Commutazione dello specchio commutabile con il nuovo metodo (37 cm x 26 cm).
Kazuki Yoshimura, Gruppo Film Sottile Controllo Energetico, l'Istituto di ricerca sui materiali per lo sviluppo sostenibile dell'Istituto nazionale di scienze e tecnologie industriali avanzate, ha sviluppato uno specchio commutabile che utilizza un nuovo metodo di commutazione.
Gli specchi commutabili possono essere commutati tra uno stato trasparente e uno stato specchio. Il loro utilizzo può produrre vetri per finestre a risparmio energetico che riducono sostanzialmente i carichi di raffreddamento bloccando efficacemente la luce solare. Il foglio a specchio commutabile sviluppato utilizza una nuova commutazione gasocromica che è completamente diversa dai metodi di commutazione gasocromica convenzionali. Può controllare il riflesso della luce dal visibile al vicino infrarosso a una velocità di commutazione circa 20 volte più veloce di quella del vetro commutabile elettrocromico convenzionale. L'attuale sviluppo può risolvere i problemi legati all'utilizzo pratico degli specchi commutabili gasocromici. Poiché lo spessore del film sottile che controlla la luce è circa 1/10 di quello dei film convenzionali, si prevede una sostanziale riduzione dei costi di produzione.
I dettagli di questa tecnologia sono stati esposti e presentati a Nano tech 2013, la 12a Mostra e Conferenza Internazionale delle Nanotecnologie, tenuto dal 30 gennaio al 1 febbraio presso il Tokyo Big Site a Koto-ku, Tokio.
L'aria condizionata rappresenta circa il 30% del consumo energetico in casa e al lavoro. Una finestra è un componente dell'edificio che incide in modo significativo sui consumi energetici. Il normale vetro delle finestre trasmette luce visibile e calore e riduce l'efficacia dell'isolamento. Aumentare il valore di isolamento delle finestre è molto efficace nel risparmio energetico, e stanno diventando ampiamente utilizzati vetri a doppia lastra e vetri basso emissivi (basso emissivi) con alti valori di isolamento. Il vetro commutabile può controllare la luce e il calore in entrata e in uscita per aumentare gli effetti di risparmio energetico isolando il calore e bloccando la luce solare.
Il vetro elettrocromico controllabile elettricamente è un tipo tipico di vetro commutabile. Recentemente, negli Stati Uniti, il vetro elettrocromico con un film sottile di ossido di tungsteno come strato commutabile è stato commercializzato per applicazioni edili. Però, vetro commutabile poco costoso è necessario per promuovere l'uso diffuso.
Tutto il vetro elettrocromico convenzionale assorbe la luce per controllare la luce e quindi presenta un inconveniente; la temperatura del film sottile aumenta e il film ri-irradia calore nella stanza. Se la luce potesse essere controllata per riflessione, quindi la luce solare potrebbe essere bloccata in modo più efficiente. Pertanto sono attesi specchi commutabili che possono essere commutati tra lo stato trasparente e lo stato specchio.
Dal 2001, L'AIST ha condotto ricerca e sviluppo di materiali a film sottile per specchi commutabili. Ha installato vetri per finestre di dimensioni reali in un edificio reale e ha dimostrato che il vetro può ridurre il carico di raffreddamento di oltre il 30% rispetto ai tradizionali vetri per finestre trasparenti a doppio pannello.
Figura 1:Vetro commutabile gasocromico convenzionale.
Il vetro commutabile elettrocromico ha una struttura complessa ed è quindi molto costoso da produrre. Il vetro gasocromico ha una struttura semplice costituita da due pellicole sottili e dovrebbe essere un vetro commutabile a basso costo. Il vantaggio della commutazione gasocromica è che la velocità di commutazione è indipendente dalle dimensioni. Perciò, il metodo è considerato adatto per vetri commutabili di grandi dimensioni. Però, la sua durata è stata un problema.
L'AIST ha sviluppato uno specchio commutabile a film sottile in lega di magnesio-ittrio che può eseguire più di 10, 000 cicli di commutazione (comunicato stampa AIST del 20 settembre, 2012). Però, sono stati sollevati problemi di sicurezza in merito al gas idrogeno utilizzato per la commutazione. L'AIST ha quindi condotto la ricerca e lo sviluppo di uno specchio commutabile gasocromico sicuro.
Gli specchi commutabili gasocromici convenzionali sono costituiti da due lastre di vetro incollate a un distanziatore. La commutazione viene eseguita mediante l'introduzione di gas nello spazio tra i vetri (Fig. 1). Quando l'idrogeno prodotto dall'elettrolisi dell'acqua viene introdotto nello spazio, il film sottile a specchio commutabile viene commutato da uno stato a specchio a uno stato trasparente mediante idrogenazione. Quando viene introdotto ossigeno, il film sottile viene riportato dallo stato trasparente allo stato specchio mediante deidrogenazione.
Figura 2:Specchio commutabile gasocromico che utilizza il nuovo metodo di commutazione.
Il ricercatore ha scoperto che quando il vetro e una lastra trasparente vengono incollati insieme senza distanziatore, si forma un traferro con uno spessore medio di circa 0,1 mm, e la commutazione gasocromica può essere eseguita introducendo gas nel traferro. Però, perché il traferro è molto piccolo, la commutazione non può essere eseguita in modo soddisfacente introducendo idrogeno o ossigeno in modo convenzionale. Il ricercatore ha studiato il meccanismo della commutazione gasocromica e ha sviluppato un nuovo metodo in grado di eseguire la commutazione in modo soddisfacente in questo piccolo traferro (Fig. 2). Il vetro commutabile che utilizza questo nuovo metodo di commutazione può commutare così come il vetro commutabile gasocromico convenzionale, anche se la lastra è localmente a contatto con il vetro in molti punti.
Il vetro commutabile gasocromico convenzionale deve essere a doppio vetro e non può essere utilizzato nei veicoli, dove viene utilizzato il vetro a lastra singola. Adottando il metodo gasocromico sviluppato, un foglio trasparente con film sottile commutabile depositato a spruzzo, il cui bordo è incollato ad un'unica lastra di vetro, funziona come vetro commutabile e può essere utilizzato nei veicoli.
Con il metodo di commutazione convenzionale, se è previsto un traferro di 5 mm tra due lastre di vetro da 1 x 1 m, il volume dello spazio è di 5 L ed è necessaria una grande quantità di gas per la commutazione. Con il nuovo metodo di commutazione, il volume di gas richiesto per cambiare il vetro della stessa area è solo di circa 100 ml—1/50 di quello richiesto con i metodi convenzionali—consentendo il passaggio con una piccola quantità di idrogeno. Inoltre, la piccola quantità di idrogeno introdotta nell'intercapedine viene assorbita rapidamente dal film sottile commutabile, lasciando poco idrogeno nell'intercapedine ed eliminando rischi come perdite di idrogeno.
Figura 3:Foglio a specchio commutabile che può essere azionato semplicemente collegandolo a una batteria Il foglio è flessibile e può essere piegato in una certa misura.
La velocità di commutazione del vetro di commutazione elettrocromico convenzionale dipende dalla corrente attraverso la pellicola conduttiva trasparente e quindi diminuisce all'aumentare delle dimensioni della pellicola. Occorrono almeno circa 10 minuti per commutare completamente il vetro delle dimensioni di un metro se l'ITO comunemente usato (ossido di indio e stagno) viene utilizzato come pellicola conduttiva trasparente. Con il nuovo metodo di commutazione gasocromica, un foglio commutabile delle dimensioni di un metro può essere completamente trasformato in uno stato trasparente in circa 30 s, una velocità di commutazione circa 20 volte più veloce di quella delle pellicole gasocromiche convenzionali.
Inoltre, perché la commutazione può essere eseguita con una quantità molto piccola di idrogeno, l'umidità (vapore acqueo) nell'aria può essere utilizzata come fonte di idrogeno. Per esempio, la concentrazione di vapore acqueo nell'aria è di circa il 2% ad una temperatura di 30 °C e un'umidità del 50% e l'elettrolisi di questo vapore acqueo può produrre una piccola ma sufficiente quantità di idrogeno per la commutazione. In precedenza era necessario fornire acqua per l'elettrolisi da un serbatoio d'acqua, ma con il nuovo metodo questo non è necessario:la commutazione può essere effettuata semplicemente applicando una tensione di circa 3 V al film polimerico per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi del vapore acqueo. Poiché viene prodotta solo una concentrazione molto bassa di idrogeno, non c'è rischio di esplosione.
La Figura 3 mostra un foglio a specchio commutabile che utilizza il vapore acqueo nell'aria. Questo foglio gasocromico non richiede gas o acqua aggiunta. Può essere commutato semplicemente collegando una batteria da 3 V ai terminali ed è facile da maneggiare come il vetro commutabile elettrocromico.
Il vetro e le pellicole commutabili sono state prodotte mediante deposizione da vapore di pellicole sottili utilizzando il metodo del magnetron sputtering. Uno dei principali fattori che determinano il costo di produzione con questo metodo è il tasso di deposizione del film sottile; l'aumento del tasso di deposito riduce il costo di produzione. Il vetro commutabile elettrocromico commercializzato ha tipicamente cinque film sottili e uno spessore complessivo di circa 1 µm. La lastra a specchio commutabile sviluppata ha due pellicole sottili e uno spessore complessivo inferiore a 100 nm, circa 1/10 dello spessore del vetro commutabile elettrocromico. Inoltre, perché il foglio a specchio commutabile sviluppato è costituito solo da film sottili di metallo con un alto tasso di deposizione, il tempo di deposizione è molto più breve di quello del vetro commutabile elettrocromico convenzionale e si prevede una marcata riduzione dei costi di produzione.
Il ricercatore valuterà la durabilità del foglio eseguendo la commutazione ciclica. La tecnologia sviluppata sarà applicata alle aree in cui il vetro commutabile gasocromico convenzionale non può essere utilizzato, in particolare nei piccoli finestrini utilizzati nei veicoli, treni, e aeroplani. Il suo obiettivo è aumentare la trasmissione della luce visibile del vetro a oltre il 70% e utilizzare il vetro per bloccare efficacemente l'ingresso della luce solare attraverso i parabrezza dei veicoli. Intende anche studiare la deposizione di film sottili su lastre di grandi dimensioni in collaborazione con il settore privato puntando all'uso precoce di questo vetro a specchio commutabile come vetro di grandi dimensioni per gli edifici.
