Кіріспе

Электрлік немесе жылулық сигналдарға жауап ретінде оптикалық қасиеттерін өзгерте алатын, мөлдірлігін өзгертетін немесе күңгірт бола алатын шыны. Осы технологияны өзгертілмелі мөлдірлікке ие терезелерде де қолдануға болады.

Ақылды шыны, сондай-ақ өзгертілмелі шыны, динамикалық шыны және өздігінен күңгірт болатын шыны деп те аталады, – бұл сыртқы факторларға (электрлік немесе жылулық сигналдар) жауап ретінде оптикалық қасиеттерін өзгерте алатын шыны түрі. Бұл ыстық күндері ғимаратқа күн сәулесі мен жылудың кіруін азайтуға және энергия тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бөлмеге жеке өмір құпиясын сақтау немесе көрінуді қамтамасыз ету үшін ыңғайлы жағдай жасайды. Ақылды шыны екі негізгі түрге бөлінеді: белсенді және пассивті. Қазіргі кезде ең көп қолданылатын белсенді шыны технологиялары – электрохромикалық, сұйық кристалды және суспензияланған бөлшектер құрылғылары (SPD). Термохромикалық және фотохромикалық технологиялар пассивті технологиялар санатына жатады. Ғимараттың сыртқы қабырғасына орнатылған ақылды шыны, климатқа бейімделетін ғимарат қабықтарын құруға көмектеседі, бұл табиғи жарықты реттеу, көру жайлылығы, ультракүлгін және инфрақызыл сәулелерден қорғау, энергияны үнемдеу, жылу жайлылығы, экстремалды ауа-райы жағдайларына төзімділік және жеке өмір құпиясын сақтау сияқты артықшылықтарды қамтиды. Ақылды терезелер жалюзи, ролет немесе терезелерге арналған басқа да жабдықтауларды қолдану қажеттілігін жояды. Кейбір эффекттерді шыны, акрил немесе поликарбонат ламинаттарын пайдалана отырып, тегіс беттерге ақылды пленканы немесе өзгертілмелі пленканы жабыстыру арқылы қол жеткізуге болады. Ақылды пленканың кейбір түрлерін қолданыстағы шыны терезелерге өздігінен жабысатын ақылды пленка немесе арнайы желімді пайдалана отырып жапсыруға болады. Сондай-ақ, жылуды бөгеп, электр тогын өткізетін мөлдір жабындарды қолдану әдістері де әзірленуде.

Тарих

"Ақылды терезе" термині 1980-ші жылдары туындады. Оны швед материал физигі Клас Геран Гранквист (Claes Göran Granqvist) енгізді. Ол Калифорниядағы Лоренс Беркли ұлттық зертханасының ғалымдарымен бірге құрылыс материалдарын энергияны үнемдеуге тиімді ету жолдарымен айналысып жатқанда, осы терминды қолданды. Гранквист бұл терминмен өзінің түсін динамикалық түрде өзгерте алатын, жауап беретін терезелерді сипаттады.

Электрохромды құрылғылар

Электрохромды құрылғылар кернеуге жауап ретінде жарық өткізу қасиеттерін өзгертеді, осылайша жарық пен жылудың өту мөлшерін бақылауға мүмкіндік береді. Электрохромды терезелерде материал өзінің мөлдірсіздігін өзгертеді. Оның мөлдірсіздігін өзгерту үшін электр тогының күркіреуі қажет, бірақ материал қосымша электр сигналдарымен көлеңкесін сақтайды. Ескі электрохромды технологиялардың ашық күйінде сары түс, ал тоналған күйінде көк түс байқалады. Қараңғылану шеттерден ішке қарай жүреді және терезе өлшеміне байланысты бірнеше секундтан 20-30 минутқа дейін созылатын баяу процесс болып табылады. Жаңа электрохромды технологиялар ашық күйдегі сары түсті жояды және сұрдың бейтарап реңктеріне бояйды, сыртынан емес, тегіс бояйды және шынының мөлшеріне қарамастан, бояну жылдамдығын үш минуттан азға дейін жылдамдатады. Электрохромды шыны қараңғы күйде көрінуді сақтайды, осылайша сыртқы ортамен көз байланысын сақтайды. Электрохромды материалдардағы соңғы жетістіктер, өтпелі металл гидридтерінің электрохромдылығына байланысты, рефлективті гидридтердің дамуына әкелді, олар сіңіретін емес, керісінше, жарық шағылыстырады, сондықтан мөлдір және айна тәрізді күйлерге ауысады. Жақында модификацияланған кеуекті нанокристалдық пленкалар электрохромды дисплейлерді жасауға мүмкіндік берді. Бір субстратты дисплей құрылымы бір-бірінің үстіне басылған бірнеше қабаттан тұрады, олар мөлдір өткізгішпен (мысалы, ITO немесе PEDOT:PSS) модификацияланған субстратқа басылады. Әрбір басылған қабаттың белгілі бір функциялары бар. Жұмыс істейтін электрод титан диоксиді сияқты оң жартылай өткізгіштен тұрады, оған адсорбцияланған хромогендер қосылады. Бұл хромогендер редукция немесе тотығу арқылы түсін өзгертеді. Пассиватор бейнеге электрлік өнімділікті жақсарту үшін негатив ретінде қолданылады. Изолятор қабаты контраст қатынасын арттыру және жұмыс істейтін электродты қарсы электродтан электрлік түрде бөлу үшін қызмет етеді. Қарсы электрод SEG электродына енгізілген/алынып тасталған зарядтарды тепе-теңдеу үшін жоғары сыйымдылықты қамтамасыз етеді (және жалпы құрылымда зарядтық бейтараптықты сақтайды). Көміртек – зарядты сақтаушы пленканың мысалы. Электр өткізгіш көміртек қабаты әдетте қарсы электродтың өткізгіш артқы жағы ретінде қолданылады. Соңғы басып шығару кезеңінде кеуекті монолиттік құрылым сұйық немесе полимерлі гель электролитімен басылады, кептіріледі, содан кейін қолдану талаптарына байланысты әртүрлі капсулаларға немесе корпусқа енгізілуі мүмкін. Дисплейлер өте жұқа, көбінесе 30 микрометр. Құрылғыны мөлдір өткізгіш субстратқа, өткізгіш көміртек қабатына қатысты электрлік потенциалды қолдану арқылы қосуға болады. Бұл жұмыс істейтін электродтың ішінде виоген молекулаларының тотығуына (түс алуына) әкеледі. Қолданған потенциалды кері бұру арқылы немесе разрядтау жолын қамтамасыз ету арқылы құрылғы ағарады. Электрохромды монолиттің ерекшелігі – виогендерді түс беру немесе ағару үшін қажетті салыстырмалы түрде төмен кернеу (шамамен 1 Вольт). Бұл бетке адсорбцияланған виогендер мен хромогендердің электрохимиялық тотығуын жүргізу үшін қажетті аз артық потенциалдармен түсіндіріледі. Көптеген түрдегі «ақылды» пленкалар жұмыс істеу үшін кернеуді (мысалы, 110 В АС) қажет етеді, сондықтан мұндай пленкалар пайдаланушылардың қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін шыны, акрил немесе поликарбонат ламинаттарымен жабылуы керек.

Полимерлік дисперсиялы сұйық кристалл құрылғылары

Полимерлік дисперсиялы сұйық кристалл құрылғыларында (PDLC) сұйық кристаллдар сұйық полимерге ерітіледі немесе дисперсияланады, содан кейін полимер қатаюы немесе бекітіледі. Полимердің сұйық күйден қатты күйге өтуі кезінде сұйық кристаллдар қатты полимермен үйлесімсіз болып, қатты полимердің ішінде тамшылар түзеді. Қату шарттары тамшылардың мөлшеріне әсер етеді, ал бұл өз кезегінде "ақылды терезе" құрылғысының жұмыс қасиеттеріне әсер етеді. Әдетте, полимер мен сұйық кристаллдардың сұйық қоспасы екі шыны немесе пластик қабаттарының арасына орналастырылады, олардың әрқайсысы мөлдір, өткізгіш материалдың жұқа қабатын қамтиды, содан кейін полимер бекітіледі, осылайша "ақылды терезе" құрылғысының негізгі "сэндвич" құрылымы қалыптасады. Бұл құрылым іс жүзінде конденсатор болып табылады. Электр қуатының электродтары мөлдір электродтарға қосылады. Кернеу қолданылмағанда, сұйық кристаллдар тамшылардың ішінде кездейсоқ түрде орналасады, нәтижесінде "ақылды терезе" арқылы жарық шашырайды. Бұл оның мөлдір емес, "сүтті ақ" түспен көрінуіне себеп болады. Электродтарға кернеу қолданғанда, шыныдағы екі мөлдір электрод арасында пайда болатын электр өрісі сұйық кристаллдардың реттелуіне әкеледі, бұл жарықтың тамшылар арқылы өтуіне мүмкіндік береді, жарық аз шашырайды және құрылғы мөлдір күйге енеді. Мөлдірлік деңгейі қолданылатын кернеу арқылы реттелуі мүмкін. Бұл мүмкін, себебі төмен кернеуде сұйық кристаллдардың тек бір бөлігі ғана электр өрісіне толыққанды реттеледі, сондықтан жарықтың аз бөлігі ғана өтеді, ал көп бөлігі шашырайды. Кернеудің артуымен реттелмеген сұйық кристаллдардың саны азаяды, нәтижесінде жарық аз шашырайды. Сондай-ақ, бояулар мен арнайы ішкі қабаттарды қолданғанда, жарық пен жылудың өту мөлшерін де басқаруға болады.

Суспензиялы бөлшекті құрылғылар

Суспалы бөлшекті құрылғыларда (СПД) таяқша тәрізді наноөлшемді бөлшектердің жұқа қабатты ламинаты сұйықтықта ерітіліп, екі шыны немесе пластик арасына орналастырылады немесе бір қабатқа жабыстырылады. Кернеу қолданылмағанда, суспалы бөлшектер кездейсоқ түрде орналасып, жарықты тосып, сіңіреді. Кернеу қолданғанда, бөлшектер түзу сызықта орналасып, жарық өткізеді. Пленкаға берілетін кернеуді өзгерту арқылы суспалы бөлшектердің бағыты өзгереді, соның нәтижесінде шынының тоны және өткізілетін жарық мөлшері реттеледі. СПД-ні жарық, жарқырау және жылудың өтуін дәл басқару үшін қолмен немесе автоматты түрде "реттеуге" болады.

Микрожұлдызшалар

Микрожалюзилер қолданған кернеуге жауап ретінде жарықтың мөлшерін реттейді. Микрожалюзилер шыныға оралған жұқа металл жалюзилерден тұрады. Олар өте кішкентай болғандықтан, көзбен көруге шама келмейді. Металл қабаты магнитронды шашырату арқылы жатқызылады және лазерлік немесе литографиялық процестер арқылы өрнектелді. Шыны негіздің құрамында мөлдір өткізгіш оксид (TCO) қабатының жұқа қабаты бар. Электрлік байланысты үзу үшін оралған металл қабаты мен TCO қабатының арасына жұқа изолятор жатқызылады. Кернеу қолданбағанда микрожалюзилер оралып, жарық өткізеді. Оралған металл қабаты мен мөлдір өткізгіш қабат арасындағы потенциал айырмашылығы екі электрод арасында электр өрісін тудырады, бұл оралған микрожалюзилердің созылуына және жарықты тоқтатуына себеп болады. Микрожалюзилердің көптеген артықшылықтары бар, оның ішінде жылдамдықпен ауысу (миллисекундтар), ультракүлгін сәулелерге төзімділік, жекелендірілген сыртқы түрі және жарық өткізу қабілеті. Микрожалюзилер технологиясы Ұлттық зерттеу кеңесінде (Канада) жасалған.

Фазалық өзгермелі полимер (PCP)

Фазалық өзгеріс жасайтын полимер (PCP) аморфты және жартылай кристаллдық күйлер арасында қайтымды фазалық ауысуды көрсетеді. Бұл фазалық өзгеріс термохромиялық смарт-шыны қолданбасында температураның өзгеруімен анықталады, бұл оны электр энергиясын қажет етпей толық автоматты түрде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. PCP құрылымы көбінесе екі негізгі компоненттен тұрады: фазалық өзгеріс жасайтын полимер (P1 деп атайық) басқа полимермен (P2) байланысқан, ол P1-ден гидрофилдылығының өзгешелігіне байланысты күшті фазалық бөлінуге ұшырайды. Сондықтан, P1 және P2 қатаю кезінде микрондық деңгейде фазалық бөлінуді қалыптастыра алады. Температура P1-дің фазалық ауысу температурасынан (Tp) төмен болғанда, P1 жартылай кристаллды болып табылады және оның жарық сыну көрсеткіші P2-нің көрсеткішімен сәйкес келеді, соның нәтижесінде бүкіл құрылым көзге көрінетін жарыққа мөлдір болады. Температура Tp-ден жоғарылағанда, P1 еріп, аморфты фазаға өтеді, бұл P2-мен жарық сыну көрсеткішінің айқын сәйкессіздігіне әкеледі, нәтижесінде құрылым мөлдір емес болады.

Технологияның байланысты салалары

«Ақылды шыны» термині кең мағынада қолданылып, жарық немесе температура сияқты сыртқы ортаның әсеріне жауап ретінде жарық өткізу қасиеттерін өзгертетін шыны жабындарын да қамтиды. Шыны жабындарының әртүрлі түрлері әртүрлі хроматикалық құбылыстарды көрсете алады, яғни фотохимиялық әсерлерге негізделген шыны, жарыққа (фотохромизм), температураға (термохромизм) немесе кернеуге (электрохромизм) жауап ретінде жарық беру қасиеттерін өзгертеді. Сұйық кристалдар термотроптық күйде болғанда температураға байланысты жарық өткізу қасиеттерін өзгерте алады. Дегенмен, сұйық кристалдардың қасиеттерін өзгерту үшін жоғары температура талап етіледі, ал көрінетін түс спектрінің кейбір толқын ұзындықтарын бұзбастан термотроптық сұйық кристалл қосылыстарын синтездеу қиын болуы мүмкін. Мұндай шыны жабындарын қолмен басқаруға болмайды. Ал, электрмен басқарылатын «ақылды терезелердің» барлығын температураға немесе жарыққа жауап ретінде жарық өткізу қасиеттерін автоматты түрде өзгертуге болады, бұл үшін термометр немесе фотосенсормен біріктіру қолданылады.

Электр пердесі

Ақылды шыны, терезе арқылы өтетін күн сәулесі мөлшерін реттеу арқылы ғимараттарды жылыту және салқындату энергиясын үнемдеуге мүмкіндік береді. Мөлдір немесе күңгірт температураны басқару пленкасы, күн ашық және бөлме температурасы жоғары болғанда, ақылды пленканы күңгірт күйге түсіреді. Ал күн ашық, бірақ бөлме температурасы төмен болса, ақылды шыны мөлдір күйге енеді.

Пайдалану үлгілері

Мельбурндағы «Еврика» мұнарасының ішіне кіретін қонақтармен бірге ғимараттан сәл шығып тұрған шыны текшесі бар. Кіргенде, шыны түссіз болады, себебі текше ғимараттың шетіне қарай жылжиды. Толықтай шетке созылғаннан кейін шыны мөлдірленеді. Boeing 787 Dreamliner ұшағында электрохромды терезелер орнатылған, ол бұрынғы ұшақтардағы қараңғылату жалюзилерін алмастырды. NASA жаңа әзірленген Orion және Altair ғарыш кемелеріндегі жылулық ортаны басқару үшін электрохромиканы пайдалану мүмкіндігін қарастырып жатыр. «Ақылды» шыны Ferrari 575 M Superamerica сияқты кейбір шағын көліктерде қолданылған. ICE 3 жоғары жылдамдықты пойыздарында жолаушылар салоны мен локомотив кабинасы арасында электрохромды шыны панельдер орнатылған. Вашингтон монументінің лифтілеріндегі «ақылды» шыны, жолаушыларға монумент ішіндегі естелік тастарды көруге мүмкіндік береді. Амстердам қаласындағы Музейплейн алаңындағы қоғамдық дәретханада есік жабық болғанда бос кабинаны анықтау үшін «ақылды» шыны қолданылады, ал ішінде адам болғанда жекеленуді қамтамасыз етеді. Bombardier Transportation компаниясы Сингапурдың Букит Панжанг LRT желісінде жүретін Bombardier Innovia APM 100 пойзындағы «ақылды» терезелерді пайдаланып, пойыз қозғалғанда жолаушылардың үйлерге қарауын болдырмайды және Flexity 2 жеңіл рельсті көліктерінде «ақылды» шыны технологиясын қолдана отырып, терезелерді ұсынуды жоспарлап отыр. Қытайлық OnePlus компаниясы артқы камералары электрохромды шыны панелінің артында орналасқан телефонның прототипін көрсетті. Токиодағы қоғамдық дәретханалар қауіпсіздік және жеке өмірге қатысты мәселелерді шешу үшін осы технологияны қолданады. Дәретханаға жақындаған адамдар есік ашық болғанда ішін көріп, бос екенін анықтай алады. Ал есік жабылып, құлыпталғанда бөлменің қабырғалары түссізденеді. Volkswagen ID.7 көлігінде электр арқылы түссізден түстіге ауыса алатын «ақылды» шыны панорамалық шатыры бар.