Электрохромное стекло: умные окна с изменяемой прозрачностью

Введение

Стекло с электрически переключаемой прозрачностью, окна с переменной прозрачностью.

Умное стекло, также известное как переключаемое стекло, динамическое стекло и стекло с умной тонировкой, – это тип стекла, способный изменять свои оптические свойства, становясь непрозрачным или тонированным в ответ на электрические или тепловые сигналы. Это позволяет предотвратить попадание солнечного света и тепла в здание в жаркую погоду, повышая энергоэффективность. Оно также может использоваться для удобного обеспечения приватности или обзорности помещения. Существует две основные классификации умного стекла: активное и пассивное. Наиболее распространенными активными технологиями, используемыми сегодня, являются электрохромные, на основе жидких кристаллов и устройства с суспендированными частицами (SPD). Термохромные и фотохромные технологии классифицируются как пассивные. При установке в ограждающие конструкции зданий, умное стекло способствует созданию климатически адаптивных оболочек зданий, преимущества которых включают регулировку естественного освещения, визуальный комфорт, блокировку УФ- и инфракрасного излучения, снижение энергопотребления, тепловой комфорт, устойчивость к экстремальным погодным условиям и обеспечение приватности. Умные окна могут избавить от необходимости использования жалюзи, штор или других оконных покрытий. Некоторые эффекты достигаются путем ламинирования умной пленки или переключаемой пленки на плоские поверхности с использованием стеклянных, акриловых или поликарбонатных ламинатов. Некоторые типы умных пленок можно наносить на существующие стеклянные окна с помощью самоклеящейся умной пленки или специального клея. Также разрабатываются методы нанесения прозрачных покрытий для блокировки тепла и обеспечения электропроводности.

История

Термин "умное окно" возник в 1980-х годах. Его ввел шведский физик-материаловед Клеас Геран Гранквист из Технологического университета Чалмерса, который вместе с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии разрабатывал идеи по повышению энергоэффективности строительных материалов. Гранквист использовал этот термин для описания окна, способного динамически изменять свою тонировку.

Электрохромные устройства

Электрохромные устройства изменяют свойства пропускания света в ответ на приложенное напряжение, что позволяет контролировать количество проходящего света и тепла. В электрохромных окнах материал изменяет свою степень прозрачности. Для изменения степени прозрачности требуется кратковременный электрический импульс, но материал сохраняет достигнутую степень затемнения, практически не требуя дополнительных электрических сигналов. Старые электрохромные технологии склонны к появлению желтоватого оттенка в прозрачном состоянии и синеватых оттенков в затемненном состоянии. Затемнение начинается от краев, распространяясь внутрь, и является достаточно медленным процессом, занимающим от нескольких секунд до 20–30 минут, в зависимости от размера окна. Новые электрохромные технологии устраняют желтоватый оттенок в прозрачном состоянии и обеспечивают затемнение до более нейтральных серых оттенков, равномерное по всей площади, а не от краев к центру, а также сокращают время затемнения до менее чем трех минут, независимо от размера стекла. Электрохромное стекло сохраняет видимость в затемненном состоянии, обеспечивая визуальный контакт с окружающей средой. Недавние достижения в области электрохромных материалов, в частности, в электрохромике гидридов переходных металлов, привели к разработке отражающих гидридов, которые вместо поглощения света становятся отражающими, переключаясь между прозрачным и зеркальным состояниями. Последние разработки в области модифицированных пористых нанокристаллических пленок позволили создать электрохромные дисплеи. Структура дисплея с единой подложкой состоит из нескольких слоев пористых материалов, напечатанных друг на друга на подложке, модифицированной прозрачным проводником (например, ITO или PEDOT:PSS). Каждый слой выполняет определенную функцию. Рабочий электрод состоит из положительного пористого полупроводника, такого как диоксид титана, с адсорбированными хромогенами. Эти хромогены изменяют цвет в результате восстановления или окисления. Пассиватор используется в качестве негатива изображения для повышения электрической эффективности. Изолирующий слой предназначен для увеличения коэффициента контрастности и электрической изоляции рабочего электрода от противоэлектрода. Противоэлектрод обеспечивает высокую емкость для компенсации зарядов, вводимых/извлекаемых на SEG-электроде (и поддержания электронейтральности всего устройства). Углерод является примером материала, накапливающего заряд. Проводящий слой углерода обычно используется в качестве проводящего заднего контакта для противоэлектрода. На последнем этапе печати пористая монолитная структура покрывается жидким или полимерным гелевым электролитом, высушивается и затем может быть помещена в различные корпуса или защитные оболочки в зависимости от требований к применению. Дисплеи очень тонкие, часто 30 микрометров. Устройство включается путем подачи электрического потенциала на прозрачную проводящую подложку относительно проводящего слоя углерода. Это вызывает восстановление молекул виогена (окрашивание) внутри рабочего электрода. Обращая приложенный потенциал или обеспечивая путь для разряда, устройство обесцвечивается. Уникальной особенностью электрохромного монолита является относительно низкое напряжение (около 1 Вольта), необходимое для окрашивания или обесцвечивания виогенов. Это объясняется небольшими перенапряжениями, необходимыми для осуществления электрохимического восстановления поверхностно адсорбированных виогенов/хромогенов. Большинство типов "умных" пленок требуют для работы напряжения (например, 110 В переменного тока), поэтому такие пленки должны быть заключены в ламинаты из стекла, акрила или поликарбоната для обеспечения электробезопасности пользователей.

Electrochromic devices change light transmission properties in response to voltage and thus allow control over the amount of light and heat passing through. In electrochromic windows, the material changes its opacity. A burst of electricity is required for changing its opacity, but the material maintains its shade with little to no additional electrical signals. Old electrochromic technologies tend to have a yellow cast in their clear states and blue hues in their tinted states. Darkening occurs from the edges, moving inward, and is a slow process, ranging from many seconds to 20–30 minutes depending on window size. Newer electrochromic technologies eliminate the yellow cast in the clear state and tinting to more neutral shades of gray, tinting evenly rather than from the outside in, and accelerate the tinting speeds to less than three minutes, regardless of the size of the glass. Electrochromic glass maintains visibility in its darkened state and thus preserves visual contact with the outside environment. Recent advances in electrochromic materials pertaining to transition metal hydride electrochromics have led to the development of reflective hydrides, which become reflective rather than absorbing, and thus switch states between transparent and mirror like. Recent advancements in modified porous nanocrystalline films have enabled the creation of electrochromic display. The single substrate display structure consists of several stacked porous layers printed on top of each other on a substrate modified with a transparent conductor (such as ITO or PEDOT:PSS). Each printed layer has a specific set of functions. A working electrode consists of a positive porous semiconductor such as titanium dioxide, with adsorbed chromogens. These chromogens change color via reduction or oxidation. A passivator is used as the negative of the image to improve electrical performance. The insulator layer serves the purpose of increasing the contrast ratio and electrically separating the working electrode from the counter electrode. The counter electrode provides a high capacitance to counterbalance the charges inserted/extracted on the SEG electrode (and maintain charge neutrality in the overall device). Carbon is an example of a charge reservoir film. A conducting carbon layer is typically used as the conductive back contact for the counter electrode. In the last printing step, the porous monolith structure is overprinted with a liquid or polymer gel electrolyte, dried, and then may be incorporated into various encapsulation or enclosures, depending on the application requirements. Displays are very thin, often 30 micrometers. The device can be switched on by applying an electrical potential to the transparent conducting substrate relative to the conductive carbon layer. This causes a reduction of viologen molecules (coloration) to occur inside the working electrode. By reversing the applied potential or providing a discharge path, the device bleaches. A unique feature of the electrochromic monolith is the relatively low voltage (around 1 Volt) needed to color or bleach the viologens. This can be explained by the small over potentials needed to drive the electrochemical reduction of the surface adsorbed viologens/chromogens. Most types of smart film require voltage (e. g. 110VAC) to operate, and therefore such types of smart films must be enclosed within glass, acrylic or polycarbonate laminates to provide electrical safety to users.

Приборы с жидкокристаллическими дисперсиями полимера

В устройствах с диспергированными жидкокристаллами из полимера (PDLC) жидкие кристаллы растворяются или диспергируются в жидком полимере, после чего полимер затвердевает или отверждается. В процессе перехода полимера из жидкого в твердое состояние, жидкие кристаллы становятся несовместимыми с твердым полимером и формируют капли, распределенные по всему объему полимерной матрицы. Условия отверждения влияют на размер этих капель, что, в свою очередь, определяет конечные рабочие характеристики "умного окна". Обычно жидкую смесь полимера и жидких кристаллов помещают между двумя слоями стекла или пластика, содержащими тонкий слой прозрачного проводящего материала, после чего полимер отверждается, формируя базовую "сэндвич"-структуру умного окна. По сути, эта структура представляет собой конденсатор. Электроды от источника питания подключаются к прозрачным электродам. При отсутствии приложенного напряжения жидкие кристаллы располагаются хаотично внутри капель, что приводит к рассеянию света при прохождении через конструкцию умного окна. Это создает полупрозрачный, "молочно-белый" вид. При подаче напряжения на электроды, электрическое поле, возникающее между двумя прозрачными электродами на стекле, выстраивает жидкие кристаллы, позволяя свету проходить через капли с минимальным рассеянием и обеспечивая прозрачное состояние. Степень прозрачности можно регулировать, изменяя приложенное напряжение. Это происходит потому, что при низком напряжении лишь небольшое количество жидких кристаллов полностью выравнивается в электрическом поле, пропуская лишь часть света, в то время как большая его часть рассеивается. С увеличением напряжения количество невыстроенных жидких кристаллов уменьшается, и рассеяние света снижается. Также возможно регулировать количество проходящего света и тепла при использовании тонировок и специальных внутренних слоев.

Устройства с суспендированными частицами

В устройствах с подвешенными частицами (SPD) тонкий плёночный ламинат из наночастиц в форме стержней суспендирован в жидкости и помещён между двумя стеклянными или пластиковыми пластинами, либо прикреплён к одному из слоёв. В отсутствие напряжения подвешенные частицы организованы хаотично, блокируя и поглощая свет. При подаче напряжения частицы выстраиваются в линию, пропуская свет. Изменение напряжения на плёнке меняет ориентацию подвешенных частиц, тем самым регулируя степень затемнения остекления и количество проходящего света. SPDs можно настраивать вручную или автоматически для точного контроля количества света, бликов и тепла, проходящих сквозь них.

Микрослепы

Микрожалюзи регулируют количество света, проходящего через них, в зависимости от приложенного напряжения. Микрожалюзи состоят из тонких металлических ламелей, свернутых на стеклянной подложке. Они очень малы и поэтому практически невидимы невооруженным глазом. Металлический слой наносится методом магнетронного распыления и формируется с помощью лазерной обработки или литографии. Стеклянная подложка включает тонкий слой прозрачного проводящего оксида (TCO). Между свернутыми металлическими ламелями и слоем TCO наносится тонкий изолятор для электрической изоляции. При отсутствии приложенного напряжения микрожалюзи остаются свернутыми и пропускают свет. При появлении разности потенциалов между свернутыми металлическими ламелями и прозрачным проводящим слоем, электрическое поле между этими электродами заставляет микрожалюзи разворачиваться и блокировать свет. Микрожалюзи обладают рядом преимуществ, включая скорость переключения (миллисекунды), устойчивость к ультрафиолетовому излучению, возможность индивидуальной настройки внешнего вида и светопропускания. Технология микрожалюзи была разработана в Национальном исследовательском совете Канады.

Полимер с изменением фазы (PCP)

Изменяющий фазу полимер (PCP) демонстрирует обратимый фазовый переход между аморфным и полукристаллическим состояниями. Этот фазовый переход определяется изменением температуры в применении термохромного "умного" стекла, что делает его полностью автоматическим без потребления электроэнергии. Структура PCP обычно состоит из двух основных компонентов: полимера, изменяющего фазу (назовем его P1), сшитого с другим полимером (P2), который сильно фазово отделен от первого из-за различной гидрофильности. Следовательно, P1 и P2 способны формировать фазовое разделение на микроуровне после отверждения. Когда температура ниже температуры фазового перехода (Tp) P1, P1 находится в полукристаллическом состоянии, и его показатель преломления совпадает с показателем преломления P2, что делает всю структуру прозрачной для видимого света. Когда температура превышает Tp, P1 плавится и переходит в аморфное состояние, которое характеризуется значительной разницей в показателях преломления с P2, что приводит к непрозрачности.

Связанные области технологии

Термин "умное стекло" может быть истолкован в более широком смысле, включая также остекления, изменяющие свойства светопропускания в ответ на внешние сигналы, такие как свет или температура. Различные типы остекления могут демонстрировать различные хромические явления, то есть, благодаря фотохимическим эффектам, остекление изменяет свои свойства светопропускания в ответ на внешние сигналы, такие как свет (фотохромизм), температура (термохромизм) или напряжение (электрохромизм). Жидкие кристаллы в термотропном состоянии способны изменять свойства светопропускания в зависимости от температуры. Однако для изменения свойств жидких кристаллов требуются высокие температуры, а синтез термотропных жидкокристаллических соединений может быть затруднен без блокировки определенных длин волн видимого спектра. Эти типы остеклений нельзя контролировать вручную. В отличие от них, все электрически управляемые умные окна могут автоматически адаптировать свои свойства светопропускания в зависимости от температуры или освещенности при интеграции с термометром или фотосенсором, соответственно.

Электрическая занавеска

Умное стекло может использоваться для энергосберегающего отопления и охлаждения зданий, регулируя количество солнечного света, проходящего через окно. Прозрачная или матовая терморегулирующая пленка переводит умное стекло в матовое состояние, когда солнечно и температура в помещении высокая. А когда солнечно и температура в помещении низкая, умное стекло становится прозрачным.

Примеры использования

Башня "Еврика" в Мельбурне имеет стеклянный куб, который выступает из здания с посетителями внутри, словно паря над землей. Когда посетитель входит, стекло непрозрачно, пока куб выдвигается за край здания. Как только куб полностью выдвинется, стекло становится прозрачным. Boeing 787 Dreamliner оснащен электрохромными окнами, которые заменили традиционные шторки в существующих самолетах. NASA изучает возможность использования электрохромики для регулирования теплового режима новых космических аппаратов Orion и Altair. "Умное" стекло было применено в некоторых малосерийных автомобилях, включая Ferrari 575 M Superamerica. Высокоскоростные поезда ICE 3 используют электрохромные стеклянные панели между пассажирским салоном и кабиной машиниста. Лифты в Монументе Вашингтона оснащены "умным" стеклом, позволяющим пассажирам видеть памятные камни внутри монумента. Общественный туалет на площади Музеумплейн в Амстердаме использует "умное" стекло для удобства определения, свободна ли кабина, когда дверь закрыта, и для обеспечения приватности, когда она занята. Bombardier Transportation использует интеллектуальные окна в поездах Bombardier Innovia APM 100, курсирующих по сингапурской линии Bukit Panjang LRT, чтобы пассажиры не заглядывали в окна квартир во время движения, и планирует предложить окна с использованием технологии "умного" стекла в своих легкорельсовых вагонах Flexity 2. Китайский производитель телефонов OnePlus продемонстрировал телефон, задние камеры которого расположены за панелью из электрохромного стекла. Общественные туалеты в Токио используют эту технологию для повышения безопасности и конфиденциальности. Люди, подходящие к туалету, могут убедиться, что он свободен, поскольку могут видеть внутрь, когда дверь не заперта. После запирания двери туалета стены становятся непрозрачными. Volkswagen ID.7 оснащен панорамной крышей из "умного" стекла, которую можно переключать с прозрачного на непрозрачный электрическим приводом.