Умное стекло - Smart glass

Эта статья про окна с переменной непрозрачностью. Информацию о носимых компьютерах см. Умные очки. Для приложения управления Xbox см. Xbox SmartGlass.

Умное стекло или же переключаемое стекло (также умные окна или же переключаемые окна в этих приложениях) является стекло или же остекление чьи светопропускающие свойства изменяются при приложении напряжения, света или тепла. В общем стекло меняется с прозрачный к полупрозрачный и наоборот, переход от пропуска света к блокированию некоторых (или всех) длин волн света и наоборот.

Технологии умного стекла включают электрохромный, фотохромный, термохромный, взвешенная частица, микро-слепой, и полимерно-дисперсный жидкокристаллический устройств.[1]

При установке в оболочку зданий умное стекло создает климатически адаптивные строительные оболочки.

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 кусочками стекла или пластика или прикрепляют к одному слою. Когда напряжение не подается, взвешенные частицы организованы случайным образом, блокируя и поглощая свет. Когда подается напряжение, взвешенные частицы выравниваются и пропускают свет. Изменение напряжения пленки изменяет ориентацию взвешенных частиц, тем самым регулируя оттенок стекла и количество проходящего света. УЗИП можно вручную или автоматически «настраивать» для точного управления количеством проходящего света, бликов и тепла.

Электрохромные устройства

Электрохромные устройства изменяют свойства пропускания света в зависимости от напряжения и, таким образом, позволяют контролировать количество проходящего света и тепла.[2] В электрохромных окнах электрохромный материал меняет свой 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 же ПЕДОТ: PSS ). Каждый печатный слой имеет определенный набор функций. Рабочий электрод состоит из положительного пористого полупроводника, такого как диоксид титана, с адсорбированным хромогены. 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 наносится печать жидким или полимерно-гелевым электролитом, сушится, а затем она может быть включена 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 полимерно-дисперсных жидкокристаллический В устройствах (PDLC) жидкие кристаллы растворяются или диспергируются в жидком полимере с последующим отверждением или отверждением полимера. Во время перехода полимера из жидкого в твердое состояние жидкие кристаллы становятся несовместимыми с твердым полимером и образуют капли по всему твердому полимеру. Условия отверждения влияют на размер капель, что, в свою очередь, влияет на конечные рабочие свойства «умного окна». Обычно жидкая смесь полимера и жидких кристаллов помещается 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 является конденсатором.

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

Изображение микроскопических жалюзи с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ)

Микро-жалюзи контролируют количество проходящего света в ответ на приложенное напряжение. 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 прозрачный проводящий оксид (TCO) слой. 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 тем самым блокировать свет. Микро-жалюзи имеют несколько преимуществ, включая скорость переключения (миллисекунды), стойкость к ультрафиолетовому излучению, индивидуальный внешний вид и прозрачность. Микро-жалюзи разработаны на заводе Национальный исследовательский совет (Канада).Микро-жалюзи для умного стекла

Связанные области технологий

Выражение умное стекло можно интерпретировать в более широком смысле, включая также остекление, которое изменяет свойства пропускания света в ответ на сигнал окружающей среды, такой как свет или температура.

  • Разные виды остекления могут показывать различные хромовые явления, то есть на основе фотохимический влияет на то, что 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 термотропный состояние, может изменять свойства пропускания света в зависимости от температуры.
  • Были исследованы различные металлы. Тонкие пленки Mg-Ni имеют низкий коэффициент пропускания видимого света и отражают. Когда они подвергаются воздействию H2 газа или восстановленных щелочным электролитом, они становятся прозрачными. Этот переход связывают с образованием гидрид никеля магния, Mg2Национальные институты здравоохранения США4. Пленки были созданы путем совместного распыления из отдельных мишеней Ni и Mg, чтобы облегчить изменение состава. Одиночная мишень постоянного тока Со временем можно будет использовать магнетронное распыление, которое будет относительно простым по сравнению с нанесением электрохромных оксидов, что сделает их более доступными. В Национальная лаборатория Лоуренса Беркли определили, что новые переходные металлы дешевле и менее химически активны, но имеют те же качества, что еще больше снижает стоимость.
  • Легированный вольфрамом Диоксид ванадия VO2 Покрытие 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 настроены автоматически адаптировать свои светопропускающие свойства в зависимости от температуры или яркости путем интеграции с термометром или фотосенсор, соответственно.

Примеры использования

ДВС 3 поезд с видом на кабину машиниста
ДВС 3 поезд со стеклянной панелью переведен в "матовый" режим

Эврика Тауэр в Мельбурн имеет стеклянный куб, который выступает на 3 м (10 футов) от здания с посетителями внутри, подвешен почти на 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]

В Boeing 787 Dreamliner имеет электрохромные окна, которые заменили опускающиеся оконные шторы на существующих самолетах.[6]

НАСА изучает использование электрохромики для управления тепловой средой, с которой сталкиваются недавно разработанные Орион и Альтаир космические аппараты.

Умное стекло использовалось в некоторых автомобилях небольшого производства, включая Ferrari 575 M Суперамерика.[7]

ДВС 3 В высокоскоростных поездах между пассажирским салоном и кабиной машиниста используются электрохроматические стеклянные панели.

В лифты в Монумент Вашингтона используйте умное стекло, чтобы пассажиры могли видеть памятные камни внутри памятника.

Городской туалет в Амстердаме Museumplein Square оснащен интеллектуальным стеклом для облегчения определения статуса занятости пустой кабины при закрытой двери, а затем для обеспечения конфиденциальности, когда она занята.

Бомбардье Транспорт имеет интеллектуальные окна размытия в Bombardier Innovia APM 100 работает в Сингапуре Линия Bukit Panjang LRT, чтобы пассажиры не могли заглядывать в квартиры во время движения поезда[8] и планирует предложить окна с использованием технологии умного стекла в своем Гибкость 2 легкорельсовый транспорт.[9]

Китайский производитель телефонов OnePlus продемонстрировали телефон, у которого задние камеры размещены за панелью из электрохромного стекла.[10]

Общественные туалеты в Токио используйте эту технологию, когда дверь занятого туалета заперта.[11]

В популярной культуре

  • Фильм 1982 года Бегущий по лезвию содержит раннее изображение умного стекла в сцене, в которой комната затемнена оттенком, подобным умному стеклу, поэтому Рик Декард, В исполнении Харрисон Форд, может провести тест на полиграфе, чтобы определить, есть ли у Рэйчел, изображенная Шон Янг, это органический робот, известный как репликант.
  • Фильм 1993 года Филадельфия представляет собой сцену, 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 видно в фильме 2002 года Сумма всех страхов, в котором Джек Райан, В исполнении Бен Аффлек, вводят в секретную комнату в Пентагон, окна которых белеют, когда дверь закрывается.
  • Умное стекло можно увидеть в третьем сезоне телесериала 24, куда Джек Бауэр изменил видимость на матовое стекло, чтобы скрыть вид, когда он вводил героин.
  • Умное стекло упоминается в третьем сезоне пятой серии CSI: Майами под названием «Legal», в котором молодая женщина, работающая под прикрытием с целью разоблачения употребления алкоголя несовершеннолетними, убита в комнате, защищенной каким-то Райан Вулф называется «интеллектуальным стеклом», когда при закрытии двери замыкается электрическая цепь, в результате чего стекло замерзает и становится непрозрачным. Эпизод впервые вышел в эфир в 2004 году.
  • Умное стекло видели в телесериале Лги мне с комнатой для допросов / интервью в офисах Lightman Group, состоящей из ящика 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 представлено в видеоигре 2005 года Splinter Cell Тома Клэнси: Теория хаоса в пятой миссии "Displace International", что позволило главный герой чтобы быстро переключаться между режимами включения и выключения с помощью своего пистолета OCP.
  • Умное стекло было показано в фильме Железный человек (2008), после репортера Кристин Эверхарт просыпается после одной ночи с Тони Старк.
  • Смарт-стекло используется в Белый воротничок сезон 1 эпизод 8 "Жесткая продажа", когда Нил приходит сказать Дэниелу Риду, что Эйвери планирует его предать. Дэниел щелкает выключателем, и окно его офиса покрывается инеем, не позволяя Эйвери заглянуть внутрь, пока они разговаривают.
  • Умное стекло было показано в фильме о Джеймсе Бонде 2012 года Skyfall, раскрывая Рауль Сильва М после того, как его поймали.
  • Смарт-стекло было использовано в ванной в Реальный мир: Остин.
  • Умное стекло с регулируемой яркостью было показано в фильме 2014 года, Капитан Америка: Зимний солдат, в S.H.I.E.L.D. офис в Вашингтоне, округ Колумбия
  • Умное стекло было показано в мультфильме 2014 года Большой герой 6, использован Тадаши Хамада для своего офиса.
  • в пятый сезон из Ангел, умное стекло обрамляет внутреннюю стену офиса Ангела и может быть покрыто инеем одним щелчком переключателя под столом Ангела. (Вымышленное безопасное для вампиров "закаленное стекло" обрамляет внешний стены здания.)
  • Электрохромное стекло будет широко использоваться в 2016 году. видео игра Deus Ex: Mankind Divided. Стекло EC часто используется для блокировки / разблокировки обзора между помещениями и окружающей средой.
  • В корейской драме 2018 года Что случилось с секретарем Ким Ли Ён Чжун обнимал свою секретаршу Ким Ми Со, как вдруг трое друзей Ми Со, г-н Чон, Ким Джи-а и г-жа Бонг, наблюдали 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, приобретенное игроком в онлайн-режиме игры, можно улучшить с помощью «стекла конфиденциальности».

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Baetens, R .; Jelle, B.P .; Густавсен, А. (2010). «Свойства, требования и возможности умных окон для динамического контроля дневного света и солнечной энергии в зданиях: современный обзор». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 94 (2): 87–105. Дои:10.1016 / j.solmat.2009.08.021. HDL:11250/2473860.
  2. ^ Сюй, Тин; Вальтер, Эрих С .; Агравал, Амит; Бон, Кристофер; Велмуруган, Жейавель; Чжу, Вэньци; Lezec, J .; Талин, А.Алец (27 января 2016 г.). «Высококонтрастное и быстрое электрохромное переключение на основе плазмоники». Nature Communications. 7: 10479. Дои:10.1038 / ncomms10479. ЧВК  4737852. PMID  26814453.
  3. ^ Мортимер, Роджер Дж. «Переключение цветов с помощью электричества». Американский ученый. Получено 2 августа 2018.
  4. ^ С. Шинишевский, Р. Фогель, Ф. Биттнер, Э. Якубчик, М. Андерсон, М. Пелаччи, А. Чинеду, Х.-Ж. 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]. Имеется в наличии: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed083p393?casa_token=zJ-zsaZpN04AAAAA%3AlgN2ih2sSofIpAKDIq3fo3Ol0D1TPwDoVlCvMNCk4_sEYisZbDoVlCvMNCk4_sEYisZbDoWRKD03. [Доступ: 19 октября 2020 г.].
  5. ^ «Испытайте ужасающий край в Эврика-Тауэр». Вестник Солнца. news.com.au. 29 апреля 2007 г.
  6. ^ "Как волшебные окна работают в Boeing 787 Dreamliner". Gizmodo. 10 августа 2011 г.. Получено 2 августа 2018.
  7. ^ МакГрат, Дженни (7 августа 2015 г.). «Охлаждение дома: новое умное стекло может блокировать и тепло, и свет». Цифровые тенденции. Получено 3 августа 2018.
  8. ^ «Bombardier INNOVIA APM100 (C801), Сингапур». SG Поезда. 2015-07-23. В архиве из оригинала от 23.07.2015. 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, который позже был приобретен компанией Bombardier Transportation и переименована в 2001 году.
  9. ^ «Bombardier продемонстрирует нюансы систем машинного зрения с помощью SPD-SmartGlass From Research Frontiers на выставке InnoTrans 2014 в Берлине, Германия». CNN Деньги. 2014-09-18. В архиве из оригинала от 19.09.2014. 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 повышает комфорт пассажиров и снижает нагрузку на кондиционер, тем самым экономя топливо и сокращая выбросы CO2.
  10. ^ «OnePlus Concept One: подробности, характеристики, исчезающая камера» - через www.wired.com.
  11. ^ "Прозрачный общественный туалет Токио" - через YouTube.com.
  12. ^ https://www.youtube.com/watch?v=xlgwSO7QY5s

дальнейшее чтение

внешняя ссылка