Что такое смарт-стекло? От английского словосочетания "smart window" произошло название "стекло с изменяющимися свойствами", "электрохромное стекло" или "умное стекло".
Содержание
Смарт-стекло – это композит из сразу нескольких слоев стекла и химических материалов, которые используются в архитектуре или при изготовлении таких светопрозрачных конструкций как двери, перегородки или окна. Смарт-стекла способны изменять свои оптические свойства – матовость или опалесценцию, коэффициент поглощения тепла, коэффициент светопропускания при определенном изменении внешних условий, к примеру, подача электричества, температура или освещенность.
Рис. 1. При подаче электрического сигнала смарт-стекло становится матовым
Какие технологии используют при изготовлении смарт-стекла
Разнообразие таких типов стекольных композитов основываются на фотохимических явлениях, что связанны с изменением пропускающих свойств в момент изменения внешних условий, например, электрохромизм или электрическое напряжение, термохромизм или температура, фотохромизм или изменение светового потока.
Бывают устройства, в которых применена технология LCD, или как их еще называют жидкие кристаллы, при условиях термотропного состояния при возрастающей температуре способны изменять количество пропускаемого света. К примеру, вольфрам при добавлении диоксид ванадия (VO2), способен отражать инфракрасное излучение только тогда, когда температура поднимается выше 29°С, после чего способен блокировать солнечное излучение через оконный проем даже при очень высоких показателях внешней температуры.
К сожалению, такие типы стекол контролировать просто невозможно, все происходит автоматически.
Окно из смарт-стекла, которое управляется электричеством, может изменять свои свойства в зависимости от существующих внешних условий, таких как температура или показатель яркости освещения, но лишь с применением определенных и соответствующих датчиков, к примеру, фотодатчика или термометра. Помимо этого к смарт-стеклам относятся автоматически открывающиеся или закрывающиеся и самоочищающиеся окна для вентилирования. Например, автоматические окна открываются или закрываются по сигналу или по времени от датчика дождя. Бывает, что к смарт-стеклу относят даже специфическое остекление. К примеру, такое как проекционное остекление, основанное на аналогичных или диффузных технологиях. Такое как звуковое стекло, поверхность которого это динамик, что наполняет помещение особым равномерных звуком. Такое как сенсорное стекло, которое регулируется при помощи специального указателя или касания рук. Или такое как электрообогреваемое, где обогрев происходит равномерно по всей площади стекла. Здесь главное не путать стекла, которые установлены в автомобилях, потому что для установки в авто используются лишь нитевидные нагревательные элементы.
Рис. 2. Вариант остекления фасада с помощью смарт-стекла
Смарт-стекла под управлением электричеством
Основными технологиями смарт-стекла называют электрохимический или электрохромный слой, на взвешанных частицах (Suspended particle devices или просто SPD) и полимерный жидкокристаллический слой (Liquid crystal devices или просто LCD).
Как любой другой материал или изделие смарт-стекло обладает как преимуществами, так и недостатками.
К примеру, смарт-стекла позволят значительно уменьшить потерю тепла в помещении и значительно сократить расходы на освещение или кондиционирование комнаты. Кроме этого смарт-стекло служит прекрасной альтернативой механическим шторам, затеняющим экранам или жалюзи. Электрохимическое или жидкокристаллическое смарт-стекло в прозрачном состоянии не будет пропускать ультрафиолетовых лучей. А вот смарт-стекла на взвешанных частицах потребуют для блокирования ультрафиолетового излучения использовать специальные дополнительные покрытия.
К основным недостаткам смарт-стекла относят достаточно высокую стоимость, необходимое использование электричества, скорость переключения состояний, замутнение (опалесценцию) или меньшую прозрачность, если сравнивать показатели обычного и смарт-стекла. Необходимо также отметить и то, что такой современный продукт как смарт-стекло в сравнении со своими предшественниками обладает более низким уровнем опалесценции, поэтому таким стеклом можно будет управлять при помощи безопасного низковольтного питания в 12-36 Вольт.
Полимерное смарт-стекло
Полимерные жидкокристаллические устройства (LCD, PDLCs, Polymer dispersed liquid crystal devices) отличаются своими кристаллами, вернее их разложением на отдельные составляющие, то есть диспергирующие кристаллы в жидкий полимер, после чего они затвердевают или же фиксируют сам полимер.
В момент перехода полимера из жидкого состояния в твердое состояние, жидкие кристаллизованные решетки просто не совместимы с твердыми полимерами, поэтому формируют вкрапления или капли в самом полимере. Условия такой фиксации будут влиять на размеры капель, а это в свою очередь приведет к изменениям в свойствах смарт-стекла.
Как правило, жидкая смесь жидких кристаллов и полимера располагается между слоем пластика и стекла, при этом на материалы наносится тонкий слой прозрачного проводящего вещества, что обеспечивает и затвердевание полимера и подвод напряжения. Только такая принципиальная структура смарт-стекол считается эффективным рассеиванием. От источника электропитание подключается к электродам. Электроды специально изготавливаются из медной фольги, на которой присутствует слой электропроводного клея, который и создает контакты с проводящим слоем пленки.
Без необходимого электрического напряжения жидкие кристаллы находятся в капле и случайно упорядочены, а такое состояние кристаллов приводит к рассеиванию всех параллельных световых лучей. Такое стекло отличается молочно-белым цветом.
Рис. 3. Смарт-стекло с матовым молочным цветом в офисных перегородках.
В момент подачи необходимого напряжения электрическое поле между двумя отдельными электродами (прозрачными) на стекле принуждает жидкие кристаллы выравниваться. При этом электрическое поле позволяет солнечным лучам проходить сквозь капли, при этом рассеивание капель очень мало. И стекло просто переходит в прозрачное состояние. Показатель или степень прозрачности можно контролировать приложенным на смарт-стекло напряжением. Объясняется такая возможность тем, что при маленьком напряжении лишь часть жидких кристаллов способно выровняться в электрическом поле полностью. И только малая порция световых лучей способна пройти сквозь стекла без искажений, в момент, когда большая порция света просто рассеивается. При возрастании напряжения все меньше кристаллов остается не выровненными, а это в свою очередь может привести к наименьшему рассеиванию световых лучей. Помимо этого есть возможность контролировать даже количество тепла и света, что проходят через стекла. Для этого необходимо использовать добавочные внутренние слои или специальные красители. Кроме этого можно создавать противорадиационные и противопожарные версии для использования стекол в специализированных устройствах.
Плавное изменение прозрачности
Один из американских исследовательских центров продемонстрировал изображение, которое вполне может быть сформировано в полимере или в прозрачных электродах, при этом позволяя производство декоративных или экранных окон. Основная часть устройств, которые сегодня предлагают производители функционируют лишь в состояниях ВКЛ или ВЫКЛ. Вот только технология обеспечения разнообразных уровней прозрачности стекла с легкостью может быть достигнута.
Такой вид технологии используют и для внутренних и для внешних установок по контролю приватности, к примеру, для душевых, ванных, переговорных, и медицинских комнат или же для проектора и его временного экрана.
Устройства со взвешенными частицами или SPD (Suspended particle devices) тончайший слой пленки слоистых материалов стержнеобразных частиц, которые взвешены в жидкости помещают меж отдельными слоями пластика и стекла, либо присоединяют к одному из слоев. Если же электрическое напряжение не подается, взвешенные частицы ориентируются в случайном порядке и поглощают световые лучи так, что стекла становятся темными или непрозрачными, синего, черного или иногда даже реже серого цвета.
А вот если электрическое напряжение подается, тогда взвешенные частицы не только полностью выравниваются, но и позволяют световым лучам проходить сквозь стекло. Смарт-стекла с взвешенными частицами вполне способно мгновенно переключиться либо осуществить самый точный контроль по количеству проходящего тепла и света. Постоянный пусть даже и маленький электрический ток необходим смарт-стеклу постоянно, если стекло прозрачное.
Электрохромические или электрохромные смарт-стекла способны изменить уровень прозрачности материала в момент подачи электрического напряжения, и как следствие способны контролировать общее количество пропускаемого тепла и света. Изменение в состоянии смарт-стекол можно засечь по изменяющемуся цвету стекла. Полупрозрачное состояние устройство – это обычно либо синий цвет, либо прозрачный цвет стекла. Темные оттенки смарт-стекла обычно начинаются с еле заметного затемнения и заканчиваются самой насыщенной тонировкой. В основном подача электрического напряжения нужна лишь для изменения показателя прозрачности стекла, вот только после изменения состояния смарт-стекла необходимость в электропитании полностью исчезает, поэтому достигнутое состояние стекла можно уже не поддерживать электричеством.
Рис. 4. Матовые смарт-стекла для стеклянных дверей в офисах для обеспечения конфеденциальности
Затемнения на смарт-стекле будут возникать только по краям устройства, перемещаясь все глубже внутрь, то есть в центр стекла. Это довольно медленный процесс, который занимает от нескольких секунд до нескольких минут, период времени здесь будет зависеть от размера окна, такой эффект называют радужным.
Используются электрохимические материалы, для того чтобы контролировать количество тепла и света, что проходят через окно. Применяется такой вид материалов в основном в автомобильной индустрии и для автоматических затемнений зеркал при различном освещении.
Электрохромные смарт-стекла
Электрохромные стекла могут обеспечить видимость даже в самых затемненных состояниях, тем самым такой вид стекла способен сохранить визуальный контакт с окружающей внешней средой. Такой эффект используют для производства, например, зеркал заднего обзора. Помимо этого электрохромную технологию применяют во внутренних устройствах, к примеру, для того чтобы защитить объект, находящийся под стеклом в музее. Или же для защиты картин от каких-либо повреждений, воздействия ультрафиолета или световых волн видимых диапазонов.
Рис. 5. Офисные перегородки из умного стекла с изменяемой прозрачностью.
Полианилин служит прекрасным примером электрохромного материала. Кстати, полианилин может создаваться химическим или электрохимическим окислением анилина. В момент погружения электрода в специальную соляную кислоту с примесью анилина, на этом электроде начинает формироваться пленка полианилина. Полианилин может быть окрашен в желтый, темно-зеленый или темно-черный цвет, здесь все будет зависеть от окислительно-восстановительного состояния. Существуют и другие электрохромные материалы, которые применимы на практике, к таким относят оксид вольфрама и виологены. Такие вещества находят применение в производстве электрохромного или смарт-стекла.
В соединении с TiO2 (диоксид титана) виологен используется для изготовления цифровых дисплеев. Кстати, именно такое соединение вскоре полностью заменят жидкокристаллические экраны, потому что именно виологен темно-синего цвета прекрасно контрастирует со светлым титаном и при этом обеспечивает высокий уровень контрастности экрана.
