Умное стекло или переключаемое стекло (также умные окна или переключаемые окна в этих приложениях) - это стекло или остекление , свойства светопропускания которых изменяются при приложении напряжения, света или тепла. В общем, стекло меняется с прозрачного на полупрозрачное и наоборот, переходя от пропускания света к блокированию некоторых (или всех) длин волн света и наоборот.
Технологии интеллектуального стекла включают электрохромные , фотохромные , термохромные , жидкокристаллические устройства с взвешенными частицами , микрозатворы и диспергированные в полимере . [1]
При установке в ограждающих конструкциях зданий интеллектуальное стекло создает оболочки здания, адаптирующиеся к климатическим условиям .
Умное стекло с электрическим переключением
Устройства с взвешенными частицами
В устройствах с взвешенными частицами (SPD) тонкопленочный ламинат стержневидных наноразмерных частиц суспендируют в жидкости и помещают между двумя кусками стекла или пластика или прикрепляют к одному слою. Когда напряжение не подается, взвешенные частицы располагаются случайным образом, таким образом блокируя и поглощая свет. При подаче напряжения взвешенные частицы выравниваются и пропускают свет. Изменение напряжения пленки изменяет ориентацию взвешенных частиц, тем самым регулируя оттенок стекла и количество пропускаемого света. УЗИП можно вручную или автоматически «настраивать» для точного управления количеством проходящего света, бликов и тепла.
Электрохромные устройства
Электрохромные устройства изменяют свойства светопропускания в зависимости от напряжения и, таким образом, позволяют контролировать количество проходящего света и тепла. [2] В электрохромных окнах электрохромный материал меняет свою непрозрачность . Для изменения его непрозрачности требуется электрический разряд, но после того, как изменение было произведено, электричество не требуется для поддержания определенного достигнутого оттенка. [3]
Электрохромные технологии первого поколения, как правило, имеют желтый оттенок в их прозрачных состояниях и синие оттенки в их тонированных состояниях. Затемнение происходит от краев, двигаясь внутрь, и это медленный процесс, от многих секунд до нескольких минут (20–30 минут) в зависимости от размера окна. Новые электрохромные технологии устраняют желтый оттенок в прозрачном состоянии и окрашивают до более нейтральных оттенков серого, окрашивая равномерно, а не снаружи, и ускоряют скорость тонирования до менее трех минут, независимо от размера стекла. Электрохромное стекло обеспечивает видимость даже в затемненном состоянии и, таким образом, сохраняет визуальный контакт с окружающей средой.
Недавние достижения в области электрохромных материалов, относящихся к электрохромности гидридов переходных металлов, привели к развитию отражающих гидридов, которые становятся отражающими, а не поглощающими, и, таким образом, переключают состояния между прозрачным и зеркальным.
Последние достижения в области модифицированных пористых нанокристаллических пленок позволили создать электрохромный дисплей. Структура дисплея с одной подложкой состоит из нескольких уложенных друг на друга пористых слоев, напечатанных друг на друге на подложке, модифицированной прозрачным проводником (например, ITO или PEDOT: PSS ). Каждый печатный слой имеет определенный набор функций. 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 улучшения электрических характеристик. Слой изолятора служит для увеличения контрастности и электрического отделения рабочего электрода от противоэлектрода. Противоэлектрод обеспечивает высокую емкость для уравновешивания заряда, вводимого / извлекаемого на электроде SEG (и поддерживая общую нейтральность заряда устройства). Углерод является примером пленки резервуара заряда. Проводящий углеродный слой обычно используется в качестве проводящего заднего контакта для противоэлектрода. На последнем этапе печати на пористую монолитную структуру наносят поверх жидкого или полимерно-гелевого электролита, сушат, а затем можно включить в различные капсулы или корпуса, в зависимости от требований применения. Дисплеи очень тонкие, обычно 30 микрометров, или примерно 1/3 человеческого волоса. Устройство можно включить, приложив электрический потенциал к прозрачной проводящей подложке относительно проводящего углеродного слоя. Это вызывает уменьшение количества молекул виологена (окрашивание) внутри рабочего электрода. Путем изменения приложенного потенциала или обеспечения пути разряда устройство обесцвечивается. Уникальной особенностью электрохромного монолита является относительно низкое напряжение (около 1 В), необходимое для окрашивания или обесцвечивания виологенов. Это можно объяснить небольшими перенапряжениями, необходимыми для электрохимического восстановления адсорбированных на поверхности виологенов / хромогенов.
Полимерно-дисперсионные жидкокристаллические устройства
В жидкокристаллических устройствах с дисперсией полимеров (PDLC) жидкие кристаллы растворяются или диспергируются в жидком полимере с последующим отверждением или отверждением полимера. Во время превращения полимера из жидкого в твердый жидкие кристаллы становятся несовместимыми с твердым полимером и образуют капли по всему твердому полимеру. Условия отверждения влияют на размер капель, которые, в свою очередь, влияют на конечные рабочие свойства «умного окна». Обычно жидкую смесь полимера и жидких кристаллов помещают между двумя слоями стекла или пластика, которые включают тонкий слой прозрачного проводящего материала с последующим отверждением полимера, тем самым формируя базовую многослойную структуру интеллектуального окна. Эта структура фактически представляет собой конденсатор.
К прозрачным электродам прикреплены электроды от источника питания. Без приложенного напряжения жидкие кристаллы случайным образом располагаются в каплях, что приводит к рассеянию света при его прохождении через узел интеллектуального окна. В результате получается полупрозрачный «молочно-белый» вид. Когда на электроды подается напряжение, электрическое поле, образованное между двумя прозрачными электродами на стекле, заставляет жидкие кристаллы выравниваться, позволяя свету проходить через капли с очень небольшим рассеянием и приводя к прозрачному состоянию. Степень прозрачности можно контролировать с помощью приложенного напряжения. Это возможно, потому что при более низких напряжениях только несколько жидких кристаллов полностью выравниваются в электрическом поле, поэтому проходит только небольшая часть света, в то время как большая часть света рассеивается. По мере увеличения напряжения меньше жидких кристаллов остается не выровненных, что приводит к меньшему рассеянию света. Также можно контролировать количество проходящего света и тепла, когда используются оттенки и специальные внутренние слои.
Микро-жалюзи
Микро-жалюзи контролируют количество проходящего света в зависимости от приложенного напряжения. Микро-жалюзи представляют собой рулонные тонкие металлические жалюзи на стекле. Они очень маленькие и поэтому практически незаметны для глаза. Металлический слой наносится магнетронным распылением и формируется с помощью лазера или литографии. Стеклянная подложка включает тонкий слой прозрачного проводящего оксида (TCO). Между слоем прокатанного металла и слоем ППО размещается тонкий изолятор для отключения электричества. При отсутствии напряжения микро-жалюзи закатываются и пропускают свет. Когда существует разность потенциалов между прокатанным металлическим слоем и прозрачным проводящим слоем, электрическое поле, образованное между двумя электродами, заставляет свернутые микрошторы растягиваться и, таким образом, блокировать свет. Микро-жалюзи имеют несколько преимуществ, включая скорость переключения (миллисекунды), стойкость к ультрафиолетовому излучению, индивидуальный внешний вид и прозрачность. Микро-жалюзи разработаны Национальным исследовательским советом (Канада) . Микро-жалюзи для умного стекла
Связанные области технологий
Выражение « умное стекло» можно интерпретировать в более широком смысле, включая остекление, которое изменяет свойства светопропускания в ответ на сигнал окружающей среды, такой как свет или температура.
- Различные типы остекления могут проявлять множество хромовых явлений , то есть на основе фотохимических эффектов остекление изменяет свои светопропускающие свойства в ответ на сигнал окружающей среды, такой как свет ( фотохромизм ), температура ( термохромизм ) или напряжение ( электрохромизм ).
- Жидкие кристаллы, когда они находятся в термотропном состоянии, могут изменять свойства пропускания света в зависимости от температуры.
- Были исследованы различные металлы. Тонкие пленки Mg-Ni имеют низкий коэффициент пропускания видимого света и обладают отражающей способностью. Когда они подвергаются воздействию газообразного H 2 или восстанавливаются щелочным электролитом, они становятся прозрачными. Этот переход объясняется образованием гидрида никеля магния , Mg 2 NiH 4 . Пленки были созданы путем совместного распыления из отдельных мишеней из Ni и Mg, чтобы облегчить изменение состава. В конечном итоге можно будет использовать магнетронное распыление на постоянном токе с одной мишенью, что будет относительно просто по сравнению с осаждением электрохромных оксидов, что сделает их более доступными. Национальной лаборатории Лоренса Беркли установили , что новые переходные металлы были более дешевыми и менее реактивным, но содержали те же качества, тем самым дополнительно уменьшая стоимость.
- Покрытие из диоксида ванадия VO 2, легированного вольфрамом, отражает инфракрасный свет, когда температура поднимается выше 29 ° C (84 ° F), чтобы блокировать проникновение солнечного света через окна при высоких температурах окружающей среды. Диоксид ванадия претерпевает переход из полупроводника в металл при относительно низкой температуре. Этот переход изменяет материал с проводящих свойств на изолирующие и приводит к изменению цвета стекла, а также его пропускающих свойств. Как только покрытие претерпевает это изменение, оно может эффективно предохранять то, что оно изолирует, от нагрева за счет фильтрации инфракрасного спектра. [4]
Эти типы остекления нельзя контролировать вручную. Напротив, все интеллектуальные окна с электрическим переключением могут быть автоматически адаптированы к своим свойствам пропускания света в зависимости от температуры или яркости путем интеграции с термометром или фотосенсором , соответственно.
Примеры использования
Башня Эврика в Мельбурне представляет собой стеклянный куб, который выступает на 3 м (10 футов) из здания с посетителями внутри и подвешен на высоте почти 300 м (984 фута) над землей. Когда кто-то входит, стекло становится непрозрачным, поскольку куб выходит за край здания. После того, как стекло полностью вытянуто за край, оно становится прозрачным. [5]
Boeing 787 Dreamliner оснащен электрохромное окно , которые заменили выпадающее окно оттенков на существующих воздушных судах. [6]
НАСА изучает возможность использования электрохромики для управления тепловым воздействием недавно разработанных космических аппаратов Орион и Альтаир .
Умное стекло использовалось в некоторых небольших автомобилях, включая Ferrari 575 M Superamerica . [7]
В высокоскоростных поездах ICE 3 между пассажирским салоном и кабиной машиниста используются электрохроматические стеклянные панели.
На элеваторы в Вашингтоне памятник использовать смарт - стекла для того , чтобы пассажиры , чтобы посмотреть памятные камни внутри памятника.
Городской туалет на площади Museumplein в Амстердаме оснащен интеллектуальным стеклом, чтобы упростить определение степени занятости пустой кабины, когда дверь закрыта, а затем для обеспечения конфиденциальности, когда она занята.
Bombardier Transportation имеет интеллектуальные размытые окна в Bombardier Innovia APM 100, работающем на сингапурской линии Bukit Panjang LRT , чтобы пассажиры не могли заглядывать в квартиры во время движения поезда [8], и планирует предложить окна с использованием технологии интеллектуального стекла в своей Flexity 2 легкорельсовых транспорта . [9]
Китайский производитель телефонов OnePlus продемонстрировал телефон, задние камеры которого размещены за панелью из электрохромного стекла. [10]
В общественных туалетах в Токио используется эта технология, когда дверь в туалеты, в которых находятся люди, закрыты. [11]
В популярной культуре
- Фильм 1982 года « Бегущий по лезвию» содержит раннее изображение умного стекла в сцене, в которой комната затемнена абажуром, похожим на умное стекло, поэтому Рик Декард , которого играет Харрисон Форд , может провести тест на полиграфе, чтобы определить, сможет ли Рэйчел Изображаемый Шоном Янгом , является органическим роботом, известным как репликант .
- В фильме 1993 года « Филадельфия» есть сцена, в которой большой конференц-зал в центре юридической фирмы имеет стеклянные стены с трех сторон. Джейсон Робардс говорит: «Не могли бы вы ударить по окнам?», И щелкает переключатель, и все окна сразу становятся полупрозрачными, так что никто не может увидеть, как они стреляют в персонажа Тома Хэнкса. [12]
- В игре Dino Crisis 1999 года есть «пуленепробиваемое стекло, сделанное из жидких кристаллов. Вы не можете видеть сквозь него, потому что в настоящее время оно находится в« дымовом »режиме», поскольку главная героиня Регина описывает стеклянную панель в последней области. игры.
- Умное стекло можно увидеть в фильме 2002 года «Сумма всех страхов» , в котором Джека Райана , которого играет Бен Аффлек , вводят в секретную комнату в Пентагоне , окна которой белеют, когда дверь закрывается.
- Умное стекло можно увидеть в третьем сезоне телесериала 24 , где Джек Бауэр изменил видимость на матовое стекло, чтобы скрыть вид, когда он вводил героин.
- Умное стекло упоминается в третьем сезоне, пятом эпизоде CSI: Майами под названием «Legal», в котором молодая женщина, работающая под прикрытием, чтобы разоблачить употребление алкоголя несовершеннолетними, убита в комнате, защищенной тем, что Райан Вулф назвал «умным стеклом», где закрытие двери замыкает электрическую цепь, в результате чего стекло замерзает и становится непрозрачным. Эпизод впервые вышел в эфир в 2004 году.
- Умное стекло можно увидеть в телесериале « Обмани меня», где комната для допросов в офисе Lightman Group представляет собой коробку размером с комнату в большой комнате с умными стеклянными стенами. Стены кажутся белыми и непрозрачными большую часть времени, но их можно сделать прозрачными, чтобы увидеть тех, кто наблюдает за объектом со стороны.
- Умное стекло было показано в видеоигре Tom Clancy's Splinter Cell: Chaos Theory в 2005 году в пятой миссии «Displace International», что позволило главному герою быстро переключаться между режимами включения и выключения с помощью своего пистолета OCP.
- Умное стекло было показано в фильме « Железный человек» (2008) после того, как репортер Кристин Эверхарт проснулась после однодневной встречи с Тони Старком .
- Умное стекло используется в 8-м эпизоде 8-го сезона 1-го сезона « Белых воротничков » «Жесткая продажа», когда Нил приходит сказать Дэниелу Риду, что Эйвери планирует предать его. Дэниел щелкает выключателем, и окно его офиса покрывается инеем, из-за чего Эйвери не может заглянуть внутрь, пока они разговаривают.
- Смарт-стекло было показано в фильме о Джеймсе Бонде 2012 года « Скайфолл» , в котором Рауль Сильва был показан М.
- Умное стекло использовалось в ванной комнате в The Real World: Austin .
- Умное стекло с регулируемой яркостью было показано в фильме 2014 года Капитан Америка: Зимний солдат в офисе SHIELD в Вашингтоне, округ Колумбия.
- Умное стекло было показано в анимационном фильме 2014 года « Большой герой 6» , который Тадаси Хамада использовал в своем офисе.
- В пятом сезоне « Ангела» умное стекло обрамляет внутреннюю стену офиса Ангела и может быть покрыто инеем одним щелчком переключателя под столом Ангела. (Вымышленное безопасное для вампиров "закаленное стекло" окаймляет внешние стены здания.)
- Электрохромное стекло широко используется в видеоигре Deus Ex: Mankind Divided 2016 года . Стекло EC часто используется для блокировки / разблокировки обзора между помещениями и окружающей средой.
- В корейской драме 2018 года `` Что не так с секретарем Ким '' Ли Ён Чжун обнимал свою секретаршу Ким Ми Со, когда внезапно трое друзей Ми Со, г-н Чон, Ким Чжи-а и г-жа Бонг, оказались наблюдая за ними из окна мистера Ли. Ми-со поняла, что за ними наблюдают, поэтому схватила пульт и активировала электрохомическое стекло, чтобы они не видели, что происходит.
- В видеоигре 2013 года Grand Theft Auto V определенное здание, купленное игроком в онлайн-режиме игры, может быть улучшено с помощью «стекла конфиденциальности».
Смотрите также
- Антибликовый белый
- Слепота
- Стекло с подогревом
- Умный фильм
Рекомендации
- ^ Baetens, R .; Jelle, BP; Густавсен, А. (2010). «Свойства, требования и возможности интеллектуальных окон для динамического контроля дневного света и солнечной энергии в зданиях: современный обзор». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 94 (2): 87–105. DOI : 10.1016 / j.solmat.2009.08.021 . ЛВП : 11250/2473860 .
- ^ Сюй, Тин; Вальтер, Эрих С .; Агравал, Амит; Бон, Кристофер; Велмуруган, Жейавель; Чжу, Венци; Lezec, J .; Талин, А.Алец (27 января 2016 г.). «Высококонтрастное и быстрое электрохромное переключение на основе плазмоники» . Nature Communications . 7 : 10479. Bibcode : 2016NatCo ... 710479X . DOI : 10.1038 / ncomms10479 . PMC 4737852 . PMID 26814453 .
- ^ Мортимер, Роджер Дж. «Переключение цветов с помощью электричества» . Американский ученый . Проверено 2 августа 2018 .
- ^ С. Шинишевский, Р. Фогель, Ф. Биттнер, Э. Якубчик, М. Андерсон, М. Пелаччи, А. Чинеду, Х.-Дж. Эндрес и Т. Хипке, «Неразрезанный материал, созданный в результате локального резонанса и эффектов скорости деформации», Scientific Reports, vol. 10, вып. 1, 2020. «Интеллектуальные термохромные окна», Журнал химического образования. [В сети]. Доступно по адресу : https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed083p393?casa_token=zJ-zsaZpN04AAAAA%3AlgN2ih2sSofIpAKDIq3fo3Ol0D1TPwDoVlCvMNCk4_sEYisdAwOj_sEYisZftw_sEYisZftwR . [Доступ: 19 октября 2020 г.].
- ^ «Испытайте ужасающий край в Эврика-Тауэр» . Вестник Солнца . news.com.au. 29 апреля 2007 г.
- ^ «Как работают волшебные окна в самолете Boeing 787 Dreamliner» . Gizmodo. 10 августа 2011 . Проверено 2 августа 2018 .
- ^ МакГрат, Дженни (7 августа 2015 г.). «Охлаждение дома: новое умное стекло может блокировать и тепло, и свет» . Цифровые тенденции . Проверено 3 августа 2018 .
- ^ «Bombardier INNOVIA APM100 (C801), Сингапур» . SG Поезда. 2015-07-23. Архивировано 23 июля 2015 года.
Поезда Bombardier INNOVIA APM100 (C801) - это первый в Сингапуре вариант вагонов LRT, который курсирует на 14 станциях Bukit Panjang LRT Line, эксплуатируемых SMRT Light Rail Ltd. Они были впервые разработаны Adtranz как CX-100, которые позже были приобретены компанией Adtranz. Bombardier Transportation и переименована в 2001 году.
- ^ «Компания Bombardier продемонстрирует нюансы систем технического зрения с помощью SPD-SmartGlass от Research Frontiers на выставке InnoTrans 2014 в Берлине, Германия» . CNN Деньги . 2014-09-18. Архивировано 19 сентября 2014 года.
Эта технология окон с электронной регулировкой яркости обеспечивает непревзойденную теплоизоляцию: SPD-SmartGlass существенно препятствует проникновению солнечного тепла через окна. По сравнению с обычным автомобильным стеклом Mercedes-Benz сообщил, что использование SPD-SmartGlass значительно снизило температуру внутри автомобиля на 10 ° C / 18 ° F. Это увеличивает комфорт пассажиров и снижает нагрузку на кондиционер, тем самым экономя топливо и сокращая выбросы CO2.
- ^ «OnePlus Concept One: подробности, характеристики, исчезающая камера» - через www.wired.com.
- ^ «Прозрачный общественный туалет Токио» - через YouTube.com.
- ^ https://www.youtube.com/watch?v=xlgwSO7QY5s
дальнейшее чтение
- Гранквист, Клас-Йоран (2002) [1995]. Справочник неорганических электрохромных материалов . Амстердам: Эльзевир. ISBN 9780444541635. OCLC 754957758 .
Внешние ссылки
- Хромогеника , в: Окна и дневное освещение в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
- Переключаемое остекление окон Измените коэффициент пропускания света, прозрачность или затенение окон на toolbase.org