Newsletter

Login Form



Czytaj także -

Aktualne wydanie

Okladka SS-04-2018

20180123-BANNER-160X600-V3-PL FENSTERBAUEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

konferencja 12 kwietnia 2018 1a

baner-2-krzywe

baner konferencja 12 2017

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

swiat szkla 750x100 2

 6032 IX Kongres Stolarki polskiej banery reklamowe www 550x120

sacroexpo 468x60 

Emisyjność a szkła powlekane niskoemisyjne Część 4: Zastosowania
Data dodania: 27.02.14

 

Układy z zastosowaniem ciekłych kryształów

Ciekłe kryształy stanowią obecnie już bardzo liczną grupę substancji chemicznych, w większości organicznych, które reprezentują stan przejściowy pomiędzy stanem płynnym dzięki całkowitej swobodzie cząsteczek charakteryzującej ciecze a pewnego rodzaju uporządkowaniem dalekiego zasięgu, cechującym materiały o strukturze krystalicznej i skutkującym anizotropią właściwości fizycznych. W przypadku ciekłych kryształów jest to rodzaj uporządkowania pozwalający na określoną orientację cząsteczek.

 

Każdy z tych związków posiada charakterystyczny zakres temperaturowy występowania w postaci ciekłokrystalicznej i – poniżej lub powyżej granicznych temperatur tego zakresu – przechodzi odpowiednio, w stan krystaliczny, lub ciekły bezpostaciowy. Charakterystyczną cechą związków chemicznych o właściwościach ciekłych kryształów jest kształt cząsteczek, wydłużony lub podobny do dysku, z czym wiąże się nierównomierne rozłożenie ładunku elektrycznego, którego wynikiem jest polarny charakter cząsteczek. Pozwala to cząsteczkom związków ciekłokrystalicznych reagować na przyłożone pole elektryczne, tj. orientować się w odpowiednim kierunku, z czym wiąże się także zmiana szeregu właściwości, np. możliwość wystąpienia zjawiska dwójłomności optycznej czyli zdolności rozszczepiania pojedynczej wiązki światła na dwie wiązki składowe.

 

 

2014-01-37-1

 

Rys. 2 (a, b). Schemat działania i przykład zastosowania w szkle laminowanym warstwy zawierającej ciekłe kryształy, na przykładzie szkła PRIVA-LITE® firmy Saint-Gobain (w tym jako ekranu dla prezentacji – c);

Źródła:

www.glassolutions.co.uk/products/privalite;

www.infoarchitekta.pl/firmy/S/89-saint-gobain-glass-polska/galeria/970-sggpriva-lite.html;

http://inhabitat.com/super-smart-privacy-glass/privglass-1_copy/;

a) stan włączony „on” – z przyłożonym polem elektrycznym (napięcie ok. 100-110 V, prąd przemienny 50 Hz), ciekłe kryształy ułożone są równolegle (schemat a) i szkło PRIVALITE® wykazuje pełną przezierność.

b) stan wyłączony „off”, tj. bez przepływu prądu i w związku z tym przy braku równoległej orientacji cząstek ciekłych kryształów, szkło PRIVALITE® traci przezroczystość i staje się słabo przeświecalne mleczno-białe, gdyż przy losowym rozmieszczeniu (schemat b) ciekłe kryształy rozpraszają światło we wszystkich kierunkach. Stan taki może służyć zachowaniu prywatności użytkowników. Zmiany przepuszczalności światła przez oszklenie zachodzą praktycznie natychmiast i mogą być dokonywane dowolną ilość razy.

 

 

Ogólnie, w zależności od możliwych konfiguracji przestrzennych przyjmowanych przez ich cząsteczki, związki ciekłokrystaliczne dzieli się na rodzaje: nematyczny, smektyczny i cholesteryczny. W najprostszych stosowanych związkach typu nematycznego, cząsteczki mogą pozostawać niezorganizowane, jak w cieczy lub orientować się równolegle w kierunku wyznaczanym wzdłuż osi, których kierunek wyznacza odpowiedni wektor.

Typ smektyczny wykazuje większy stopień uporządkowania, gdyż dodatkowo, oprócz uporządkowania równoległego, wykazuje porządkowanie się cząsteczek w warstwy. W typie cholesterycznym równoległemu ułożeniu cząsteczek w warstwach towarzyszy przesunięcie względem siebie o pewien kąt, czyli skręcenie na zasadzie efektu śrubowego. W ostatnich latach przedmiotem szeregu badań i zastosowań praktycznych, stały się ciekłe kryształy polimerowe, w których większe jednostki, tzw. oligomery mogą zawierać cząsteczki ciekłych kryształów wbudowane zarówno w łańcuchy boczne, jak i główny łańcuch polimeru.

 

W odniesieniu do oszkleń, szczególne znaczenie mają materiały polimerowe, w których cząstki ciekłych kryształów rozproszone są w fazie polimerowej. Polimery lub żele polimerowe z „zawieszonymi” cząstkami ciekłokrystalicznymi otrzymuje się ze sporządzanych przed polimeryzacją mieszanin, złożonych z odpowiednich monomerów i związku ciekłokrystalicznego nie biorącego udziału w reakcjach chemicznych w ramach procesu polimeryzacji. W przypadku materiałów żelowych, związek ciekłokrystaliczny miesza się z żelem polimerowym. Warstwy z materiałów, zawierających ciekłe kryształy rozproszone w matrycy polimerowej (PDLC - polymer dispersed liquid crystals), są szeroko wykorzystywane, zwłaszcza w układach oszkleń o przezierności regulowanej rozpraszaniem światła od poziomu ok. 7,5% przy włączonym zasilaniu, tj. w stanie przezroczystości szkła aż do braku przejrzystości w stanie mlecznego matu (przepuszczalność światła poniżej 50%, stopień rozpraszania do ok. 90%).

 

Cenną zaletę tego rodzaju oszkleń stanowi możliwość stosowania w formie ścian działowych, ekranów osłonowych itp. Pozwala to wydzielać kameralne przestrzenie w budynkach i innych obiektach o dużych powierzchniach, np. galeriach handlowych, biurach, halach dworcowych, chronić prywatność w szpitalach, przychodniach lekarskich itp. Dodatkową zaletę stanowi możliwość nanoszenia warstw ciekłokrystalicznych na szkło barwne a także barwienia samej warstwy i tworzenia z jej pomocą obrazów i treści informacyjnych, np. w celach marketingowych i dekoracyjnych. Mleczno-białe powierzchnie tego rodzaju oszkleń doskonale nadają się do wyświetlania prezentacji komputerowych przy użyciu projektorów, a ponadto, jako szkła klejone, elementy tego rodzaju zapewniają też odpowiednią dźwiękoszczelność i izolacyjność termiczną.

 

(...)

 

Na rys. 2 (a, b) pokazano schemat działania i przykład zastosowania w szkle laminowanym warstwy polimerowej (zawierającej ciekłe kryształy, na przykładzie szkła PRIVA-LITE® firmy Saint-Gobain (w tym jako ekranu dla prezentacji – c).


Elementy szklane z warstwą ciekłokrystaliczną, mogą się różnić szczegółowymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, w zależności od producenta i przeznaczenia.


Do laminowania układu szyb służy zwykle folia poliwinylobutyralowa PVB lub folia EVA (kopolimer etylenu z octanem winylu). Substancje ciekłokrystaliczne mogą być stosowane w formie jednej lub dwu cienkich warstw, umieszczonych pomiędzy warstwami polimeru i folii PET (polyethylene terephthalate tj. politereftalan etylowy), z jednej strony powlekanych warstwą elektroprzewodzącą. W skład szkieł LCD mogą też wchodzić różne rodzaje szkieł niskoemisyjnych, refleksyjnych przeciwsłonecznych, przeciwogniowych, bezpiecznych przeciwwłamaniowych, itp. Szyby składowe mogą być hartowane, gięte, pokrywane sitodrukiem lub piaskowane, bezbarwne lub barwne. Elementy laminowane LCD mogą być zabudowywane od wewnętrznej strony w szybach zespolonych.


Najszerzej rozpowszechnione szkło PRIVA-LITE® firmy Saint-Gobain oferowane jest w wielu rozmiarach, nawet do 1000x3000 mm, we wszystkich standardowych kształtach i grubościach od 7-12 mm.


Obecnie szkło SGG Priva-Lite produkuje się także w Polsce, w zakładzie GLASSOLUTIONS w Pruszkowie, należącym do koncernu Saint-Gobain Glass. Podobne szkła, na bazie własnych wyrobów i pod różnymi nazwami handlowymi oferują też inne, zwłaszcza największe koncerny szklarskie.


Podobny efekt, jak w przypadku szkła LCD klejonego folią EVA (lub PVB) może też być uzyskiwany przy zastosowaniu folii okiennej matowej LCD. Zmiana przepuszczalności światła od pełnej przezierności do mlecznobiałego matu następuje w podobny sposób, jak w klejonych elementach LCD. Po przyłożeniu napięcia elektrycznego, ciekłe kryształy, stanowiące fazę rozproszoną w matrycy polimerowej orientują się równolegle wobec siebie, dzięki czemu folia staje się przezroczysta. Czas przełączania jest praktycznie natychmiastowy, a przy napięciu sterowania ok. 110 V, pobór prądu wynosi ok. 100 mA/m2.


Oprócz warstwy LCD, folie LCD posiadają także powłokę ochronną, zabezpieczającą przed wpływem czynników zewnętrznych. Deklarowany zakres temperaturowy działania folii LCD wynosi od -20 do +70°C.


Ze względu na wymogi techniczne i zaawansowaną technologię, nie jest możliwe nakładanie folii matowej LCD samodzielnie przez użytkownika, natomiast szyby we wszystkich typowych wielkościach z tego rodzaju folią, mogą być przygotowane na zamówienie (Źródło: http://www.przyciemnianieszyb.pl/index.php?section=lcd)


Warstwy elektroprzewodzące wchodzą też w skład układów wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (LCD), których zasada działania opiera się na zmianie polaryzacji światła w wyniku zmiany orientacji cząsteczek ciekłego kryształu, następującej pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Pole elektryczne (lub jego brak) powoduje odpowiednie ustawienie cząsteczek ciekłego kryształu i w zależności od tego ustawienia, przejawiającego się jednakową orientacją  tych cząsteczek lub brakiem takiej orientacji, następować mogą zmiany polaryzacji padającego na nie światła. Najczęściej stosowane w tym przypadku są ciekłe kryształy smektyczne typu C skręcone, które, zależnie od orientacji, skręcają początkową płaszczyznę polaryzacji światła pod odpowiednim kątem lub pozostawiają ją bez zmian). Ogółem, w skład wyświetlaczy LCD, oprócz cienkiej warstwy ciekłokrystalicznej wchodzi podłoże szklane z przezroczystą warstwą przewodzącą, służącą do zmian orientacji ciekłych kryształów oraz warstwy polaryzacyjne wzajemnie prostopadłe i źródło światła.

 

 

2014-01-38-1

Rys. 3 (a, b). Ultra-cienkie, elastyczne przy zginaniu szkło Willow firmy CORNING: a) wąski pasek, b) fragment rolki;
Źródła:

www.corning.com/uploadedImages/Corporate/ww/Assets/Images/Flexible_Bend.jpg,
www.corning.com/AdvancedGlass/MediaResources.aspx

 


Od nowoczesnych urządzeń elektronicznych powszechnego użytku, zwłaszcza przenośnych, jak laptopy, tablety, telefony komórkowe, smartfony, czytniki typu e-book, różnego typu odtwarzacze, itp., wymaga się aby były lekkie i wytrzymałe. Dodatkowe wymagania wprowadzają wyświetlacze dotykowe i ekrany z warstwami typu OLED (organiczne diody elektroluminescencyjne/ emitujące światło), które mogą już być stosowane jako materiały elastyczne lecz wymaga to odpowiednich materiałów służących jako podłoża i/lub warstwy ochronne. Szkło jako materiał doskonale przezroczysty, wytrzymały mechanicznie i neutralny chemicznie doskonale nadaje się do tych celów, lecz do niedawna przeszkodę w realizacji tendencji otrzymywania coraz lżejszych, możliwie elastycznych urządzeń z wyświetlaczami dotykowymi, stanowił problem sztywności szkła i stosunkowo dużego ciężaru używanych elementów szklanych.

 

2014-01-39-1

 

Rys. 4. Przykład zastosowania szkieł z diodami LED - Powerglass® media façade, produkcji firmy GLAS PLATZ, jako elementów konstrukcyjnych i zarazem oświetleniowych przystanków autobusowych przy stacji kolejowej w Seulu (Seoul Train Station Bus Transfer Center, powierzchnia oszklona, ogółem 400 m², pojedyncze elementy o rozmiarach 8,0x2,5 m); Projekt: CA. Plan & Hyundaicard, 2009 r., nagrodzony trzema najbardziej prestiżowymi nagrodami międzynarodowymi)

Źródło:

www.architonic.com/pmsht/powerglass-media-faade-bus-shelter-glas-platz/1140762;




Ostatnio, nad rozwiązaniem tego problemu skutecznie pracuje firma CORNING (USA). Niedawno opracowane przez tę firmę szkło Corning® Gorilla® Glass może być, w zależności od potrzeb użytkowników, produkowane w grubościach od 0,5 mm to 2 mm. Ponadto, przy zachowaniu wszystkich zalet i funkcji zwykłego szkła, szkło Gorilla posiada zwiększoną odporność mechaniczną dzięki zastosowaniu chemicznego wzmacniania powierzchni (tzw. hartowania chemicznego) drogą wymiany jonowej.


W procesie tym następuje wytworzenie przy obydwu powierzchniach szkła sięgającej na znaczną grubość warstwy o silnych naprężeniach ściskających. Warstwy takie skutecznie chronią powierzchnię szkła przed otarciami i zarysowaniami podczas użytkowania. 
Szkło to, dzięki swojej wytrzymałości mechanicznej i łatwości czyszczenia połączonej z elastycznością w związku z niską grubością, stanowi idealny i już wprowadzany do stosowania w urządzeniach komercyjnych materiał okrywowy dla wyświetlaczy dotykowych.


Pod względem składu, szkło Gorilla należy do alkalicznych szkieł glinokrzemianowych. Wysoka odporność mechaniczna i chemiczna pozwala zarówno na stosowanie w charakterze ochronnym na ekrany dotykowe, jak i poddawanie tego szkła przetwórstwu podobnie jak zwykłego szkła płaskiego. W szczególności może ono być powlekane powłokami elektroprzewodzącymi i stosowane na szkła podłożowe aktywnych warstw wyświetlaczy (źródło http://www.corninggorillaglass.com/characteristics).


Jeszcze szersze zastosowanie będzie mogło uzyskać nowoopracowane ultra-cienkie szkło Willow firmy CORNING (pokazane na rys. 6 a, b). Szkło to zalicza się do szkieł borokrzemianowych typu Pyrex, lecz w przeciwieństwie do szkła Gorilla i szkieł podobnych do szkła Pyrex, nie zawiera ono żadnych alkaliów, gdyż taki dodatek miałby niekorzystny wpływ na odporność chemiczną. Podobnie jak szkło Gorilla jest ono także wzmacniane chemicznie w procesie wymiany jonowej (źródło: http://www.oled-info.com/corning-shows-flexible-ultra-thin-glass-sid-2012 ).


Szkło Willow topione jest z zestawu odpowiednio dobranych surowców i formowane metodą walcowania połączonego z prasowaniem. Sposób formowania tego szkła producent porównuje do drukowania na prasach drukarskich, określając go przy tym jako stosunkowo tani i pozwalający na uzyskanie komercyjnych wydajności. Szkło Willow może osiągać grubość zaledwie 0,05 mm, typowo 0,1 mm tj. znacznie mniej niż stosowane już obecnie szkło Gorilla tej samej firmy. Dzięki tak niewielkiej grubości, zachowuje się ono w pełni elastycznie przy zginaniu, co dobrze ilustrują załączone fotografie (rys. 3 a, b). Firma CORNING podaje, że szkło Willow będzie mogło być dostarczane w rolkach o szerokości do 1 m i długości aż do 300 m (źródło: http://www.oled-info.com/corningshows-flexible-ultra-thin-glass-sid-2012).

 

Szkło to jest w stanie spełnić futurystyczne oczekiwania odnośnie urządzeń „lekkich jak papier i z którymi można postępować jak z papierem, tkaniną czy folią” tj. oczekiwania zwijanych ekranów i klawiatur komputerowych. 

Wprowadzenie tego szkła pozwoli wręcz zrewolucjonizować formę i kształt odbiorników TV, smartfonów, tabletów, laptopów, netbooków i ultrabooków oraz innych, komercyjnych urządzeń elektronicznych. Cenną zaletę szkła Willow stanowi możliwość przetwórstwa w wysokich temperaturach. Może ono w związku z tym być łączone z foliami polimerowymi, używanymi w wielu urządzeniach elektronicznych.

 

Powinno to przyczynić się do pocienienia podłoży filtrów barwnych wyświetlaczy typu organicznych diod emitujących światło (OLED) i ciekłokrystalicznych (LCD) oraz powstania nowych rodzajów ekranów dotykowych.


Szkło to pozwoli też otrzymywać giętkie wyświetlacze, które będą mogły być stosowane samodzielnie lub na nie-płaskich powierzchniach, nawet o znacznym stopniu zakrzywienia. Przewiduje się, że szkło Willow znajdzie zastosowanie w ogniwach słonecznych i w urządzeniach oświetleniowych. Szkło to produkowane jest jako niepowlekane i powlekane powłoką indowo-cynową (ITO) o oporności powierzchniowej 50 Ω/ÿ. Przepuszczalność światła określana jest jako powyżej 87%, a rozpraszanie światła – poniżej 0,5%, przy praktycznie niezauważalnym odbiciu.


W przetwórstwie szkieł super-cienkich, takich jak np. szkła CORNING Gorilla i Willow, w tym zwłaszcza wzmacnianiem chemicznym przez wymianę jonową i nanoszeniem powłok elektroprzewodzących i innych, specjalizuje się i zajmuje wiodącą pozycję kanadyjska firma ABRISA TECHNOLOGIES. Firma ta podczas targów Display Week (19-24.05. 2013, Vancouver, Kanada) połączonych z międzynarodowym sympozjum (SID – International Symposium & Seminar) przedstawiła jako najnowsze osiągnięcie m. in. 80-calowy wyświetlacz dotykowy z nadrukiem, wykonany z cienkiego szkła wzmacnianego chemicznie.


Szkła laminowane z diodami L ED Kolejne zastosowanie powłok elektroprzewodzących w oszkleniach, stanowią coraz szerzej stosowane w budownictwie szkła laminowane z diodami LED, emitującymi światło monochromatyczne lub barwne. Diody LED zasilane są za pośrednictwem zaawansowanej technologicznie przezroczystej powłoki przewodzącej. Jako szkła klejone, elementy szklane z diodami LED zapewniają izolacyjność termiczną i akustyczną oraz bezpieczeństwo użytkowania.


Ponadto, zależnie od rodzajów właściwości szkieł zastosowanych w konstrukcji elementu, mogą zapewniać dodatkowe właściwości, w tym zwłaszcza zwiększoną kontrolę przepuszczalności promieniowania słonecznego. W zależności od wielkości i szczegółów wykonania, mogą być stosowane zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz budynków. Najczęściej stosowane są na fasady budynków, oszklenia witryn, balustrad, szklanych schodów, pasaży i pomostów, do wyświetlania reklam i innych informacji oraz we wnętrzach jako ściany działowe, elementy dekoracyjne i np. podświetlane półki, etc. W układy tego rodzaju coraz częściej wbudowuje się też ogniwa fotowoltaiczne.


Na rys. 4-6 pokazano niektóre z możliwych zastosowań szkieł laminowanych z diodami LED jako elementów konstrukcyjnych obiektów wolnostojących i fasad oraz podświetlanych przegród wewnątrz budynków, na przykładzie szkła powerglass® media façades, (prod.GLAS PLATZ FACTORY, Wiehl-Bomig, Niemcy).


Układy z powłokami elektrochromowymi
Kolejny rodzaj nowoczesnych oszkleń wykorzystujących podłoża szklane (lub folie poliestrowe) z powłokami elektroprzewodzącymi i posiadające właściwości niskoemisyjne oraz przeciwsłoneczne stanowią układy z powłokami elektrochromowymi. Materiały elektrochromowe należą do grupy materiałów tzw. chromogenicznych, podlegających odwracalnemu zabarwieniu widmowemu w zakresie widzialnym, gdy zostaną poddane działaniu promieniowania ultrafioletowego, ciepła, podwyższonego ciśnienia lub pola elektrycznego z równoczesną injekcją (lub estrakcją) ładunku elektrycznego i jonów metali jednowartościowych lub wodoru [9]. Spośród materiałów chromogenicznych, najwięcej uwagi poświęca się materiałom elektrochromowym, gdyż wykazują one zdolność dynamicznych, kontrolowanych i w pełni odwracalnych zmian spektralnej przepuszczalności i/lub spektralnego odbicia pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego. Odwrócenie kierunku przebiegu zmian przepuszczalności w cyklu zabarwianie-rozjaśnianie powłoki uzyskuje się odwracając polaryzację przyłożonego napięcia. Dodatkową zaletę w porównaniu z materiałami ciekłokrystalicznymi stanowi niższe napięcie niezbędne do działania układu (ok. 2-5 V, natomiast dla materiałów ciekłokrystalicznych ok. 100-110 V).

 

2014-01-40-2

Rys. 5. Szkło powerglass® media façades (prod. GLAS PLATZ FACTORY) hartowane, laminowane z diodami LED (może być produkowane w rozmiarach do 3000x1200 mm). Tu w zastosowaniu zewnętrznym, jako fasada budynku SK Telecom w Seulu (2010 r.).
Źródło:

www.architonic.com/pmsht/powerglass-media-faade-sk-telecom-glas-platz_pronew/1140750;

 


Podstawową grupę nieorganicznych materiałów elektrochromowych stanowią tlenki metali przejściowych o charakterze półprzewodnikowym, które zależnie od typu przewodnictwa ulegają zabarwieniu w procesie katodowym lub anodowym. Elektrochromowa reakcja typu „redox” zachodząca w tego rodzaju materiałach podczas procesu zabarwianiarozjaśniania, wiąże się z injekcją lub ekstrakcją równocześnie kationu i elektronu lub anionu i dziury, zależnie od rodzaju materiału [9-12].

 

2014-01-40-3

 

Rys. 6. Szkło powerglass® media façades (produkcji GLAS PLATZ FACTORY) hartowane, laminowane z diodami LED, zastosowane jako przegrody i ściany wewnętrzne. (Tour Europe, projekt: Pettracone, Vodar, Tretout Architectes, 2003 r.).
Źródło:

www.architonic.com/pmsht/powerglass-partition-and-indoor-faade-tour-europe-glas-platz/1140705;

 

W przypadku tlenków o charakterze półprzewodników typu n, takich jak WO3, MoO3, TiO2, Nb2O5, V2O5, barwiących się katodowo, tj. w stanie lekko zredukowanym, przebieg reakcji elektrochromowej można zapisać w ogólnej postaci [9, 10]:


xJ+ + MOy + xe- ↔ JxMOy (1)

gdzie: J+ = H+, Li+, Na+, K+...Ag+; 0 < x < 1;


MOy = tlenek metalu przejściowego,

e- = elektron.


Równoczesna injekcja kationów (J+) i elektronów (e-) prowadzi do utworzenia niestechiometrycznego związku o charakterze tzw. brązu tlenkowego JxMOy, czego przejawem jest zmiana barwy. Najlepiej poznanym i najbardziej efektywnym katodowym materiałem elektrochromowym jest trójtlenek wolframu WO3, tworzący z jonami metali jednowartościowych i wodoru, brązy wolframowe o ogólnym wzorze JxWO3 i ciemnoniebieskiej barwie.


W grupie tlenków elektrochromowych o charakterze  półprzewodników typu p, barwiących się anodowo i zabarwionych w stanie utlenionym, reakcja elektrochromowa przebiega według schematu [11]:


MOy + xA- + xh+ ↔ AxMOy (2)

zabarwiony bezbarwny,


gdzie: A- = F-, CN-, OH-/H+; O < x <1; h+ = dziura.


Najbardziej znane anodowe materiały elektrochromowe stanowią tlenki metali przejściowych, takie jak CrOx, CoOx, NiOx, oraz tlenki metali z grupy platynowców, np. IrOx i RhOx. Przykład typowej reakcji dla materiału anodowego stanowi [9]:


Ir(OH)x ↔ IrOx + xH+ + xe- (3)

bezbarwny czarny


Niektóre z tlenków metali przejściowych wykazują zróżnicowane zabarwienie zarówno w stanie utlenionym, jak i w stanie lekko zredukowanym, jak np. V2O5 (żółty/szary), CoOx (czerwony/niebieski). Do materiałów wykazujących różne zabarwienie, zależnie od stanu „redox”, należy też błękit pruski [9-12].


Oszklenia elektrochromowe mogą być realizowane na dwa sposoby, tj. w układzie laminowanym i w układzie tzw. całostałym, przy czym w obydwu przypadkach konfiguracja powłoki elektrochromowej, złożonej z pięciu warstw, tworzących ogniwo elektrochemiczne, pozostaje ta sama. Podstawowe elementy układu powłoki stanowią dwie warstwy z materiałów elektrochromowych: katodowego i anodowego, przedzielone warstwą elektrolitu i umieszczone pomiędzy przezroczystymi elektrodami w postaci warstw elektroprzewodzących, najczęściej z tlenku indowo-cynowego lub z tlenku cyny, odpowiednio domieszkowanego, np. SnO2:F.


W układzie laminowanym, warstwy przezroczystych elektrod i elektrochromowe są rozmieszczone na dwu szybach jako podłożach i sklejone warstwą elektrolitu, najczęściej polimerowego [9-14] (http://www.treehugger.com/sustainable-product-design/best-of-show-sage-electrochromic-glass-is-a-thermostat-for-the-sun.html). Schemat tego rodzaju oszklenia przedstawia rys. 7.

 

 

2014-01-40-6

Rys. 7. Schemat układu warstw i mechanizmu działania powłoki elektrochromowej (e- = elektron)




W układzie całostałym, wszystkie warstwy powłoki są nanoszone na jedną szybę (lub folię) stanowiącą podłoże i jakkolwiek zwykle stosuje się drugą szybę, lecz ma ona funkcję wyłącznie ochronną [9, 10]

 

 

2014-01-40-7

 

Rys. 8. Przykładowe właściwości optyczne szkła z powłoką elektrochromową układu WO3 – NiO z warstwą hybrydowego elektrolitu domieszkowanego jonami litu (z badań E. Żelazowskiej).




Do nanoszenia warstw powłok elektrochromowych mogą być stosowane zarówno metody fizyczne, np. rozpylanie katodowe i rozpylanie magnetronowe, jak i metody chemiczne, np. metoda elektrochemiczna, sol-gel, pirolizy, naparowania chemicznego (CVD) itp. [9-12]. Od rodzaju metody i parametrów procesu powlekania zależy trwałość i efektywność działania powłok elektrochromowych.


Metodami chemicznymi, w których podłoże szklane osiąga temperaturę w pobliżu punktu jego mięknięcia (jak metoda pirolizy, CVD, sol-gel) można uzyskać powłoki o największej odporności chemicznej i wytrzymałości mechanicznej. W przypadku układów elektrochromowych symetrycznych (dwuszybowych), laminowanie warstwą polimerowego elektrolitu pozwala uniknąć problemu ewentualnego braku kontaktu warstw powłoki z powodu odkształceń geometrycznych powierzchni, związanych z obróbką termiczną.


Elektrolity reprezentowane są przez szeroką gamę materiałów organicznych, najczęściej polimerowych lub o konsystencji żelowej i nieorganicznych, najczęściej w formie uwodnionych tlenków np. Ta2O5.nH2O [9, 12-14]. Efektywność działania powłoki elektrochromowej jest limitowana przewodnością jonową warstwy elektrolitu. Ponadto, na efektywność barwienia i charakterystykę przepuszczalności widmowej ma wpływ stan krystaliczny i stechiometria warstw elektrochromowych [9-12].

 

 2014-01-41-1

Rys. 9. Przykład zastosowania oszkleń o właściwościach elektrochromowych, opracowanych i produkowanych przez firmę SAGE Electrochromics, Inc. (Twin Lakes Elementary School, Elk River, Minnesota, USA, architect: Schrock & Devetter). Na zdjęciach a) i b), pokazano odpowiednio stan zabarwiony i rozjaśniony szyb. Ze względu na elektroprzewodzące podłoże powłok elektrochromowych, szkła z takimi powłokami nie tylko w sposób dynamiczny kontrolują przepuszczalność światła i energii słonecznej lecz mają także właściwości niskoemisyjne.

Źródło:

http://sageglass.com/portfolio/twin-lakes-elementary-school/


Zmiany przepuszczalności w przypadku amorficznych warstw tlenkowych, np. WO3 mają charakter głównie absorpcyjny, natomiast w warstwach krystalicznych przepuszczalność jest modulowana głównie zmianami odbicia i w mniejszym stopniu absorpcji. Zmiany odbicia dotyczą zakresu bliskiej podczerwieni i zakresu widzialnego, przy czym w stanie zabarwionym warstwa uzyskuje przewodnictwo elektryczne [9, 10].

 

W związku z tym oszklenie elektrochromowe nie tylko kontroluje przepuszczalność światła i energii słonecznej lecz ma również właściwości niskoemisyjne. Na rys. 8. pokazano układ powłoki elektrochromowej z warstwami WO3 i NiO na podłożu ze szkła niskoemisyjnego z twardą powłoką SnO2:F (K-Glass, firmy Pilkington).


Na rys. 9 (a, b) pokazano przykład zastosowania oszkleń elektrochromowych w celu zapewnienia komfortu oświetleniowego przy użytkowaniu szkolnej pracowni doświadczalnej. Podobny cel może być osiągnięty w przypadku sal wykładowych i wystawienniczych, bibliotek, galerii handlowych i innych budynków, zwłaszcza o dużych powierzchniach przeszklonych, a także szyb samochodowych i samolotowych, świetlików dachowych, itp.

 

Cykle zabarwiania- rozjaśniania mogą być powtarzane co najmniej kilkadziesiąt tysięcy razy i sterowane są dynamicznie, przez zmianę polaryzacji przyłożonego niewielkiego napięcia stałego. Możliwe jest zatrzymanie dowolnego stanu przejściowego przez pożądany okres czasu i szyby, zarówno w stanach skrajnych, jak i przejściowych, zachowują pełną przezierność.


Podsumowanie i wnioski
Szeroka i różnorodna pod względem właściwości oraz stale wzbogacana oferta rynkowa szkieł powlekanych dla budownictwa pozwala na kształtowanie przy ich użyciu funkcji oświetleniowych i energooszczędności budynków oraz w znacznym stopniu poszerza możliwości projektowania budynków w sposób pozwalający na dopasowanie wszystkich materiałów i elementów konstrukcyjnych fasad zarówno pod względem użytkowym, jak i estetycznym.

 

Umożliwia to także realizację „inteligentnych” fasad całoszklanych, w których zarówno zewnętrzne szyby oszkleń okiennych, jak i pozostałe elementy konstrukcyjne wykonane są z tego samego rodzaju szkła, a przy tym elementy fasady zapewniają oprócz izolacyjności termicznej i akustycznej, także sterowane funkcje oświetleniowe, przeciwsłoneczne i dekoracyjno-informacyjne. Miarą postępu w zakresie oszkleń są kolejne generacje szkieł i cienkowarstwowych urządzeń z powłokami.


W związku z tym szkła z powłokami elektroprzewodzącymi – niskoemisyjnymi dla oszkleń i urządzeń elektronicznych, zwłaszcza w ostatnich latach, są przedmiotem szczególnego zainteresowania zarówno ze względów badawczych, jak i możliwości praktycznych zastosowań. W świetle aktualnego stanu wiedzy, szczególnie perspektywiczne są zastosowania w nowoczesnych oszkleniach dla budownictwa i motoryzacji, o charakterze tzw. „inteligentnych oszkleń” („smart” windows), a także dla cienkowarstwowych urządzeń elektronicznych, optoelektronicznych i telekomunikacyjnych, w tym np. wyświetlaczy i wskaźników obrazowych dla urządzeń przetwarzania i odtwarzania danych techniką cyfrową, a także w urządzeniach laserowych, ogniwach fotowoltaicznych, itp.

 

Należy przy tym podkreślić, że nowatorskie rozwiązania w zakresie szkieł z powłokami opracowywane pod kątem potrzeb nowoczesnej optoelektroniki, np. z dziedziny zastosowań nanotechnologii, w stosunkowo niedługim czasie stają się przedmiotem prób wdrożenia w zaawansowanych oszkleniach dla budownictwa i motoryzacji. Obserwowany w ostatnich latach dynamiczny rozwój technik produkcji i przetwórstwa szkła oraz wiedzy w zakresie inżynierii materiałowej skutkuje otrzymywaniem szkieł z powłokami i wyrobów na bazie tego rodzaju szkieł w coraz szerszej gamie asortymentowej i dla różnorodnych zastosowań praktycznych


Zgodnie z tendencjami, rysującymi się na podstawie prowadzonych prac badawczych, nowe szkła z powłokami będą opracowywane zarówno z wykorzystaniem dotychczasowego stanu wiedzy w zakresie właściwości przeciwsłonecznych i niskoemisyjnych, jak i nowych rozwiązań materiałowych i strukturalnych, szczególnie nanotechnologii i wykorzystania warstw gra fenowych. Cel prac rozwojowych stanowi poszerzanie zakresu właściwości i łączenie funkcji pod kątem praktycznych zastosowań, zwłaszcza w urządzeniach optoelektronicznych i fotowoltaicznych oraz „inteligentnych” oszkleniach” o właściwościach optycznych i innych użytkowych kontrolowanych w sposób dynamiczny.

 

dr inż. Elżbieta Żelazowska

 

Instytut Ceramiki i Materiałów
Budowlanych Oddział Szkła i Materiałów
Budowlanych w Krakowie

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacj: Świat Szkła 01/2014

 

 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik