Byte av den omkopplingsbara spegeln med den nya metoden (37 cm x 26 cm).
Kazuki Yoshimura, Energy Control Thin Film Group, materialforskningsinstitutet för hållbar utveckling vid National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, har utvecklat en omkopplingsbar spegel som använder en ny omkopplingsmetod.
Växlingsbara speglar kan växlas mellan ett transparent tillstånd och ett spegelläge. Deras användning kan ge energibesparande fönsterglas som avsevärt minskar kylbelastningen genom att effektivt blockera solljus. Det utvecklade omkopplingsbara spegelarket använder nya gasokromväxlingar som skiljer sig helt från konventionella gasokromväxlingsmetoder. Den kan kontrollera reflektionen av synligt till nära-infrarött ljus med en omkopplingshastighet som är cirka 20 gånger snabbare än den för konventionellt elektrokromt omkopplingsbart glas. Den nuvarande utvecklingen kan lösa problemen med att ta gasokromiska omkopplingsbara speglar i praktisk användning. Eftersom tjockleken på den tunna filmen som styr ljuset är ungefär 1/10 av konventionella filmer, en betydande minskning av produktionskostnaderna förväntas.
Detaljer om denna teknik visades ut och presenterades på Nano tech 2013, den 12:e internationella nanoteknikutställningen och konferensen, hölls från 30 januari till 1 februari på Tokyo Big Site i Koto-ku, Tokyo.
Luftkonditionering står för cirka 30 % av energiförbrukningen i hemmet och på jobbet. Ett fönster är en byggnadskomponent som väsentligt påverkar energiförbrukningen. Vanligt fönsterglas överför såväl synligt ljus som värme och minskar isoleringens effektivitet. Att öka isoleringsvärdet för fönster är mycket effektivt för att spara energi, och dubbelruta glas och låg-e (låg emissivitet) glas med höga isoleringsvärden används i stor utsträckning. Omkopplingsbart glas kan styra inkommande och utgående ljus och värme för att öka energibesparande effekter genom att isolera värme och blockera solljus.
Elektriskt styrbart elektrokromiskt glas är en typisk typ av omkopplingsbart glas. Nyligen, i USA, elektrokromt glas med en tunn film av volframoxid som omkopplingsbart skikt har kommersialiserats för byggnadsapplikationer. Dock, billigt omkopplingsbart glas krävs för att främja den utbredda användningen.
Allt konventionellt elektrokromt glas absorberar ljus för att kontrollera ljus och har därför en nackdel; temperaturen på den tunna filmen stiger och filmen återutstrålar värme i rummet. Om ljuset kunde styras av reflektion, då kan solljus blockeras mer effektivt. Därför väntar man på omkopplingsbara speglar som kan växlas mellan transparent tillstånd och spegelläge.
Sedan 2001, AIST har bedrivit forskning och utveckling av tunnfilmsmaterial för omkopplingsbara speglar. Den har installerat fönsterglas i verklig storlek i en riktig byggnad och har visat att glaset kan minska kylbelastningen med mer än 30 % jämfört med konventionellt transparent dubbelglasfönster.
Figur 1:Konventionellt gasokromt omkopplingsbart glas.
Elektrokromatiskt omkopplingsbart glas har en komplex struktur och är därför mycket dyrt att tillverka. Gasokromt glas har en enkel struktur som består av två tunna filmer och har förväntats vara ett lågpris omkopplingsbart glas. Fördelen med gasokromväxling är att växlingshastigheten är storleksoberoende. Därför, metoden anses vara lämplig för stora omkopplingsbara glas. Dock, dess hållbarhet har varit ett problem.
AIST har utvecklat en tunnfilms-omkopplingsbar spegel av magnesium-yttriumlegering som kan prestera mer än 10, 000 växlingscykler (AIST pressmeddelande den 20 september, 2012). Dock, säkerhetsproblem har tagits upp angående vätgasen som används för bytet. AIST har därför bedrivit forskning och utveckling av en säker gasokromisk omkopplingsbar spegel.
Konventionella gasokromiska omkopplingsbara speglar är gjorda av två glasrutor bundna till en distans. Omkoppling utförs genom införande av gas i utrymmet mellan glasen (Fig. 1). När väte som produceras genom elektrolys av vatten införs i utrymmet, den omkopplingsbara spegelns tunna film byts från ett spegeltillstånd till ett transparent tillstånd genom hydrogenering. När syre införs, den tunna filmen växlas tillbaka från transparent tillstånd till spegeltillstånd genom dehydrering.
Figur 2:Gasokrom omkopplingsbar spegel som använder den nya omkopplingsmetoden.
Forskaren har funnit att när glas och en genomskinlig skiva binds ihop utan distans, ett luftgap med en genomsnittlig tjocklek på cirka 0,1 mm bildas, och gasokromväxling kan utföras genom att införa gaser i luftgapet. Dock, eftersom luftgapet är mycket litet, omkoppling kan inte utföras på ett tillfredsställande sätt genom att införa väte eller syre på ett konventionellt sätt. Forskaren undersökte mekanismen för gasokromväxling och har utvecklat en ny metod som kan utföra växling på ett tillfredsställande sätt i detta lilla luftgap (Fig. 2). Bytbart glas som använder den här nya omkopplingsmetoden kan växla såväl som konventionellt gasokromt omkopplingsbart glas, även om skivan är lokalt i kontakt med glaset på många ställen.
Konventionellt gasokromt omkopplingsbart glas måste vara dubbelglasat och kan inte användas i fordon, där englasglas används. Genom att använda den utvecklade gasokrommetoden, ett genomskinligt ark med sputterbelagd omkopplingsbar tunn film, vars kant är bunden till en enda glasruta, fungerar som omkopplingsbart glas och kan användas i fordon.
Med den konventionella växlingsmetoden, om en luftspalt på 5 mm finns mellan två rutor av 1 x 1 m glas, volymen av gapet är 5 L och en stor mängd gas krävs för att byta. Med den nya växlingsmetoden, volymen gas som krävs för att byta glas med samma yta är bara cirka 100 ml – 1/50 av vad som krävs med konventionella metoder – vilket tillåter byte med en liten mängd väte. Dessutom, den lilla mängden väte som införs i gapet absorberas snabbt av den omkopplingsbara tunna filmen, lämnar lite väte i gapet och eliminerar risker som väteläckage.
Bild 3:Växlingsbar spegelduk som kan manövreras helt enkelt genom anslutning till ett batteri. Plåten är flexibel och kan böjas till viss del.
Kopplingshastigheten för konventionellt elektrokromt kopplingsglas beror på strömmen genom den transparenta ledande filmen och minskar därför när filmstorleken ökar. Det tar minst cirka 10 minuter att helt byta glas i mätstorlek om den vanliga ITO (indiumtennoxid) används som den transparenta ledande filmen. Med den nya gasokromväxlingsmetoden, ett omkopplingsbart ark i meterstorlek kan helt bytas till ett transparent tillstånd på cirka 30 sekunder-en omkopplingshastighet cirka 20 gånger snabbare än konventionella gasokroma filmer.
Dessutom, eftersom omkopplingen kan utföras med en mycket liten mängd väte, fukten (vattenångan) i luften kan användas som vätekälla. Till exempel, koncentrationen av vattenånga i luft är cirka 2 % vid en temperatur på 30 °C och en luftfuktighet på 50 % och elektrolysen av denna vattenånga kan producera en liten men tillräcklig mängd väte för att byta. Det var tidigare nödvändigt att tillföra vatten för elektrolys från en vattentank, men med den nya metoden är detta inte nödvändigt:omkoppling kan utföras helt enkelt genom att applicera en spänning på cirka 3 V till polymerfilmen för väteproduktion genom elektrolys av vattenånga. Eftersom endast en mycket låg koncentration av väte produceras, det finns ingen risk för explosion.
Figur 3 visar ett omkopplingsbart spegelark som använder vattenånga i luften. Detta gasokromiska ark kräver ingen gas eller tillsatt vatten. Den kan enkelt växlas genom att ansluta ett 3-V batteri till polerna och är lika lätt att hantera som elektrokromt omkopplingsbart glas.
Växlingsbart glas och filmer framställdes genom ångavsättning av tunna filmer med användning av magnetronförstoftningsmetoden. En av de viktigaste faktorerna som bestämmer produktionskostnaden med denna metod är tunnfilmsavsättningshastigheten; ökad deponeringshastighet minskar produktionskostnaden. Kommersialiserat elektrokromt omkopplingsbart glas har typiskt fem tunna filmer och en total tjocklek på cirka 1 µm. Den utvecklade omkopplingsbara spegelskivan har två tunna filmer och en total tjocklek på mindre än 100 nm – ungefär 1/10 av tjockleken hos elektrokromt omkopplingsbart glas. Dessutom, eftersom det utvecklade omkopplingsbara spegelarket endast består av tunna metallfilmer med hög avsättningshastighet, avsättningstiden är mycket kortare än för konventionellt elektrokromt omkopplingsbart glas och en markant minskning av produktionskostnaden förväntas.
Forskaren kommer att utvärdera arkets hållbarhet genom att utföra cyklisk omkoppling. Den utvecklade tekniken kommer att tillämpas på de områden där konventionellt gasokromt omkopplingsbart glas inte kan användas, särskilt i de små fönster som används i fordon, tåg, och flygplan. Han siktar på att öka glasets synliga ljustransmittans till mer än 70 % och att använda glaset för att effektivt blockera solljus från att komma in genom fordonets vindrutor. Han avser också att studera tunnfilmsavsättning på stora plåtar i samarbete med den privata sektorn i syfte att tidigt använda detta omkopplingsbara spegelglas som stort glas för byggnader.
