Active Light Control Film for Glass

히타치 기술문서_원문.pdf

0.06MB

일본 히타치케미칼(현 쇼와덴코)에서 작성한 광조절 스마트 윈도우용 필름 제품 관련 기술자료이다.
현재 쇼와덴코 홈페이지에서 공개된 스마트 윈도우 제품 자료를 찾아 볼 수는 없다.
이 자료는 그 전에 히타치케미칼 시절에 다운 받았던 자료이다.
일본어를 몰라서 자동 번역기의 도움을 많이 받아 번역이 많이 어색하다. 원문 파일도 올려 놓았다.

---

조광유리는 태양광을 조절할 수 있는 새로운 기능을 가지며, 프라이버시의 보호를 목적으로도 주목을 받고 있다. 당사는  미국 Research Frontier Inc.(RFI)로부터 기술 도입한 기본 기술을 바탕으로 당사의 폴리머 합성, 필름 도공 기술을 살린 조광 에멀전 및 필름을 개발했다. 디자인, 차광, 조작성을 살린 신세대 유리로 건축자재 용도를 시작으로 자동차, 항공기 용으로도 전개중이다. 조광재 필름의 제품화를 위해 투과율, 헤이즈 및 응답성을 만족하는 배향 입자를 개발했다. 배향 입자의 평균 입자 지름을 제어함으로써 고속 응답성 1초, 저헤이즈<5%를 달성했다.

1)     서언

개발한 조광재 필름은 착색(진청색) 상태에서 투명 상태까지 변화하여 유리창을 투과하는 가시광선을 0.5~60%까지 제어할 수 있다. 건축자재나 자동차 분야에서 적정한 채광, 프라이버시 보호 및 에너지 절약을 목적으로 하며, 필름 형태로 제작한다. 이 필름 외부에 유리를 합지하여 합지 유리 형태로 제작한다. 당사는, 미국 벤처 RFI와 기술 제휴해 Suspended Particle Device(SPD)의 기술을 도입해, 당사의 코어 기술을 활용하여 조광재 에멀젼의 개발과 도공 기술을 확립하여, 건축자재용의 조광 필름을 출시했다. 본보에서는 투과율, 헤이즈 및 응답성을 만족하는 배향 입자의 개발 상황에 대해 보고한다.

2)     당사 개발 조광필름의 특장점

개발한 조광필름은 투명 도전층(ITO)을 코팅한 2매의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름(PET) 사이에 광조절이 가능한 배향 입자를 분산시킨 수 마이크로미터의 액적을 배치하고, 전기 신호의 ON/OFF에 의해서 입자를 배향시켜, 진청색으로부터 투명하게 바꾸는 액티브형의 조광 필름이다.

[그림 1] 조광필름의 동작 기본원리

교류 전압을 인가하지 않는 경우, 배향 입자가 무질서한 상태이기 때문에 입사광은 배향 입자에 흡수되고 일부는 난반사하여 투과하지 않지만(좌측), 교류 전압을 인가하면 배향광 입자가 전장(電場)과 평행하게 배향하고 입사광은 직진하여 투과하고 투명해진다(우측).

[그림 1]에 동작 기본원리를 제시했다. 전압을 인가하지 않는 경우는 배향 입자가 무질서한 상태에 존재하고, 입사광은 배향 입자에 흡수되거나 일부는 난반사하기 때문에 빛의 투과율을 컨트롤(조광)할 수 있다. 교류 전압을 인가하면 배향광 입자가 전장(電場)과 평행하게 배향하고, 입사광은 직진하여 후방으로 투과하여 투명하게 보인다.

 각종 조광 디바이스의 방식과 조광 기능을 비교한 것이 [표 1]이다. 당사의 조광필름은 중후한 청색을 띠며 1~20초 정도의 반응속도, 0.5~55%의 투과율을 조정할 수 있는 동시에 5% 이하의 저헤이즈를 달성해 건축자재, 자동차, 항공기 용도에 적절한 조광유리의 특성을 갖추고 있다. 또, 제품 형태가 롤이므로 필요한 형태와 크기로 재단 가공을 할 수 있기 때문에 고객에서의 수율도 좋고, 사용하기 편리하다

[표 1] 각종 조광 디바이스 방식과 조광 기능 비교
당사 조광 필름의 특징은 ①중후감이 있는 색, ②스트레스를 느끼지 않게 하는 응답 속도, ③차광성을 임의로 조정 가능, ④광폭 및 곡면 대응 가능하다.

조광기술	당사(조광필름)	액정	일렉트로크로믹	써모크로믹
색	투명~진청색	투명~유백색	투명~청색	투명~유백색
동작원리	미립자의 분극배향	분극 분자 배향	전하이동	상전이
구동방식	교류전압 ~100V	교류전압 ~100V	전류 DC 1.5V	열
응답속도	1~20s	10ms	4min	1min
투과율 변화폭	0.55~55% (선택사항)	80~85%	20~80% (선택사항)	10~30%
용도	건축자재, 자동차, 항공기	건축자재	자동차용 백미러	건축자재, 보온상품
제품형태	1*50m (롤)	1*3m (시트)	1*1m 이하 (유리)	1*1m 이하 (유리)
실적	건축, 항공기	공공기관, 기업용	고급 자동차	건축자재용
판정	◎	○	△	△

 

 

 

[그림2] 조광유리의 구조

조광필름을 접착 수지로 유리에 라미네이트하고, 끝부분을 씰링하여 유리로 합지 한다. 전압공급용 전극은 상하 투명도전필름에서 꺼낸다.

[그림 2]는 조광유리의 구조를 나타낸다. 조광재 필름은 접착층을 통해 유리에 라미네이트되며, 상하 투명 도전성 기재의 단부에 설치한 버스바는 전원과 접속된다. 조광유리는 실내광을 컨트롤 가능하여 프레젠테이션용으로도 활용 할 수 있기 때문에 오피스 용도로도 주목받고 있다. 한편, 자동차 용도에서도 차광 전환이 가능한 프라이버시 유리 혹은 선루프용 유리로 전개될 것으로 기대된다.

향후 이러한 햇빛의 투과율을 컨트롤 가능한 액티브형 유리창에 다시 IR·UV 차단 등의 기능을 결합함으로써 에너지 절약및 편의성이 높은 유리창을 제공하는 것도 가능하다.

 

3)     배향 입자의 지름

3.1 조광 필름의 단면 사진

[그림3] 조광필름 단면사진(TEM&times;20,000)

UV경화한 필름 중에 수미크론의 액상 수지로 된 액적이 해도 상태로 형성되어 그 내부에 바늘 모양의 형상을 한 배향 입자가 분산하고 있는 것을 알 수 있다.

[그림 3]에 조광필름의 Transmission Electron Microscope(TEM) 단면사진을 제시하였다.조광필름은 배향입자가 분산된 액체방울과 UV경화형 매트릭스수지(이후 매트릭스)로 이루어진 해도구조(海島構造)로 되어 있다. 이 해도구조에 의해 액적이 유출되지 않는 구조로 되어 있으며, 매트릭스가 필름의 강도와 내구성을 유지하고 있다. 한편, 투과율 등의 조광 성능은 액체 속 배향 입자의 움직임에 의해 결정된다. 따라서 배향 입자의 입경과 헤이즈, 응답성 및 투과율의 관계에 대해서 검토를 실시했다.

3.2 Haze

[그림 4]에 배향 입자의 입경과 헤이즈의 관계를 나타냈다. 헤이즈는 전압을 인가하지 않은 상태(0V)에서는 입자 지름이 커서 높다. 전압을 인가하면 입자가 배향하여 헤이즈는 작아지지만, 입자가 커지면 근소하게 높아지는 경향도 보인다. 이것은, 입자끼리의 클러스터가 형성될 가능성이 있기 때문이라고 생각하고 있다. 이상과 같이 요구되는 헤이즈치로부터 배향 입자 지름을 설계했다.

[그림 4] 배향입자 지름과 헤이즈의 관계

헤이즈는 전압을 인가하여 입자가 배향하면 작아지지만, 큰 입자일수록 헤이즈가 큰 경향을 볼 수 있다. 입자의 크기는 응답성이나 투과율과의 밸런스를 맞출 필요가 있다(막두께 45μm, 인가전압 100V/400Hz).

3.3 응답성

[그림 5]에 배향 입자 지름과 응답성의 관계를 나타냈다. 조광재 필름에 전압을 가해서 투명해질 때까지의 시간(암→명;Rise time)은 배향 입자가 전장에 의해 분극, 랜덤 상태에서 배향 상태로 이행하는 시간으로, 전압에 따라 빨라진다. 따라서 인가전압은 50V보다 100V가 Rise time이 짧다. 또, 입자 지름이 보다 작은 데이터에서는 Rise time 이 조금 길어지지만, 이것은 입자 지름이 너무 작은 경우에는, 입자간 힘이 증가해, 입자간에 클러스터가 형성된 것이라고 생각할 수 있다.

한편, 전압을 끊고 나서 청색으로 돌아오는 시간(명→암;Decay time)은 전압 인가를 멈췄을 경우에 입자가 열운동에 의해 배향 상태에서 랜덤 상태로 옮겨지는 시간이기 때문에 인가전압에 영향을 받지 않는다. 상세하게 보면, Decay time 은 입자 지름이 매우 작아질 경우는 조금 길어지는 경향을 볼 수 있다.이는 입자 상호 응집의 영향이라고 생각한다.

[그림 5] 배향입자 지름과 응답성의 관계

응답성은 Decay time(착색 상태로 돌아가는 시간)은 Rise time(착색 상태에서 투명해지는 시간)에 비해 늦으며, 특히 입자 지름이 커지면 돌아오는 것이 늦어지는 경향이 있다(막후 45μm, 인가전압 100V/400Hz).

3.4 투과율

[그림 6]에 배향 입자 지름과 투과율의 관계를 나타냈다. 다른 입자 지름에서 시작한 필름은 입자 지름이 클수록 전원 on시의 투과율이 크다. 이는 입자의 분극성의 차이로 큰 입자 쪽이 분극도 크고 배향성도 좋기 때문이라고 생각한다.

[그림 6] 배향입자 지름과 투과율의 관계

투과율은 입자 지름이 클수록 높지만, 400 nm 부근에서 보합 상태가 된다. (막두께 45μm, 인가전압 100V/400Hz).

 

4)     당사 개발 조광필름의 성능

[표 2]에 조광 필름의 특성을 나타내었다. 채광창과 같이 일사가 강한 장소에 사용하는 용도와 농담의 콘트라스트를 필요로 하지 않는 용도의 양쪽에 대응하기 위해, Toff시의 투과율은 5~8%의 표준색과, 1% 이하의 농색의 2 종류를 설정하고 용도에 맞게 선택할 수 있도록 했다.

[표 3]에 조광필름의 내구성을 나타냈다. 개발한 조광필름은 내광성 2000시간 이상, 내열성 시험 -10~110℃ 및 반복통전시험 100만회의 시험을 실시한 결과, 특성의 열화는 없고 안정된 품질을 확인했다.

[표 2] 조광재 필름의 특성
당사의 조광 필름은, 표준색(연청색)과 농색(진청색)의 2 종류를 설정해 있기 때문에, 용도에 맞추어 선택을 할 수 있다.

성능		단위	표준색	농색
막두께		㎛	40~45	90~95
투과율	Toff	%	5~8	<1.0
	Ton	%	<60	40~50
대비(Contrast)	Ton/Toff	-	8~12	40~45
Haze	Hon	%	3~5	5~7
응답성	off → on	sec	1	3

[표 3] 조광재 필름의 내구성
당사 조광필름은 내후성 >2,000h, 내열시험 -10~110℃ 및 1,000,000회의 반복 통전 시험을 실시하고, 품질을 확인했다.

항목	단위	평가결과
내광성시험*	h	>2,000
내열시험**	℃	-10 ~ 110
반복 통전 시험***	회	1,000,000

판정기준;
 * 크세논 웨더미터(SAE-1960 kJ, 습도<5%RH, 400 nm 차단 UV 필터)에 의한 내광성 시험으로 △T 유지율 90% 이상을 유지하는 시간
** 대비(contrast) 유지율 80% 이상을 유지하는 온도
*** △T유지율 90%이상을 유지하는 스위칭 횟수

 

5)     결론

미국 RFI로부터 기술 도입한 조광재 필름의 제품화를 목적으로 헤이즈와 응답성 및 투과율을 만족하는 배향 입자를 개발했다. 평균 입자 지름을 최적화함으로써 배향 입자를 이용한 필름은 고속 응답성 1초(45μm; off→on), 저헤이즈<5%(45μm, on-state)를 달성했다. 본 개발재료는 디자인, 차광, 조작성을 살린 신세대 유리로서 건축자재, 자동차, 항공기 용도에 적용 가능하다.또 100만 번 이상의 반복수명을 확인했다. 현재, 1m폭의 필름 샘플을 제작해, 건재, 자동차, 항공기 용도로 실용화 검토를 진행하고 있다.

 

6)     참고문헌

1）衣笠直樹，調光フィルム，クロミック材料と応用，シーエムシー，1989，p. 226～236

2）JETI，Vol. 54，No. 2（2006）

3）日本化学学会誌，1995，（1），p. 13～18