Смарт-стекло

ICE 3 — перегородка из смарт стекла к машинисту поезда

Смарт стекло перегородки в «матовом» состоянии

Звукоизолирующее смарт-стекло включено

Звукоизолирующее смарт-стекло выключено

Смарт-стекло (англ. smart glass, также используются названия: «электрохромное стекло», «умное стекло», «стекло с изменяющимися свойствами») — композит из слоев стекла и различных химических материалов, используемый в архитектуре и производстве для изготовления светопрозрачных конструкций (окон, перегородок, дверей и т. п.), изменяющий свои оптические свойства (опалесценция (матовость), коэффициент светопропускания, коэффициент поглощения тепла и т. д.) при изменении внешних условий, например, освещённости, температуры или при подаче электрического напряжения.

Основные принципы

Различные типы стекольных композитов основаны на фотохимических явлениях, связанных с изменением пропускающих свойств при изменении внешних условий: изменение светового потока (фотохромизм), температуры (термохромизм), электрического напряжения (электрохромизм).

Некоторые устройства с применением жидких кристаллов (LCD), когда находятся в термотропном состоянии, могут изменять количество пропускаемого света, при возрастании температуры. Вольфрам с добавлением диоксида ванадия VO₂ отражает инфракрасное излучение, при возрастании температуры выше 29 °C, блокируя солнечное излучение через окно при высоких внешних температурах.

Эти типы остекления невозможно контролировать. Окна из смарт-стекла, управляемые электричеством также могут изменять свойства в зависимости от внешних условий (яркости освещения или температуры) с применением соответствующих датчиков, например, термометра или фотодатчиков.

Также к смарт-стеклам относят самоочищающиеся или автоматически открывающиеся (или автоматически закрывающиеся) для вентилирования окна, например, по времени или по сигналу от датчика дождя. Иногда к ним относят специфическое остекление, например проекционное (на основе диффузных или аналогичных технологий), звуковое стекло (в котором вся поверхность стекла является динамиком, что позволяет наполнять помещение равномерным hi-fi звуком), сенсорное стекло (реагирующее на касание рукой или специальным указателем) и электрообогреваемое стекло (обогрев происходит равномерно по всей площади — не путать с автомобильным, где используются нитевидные нагревательные элементы).

Основные технологии смарт-стекла:

• полимерный жидкокристаллический слой (LCD, Liquid crystal devices);
• на взвешенных частицах (SPD, Suspended particle devices);
• электрохромный (электрохимический) слой.

Преимущества и недостатки

Смарт-стекло позволяет уменьшить потери тепла, сократить расходы на кондиционирование и освещение, служат альтернативой жалюзи и механическим затеняющим экранам, шторам. В прозрачном состоянии жидкокристаллическое или электрохимическое смарт-стекло не пропускает ультрафиолетовое излучение; смарт-стекло на взвешенных частицах требует для блокировки ультрафиолета использование специальных покрытий.

Основные недостатки смарт-стекла — это относительно высокая стоимость, необходимость использования электрического напряжения, скорость переключения между состояниями (в частности, электрохромное стекло), опалесценция (замутнение) или меньшая прозрачность по сравнению с обычным стеклом. Следует отметить, что смарт-стекло последнего поколения по сравнению с предшествующими имеет более низкий уровень опалесценции и может управляться безопасным низковольтным питанием от 12 до 36 Вольт.

Полимерные жидко-кристаллические устройства (LCD)

В полимерных жидкокристаллических устройствах (англ. Polymer dispersed liquid crystal devices, PDLCs или LCD), жидкие кристаллы разлагаются на составляющие или диспергируются в жидкий полимер; затем затвердевают или фиксируют полимер.

При переходе полимера из жидкого в твердое состояние, жидкие кристаллы становятся несовместимы с твердым полимером и формируют капли (вкрапления) в полимере. Условия фиксации влияют на размер капель, что в свою очередь приводит к изменению свойств смарт-стекла.

Обычно, жидкая смесь полимера и жидких кристаллов расположена между двумя слоями стекла или пластика, с нанесённым тонким слоем прозрачного проводящего материала, который обеспечивает подвод напряжения и затвердевание полимера. Эта принципиальная «бутербродная» структура смарт-стекла является эффективным рассеивателем. Электропитание от источника подключается к электродам, изготовленным из медной фольги со слоем электропроводного клея, контактирующим с проводящим слоем пленки.

Без напряжения, жидкие кристаллы случайно упорядочены в капли, что приводит к рассеянию параллельных лучей света. Стекло имеет молочно-белый цвет.

При подаче электропитания, электрическое поле между двумя прозрачными электродами на стекле заставляет жидкие кристаллы выравниваться, позволяя свету проходить через капли с очень маленьким рассеянием. Стекло переходит в прозрачное состояние. Степень прозрачности может контролироваться приложенным напряжением. Это возможно благодаря тому, что при маленьких напряжениях только часть жидких кристаллов может выровняться полностью в электрическом поле, и только маленькая порция света проходит сквозь стекло без искажения, в то время как большая часть рассеивается. По мере возрастания напряжения, меньше кристаллов остается не выровненными, что приводит к меньшему рассеянию света.

Также можно контролировать количество света и тепла, проходящего через стекло, при использовании красителей и специальных добавочных внутренних слоев. Также возможно создать противопожарные и противорадиационные версии для использования в специальных устройствах.

Фирма Al Сoat Ltd. (один из исследовательских центров США) продемонстрировала, что изображение может быть сформировано в прозрачных электродах или в полимере, позволяя производство экранных устройств и декоративных окон. Большая часть устройств, предлагаемых сегодня работает в только ВКЛ или ВЫКЛ состояниях, хотя технология обеспечения различных уровней прозрачности легко осуществима.

Эта технология используется для внутренних и внешних установок для контроля приватности (например, переговорных комнат, медицинских комнат интенсивной терапии, ванных комнат, душа) и для временного экрана для проектора.

Устройства со взвешенными частицами (SPD)

В устройствах со взвешенными частицами (англ. Suspended particle devices, SPD), тонкая пленка слоистых материалов стержнеобразных частиц, взвешенных в жидкости помещается между двумя слоями стекол или пластика (или присоединяется к одному слою). Если напряжение не приложено, взвешенные частицы ориентированы случайно и поглощают свет, так, что стекло выглядит темным (непрозрачным), синим или реже серым или черным.

Если напряжение приложено, взвешенные частицы выравниваются и позволяют свету проходить. Смарт-стекло на основе взвешенных частиц может мгновенно переключаться и позволяет осуществлять точный контроль количества проходящего света и тепла. Маленький, но постоянный ток необходим все время, пока смарт-стекло находится в прозрачном состоянии.

Электрохромные устройства

Видео, иллюстрирующее работу электрохромного стекла

Электрохромные, или электрохромические устройства изменяют прозрачность материала при подаче напряжения и тем самым контролируют количество пропускаемого света и тепла: состояние меняется между цветным, полупрозрачным состоянием (обычно синий) и прозрачным. Оттенки в «темном» состоянии могут быть от самой насыщенной тонировки до едва заметного затенения. Обычно подача напряжения необходима только для изменения степени прозрачности, но после того, как состояние изменилось, нет необходимости в электропитании для поддержания достигнутого состояния.

Затемнение возникает по краям, перемещается внутрь — это медленный процесс, занимающий от многих секунд до нескольких минут в зависимости от размеров окна («радужный эффект»).

Электрохимические материалы используются для контроля количества света и тепла, проходящего через окна, применяются в автомобильной индустрии для автоматического затемнения зеркал заднего вида автомобиля при различном освещении. Электрохромное стекло обеспечивает видимость даже в затемненном состоянии и тем самым сохраняет визуальный контакт с внешней средой. Это используется в небольших приложениях, как, например, зеркалах заднего обзора. Электрохромная технология также находит применение во внутренних устройствах, например, для защиты объекта под стеклом в музее и картин от повреждающего воздействия ультрафиолета и световых волн видимого диапазона.

Примером электрохромного материала служит полианилин, который может быть создан электрохимически или химическим окислением анилина. При погружении электрода в соляную кислоту с небольшой примесью анилина, на нём формируется пленка полианилина. В зависимости от окислительно-восстановительного состояния, полианилин может окраситься жёлтым или темно-зеленым/черным. Другими электрохромными материалами, применяющимися на практике, являются виологены и оксид вольфрама WO₃, который находит наибольшее применение при производстве электрохромных или смарт-стекол.

Виологен используется в соединении с диоксидом титана TiO₂ для создания небольших цифровых дисплеев. Ожидается, что они заменят жидкокристаллические экраны, так как виологен (обычно темно-синий) контрастирует со светлым титаном, обеспечивая высокую контрастность экрана.

Последние достижения в электрохромных материалах относящиеся к переходным электрохромическим металл-гидридам привели к разработке отражающих гидридов, которые становятся более отражающими, чем поглощающими, переключая состояния между «прозрачным» и «зеркальным».

Технология производства

Смарт-стекло производится путем триплексования двух или более листов стекла, поликарбоната или их сочетания. Наиболее распространены следующие технологии^[1] изготовления панелей смарт-стекла по типу используемых ламинирующих пленок:

• EVA — этиленвинилацетатная пленка;
• PVB — поливинилбутиральная пленка;
• TPU — пленка из термопластичного полиуретана.

Примеры использования

Смарт-стекло может использоваться как в наружных, так и во внутренних инсталляциях. Например, огромный экран из смарт-стекла с изменяющейся матовостью служит дисплеем в Guinness Storehouse (Дублин). Рекламная кампания Nissan Micra CC в Лондоне проводилась с использованием коробов с четырьмя панелями из смарт-стекла, которые последовательно изменяли матовость для создания поразительной рекламной инсталляции на улицах города.

Пример рационального использования обычно ограниченного музейного пространства — экспозиционные витрины и выгородки, трансформирующиеся в мультимедийные экраны. Проект этого типа реализован в российской части экспозиции музея Аушвиц-Биркенау в Освенциме, Польша.

Другой пример использования — огромный стеклянный куб, способный выезжать из здания жилой башни на высоте 88 этажа (Eureka Towers, Мельбурн, Австралия). Куб вмещает в себя 13 человек. Когда он выступает на 3 м, стекло становится прозрачным, предоставляя возможность посетителям обзор Мельбурна с высоты 275 м.^[2]

Основное использование смарт-стекла — внутренние перегородки и двери, которые многие компании используют для организации конфиденциальных комнат переговоров. В обычном состоянии такие помещения являются частью внутреннего пространства офиса, но при необходимости служат приватным помещением. Такую же функцию выполняет смарт-стекло в госпиталях для организации комнат осмотра пациентов. Также умное стекло используется в кассовых зонах банков, в зонах отдыха и примерочных в магазинах.

В рекламе используются витрины из смарт-стекла, выходящие на улицу, для презентаций и рекламных роликов. По необходимости, смарт-стекло может становиться прозрачным для обзора интерьера помещения или выставленных образцов (одежды, машин и т. д.), либо матовым и использоваться в качестве проекционного экрана.

В Boeing 787 Dreamliner используются электрохромные окна, которые заменяют заслонки иллюминаторов самолета. NASA рассматривает возможность использования электрохромного остекления для управления температурой в новых космических кораблях Орион и Альтаир.

Смарт-стекло также используется в некоторых малых сериях автомобилей. Например, в Ferrari 575 M Superamerica установлена крыша из смарт-стекла; такая же опция есть в автомобилях Maybach.

Панели смарт-стекла, изготовленные с применением специальной звукопоглощающей пленки PVB, используются для акустического зонирования помещений различного назначения.

Ссылки

• Electronic Smart Glasses на GlassOnWeb.
• Chromogenics, in: Windows and Daylighting at Lawrence Berkeley National Laboratory
• Smart glass blocks infrared when heat is on, NewScientist.com news service
• PDLC switchable windows, Liquid Crystal Institute at Kent State University
• Switchable Glass: A possible medium for Evolvable Hardware, NASA conference on Adaptive Hardware Systems, IEEE CS Press, pp 81-87, 2006.
• Switchable Glazing Windows Change the light transmittance, transparency, or shading of windows at toolbase.org

Примечания

1. ↑ Технология производства смарт стекла
2. ↑ Eureka Skydeck 88 | Melbourne | The Thousands

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставив сноски, внести более точные указания на источники.