Udvikling af omskiftelig spejlplade ved hjælp af gasokrom metode:Ny teknologi til energibesparende vinduesglas

Kazuki Yoshimura, Energy Control Thin Film Group, Materials Research Institute for Sustainable Development ved National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, har udviklet et omskifteligt spejl, der bruger en ny skiftemetode.

Omskiftelige spejle kan skiftes mellem en transparent tilstand og en spejltilstand. Deres brug kan give energibesparende vinduesglas, der væsentligt reducerer kølebelastningen ved effektivt at blokere for sollys. Det udviklede omskiftelige spejlark bruger ny gasokrom omskiftning, der er helt anderledes end konventionelle gasokrom omskiftningsmetoder. Den kan styre refleksionen af ​​synligt til nær-infrarødt lys ved en omskiftningshastighed, der er omkring 20 gange hurtigere end konventionelt elektrokromt omskifteligt glas. Den nuværende udvikling kan løse de problemer, der er involveret i at bringe gasokrome omskiftelige spejle i praktisk brug. Fordi tykkelsen af ​​den tynde film, der styrer lyset, er omkring 1/10 af tykkelsen af ​​konventionelle film, der forventes en væsentlig reduktion i produktionsomkostningerne.

Detaljer om denne teknologi blev udstillet og præsenteret på Nano tech 2013, den 12. internationale nanoteknologiudstilling og konference, afholdt fra 30. januar til 1. februar på Tokyo Big Site i Koto-ku, Tokyo.

Aircondition står for omkring 30 % af energiforbruget i hjemmet og på arbejdet. Et vindue er en bygningsdel, der har en væsentlig indflydelse på energiforbruget. Normalt vinduesglas transmitterer både synligt lys og varme og reducerer isoleringens effektivitet. At øge isoleringsværdien af ​​vinduer er meget effektiv til at spare energi, og dobbeltrude glas og lav-e (lav-emissivitet) glas med høje isoleringsværdier er ved at blive meget brugt. Omskifteligt glas kan styre indgående og udgående lys og varme for at øge energibesparende effekter ved at isolere varme og blokere for sollys.

Elektrisk kontrollerbart elektrokromt glas er en typisk type omskifteligt glas. For nylig, i USA, elektrokromt glas med en tynd wolframoxidfilm som det omskiftelige lag er blevet kommercialiseret til bygningsapplikationer. Imidlertid, billigt omskifteligt glas er påkrævet for at fremme den udbredte brug.

Alt konventionelt elektrokromt glas absorberer lys for at styre lyset og har derfor en ulempe; temperaturen på den tynde film stiger, og filmen genstråler varme ud i rummet. Hvis lyset kunne styres af refleksion, så kunne sollys blokeres mere effektivt. Derfor afventes omskiftelige spejle, der kan skiftes mellem transparent tilstand og spejltilstand.

Siden 2001 har AIST har udført forskning og udvikling af tyndfilmsmaterialer til omskiftelige spejle. Den har installeret vinduesglas i egentlig størrelse i en rigtig bygning og har vist, at glasset kan reducere kølebelastningen med mere end 30 % sammenlignet med konventionelle gennemsigtige dobbeltrude vinduesglas.

Elektrokromt omskifteligt glas har en kompleks struktur og er derfor meget dyrt at fremstille. Gasokromt glas har en simpel struktur bestående af to tynde film og har været forventet at være billigt omskifteligt glas. Fordelen ved gasokrom kobling er, at koblingshastigheden er størrelsesuafhængig. Derfor, metoden anses for at være velegnet til store omskiftelige glas. Imidlertid, dens holdbarhed har været et problem.

AIST har udviklet et magnesium-yttrium legering tyndfilm omskifteligt spejl, der kan yde mere end 10, 000 omskiftningscyklusser (AIST pressemeddelelse den 20. september, 2012). Imidlertid, Der er blevet rejst sikkerhedsmæssige betænkeligheder med hensyn til den brintgas, der anvendes til skiftet. AIST har derfor udført forskning og udvikling af et sikkert gasokromisk omskifteligt spejl.

Konventionelle gasokrome omskiftelige spejle er lavet af to glasruder bundet til en afstandsholder. Omskiftning udføres ved indføring af gas i rummet mellem ruderne (fig. 1). Når brint produceret ved elektrolyse af vand indføres i rummet, den omskiftelige spejl-tynde film skiftes fra en spejltilstand til en transparent tilstand ved hydrogenering. Når der indføres ilt, den tynde film skiftes tilbage fra den transparente tilstand til den spejlvendte tilstand ved dehydrogenering.

Forskeren har fundet ud af, at når glas og en gennemsigtig plade bindes sammen uden en afstandsholder, der dannes en luftspalte med en gennemsnitlig tykkelse på ca. 0,1 mm, og gasokrom omskiftning kan udføres ved at indføre gasser i luftgabet. Imidlertid, fordi luftspalten er meget lille, omskiftning kan ikke udføres tilfredsstillende ved at indføre brint eller oxygen på konventionel måde. Forskeren undersøgte mekanismen for gasokrom omskiftning og har udviklet en ny metode, der kan udføre omskiftning tilfredsstillende i denne lille luftspalte (fig. 2). Omskifteligt glas, der bruger denne nye omskiftningsmetode, kan skifte såvel som konventionelt gasokromt omskifteligt glas, selvom pladen er lokalt i kontakt med glasset på mange punkter.

Konventionelt gasokromt omskifteligt glas skal være dobbeltrude og kan ikke bruges i køretøjer, hvor der anvendes enkeltrude glas. Ved at vedtage den udviklede gasokrome metode, et gennemsigtigt ark med sputter-aflejret omskiftelig tynd film, hvis kant er bundet til en enkelt glasrude, fungerer som omskifteligt glas og kan bruges i køretøjer.

Med den konventionelle skiftemetode, hvis der er en luftspalte på 5 mm mellem to ruder på 1 x 1 m glas, rumfanget af mellemrummet er 5 L, og der kræves en stor mængde gas for at skifte. Med den nye skiftemetode, mængden af ​​gas, der kræves for at skifte glas af det samme område, er kun omkring 100 ml - 1/50 af det, der kræves med konventionelle metoder - hvilket tillader skift med en lille mængde brint. Ud over, den lille mængde brint, der indføres i mellemrummet, absorberes hurtigt af den omskiftelige tynde film, efterlader lidt brint i hullet og eliminerer risici som brintlækage.

Omskiftningshastigheden for konventionelt elektrokromt skifteglas afhænger af strømmen gennem den transparente ledende film og falder derfor, når filmstørrelsen øges. Det tager mindst ca. 10 minutter at skifte glas i meterstørrelse, hvis den almindeligt anvendte ITO (indiumtinoxid) bruges som den transparente ledende film. Med den nye gasokrome skiftemetode, et omskifteligt ark i meterstørrelse kan skiftes fuldstændigt til en gennemsigtig tilstand på omkring 30 s - en omskiftningshastighed omkring 20 gange hurtigere end den for konventionelle gasokrome film.

Ud over, fordi skiftet kan udføres med en meget lille mængde brint, fugten (vanddampen) i luften kan bruges som brintkilde. For eksempel, vanddampkoncentrationen i luft er omkring 2 % ved en temperatur på 30 °C og en luftfugtighed på 50 %, og elektrolysen af ​​denne vanddamp kan producere en lille, men tilstrækkelig mængde brint til at skifte. Det var tidligere nødvendigt at levere vand til elektrolyse fra en vandtank, men med den nye metode er dette ikke nødvendigt:omskiftning kan udføres blot ved at påføre en spænding på omkring 3 V til polymerfilmen til hydrogenproduktion ved elektrolyse af vanddamp. Fordi der kun produceres en meget lav koncentration af brint, der er ingen eksplosionsfare.

Figur 3 viser en omskiftelig spejlplade, der bruger vanddamp i luft. Denne gasokrome plade kræver ingen gas eller tilsat vand. Det kan skiftes ved blot at tilslutte et 3-V batteri til terminalerne og er lige så let at håndtere som elektrokromt omskifteligt glas.

Omskifteligt glas og film blev fremstillet ved dampaflejring af tynde film under anvendelse af magnetronforstøvningsmetoden. En af de vigtigste faktorer, der bestemmer produktionsomkostningerne ved denne metode, er tyndfilms aflejringshastigheden; øget deponeringshastighed reducerer produktionsomkostningerne. Kommercialiseret elektrokromt omskifteligt glas har typisk fem tynde film og en samlet tykkelse på ca. 1 µm. Den udviklede omskiftelige spejlplade har to tynde film og en samlet tykkelse på mindre end 100 nm - omkring 1/10 af tykkelsen af ​​elektrokromt omskifteligt glas. Ud over, fordi den udviklede omskiftelige spejlplade kun består af tynde metalfilm med en høj aflejringshastighed, afsætningstiden er meget kortere end for konventionelt elektrokromt omskifteligt glas, og der forventes en markant reduktion i produktionsomkostningerne.

Forskeren vil evaluere arkets holdbarhed ved at udføre cyklisk skift. Den udviklede teknologi vil blive anvendt på de områder, hvor konventionelt gasokromt omskifteligt glas ikke kan anvendes, især i de små vinduer, der bruges i køretøjer, tog, og flyvemaskiner. Han sigter mod at øge den synlige lystransmission af glasset til mere end 70 % og at bruge glasset til effektivt at blokere for sollys i at trænge ind gennem køretøjets forruder. Han har også til hensigt at studere tyndfilmsdeponering på store plader i samarbejde med den private sektor med henblik på tidlig brug af dette omskiftelige spejlglas som stort glas til bygninger.