Forskare har utvecklat en ny lättanvänd smart optisk filmteknik som tillåter smarta fönsterenheter att autonomt växla mellan transparenta och ogenomskinliga tillstånd som svar på de omgivande ljusförhållandena.

Den föreslagna 3-D hybrid nanokompositfilmen med en mycket periodisk nätverksstruktur har empiriskt visat sin höga hastighet och prestanda, gör det möjligt för det smarta fönstret att kvantifiera och självreglera sin optiska transmittans med hög kontrast. Som ett bevis på konceptet, en mobilapp-aktiverad smart fönsterenhet för Internet of Things (IoT)-applikationer har realiserats med hjälp av den föreslagna smarta optiska filmen med framgångsrik expansion till 3 x 3-tums skala. Denna energieffektiva och kostnadseffektiva teknik lovar mycket för framtida användning i olika applikationer som kräver aktiv optisk transmissionsmodulering.

Flexibel optisk överföringsmoduleringsteknik för smarta applikationer inklusive integritetsskyddsfönster, nollenergibyggnader, och strålprojektionsdukar har varit i rampljuset de senaste åren. Konventionella tekniker som använde externa stimuli som elektricitet, värme, eller ljus för att modulera optisk transmission hade endast begränsade tillämpningar på grund av deras låga svarshastigheter, onödig färgbyte, och låg hållbarhet, stabilitet, och säkerhet.

Den optiska transmissionsmoduleringskontrasten som uppnås genom att styra ljusspridningsgränssnitten på icke-periodiska 2-D ytstrukturer som ofta har låg optisk densitet såsom sprickor, rynkor, och pelarna är också generellt låga. Dessutom, eftersom ljusspridningsgränssnitten är exponerade och inte utsatta för någon passivering, de kan vara känsliga för yttre skador och kan förlora optiska transmissionsmodulationsfunktioner. Vidare, spridningsgränssnitt i planet som slumpmässigt finns på ytan gör storareamodulering med enhetlighet svår.

Inspirerad av dessa begränsningar, ett KAIST-forskarteam ledd av professor Seokwoo Jeon från institutionen för materialvetenskap och teknik och professor Jung-Wuk Hong från avdelningen för civil- och miljöteknik använde närhetsfältsnanomönster (PnP)-teknik som effektivt producerar mycket periodiska 3-D hybrid nanostrukturer, och en ALD-teknik (atomic layer deposition) som tillåter exakt kontroll av oxidavsättning och högkvalitativ tillverkning av halvledarenheter.

Teamet producerade sedan framgångsrikt en storskalig smart optisk film med en storlek på 3 x 3 tum där ultratunna nanoskal av aluminiumoxid infogas mellan elastomererna i ett periodiskt 3-D nanonätverk.

Denna "mekano-responsiva" 3-D hybrid nanokompositfilm med en mycket periodisk nätverksstruktur är den största smarta optiska transmissionsmoduleringsfilmen som finns. Filmen har visat sig ha toppmodern optisk transmissionsmodulation på upp till 74% vid synliga våglängder från 90% initial transmission till 16% i spridningstillstånd under belastning. Dess hållbarhet och stabilitet bevisades av mer än 10, 000 tester av hård mekanisk deformation inklusive sträckning, släpper, böjning, och placeras under höga temperaturer på upp till 70°C. När denna film användes, transmittansen för den smarta fönsterenheten justerades snabbt och automatiskt inom en sekund som svar på de omgivande ljusförhållandena.

Genom dessa experiment, den underliggande fysiken för optiska spridningsfenomen som förekommer i de heterogena gränssnitten identifierades. Deras resultat rapporterades i onlineupplagan av Avancerad vetenskap den 26 april. KAIST Professor Jong-Hwa Shins grupp och professor Young-Seok Shim vid Silla University samarbetade också i detta projekt.

Donghwi Cho, en Ph.D. kandidat i materialvetenskap och teknik vid KAIST och medförfattare till studien, sa, "Vår smarta optiska filmteknik kan bättre kontrollera optisk transmittans med hög kontrast genom relativt enkla driftsprinciper och med låg energiförbrukning och låga kostnader."

"När denna teknik tillämpas genom att helt enkelt fästa filmen på en konventionell smart fönsterglasyta utan att ersätta det befintliga fönstersystemet, snabb växling och enhetlig toning är möjliga samtidigt som hållbarheten säkerställs, stabilitet, och säkerhet. Dessutom, dess breda utbud av applikationer för sträckbara eller rullbara enheter såsom väggskärmar för en strålprojektionsduk kommer också att uppfylla estetiska behov, " han lade till.