Prof. Dr. Hülya DEMİRYONT Araştırma Merkezi

Transkript

1 AKTİF VE PASİF CAMLAR Prof. Dr. Hülya DEMİRYONT Araştırma Merkezi ÖZET Bu çalışmada kaplamalı camların bir sınıflaması yapılacak, selektif olarak geçirgenliği ve yansıtması tasa rımlanan kaplamalardan, yansıtmayla filmlerden, pasif kaplamaların türleri olarak bahsedilecek ve çeşitli aktivasyonlarla etkilenerek özellikleri değişen / değiştirilebilen aktif camlara kısaca değinilenecektir. TANIMLAR Tanım olarak "Pasif Camlar" özellikleri tasarrmlanabilen ancak kontrollü olarak de ğiştirilemeyen camlardır. "Aktif Camlar" İse özelliklerini ya dış etkilere göre değişti ren veya optik özellikleri bizim tarafımızdan kontrol edilebilen/değiştirilebilen cam lardır. Aktif camlara "Akıllı camlar" veya "Kromojenik" camlar da denir. Cam tasarı mı cama verilmesi istenilen özelliğe göre yapılır. Bunun için de camın hangi iklim böl gesinde kullanılacağının bilinmesi gerekir. Cam teknolojisinde gelişmeler son on yıl da çok büyük aşamalar yapmış ve camın alışılmış özelliklerine aranan birçok yeni özel likler katılmıştır. Cama verilmesi istenilen özellik cam harmanının kompozisyonu de ğiştirilerek yapılabilir. Bu hem pahalı hem de harmandan renkli camların özellikleri nin sınırlı olması nedeni ile yerini düz camın değerinin ikinci bir işlemle kaplanarak ar tırılmasına bıraktı. Bugün dünyada en önemli konulardan biri enerjidir. Yani yeni enerji kaynaklarının bulunma çalışmalarının yanı sıra enerji tarrufu çalışmaları da ay nı yoğunlukla ele alınmaktadır. Enerji kaybının minimuma indirilmesi açısından cama solar kontrollü kaplamaların konması ve bu kaplamaların iklim şartlarına göre tasa rımlanması günümüzde kaçınılmaz olmuş tur. Tasarımlı camların yapılmasında "So lar" ve "Termal" spektrumlar göz önünde tutulur. Solar spektrum 250 nm ile nm aralığındadır. Gözümüz solar spektrumun 400 nm ile 750 nm arasında ve "Görü lür Bölge" olarak bilinen kısmına duyarlı dır. Radyasyon yolu ile ısı transferi sağla yan "Termal Spektrum" ise sıcaklığa bağlı olup yaklaşık nm ile nm aralığındaki spektrel bölgededir (Şekil 1). PASİF CAMLAR (Eğriler C, 100 ve 300 için verilmiştir) 0X1 O.tZS O.OBS OOS: 40*,^ ^ *. Delgi Boru (Mikron) Şekil 1- Solar ve termal enerji spektrumları Burada inceleyeceğimiz pasif camlan sağladığı fonksiyonlara göre: 1- Isı kontrollü camlar, 2- Yansıtmayı önleyici camlar olarak smıflandırabiliriz. Isı kontrollü camları ise çalışma prensiplerindeki farklılık açı sından iki kısımda toplayabiliriz. Bunlar: 1- Spektrel selektif veya PROBLEMLERİ SEMPOZYUMU

2 2- Açısal selektif camlardır. Açısal selektif kaplamalar eğimli sütunsal yapı gösteren malzemelerle oluşturulur. Ko nu oldukça yenidir ve bu tip filmlerin solar kontrol özellikleri sınırlıdır. Spektrel selek tif camların ise kullanılan tabaka sayısına göre; "Tek katlı" veya "Çok katlı" filmler şeklinde gruplanması yapılabileceği gibi "Saydam Solar Camlar" veya "Renkli Solar Camlar" olarak da görünüm açısından gösterdiği özelliğe göre gruplandırılması yapı labilir. Tek katlı filmler kompozisyon açısından "Homojen" veya "Diskontinyus" ola bilir. Tüm bu ortamların tek tek veya kombinasyon olarak göstereceği özelliklerden yararlanılarak kaplı camın istenilen anlamda fonksiyon yapması sağlanır. Burada bah sedilen Selektif kaplamaları kullanılacağı iklimlere göre: 1- Soğuk iklim camları 2- Ilıman iklim camları 3- Sıcak iklim camları olmak üzere üç kısımda inceleyelim. I- SPEKTREL SELEKTİF KAPLAMALAR A) SOĞUK İKLİM CAMLARI Soğuk iklim camlarından beklenen dış ortamdan iç mekana maksimum oranda güneş enerjisi alması, fakat içeriden dışarıya enerji sızdırmamasıdır. Bunun için solar enerji nin tümünü dışarıdan iç mekana geçiren fakat iç mekanda biriken termal enerjiyi de tekrar içeri yansıtan bir cam tasarımlanmalıdır. Böyle bir cam üzerine konulan kapla ma nedeni ile görülür bölge ile birlikte 3 mikrona kadar olan yakın infrared, İR, böl geyi geçirmeli ve 3 mikronun üstündeki termal spektrumu taşıyan uzak İR bölgeyi yansıtmalıdır. Şekil 2 İdeal bir soğuk iklim camının geçirgenlik ve R% yansıtma spektrumunu göstermektedir Isı kontrolü için kaplanan camlara dü şük emisiviteli anlamına low-e camlar R y< R % 0.4 (MİKRON) 3.0 SOĞUK İKLİM CAMLARI Şek/7 2- Soğuk iklimlerde kullanılacak ideal ve gerçek ısı yansıtmalı bir camın yansıma ve geçirgenlik spektrumları denir. Soğuk iklim low-e camlarını yapmak için kullanılacak malzemelerin özellik leri İR bölge için metaller tarafından sağlanır. Ancak metaller yaklaşık nm nin üzerindeki kalınlıklar için opaktır. Buna göre çok ince bir metal filmi, örneğin 20 nm kalınlığındaki altın filmi havada oksitlenerek özelliğini kaybet mediği için 1960'larda çok kullanılan bir solar kaplama malzemesi idi. Gerek ekonomik yönden pahalı olması, ge rekse de menanik yönden zayıf filmler oluşturması yüzünden altın filmleri ye rini daha sonraları Oksit/Metal/Oksit, veya katkılı yarı iletken oksitleri veya Metal-Oksit karışımları şeklindeki yapılara bıraktı. Bunlardan Oksit/Metal/Oksit yapılarında me tal olarak yaklaşık 11 nm kalınlığındaki gümüş (Ag) kullanılmaktadır. Oksit filmi için ise tercih edilen malzemeler arasında ZnO^, BizOj, SnOj, TiOj ve TazO, filmleri bulun makta ve oksit filmlerinin kalınlıkları Ag/Oksit sistemi için minimum yansıtma, AR ve maksimum geçirgenlik şartını sağlayacak şekilde seçilmektedir. Üçüncü tip low-e kap- 10. CAM PROBtL'MLKRİ SEMPOZYUMU

3 lama cer-met olarak anılan seramik-meta! nanokompositieridir. Cer-met filmler tek tabakalı metal filmi ve 3 tabakalı oksit/metal/oksit tipi kaplamaların bir karışımıdır. Cer-met filmler tek tabakalı fakat iki fazlıdır. Burada oksit ortamı metal parçacıkları nı taşır. Metal 0 olarak genellikle Au, Cu, gibi inert malzemeler seçilir. Taşıyıcı ortam ise AI1O3, SİO2 gibi koruyucu oksit olan bir malzemedir. Diğer tek tabakalı low-e film mal zemesi F veya Sb katkılı p yarı iletken oksitleridir. SnO^ıF veya SnOjiSb kristal yapıda ol duğunda hem saydam (yüksek görülür bölge geçirgenliği) hem de iletken (İR yatsıtıcısı) özellikleri aynı zamanda gösteren yani low-e olan bir malzemedir. Benzer şekil de İTO olarak bilinen gene kristalin yapıdaki 90-95% InjOj ve 10-5% SnOx mikrokristal yapıları da iyi bir low-e malzeme olarak bilinir. Şekil' 3 burada sözü edilen low-e filmlerinin yapılarını göstermektedir. oksit film metal film metal film oksit/metal/oksit yapısı İTO veya Sn02:F tek film ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 'y cer-met film metal tanecikler oksit Şekil 3-Low-e kaplama türleri olarak /nce metal filmi, yarı-iletken oksiti, cer-met tipi seramik metal karışımı ve oksitjmetal/oksit tipi filmler. E) ILIMAN İKLİM CAMLARI Soğuk iklim camlarının geçirgenlik ve yansıtma spektrumlarının uzun dalga boyu sı nırlarının kısa dalga boylarına doğru kaydırılması ile soğuk iklim camlarından ılıman iklim camlarına geçilir. Şekil 4'de yansıtma ve geçirgenlik R% R % 1 mikron 3.0 Şekil 4 - Ilıman İklim camlarının ve R % spekturumları spektrumları verilen ılıman iklim cam larının yalnız görülür spektrel bölgeyi maksimum oranda geçirmesi, fakat İR bölgeyi de maksimum oranda yansıt ması yani iç mekana alacağı ısı enerji sini yalnızca görülür bölgeninkine in dirmesi istenir. Bunun için de soğuk iklim camlarının 3.0 mikron olan ge çirgenlik spektrumunun üst sınırı gö rülür bölgenin üst sının olan 0.7 mik rona kaydırılır. Şekil 4'de görülen ide al spektrumlara en yakın spektrumlar TiO/TİN/TiOj üç tabakalı sistemleri ile elde edilir. Burada TiCj filmleri TİN 10. CAM PROBLEMLERİ SEMPOZYUMU

4 için AR Özellik gösterecek kalınlıkta seçilir ve böylece sistemin geçirgenliği artırılır. İn ce film halinde ve zayıf absorbsiyon gösteren TİN filminin kalınlığı optimize edilerek sistemin istenen fonksiyonu sağlamasına ulaşılır. Solar kaplamalar olarak bilinen renkli yansıtıcı filmler de ılıman iklim camı olarak kullanılır. C) SOĞUK AYNALAR VE SERA CAMLARI Sera camlarında iki özellik aranır. Bunlardan biri camların bitkilerin fotosentezi için gerekli olan ışığı geçirmesi diğeri de seranın sıcak kalmasını sağlamasıdır. Fotosentez bölgesi solar spektrumun 0.3 mikron ile 0.75 mikron arasındaki spektrel bölgedir. R % R % (MİKRON) FOTOSENTEZ BÖLGESİ 0.4 mikron 3.0 SERA CAMLARI Şekil 5- Hem fotosenteze Hem de ortamın sıcak kalmasına imkan veren sera camlarının yansıtma ve geçirgenlik spektrumları. ö Sera camlarının iç mekanın ısısını muhafaza etmesi için içerdeki ısıyı tekrar iç mekana yansıtması istenir. Bu da soğuk iklim camlarında olduğu gibi 3.0 mikronun üzerinde ki spektrel bölgenin yüksek yansıtmalı olması demektir. R% ö R% Şekil 6 - Soğuk aynaların yansıtma ve geçirgenlik spektrumu. (mikron) 3.0 Soğuk aynalar ise yalnız görülür böl geyi şiddetle yansıtan fakat İR bölge yi geçiren kaplamalardır. Soğuk ayna denmesinin sebebi de sıcağı yansıt maması ama geçirmesi yüzündendir. Bu tip kaplamalar çok şiddetli ışık ge rektiren yansıtıcılarda ışığın ısı kısmı nı geçiren fakat görülür bölgeyi yan sıtarak ışığı kullanan örneğin ameli yat yapan cerrahın veya sahnedeki bir artistin ısıdan rahatsız olmasını önler ve konsantrasyonunu artırır. Şekil 6'da soğuk aynaların yansıtma ve geçirgenlik spektrumları görül mektedir. Bazen sera camı olarak fonksiyonları ayrılmış iki tip cam da kullanılabilir. Bunlardan soğuk ayna tipindeki cam serayı ısıtmada, fotosentez tipin deki cam da bitkilere gerekli fotosentez ışığını sağlamada kullanılabilir. C Â M P R O B 11 M L ERİ S t M P Ö Z Y Ü M U

5 II- AÇISAL SELEKTİF KAPLAMALAR C=> 60 derecelik geliş açısında kaplı Cr filmi açısal selekttvite gösterir Şekil 7- Açısal selektif kaplamaya örnek olarak 60 derecelik geliş açısında kaplanmış bir Cr filminin özelliklerinin şematik gösterilişi. Tabii ışığın geliş düzlemine paralel ve dik polarizasyonda titreşen bileşenleri %50- %50 oranındadır. Yansıyan ve geçen ışık için bu bileşenlerin yüzdesi ışığın geliş açısı na bağlılık gösterir. Bu özellikten yararlanılarak geçen ışığın yüzdesi değiştirilebilir. Açısal selektif özellik olarak bilinen bu tip özellik gösteren malzemelerden biri eğik sütunsal bir yapıda olan ve 60 derecelik geliş açısında kaplanan İnce bir Cr filmidir. Böyle bir kaplama göneş yükseldikçe daha etkin olarak geçen ışığın şiddetini artırır. YANSITMAYICI KAPLAMALAR Anti-reflektif, AR, olarak bilinen yansıtmayı azaltan veya yok eden kaplamalar ışık ge çirgenliğinin artırılması İstenilen yerlerde olduğu kadar yüzeylerin özellikle eğik gellşfekl görmeyi engelleyen parlamalarının yok edilmesi İstenilen yerlerde kullanılan kaplamalardır. Bu kaplamalar genellikle düşük ve yüksek kırılma Indisll malzemelerin tek sayılı bir dizisini içerir. Pratikte İstenen AR kaplamalar mümkün oldukça az sayı daki kaplamayı İçeren dayanıklı kaplamalar olmalıdır. Kaplamalar hepsi dielektrik olan farklı malzemelerin kombinasyonu olabileceği gibi dlelektrik metal veya yan iletken dlelektrik tabalaların kombinasyonundan veya GRİN olarak bilinen gradlent indisll tek bir ortamdan veya İndisi taşıyıcınınklne nazaran hayli küçük olan tek bir filmden İbaret olabilir. Tek yüzü bir AR filmi İle kaplı olan camın geçirgenliği %96'ya artar yansıtması İse kapsız yüzünün %4 lük yansıtmasına düşer. Camın İki yüzü de kaplanarak geçirgenliği %100 erişirken yansıtması da sıfıra indirilir. AKTİF MALZEMELER VE SİSTEMLER Aktif camlar özellikleri ya bizim tarafımızdan yada dış ortam şartları İle değiştirilen cam lardır. Aktif malzemeler "Kromojenik" veya "Akıllı" malzemeler olarak da bilinirler. Aktif camların Isimlendlrilmelerl aktivasyonlarına göre yapılır. Malzemelerin aktif ol malarının nedeni aktivasyondan önce ve sonraki optik özelliklerinin büyük değişiklik göstermeleridir. Aktif malzemelerin aktivasyon hızları da nano saniyeler mertebesin den birkaç dakikaya kadar değişir. Şekil 8'de bilinen aktif camlar ve bazı tipik özellikleri toplu olarak ve özet halinde verilmiştir. 1 o CAM PROBLEM L E R İ S E M P OZ Y U M U

6 DIŞ ETKENLERLE AKTİVE EDİLEN AKTİF CAMLAR FOTOKROMİKCAM hacim t=100sec 1% ıştk şiddeti TERMOKROMİK CAM t= mikro sec \ Tc Sıcakitk Şekil 8a - Dış etkilerle aktiflenen aktif camlar. Fotokromİk ve termokromik camlar ELEKTRİKLE AKTİFLENEN CAMLAR TE." LİKİD KRİSTAL LQ ELEKTROKROMİK CAM \ N voltaj Şekil 8 b - Elektrikle aktiflenen camlardan Likid Kristal, LQ ve Elektrokromik kaplamalar 10. CAM PROBLEMLERİ SEMPOZYUMU