CC BY
36ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 31.10.12. Ред. рег. № 1431 The article has entered in publishing office 31.10.12. Ed. reg. No. 1431
УДК 666.157.8:666.157.9
О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ «УМНОГО» СТЕКЛА
И.А. Макарян, В.П. Грачев, С.М. Алдошин
Институт проблем химической физики РАН 142432 Черноголовка Московской обл., пр. Акад. Семенова, д. 1 Тел.: (496) 522-14-40; факс: (496) 517-89-10; e-mail: irenmak@icp.ac.ru
Заключение совета рецензентов: 02.11.12 Заключение совета экспертов: 05.11.12 Принято к публикации: 07.11.12
Проанализированы разновидности, классификация, основные технологии получения и наиболее перспективные области практического использования передовых энергосберегающих устройств на основе «умного» стекла.
Рассмотрена конъюнктура мирового рынка «умного» стекла (масштабы, динамика, цены, прогноз развития в ближайшем будущем), состояние и перспективы его развития. Показано, что на рынке отсутствуют большеформатные фото-хромные «умные» стекла для применения в строительстве и транспорте.
Представлена информация о разрабатываемой в Российской академии наук новой технологии получения «умных» многослойных фотохромных полимерных покрытий; приводятся ее потенциальные конкурентные преимущества.
Ключевые слова: «умное» стекло, электрохромное устройство, фотохромное устройство, многослойная полимерная пленка, мировой рынок, прогноз развития рынка.
ABOUT PERSPECTIVES ON DEVELOPMENT OF NEW ENERGY SAVING DEVICES ON THE BASIS OF SMART GLASS
I.A. Makaryan, V.P. Grachev, S.M. Aldoshin
Institute of Problems of Chemical Physics RAS 1 Acad. Semenov ave., Chernogolovka, Moscow reg., 143432, Russia Tel.: (496) 522-14-40; fax: (496) 517-89-10; e-mail: irenmak@icp.ac.ru
Referred: 02.11.12 Expertise: 05.11.12 Accepted: 07.11.12
Kinds, classification, basic technologies for production and the most promising fields of commercial application of advanced energy-saving devices based on smart glasses have been analyzed.
The market conditions (scope, dynamics, prices, marketing forecast in nearest future), and the state and possible development of market were considered. It has been shown that there are no any high dimensional photochromic smart glasses in market under investigation that can be used in building and transportation industries.
The information is given on a new technology to produce multilayer smart photochromic polymer coatings which is developing at the Russian Academy of Sciences, and its potential competitive advantages as well.
Keywords: smart glass, electrochromic device, photochrome device, multilayer polymeric film, world market, market development forecast.
Введение
Одной из актуальных задач современности является решение проблем, связанных с обеспечением энергоэффективности и энергосбережения. В частности, это касается такого аспекта социальной и бытовой жизни, как задача грамотного архитектурного, строительного и иного вида остекления.
Применяемые сейчас в мировой практике материалы остекления различного назначения обладают широким спектром оптических и теплоизоляцион-
ных свойств. Например, в архитектурном остеклении уже успешно используются спектрально-селективные стекла и стекла, тонированные в массе, обладающие способностью к различному пропусканию солнечного света.
Нынешний этап в развитии остекления связан с разработкой и созданием регулируемого свето- и теплозащитного стекла. Практически во всех развитых странах ученые многих академических и отраслевых научных подразделений, в том числе и в составе крупных компаний, работают над созданием иннова-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
ционных технологий получения стекол, обладающих хорошо регулируемыми свето- и теплозащитными свойствами. Речь идет о стеклах нового поколения (advanced glasses), к которым относятся и так называемые «умные» окна (smart windows) или «умные» стекла (smart glasses), способные адаптироваться к изменениям окружающей среды. Хромогенные материалы обладают способностью изменять свои оптические свойства в ответ на воздействие электрического напряжения, интенсивности светового потока, температуры или иных внешних воздействий.
В последнее время к «умным» стеклам проявляется неослабевающий и быстро растущий интерес, что связано как с их уникальными техническими характеристиками, так и с расширением областей практического использования. Некоторые из smart windows уже стали коммерческим продуктом и доступны на рынке, другие еще разрабатываются и проходят лабораторные испытания. Так, большой популярностью на рынке сейчас пользуются, например, так называемые электрохромные «умные» стекла, в частности, больших размеров. Однако большефор-матных фотохромных полимерных стекол, а также фотохромных полимерных пленочных покрытий с переменной затемненностью для остекления зданий и транспортных средств, несмотря на многочисленные попытки их создания, в мире пока не существует. При этом экспертные оценки свидетельствуют, что использование фотохромного остекления в архитектурном строительстве может сэкономить до 40% энергии, расходуемой на кондиционирование помещений.
Классификация свето- и теплозащитных «умных» стекол
Обычные стекла обладают прозрачностью, то есть способностью к светопропусканию; они влагонепроницаемы, морозоустойчивы, химически инертны, не горят и обладают большой жесткостью. Как
известно, впервые стекло для защиты световых проемов зданий применили еще в Древнем Риме.
Новая продукция в виде так называемых «умных» стекол (smart glasses) появилась на рынке совсем недавно - лишь в начале 1990-х годов. В основе «умного» стекла лежат хромогенные материалы, впервые открытые еще в начале 18 века, однако попытки их практического использования осуществились лишь в 1930-х годах. Технологии остекления на их основе получили название «регулируемых» или «умных» технологий (chromogenic smart technologies).
Под термином «умное» стекло подразумевается группа хромогенных материалов, придающих стеклу способность изменять свою светопроницаемость в зависимости от воздействия различных внешних факторов. Такое стекло может переходить от полностью прозрачного до светонепроницаемого состояния и наоборот. Области практического использования «умного» стекла стремительно расширяются, чему способствует постоянный и быстро растущий спрос на продукцию, получаемую на их основе и относящуюся к категории high-tech.
Особый вид материалов, относящихся к «умным», представляют так называемые регулируемые хромогенные материалы, которые можно использовать для свето- и терморегулируемого остекления зданий, автомобилей, самолетов и т.д., а также применять в различного рода индикаторных устройствах. К регулируемым хромогенным материалам относятся следующие их разновидности: электрохромные, жидкокристаллические, так называемые «взвешенные частицы», термотропные, фотохром-ные и газохромные материалы.
Хромогенные устройства можно классифицировать по физическим явлениям, запускающим процесс их оптического переключения (табл. 1).
«Умные» стекла и технологии их получения обычно классифицируют по тем хромогенным материалам, которые лежат в их основе (электрохромные, фотохромные, жидкокристаллические и т.д.).
Таблица 1
Классификация хромогенных устройств с точки зрения техники переключения оптических свойств
Table 1
Classification of chromogenic devices by optical properties change
Приводимые в действие с помощью электричества (активные) Приводимые в действие без помощи электричества (пассивные)
• Электрохромные (EC) • Жидкокристаллические (LC) • С «взвешенными частицами» (SPD) • Термотропные (меняют оптические характеристики под воздействием температуры) • Фотохромные (меняют оптические характеристики под воздействием светового потока) • Газохромные (меняют оптические характеристики в газовой среде)
«Умные» электрохромные стекла (ЕС)
Электрохромные устройства ЕС (е1ес1госЬгот^) неорганического и органического происхождения рассматриваются как наиболее перспективный путь создания «умных стекол», способных контролиро-
вать потоки солнечного света и тепла в зависимости от изменения состояния окружающей среды [1].
Феномен электрохромных материалов заключается в обратимых изменениях их оптических свойств от прозрачного до окрашенного состояния, когда
заданный материал подвергается воздействию приложенного электрического поля или напряжения.
Верхний предел пропускания видимой области спектра для типового электрохромного устройства составляет 70-50%; пропускание в полностью окрашенном состоянии равняется 25-10%. Достоинством электрохромного устройства является то, что оно не пропускает ультрафиолетовое излучение, точно контролирует проходящий свет и тепло, имеет три состояния (цветное, прозрачное и полупрозрачное) и обеспечивает точный контроль степени прозрачности. Здесь необходим ток для поддержания рабочих состояний «умного» устройства.
Схематический вид типового электрохромного «умного» окна и его спектральные характеристики представлены на рис. 1 [2].
Спектральное свечение, Втм '7мкм
— Общий спектр АМ 1,5 .....Спектр пропускания
сквозь осветленное ЕС окно
— Спектр пропускания сквозь окрашенное ЕС окно
b
1000 1400 Длина волны, нм
Рис. 1. Схематический вид (а) и спектральные характеристики (b) типичного электрохромного окна Fig. 1. Schematic diagram of an electrochromic smart window (a); spectral characteristics (b) of a typical electrochromic window
Стандартное электрохромное стекло можно рассматривать как обыкновенный строительный триплекс, только вместо обычно применяемого полимера между стеклами находится электрохромный слой с введенными в него электрическими контактами. В состоянии покоя этот слой абсолютно прозрачен, а стекло ничем не отличается от обыкновенного полированного стекла.
Жидкокристаллические стекла (LC)
Жидкокристаллические технологии LC (liquid crystal) получения «умных» окон осуществляются по следующей схеме. Очень тонкий слой жидких кристаллов вставляется наподобие сэндвича между двумя прозрачными электрическими проводниками на тонкой пленке, при этом вся система ламинируется между двумя слоями стекла. Когда питание отключено, кристаллы ориентированы случайно и беспорядочно. Они рассеивают солнечный свет, при этом стекло выглядит тонированным. Жидкокристаллический материал пропускает большую часть падающего света с рассеиванием, однако теплопоступление от солнечной радиации остается высоким.
Подключенное электрическое поле создает в устройстве необходимую ориентацию жидких кристаллов, при этом «умное» стекло LC становится полностью прозрачным за доли секунды, обеспечивая чистый обзор с обеих сторон стекла. В таких устройствах обычно предусмотрены только два состояния - прозрачное (для сохранения которого необходимо непрерывное электропитание) и тонирующее.
Достоинство жидкокристаллических устройств -они не пропускают ультрафиолетовое излучение. Недостатки - невозможность контролировать степень их затемнения, а также необходимость применять специальные добавки и покрытия для контроля света и тепла.
Остекление с «взвешенными частицами» (SPD)
Остекление с «взвешенными частицами» SPD (suspended particle device) можно рассматривать как аналог жидкокристаллического остекления. В этих устройствах прозрачная пленка с электрическим питанием контактирует с тонким жидкостным слоем, в котором «взвешены» бесчисленные микроскопические частицы. При отсутствии напряжения частицы ориентированы хаотично, при этом они частично блокируют свет и видимость. Прозрачные электрические проводники, воздействуя на эти частицы, упорядочивают их расположение и увеличивают прозрачность. «Умные» стекла SPD могут обладать и частичной прозрачностью, а не только крайними состояниями, как жидкокристаллические. К достоинствам таких устройств относят мгновенность переключения состояний, точный контроль проходящего света и тепла; к недостаткам - необходимость применения специальных покрытий для фильтрации ультрафиолетового излучения и наличия постоянного тока в прозрачном состоянии.
Принцип действия «умных» фотохромных устройств и их применение
Принцип действия «умных» фотохромных стекол основан на явлении фотохромизма. Фотохромизмом (или тенебресценцией) называют обратимое изменение окраски веществ под действием ультрафиолета или яркого видимого света. Воздействие света на фото-хромное вещество вызывает в нем атомарные перестройки, связанные с изменением заселенности электронных уровней. При удалении света фотохромные соединения возвращаются в свое исходное состояние. Наряду с изменением цвета такие вещества могут менять показатель преломления, растворимость, электропроводность, реакционную способность и ряд других характеристик. Явление фотохромизма, открытое в 1880-х годах, свойственно большому числу органических и неорганических соединений, а также природных (содалит, тугтупит) и синтетических материалов.
Различают два вида фотохромизма:
- химический фотохромизм связан с внутри- и межмолекулярными обратимыми фотохимическими
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
a
реакциями (таутомеризация, диссоциация, димериза-ция, цис-транс-изомеризация и др.);
- физический фотохромизм возникает при переходе атомов или молекул вещества из основного синглетного в возбужденные синглетные или три-плетные состояния (наблюдается при воздействии на вещество только мощных световых потоков). В этом случае изменение окраски фотохромного вещества обуславливается изменением заселенности электронных уровней.
Известны следующие типы фотохромных материалов:
- жидкие растворы и полимерные пленки, содержащие фотохромные органические соединения (спи-ропираны, дитизонаты и фталоцианины металлов, полициклические углеводороды и т. п.);
- силикатные и другие неорганические стекла с равномерно распределенными в их объеме микрокристаллами галогенидов серебра;
- кристаллы галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов, активированные различными добавками (CaF2/La, Ce; SrTiO3/Ni, Mo и др.).
Фотохромные изделия относятся к пассивным хромогенным устройствам в плане способности к переключению оптических свойств. В отличие от электрохромных устройств они не столь многофункциональны, поскольку их действие нельзя проконтролировать вручную, а их оптимальные энергетические характеристики зависят только от температуры и солнечного излучения. Например, фотохромное стекло может потемнеть в солнечный, но холодный день, когда желателен более сильный солнечный обогрев помещения.
В настоящий момент использование фотохром-ных материалов ограничивается четырьмя областями применения, к которым относятся:
- линзы солнечных очков;
- сохранение информации на оптических дисках;
- супрамолекулярная химия;
- различные инновационные изделия.
Анализ литературных данных показал, что за рубежом достигнуты серьезные успехи в области создания технологий получения и практического использования фотохромных стекол (фотохромных силикатных и полимерных офтальмологических линз) для применения в солнцезащитных очках (так называемых «хамелеонах») [3-4].
Это стало возможным благодаря синтезу новых фотохромных соединений из классов спиросоедине-ний (спиронафтооксазинов и хроменов), которые отличаются от ранее известных соединений этого типа значительно более высокой устойчивостью к необратимым фотохимическим и термическим превращениям. Такие фотохромные линзы бесцветны в темноте и обратимо окрашиваются на солнечном свету, автоматически изменяя светопропускание в соответствии с интенсивностью солнечного излучения. Ресурс работы фотохромных пластиковых линз обычно составляет не более двух-трех лет.
Много исследований посвящено возможности использования фотохромных материалов в качестве регистрирующих сред в многослойных оптических дисках, когда требуется разработка оперативной и архивной трехмерной оптической памяти сверхбольшой информационной емкости. Это позволяет заменить диски с малым объемом памяти, используемые в компьютерной технике, на более экономичные и совершенные устройства нового поколения.
Опыт формирования многослойных фотохромных полимерных покрытий
Как правило, в качестве наклейки на стекла своих автомобилей потребители обычно используют либо обычные тонированные, либо «умные» электро-хромные пленки.
Тонированные пленки хороши при ярком солнечном свете: они постоянно снижают светопропуска-ние на 50-90%. Однако в пасмурную погоду и в ночное время обзор через такие пленки существенно затрудняется, что может привести к увеличению числа аварийных ситуаций на дорогах.
Что касается ставших популярными в последнее время электрохромных гибких пленочных покрытий, то следует отметить, что в процессе их изготовлении возникает ряд проблем. Например, трудно обеспечить одинаковую толщину электрохромного слоя на большой площади поверхности, а при использовании сепараторов, призванных фиксировать эту толщину, существенно снижается светопропускание пленок. Кроме того, электрохромная герметичная конструкция подразумевает индивидуальное изготовление изделия под каждый размер стекла здания или транспортного средства, при этом должна быть обеспечена возможность подключать такое изделие к электрической цепи.
Этих недостатков лишена многослойная полимерная фотохромная пленка. Так, технология полива полимерного слоя заданной толщины на подложку хорошо отработана в промышленности. Для использования в светоограждающих конструкциях любого габарита такую пленку нужного размера можно просто вырезать из рулонного материала. При этом цена многослойного энергосберегающего фотохромного покрытия всегда будет ниже стоимости электро-хромной пленочной конструкции равной площади как минимум в 2,5-3 раза.
Фотохромных полимерных стекол и пленок для остекления зданий и транспортных средств в мире пока не существует. Усилиями зарубежных авторов разработана и промышленно производится только фотохромная полимерная оптика, предназначенная для использования в солнцезащитных очках. Несмотря на то, что в зарубежных патентах [3, 5] обычно декларируется пригодность таких офтальмологических разработок для создания большеформатных све-тоограждающих конструкций, которые можно было бы использовать на строительном и автомобильном рынках, создать такие конструкции в силу ряда объективных причин так до сих пор и не удалось.
В связи с вышесказанным разработка солнцезащитных полимерных пленочных материалов, которые могли бы автоматически, в отличие от обычных тонированных пленок, изменять светопропускание в зависимости от интенсивности солнечного излучения, весьма актуальна, однако связана с большими трудностями.
Дело в том, что если при создании большеформат-ных стекол использовать те фотохромные соединения, которые были разработаны для фотохромных офтальмологических линз, то на солнечном свету такие устройства будут обладать значительно меньшим ресурсом работы, чем фотохромные полимерные линзы, срок службы которых и так не превышает двух-трех лет. Замена остекления зданий и транспортных средств каждые два-три года (а то и раньше) будет экономически не оправдана. А при создании не фото-хромных стекол, а фотохромных полимерных пленок, в силу специфики их физико-химических свойств (незначительная толщина, высокая гибкость), нельзя применять жесткоцепные сетчатые полимеры, используемые в фотохромных линзах.
В общем виде полифункциональные многослойные полимерные пленки представляют собой конструкцию, которая должна содержать спектрально-селективные ИК-отражающие слои и светочувствительные органические фотохромные слои, нанесенные на полимерную подложку. Необходима возможность комбинирования этих слоев для создания солнцезащитных теплосберегающих полимерных пленочных материалов с переменным (адаптивным) светопропус-канием в видимой области спектра в зависимости от интенсивности солнечного излучения.
Присутствие в таких пленках фотохромных слоев позволяет автоматически регулировать светопропус-кание стекол, на которых они установлены, в зависимости от уровня освещенности. Это обеспечивает, с одной стороны, хорошую теплоизоляцию, а с другой - высокий уровень освещенности помещения.
Опыт формирования ИК-отражающих слоев (низкоэмиссионных покрытий) на силикатных стеклах и на полимерных пленках имеется как в нашей стране [6-8], так и за рубежом. В настоящее время на рынке представлены в основном силикатные стекла. На одну поверхность такого стекла наносятся низкоэмиссионные покрытия, полученные либо методом пиролиза при производстве стекла флоат-методом (К-стекло, твердое покрытие), либо методом вакуумного катодного распыления металлосо-держащих соединений (И-стекло, мягкое покрытие) [9]. Полимерные пленочные материалы с ИК-отражающими покрытиями представлены на рынке значительно хуже. Это объясняется высокой стоимостью, а также трудностью их получения в сравнении с производством обычных тонированных ИК-поглощающих пленок.
Исследования по созданию полимерных пленок с ИК-отражающими покрытиями в мировом масштабе ведутся весьма интенсивно, о чем свидетель-
ствует большое число патентов. Например, известна многослойная пленка с избирательной светопро-пускаемостью, содержащая прозрачную органическую подложку с расположенным на ней слоем меди или серебра толщиной 3-6 нм и последующим слоем диэлектрика. Диэлектрик представляет собой двухкомпонентную островковую структуру в виде неупорядоченной смеси частиц хрома и оксида хрома толщиной 3-6 нм [10]. Однако такая пленка не содержит фотохромного слоя, который обеспечивал бы автоматическое регулирование светопро-пускания в зависимости от уровня освещенности, поэтому она работает только как ИК-отражающая конструкция.
Новая разработка РАН по созданию многослойной энергосберегающей фотохромной полимерной пленки
В настоящий момент объединенными усилиями ученых Института проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН), Института химической физики им. Н.Н. Семенова (ИХФ РАН) и Центра фотохимии РАН (ЦФ РАН) разрабатывается многослойное энергосберегающее полимерное пленочное покрытие с переменным светопропусканием для большеформат-ных светозащитных конструкций [11-19]. Покрытие предназначается для потенциального использования в строительстве, а также в автомобильной и авиационной промышленности в качестве пленки, наклеиваемой на стекла с целью придания им солнцезащитных свойств.
Основу разработки составляет созданная под руководством группы ученых ЦФ РАН конструкция многослойной фотохромной пленки, принципиальная схема которой приведена на рис. 2 [11-13].
Рис. 2. Конструкция полифункциональной многослойной фотохромной пленки Fig. 2. Construction of polyfunctional multilayer photochromic film
Пленка представляет собой оптически прозрачную полимерную подложку (например, лавсановую), на одну сторону которой напыляется оптически про-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
зрачный металлизированный слой (или композиция слоев), отражающий инфракрасную тепловую составляющую солнечного излучения, а на другую -фотохромный нанокомпозитный полимерный слой, поглощающий в фотоинициированном (окрашенном) состоянии видимое излучение. Пленочное покрытие может крепиться к стеклу с помощью прозрачного клеевого слоя (на пленку наносится оптически прозрачное клеевое покрытие, обеспечивающее контакт с остеклением) или с помощью специальных зажимов, позволяющих быстро заменять вышедший из строя элемент.
Создание таких пленочных конструкций позволит обеспечить не только защиту глаз от вредного воздействия интенсивного солнечного УФ и видимого излучения, но и поддержать постоянство температурного режима внутри помещений или транспортных средств. Это происходит за счет отражения внешнего солнечного ИК-излучения летом и теплового излучения обратно внутрь помещения зимой за счет использования наноструктурированного металлизированного покрытия. Таким образом, благодаря экономии энергии на обогреве помещений зимой и кондиционировании летом обеспечивается энергосбережение.
Совместными усилиями ученых ИПХФ РАН, ИХФ РАН и ЦФ РАН уже проведен большой цикл экспериментальных исследований по созданию фо-тохромного пленочного покрытия. Намечена дальнейшая работа по компоновке фотохромного слоя, формированию ИК-отражающего слоя и подбору подходящих для этого технических условий. Для подтверждения экспериментально полученных результатов потребуется отработка технологии нанесения функциональных слоев на пилотной, а затем и опытно-промышленной установке. В ходе такой отработки будут определены оптимальные условия проведения процесса, осуществлен выпуск первых опытных партий фотохромных пленок и изучены их рабочие характеристики. Эти задачи планируется решать в сотрудничестве с рядом отечественных производственных предприятий, имеющих опыт в производстве полимерных пленочных покрытий.
Несмотря на то, что технология РАН еще находится на стадии разработки, уже сейчас можно отметить ряд ее потенциальных конкурентных преимуществ:
- разрабатываемая технология получения энергосберегающих фотохромных покрытий для больше-форматных светоограждающих конструкций не имеет аналогов у нас в стране и за рубежом;
- в новом пленочном элементе будут совмещены сразу две функции: а) отражение ИК-излучения и б) снижение светопропускания в видимой области в зависимости от интенсивности солнечного излучения;
- наличие в «умных» пленках фотохромных слоев позволит автоматически (без применения специальных устройств и приспособлений) регулировать светопро-пускание в зависимости от уровня освещенности;
- пленки будут устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям; они придадут конструкции прочность и снизят вероятность осколочного травматизма; по сравнению с «умными» стеклами пленки практически не будут иметь ограничений по габаритам.
О положении на мировом рынке энергосберегающих «умных» стекол
Рынок регулируемого «умного» стекла еще очень молод, недостаточно сформирован и находится на начальной стадии своего развития. Крупномасштабные производства «умной» стеклянной продукции, поставленные на поток, здесь практически отсутствуют [20, 21].
Проведенные маркетинговые исследования показали, что первые коммерчески успешные проекты на рынке регулируемых «умных» стекол появились на рынке лишь в последнем десятилетии, при этом наиболее развитым на рынке является сектор электро-хромных изделий. Как правило, на рынке «умных» стекол представлены мелкосерийные прототипы электрохромных устройств, изготовленные по индивидуальным заказам. Довольно часто многие компании-производители, осуществляя маркетинговую политику по рекламированию и распространению своей «умной» продукции, используют такие прототипы в качестве демонстрационной модели для привлечения внимания потенциальных заказчиков.
Наиболее острая конкурентная борьба за лидерство на мировом рынке «умного» стекла с момента его зарождения наблюдается именно между приверженцами электрохромной технологии. Так, если к концу 1990-х годов компания SAGE (крупнейший игрок на американском рынке электрохромных стекол) являлась обладательницей лишь 9 патентов в этой области исследований, то в целом по миру имелось уже около 1800 патентов по аналогичной тематике, из них держательницей 1500 патентов была Япония [22].
Согласно прогнозам аналитиков, в ближайшее время «умные» электрохромные архитектурные окна, по всей видимости, смогут привести даже к массовой замене окон из обычного стекла. Предварительные технико-экономические расчеты показали, что такие «умные» окна должны обеспечить большую экономию. Полномасштабная замена окон поможет снизить пиковые нагрузки по освещению, обогреву и охлаждению по сравнению с высококачественными стеклянными окнами на уровне 60% (если сравнивать с однослойными стеклянными окнами, то снижение может доходить до 85%). Ожидаемое снижение трансмиссии света и тепла будет находиться в диапазоне от 30 до 96%.
Безусловными лидерами в производстве «умных» электрохромных стекол являются США и Япония. Помимо этих стран, в последнее время большая активность по разработке новых и модернизации суще-
ствующих электрохромных технологий наблюдается в странах Европы и Юго-Восточной Азии, в меньшей степени - в Австралии и в России.
По состоянию на 2012 г. на рынке регулируемых «умных» стекол сейчас активно проявляют себя следующие игроки, представленные в табл. 2 [23].
Говоря о рынке «умных» стекол в целом, следует различать компании, где были собственно разработаны и коммерциализированы технологии их получения (патентовладельцы технологий), число ко-
Ключевые игроки на рынк Key players in smart w
торых невелико, и компании, закупившие у них лицензии и производящие конечную товарную продукцию по этим технологиям, которых на рынке значительно больше. Обычно и те и другие компании работают в тесном сотрудничестве, часто создавая совместные предприятия и даже целые международные корпорации.
О ряде ведущих компаний на рынке «умных» стекол расскажем более подробно.
Таблица 2
«умных» стекол в 2012 г.
Table 2
ndows market (2012)
Поставщики
«умных» стекол «yMHtix» nreHOK вспомогательных реактивов и материалов
Saint-Gobian Switch Materials Ravenbrick Polytronix Pleotint US E-Chromics Beijing All Brilliant Sun-TEC Chromogenics Dai Nippon Chemicals Hitachi Chemicals 3M Solutia Performance Films Glass Novations
Pilkington/NSG Group Cardinal Guardian Asahi Glass AFG Industries PPG Industries Schott Glass Soladigm Sage Electrochromics Architectural Glass Prodects Gentex DuPont Teijin Films (Film substrates) Toray (Film substrates) SKC (Film substrates) Dai Nippon Inc. Landec Intelligent Materials Material Sciences Corp. Monentive (Silicone) Dow (Silicone) Solutia Performance Films (ITO) Bayer Material Science
Citala
Источник: Smart Windows Markets 2012
Компании-патентовладельцы технологий получения «умных» стекол
Gentex Corporation. Международная компания Gentex обеспечивает высококачественной электрооптической продукцией мировой и североамериканский автомобильные рынки, включая автоматически затемняемые электрохромные автомобильные зеркала заднего вида торговой марки Night Vision SafetyTM Доход от продаж таких зеркал составляет около 92% от общего дохода компании.
Gentex удалось разработать и наладить производство первого в мире коммерческого электрохромного зеркала для моторных транспортных средств. Компания до сих пор остается лидирующим поставщиком таких зеркал для автомобильной промышленности. Покупателями продукции Gentex являются практически все крупнейшие мировые автомобильные концерны.
Sun Active Glass Electrochromics, Inc. (SAGE). Американская компания SAGE на заводе, принадлежащем компании, осуществляет серийный выпуск полноразмерных электрохромных окон по электро-хромной технологии ЕС, которые предназначены для использования в строительстве жилых, офисных и общественных помещений. SAGE работает с веду-
щими производителями, распространителями и установщиками высококачественных стекол на мировом архитектурном рынке.
Research Frontiers Inc. Эта американская компания, в отличие от компании SAGE, специализируется на производстве «умных» окон (SPD-Smartproducts) по собственной запатентованной технологии SPD с участием «взвешенных частиц», которая используется в производстве окон, автомобильных окон и зеркал, солнцезащитных устройств, крыш для принятия солнечных ванн, окон для самолетов и морских кораблей. Компания тесно сотрудничают с известными мировыми корпорациями, занятыми в этом бизнесе. В частности, лицензией на технологию SPD владеет компания Hankuk Glass Industries Inc. (самым крупный производитель стекла в Южной Корее) и ее дочерняя фирма SPD Inc., выпускающие «умные» окна по технологии SPD-Smart.
Единственным российским представителем на мировом рынке электрохромных устройств является отечественная компания TechnoGlass Engineering, разработавшая и запатентовавшая собственную технологию их получения (TGE-Electrochrom). Партнер компании по мелкосерийному выпуску и поставкам на российский рынок «умных» электрохромных окон TGE - российская производственная компания «Абсолют».
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Компании-продуценты и поставщики «умного стекла»
Smart Glass International Inc. (SGI). Эта международная компания по производству «умного» стекла торговой марки SPD-SmartGlassTM (контроль солнечной энергии) и LC-SmartGlassTM (обеспечение конфиденциальности) является лицензиаром технологии SmartGlass, разработанной в компании Research Frontiers Inc.
Компания SGI, созданная совсем недавно, успешно заняла свою нишу на мировом рынке «умных» стекол. Уже выполнен ряд крупных международных проектов по продаже и установке стекол SmartGlass на объектах различного назначения по всему миру. Начиная с 2008 г. SGI уже осуществила продажи «умных стекол» более чем в 40 стран и продолжает расширять сферы своего влияния.
Flabeg GmbH. Немецкая компания Flabeg - лидирующий поставщик автомобильных электрохром-ных зеркал для мировых автомобильных концернов. Является правопреемницей старейшей на рынке мирового стекла компании Pillington Group. Flabeg работает с такими известными лицензиарами технологий, как Gentex Corporation, Ficosa International, Mekra Lang, Magna Donelly, Schefenacker. Помимо автомобильных зеркал, компания производит зеркала для солнечных батарей и солнечных электростанций (около 100% существующих в мире установок по использованию солнечной энергии оснащены зеркалами Flabeg).
SCHOTT Glass Group. Международная технологическая группа SCHOTT Glass Group на рынке уже более 130 лет. Является одним из ключевых мировых лидеров в индустрии стекла особого назначения: более 50 офисов по продажам продукции этой компании функционируют в 125 странах мира. В 2009 г. группа SCHOTT Glass подписала контракт с компанией Smart Glass International Inc. по оказании ей помощи в расширении объемов продаж продукции SPD-Smart.
Nippon Sheet Glass Co. Ltd. (NSG). Эта японская компания является мировым лидером по производству и продажам особого рода стекол и пленок, предназначенных для архитектурного, строительного, автомобильного и ряда других рынков. Производит и осуществляет продажу светоконтролирующих пленок SPD-SmartTM по лицензии компании Research Frontiers. Кроме использования технологии SPD Film, Nippon Sheet Glass также выпускает электрохромные жидкокристаллические продукты LC и самоочищающееся стекло под торговой маркой CLEARTECT™.
Saint-Gobian SA (Франция). Старейшая межнациональная компания Saint-Gobian, созданная во Франции, осуществляет производство и продажу широкого спектра различных продуктов класса hightech. Среди продукции компании электрохромные стекла торговой марки SGSLIGHTINING™, применяемые в автомобильной, строительной и электронной промышленности.
Polytron Technologies Inc. Эта известная тайваньская компании, владеющая своими запатентованными технологиями, производит и поставляет на рынки изделия из электронного и оптического «умного» стекла собственных торговых марок. Является подразделением американской компании Polytronix Inc., которая наладила производство своей продукции на Тайване под известной торговой маркой Polyvision™ Privacy Glass.
Проведенный нами маркетинговый анализ показал, что ни одной из компаний, действующих на рынке «умных» стекол, так и не удалось разработать технологии получения большеформатных «умных» фотохромных стекол или фотохромных полимерных пленочных покрытий, автоматически изменяющих светопропускание в зависимости от интенсивности солнечного излучения, которые можно применять в остеклении строительных и транспортных объектов. То есть в настоящий момент на рынке регулируемого «умного» стекла как в нашей стране, так и за рубежом сегмент таких габаритных фотохромных устройств отсутствует.
Безусловно, основную конкуренцию большефор-матной энергосберегающей фотохромной продукции в случае ее создания и выхода на рынок составят доминирующие на рынке электрохромные стекла, правда, пока еще дорогостоящие и не очень долговечные. В частности, при успешной разработке и коммерциализации легко заменяемых энергосберегающих пленочных фотохромных покрытий, которые, согласно предварительным расчетам, должны быть намного дешевле электрохромных пленок (минимум в 5-10 раз), на рынке должна появиться новая конкурентоспособная фотохромная продукция, не имеющая аналогов.
Масштаб и прогноз развития рынка «умных» стекол
Продукция на основе стекол нового поколения сейчас пользуется большой популярностью, и, согласно прогнозам, в ближайшее время мировой спрос на нее будет расти чрезвычайно высокими темпами.
Стекла нового поколения представлены на рынке следующими категориями:
- стекла для защиты и безопасности;
- стекла, контролирующие солнечную энергию, т.е. «умные» стекла;
- другие виды стекла, например самоочищающееся стекло.
Спрос на все стекла нового поколения в США в период с 2005 по 2015 г., согласно данным компании Research Frontiers Inc., должен увеличиться на 72%. За десятилетний период 2005-2015 гг., спрос на «умное» стекло в США должен возрасти на 250% (! !!).
В табл. 3 приводятся показатели состояния мирового рынка «умного» стекла по основным областям применения в 2008 г. и прогноз развития рынка на 2013 г., согласно данным BCC Research [24].
Таблица 3 Мировой рынок «умного» стекла по областям применения
Table 3
World smart glass market by application fields
Основные области применения 2008 г. 2013 г.* Среднегодовая скорость прироста, %
млн долл.
Транспорт 889,0 1600, 0 12,3
Строительство 138,7 218,3 9,5
Прочее 2,8 72,8 91,9
Суммарное значение 10305,0 1896,1 12,8
*Прогноз.
Самая значительная часть мирового потребления «умного» стекла приходится на транспорт (в основном автомобильное стекло); второй по значимости сегмент рынка - строительство (плоское стекло). Согласно прогнозам, в сегменте рынка потребления под названием «прочее», где объединены все другие области применения smart windows, ожидается громаднейший скачок. Здесь в период с 2008 по 2013 г. произойдет резкое расширение рынка со среднегодовой скоростью прироста в 91,9% (!!!) за счет появления новых областей применения энергосберегающего «умного» стекла. Графически динамика развития мирового рынка «умного» стекла по основным областям применения в период 2006-2013 гг. представлена на рис. 3.
□ Транспорт ■ Строительство □ Прочие
Источник: BCC Research February 2009.
Рис. 3. Динамика развития мирового рынка «умного» стекла по областям применения в период 2006-2013 гг.
Fig. 3. Dynamics of the world smart glass market according to the application fields (2006-2013)
Мировой рынок продукции на основе «умного» стекла в 2009 г. вырос с 883 млн долларов до 1,2 млрд долларов в 2010 г., показав стремительный рост, даже несмотря на последствия мирового финансово-экономического кризиса. В 2011 г. рынок уже оценивался в 1,6 млрд долларов. Согласно прогнозам BCC Research, в период с 2011 г. по 2016 г. глобальный рынок регулируемого «умного» стекла будет ежегодно увеличиваться на 21,6% и к 2016 г. достигнет значения 4,2 млрд долларов.
Сегмент рынка «умных» стекол, применяемых в электронике и электронных изделиях, увеличился с
12 млн долларов в 2010 г. до 21,9 млн долларов в 2011 г. Ожидается, что к 2016 г. этот показатель достигнет значения 66,2 млн долларов (при ежегодном росте в 24,8%).
Поскольку регулируемые свето- и теплозащитные «умные» стекла традиционно потребляются на строительном и транспортном рынках, то именно от положения на этих рынках и будет в конечном счете зависеть состояние рынка «умных» стекол. Поэтому представило интерес ознакомиться с состоянием и перспективами развития мировых рынков плоского и автомобильного стекла, продуценты которых стали все чаще использовать в своей продукции стекла, полученные на основе smart технологий.
Положение на мировом рынке плоского стекла
Обычное плоское (или листовое) стекло является материалом, на основе которого производится широчайший спектр продукции.
В 2007 г. мировое производство плоского стекла оценивалось в 5,5 млрд м2. В том же году за небольшое время на рынке стекла произошли серьезные изменения - в мировые лидеры выбился Китай, который стал теперь представлять самый большой рынок стекла в мире (34% мирового рынка в 2007 г. против 18,2% в 2005 г.). Суммарная доля Китая, Европы и Северной Америки в мировом спросе на стекло в 2007 г. составляла около 80%. В 2008 г. мировое производство стекла увеличилось до 6,1 млрд м2, т.е. среднегодовая скорость роста производства равнялась 5,2%.
Согласно прогнозам, спрос на плоское стекло на мировом рынке в период с 2005 г. по 2015 г. должен возрасти на 53%, что будет вызвано продолжающимся устойчивым ростом спроса в Азиатско-Тихоокеанском регионе (АТР), а также подъемом строительной и автомобильной промышленности в Северной Америке и Западной Европе после рецессии мировой экономики. При этом спрос на обычное плоское стекло будет способствовать и быстрому росту спроса на более дорогостоящую стеклянную продукцию в виде солнцезащитного стекла, Low-E стекла, «умного» стекла, самоочищающегося стекла и стекла для дисплеев (head-up-display). Помимо этого к 2015 г. увеличатся также объемы стекла, используемого в солнечной энергетике, поскольку после глобального кризиса экономики в развитых странах будет усилена государственная поддержка на развитие возобновляемых источников энергии [25].
На мировом рынке плоского стекла еще сильнее станет ощущаться присутствие Китая. Так, согласно прогнозам, доля Китая (в квадратных метрах) на мировом рынке стекла увеличится с 40% в 2009 г. до 43% к 2014 г., а в стоимостном выражении доля этой страны в мировом масштабе к этому времени достигнет 32%.
Плоское стекло является вторым крупнейшим сектором стекольной промышленности Европейского Союза (ЕС) после сектора упаковочного стекла
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
(бутылки, кувшины и пр.) и занимает около 30% от общего производства всех видов стекла в ЕС. В настоящее время 97% плоского стекла в странах ЕС производится флоат-методом, при этом стоимость капиталовложений в производство высока: в зависимости от размера, месторасположения и сложности производимой продукции капиталовложения могут находиться в диапазоне от 70 до 200 млн евро.
В 2008 г. производственные мощности плоского стекла в Евросоюзе составляли 12,7 млн тонн при среднегодовом росте в 2-3%. Производство стекла в ЕС сейчас осуществляется в 16 странах, при этом около 75% выпущенного плоского стекла приходится на Германию, Францию, Италию, Бельгию, Великобританию, Испанию и Польшу (рис. 4) [26].
Percentage of EU flat glass production
Luxembourg
Рис. 4. Производство плоского стекла в странах Евросоюза Fig. 4. Flat glass production in European Union
Тенденции развития рынка автомобильного стекла
Как известно, мировой экономический кризис последних лет привел к спаду автомобильной промышленности в целом. Исключение составил только Китай, постепенно превращающийся в крупнейший мировой автомобильный рынок, включая производство и продажу автомобильного стекла, для получения которого в стране в основном используются технологии признанных мировых лицензиаров.
Рис. 5. Доля основных компаний-продуцентов на мировом рынке автомобильного стекла Fig. 5. Key producers in world automobile glass market
В целом на мировом рынке автомобильного стекла наблюдается высокая концентрация фирм-производителей автостекла, которые одновременно являются также и крупнейшими мировыми продуцентами плоского стекла (рис. 5) [27].
Лидирующее положение на мировом рынке автомобильного стекла занимает японская компания Asahi Glass, являющаяся дочерней компанией Mitsubishi Group.
Второе место на рынке принадлежит японской компании NSG (Nippon Sheet Glass), купившей известнейшую стекольную компанию Pilkington, после чего фактически объединенная компания NSG/Pilkington вошла в четверку крупнейших мировых стекольных компаний наряду с компаниями Asahi Glass, Saint-Gobain и Guardian.
Старейшая компания Pilkington, основанная в Великобритании, является одним из крупнейших мировых производителей стекла и стекольной продукции для строительной и автомобильной промышленности. Именно в этой компании в 1952 г. был изобретен флоат-процесс, который до сих пор считается мировым стандартом производства высококачественного листового стекла. Компания Pilkington (теперь уже в составе NSG) удерживает мировое лидерство в производстве автостекол для грузовиков и автобусов, а также для специализированной техники - электровозов, тракторов, железнодорожных выгонов и морских кораблей.
Французская компания Saint-Gobain в настоящее время занимает на мировом рынке автомобильного стекла третью позицию, выпуская всемирно известное автомобильное стекло торговой марки Saint-Gobain Sekurit. Кстати, именно в этой компании были впервые изобретены каленое стекло (у нас оно называется сталинитом) и ламинированное стекло, именуемое триплексом. Saint-Gobain поставляет свою продукцию для каждого второго автомобиля в Европе и каждого пятого автомобиля в мире. В последнее время компания тесно сотрудничает с южнокорейскими производителями машин, в частности, с компанией Hyundai-KIA.
Четвертое место на рынке принадлежит американской компании Guardian - самой молодой международной компании, занятой в стекольном бизнесе. Первый флоат-завод компании был запущен в 1970 г., после чего каждые полтора-два года компания строит или приобретает новый флоат-завод. В данный момент Guardian занимает второе место в мире по объемам производства флоат-стекла и первое место по производству зеркал магнетронным напылением.
Пятая в этом рейтинге компания PPG (Pittsburgh Plate Glass Co) владеет патентом на собственный способ получения флоат-стекла для автомобильных стекол. Является мировым лидером в производстве запасных стекол для автомобилей и самолетов. Во время финансово-экономического кризиса 2008 г. компания избавилась от убыточного тогда бизнеса
автомобильных стекол, однако до сих пор владеет 40% акций компании Fuyao Glass Group - ведущего международного производителя автомобильного и индустриального стекла в Китае.
В странах Евросоюза автомобильные стекла производятся приблизительно на 50 специализированных заводах, которые превращают плоское стекло в передние, боковые и задние окна, а также зеркала автомобилей и других транспортных средств. Как правило, эти заводы располагаются недалеко и от предприятий по выпуску плоского стекла, и от автомобильных комплексов, с тем чтобы минимизировать транспортные расходы и уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.
На российском рынке автомобильных стекол доли отечественных производителей и импортируемой продукции приблизительно равны (на уровне ~ 45%). Лидером по продажам стекол для иномарок в России является компания Nord Glass (40%), за ней следуют Pilkington (15%), Saint-Gobain (12%) и Asahi (7%). Упомянутая выше китайская компания Fuyao Glass Group, на фоне других китайских производителей выпускающая недорогую и достаточно качественную продукцию, осуществляет сейчас агрессивную маркетинговую политику и активно пробивается на российский рынок.
На рынке «умных» пленочных покрытий для стекла
Любое стекло обладает одним весьма серьезным недостатком - хрупкостью, то есть слабой сопротивляемостью к удару. При механическом ударе или воздействии воздушной волны стекла разбиваются на множество мелких осколков, что может привести к массовому травматизму людей и серьезному материальному ущербу строений. Этот недостаток становится особенно заметным во время участившихся в последние годы различного рода природных катаклизмов, техногенных катастроф, террористических актов и массовых беспорядков.
В принципе, существуют два основных способа получения строительного и автомобильного стекла с заранее заданными эксплуатационными характеристиками:
- придание стеклу заданных свойств непосредственно в процессе его производства (закаленное, армированное, многослойное, тонированное, электро-хромное, низкоэмиссионное и другие виды специальных стекол);
- оснащение стекол специальными полимерными пленками, выполняющими различные защитные и декоративные функции.
Оба варианта имеют свои плюсы и минусы. Стекла, изготовленные по специальной технологии (первый способ), обычно сохраняют свои рабочие характеристики в течение всего срока службы. Считается, что пленочное покрытие имеет более ограниченный срок службы (правда, многие автомобилисты утвер-
ждают, что пленки часто бывают намного долговечнее, чем сам автомобиль). Тем не менее, именно метод нанесения пленочных покрытий на стеклянные поверхности получил особо широкое распространение как более экономичный и наиболее простой с технологической точки зрения.
Пленочные покрытия для стекла обычно классифицируются по следующим типам:
- пленки защитные (ударопрочные, безопасные);
- пленки архитектурные (солнцезащитные и т.д.);
- пленки декоративные.
Выпускаются также пленки, совмещающие перечисленные функции.
Одним из главных преимуществ использования пленок является тот факт, что их можно наносить на поверхность уже эксплуатируемого стекла. В ряде случаев приходится придавать специальным стеклам (уже произведенным по первому способу) дополнительные защитные свойства. Так, например, чтобы получить пуленепробиваемое или бронированное безосколочное стекло, используют специальные стекла в сочетании с ударопрочными полимерными пленками. Кроме того, при использовании пленок не возникает проблем масштабирования при необходимости остекления крупных объектов.
На рынке представлены пленки, предназначенные как для самостоятельной установки, так и требующие профессионального монтажа, при этом качественно наклеенная пленка должна быть неразличимой на стекле и образовывать с ним единое целое. Основными функциями защитных пленок, наносимых на стеклянную поверхность, является увеличение ударопрочности, придание свойств безопасного (безосколочного) стекла, термоизоляция, защита от ультрафиолетового излучения, шумопоглощение, тонирование, защита информации и пр.
В последние годы в качестве альтернативы обычным тонирующим пленкам в строительной и автомобильной отрасли стали пользоваться популярностью электрохромные пленочные покрытия, создаваемые по такому же принципу, что и электрохромное стекло.
Электрохромная пленка (electrochromic film) представляет собой специальную двухслойную бесцветную токопроводящую пленку с жидкими кристаллами между ними, обычно изготовленную по технологии PDLC (polymer dispersed liquid crystal). Она имеет и много других названий, обозначающих одно и то же: умная пленка (smart film), волшебная пленка (magic film), пленка для конфиденциальности (privacy film), светорегулируемая пленка (light regulate film), переключаемая пленка (switchable film), жидкокристаллическая пленка (lc film). При выключенном состоянии жидкокристаллическая пленка непрозрачна и имеет вид белого матового стекла, поскольку жидкие кристаллы в ней расположены хаотично. Если к такой пленке подвести электрический ток, то жидкие кристаллы (как и в случае с электрохромным стеклом) упорядочиваются и менее чем через секунду она становится прозрачной.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Тонкопленочные электрохромные устройства, способные контролировать потоки солнечного света и тепла в зависимости от изменения состояния окружающей среды, рассматриваются сейчас как наиболее перспективный путь создания «умных» стекол. Анализ литературных и технико-коммерческих данных показал, что потенциал практической реализации и рабочие характеристики электрохромных пленок настолько велики, что исследования в области создания электрохромных устройств за последние десятилетия стали одним из самых быстро развивающихся направлений в мировой науке о материалах [2S].
Электрохромные пленки обладают уникальным свойством защиты, блокируя до 9S% ультрафиолетового излучения. Под воздействием электрического напряжения они меняют прозрачность от 0 до 92%. Такие пленки долговечны, устойчивы к изменчивым погодным условиям, избавляют стекло от хрупкости, могут использоваться в качестве проекционного эк-рапа обратной проекции. Кроме того, электрохром-ные пленки имеют большое преимущество по сравнению с электрохромными стеклами в плане габаритных размеров. Так, если «умное» стекло обычно не может превышать размеров 2000*1000 мм, то изделия с нанесенной «умной» пленкой сейчас могут достигать размеров 3500*1S20 мм и больше.
Пленочная технология покрытия стекла находит множество применений. Сейчас в системах остекления, как правило, применяются двуосно-ориенти-рованные пленки толщиной от 50 до 600 мкм из лавсана. Современные технологии производства позволяют получать кристально прозрачные пленки с различными техническими характеристиками. Они могут быть бесцветными и тонированными, однослойными и многослойными, а также с напылением микрочастиц различных металлов и их сплавов: бронзы, меди, титана, нержавеющей стали и др.
С обратной стороны самоклеящейся пленки наносится клеящий состав, обеспечивающий молекулярное сцепление со стеклом. В результате образуется многослойная композиция стекло + клей + пленка, свойства которой зависят от толщины пленки, количества и типа слоев, клеевого состава, а также способа крепления к стеклу.
Согласно мнению экспертов, наиболее качественные защитные пленочные покрытия производят и поставляют на мировой рынок американские фирмы Courtaulds Performance Films (CP Films), Johnson Windows Films, Solar Gard (Bekaert Specialty Films), Madico, 3M Corporation, Plastic View International (PVI Inc.), а также израильская компания Hanita Coating. На долю этих компаний в сумме приходится более 90% мирового производства пленок для светопрозрачных конструкций. Из азиатских продуцентов современных оконных пленок высокого класса можно отметить южнокорейскую компанию Nanofilm Co., Ltd. Огромное количество smart пленок в последние годы стало производиться и прода-
ваться в Китае, однако они, как правило, характеризуются низким качеством.
Технологии получения «умного стекла» до сих пор относятся к категории высокостоимостных, что, пожалуй, остается одним из главных препятствий на пути их продвижения на рынок. Обычно проблемой по снижению стоимости изделий из «умного» стекла занимаются специальные рабочие группы и даже целые подразделения многих крупных компаний, задачей которых является модернизация технологий с точки зрения не только улучшения качества продукции, но и снижения ее стоимости.
Не стоит забывать и тот факт, что себестоимость любой продукции зависит от масштабов производства и производственных издержек. Снижение себестоимости всех разновидностей «умных» стекол приобретет ощутимый характер только в том случае, когда их производство станет полномасштабным и массовым, чего в настоящий момент пока не наблюдается.
В качестве примера можно привести тот факт, что еще в 2002 г., согласно прогнозам Министерства Энергетики США, должен был начаться полномасштабный промышленный выпуск электрохромных стекол, стоимость которых в случае массового производства не должна была превышать 15-20 долларов за квадратный метр. К сожалению, полномасштабного производства наладить так и не удалось. В настоящий момент стоимость «умных» окон из переключаемого стекла продолжает приблизительно в 2-3 раза превышать стоимость обычных стандартных окон.
Данные о стоимости электрохромных пленок, почерпнутые из разных источников, заметно отличаются, при этом цена продукции сильно зависит от конъюнктурных особенностей того регионального рынка, на котором товар продается.
«Умные» пленки европейских и американских производителей характеризуются высоким качеством исполнения, что редко присуще продукции, выпущенной в Китае. В этой стране, где рынок «умных» стекол растет стремительными темпами, за последнее десятилетие возникло огромное количество компаний, торгующих разнообразными электро-хромными пленками для остекления строительных и автомобильных объектов. Как правило, все эти пленки производятся здесь по лицензиям ведущих мировых компаний, разработавших технологии их получения.
В табл. 4 приводятся цены на ряд электрохром-ных пленок китайского производства [29]. Речь идет о лицензионных пленках, полученных в основном по технологии PDLC.
Стоит обратить внимание на электрохромные пленки компании Wixi City Nanfeng. По всей видимости, их производство на фабрике осуществляется полномасштабно, при этом цены за квадратный метр пленки непосредственно от производителя могут отличаться от цен торгующих компаний в 1000 раз (!!!).
Таблица 4
Цены на электрохромные пленки китайского производства
Table 4
Prices of electrochromic films made in China
Компания Назначение пленки Минимальный заказ пленки, кв. м Цена
Qingdao Xundian International Trade Co., Ltd. (торговая компания) Строительство Строительство Автомобили Автомобили 1 10 10 30 100-1000 долл./кв. м 300-600 долл./кв. м 400-1000 долл./шт. 400-1000 долл./шт.
Qingdao Langrun International Trading Co., Ltd. (торговая компания) Автомобили Строительство 30 30 320-600 долл./кв. м 320-600 долл./кв. м
New Light Source International Holdings Ltd. (производство, оптовая продажа) Строительство 5 240-288 долл./кв. м
Wixi City Nanfeng Adhesive Tape Factory (фабрика-производитель) Автомобили 5000 0,15-0,9 долл./кв. м
Если говорить конкретно о фотохромных пленках, то следует отметить, что иногда, вольно или невольно, происходит путаница в терминологии и подмена одного понятия другим. Так, некоторые компании на своих официальных сайтах заявляют о выпуске и поставках покупателям фотохромных пленочных покрытий для окон зданий и стекол автомобилей, хотя речь при этом идет лишь об обычных тонировочных пленках, не обладающих способностью автоматически регулировать светопропускание. Из компаний, допускающих подобные вольности, отметим следующие: NDFOS Co Ltd. (Южная Корея); Sun Glass Tech (США); Nanofilm (Южная Корея); Madico Inc. (США); COOLKOTE Films Internatinal Pte. Ltd. (Сингапур); Solutions Inc. Pte. Ltd. (Сингапур); Nanoplast (Индия); Kingclothin (США) и др.
На рынке «умных» энергосберегающих пленок в России
На молодом российском рынке «умного» стекла действует ряд компаний, торгующих различного рода пленками, в том числе «умными», как правило, зарубежного производства. В частности, предлагается широкий ассортимент электрохромных пленок, самоклеющихся и не самоклеющихся, оптом и в розницу. Обычно это пленки, полученные по технологии SPD или с использованием жидких кристаллов PDLC.
Особой популярностью у нас в стране пользуется продукция американской компании Courtaulds Performance Films, выпускающей защитные, архитектурные и декоративные пленки под торговой маркой Llumar. Этот концерн является самым крупным в мире производителем высококачественных пленочных покрытий для стекла. Пленки компании поглощают от 95 до 99% ультрафиолетового излучения, уменьшают ИК излучение на 40-80%, защищают от электромагнитного излучения, в прохладную погоду способствуют уменьшению потерь тепла че-
рез стекло от 4 до 44%, а в сочетании со стеклом делают стекло ударопрочным и безосколочным. В России пленки Llumar прошли испытания в НИИ технического стекла, Всероссийском институте авиационных материалов, Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны, НИЦ «Охрана», МВД РФ, ЦНИИХМ.
Международный концерн 3М Corporation производит архитектурные и автомобильные пленки по запатентованной микрослойной технологии, а также по технологии специальной высокотехнологичной адгезии. Более 40 лет назад компания 3М получила первый в мире патент на оконные пленки. Известно, что пленки компании прошли успешные испытания в городской комиссии по безопасному остеклению г. Москвы и в автономной некоммерческой организации обеспечения промышленной безопасности «Сертификация банковского оборудования».
Весной 2011 г. компания 3М объявила о поставках на американский рынок одного из своих последних достижений в области контролируемых оконных пленок нового поколения - серии наружных пленок "Sun Control Window Film Prestige Exterior Series" [30]. Новая серия пленок, полученных с использованием на-нотехнологии, состоит из сотен сверхтонких слоев, обеспечивающих высокий контроль за теплом, снижение ослепляющего действия света, защиту вида из окон с внутренней и внешней стороны. Компанией представлены три класса новых пленок: Exterior PR40, Exterior PR70 и Exterior PR90. Оконные пленки 3М до 90% защищают от ИК-излучения и не содержат металлов, что уменьшает риск коррозии и не мешает прохождению радиосигналов и сигналов сотовой связи.
Американская научно-техническая корпорация Solar Gard одной из первых в мире стала использовать инновационную технологию магнетронного напыления тончайших слоев металлов. Эксклюзивным представителем этой американской корпорации на российском рынке является ЗАО «Солар Гард».
Отметим на отечественном рынке и американскую фирму Madico, известную своим комплексным
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
подходом к проблеме безопасного остекления, которая производит оконные пленки на протяжении вот уже 30 лет.
Популярностью на российском автомобильном рынке пользуется также продукция южно-корейской компании DM Display, которая производит электро-хромные smart пленки MF и SF по технологии PDLC. Технические характеристики smart пленок этой компании, имеющей представительство в России, приведены в табл. 5 в качестве примера [31]. Поставщики предупреждают, что в зависимости от вида пленки и условий монтажа могут наблюдаться небольшие расхождения с табличными данными.
Таблица 5
Характеристики электрохромных пленок компании DM Display
Table 5
Characteristics of smart electrochromic films distributing by DM Display
Отечественная компания Smart-Film предлагает полимерную электрохромную пленку SmartFilm™ тайваньской компании Chifvey Optronics Ltd., полученную по нанотехнологии на основе жидких кристаллов PDLC. Компания Inter-Systems поставляет пленки южно-корейского производства. Фирма Люмен Маркет торгует южно-корейскими пленками компании DM DISPLAY, полученными с использованием технологии PDLC. Компания НПО «Нано-Тех» (ADVNANOTECH LLC) одной из первых на территории России освоила производство ультратонких электролюминесцентных панелей и выпускает
электрохромные пленки на основе технологии PDLC. Из последних сообщений стало известно, что в дополнение к этому весной 2012 г. компания «Нано-Тех» получила новую лицензию от компании Research Frontiers Inc. на производство в России «умных» стекол и пленок по технологии SPD [32].
Согласно информации, почерпнутой из прайс-листов вышеперечисленных торговых компаний, цены на предлагаемые в России электрохромные пленки различного назначения в зависимости от качества продукции и иных обстоятельств обычно колеблются в диапазоне от 16 до 29 тыс. руб./м2.
Говоря о тонировке автомобильных стекол в нашей стране, следует упомянуть и о нововведениях в ГОСТ № 5727 1998 г. «Стекло, безопасное для наземного транспорта. Общие технические условия». Согласно измененным нормам, светопропускание ветровых стекол должно быть не менее 75%, стекол передних дверей - не менее 70%, прочих стекол - не менее 60%. При этом не нормируется светопропус-каемость остекления крыш легковых автомобилей, люков крыш, а также затемняющих полос в верхней части ветрового стекла [33].
В целом, подводя итоги по анализу состояния мирового и российского рынков стеклозащитных пленок, отметим, что нам не удалось обнаружить присутствия фотохромных полимерных пленок, автоматически изменяющих светопропускание в зависимости от интенсивности солнечного излучения, которые можно было бы использовать для остекления строительных объектов и транспортных средств.
Заключение
Изучение состояния мирового и отечественного рынков энергосберегающих устройств на основе «умного» стекла показало, что доминирующее положение на рынке занимает «умная» электрохромная продукция, в том числе и больших габаритов.
Сегмент большеформатных фотохромных регулируемых конструкций на мировом и отечественном рынке «умного» стекла в настоящий момент пока отсутствует. И это несмотря на многочисленные попытки создания технологий получения такой продукции, пригодной для остекления строительных, транспортных и иных габаритных объектов. Трудности, связанные с разработкой таких технологий, были отмечены нами выше. Особые сложности возникают при попытках промышленного освоения развиваемых технологий, когда необходимо налаживать конвейер для бесперебойного изготовления больше-форматных энергосберегающих фотохромных изделий и осуществлять их выпуск в виде готовой товарной продукции [34-37].
В Российской академии наук создаются научные основы новой технологии получения энергосберегающих фотохромных пленочных покрытий, которая обладает рядом потенциальных конкурентных преимуществ. В случае ее успешной разработки и прак-
Параметр Значение
Толщина, мм 6,5-13
Режим работы Включено: прозрачный; отключено: непрозрачный
Максимальные размеры, мм 980x3000; 1200x3000
Защита от ультрафиолета, % более 99
Рабочая температура, °С -20 - +60 (-4 Е - 140 Е)
Параллельное пропускание света, % 78 ± 2 (вкл.) 9 ± 1 (выкл.)
Пропускание солнечного света, % 80 ± 2 (вкл.) 60 ± 3 (выкл.)
Эффект дымчатости, % 5 ± 1 (вкл.) 92 ± 2 (выкл.)
Рабочее напряжение, В переменное 100-110
Рабочая частота, Гц 50-60
Потребляемая мощность, Вт/м2 около 7
Скорость включения, с менее 1 (выкл. ^ вкл.: 0,1; вкл. ^ выкл.: 0,4)
тической реализации на территории России, а в дальнейшем, возможно, и за рубежом, можно будет говорить о создании не имеющей аналогов прорывной технологии, которая позволит сформировать на рынке «умных» стекол ранее не существовавший сегмент в виде новой большеформатной фотохром-ной продукции.
Работа проводилась при финансовой поддержке программы целевых расходов Президиума РАН «Поддержка инноваций и разработок» и программы ОХНМ РАН № 7.
Список литературы
1. Pavlicka Agnieszka. Development of Electrochromic Devices // Recent Patents on Nanotechnology. 2009. Vol. 3, № 3. P. 177-181.
2. Satyen K. Deb. Photovoltaic-Integrated Electrochromic Device for Smart-Window Applications // NPEL. World Renewable Energy Congress VI, Brighton, UK, July 1-7, 2000.
3. Патент US 4,576,766, March 18, 1986, B29D 11/00. Photochromic compounds and their use in photoreactive lenses / M.W. Baskerville et al.
4. Аpplied Photochromic Polymer Sestems. Eds. C.B. McArdle. Blakie. N.Y., 1992.
5. Патент US 2006/0033088 A1 Jul. 27. 2004 252/586; 428/426; 525/538. Polymer for a photochromic compound matrix, and a matrix comprising the said polymer / Gyongtae Kim et al.
6. Патент RU 2132406, 05.10.98, С23С 14/06, В32В 17/06. Низкоэмиссионное прозрачное покрытие с повышенной коррозионной стойкостью и оконное стекло с этим покрытием / Чайрев В.И. и др.
7. Патент RU 2190692, 10.10.2002, C23C14/08, C03C17/36. Низкоэмиссионное покрытие, нанесенное на прозрачную подложку / Суханов А.А. и др.
8. Патент US 4,337,990, Jul. 6, 1982, G02В 05/28. Transparent heat mirror / John C.C. Fan et al.
9. Российская Стекольная Компания // http://rglass.ru/info/low_e.
10. Патент RU 2043932, 30.07.1993, В32В 15/08. Многослойная пленка с избирательной светопроницаемостью / Бондарь Е.А. и др.
11. Дунаев А.А., Айт А.О., Барачевский В.А. Полифункциональная многослойная фотохромная пленка // На-нотехника. 2006. № 1. С. 75-81.
12. Патент RU 101971 U1, 10.02.2011, B32B7/00. Многослойная фотохромная теплосберегающая полимерная пленка / Айт А. О. и др.
13. Патент RU 110329 U1, 20.11.2011, B32B7/00. Многослойная фотохромная полимерная пленка / Айт А.О. и др.
14. Грачев В.П., Бакова Г.М., Курмаз С.В., Махонина Л.И., Юрьева Е.А., Алдошин С.М., Барачевский В.А. Спектрально-кинетические характеристики формил-замещен-ного спиропирана в ПММА, модифицированном эластомерами // Высокомолек. соед. 2011. Сер. Б. Т. 53, № 9. С. 1648-1654.
15. Грачев В.П., Бакова Г.М., Алдошин С.М., Махонина Л.И., Горелик А.М., Юрьева Е.А., Барачевский В.А. Синтез и исследование фотохромных свойств сополимеров на основе функционализированных хроменов // Изв. Академии наук. Серия химическая. 2011. № 7. С. 1446-1452.
16. Попов Л.Д., Щербаков И.Н., Коган В.А., Ширинян В.З., Краюшкин М.М., Кобелева О.И., Валова Т.М., Барачевский В.А. Спектрально-кинетическое исследование фотохромных превращений металлокомплексов спиронаф-топирана // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 6. С. 18-22.
17. Зайченко Н.Л., Кольцова Л.С., Щербакова И.М., Оськина О.Ю., Вознесенский В.Н., Мардалейшвили И.Р., Шиенок А.И. Региоселективное орто-формилирование гидроксизамещенного спиронафтооксазина // Изв. Академии наук. Серия химическая. 2011. № 3. С. 520-522.
18. Курмаз С.В., Кочнева И.С., Ожиганов В.В., Грачев В.П., Алдошин С.М. О возможности применения полиак-рилатов линейного и разветвленного строения для локальной модификации стеклообразных полимерных матриц // ДАН. 2007. Т. 417, № 5. С. 646-649.
19. Курмаз С.В., Кочнева И.С., Перепелицина Е.О., Королев Г.В., Грачев В.П., Алдошин С.М. Фотохромные превращения спиропирана в матрицах линейных и разветвленных полиметакрилатов // Изв. РАН. Серия Химическая. 2007. № 2. С. 191-198.
20. Макарян И.А., Ефимов О.Н., Куршева В.В., Конды-рина Т.Н., Кондрашов С.А. Состояние и перспективы развития энергосберегающих устройств на основе «умного стекла» // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2009. № 11. С. 127-141.
21. Гусев А. Л., Кондырина Т.Н., Куршева В.В., Пищу-рова И.А., Ефимов О.Н., Кондрашов С.А., Ванников А.В. Перспективы применения гибких электрохромных панелей на объектах ЖКХ и транспортных средствах // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2009. № 10. С. 122-137.
22. SRI Report. Smart Glass: Seeking a Clear View of the Future. 1998. P. 2.
23. Smart Windows Markets 2012 // http://www. nanomarkets.net.
24. Global Markets and Technologies for Smart Glass -Focus on Electronics and Other Sectors // http://www.marketresearch.com/BCC-Research-v374.
25. Интернет-ресурс http://www.reportlinker.com.
26. Industry Facts and Figures // http://www. glassforeurope.com.
27. Global and China Automobile Glass Industry Report, 2009 //http://www.researchinchina.com.
28. Smart-Window Technology. Sage and 3M Corporation // http://www.reports.gov.
29. Интернет-ресурс http://www.alibaba.com.
30. Интернет-ресурс http://www.3m.com/windowfilm.
31. Интернет-ресурс http://www.dmdisplay.ru.
32. Интернет-ресурс http://www.advnanotech.ru.
33. Интернет-ресурс http://www.7verst.ru.
34. Патент РФ на полезную модель № 116489. Заявка № 2011132860. Конвейер для изготовления фотохромного полимерного триплекса сложной формы с ITO-покрытием / Гусев А. Л.
35. Патент РФ на полезную модель № 116490. Заявка № 2011132858. Конвейер для изготовления фотохромного полимерного триплекса сложной формы / Гусев А. Л.
36. Патент РФ на полезную модель № 116491. Заявка № 2011132861. Конвейер для изготовления фотохромного триплекса / Гусев А. Л.
37. Патент РФ на полезную модель № 92549. Заявка № 2009139997. Гибкая электрохромная панель / ООО НТЦ «ТАТА».
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
