智慧型調光玻璃材料的近況發展：材料世界網

台灣自產能源相當缺乏，97％仰賴進口；而在建築相關用電中，住宅及商業用電所消耗的電力佔總用電量30％，是非工業生產中最大的耗能來源。在住宅及商業用電所消耗的電力中，近80-90％是來自空調與照明系統的耗損，除了如何開發省電的空調與照明設備外，建材的選用也相當重要，尤其是玻璃建材，在提供充足光線的同時又能有效阻隔太陽熱源，才能有效降低照明與空調的使用，進而達到省能的目的。

玻璃建材的調光隔熱
現代建築講求美感，建築師喜歡運用玻璃建材作為立面外表，但在炎炎夏日下，日光透過玻璃照射入內，如果玻璃建材無法有效抵擋炙熱的陽光，會導致空調大量消耗能源。根據一般住宅的模擬調查，夏季室內開冷氣時，約有七成的熱是從外部經由玻璃窗進入室內的；而冬季開暖氣時，約有五成的熱會從玻璃窗散逸至室外，由此可知提高窗戶的隔熱性，確實具有節能效果。玻璃節能可分為兩個部分來討論，一是玻璃的隔熱能力，也就是熱輻射傳導率；另外則是玻璃的遮陽能力，也就是日射透光率。台灣地區地處亞熱帶，又是北迴歸線經過的區域，因此室內外的溫差並不大，但日射的熱量卻很驚人，因此台灣地區的建築，在玻璃建材的選擇上首先須考量阻絕輻射熱的能力，其次是玻璃的日射透光率。無論採用任何種類的玻璃，只要建築的開口玻璃面積增加1.0％，其空調整體用電量約隨之增加1.0％。

玻璃建材對光熱進行調節的方式有靜態與動態兩種控制。所謂靜態控制(Static Control)，就是以玻璃本身及表面塗層材料的光學特性對光和熱進行控制(包括吸收、穿透與反射)，代表性產品有如Low-E、紅外線反射玻璃等，都已經商品化。所謂Low-E（Low-emissivity glass）玻璃就是在玻璃表面鍍上了特殊的金屬化合物薄膜，可以讓可見光通過，同時反射紅外、遠紅外輻射，阻擋熱量的傳遞，因而可大量降低太陽輻射，減輕空調負荷，進而達到降低能源的目標。一般來說，Low-E玻璃日射透光率大約是普通清玻璃的三分之一左右，同時為了保護塗層，一般做成中空或夾層玻璃來使用，以避免塗層在擦拭時被刮除。然而以銀為塗膜的低輻射塗料在耐久性方面較差，為了保證玻璃在一定範圍的可見光有較高的穿透率，同時防止銀塗層免於腐蝕，還需在塗層中引入具有高折射性能的材料（如SnO₂，ZnO，Si₃N₄，TiO₂）作為防反射和保護層。目前，市場上擁有很多種不同設計組合的低輻射玻璃塗料，高光透射性、高環境穩定性和低輻射塗料是玻璃塗料未來的發展方向。在玻璃工業中，低輻射玻璃在建築上的應用仍然顯得非常昂貴，所以成本方面仍有很大的提升空間。

另一種是可因應季節變化或人們需要，進行動態性控制(Dynamic Control)，此種方式也是兼顧省能與舒適性的最先進窗玻璃，被稱為Smart Window或調光玻璃。調光玻璃的種類依物理刺激或調光機構可分為(1)以電的方式來控制光的穿透率，稱之為Electrochromic Glass，如日本板硝子的液晶調光玻璃；(2)透過溫度變化調光之Thermochromic Glass(半導體/金屬相轉移)；(3)透過氫氣調光之Gasochromic Glass；(4)自律反應型調光玻璃(Hydro-gel的凝縮/分散)以及(5)刺激反應性高分子膠體(Gel)調光材料(著色高分子膠體之體積相轉移)等。近日也有透過氫氣進行調光方式的新技術開發，與過去利用氧化物之Gasochromic(吸收調光型)不同，是一種利用金屬與氧化物間的可逆反應，以反射率調光之稀土類金屬與鎂鎳合金的薄膜為調光材料，也是被稱為調光鏡(Switchable Mirror)的調光窗玻璃材料，備受矚目。

智慧型調光玻璃建材的近況發展
液晶型調光玻璃建材
日本板硝子開發液晶調光玻璃，產品名為「UMU(R)」，其結構如圖一所示，在2片玻璃之間夾住「液晶片」與「強固中間膜」而成，透過電的開和關，使玻璃產生透明與不透明的變化(如圖二所示)，屬於Electrochromic Glass。眾所週知，液晶分子是液體，其分子具有朝特定方向排列的性質，將此種液晶分子封入2片玻璃基板中，再利用被覆在液晶玻璃基板上的透明導電膜為電極，以此電極開關來控制透光性。

圖一、瞬間調光玻璃之圖解構造
資料來源：http://allabout.co.jp/house/stylishreform/closeup/CU20030811N/

圖二、起居間的一角，可用來確認外面天氣或來客是誰？
不想讓外面看到裡面時，變不透明即可

熱致色變(Thermochromic)型多功能窗玻璃建材
省能型多功能窗玻璃由日本產業技術綜合研究所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology；AIST)開發，以Thermochromic調光薄膜為中心，運用多層膜對光干涉效果，創造出高性能多層膜構造之窗玻璃，使可見光透光率提升為40~60%，對太陽光的調光率提高1倍以上。除調光功能外，也能賦予高隔熱、紫外線屏蔽以及利用光觸媒帶來的自清潔效果等。窗玻璃的省能性與舒適性其實是與日光光譜、人眼的視感度曲線以及常溫黑體熱輻射光譜的關係密切，因而考慮對全部波長範圍進行「依波長分別進行控制與利用」的概念下，產生以多層膜構造來實現省能型多功能窗玻璃。實現的方式，係以VO2調光薄膜為中心，再以下列方式達成多種目的，創造多層構造：
1. 利用反射防止膜改善可見光透過率
2. 利用精密光學設計提升調光性能
3. 導入紅外線反射材料，增加隔熱性
4. 藉由多功能化賦予商品附加價值

電致色變(Electrochromic)型隔熱調光鏡
日本產業技術總合研究所於2007年年底發表其多年的研究成果，該成果係設計出一種僅利用電而不需要特別的控制系統、以Electrochromic方式來進行隔熱控制的調光鏡。該調光鏡是一種利用開關顯示透明狀態與鏡面狀態的東西，若將之貼附在玻璃上，就能成為隔熱調光玻璃窗，達到有效遮蔽陽光，降低冷氣運作負荷的效果。基本上，調光鏡的開關控制方式有兩種，其一是暴露在含少量氫在內的氣體中以進行開關的方法，稱之為Gasochromic方式；其二是透過電來開關的，稱之為Electrochromic方式。AIST已在2006年12月發表，已成功的製作出Gasochromic方式的調光玻璃，並實際安裝在建築物上，通過節能性能驗證，可節約30%以上的冷氣耗能。由於Gasochromic方式的調光鏡構造簡單，相當容易大型化，但是在開關動作上需要氫，因而會使控制裝置複雜化，所以依據使用用途，若能以電氣性來執行開關，也就是採用Electrochromic方式，就能提高其操作的便利性。此外，如果不是應用在玻璃上，而是在薄膜上來形成調光鏡，那麼其應用將會更廣，成本也會更低。

調光鏡的構造
關於調光鏡，AIST研發出不含液體層與氣體層的全固態型調光鏡，在玻璃板或是塑膠等柔軟的基材上，積層氧化銦錫(ITO)、氧化鎢(WO₃)、氧化鉭(Ta₂O₅)、鋁(Al)、鈀(Pd)、鎂鎳(Mg-Ni)系合金薄膜而成。各層各具有透明導電膜、離子儲藏層、固態電解質層(觸媒層)、緩衝層及調光鏡層的功能。所有的薄膜材料均採用磁控濺鍍(Magnetron Sputter)裝置，於室溫製程下製作而成。就調光鏡層而言，以鎂鎳合金薄膜製成的全固態型調光鏡的初始狀態為鏡面狀態。若外加5V左右的電壓，則儲藏在離子儲藏層(H_xWO₃)當中的氫離子(H⁺)就會朝調光鏡層(金屬狀態的鎂鎳合金)移動，而該鎂鎳合金被氫化為非金屬狀態，而呈現出透明的變化，變化所需時間約15秒；若經反轉極性，外加-5V的電壓，則氫離子又會回到離子儲藏層(WO₃)中，使調光鏡層回到原來的鏡面(金屬)狀態，其變化所需時間約為10秒。而且已經產生的狀態，縱使切斷了通電，仍能維持住該已變化的狀態。

圖三為調光鏡透過數伏特電壓的切換，在玻璃上呈現出全固態型調光鏡的鏡面狀態與透明狀態。該不含液體層與氣體層的全固態型調光鏡，可以製作在玻璃板或塑膠等可撓式的基材上(如圖四所示)。經直接貼附在現有的玻璃窗上，以一個開關來有效控制進入室內的日照量，可降低建築物內或車內的冷氣負荷。

圖三、在玻璃上呈現出全固態型調光鏡的鏡面狀態與透明狀態

圖四、可撓式全固態型調光鏡的鏡面狀態與透明狀態

在耐久性方面，經確認該全固態型調光鏡目前能耐約4000次以上的鏡面狀態與透明狀態互換開關次數。該全固態型調光鏡關鍵點是在鋁緩衝層插入於固態電解質層和觸媒層之間。據此，能有效抑制因反覆開關而造成觸媒層朝固態電解質層逸散所產生的劣化。此設計得以讓該調光鏡的使用耐久性大幅提升。此外，透過電氣傳導層良好之鋁層的內部，可促進電流的流動，讓應答性大幅提升。全固態型調光鏡薄膜的光學穿透光譜，經測試顯示如圖五所示。在鏡面狀態，幾乎沒有光會通過；而在透明狀態下則可通過40%的可見光及紅外光。據稱此電氣性的開關可同時控制可見光及紅外光的穿透。

圖五、全固態型調光鏡薄膜的光學穿透光譜

調光鏡於玻璃上的應用
將此調光鏡薄膜實際應用為調光玻璃來使用的作法是，先在單片玻璃板的內側，以磁控濺鍍法製作出厚度均一、約為40nm的鎂鈦合金薄膜，再在真空中於其上貼附厚度薄約4nm的Pd層，此時的薄膜為金屬薄膜，會呈現銀色的鏡面狀態。然後，將該已鍍膜之玻璃做成雙層玻璃構造，並在玻璃的內側空間，導入含有低濃度的氫(約1%)或含有氧(約2%)的氣體，使鎂鈦合金層氫化，而使玻璃呈現透明化。接下來是針對玻璃確認其調光動作，具體作法就是透過氣氛控制開關，自由操控從室外進來的光，如此得以成為具有調光功能的節能玻璃。AIST在面積大小為60cm x 70cm的玻璃上，試製此調光玻璃，如圖六所示，確認其具有良好的開關特性。

圖六、在60cm x 70cm的玻璃上貼附調光鏡，使玻璃具有隔熱調光功能
(資料來源：AIST)