基于石墨烯透明导电薄膜的智能调光膜

一、大面积低成本生产的石墨烯透明导电薄膜　　

石墨烯作为一种有着特殊性能的材料，目前已应用于透明导电电极、触控屏、太阳能电池、锂电池、超级电容器、导热薄膜、海水淡化、环境污染治理等领域（见图1），被人们寄予了厚望。

欧盟于2013年年初启动的超大规模石墨烯“旗舰”研究计划中，透明导电膜研究是其中的重要内容之一。与此同时，许多世 界 级企业如美国IBM、德国BASF、韩国三星等纷纷投入巨资开展石墨烯透明导电薄膜产品的研究与开发，以期在这一新材料开发领域占据有利位置。三星公司更是宣布在不久的将来要将石墨烯透明导电膜商品化。

国际上石墨烯的发展热潮也逐渐影响到我国的学术界与企业界，尤其自2010年石墨烯的发现者获得诺贝尔奖之后，我国各级政府部门逐渐加大了对石墨烯研究的支持力度，国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、中国科学院等部门先后启动了多项针对石墨烯重大项目的研究，北京、上海、江苏、浙江、广东等许多地方也先后提出了支持石墨烯研发的策略与方案，许多企业也纷纷通过调研、合作研发、中试投资等方式介入石墨烯产品的研发，从而使我国石墨烯研发与应用研究逐渐进入起步阶段。石墨烯透明导电膜的研发也不例外，国内已经诞生了一些石墨烯透明导电膜研发企业。

然而，目前国内外开展石墨烯透明导电膜研发所面临的核心问题仍然是石墨烯膜的大面积、低成本、高质量制备技术。到目前为止，国内外广泛采用的石墨烯膜制备技术是化学气相沉积（CVD）技术。这一技术路线能够得到质量较好的大片单层石墨烯，在透光率和面电阻上具有性能优势，但仍然存在许多致命的缺点，如工艺路线复杂、成本高、良品率低、薄膜面积受限等。而石墨烯的另一制备技术——氧化还原法采用溶液制程，便于通过卷对卷工艺实现大面积连续化制备，成本上具有很大优势，但由于石墨烯片有一定缺陷，边界较多，在性能上略有不足。总之，要实现石墨烯透明导电膜的规模化和商品化生产还需要进一步的技术创新以及大量的人力物力投入。

国家纳米科学中心智林杰课题组在石墨烯透明导电薄膜的氧化还原法制备方面做了大量研究，研究开发的石墨烯透明导电膜生产技术与国内外同类技术相比具有独特的技术优势，在国际上首次采用棒涂技术实现了氧化石墨烯薄膜的大面积、连续化、快速涂膜；在国际上首次采用室温催化还原技术并实现了氧化石墨烯膜的快速、高效、绿色还原；形成了首条基于辊对辊工艺的石墨烯透明导电薄膜连续化生产线。通过应用石墨烯透明导电膜，使得智能调光膜产品的成本大幅降低，生产效率大大提高，这对于快速、全面推广石墨烯膜材料的实际应用、在较短时间内迅速与多样化的终端产品及市场接轨至关重要。北京生美鸿业科技有限公司与国家纳米科学中心建立了紧密型合作关系，目前已形成大面积、低成本石墨烯透明导电薄膜规模化、连续化生产能力，产品的各项性能达到同类产品先进水平，预计2014年底可推出石墨烯智能调光膜原型产品，届时将填补国内外相关领域的空白。

二、基于石墨烯透明导电薄膜的智能调光膜　　

随着我国经济社会的高速发展，我国在众多领域取得了骄人的成就，但随之而来的高能耗和高污染也成为了制约我国经济可持续发展的主要因素。国务院在“十二五规划””中，提出要大力推进节能减排，发展绿色建筑。我国单位建筑面积能耗是发达国家的3倍以上，窗体是建筑耗能的主要部分，为了降低建筑能耗，急需一种效果显著、切实可行、应对节能需求的智能化窗体产品，智能调光膜正是在这种趋势下应运而生。

1. 智能调光膜是建筑节能的重要解决方案　　我国建筑能耗占总体能耗的35%，建筑节能行动滞后、能耗高、污染重成为制约我国经济可持续发展的突出问题。中国建筑外墙热损失是北美同类建筑的3～5倍，窗的热损失在2倍以上；门窗面积占建筑面积的20%～30%，玻璃占门窗面积70%～80%；建筑能耗的70%通过门窗流失，其中1/3通过玻璃流失；辐射传热是热传导的主要方式，约占60%以上。

   
   

2006年以来，国家强制推进建筑节能工作，制定了一系列政策措施。例如，住房和城乡建设部出台的《绿色建筑评价标准》用3个等级（星级）对新建与既有建筑改造进行达标评价。其中，对建筑窗户相关部分提出：住宅建筑布局保证室内外的日照环境、采光和通风的要求，满足《城市居住区规划设计规范》（GB 50180）中有关住宅建筑日照标准的要求。2013年1月，国务院转发国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部的《绿色建筑行动方案》要求：紧紧抓住城镇化和新农村建设的重要战略机遇期，树立全寿命期理念，切实转变城乡建设模式，提高资源利用效率，合理改善建筑舒适性，从政策法规、体制机制、规划设计、标准规范、技术推广、建设运营和产业支撑等方面全面推进绿色建筑行动，加快推进建设资源节约型和环境友好型社会，并明确2020前实施建筑节能的目标。
国家在2012年发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出，将石墨烯等材料列为重点前沿新材料，推进纳米材料在节能减排等领域的研究应用。我国对石墨烯的研究在国际上处于领先地位，相关专利数量居世界首位，石墨烯产业化受到业界广泛关注。我国的石墨烯产业还处于摸索期，究竟什么样的产品形式最适合石墨烯，人们有着不同的期待，智能调光膜就是在这样的背景下问世的新门窗应用型节能产品。智能调光膜是一种新型光电产品，集门窗内外遮阳与降低辐射为一体，具有独特的透光与保温功能：夏季可动态调节太阳光透过率，对透过的光和热量进行控制，有效降低室内温度；冬季可恢复光线与热量的透过能力，阻断室内热量散失。智能调光膜与现有建筑门窗相比，综合节能效果提高30%以上，可以有效克服现有Low-E镀膜只能降低辐射而无恢复光照功能的单一缺陷。智能调光膜还可根据用户需求改变玻璃的颜色与色度，提高居室或办公场所的舒适性。智能调光膜还可与传感器相结合实现自动调节，让用户体验与节能效果达到最优化。

2. 石墨烯透明导电薄膜是智能调光膜极佳的关键材料　　目前的智能调光膜产品中的透明导电电极主要使用氧化铟锡（ITO）材料，具有透光性好、面电阻低、工艺成熟等优点。但ITO不耐弯折，在生产、运输和使用过程中容易发生断裂而报废，而且铟矿储量稀少而分散，开采和回收困难，随着资源的不断消耗，ITO的成本将不断攀升。由于以上原因，人们在不断寻找ITO的替代品，目前比较有潜力的材料有银纳米线、金属网格、碳纳米管以及石墨烯等。石墨烯作为一类全新的二维碳基材料，具有超薄、超柔、高比表面等特性，单原子层厚度及二维特性，加之石墨烯良好的电子传输性能与宽波段透光性能，使得石墨烯薄膜具有本征的透光导电特性，是一种非常理想的透明导电膜材料。与传统的基于ITO的透明导电材料相比，石墨烯具有柔性的优势，易于应用在PET等柔性基底上，扩大了产品应用范围；柔性化材料适合与卷对卷工艺整合，能够全程连续化生产，降低工艺成本，而且石墨烯材料本身的物料成本也更低，具有极大的成本优势。因此，国际上针对石墨烯透光导电薄膜特性的研发是重点与热点之一。

3. 智能调光膜功能特点和应用领域　　

智能调光膜广泛应用于现代建筑玻璃幕墙、窗户玻璃、建筑内部隔断、各种车辆及航天器侧面窗户等领域。我国每年新增建筑20亿m2，既有建筑400亿m2，80%以上为高耗能建筑。建筑外窗与透明玻璃幕墙是外围护结构中热传导、热扩散最活跃和热损失最严重的部位。智能调光膜可以作为建筑玻璃的夹芯或内外贴膜，通过对射入光线的调节与热能的阻隔实现对经由窗户进出热量进行控制的解决方案，能够按需自动变色，不再需要使用室内遮阳窗帘或室外的外遮阳隔栅来进行遮阳或隔热。在室内空间与室外的光线融合连通的同时控制眩光和热量，并有效减少能源消耗。根据权威机构Nanomarkets预测，到2018年，包括智能调光膜在内的智能窗产品市场规模将达到400亿美元。

据美国能源部估计，电致变色窗系统能够至少节省20%的运行成本，减少24%的峰值用电需求，暖通空调系统负载减小25%，照明费用减少60%，从用电需求和设备投入2方面降低了建筑成本。由美国加州能源委员会资助、劳伦斯伯克利国家实验室完成的项目报告中指出，可控电致变色窗（EC窗）能够在保持视野的同时调节入射光强、眩光、传热，能够有效减少制冷、供热和照明方面的能源消耗和用电峰值需求。该研究通过模拟计算、实验室测试以及长达2年半的办公大楼实地测试，对大面积电致变色窗原型产品在实际商用环境下的性能进行了检验，包括透光率范围、着色均一性、变色速度和控制精度等；此外，还整合了智能窗与光照控制系统，利用传感器和算法优化能效与用户舒适度，通过智能化设计和控制方法实现优势性能，使智能窗融入建筑能效控制系统，成为一套完整的解决方案。结果表明：电致变色窗的制冷负载峰值降低了19%～26%，照明能耗降低了48%～67%。电致变色窗也有利于获得更好的用户主观感受，包括减少眩光、降低电脑屏幕反射、降低窗口亮度、提供更好的视野等。而随着员工舒适度的提高，员工会以更积极的态度投入工作，使工作效率提高。
智能调光产品在交通领域的应用已崭露头角，图2我相关的应用实例。2008年，法拉利为前置V12引擎旗舰车型612Scaglietti安装了电控变色全景车顶，覆盖整个座舱顶部，它由电致变色玻璃制成，按下按钮即可调节射入座舱的光线强度。2009年12月15日，使用了智能调光窗的波音787梦幻客机试飞成功。通过自动调节窗口的明暗，可以让乘客获得更舒适的旅行体验，而由此带来的对光热传输的控制效果有助于实现节能减排。使用了智能调光膜的防眩目后视镜也已经大量应用于机动车当中，当后方车辆使用远光灯时，防眩目后视镜会自动减弱光线的反射，消除干扰驾驶员的眩光，保障了行驶安全。

基于高分子分散液晶技术(Polymer Dispersed Liquid Crystal，PDLC)的调光膜具有在断电状态下呈雾态（不透明）、通电时呈透明态的特点，使得调光玻璃同时具有普通玻璃和电控窗帘的双重特点，即在雾态时可以有效地保护隐私，隔离出私密空间；在透明态时又可以保持视野通透，因此广泛用于会议室、中控室、酒店等需要私密性的场合。液晶调光膜在雾态下还可作为投影幕布使用，与触控功能等相结合形成复合型产品，主要用于商场产品展示等场合。

４. 智能调光膜工作原理　　

智能调光膜从原理上主要分为电致变色型和高分子分散液晶型。前者利用电致变色材料在锂离子和电子注入、抽出时发生的着色态和透明态之间的转换，即电致变色效应，实现由外加电压实现的透光率可逆调节。电致变色器件主要由透明电极层、电致变色层、对电极层和离子传导层构成，其工作原理见图3所示。目前已产品化的电致变色材料主要包括无机材料和有机材料。其中无机材料以金属氧化物为主，如氧化钨、氧化镍等，而有机材料主要包括聚噻吩及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。

基于PDLC液晶技术的调光膜使用高分子分散液晶层作为功能层。液晶液滴均匀分散在高分子基质中，在不加电场时液晶分子的方向随机排布，射入的光线发生散射，薄膜因而呈现雾态；当在薄膜上加电场时，液晶分子统一沿电场方向排布，而且液晶与高分子折射率基本一致，光线可以不受阻碍的透过薄膜，使薄膜呈现透明态。

５.智能调光膜发展趋势　　

智能调光膜要实现明显的节能效果，提高视觉舒适度，这有赖于能够实行准确调控的控制系统。通过与智能调光膜连接的传感器和中间态控制器，根据外界光线调节调光膜的透光率，既要阻挡过强的阳光以减少制冷能耗，又要满足视觉舒适的要求，同时尽可能引入阳光以减少照明能耗，达到能效和用户体验的最优化。2006年，智能调光膜商业化的初代产品功能相对单一，只能在开和关之间控制，而且成本过高，只有当生产规模扩大后成本才会大幅降低。目前，智能调光膜产品的价值不仅体现在降低能源支出上，更重要的是在负载管理和用户舒适度方面，这是吸引早期消费者的关键。

智能调光膜未来的发展方向是更好的性能和更低的成本，具体表现在：需要精准的控制器，更快的透光率转换速度，不透光状态下避免彩色，调光范围更大，减少生产成本；设计更通用、更可靠的照明控制算法，以适应不同用户、不同气候条件、不同暖通空调系统的要求；制订产品评级体系和行业标准，开发设计工具等。产品如果实现柔性化，应用范围将会大为扩大，不但能够应对各种形状的表面，还可以融入可穿戴设备，例如可变色迷彩服等。 　　智能调光膜能够实现透光的按需调节，构建节能、舒适、人性化的工作和生活环境，是绿色智能建筑、现代化高科技交通工具的必要组成元素。但苛刻的工艺条件、高昂的生产成本大大限制了它的广泛应用。在智能调光膜产品中引入石墨烯透明导电薄膜替代传统的ITO材料，充分利用了石墨烯高透光率、高导电率、柔性的特点，使得调光膜产品在保证性能的同时降低了成本，为产品的推广应用提供了助力。
我国在石墨烯研发方面具有国际领先地位，石墨资源也相当丰富，如何将石墨烯这一神奇材料真正转化为产业优势成为了足以影响整个新材料产业的重要课题。综合考虑产品形式、石墨烯发展现状、市场预期等因素，智能调光膜是石墨烯在目前的性能条件下很好的应用切入点，发展这一产业将会极大推动石墨烯的研发、生产和应用，并产生对整体产业链的带动效应，让石墨烯这一神奇材料真正造福大众。