Het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST; voorzitter:Ryoji Chubachi) en Sumitomo Chemical Co., Ltd. (Sumitomo Chemical; President:Masakazu Tokura) hebben een nieuwe energiebesparende, automatische licht-control film. Dit is de prestatie van een onderzoeksgroep bestaande uit Kazuki Yoshimura (Leader), Energy Control Thin Film Group, het Materials Research Institute for Sustainable Development (Directeur:Mamoru Nakamura) van AIST, en Basic Chemicals Research Laboratory (directeur:Yoshiaki Takeuchi) van Sumitomo Chemical.

Deze lichtregulerende film is gebaseerd op het feit dat er een verandering is in de invalshoek van zonlicht tussen zomer en winter. De film blokkeert zonlicht in de zomer door gebruik te maken van totale reflectie, maar laat het in de winter door. In tegenstelling tot andere lichtregulerende films, de film kan de transmissie van direct zonlicht regelen, terwijl mensen binnen altijd het uitzicht buiten het raam kunnen zien. Zonder enige inherente veranderingen, de film regelt automatisch de lichttransmissie, afhankelijk van het seizoen. De lichttransmissie kan eenvoudig worden geregeld door de folie op een bestaand raam te bevestigen. Daarom, als de film efficiënt kan worden geproduceerd, het bespaart energie door de koel- en verwarmingsbelasting aanzienlijk te verminderen.

Deze lichtregulerende film zal worden tentoongesteld in de stand van Sumitomo Chemical op de Automotive Engineering Exposition 2013, te houden van 22 tot 24 mei, 2013, in Pacifico Yokohama, Yokohama, Prefectuur Kanagawa.

Sociale achtergrond van onderzoek

AIST heeft hulpbronnenbesparende, milieuverbeterende bouwmaterialen die de CO2-uitstoot door het gebruik van energie thuis en op het werk helpen verminderen. Koelen en verwarmen zijn goed voor ongeveer 30% van het energieverbruik thuis en op het werk, en ramen zijn bouwcomponenten die het energieverbruik voor deze doeleinden aanzienlijk beïnvloeden. Het doel van een raam is om licht binnen te laten. Normaal raamglas geeft warmte door, evenals zichtbaar licht, en verslechtert de warmte-isolatie van gebouwen. Daarom, alleen al door de warmte-isolatie van ramen te verbeteren, wordt aanzienlijk energie bespaard. In recente jaren, dubbel glas en low-E glas (eco glas) met hoge isolerende eigenschappen worden veel gebruikt. Lichtregelend glas regelt zelf inkomend en uitgaand licht en warmte om de energie-efficiëntie te verbeteren door zonlicht effectief te blokkeren, naast warmte-isolatie.

Het glas moet aan twee tegenstrijdige eisen voldoen:in de zomer, het moet zoveel mogelijk zonlicht tegenhouden om de koelbelasting te verminderen en toch wat licht van het uitzicht buiten het raam binnen te laten. Om aan deze eisen te voldoen, energiebesparend licht-control glas is gecommercialiseerd; dergelijke glassoorten omvatten glas met een lage emissiviteit dat zichtbaar licht doorlaat en nabij-infrarood licht reflecteert, en elektrochroom glas dat kan schakelen tussen blokkerende en transparante toestanden.

Er is een seizoensverandering in de invalshoek van zonlicht op een raam. Zonlicht valt in de zomer onder een grotere invalshoek. Als een raam alleen licht met een grote invalshoek kan blokkeren, het zou mogelijk zijn om direct zonlicht te blokkeren en licht van het uitzicht buiten het raam binnen te laten. Echter, brillen en films met een dergelijke lichtregelfunctie waren tot dusverre niet ontwikkeld.

Geschiedenis van onderzoek

AIST geloofde dat glas zou kunnen worden ontwikkeld om de lichttransmissie te regelen volgens de invalshoek van zonlicht door gebruik te maken van totale reflectie op het grensvlak tussen twee transparante media. Het heeft een raytracing-programma ontwikkeld dat specifiek de reflectie en transmissie van zonlicht analyseert om de structuur van een lichtregulerende film te optimaliseren. Het heeft de structuur van de film gevonden die in de zomer zoveel mogelijk direct zonlicht kan blokkeren en zoveel mogelijk licht van het uitzicht naar buiten kan binnenlaten.

De fabricagemethode van een lichtregulerende film met deze structuur was de sleutel tot de commercialisering van de film. Sumitomo Chemisch, die sterke mogelijkheden heeft in technologie voor de fabricage van transparante films, het fabricageproces ontwikkeld, en de onderzoekers ontwikkelden een prototype van een film met totale reflectie van lichtcontrole.

Details van onderzoek

Figuur 1 toont de basisstructuur van de ontwikkelde licht-controlefilm met totale reflectie. De film maakt gebruik van een transparant medium waarbij de voor- en achterkant niet evenwijdig aan elkaar zijn. Bijvoorbeeld, wanneer een acrylmateriaal (brekingsindex n =1,49) als transparant medium wordt gebruikt, met het achteroppervlak in een hoek van 7°, en licht komt uit lucht op het oppervlak van het medium met een invalshoek groter dan 60°, het licht dat in het medium wordt gebroken, valt op het achteroppervlak in een hoek die groter is dan de kritische hoek en er treedt totale reflectie op. Echter, als een transparante film met niet-parallelle oppervlakken wordt gebruikt als ruit, het licht van het uitzicht buiten het raam wordt gebroken en het uitzicht lijkt in de lucht te zweven. Om dit te voorkomen, een andere film met dezelfde doorsnede wordt ondersteboven op de eerste film gelaagd. Als resultaat, de brekingen van het licht dat door de films gaat, heffen elkaar op en het uitzicht ziet er hetzelfde uit als met een enkele ruit van helder glas. Er wordt automatisch een zeer dunne luchtlaag gevormd door de twee films in lagen te leggen.

Echter, een film met de structuur in Fig. 2 kan niet zonder wijziging op vensterglas worden gebruikt. Als de film 1 vierkante meter zou zijn, de dikte zou zo veel als ongeveer 10 cm. Echter, als de doorsnede vergelijkbaar is met die in Fig. 1, de invalshoekafhankelijkheid van lichttransmissie blijft ongewijzigd. Daarom, zoals getoond in Fig. 4, een meerstaps lichtregulerende film met vergelijkbare totale reflectiekenmerken kan worden gemaakt door de verticale lengte van de trede te verkorten en meer treden te verschaffen. Als de lengte L van een trede 10 cm is, de breedte W kan 1 cm zijn. Als L 1 cm is, W kan 1 mm zijn. Een lichtregulerende film met dergelijke afmetingen kan aan vensterglas worden bevestigd om vergelijkbare totale reflectiekenmerken te verkrijgen als een eenstapsfilm. Als de hoek van de onderkant van een trede met de verticaal kleiner is dan 42°, het licht in horizontale richting valt door en het uitzicht ziet er hetzelfde uit als bij transparant glas.

Een onderzoek naar de lichttransmissie-eigenschappen van een meerstaps totale reflectie-lichtcontrolefilm laat zien dat het invallende licht onder dezelfde hoek naar buiten komt wanneer de invalshoek kleiner is dan 60°, zoals bij de eenstapsfilm. Wanneer de invalshoek 60° of groter is, totale reflectie optreedt. Echter, in tegenstelling tot de eenstapsfilm, het licht wordt niet volledig geblokkeerd; in plaats daarvan, ongeveer 75% is geblokkeerd. Figuur 5 toont een helder acrylmodel van de lichtregulerende film met een dergelijke structuur. Wanneer de invalshoek van zonlicht 60° of groter is, schaduwen ontstaan.

Al deze eigenschappen van zonlichttransmissie zijn die voor direct zonlicht. In real-life toepassingen, zowel indirect als direct zonlicht moet worden overwogen. De onderzoeksgroep voerde een veldtest uit om de lichtblokkerende prestaties van de totale reflectiefilm in een echte omgeving te bepalen.

Figuur 6 toont de tijdsafhankelijkheid van de hoeveelheid zonlicht die wordt doorgelaten door een- en vierstaps acryl totale reflectie lichtregulerende films (12 x 12 cm) bevestigd aan een raam op het zuiden. De metingen zijn gedaan in september en tonen dus de prestaties van de films in de zomer. De eenstaps lichtregulerende film met totale reflectie blokkeerde bijna al het directe zonlicht en liet alleen indirect zonlicht door. De zonlichttransmissie werd bepaald door de intensiteit van het doorgelaten directe en indirecte zonlicht te integreren en de totale hoeveelheid zonlicht die op één dag werd doorgelaten te delen door de totale hoeveelheid verticaal direct zonlicht dat invalt op een oppervlak op het zuiden. De doorlaatbaarheid van het zonlicht is 23% voor de eenstaps lichtregulerende film met totale reflectie en 38% voor de vierstaps lichtregulerende film met totale reflectie. De zonlichtdoorlatendheid van de viertraps lichtregulerende film met totale reflectie is 80% in de winter, wat aangeeft dat de vierstapsfilm automatisch ongeveer 40% van de zonne-energie kan blokkeren om er doorheen te gaan.

Metingen van de lichtregulerende eigenschappen werden gedaan op een prototype van een totaal-reflecterende lichtregulerende film. De film vertoonde het vermogen om de lichttransmissie voor en na de lente-equinox automatisch te regelen. Hoewel dit vermogen nog niet het theoretisch voorspelde niveau heeft bereikt, voor het eerst is aangetoond dat een lichtregulerende film met een dergelijke structuur kan worden gerealiseerd.

Plannen voor de toekomst

Om de totale reflectie-lichtcontrolefilm op de markt te brengen, de structuur getoond in Fig. 4 moet met precisie worden vervaardigd met een vrij korte steek (d.w.z. staplengte) en op een efficiënte manier. De onderzoeksgroep ontwikkelt een efficiënt filmfabricageproces op basis van de continue vorming van gesmolten thermoplastische hars met behulp van een precisiematrijs.

Met het doel om binnen enkele jaren te commercialiseren, het fabricageproces zal worden verbeterd door Sumitomo Chemical om de lichtblokkerende prestaties te verbeteren en er zal een betere methode worden ontwikkeld om de film op vensterglas aan te brengen.