Смарт стекло

Смарт стекло (англ. smart glass). Также используются названия: электрохромное стекло, умное стекло, стекло с изменяющимися свойствами — это 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 при 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-end 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-ти 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 «сэндвичная» 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 «молочный 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.
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 с взвешенными частицами (SPD)
В устройствах с 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
Электрохромные (греч. Χρώμα - цвет) 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.
Хороший пример электрохромного материала — полианилин, который может быть создан электрохимически или химическим окислением анилина. При погружении электрода в соляную кислоту с небольшой примесью анилина, на нем формируется пленка полианилина. В зависимости от окислительно-восстановительного состояния, полианилин может окраситься желтым 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 2-х или более листов стекла, поликарбоната или их сочетания. Наиболее распространены следующие технологии изготовления панелей смарт стекла по типу используемых ламинирующих пленок:
EVA — этиленвинилацетатная пленка, обладает хорошей адгезией (липкостью) к пластикам и стеклу. Основные преимущества — низкая стоимость как пленки, так и оборудования. Для изготовления триплекса достаточно иметь примитивную печь с вакуумными мешками. Недостатки — высокая опалесценция (мутность), особенно при многослойном ламинировании, со временем появляется желтизна. EVA имеет низкую прочность на сдвиг, особенно при минусовых температурах, что приводит к деламинации (расслоению), чувствительна к влажности. Одна из особенностей смарт стекла, изготовленного по технологии EVA — непредсказуемое по времени появление отлипов (расслоений).
PVB — поливинилбутиральная пленка, обладает высокой адгезией к стеклу и низкой — к пластикам. Основные преимущества — низкая стоимость массового производства триплекса, ничтожная опалесценция, высокое качество готового продукта. Недостатки — высокая стартовая стоимость оборудования, требуется автоклав, пресс предварительной горячей опрессовки (колландер), «чистая» комната, квалифицированный персонал. Кроме того, триплекс, изготовленный по технологии PVB, не может использоваться в условиях повышенной влажности. Применительно к производству смарт стекла, данная технология даёт гораздо лучшие, чем EVA, результаты.
TPU — пленка из термопластичного полиуретана, обладает чрезвычайно высокой адгезией к стеклу и пластикам. Основные преимущества — ничтожная опалесценция, невосприимчивость к влажности, механическим нагрузкам и действиям агрессивных сред, очень высокое качество готового продукта. Недостатки — высокая стоимость пленки и оборудования, требуется автоклав, «чистая» комната, квалифицированный персонал. Применительно к производству смарт стекла, данная технология даёт превосходные результаты. О качестве триплекса, изготовленного с применением TPU, говорит тот факт, что именно этот материал используется для производства изделий остекления для аэрокосмической отрасли.


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, компанией "Штивер" с использованием смарт стекла Polyvision.
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 метра, стекло становится прозрачным, предоставляя возможность посетителям обзор Мельбурна с высоты 275 метров.
Основное использование смарт-стекла — внутренние перегородки и двери, которые многие компании используют для организации конфеденциальных 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.
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 новом Боинге 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. Подобный проект реализован в Москве компанией "Штивер", использовалась низковольтная смарт пленка Polyvision 4-го поколения.