スマートディミングコーティングを施したグラフェン透明導電フィルム

グラフェン透明導電膜の大面積・低コスト生産

グラフェンは、ユニークな特性を持つ素材として現在、透明導電性電極、タッチパネル、太陽電池、ハンマー電池、スーパーキャパシタ、サーマルフィルム、海水淡水化、環境汚染対策など様々な分野で応用され、大きな期待を集めています。

2013 年初めに欧州連合が開始した大規模なグラフェン「フラッグシップ」研究プログラムでは、透明導電膜の研究が重要な焦点となりました。同時に、米国のIBM、ドイツのBASF、韓国のサムスンを含む多くの世界クラスの企業が、この新興材料開発で有利な地位を確保することを目指して、グラフェン透明導電膜製品の研究開発に多額の投資を行っています。分野。近い将来、グラフェン透明導電膜を商品化する計画を発表している企業もある。

グラフェン開発に対する世界的な熱意は、徐々に中国の学術界やビジネス界に影響を与えています。特に2010年にグラフェンの発見者にノーベル賞が授与されて以来、中国のさまざまなレベルの政府部門がグラフェン研究への支援を強化している。中国国家自然科学財団、科学技術部、中国科学院、その他の部門は、グラフェンに関連するいくつかの重要な研究プロジェクトを開始しました。北京、上海、江蘇、浙江、広東などを含む多くの地域が、グラフェンの研究開発を支援する戦略や計画を提案している。また、多くの企業が研究、共同開発、パイロット投資を通じてグラフェン製品の開発に参入しており、中国におけるグラフェンの研究と応用研究が徐々に開始されています。

しかし、グラフェン透明導電膜の開発が国内外で直面する中心的な課題は、依然として大面積、低コスト、高品質のグラフェン膜作製技術である。現在、グラフェン膜の作製に広く採用されている技術は化学蒸着 (CVD) です。この技術は、透明性と表面導電性において優れた性能を備えた大型で高品質の単層グラフェンシートを生産できますが、複雑なプロセスルート、高コスト、低い歩留まり率、膜面積の制限などの致命的な欠点を依然として抱えています。グラフェンのもう一つの作製技術である酸化グラフェン還元法は、溶液プロセスを使用するため、低コストで大面積の連続作製が可能です。ただし、グラフェン シートには特定の欠陥があり、境界の数が多いため、性能がわずかに劣ります。

グラフェン透明導電膜の大規模かつ商業生産を達成するには、さらなる技術革新と人材と資源への多大な投資が必要です。国立ナノ科学技術センターのZhilin博士率いる研究グループは、酸化グラフェンの還元法を用いたグラフェン透明導電膜の作製について広範な研究を行ってきた。開発されたグラフェン透明導電膜の製造技術は、同様の国際技術と比較して独自の技術的利点を持っています。ロッドコーティング技術の適用により、酸化グラフェン膜の大面積、連続的、迅速なコーティングが初めて達成されました。さらに、室温接触還元技術の初の使用により複合グラフェンフィルムの製造に成功し、銀対銀ベースのグラフェン透明導電性フィルムの最初の連続生産ラインを形成しました。グラフェン透明導電フィルムの適用により、スマート調光フィルム製品のコストが大幅に削減され、生産効率が大幅に向上しました。これは、グラフェンフィルム材料の実用化を迅速かつ包括的に推進し、多様な最終製品や市場に迅速に対応するために極めて重要です。北京盛美宏業科技有限公司は国立ナノ科学技術センターと緊密な協力関係を確立しています。現在、グラフェン透明導電膜の大規模かつ低コスト生産能力を開発し、その製品の性能は類似製品と比較して高度なレベルに達しています。 2014年末までにグラフェンスマート調光フィルムのプロトタイプ製品を発売し、国内外の関連分野のギャップを埋める予定だ。

グラフェン透明導電膜をベースとしたインテリジェント調光フィルム

中国の経済社会の急速な発展に伴い、さまざまな分野で目覚ましい成果が上げられています。しかし、それに伴う大量のエネルギー消費と汚染は、中国経済の持続可能な発展を制限する重大な要因となっている。国務院は「第12次5カ年計画」の中で、省エネ、排出削減、グリーンビルディングの開発を強力に推進することを提案した。中国の建物面積当たりのエネルギー消費量は先進国の3倍以上で、建物の主なエネルギー消費部分は窓である。建物のエネルギー消費を削減するには、非常に効果的で実用的で、エネルギー節約の要求を満たすインテリジェントな窓製品が緊急に必要とされています。この傾向に応えて登場したのがインテリジェント調光フィルムです。

グラフェン透明導電膜をベースとしたインテリジェント調光フィルム

中国の経済社会の急速な発展に伴い、同国はさまざまな分野で目覚ましい成果を上げている。しかし、それに伴う大量のエネルギー消費と汚染は、中国の持続可能な経済発展を制限する重大な要因となっている。国務院は「第12次5カ年計画」の中で、省エネルギー、排出削減、グリーンビルディングの開発促進の重要性を強調した。中国の建物面積当たりのエネルギー消費量は先進国の3倍以上で、建物の主なエネルギー消費部分は窓である。建物のエネルギー消費を削減するには、非常に効果的で実用的で、エネルギー節約の要求を満たすインテリジェントな窓製品が緊急に必要とされています。この傾向に応えて登場したのがインテリジェント調光フィルムです。

1.建築物のエネルギー効率向上のための重要なソリューションとしてのインテリジェント調光フィルム

中国の建物のエネルギー消費量は総エネルギー消費量の35％を占めており、建物のエネルギー効率に対する対策の遅れ、高エネルギー消費、重度の汚染などが中国の持続可能な経済発展を制約する顕著な問題となっている。中国の建物の外壁からの熱損失は、北米の同様の建物の 3 ～ 5 倍で、窓の熱損失は 2 倍以上です。ドアの商業エリアは建物面積の 20 ～ 30% を占め、ガラスはドア面積の 70 ～ 80% を占めます。建物のエネルギー消費量の約 70% はドアから失われ、その 3 分の 1 はガラスから失われます。放射熱伝達は熱伝導の主要なモードであり、60% 以上を占めます。

2006 年以来、国は一連の政策措置を講じて建築物のエネルギー効率化を積極的に推進してきました。例えば、住宅都市農村開発部は、新築と既存の建物を3段階（星）で評価する「グリーンビルディング評価基準」を発行した。これには、「都市住宅地域計画および設計基準」(GB 50180) に概説されている基準を満たす、屋内および屋外の日光、照明、換気を確保するための住宅建物のレイアウトの要件が含まれています。 2013 年 1 月、国務院は国家発展改革委員会と住宅都市農村開発省による「グリーンビルディングに関する行動計画」を提出しました。それは、都市と地方の建設モデルの変革、資源利用効率の向上、建物の快適性と居住性の合理的な向上、政策、規制、制度的メカニズム、計画と設計、基準、技術推進、建設と運用を通じて包括的にグリーンビルディング活動を推進することを奨励した。そして業界のサポート。 2020年までに建物のエネルギー効率を向上させるという目標も明確に定義されました。

2012年に発表された「新素材産業発展のための第12次5カ年計画」では、グラフェンが重要なフロンティア新素材として明記された。この計画は、省エネルギーやその他の分野におけるナノマテリアルの研究と応用を推進することを目的としていました。中国はグラフェン研究を国際的にリードしており、世界中で最も多くの関連特許を取得しており、グラフェンの産業化が広く認識されています。中国のグラフェン産業はまだ模索段階にあり、グラフェン製品の最適な形状を決定しています。インテリジェント調光フィルムは、このような状況下で新たに開発されたドアや窓用の省エネ製品です。インテリジェント調光フィルムは、ドアや窓の内側と外側に日よけと断熱を統合し、独自の光透過と断熱機能を提供する新しいタイプの光電子製品です。夏には、太陽光の透過率を動的に調整し、透過光と熱を効果的に制御し、ピークに達して室内温度を下げます。冬には、光と熱の通過能力を回復し、室内の熱損失を防ぎます。既存の建物のドアや窓と比較して、インテリジェント調光フィルムの総合的な省エネ効果は 30% 以上増加します。これは、熱放射を減らすだけで光回復機能が欠けているという既存の低放射率フィルムの唯一の欠点を効果的に克服できます。インテリジェント調光フィルムは、ユーザーのニーズに応じてガラスの色や色合いを変更することもでき、居住空間や作業空間の快適性を高めます。インテリジェント調光フィルムはセンサーと組み合わせることで自動調整を実現し、ユーザーに最適な体験と省エネ効果を提供します。

2.インテリジェントディミングフィルムに最適な材料としてのグラフェン透明導電膜

現在、インテリジェント調光フィルム製品の透明導電性電極には、優れた透明性、低い表面抵抗、成熟した加工技術で知られる酸化インジウムスズ（ITO）が主に使用されています。しかし、ITO は曲げに弱く、製造、輸送、使用中に破損しやすく、スクラップにつながります。さらに、インジウム資源は希少かつ分散しているため、採掘やリサイクルが困難です。資源は枯渇し続けるため、インジウムの価格は上昇し続けるでしょう。これらの理由により、ITO に代わるものが常に求められています。現在、可能性のある材料としては、銀ナノワイヤ、金属グリッド、カーボンナノチューブ、グラフェンなどが挙げられます。グラフェンは、新しいタイプの二次元炭素ベース材料であり、極薄、超柔軟、高比表面積の特性を備えています。グラフェンフィルムは、単一原子層の厚さと二次元特性に加え、グラフェンの優れた電子輸送性能と広帯域透明性を備え、固有の透明導電特性を備えているため、透明導電フィルムとして理想的な材料となります。グラフェンは従来のITOベースの透明導電材料と比較して柔軟性に優れているため、PETなどのフレキシブル基板への塗布が容易であり、製品の応用範囲が広がります。柔軟な材料はロールツーロールプロセスとの統合に適しており、完全な連続生産を可能にし、加工コストを削減します。また、グラフェン自体の原料コストも安くなり、コスト面でも大きなメリットがあります。したがって、グラフェン透明導電性フィルムの研究開発に対する国際的な注目は、重要な関心分野の 1 つです。

3.インテリジェント調光フィルムの特長と用途

インテリジェント調光フィルムは、ガラス壁、窓ガラス、室内パーティション、さまざまな車両、宇宙船の側窓など、現代建築に広く応用されています。中国では毎年 20 億平方メートルの新規建築が追加されており、既存の建物は合計 400 億平方メートルあり、その 80% 以上が高消費構造物です。建物の外窓と透明なガラス壁は、周辺構造における熱伝導、熱拡散、熱損失が最も活発な領域です。

インテリジェント調光フィルムは、建築用傾斜ガラスのサンドイッチまたは貼り付けフィルムとして使用できます。入射光を調整し、熱エネルギーを遮断することで、窓から出入りする熱を制御するソリューションを提供します。必要に応じて色を自動的に変更できるため、遮光や断熱のために室内のブラインドや外部のサンシェードを必要としません。屋内と屋外の光をシームレスに統合し、まぶしさや熱を制御しながら、エネルギー消費を効果的に削減します。権威ある組織であるNanomarketsによると、インテリジェント調光フィルムを含むスマートウィンドウ製品の市場規模は、2018年までに400億ドルに達すると予想されています。

米国エネルギー省の試算によると、エレクトロクロミック シェーディング システムは運用コストを少なくとも 20% 節約し、ピーク電力需要を 24% 削減し、HVAC システム負荷を 25% 削減し、照明費を 60% 削減することができます。電力需要と設備投資の両面から建物コストの低減に貢献します。カリフォルニアエネルギー委員会が資金提供し、ローレンス・バークレー国立研究所が完了したプロジェクトでは、制御可能なエレクトロクロミック窓（EC窓）が、視認性を維持しながら入射光の強度、グレア、熱伝達を調整できると指摘した。これにより、冷暖房、照明のエネルギー消費量とピーク電力需要が効果的に削減されます。この研究には、シミュレーション計算、実験室テスト、および大規模なオフィスビルでの2年半にわたる現場テストが含まれており、実際の商用環境における大面積ECウィンドウのプロトタイプの性能が検証されました。光の透過範囲、色の均一性、色の変化速度、制御精度などの側面をカバーしました。さらに、スマート ウィンドウと照明制御システムを統合し、センサーとアルゴリズムを通じて効率とユーザーの快適性を最適化しました。インテリジェントな設計と制御方法により、スマート ウィンドウはビル制御システムの不可欠な部分となり、完全なソリューションを提供します。その結果、エレクトロクロミックウィンドウのピーク冷却負荷が19%から25%減少し、照明の自己消費量が48%から70%減少したことがわかりました。エレクトロクロミック ウィンドウは、まぶしさの軽減、コンピューター画面の反射の低減、ウィンドウの明るさの軽減、視認性の向上など、ユーザーの主観的なエクスペリエンスの向上にも貢献します。従業員の快適性が向上すると、従業員のエンゲージメントが高まり、作業効率の向上につながります。

インテリジェント調光製品の輸送部門への応用が注目を集めています。 2008 年、フェラーリはフラッグシップ モデル 612 スカリエッティに電子制御調光パノラマ ウィンドウを設置しました。客室の上部全体を覆うこれらの窓はエレクトロクロミック ガラスでできており、乗客はボタンを押すだけで入ってくる光の強度を調整できます。 2009 年 12 月 15 日、インテリジェント調光窓を備えたボーイング 787 ドリームライナーが初飛行に成功しました。窓の明るさを自動調整することで、より快適な旅をお楽しみいただけるとともに、光と熱の伝達を制御する効果により省エネに貢献します。インテリジェント調光フィルムを使用した防眩機能を備えたバックミラーは、自動車にも広く使用されています。後続車両がハイビームを使用している場合、防眩バックミラーが自動的に光の反射を低減し、ドライバーの眩しさを排除し、運転の安全性を確保します。

ポリマー分散型液晶技術（PDLC）をベースとした調光フィルムは、電源を切ると霧状（不透明）に見え、電源を入れると透明になる特性があります。この二重の性質により、調光ガラスは通常のガラスと電子制御カーテンの両方として機能します。ゼロ状態では、プライバシーを効果的に保護し、プライベートスペースを隔離できます。透明状態ではクリアな視認性を保つため、会議室や制御室、ホテルなどプライバシーが必要な場所で幅広く使用されています。ゼロ状態では、液晶調光フィルムは投影スクリーンとしても使用でき、タッチ機能と組み合わせることで複合製品を形成し、主にショッピングモールなどの商品展示に使用されます。

4. インテリジェントディミングフィルムの動作原理

インテリジェント調光フィルムは、その動作原理に基づいて、主にエレクトロクロミックタイプとポリマー分散液晶タイプに分類できます。

• エレクトロクロミックタイプ:イオンや電子を注入または引き抜くと、エレクトロクロミック材料の着色状態と透明状態が遷移するエレクトロクロミック効果を利用したタイプです。エレクトロクロミック素子は主に透明電極層、エレクトロクロミック層、対極層、イオン伝導層から構成されます。現在実用化されているエレクトロクロミック材料としては、酸化タングステンや酸化ニッケルなどの無機材料のほか、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、テトラチアフルバレン、メタロフタロシアニン化合物などの有機材料が挙げられる。

• 高分子分散型液晶タイプ（PDLC）：機能層として高分子分散型液晶層を用いたタイプ。液晶液滴はポリマーマトリックス中に均一に分散されています。電界が印加されていない場合、液晶分子はランダムに配向し、入射光が散乱され、その結果曇った状態になります。電界が印加されると、液晶分子は電界方向に沿って均一に配列します。液晶の屈折率はポリマーの屈折率とほぼ同じであるため、光が遮られることなくフィルムを透過し、フィルムを透明にします。このタイプのフィルムは、通常のガラスと電子制御カーテンの二重の特性を備えており、不透明な状態では効果的なプライバシー保護を、透明な状態では鮮明な視界を提供します。

• インテリジェント調光フィルムの開発動向

• インテリジェント調光フィルムが大幅なエネルギー節約を達成し、視覚的な快適さを向上させるには、正確な制御システムが不可欠です。接続されたセンサーと中間コントローラーは、外部の光の条件に基づいて調光フィルムの光透過率を調整します。これにより、過剰な太陽光を確実に遮断し、視覚的な快適さの要件を満たしながら冷却エネルギーの消費を削減します。同時に、太陽光を導入して照明エネルギー消費を最小限に抑え、最適なエネルギー効率とユーザーエクスペリエンスを実現するよう努めています。 2006 年に最初に商品化されたインテリジェント調光フィルムの機能は比較的単純で、オンオフ制御に限定されており、高価でした。生産規模が拡大した場合にのみ、コストが大幅に減少しました。現在、インテリジェント調光フィルム製品の価値は、エネルギー消費の削減だけでなく、初期の消費者を引き付ける重要な要素である負荷管理とユーザーの快適さにもあります。

  インテリジェント調光フィルムの将来の開発方向には、性能の向上とコストの削減が含まれます。これには、正確なコントローラー、より高速な光伝送変換速度、不透明状態での着色の回避、調光範囲の拡大、生産コストの削減、多様なユーザー、気候、HVAC システムに適応するためのより普遍的で信頼性の高い照明制御アルゴリズムの設計の必要性が含まれます。製品評価システムと業界標準の確立、および設計ツールの開発は不可欠です。パーソナライズすれば、これらの製品の適用範囲は大幅に拡大し、さまざまな表面形状に対応し、さらには色が変化する迷彩服などのウェアラブル用途も組み込むことができます。インテリジェント調光フィルムは、オンデマンドの光透過率調整機能を備えており、エネルギー効率が高く、快適で個人に合わせた仕事環境と生活環境を作り出すことができます。これは、グリーン スマート ビルディングや現代のハイテク交通機関に必要なコンポーネントです。しかし、厳しい加工条件と高い製造コストにより、その広範な用途は制限されています。インテリジェント調光フィルム製品において、従来の ITO 材料に代わるグラフェン透明導電フィルムの導入は、高光透過率、高導電率、柔軟性といったグラフェンの特性を最大限に活用します。これにより、製品の性能を維持するだけでなくコストも削減され、製品の普及が促進されます。

  中国はグラフェン研究において国際的なリーダー的地位を占めており、黒鉛資源は豊富である。この注目すべき素材であるグラフェンを産業上の利点に変えることは、新素材産業全体に影響を与える重要なテーマとなっています。製品の形態、グラフェンの現在の開発状況、市場の期待などの要因を考慮すると、インテリジェント調光フィルムは、現在の性能条件下でグラフェンの優れた応用ポイントとなります。この産業の発展は、グラフェンの研究、生産、応用を大幅に促進し、産業チェーン全体に推進効果をもたらし、奇跡の素材であるグラフェンによって公衆に利益をもたらすでしょう。