Slimme ramen die automatisch van kleur veranderen afhankelijk van de intensiteit van het zonlicht, krijgen de aandacht omdat ze de energierekening kunnen verlagen door de zichtbare zonnestralen in de zomer te blokkeren. Maar hoe zit het met ramen die tijdens het moessonseizoen of op warme zomerdagen van kleur veranderen afhankelijk van de vochtigheid buiten?

Onlangs, een Koreaans onderzoeksteam heeft de brontechnologie ontwikkeld voor slimme ramen die van kleur veranderen afhankelijk van de hoeveelheid vocht, zonder elektriciteit nodig te hebben.

Het gezamenlijke onderzoeksteam bestaande uit professor Junsuk Rho van de afdelingen werktuigbouwkunde en chemische technologie, Jaehyuck Jang en Aizhan Ismukhanova van de afdeling chemische technologie van POSTECH, en professor Inkyu Park van de afdeling werktuigbouwkunde van KAIST. Samen, ze ontwikkelden met succes een variabel kleurenfilter met behulp van een metaal-hydrogel-metaal resonatorstructuur met behulp van een op chitosan gebaseerde hydrogel en combineerden dit met zonnecellen om een ​​zelfaandrijvende vochtigheidssensor te maken. Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd als cover story in de laatste editie van Geavanceerde optische materialen , een tijdschrift gespecialiseerd in nanowetenschap en optica.

Sensoren die gebruik maken van licht worden in ons dagelijks leven al veel gebruikt bij het meten van het ECG, luchtkwaliteit, of afstand, bijvoorbeeld. Het basisprincipe is om met licht veranderingen in de omgeving te detecteren en om te zetten in digitale signalen.

Fabri-Pero-interferentie is een van de resonantiefenomenen die kunnen worden toegepast in optische sensoren en kan worden gematerialiseerd in de vorm van meerlagige dunne films van metaal-diëlektrisch-metaal. Het is bekend dat de resonantiegolflengte van doorgelaten licht kan worden geregeld in overeenstemming met de dikte en brekingsindex van de diëlektrische laag. Echter, de bestaande metaal-diëlektrische-metaalresonatoren hebben het grote nadeel dat ze de golflengten van het doorgelaten licht niet kunnen controleren als ze eenmaal zijn vervaardigd, waardoor het moeilijk is om ze in variabele sensoren te gebruiken.

Het onderzoeksteam ontdekte dat wanneer de chitosan-hydrogel wordt gemaakt in de metaal-hydrogel-metaalstructuur, de resonantiegolflengte van het doorgelaten licht verandert in realtime, afhankelijk van de vochtigheid van de omgeving. Dit komt omdat de chitosan-hydrogel uitzetting en samentrekking herhaalt als de vochtigheid eromheen verandert.

Met behulp van dit mechanisme, het team ontwikkelde een vochtigheidssensor die de energie van licht kan omzetten in elektriciteit door een zonnebatterij te combineren met een watervariabele golflengtefilter gemaakt van een metaal-hydrogel-metaal gestructureerd metamateriaal dat de resonantiegolflengte verandert afhankelijk van de externe vochtigheid.

Het ontwerpprincipe is om de resonantiegolflengte van het filter te laten overlappen met de golflengte waarbij de absorptie van de zonnecellen snel verandert. Dit filter is ontworpen om de hoeveelheid lichtabsorptie van zonnecellen te veranderen afhankelijk van de hoeveelheid vocht, en om te leiden tot elektrische veranderingen die uiteindelijk de omringende vochtigheid detecteren.

In tegenstelling tot conventionele optische vochtigheidssensoren, deze nieuw ontwikkelde lampen werken ongeacht het type licht, of het nu natuurlijk is, LED of binnen. Ook, het functioneert niet alleen zonder externe voeding, maar het kan ook de vochtigheid voorspellen op basis van de kleur van het filter.

Professor Junsuk Rho die het onderzoek leidde, merkte op:"Deze technologie is een sensortechnologie die kan worden gebruikt op plaatsen zoals kernreactoren waar mensen en elektriciteit niet kunnen komen." Hij voegde toe, "Het zal nog meer synergie creëren als het wordt gecombineerd met IoT-technologie, zoals vochtigheidssensoren die worden geactiveerd of slimme vensters die van kleur veranderen afhankelijk van het niveau van de externe vochtigheid."