23 % för enstegs totalreflektionsljuskontrollfilm och 38 % för fyrastegs totalreflektionsljuskontrollfilm. Solljusgenomsläppligheten för den fyra-stegs totalreflekterande ljuskontrollfilmen är 80 % på vintern, vilket indikerar att fyrstegsfilmen automatiskt kan blockera cirka 40 % av solenergin från att passera genom den.

Mätningar av ljusregleringsegenskaper gjordes på en prototyp av totalreflektionsljuskontrollfilm. Filmen uppvisade förmågan att automatiskt kontrollera ljustransmission före och efter vårdagjämningen. Även om denna förmåga ännu inte har nått den teoretiskt förutspådda nivån, det har visat sig för första gången att en ljusreglerande film med en sådan struktur kan realiseras.

Framtida planer

För att kommersialisera den totalreflekterande ljuskontrollfilmen, strukturen som visas i fig. 4 behöver tillverkas med precision med en ganska kort stigning (dvs steglängd) och på ett effektivt sätt. Forskargruppen utvecklar en effektiv filmtillverkningsprocess baserad på kontinuerlig bildning av smält termoplastharts med hjälp av en precisionsform.

Med målet att kommersialisera inom några år, tillverkningsprocessen kommer att förbättras av Sumitomo Chemical för att förbättra dess ljusblockerande prestanda och en bättre metod för att applicera filmen på fönsterglas kommer att utvecklas.