กระจกที่เกิดขึ้นในยุควิกฤตพลังงานโลก!? (History of Low-e glass)

ทุกท่านทราบไหมครับว่าแนวคิดประหยัดพลังงานที่เรารณรงค์กันอยู่ทุกวัน แท้จริงแล้วปัญหานี้มีมานานนับทศวรรษ นักออกแบบในแต่ละยุคสมัยล้วนพยายามหาทางแก้ปัญหาหลากหลายวิธี ครั้งก่อนเราได้พูดถึงการแก้ปัญหาในการกันลมในภูมิศาสตร์เขตหนาว จนเกิดเป็นกระจกฉนวน 

วันนี้ “ประวัติ(วัสดุ)ศาสตร์” โดย Wazzadu Encyclopedia ขอพาทุกท่านไปรู้จักความเป็นมาของ ‘กระจก Low-E’ กระจกที่มาพร้อมกับสถานการณ์วิกฤตพลังงานโลก ในตอนนั้นนักออกแบบทำอย่างไรกับโจทย์นี้ ไปชมกันครับ

กระจก Low-E คืออะไร? 

กระจก Low-E (Low Emissivity) คือ กระจกประหยัดพลังงาน ที่เคลือบสารพิเศษบางมากระดับไมโครเมตรบนผิวกระจก สามารถช่วยควบคุมอุณหภูมิภายในอาคารได้โดยควบคุมความร้อนและรังสีจากแสงอาทิตย์ให้ผ่านเข้ามาน้อยลง แต่ยังคงให้แสงสว่างผ่านได้ดี

กระจก Low-E มีมายาวนาน 30 กว่าปีแล้ว โดยเฉพาะในประเทศเมืองหนาว เนื่องจากต้องป้องกันความหนาวเย็นจากภายนอก แต่ในเมืองไทยกระจก Low-E พึ่งเป็นที่รู้จักเมื่อไม่กี่ปีก่อน

ก่อนทศวรรษ 1970 

หน้าต่างส่วนใหญ่เป็นกระจกบานเดียวกรอบไม้ ผู้คนที่อาศัยอยู่ในแถบพื้นที่ที่มีอากาศหนาวเย็น พยายามลดการสูญเสียความร้อนด้วยการใช้หน้าต่าง 2 ชั้น (double window) และถูกพัฒนาต่อเนื่องเรื่อยมา จนกระทั่งในปี ค.ศ.1865

นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน Thomas D. Stetson  ได้ยื่นจดสิทธิบัตรกระจกฉนวน เขาค้นพบว่าหากนำกระจกสองแผ่นมาประกบเข้าด้วยกันเป็นกระจกบานเดียว แล้วปิดผนึกอากาศไว้ตรงกลางระหว่างช่องว่างของกระจก จะสามารถเพิ่มความเป็นฉนวนและป้องกันการสูญเสียความร้อนได้ ในช่วงเวลานี้เทคโนโลยียังไม่พร้อมจึงทำให้ผลิตได้ยาก จึงไม่ได้แพร่หลายนัก

1973s–1979s

วิกฤตพลังงานโลก ราคาน้ำมันพุ่งสูงมาก ประเทศที่พึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลประสบปัญหาค่าใช้จ่ายพลังงานมหาศาล ส่งผลให้เกิดแรงกดดันด้านการออกแบบอาคารให้ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพที่สุด แนวคิด Low-Energy เกิดขึ้นในช่วงนี้ผู้ผลิตกระจกและสถาบันวิจัยในสหรัฐฯ ยุโรป เริ่มหาวิธีประหยัดพลังงานในอาคาร ช่วงปลายทศวรรษนี้ นักวิจัยค้นพบว่าการถ่ายเทความร้อนจากการแผ่รังสีระหว่างกระจกสองชั้นสามารถลดลงได้ด้วยการเคลือบผิวบาง ๆ ที่ทำให้มีคุณสมบัติการแผ่รังสีต่ำลง

ความพยายามแรก ๆ ที่ถูกบันทึกไว้คือสิทธิบัตรของ Rolf Groth ในปี 1971 ที่ใช้ฟิล์มสะท้อนความร้อน แต่มีข้อเสียคือลดแสงที่ผ่านเข้ามามากจนเกินไป ต่อมาจึงมีการพัฒนาเทคโนโลยีที่สามารถเคลือบผิวกระจกได้โดยตรงในระหว่างกระบวนการผลิต (pyrolytic coating) เกิดเป็นกระจก Low-E ที่ทนทาน  ช่วงปลายทศวรรษนี้ นักวิจัยเริ่มทดลองใช้ฟิล์มโลหะบาง ๆ เช่น เงิน, ดีบุก, ไทเทเนียมมาแปะเคลือบกระจก เพื่อลดการแผ่รังสีความร้อนเข้าออกของอาคาร

ค.ศ.1980

เหล่าผู้ผลิตหน้าต่างเริ่มตระหนักว่ากรอบอลูมิเนียมไม่เพียงพอต่อคุณสมบัติในการเป็นฉนวน จึงเปลี่ยนมาใช้กรอบไวนิลคอมโพสิตแทน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดการถ่ายเทความร้อน นอกจากนี้ยังเปลี่ยนวัสดุกั้นกระจกที่กั้นบานหน้าต่างให้แยกจากกันจากโลหะเป็นพลาสติกหรือโฟมแบบใหม่ ซึ่งวัสดุเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม

1980s-1990s

กระจก Low-E รุ่นแรกออกสู่ตลาดประมาณ ปี 1981–1983 โดยผู้บุกเบิกคือบริษัทใหญ่ในสหรัฐอเมริกา เช่น

• Guardian Industries เป็นหนึ่งในบริษัทแรก ๆ ที่ผลิตกระจก Low-E ในสหรัฐอเมริกาในปี 1983
• PPG Industries (ปัจจุบันคือ Vitro Architectural Glass)
• Saint-Gobain ในยุโรป

มีการใช้เทคโนโลยีการเคลือบแบบอื่นคือ Magnetron Sputtering ทำให้เคลือบหลายชั้นซ้อนกันได้ ยืดหยุ่นในการเคลือบกระจกที่ตัดแล้ว ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพกันความร้อน ลดแสงสะท้อน สีชัดขึ้น

ยุคนี้เริ่มมีทั้ง Low-E แบบ Soft-Coat รุ่นพัฒนา และ Low-E แบบ Hard-Coat (Pyrolytic) ซึ่งทนทาน อีกทั้งยังขนส่งง่ายกว่า

2000s–ปัจจุบัน

กระจก Low-E สมัยใหม่มีการเคลือบที่ซับซ้อนมากขึ้นหลายชั้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการควบคุมแสงและการประหยัดพลังงาน มีการพัฒนาเทคโนโลยีที่ช่วยให้สามารถออกแบบกระจก Low-E ได้ตรงตามความต้องการมากขึ้น เช่น การเลือกค่าการส่งผ่านแสง (VLT) และค่าการสะท้อนแสงอินฟราเรด (IR)

เกิดเป็น High-performance Low-E คือการพัฒนาแบบเฉพาะทาง เช่น

• Solar-control Low-E (กันความร้อนสูง)
• Passive Low-E (กันความร้อนแต่ให้แสงและความร้อนบางส่วนเข้ามา เหมาะประเทศหนาว)
• Triple-silver Low-E ประสิทธิภาพสูงมาก

ประเทศในแถบเอเชีย เช่น จีน ญี่ปุ่น เกาหลี รวมถึงไทยเอง ก็เริ่มมีการผลิตและใช้อย่างแพร่หลาย