智慧窗與玻璃塗層F
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玻璃窗是建築結構或交通工具內外空間的視覺溝通通道。但是，玻璃材料的高透光性及高熱傳係數常成為建築物或交通工具在追求舒適時的一處節能缺口。於是，窗玻璃的功能改善一直是廠商及研究機構的研發重點之一。隨著地球溫室效應的日益顯著以及材料製程技術的不斷進步，結合特殊塗層的「智慧窗」即將成為高級建築或交通工具的結構特色之一。筆者希望藉本文讓讀者對窗與玻璃塗層的關係以及發展，有一個基本的認識，未來或許也能配合節能政策有所貢獻。
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智慧窗與玻璃塗層F
- 1. ■ 136 工業材料雜誌 207 期 93 年 3 月 http://www.materialsnet.com.tw 智慧窗與玻璃塗層 ◎作者：吳永豪 現職：工研院材料所自動化檢測實驗室研究員 前 言 有一則描述早期人類活 動的故事這樣寫著：「樹林 中住著一群人，每一家各自 在室內做著自家的事；有些 在交談、有些在嬉戲、有些 在吃魚…，各家都有著自己 的窗子。透過窗子，當族人 看到首領在場子裡把火生 起，大家都走出戶外，向著 那耀眼的火光步進，直到大 家都聚集了，便圍著火堆快 樂 的 唱 歌 跳 舞 ， 好 不 得 意…。」直到今天，窗子仍 舊是人與人間溝通的重要橋 樑。透過窗子，屋裡的人也 能和大自然的四時變化相融 合。 至於玻璃這個東西到底 誕生於何時，連考古學家也 說不準。人們究竟在何時又 把玻璃裝上了窗子，使玻璃 成為窗材的不二選擇，有興 趣的人可以再去考究一下。 當今，考量節能的新式建 築，不僅要求結構體絕熱性 能良好，還特別強調運用自 然的太陽光源來取熱、發 電、照明並增進室內的舒適 感，玻璃窗自然扮演了極關 鍵的角色。除了靜態的建 築，玻璃窗也同樣在各類現 代交通工具上角色吃重。 隨著地球溫室效應的日 益顯著，如何善用太陽能並 減少日照的負面效應，是世 界各國的主要能源政策之 一。大量使用於建築物及交 通工具的玻璃窗，卻因玻璃 材質的高透光性及高熱傳係 數，一直是人們設法改善的 節能缺口之一。主要的方法 就是採用具有特殊塗層的玻 璃或是多層玻璃 / 充氣的結 構設計。其中，結合特殊塗 層作成可以自由操控光學特 性的智慧窗(Smart Window) 玻璃窗是建築結構或交通工具內外空間的視覺溝通通道。但是，玻璃材料的高透光性及高熱傳 係數常成為建築物或交通工具在追求舒適時的一處節能缺口。於是，窗玻璃的功能改善一直是 廠商及研究機構的研發重點之一。隨著地球溫室效應的日益顯著以及材料製程技術的不斷進 步，結合特殊塗層的「智慧窗」即將成為高級建築或交通工具的結構特色之一。筆者希望藉本 文讓讀者對窗與玻璃塗層的關係以及發展，有一個基本的認識，未來或許也能配合節能政策有 所貢獻。 關鍵詞：智慧窗(Smart Window)、玻璃(Glass)、塗層(Coating)、發色(Chromogenic)、電致變色 (Electrochromic)、光致變色(Photochromic)、溫致變色(Thermogenic)、懸浮粒子 (Suspended Particle)
- 2. http://www.materialsnet.com.tw 93 年 3 月 207 期 工業材料雜誌 137 ■ 乃應運而生，且發展至今已 有十多年。近年來，隨著材 料製程技術的進步，智慧窗 即將成為高級建築或交通工 具的關鍵結構。 窗的構造及特性(1-3) 在台灣，相信大多數人 對窗子的第一印象應當只是 鋁框加有色玻璃吧！其實， 在歐美先進國家，為了追求 環境舒適及因應節能的需 求，窗子的特性就有明確的 界定及要求，並區分成外 觀、功能、能源特性及成本 四大項，如圖一所示。 考慮節能特性的窗子， 其基本構造分成窗框、玻 璃 / 塗層、間隙 / 充氣及絕 熱隔材四部分。其中，窗框 的材料大多採用不銹鋼、鋁 合金或強化塑膠。前兩種材 料的耐候性較佳但導熱率過 高，因此會在其中加入熱斷 橋的設計（見圖二），用以 減少窗框區域的熱傳導流 失。 除了窗框外，窗的最大 導熱和輻射面積就是玻璃。 玻璃主要散熱是依靠熱傳導 和熱輻射，傳導是熱量從玻 璃內面通過玻璃的分子運動 把熱量傳導到玻璃窗外表 面。熱傳導的大小和傳導速 度、玻璃的厚度、不同玻璃 的導熱係數有關，同時也和 不同性質的玻璃性能有關； 輻射則和不同性質的玻璃有 關。玻璃上的塗層是用來調 制輻射能的進出，此外，利 用絕熱隔材來維持兩層或多 層玻璃間的間隙，並在其間 填充空氣或氬氣來獲得低導 熱係數，藉此有效減低熱傳 導損失。圖三是窗玻璃及日 照熱傳間的關係示意圖。 從能源的角度來看，窗 子的熱能特性決定了窗子的 品質及效能，為了統一規 範，歐美各國皆訂有定量的 認證標準，圖四是兩種認證 範例。評估內容主要包含 ▲圖一 窗子的基本構造及特性要求 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ▲圖二 金屬窗框內斷熱橋設計（參見目錄頁彩色照片）
- 3. ■ 138 工業材料雜誌 207 期 93 年 3 月 http://www.materialsnet.com.tw SHGC (Solar Heat Gain Coefficient ， 日 照 熱 得 係 數 ） 、 U-factor（ 導 熱 係 數）、 Visible Transmittance （ 可 見 光 透 光 率 ） 及 Air Leakage（漏氣量）四個參 數。相關的定義及建議值如 下： 泝SHGC：日照熱量隔絕能 力的評估參數。 *日光透射窗子的比例。 *含 直 接 透 射 及 吸 收 輻 射。 *數值介於 0（無透射）~ 1（全透射）。 沴U Factor：熱傳導係數， 評估熱散失特性。 *熱散失 QT=A · U · (T室內 - T室外)。 *通常介於 0.2~1.20 。 沊Visible Transmittance：可 見光透光率，評估透明 度。 * 通常介於 0.3~0.8 。 沝Air Leakage：漏氣量，評 估內外通氣對流熱損失 的程度。 *建議 0.30 or Less (cfm/sq ft)。 窗玻璃輻射的調制(4) 論及輻射的調制，首先 必須對輻射光譜與溫度的關 係有一基本的認識。物體的 輻射是溫度的函數，任何物 體只要是溫度高於絕對零 度，其組成原子就有動能， 也就會產生輻射，只是其輻 射光譜會有不同。地球的輻 射能量來源－太陽，是個溫 度高於 6000°K 的輻射源， 其光譜分佈與德國物理學家 浦朗克於 1900 年推導的黑 體輻射光譜分佈大致相似， 主要的波長分佈為 0.25<λ <3µm ，如圖五(a)所示。其 中的可見光則分佈於 0.4<λ <0.7µm 。隨著物體的溫度 逐漸降低，其光譜分佈向長 波偏移，如圖五(b)所示。 換句話說，日常生活中所接 觸的周遭物體不僅都會產生 不同程度的輻射，其輻射光 譜都落在長波的範圍，也就 是紅外線的區域(λ>0.7µm)。 紅外線是熱輻射的來 源，換句話說，一個高於絕 對零度的物體係以熱輻射將 熱能放射出來。當太陽光照 射在物體上時會將輻射能轉 移到被照的物體上。但是物 體本身的特性則決定了究竟 會吸收何種光譜範圍的輻射 能以及吸收多少。如果是理 ▲圖四 窗子熱能特性規格認證範例 SkyWindows, DHOX Double Hung Window Inc. CPD#999-N-000 Vinyl Frame • Dual Glazed Low E ENERGY PerformanceCERTIFIED National Fenestration Rating Concil NFRC Technical Information • Energy Savings will depend on your specific climate, house and lifestyle • For more information, call Sky Windows, Inc. 1-800-555-1511 or visit NFRC’s web site at www.nfrc.org. Residential Products U-Factor U-Factor Solar Heat Gain Coefficient Solar Heat Gain Coefficient Visible Trans- mittance Visible Trans- mittance Air Leakage CFM/ft Air Leakage CFM/ft Nonresidential Products 0.37 0.32 0.32 0.33 0.53 0.54 .2 .2 British enestration Rating Council CERTIFIED ENERGY PERFORMANCE DATA A1Window Systems Ltd. 2000 System Casement Timber framing Double glazing - Low E (hard) - Air fill Size range - L1 (1.48 x 1.23 m) DWER rating is on a scale 0 (worst) - 100 (best) BFRC Cert. No: A1 - 0001 DomesticWindow Energy Rating - 73.4 U-value SHGC Light transmittance 1.90 0.51 0.51 Manufacturer stipulates that these ratings conform to applicable NFRC procedures for determining whole product energy performance. NFRC ratings are determined for a fixed set of environmental conditions and specific product sizes. BFRC ratings are determined for a fixed set of environmental conditions based on harmonised European requirement and sizes. Thw window energy rating indicates the likely energy performance of the window in a typical house in the UK. Actual energy performance will depend on location, dwelling and lifestyle. For more information call 0700 780 971 or visit our website at: www.bfrc.org ▲圖三 窗玻璃及日照熱傳間的關 係示意圖
- 4. http://www.materialsnet.com.tw 93 年 3 月 207 期 工業材料雜誌 139 ■ ▲圖五 (a)浦朗克預測之5000°K黑體輻射光譜；(b)光譜分佈隨溫度降低而向長波偏移（彩色照片參見目錄 頁） 想的黑體，則該物體會吸收 (Asorption)所 有 波 長 的 輻 射，並將所有波長的輻射原 原本本的放射(Emission)出 來，也就是 A(λ)=E (λ)。 不過，世界上倒無這種 真正理想的黑體。平常在日 光照射下呈現黑色的物體至 少會將大部分的可見光吸 收，相對的，反射出去的可 見光便減少了。至於這些被 吸收的能量是否能將其轉換 成物體的溫度呈現出來，主 要受制於該物體組成原子與 電子的交互作用。如果該物 質的電子與原子間的束縛薄 弱，諸如：導電的金屬，那 麼金屬的電子海在光波（也 就是電磁波）的輻射下，帶 負電的電子必然或多或少受 到擾動，但是由於原子對它 們的束縛小，大多數轉移的 能量又隨之轉送出去，所以 大部分的金屬只要表面夠平 滑都有良好的反射率。反 之，若是物質的電子與原子 間的束縛較強，原子透過電 子擾動吸收能量的機率自然 較高，輻射加溫的可能性就 較高。 總之，輻射加溫可能牽 涉複雜的物理機制，在此不 便深入討論。針對窗玻璃的 輻射調制，我們只要掌握以 下幾個關鍵的原則即可： *吸收率 + 反射率 + 穿透 率 =1 ， 亦 即 ： A(λ)+ R(λ)+ T(λ)=1 。 *理想黑體任一波長的 吸 收率 = 放射率，亦即： A(λ)=E (λ)。 *窗戶的透光舒適性係指 可見光透光率的調制， 亦即：(Tlum) *室外日光的吸收(Asor- ption)或反射(Reflectance) 調制係針對：太陽光譜 的主要能量範圍，亦即： 0.25<λ<3 µm 。 *日常生活週遭物體的熱 放射(Emissivity)的調制， 係針對：3<λ<100 µm 。 *UV 輻射的調制係為減 少輻射傷害，係針對：λ <0.4 µm 。 *可見光範圍係指：0.4< λ <0.7 µm 。 5000K Radiation Visible Planck Radiation Formula Rayleigh-Jeans Law The Ultraviolet Catastrophe 1000 2000 3000 Wavelength of Radiation in nm (a) Visible UV Infra-red 2000 K 1750 K 1500 K 1250 K 1 2 3 4 5 Wavelength λ (µm) (b) Peak Wavelength Intensity Curve for Each Temperature PowerRadiationatEachWavelength
- 5. ■ 140 工業材料雜誌 207 期 93 年 3 月 http://www.materialsnet.com.tw * IR 輻射的調制乃為改善 夏季的熱衝擊或冬季取 暖，係針對：λ>0.7µm 。 窗玻璃塗層的種類 窗玻璃塗層的目的可歸 納為下列幾項目的： *隔熱或保溫(Insulation or IR Cut)。 * 隔紫外線(UV Cut)。 * 防霧(Water Repellent)。 * 防撞擊(ImpactResistant)。 *耐刮(AbrasionResistant)。 但是，單就追求舒適及 節能的需求來看，則可將塗 層功能劃分成靜態及動態兩 類，並可細分如下。後者專 指可以即時調變透光性的塗 層，並將其成品稱之為智慧 窗。 靜態型 *Low-E 金屬氧化物塗層 (Metal Oxide Coating) *光致變色(Photochromic) 塗層 *溫 致 變 色 (Thermochro- mic)塗層 動態型 *液晶型調變 (Liquid Crys- tal Based)塗層 • 高 分 子 分 散 液 晶 (Po- lymer Dispersed LC，簡 稱 PDLC)及封包式(En- capsulated)裝置 • 主客式裝置(Guest-host Device) *電致變色(Electrochromic) 塗層 *懸浮粒子式裝置(Suspen- ded Particle Device ， 簡 稱 SPD) 俗 稱 的 Low-E 玻 璃 係 指該塗層被覆玻璃不容易讓 低溫熱輻射穿透，也就是 說，它對太陽能佔多數的短 波輻射透明但對長波的 IR 不透明。因此夏天，日光中 除了長波的 IR 外，大部份 輻射能得以透進室內，讓室 內明亮但又能減輕 IR 的熱 得。相對的，冬天時，室 內爐火等產生的低溫輻射又 得以反射回室內而達到保暖 的效果。目前，講求節能的 建築物最普遍採用 Low-E 玻璃窗。這類塗層為透明薄 膜金屬膜(Thin Invisible Me- tallic Layer)，最簡單的型式 是 在 玻 璃 上 鍍 一 層 0.3µm ITO 薄膜，透光率> 80% (λ= 0.4~1.1 µm)。較高級的產品 則採用多層膜設計，可以進 一步的依據需求讓特定波長 範圍的光透射或反射。例 如 ： 18nm TiO2-Ag-TiO2 的 複合膜可以將日光中 95% 的 IR(λ=0.3~0.65 µm)皆反射。 此外， Low-E 鍍膜還可依 據鍍膜的製作方式分成硬鍍 及軟鍍兩類。前者係於玻璃 製板時沾覆金屬液而成膜， 後者則以物理濺鍍(Sputte- ring)成膜。 應用上， Low-E 通常又 以 SHGC 劃分高（硬鍍）、 中（軟鍍）、低（軟鍍）三 種類型。這種膜通常鍍於窗 子外層玻璃的內側，並搭配 清玻璃或有色玻璃組成雙層 或多層窗，如圖六所示。 窗玻璃的日照調制 方式(5-17) 除 了 上 述 的 Low-E 玻 璃外，其餘幾種塗層的日照 調制方式各有不同，如圖七 所示。圖中顯示下列幾項特 徵： 泝 Photochromic（光致）、 Thermochromic（溫致）及 LC- GH 型塗層，其日光透 光率及可見光透光率並不相 同。調制發生時，可見光透 光率反而比日光透光率降得 多。這種情形對舒適性不 利，因為希望減少日光中的
- 6. http://www.materialsnet.com.tw 93 年 3 月 207 期 工業材料雜誌 141 ■ ▲圖六 Low-E 玻璃窗的選用及功能說明 Photochromic Thermochromic EC LC-GH LC-PD&E V VV T T T T T TsolTsol Tsol Tsol Tsol Tlum Tlum Tlum Tlum Tlum VcVc V V ∆t 100s ∆t 10–9 s ∆Q ∆t 10–3 s∆t 10s ∆t 0.1s I I τc τ Tlum : Luminous, Tsol : Solar, V : Volt τ : Temp., Q : Charge Density, I : Intens. ▲圖七 塗層的日照調制方式 IR 時卻加劇影響了室內外 的能見度。 沴 Photochromic 及 EC 型 塗層的透光率可以產生連續 式變化，視覺較舒適。 沊 EC 、 LC-GH 及 LC- PD&E 型塗層可以藉外加電 源調變，操控自由。 沝 LC-GH 及 LC-PD&E型 塗層的調變反應迅速（小於 0.1 秒），較符合動態特性。 沀 LC-PD&E 型塗層的調 變是一種光散射(Scattering) 反應。 前面的文章還提到一種 塗層，稱之為懸浮粒子式裝 置(Suspended Particle Device; SPD)。其基本構造及原理 和 LC-PD&E 型塗層相似， 但是透光性可以連續調變， 容後細述。 Low-emittance and/or Solar Control Coating Exterior Interior Gas Fill Surface 4 (Interior Face) Surface 3 Surface 2 Surface 1 (Exterior Face) Warm Edge Spacer Between Glazings New Frame Materials and Designs Clearor Low-EGlass Laminated Interlayer Selective Low-ECoating orTintedGlass ClearGlass Conventionalor Spectrally Selective Blueor Green-tinted Glass Spectrally Selective TintedGlass Conventional Low-ECoating ClearGlass ClearGlass Suspended Filmwith Selective Low-E Coating ClearGlass Selective Low-E Coating Inside Outside Good Selectivity Best Selectivity Low-E
- 7. ■ 142 工業材料雜誌 207 期 93 年 3 月 http://www.materialsnet.com.tw 光致變色與溫致變色 塗層技術 光致變色是指材料在光 照時會改變光學特性，無光 時恢復原樣，或者相反。 Fritzsche 於 1867 年 首 度 發 現一種橘色的 Tetracene 溶 液在光照下會發生脫色的現 象。有許多無機或有機染料 會具有這種特徵，也就是該 材料中的分子、離子、電子 或電洞在與光子的交互作用 發生吸收光譜的轉換，如圖 八(a)所示。 這種變色的機制可分成 單光子及雙光子兩類，後者 的光子吸收還可細分成同時 及階梯式，如圖八(b)。這 種材料早已應用在窗玻璃及 太陽眼鏡上，不過應用在窗 玻璃上時最大缺點是冬陽時 偏暗，夏陽時反而偏淡，節 能效用差。 相對的，溫致變色材料 則是在不同的溫度下轉換 材料的顏色，也是可以發生 在某些無機或有機材料中。 其轉換機制可分成下列四 類： 泝相變化（急驟變化） 沴結晶度變化（連續變 化） 沊離子化程度變化（連 續變化） 沝共 軛 鍵 結 (Conjugated Bond)型態不同時呈現不同 光學特性（高分子） 無機材料中最常見者為 過渡金屬氧化物或化合物， 在半導體態及金屬導體態間 轉換。其中(V1-xNbxO2)最廣 用，於 70°C 左右，物性變 化明顯。其他還有 Ti2O3 、 Fe3O4 、 Mo9O26 等。不過， 這類材料變色時幾乎完全不 透明，較適用於天窗。圖九 是無機及有機材料的範例。 法國Toulon Var University曾 以化學合成 VO2-based 溫致 變色材料，在 68°C 時會發 生金屬絕緣相變化(Metal- Insulator Phase Transition ， 簡稱 MIPT)。相變化溫度可 以靠摻雜 Mo 來調變。擬進 一步製成奈米粉複合材料， 塗佈於建築物外牆、天窗或 玻璃窗上，以減少日照熱得 （見圖十）。 ▲圖八 (a)兩種材質的吸收光不同；(b)吸收光子後的能階轉換說明 ▲圖九 (a)無機；(b)有機溫致變色材料的材質特徵 300 200 100 0 0.10 0.20 X T(K) R (a) (b) R'M1 M V1-xNbxO2 O O O O O O O OO OO O O O Non Planar Planar VIOLET Reversible Chromism YELLOW hv2 hv1 S0 S0 Sn B Sn S1 A A Absorbance B B 300 400 500 600 λ/nm hv1 hv2 or ∆ Virtual Level hv" hv' B' Real Level ' (a) (b)
- 8. http://www.materialsnet.com.tw 93 年 3 月 207 期 工業材料雜誌 143 ■ 液晶塗層技術 今天用於平面顯示器的 液晶技術，早期也曾嘗試應 用於窗玻璃上。其關鍵特性 如下： 泝 液晶分子分佈於兩片 鍍有 ITO 透明電極的玻璃 板間。 沴光學調制分成兩類： * 將兩色性染料分子(Di- chromic Dye Molecules)與液 晶混合，形成主客式裝置。 前者為客，後者為主。用來 調制吸收(Asorption Modula- tion)特性。 * 將液晶分子包裹於許多 微米尺寸的封包中，形成 LC-PD&E 裝置。用來調制 散射(Scattering Modulation) 特性。 沊工作電壓約 10 Volt 左 右。 圖十一說明液晶型智慧 窗工作原理及應用。可惜因 為下列三項障礙而難以推 廣： 泝液晶在日照下容易老 化。 沴液狀材料有洩漏之虞， 而且大面積的玻璃其間充填 液晶的間隙不易維持，尺寸 受限。 沊製程複雜，價格偏高。 電致變色塗層技術 電致變色智慧窗的發展 已有十多年的歷史，兩層玻 璃間至少包含五層鍍層，構 ▲圖十 (a)VO2-based 溫致變色奈米粉複合材料及光譜變化特性；(b)構想中之建材應用 Revêtement Thermochrome Extérieur Intérieur Vitrage Revêtement Thermochrome Flux (T<Tt) Flux (T>Tt) Rayonnement Solaire (λ=1µm) S100 80 60 40 20 0 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 2.5 5 10 152025Wavelength (µm) VO2 Pigments Submicroniques: Dispersion Dans KBr Wavenumber (cm–1 ) (a) (b) IRTransmittance(%) MMI Laboratory, Toulon Var University, France 25°C 80°C Metallic State Reversible Semi-conductor State * *
- 9. ■ 144 工業材料雜誌 207 期 93 年 3 月 http://www.materialsnet.com.tw 成一個類似電池的結構，再 藉助電化學反應來反覆改變 塗層的顏色或透光性。圖十 二是電致變色塗層的典型結 構。 各層擔負的功能說明如 下。 泝兩片玻璃內側的透明導 電 膜 (Thin Transparent Con- ductingLayer)。通常為 ITO ， 為外加電源的導電介面。 沴氧化鈦電極層(Tungsten Oxide Layer)。特殊的八面 體結構允許鋰離子進入晶格 中央空隙，改變了原材料的 電子組態，進而影響了氧化 鈦的可見光吸收性。也就是 由透明漸漸變為不透明。其 透明度隨鋰離子的濃度而 變，可藉電壓調控。 沊 鋰 離 子 摻 雜 (Lithium Doped)導電層，實用上需要 是固態的電解質(Solid Ele- trolyte)層。外加電壓時，這 層固態電解質的離子導電性 與電致變色的性能關係密 切。導電率低時迫使外電壓 變高。通常，電致變色塗層 裝置很容易因為外電壓過高 而毀損。 沝對應電極(Counter Elec- trode)，又稱離子儲存層(Ion Storage Layer)。此處為透明 氧 化 釩 (Vanadium Oxide Layer)， 富 含 摻 雜 的 鋰 離 子，是氧化鈦變色所需鋰離 OFF ON Interlayer Film Liquid Crystal Layer Liquid Crystal Film Conductive Coating ▲圖十一 液晶型智慧窗的工作原理及應用（彩色照片參見目錄頁） ▲圖十二 電致變色塗層的典型結構 Glass Layer Thin Transparent Conducting Layer Tungsten Oxide Layer Lithium Doped Layer Vanadium Oxide Layer Thin Transparent Conducting Layer Glass Layer
- 10. http://www.materialsnet.com.tw 93 年 3 月 207 期 工業材料雜誌 145 ■ 子的來源。當外加電壓反向 時，鋰離子又脫離氧化鈦並 經由固態的電解質回到氧化 釩中。對應電極未必是採用 透明的氧化釩，原則上，對 應電極在離子進出時的變色 變化應當不會與氧化鈦電極 層的變色相衝突。同時，氧 ▲圖十三 電致變色型智慧窗工作原理 化還原電位也要和氧化鈦電 極層相匹配。圖十三說明液 晶型智慧窗工作原理。 至今，全世界在各類變 ▲圖十四 (a)係電致變色塗層與太陽光電板結合的方式；(b)說明TiO2中的染料如何吸收光子後放出電子， 並藉此觸發離子及電子的交換而產生變色效果 ITO Electrochromic Material WO3 Ion Conductor LiAlF4 lon Storage Material LixV2O5 p-type a-SiC:H Intrinsic a-SiC:H n-type a-SiC:H SnO2 :F Glass (a) (b) EC PV Electrochromic Electrolyte TiO2 + Dye Dye Absorbed on TiO2 TiO2 Light I – l– Counter-electrode WO3 Li+ e– e– Photoelectrode 3 ON Conductive Layers Ion Storage Conductor Ion Conductor/ Electrolyte (a) (b) Electrochromic Layer OFF
- 11. ■ 146 工業材料雜誌 207 期 93 年 3 月 http://www.materialsnet.com.tw 色玻璃塗層中投入最多的研 發就是電致變色型。不過至 今仍舊只有小面積的應用， 例如：汽車後照鏡，才有量 產。最主要的障礙是價格、 良率及壽命。此外，增加產 品附加價值也是其中一個努 力的方向。圖十三及十四是 其中兩個研發的實例。 圖十四係將電致變色裝 置與太陽光電板結合在一 起，因此毋需外加電源。在 其中的 TiO2 中加入染料， 光照時，染料吸收光子後放 出電子再注入 TiO2 中，藉 此觸發離子及電子的交換而 產生變色效果。 圖十五係一種採用奈米 晶體的電致變色裝置，由瑞 士的 LPI 所發展。關鍵結構 是一層奈米半導體(TiO2)結 晶上錨定一單分子層的高分 子電致變色材料。外加電壓 時，電子經由 TiO2 迅速轉 移到高分子電致變色材料而 變藍。奈米半導體結晶層需 設法作成多孔質，才能讓入 射光充分到達材料內部與所 有的單層高分子電致變色材 料反應，發生高效率的光吸 收。 懸浮粒子式塗層技術 (SPD) SPD 技術係由美國 Re- search Frontiers Inc.公 司 於 2001 年正式發佈可以商業 化量產。 RFI 公司宣稱已擁 有 130 個 SPD 專利且提出 近 400 個專利申請。據研判 其原理和前述的 LC-PD&E 裝置極為相似。但是從公開 的資訊來看，其性能較以往 的 LC-PD&E 裝 置 優 良 許 多。經過特殊的設計，其透 光率已可近乎連續調變，同 時，調配不同濃度的懸浮粒 子可以製成最大遮光率不同 的產品。其基本特徵如下： 泝採用似液晶的極性柱 狀顆粒，懸浮於特殊液體中 再包裹於許多小封包中並作 成乳化薄膜。 沴未加電壓時，封包內 Glass 5000 nm Electrode Nanoparticle Adsorbed Molecular Monolayer SnO2 Nanocrystalline Layer 20 nm HO HO HO O O O O O O P P P 2 nm + N N N + N= + N + N + + 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 400 500 600 700 800 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Wavelength Absorbance ▲圖十五 一種採用奈米晶體的電致變色裝置。一層奈米半導體(TiO2)結晶上錨定一單分子層的高分子電致 變色材料，外加電壓時，電子經由TiO2迅速轉移到高分子電致變色材料時，產生右圖的吸收光譜轉換而變色
- 12. http://www.materialsnet.com.tw 93 年 3 月 207 期 工業材料雜誌 147 ■ 的柱狀顆粒不規則分佈，入 射光被散射而成不透明。 沊加電壓時，封包內的 柱狀顆粒規則排列，大部分 的入射光皆能透射。 沝調節電壓，透光率可 近乎連續調變。 圖十六是 SPD 型智慧 窗工作原理及應用。圖十七 是 SPD 膜的量產型生產設 備外觀。 SPD 與 EC 兩種產 品的性能比較如表一。 窗玻璃塗層的性能 操控策略 窗玻璃塗層的選擇與日 照能源的應用目的息息相 關，我們可以將其歸納成三 種策略如下。 操控策略 I 目的：降低冷房負面衝擊 • 降低冷房電量。 • 降低冷房尖峰負荷及空 調系統規模。 • 降低尖峰用電。 • 改善熱舒適感。 策略 • 主 動 式 調 制 透 光 率 ： SPD 、 EC 型。 • 被動式減低日照熱得： 日 照 光 譜 及 角 度 調 制 型。 ▲圖十六 SPD型智慧窗 工作原理(a)及 應用(b)（彩色 照片參見目錄 頁） 圖十七 SPD 膜的量產 型生產設備外 觀（彩色照片 參見目錄頁） Rolls of SPD film can be mass-produced on high-speed coaters and can easily be shipped to production sites. ▲ ▼表一 SPD 與 EC 兩種產品的性能比較 特 性 SPD EC 組成結構 單一作用層，容易製造， 多層結構組成（7層），包含一層固態 成本低 電解質，其餘的導電膜及電極需物理 濺鍍法製作，技術難度高，製程複雜 變色反應 幾分之一秒內瞬間均勻變 從週邊慢慢向中央延伸(IRIS Effect)， 色，無記憶效應 歷時數分鐘，面積愈大，速度愈慢， 具有 12~48 小時的記憶效應 透光率 10%~80% ，可調配 Suspen- ded Particle 濃度來改變 5% ~ 70% 透光率範圍 工作溫度 -30~80°C 15 ~ 60°C 工作電流 AC電源，低電流，較電壓高 DC 電源， 1~5 Volts 使用壽命 108 次 106 次(Ref:10 Years) 售價 1~4 美元 / 平方呎 25~40 美元 / 平方呎 Suspension Liquid/Film OFF ON Suspended Particle Devices (a) (b) Conductive Coating
- 13. ■ 148 工業材料雜誌 207 期 93 年 3 月 http://www.materialsnet.com.tw 操控策略 II 目的：增加日照正向效益 • 降低照明電量。 • 降低照明尖峰負荷。 • 簡化照明操控系統。 • 改善視覺舒適感。 策略 • 調控局部空間的照明及 品質：日照透光光譜及 方向調制型。 • 調控炫光：SPD 、 EC 型。 • 調控日光強度：SPD 、 EC 型。 • 調控建築物關鍵區域的 照明：集光及光導引。 操控策略 III 目的：熱散失控制 • 降低熱散失。 • 維持日照熱得水準。 • 改善熱舒適感。 策略 • 採用 Low-E 型。 • 充氣或真空型。 窗節能效益的粗估 節能效益與窗玻璃的塗 層型式、日照狀態息息相 關。如果是採用透光率可自 由調變的智慧窗，其效果又 隨室內人員的操控而變。地 球上各個區域的日照狀態不 同，窗子的選用及節能效益 評估必須事先掌握各個區域 的氣候及日照條件，而且， 冬天和夏天的日照可能就有 顯著的差異，這些都會影響 窗子的效益。圖十八說明了 冬、夏室外日照與窗玻璃之 間的關係。 看起來，窗子節能效益 的評估要考慮的因素似乎頗 多，但其實可以簡單的估算 一下，如下面的例子： * 假設典型南向窗口日照 量 =1000 kWh/m2 yr 。 * 估計可見光能量 =(1/2) 日照量 =500 kWh/m2 yr 。 * 假 設 窗 可 調 變 透 光 率 =7~75% ，故全開及全關之 間可節省 340 kWh/m2 yr 。 * 假設假日沒人在辦公室 及早晚日照很少的情 況 約 佔 1/2 年 的 時 間 ， 故 可 節 省 (1/2) 340 kWh/m2 yr = 170 kWh/m2 yr 。 * 據 估 計 在 辦 公 時，有些時候不會全 開，故遮蔽日照可節 省的能量還會略高於 170 kWh/m2 yr 。 * 參考：南向 / 北 向 / 水平日照量 = • 850/350/920 kWh/m2 yr : Stockholm(Sweden) • 1400/450/1700 kWh/m2 yr : Denver(USA) • 1100/560/1800 kWh/m2 yr : Miami(USA) 結 語 * SPD 技術已歷經十數年 的研發，直到美國 Research Frontiers Inc.公司於 2001 年 正式推出後，陸續已有多家 歐、美、日、韓的乳化劑、 薄膜、玻璃製造廠自該公司 取得授權生產相關產品，主 要應用於建築、飛機及汽車 的玻璃窗上。已建構了極優 勢的產業鏈，後勢看好。 * 目 前 Research Frontiers 公司的主要競爭產品為 3M ▲圖十八 夏天與冬天太陽的日照角度不 同會影響窗子的選擇及效益
- 14. http://www.materialsnet.com.tw 93 年 3 月 207 期 工業材料雜誌 149 ■ 現有的 Tint Film 。但 SPD- Smart Windows 具有動態變 色的特殊功能，雖價格較高 但有後來居上之勢。 * EC Window 的主要生產 廠是 SAGE ，但在近期的 聯繫中得知尚未量產。 EC Window 由 多 層 結 構 組 成 （7 層），其中包含一層同 樣用於鋰電池的固態電解 質，其餘的導電膜及電極需 以用於光電業的物理濺鍍 (Sputter)法製作，技術難度 高，製程複雜，價格高昂， 目前售價約 US$ 25 ~ 40/ 平 方呎，未來也不可能低於 SPD 的價格。 * SPD Window 的 價 格 需 要持續降低才可能大規模普 及。 * RFI 已擁有 130 個 SPD 專利且提出近 400 個專利申 請。日本公司擁有 EC 專利 超過 1500 個。開發新產品 可能是台灣產業得以切入的 方向。 *節能塗層應用也已引入了 Nanotechnology ，應該是應 用發展的另一扇「窗」。 參考文獻 1. NFRC Label, http://www.nfrc.org/ label.html 2. British Fenestration Rating Council, http://www.bfrc.org/ 3. LBNL, http://windows.lbl.gov/ Default.htm 4. "Black Body Radiation", http:// www.egglescliffe.org.uk/physics/ astronomy/blackbody/bbody.html 5. "Large Area Chromogenics:Mate- rials and Devices for Transmittance Control ", SPIE Institutes for Ad- vanced Optical Technologies, Vol- ume IS 4, SPIE Optical Engineer- ing Press, Washington USA, 1989. 6. "Advanced Glazing and Transpar- ent Insulation", Education in Architechs in Solar Energy and Enviornments Sec. 3.1, Daylighting in Architecture: A European Ref- erence Book, Ed Baker N, Fanchiotti K for CECDGXII 1993, ISBN 1-873936-21-4. 7. "Windows of the Future", Califor- nia Energy Commission, http:// www.consumerenergycenter.org/ homeandwork/homes/inside/win- dows/future.html 8. Performance of 50 Completed ATP Projects Status Report - Number 2, NIST SP 950-2 Chapter 6 - Manufacturing. http://www.atp. nist.gov/eao/sp950-2/chapt6-10. htm 9. Glaes G. Granqvist, "Charge your glasses with electrochro-mic glazing", International Glass Re- view issue 2, The Angstrom Lab., Sweden, 2001. 10. "VO2 Based Thermochromic Composites", MMI Laboratory, http://www.univ-tln.fr/Recherche/ unites/l2mi/fred/vo2.htm 11. J. Karlsson"Control System and Energy Saving Potential for Swit- chable Windows", 7th International mI BPSA Conference Rio de Janeiro, Brasil August 13-15, 2001. 12. Michael R. LaPointe, "2000 Survey of Window Manufacturers on the Subject of Switchable Glass", Re- search Frontiers USA, 2000. http:/ /www.refr-spd.com 13. "Smart Coatings", http://www. a z o m . c o m / d e t a i l s . a s p ? ArticleID=154. 14. Mario Leclerc, "Smart Materials Based on Functionalized Conju- gated Polymers", MCIC, Canadian Chemical News, Jun. 2000, http:// www.accn.ca/accn2000/june2000/ pg16-33.pdf 15. K. Kalyanasundaram, "Nano-crys- talline Electrochromic De-vices", Laboratory for Photonics & Interfaces, Switzerland, http:// dcwww.epfl.ch/icp/ICP-2/. 16. Research Frontiers Inc., http:// www.refr-spd.com/html/spd- smart_window_product_suppl. html 17. Loewen Window Center, http:// www.loewen-window-centre.com/ glaze.htm