ฟิล์มที่มีสมบัติสะท้อนความร้อนและเปลี่ยนสีเมื่อถูกกระตุ้น

3

ฟิล์มที่มีสมบัติสะท้อนความร้อนและเปลี่ยนสีเมื่อถูกกระตุ้น

เป็นที่ทราบกันดีว่า การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานในอาคาร ถือเป็นแนวทางที่สำคัญประการหนึ่งในการอนุรักษ์พลังงาน ข้อมูลจากการรายงานพบว่า พลังงานที่ใช้ในการให้ความร้อนและระบบปรับอากาศ (HVAC) ในอาคาร สำหรับประเทศอเมริกา อังกฤษ และสเปน มีปริมาณสูงถึง 48 %, 55% และ 52 % ตามลำดับ [1]ตัวเลขดังกล่าวส่งผลให้เกิดความสนใจในการพัฒนา “กระจกหน้าต่างที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน (energy efficient windows)” ในอาคาร หรือ “กระจกอัจฉริยะ” (smart windows) ที่นอกจากจะช่วยประหยัดพลังงานแล้ว ยังสามารถแสดงสมบัติด้านอื่นๆ ได้ เช่น เปลี่ยนสีหรือความเข้มตามสภาวะ (chromic glass) และหรือสามารถกำจัดมลพิษจากไอระเหยสารอินทรีย์ในห้องทำงาน หรือในอาคารได้

วัสดุเปลี่ยนสีตามอุณหภูมิ (Thermochromic materials)

โดยทั่วไปแล้ววัสดุที่มีสมบัติเปลี่ยนสีตามอุณหภูมิและและให้ผลด้านการสะท้อนคลื่นความร้อน ได้แก่กลุ่มออกไซด์ของโลหะทรานสิชัน เช่น Ti2O3, V2O3, และ VO2ซึ่งโลหะออกไซด์ดังกล่าวจะมีสมบัติเป็นวัสดุกึ่งตัวนำที่อุณหภูมิห้อง และเปลี่ยนเป็นสถานะโลหะที่อุณหภูมิวิกฤตหรืออุณหภูมิในการเปลี่ยน ตัวอย่างเช่น VO2 จะเปลี่ยนสีที่อุณหภูมิ 68 องศาเซลเซียส (Tc, 68 °C) โดยมีการเปลี่ยนโครงสร้างจากเฟส monoclinic ไปเป็นเฟส tetragonal  ส่งผลให้สีและสมบัติทางไฟฟ้าเปลี่ยนรวมทั้งสามารถสะท้อนคลื่น near infrared ได้ด้วย นอกจากนั้น จากการศึกษายังพบว่าอุณหภูมิเปลี่ยนเฟสของโลหะออกไซด์ดังกล่าวสามารถลดลงได้ด้วยการเติมสารโด้ป เช่น ทังสเตน ซึ่งอุณหภูมิเปลี่ยนเฟสจะมีแนวโน้มลดลงตามสัดส่วนโมลของสารโด้ป ดังกล่าว [2, 3]ในด้านของเทคนิคการขึ้นรูปฟิล์มโลหะออกไซด์ลงบนกระจก พบว่า สามารถทำได้โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น sol-gel[4],sputtering deposition[5], chemical vapor deposition[6]และ polymer assist deposition[7, 8, 9]อย่างไรก็ตาม เทคนิคต่างๆ ดังกล่าว ยังคงมีข้อจำกัดด้านกระบวนการผลิตที่ใช้เทคโนโลยีสูงและราคาแพง และข้อจำกัดด้านความเป็นไปได้ในการขยายสเกล (ในกรณี polymer assist deposition)

 

วัสดุเปลี่ยนสีตามความเข้มของแสง (Photochromic materials)

วัสดุเปลี่ยนสีได้ตามความเข้มของแสง UV ที่น่าสนใจ ชนิดหนึ่งคือ WO3ซึ่งนอกจากจะมีสมบัติดังกล่าวแล้ว ยังมีความสามารถในการเป็นประจุ (Ngaotrakanwiwat, 2004) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อใช้ร่วมกับไทเทเนียมไดออกไซด์ ซึ่งพบว่าฟิล์ม TiO2/WO3 สามารถเปลี่ยนสีได้ภายหลังการรับอิเล็กตรอน อีกทั้งอิเล็กตรอนที่สะสมอยู่นั้นยังมิได้นำไปทดสอบในแง่ของการเกิดปฏิกิริยาโฟโตแคตาไลติก ยิ่งไปกว่านั้นการเปลี่ยนแปลงสีของอนุภาค WO3ขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึกและวิธีการสังเคราะห์ โดยปริมาณอิเล็กตรอนสะสมในฟิล์มจะมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงสี และปริมาณอิเล็กตรอนที่สะสมนี้ยังคงมีความสัมพันธ์กับการบำบัดอากาศเสียในอาคารอีกด้วย ดังนั้นการศึกษาสภาวะในการสังเคราะห์อนุภาค WO3 เพื่อให้สามารถทำงานร่วมกับ TiO2ได้ดีทั้งในแง่ electrochomic material ร่วมกับ photocatalytic activityจึงเป็นแนวทางในการดำเนินงานวิจัยที่น่าสนใจ

 

ตันแบบผลิตภัณฑ์

ปัจจุบัน คณะผู้วิจัยฯ กำลังพัฒนาเทคโนโลยีทางเลือกในการเตรียมกระจกอัจฉริยะ โดยการต่อยอดเทคโนโลยีการผลิตกระจกนิรภัย หรือกระจกลามิเนต 2ชั้น ที่มีการใช้ฟิล์ม EVAเป็นตัวประสาน โดยการพัฒนาสูตรการคอมปาวด์EVAเพื่อเพิ่มสมบัติด้านการเปลี่ยนสีตามสภาวะกระตุ้น (แสงหรืออุณหภูมิ) และสมบัติด้านการสะท้อนความร้อน (ดังตัวอย่างที่แสดงในคลิปวีดีโอ สำหรับฟิล์มฯ ที่เปลี่ยนสีตามความร้อน และฟิล์มฯ ที่เปลี่ยนสีตามแสงความเข้มของแสง UV ซึ่งใช้วัสดุเปลี่ยนสีในทางการค้า)

1

คลิป วีดีโอ 1ฟิล์มEVA ที่เปลี่ยนสีตามความร้อน 

2

   คลิป วีดีโอ 2 ฟิล์มEVA ที่เปลี่ยนสีตามแสงความเข้มของแสง UV)

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากในปัจจุบัน วัสดุเปลี่ยนสีฯ ที่ใช้ในทางการค้า มีราคาแพง และมีช่วงของอุณหภูมิในการเปลี่ยนสีที่ไม่เหมาะสม ในปัจจุบัน ศูนย์ความเป็นเลิศ ฯ จึงกำลังดำเนินการวิจัยเพื่อพัฒนาเทคนิคการเตรียม ที่มีสมบัติเปลี่ยนสีได้จาก เช่น ทังสเตนออกไซด์ และอนุภาคนาโนของวาเนเดียมออกไซด์(เนื่องจาก ในปัจจุบัน ออกไซด์ของโลหะทรานสิชันที่มีสมบัติเปลี่ยนสีตามอุณหภูมิ เช่น VO2ที่มีการเตรียมได้จากเทคนิคต่างๆ ดังกล่าวข้างต้นนั้นจะไม่อยู่ในรูปของผงหรืออนุภาค ทำให้ไม่เหมาะกับการนำมาคอมปาวด์กับ EVAโดยกระบวนการอัดรีดได้)
โดยล่าสุด นักวิจัยจาก ศูนย์ความเป็นเลิศฯ (นำโดย ผศ.ดร.ไพลิน เงาตระการวิวัฒน์ ม. บุรพา)ได้ประสบผลสำเร็จ ในการพัฒนาวัสดุเปลี่ยนสีได้ตามความเข้มของแสง UV จากสารในตระกูลทังสเตนออกไซด์ ซึ่งเปลี่ยนจากใสเป็นสีน้ำเงิน เมื่อได้รับแสงแดด (ดังตัวอย่างที่แสดงในคลิปวีโอ) โดยในปัจจุบัน ทีมนักวิจัยจากศูนย์ความเป็นเลิศฯ กำลังดำเนินงานวิจัยต่อยอด เพื่อพัฒนาเทคนิคการขึ้นรูปบนกระจก และปรับ

3

   (คลิป วีดีโอ 3 ฟิล์มโลหะออกไซด์เปลี่ยนสีตามแสงความเข้มของแสง UV)

เอกสารอ้างอิง
1. L. Pérez-Lombard, J. Ortiz and C. Pout, “A Review on Buildings Energy Consumption Information,” Energy and Buildings, Vol. 40, No. 3, 2008, pp. 394-398
2. H. Miyazaki, N. kusumoto, S. Sasaki, N. Sakamoto, N. Wakiya and H. Suzuki, “Thermochromic Tungsten Doped VO2-SiO2 Nano-Particle Synthesized by Chemical Solution Deposition Technique,” Journal of the Ceramic Society of Japan, Vol. 117(9), No. 1369, 2009, pp. 970-972
3. H. Miyazaki, K. Yoshida, S. Sasaki, N. Sakamoto. N. Wakiya, H. Suzuki and T. Ota, “Fabrication of Transition Temperature Controlled W-Doped VO2 Nano Particles by Aqueous Solution,” Journal of the Ceramic Society of Japan, Vol. 119(6), No. 1390, 2011, pp. 522-524
4. I. Takahashi, M. Hibino and T. Kudo, Jpn, “Thermo-Chromic Properties of Double-Doped VO2 Thin Films Prepared by a Wet Coating Method Using Polyvana-Date-Based Sols Containing W and Mo or W and Ti,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 40, 2001, pp. 1391-1395
5. W. Burkhardt, T. Christmann, B.K. Meyer, W. Niessner, D. Schalch and A. Scharmann, “W- and F-Doped VO2 Films Studied by Photoelectron Spectrometry,” Thin Solid Films, Vol. 345, 1999, pp. 229–235
6. D. Barreca, L.E. Depero, E. Franzato, G.A. Rizzi, L. Sangaletti, E. Tondello and U.Vettori, “Vanadyl Precursors Used to Modify the Properties of Vanadium Oxide Thin Films Obtained by Chemical Vapor Deposition,” Journal of The Electrochemical Society, Vol. 146(2), 1999, pp. 551-558
7. F. Guinneton, L. Sauques, J.C. Valmalette, F. Cros and J.R. Gavarri, “Optimized Infrared Switching
Properties in Thermochromic Vanadium Dioxide Thin Films: Role of Deposition Process and Microstructure,” Thin Solid Films, Vol. 446, 2004, pp. 287-295
8. L.T. Kang, Y.F. Gao and H.J. Luo, “A Novel Solution Process for the Synthesis of VO2 Thin Films with
Excellent Thermochromic Properties,” ACS Applied Materials & Interface, Vol. 1(10), 2009, pp. 2211-2218
9. S.S. Kalagi, D.S. Dalavi, R.C. Pawar, N.L. Tarwal, S.S. Mali and P.S. Patil, “Polymer Assisted Deposition of Electrochromic Tungsten Oxide Thin Films,” Journal of Alloys and Compounds, Vol. 493, 2010, pp. 335-339