Inteligentne szkło

Inteligentne szkło w stanie przezroczystym.

Inteligentne szkło w stanie nieprzezroczystym.

Inteligentne szkło, znane również jako szkło przełączalne, szkło dynamiczne i szkło z inteligentnym przyciemnianiem, to rodzaj szkła , które może zmieniać swoje właściwości odblaskowe, aby zapobiegać przedostawaniu się światła słonecznego i ciepła do budynku, a także zapewniać prywatność. Inteligentne szkło do budynków ma na celu zapewnienie bardziej energooszczędnych budynków poprzez zmniejszenie ilości ciepła słonecznego przechodzącego przez szklane okna.

Istnieją dwie podstawowe klasyfikacje inteligentnego szkła: aktywne i pasywne. Najbardziej powszechnymi obecnie stosowanymi technologiami szkła aktywnego są elektrochromowe , ciekłokrystaliczne i zawieszone cząstki (SPD). Technologie termochromowe i fotochromowe zaliczane są do technologii pasywnych.

Inteligentne szkło zainstalowane w przegrodach budynków pomaga tworzyć powłoki budynków dostosowujące się do klimatu , co przynosi korzyści w zakresie regulacji naturalnego światła, komfortu wizualnego, blokowania promieniowania UV i podczerwieni , mniejszego zużycia energii, komfortu cieplnego, odporności na ekstremalne warunki pogodowe i prywatności . Niektóre inteligentne okna są w stanie samodzielnie dostosować się do ogrzewania lub chłodzenia w celu oszczędzania energii w budynkach . Inteligentne okna mogą wyeliminować potrzebę stosowania żaluzji, rolet lub zabiegów na oknach.

Niektóre efekty można uzyskać poprzez laminowanie folii inteligentnej lub folii przełączalnej na płaskich powierzchniach za pomocą laminatów szklanych, akrylowych lub poliwęglanowych. Niektóre rodzaje inteligentnych folii można nakładać na istniejące szklane okna za pomocą samoprzylepnej inteligentnej folii lub specjalnego kleju. Opracowywane są również metody natryskiwania do nakładania przezroczystych powłok blokujących ciepło i przewodzących elektryczność.

Historia

Termin „inteligentne okno” powstał w latach 80. Został wprowadzony przez szwedzkiego fizyka materiałowego Claesa-Görana Granqvista z Chalmers University of Technology , który wspólnie z naukowcami z Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii przeprowadzał burzę mózgów nad pomysłami na uczynienie materiałów budowlanych bardziej energooszczędnymi . Granqvist użył tego terminu do opisania responsywnego okna zdolnego do dynamicznej zmiany odcienia.

Elektrycznie przełączane inteligentne szkło

Poniższa tabela przedstawia przegląd różnych technologii inteligentnego szkła przełączanych elektrycznie:

Technologia	Stan z elektrycznością	Stan bez prądu	Komentarz
Urządzenia elektrochromowe	Impulsy elektryczne służą do zmiany przepuszczalności światła	Utrzymuje poprzedni stan	Czasy przejścia i przepuszczalność światła różnią się w zależności od producenta.
Urządzenia ciekłokrystaliczne z dyspersją polimerową	Przezroczysty	Nieprzejrzysty	Tylko jasne lub nieprzejrzyste stany. Używany głównie do kontroli prywatności w ustawieniach wnętrz.
Urządzenia z zawieszonymi cząstkami	Przezroczysty	Częściowo nieprzezroczyste	Umożliwia kontrolę przepuszczalności światła.
Mikrorolety	Nieprzejrzysty	Przezroczysty	Szybko się przełącza, dobrze znosi zużycie spowodowane promieniowaniem UV

Urządzenia elektrochromowe

Urządzenia elektrochromowe zmieniają właściwości przepuszczalności światła w odpowiedzi na napięcie, a tym samym pozwalają kontrolować ilość przepuszczanego światła i ciepła. W oknach elektrochromowych materiał zmienia swoją nieprzezroczystość . Do zmiany przezroczystości potrzebny jest impuls elektryczny, ale materiał zachowuje swój odcień z niewielkimi lub żadnymi dodatkowymi sygnałami elektrycznymi.

Stare technologie elektrochromowe mają zwykle żółty odcień w swoich jasnych stanach i niebieskie odcienie w swoich zabarwionych stanach. Ciemnienie następuje od krawędzi, przesuwając się do wewnątrz i jest procesem powolnym, trwającym od wielu sekund do 20–30 minut, w zależności od wielkości okna. Nowsze technologie elektrochromowe eliminują żółty odcień w stanie przezroczystym i barwienie do bardziej neutralnych odcieni szarości, barwienie równomiernie, a nie od zewnątrz do wewnątrz, i przyspieszają barwienie do mniej niż trzech minut, niezależnie od wielkości szkła. Szkło elektrochromowe zachowuje widoczność w stanie zaciemnionym, a tym samym zachowuje kontakt wzrokowy ze środowiskiem zewnętrznym.

Niedawne postępy w materiałach elektrochromowych związanych z elektrochromią wodorków metali przejściowych doprowadziły do opracowania odblaskowych wodorków, które stają się raczej odblaskowe niż pochłaniające, a tym samym przełączają stany między przezroczystym a lustrzanym.

Ostatnie postępy w modyfikowanych porowatych filmach nanokrystalicznych umożliwiły stworzenie wyświetlacza elektrochromowego. Struktura wyświetlania pojedynczego podłoża składa się z kilku ułożonych w stos porowatych warstw drukowanych jedna na drugiej na podłożu zmodyfikowanym przezroczystym przewodnikiem (takim jak ITO lub PEDOT:PSS ). Każda drukowana warstwa ma określony zestaw funkcji. Elektroda robocza składa się z dodatniego porowatego półprzewodnika, takiego jak dwutlenek tytanu, z zaadsorbowanymi chromogenami . Te chromogeny zmieniają kolor poprzez redukcję lub utlenianie. Pasywator _ jest używany jako negatyw obrazu w celu poprawy wydajności elektrycznej. Warstwa izolacyjna służy zwiększeniu współczynnika kontrastu i elektrycznemu oddzieleniu elektrody pracującej od przeciwelektrody . Przeciwelektroda zapewnia wysoką pojemność, aby zrównoważyć ładunki wprowadzone/pobrane na elektrodzie SEG (i zachować neutralność ładunku w całym urządzeniu). Węgiel jest przykładem filmu zbiornika ładunku. Przewodząca warstwa węgla jest zwykle używana jako przewodzący styk tylny dla przeciwelektrody. W ostatnim etapie drukowania porowata struktura monolitu jest nadrukowywana ciekłym lub polimerowo-żelowym elektrolitem, suszona, a następnie może być wbudowana w różne hermetyzacje lub obudowy, w zależności od wymagań aplikacji. Wyświetlacze są bardzo cienkie, często 30 mikrometrów. Urządzenie można włączyć, przykładając potencjał elektryczny do przezroczystego przewodzącego podłoża względem przewodzącej warstwy węglowej. Powoduje to redukcję cząsteczek viologenu (zabarwienie) wewnątrz elektrody roboczej. Odwracając przyłożony potencjał lub zapewniając ścieżkę wyładowania, urządzenie wybiela. Unikalną cechą monolitu elektrochromowego jest stosunkowo niskie napięcie (około 1 wolta) potrzebne do zabarwienia lub wybielenia viologeny . Można to wytłumaczyć niewielkimi przepięciami potrzebnymi do elektrochemicznej redukcji zaadsorbowanych na powierzchni viologenów/chromogenów.

Większość typów inteligentnych folii wymaga do działania napięcia (np. 110 V AC), dlatego tego typu inteligentne folie muszą być zamknięte w laminatach szklanych, akrylowych lub poliwęglanowych, aby zapewnić użytkownikom bezpieczeństwo elektryczne. ^{[ potrzebne źródło ]}

Urządzenia ciekłokrystaliczne z dyspersją polimerów

W urządzeniach ciekłokrystalicznych z dyspersją polimerów (PDLC) ciekłe kryształy są rozpuszczane lub rozpraszane w ciekłym polimerze, po czym następuje zestalenie lub utwardzenie polimeru. Podczas przemiany polimeru z ciekłego w stały, ciekłe kryształy stają się niekompatybilne z polimerem stałym i tworzą kropelki w całym stałym polimerze. Warunki utwardzania wpływają na wielkość kropelek, które z kolei wpływają na końcowe właściwości użytkowe „inteligentnego okna”. Zazwyczaj płynna mieszanka polimeru i ciekłych kryształów jest umieszczana pomiędzy dwiema warstwami szkła lub tworzywa sztucznego, które zawierają cienką warstwę przezroczystego, przewodzącego materiału, po którym następuje utwardzanie polimeru, tworząc w ten sposób podstawową strukturę warstwową inteligentnego okna. Ta struktura jest w rzeczywistości kondensatorem.

Do przezroczystych elektrod przymocowane są elektrody z zasilacza. Bez przyłożonego napięcia ciekłe kryształy są losowo rozmieszczone w kropelkach, co powoduje rozproszenie światła przechodzącego przez zespół inteligentnego okna. Daje to półprzezroczysty, „mlecznobiały” wygląd. Kiedy napięcie jest przyłożone do elektrod, pole elektryczne utworzone między dwiema przezroczystymi elektrodami na szkle powoduje wyrównanie ciekłych kryształów, umożliwiając przechodzenie światła przez kropelki z bardzo małym rozproszeniem i skutkując stanem przezroczystym. Stopień przezroczystości można kontrolować przyłożonym napięciem. Jest to możliwe, ponieważ przy niższych napięciach tylko kilka ciekłych kryształów ustawia się całkowicie w polu elektrycznym, więc tylko niewielka część światła przechodzi przez nie, podczas gdy większość światła jest rozpraszana. Wraz ze wzrostem napięcia mniej ciekłych kryształów pozostaje nierównych, co powoduje mniejsze rozproszenie światła. Możliwe jest również kontrolowanie ilości przepuszczanego światła i ciepła, przy użyciu barwników i specjalnych warstw wewnętrznych.

Urządzenia z zawieszonymi cząstkami

W urządzeniach z cząstkami zawieszonymi (SPD) jest to cienki laminat o nanoskali przypominającej pręcik cząsteczki są zawieszone w cieczy i umieszczone między dwoma kawałkami szkła lub tworzywa sztucznego lub przyczepione do jednej warstwy. Gdy nie jest przyłożone żadne napięcie, zawieszone cząsteczki układają się losowo, blokując w ten sposób i pochłaniając światło. Po przyłożeniu napięcia zawieszone cząsteczki wyrównują się i przepuszczają światło. Zmiana napięcia folii zmienia orientację zawieszonych cząstek, regulując w ten sposób odcień oszklenia i ilość przepuszczanego światła. SPD można ręcznie lub automatycznie „dostroić”, aby precyzyjnie kontrolować ilość przepuszczanego światła, odblasków i ciepła.

Mikrorolety

Zdjęcie mikroprzesłon ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM).

Mikro-żaluzje kontrolują ilość przepuszczanego światła w odpowiedzi na przyłożone napięcie. Mikro-żaluzje składają się z walcowanych cienkich metalowych żaluzji na szkle. Są bardzo małe, a przez to praktycznie niewidoczne dla oka. Warstwa metalu jest nakładana przez rozpylanie magnetronowe i modelowana w procesie laserowym lub litograficznym. Szklane podłoże zawiera cienką warstwę przezroczystego przewodzącego tlenku warstwa (TCO). Cienki izolator jest osadzany między walcowaną warstwą metalu a warstwą TCO w celu odłączenia elektrycznego. Bez przyłożonego napięcia mikro-żaluzje są zwijane i przepuszczają światło. Gdy występuje różnica potencjałów między zwiniętą warstwą metalu a przezroczystą warstwą przewodzącą, pole elektryczne utworzone między dwiema elektrodami powoduje rozciąganie zrolowanych mikro-żaluzji, a tym samym blokowanie światła. Mikro-żaluzje mają kilka zalet, w tym szybkość przełączania (milisekundy), odporność na promieniowanie UV, indywidualny wygląd i transmisję. Technologia mikrozaślepek została opracowana w National Research Council (Kanada) .

Inteligentne szkło termochromowe

Polimer zmiennofazowy (PCP)

Polimer zmiennofazowy (PCP) wykazuje odwracalne przejście fazowe między stanami amorficznymi i półkrystalicznymi. Ta zmiana fazy jest zdominowana przez zmianę temperatury w inteligentnym szkle termochromowym, co czyni ją całkowicie automatyczną bez kosztów energii elektrycznej. Struktura PCP często składa się z dwóch głównych składników: składnika polimeru zmieniającego fazę (nazwijmy go P1) usieciowanego z innym polimerem (P2), który jest silnie oddzielony fazowo od tego pierwszego ze względu na różną hydrofilowość . Dlatego P1 i P2 są w stanie po utwardzeniu utworzyć separację faz na poziomie mikronów. Gdy temperatura jest niższa od temperatury przemiany fazowej (Tp) P1, P1 jest półkrystaliczny i jego współczynnik załamania pasuje do P2, dzięki czemu cała struktura jest przezroczysta dla światła widzialnego. Gdy temperatura wzrasta powyżej Tp, P1 topi się i przechodzi w fazę amorficzną, która wykazuje duże niedopasowanie współczynnika załamania światła do P2, co skutkuje nieprzezroczystością. Dzięki sprytnemu doborowi materiału na P1 można zaobserwować odwrotny efekt zmiany transmitancji. Na przykład, jeśli poniżej Tp współczynnik załamania światła półkrystalicznego P1 różni się od współczynnika załamania P2, wówczas warstewka jest nieprzezroczysta; jeśli bezpostaciowy P1 pasuje do P2 pod względem współczynnika załamania powyżej Tp, to błona jest przezroczysta w podwyższonej temperaturze. Jednym z charakterystycznych zastosowań byłoby powlekanie PCP na szklanym oknie magazynu, gdzie PCP staje się nieprzezroczysty w upalne dni, aby zablokować nadmierne promieniowanie i schłodzić pomieszczenie, oszczędzając w ten sposób energię zużywaną na działanie klimatyzatora.

Powiązane obszary technologii

Wyrażenie inteligentne szkło można interpretować w szerszym znaczeniu, obejmując również przeszklenia, które zmieniają właściwości przepuszczalności światła w odpowiedzi na sygnał środowiskowy, taki jak światło czy temperatura.

Różne typy oszklenia mogą wykazywać różnorodne zjawiska chromowe , to znaczy w oparciu o efekty fotochemiczne oszklenie zmienia swoje właściwości przepuszczania światła w odpowiedzi na sygnał środowiskowy, taki jak światło ( fotochromizm ), temperatura ( termochromizm ) lub napięcie ( elektrochromizm ).
Ciekłe kryształy, gdy są w stanie termotropowym , mogą zmieniać właściwości przepuszczania światła w odpowiedzi na temperaturę. Jednak do zmiany właściwości ciekłych kryształów wymagane są wysokie temperatury, a termotropowe związki ciekłokrystaliczne mogą być trudne do syntezy bez blokowania niektórych długości fal widzialnego spektrum kolorów.
Zbadano różne metale. Cienkie warstwy Mg-Ni mają niską przepuszczalność światła widzialnego i są odblaskowe. Kiedy są wystawione na działanie gazowego H ₂ lub zredukowane przez alkaliczny elektrolit, stają się przezroczyste. To przejście przypisuje się powstawaniu wodorku niklu magnezowego Mg ₂ NiH ₄ . Filmy zostały utworzone przez wspólne rozpylanie z oddzielnych celów Ni i Mg, aby ułatwić zmiany w składzie. Ewentualnie można zastosować rozpylanie magnetronowe prądu stałego z pojedynczym celem, co byłoby stosunkowo proste w porównaniu z osadzaniem tlenków elektrochromowych, co czyni je bardziej przystępnymi cenowo. The Lawrence Berkeley National Laboratory ustaliło, że nowe metale przejściowe są tańsze i mniej reaktywne, ale mają te same właściwości, co jeszcze bardziej obniża koszty.
Domieszkowana wolframem powłoka z dwutlenku wanadu VO ₂ odbija światło podczerwone, gdy temperatura wzrasta powyżej 29°C (84°F), blokując przenikanie światła słonecznego przez okna w wysokich temperaturach otoczenia. Dwutlenek wanadu przechodzi przemianę półprzewodnika w metal w stosunkowo niskiej temperaturze. To przejście zmienia materiał z właściwości przewodzących na właściwości izolacyjne i ostatecznie zmienia kolor szkła, a także jego właściwości transmisyjne. Gdy powłoka ulegnie tej zmianie, może skutecznie chronić to, co izoluje, przed gromadzeniem ciepła poprzez filtrowanie widma podczerwieni.

Tego typu przeszklenia nie mogą być sterowane ręcznie. W przeciwieństwie do tego, wszystkie elektrycznie przełączane inteligentne okna mogą automatycznie dostosowywać swoje właściwości przepuszczania światła w odpowiedzi na temperaturę lub jasność poprzez integrację odpowiednio z termometrem lub fotosensorem .

Aplikacje

Kurtyna elektryczna

Inteligentne szkło może być wykorzystywane do energooszczędnego ogrzewania i chłodzenia budynków poprzez kontrolowanie ilości światła słonecznego wpadającego przez okno. Przezroczysta lub zamglona folia kontrolująca temperaturę sprawia, że inteligentna folia przechodzi w stan zamglenia, gdy jest słonecznie, a temperatura w pomieszczeniu jest wysoka. Kiedy jest słonecznie, a temperatura w pomieszczeniu jest niska, inteligentne szkło przechodzi w stan przezroczysty.

Prywatność

W biurze:

Stosowany do szklanej obudowy sali konferencyjnej. Gdy szkło jest przezroczyste, można zajrzeć do pokoju lub wyjść z niego, a gdy jest nieprzezroczyste, można go użyć jako ekranu projekcyjnego.
Energooszczędna funkcja szklanej ściany osłonowej

Dekoracja wnętrz rezydencji:

Oświetlenie obejmuje szklaną kurtynę, słoneczny domek, salon i przedział łazienkowy. Szkło jest w stanie zachmurzonym, gdy nie jest używane, co chroni prywatność, a gdy staje się przezroczyste, może przepuszczać światło słoneczne.

Reklama

Ekspozycja produktu i reklama handlowa:

Szklana witryna, chroni produkty, gdy jest nieprzejrzysta i może być używana do projekcji w celu wprowadzenia produktów; gdy jest przezroczysty, może być wykorzystany do reklamy sklepu.

Inteligentne szkło może być używane jako przełączany ekran projekcyjny na witrynie sklepowej do celów reklamowych. Inteligentny film trzeciej generacji ^{[ wymagane wyjaśnienie ]} nadaje się zarówno do projekcji przedniej, jak i tylnej, a wyświetlane obrazy można oglądać z obu stron. ^{[ potrzebne źródło ]}

Inne zastosowania

Zastosowania na inne specjalne okazje obejmują:

Szklane drzwi toalety są przezroczyste, gdy nie są używane, i natychmiast stają się mętne, gdy drzwi są zamknięte.
Szklana podłoga i schody na drugim piętrze wydają się mętne, gdy się po nich chodzi, w przeciwnym razie są przezroczyste.
Zastosowania prywatności w szpitalach, np. w oknach sal noworodkowych i oddziałach intensywnej terapii, zastępując zasłony, aby zmniejszyć kurz i hałas.
Zastosowane w pomieszczeniach wolnych od kurzu i pomieszczeniach do sprzątania inteligentne folie mogą być używane do przełączania między przezroczystością a nieprzezroczystością i mogą zmniejszyć niedogodności dla klientów, którzy muszą nosić ubrania bezpyłowe wchodzące i wychodzące z pokoju.

Przykłady użycia

ICE 3 z widokiem do kabiny maszynisty

ICE 3 ze szklanym panelem przełączonym w tryb „matowy”.

Eureka Tower w Melbourne ma szklany sześcian, który wystaje 3 m (10 stóp) z budynku z gośćmi w środku, zawieszony prawie 300 m (984 stóp) nad ziemią. Kiedy ktoś wchodzi, szkło jest nieprzezroczyste, ponieważ sześcian wychodzi poza krawędź budynku. Po całkowitym rozciągnięciu poza krawędź szkło staje się przezroczyste.

Boeing 787 Dreamliner jest wyposażony w elektrochromowe szyby, które zastąpiły opuszczane rolety w istniejących samolotach.

NASA rozważa wykorzystanie elektrochromii do zarządzania środowiskiem termicznym, którego doświadczają nowo opracowane pojazdy kosmiczne Orion i Altair .

Inteligentne szkło zastosowano w niektórych samochodach produkowanych na małą skalę, w tym w Ferrari 575 M Superamerica .

ICE 3 wykorzystują elektrochromowe szklane panele między przedziałem pasażerskim a kabiną maszynisty.

Windy w pomniku Waszyngtona wykorzystują inteligentne szkło , aby pasażerowie mogli zobaczyć pamiątkowe kamienie wewnątrz pomnika.

Miejska toaleta na placu Museumplein w Amsterdamie jest wyposażona w inteligentne szkło, które ułatwia określanie stanu zajętości pustej kabiny, gdy drzwi są zamknięte, a następnie zapewnia prywatność, gdy jest zajęta.

Bombardier Transportation ma inteligentne okna zapobiegające rozmyciu w Bombardier Innovia APM 100 obsługującym linię Bukit Panjang LRT w Singapurze , aby uniemożliwić pasażerom zaglądanie do mieszkań podczas jazdy pociągu i planuje zaoferować okna wykorzystujące technologię inteligentnego szkła w lekkiej kolei Flexity 2 pojazdy .

Chiński producent telefonów OnePlus zademonstrował telefon, którego tylne aparaty umieszczono za taflą elektrochromowego szkła.

Toalety publiczne w Tokio wykorzystują tę technologię, aby rozwiązać problemy związane z bezpieczeństwem i prywatnością. Osoby zbliżające się do toalety są w stanie potwierdzić, że jest ona pusta, ponieważ mogą zajrzeć do wnętrza, gdy drzwi są otwarte. Gdy zajęte drzwi toalety są zamknięte, ściany pokoju stają się nieprzezroczyste.