Kazuki Yoshimura, Energy Control Thin Film Group, het Materials Research Institute for Sustainable Development van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, heeft een schakelbare spiegel ontwikkeld die gebruik maakt van een nieuwe schakelmethode.

Schakelbare spiegels kunnen worden geschakeld tussen een transparante toestand en een spiegeltoestand. Het gebruik ervan kan energiebesparend vensterglas opleveren dat de koelbelasting aanzienlijk vermindert door zonlicht effectief te blokkeren. De ontwikkelde schakelbare spiegelplaat maakt gebruik van nieuwe gasochrome schakelingen die totaal anders zijn dan conventionele gasochrome schakelingen. Het kan de reflectie van zichtbaar tot nabij-infrarood licht regelen met een schakelsnelheid die ongeveer 20 keer sneller is dan die van conventioneel elektrochroom schakelbaar glas. De huidige ontwikkeling kan de problemen oplossen die gepaard gaan met het in de praktijk brengen van gasochrome schakelbare spiegels. Omdat de dikte van de dunne film die het licht regelt ongeveer 1/10 is van die van conventionele films, aanzienlijke vermindering van de productiekosten wordt verwacht.

Details van deze technologie werden tentoongesteld en gepresenteerd op Nano tech 2013, de 12e internationale tentoonstelling en conferentie over nanotechnologie, gehouden van 30 januari tot 1 februari op Tokyo Big Site in Koto-ku, Tokio.

Airconditioning is goed voor ongeveer 30% van het energieverbruik thuis en op het werk. Een raam is een bouwcomponent die het energieverbruik aanzienlijk beïnvloedt. Normaal vensterglas laat zowel zichtbaar licht als warmte door en vermindert de effectiviteit van isolatie. Het verhogen van de isolatiewaarde van ramen is zeer effectief in het besparen van energie, en dubbel glas en low-e (low-emissivity) glas met hoge isolatiewaarden worden veel gebruikt. Schakelbaar glas kan inkomend en uitgaand licht en warmte regelen om de energiebesparende effecten te vergroten door warmte te isoleren en zonlicht te blokkeren.

Elektrisch regelbaar elektrochroom glas is een typisch type schakelbaar glas. Onlangs, in de Verenigde Staten, elektrochroom glas met een dunne film van wolfraamoxide als schakelbare laag is gecommercialiseerd voor bouwtoepassingen. Echter, goedkoop schakelbaar glas is nodig om het wijdverbreide gebruik te bevorderen.

Al het conventionele elektrochroom glas absorbeert licht om het licht te beheersen en heeft daarom een ​​nadeel; de temperatuur van de dunne film stijgt en de film straalt opnieuw warmte de kamer in. Als licht kan worden gecontroleerd door reflectie, dan kan zonlicht efficiënter worden geblokkeerd. Daarom wordt gewacht op schakelbare spiegels die kunnen worden geschakeld tussen de transparante toestand en de spiegeltoestand.

Sinds 2001, AIST heeft onderzoek gedaan naar en ontwikkeling van dunnefilmmaterialen voor schakelbare spiegels. Het heeft vensterglas op ware grootte geïnstalleerd in een echt gebouw en heeft aangetoond dat het glas de koelbelasting met meer dan 30% kan verminderen in vergelijking met conventioneel transparant dubbel glas.

Elektrochroom schakelbaar glas heeft een complexe structuur en is daarom erg duur om te produceren. Gasochrome glas heeft een eenvoudige structuur bestaande uit twee dunne films en is naar verwachting goedkoop schakelbaar glas. Het voordeel van gasochrome schakeling is dat de schakelsnelheid grootte-onafhankelijk is. Daarom, de methode wordt geschikt geacht voor groot schakelbaar glas. Echter, de duurzaamheid is een probleem geweest.

AIST heeft een dunne-film schakelbare spiegel van magnesium-yttriumlegering ontwikkeld die meer dan 10, 000 schakelcycli (persbericht AIST op 20 september, 2012). Echter, Er zijn veiligheidsproblemen gerezen over het waterstofgas dat voor de omschakeling wordt gebruikt. AIST heeft daarom het onderzoek en de ontwikkeling van een veilige gasochrome schakelbare spiegel uitgevoerd.

Conventionele gasochrome schakelbare spiegels zijn gemaakt van twee glasplaten die op een afstandhouder zijn bevestigd. Het schakelen gebeurt door het inbrengen van gas in de ruimte tussen de ruiten (afb. 1). Wanneer waterstof geproduceerd door de elektrolyse van water in de ruimte wordt gebracht, de omschakelbare dunne spiegelfilm wordt door hydrogenering van een spiegeltoestand naar een transparante toestand geschakeld. Wanneer zuurstof wordt toegevoegd, de dunne film wordt teruggeschakeld van de transparante toestand naar de spiegeltoestand door dehydrogenering.

De onderzoeker heeft ontdekt dat wanneer glas en een transparante plaat aan elkaar worden gehecht zonder een afstandhouder, er ontstaat een luchtspleet met een gemiddelde dikte van ongeveer 0,1 mm, en gasochroom schakelen kan worden uitgevoerd door gassen in de luchtspleet te brengen. Echter, omdat de luchtspleet erg klein is, het schakelen kan niet bevredigend worden uitgevoerd door waterstof of zuurstof op een conventionele manier in te voeren. De onderzoeker onderzocht het mechanisme van gasochroom schakelen en heeft een nieuwe methode ontwikkeld die het schakelen in deze kleine luchtspleet naar tevredenheid kan uitvoeren (Fig. 2). Schakelbaar glas dat deze nieuwe schakelmethode gebruikt, kan net zo goed schakelen als conventioneel gasochromisch schakelbaar glas, ook al is de plaat op veel plaatsen plaatselijk in contact met het glas.

Conventioneel gasochroom schakelbaar glas moet dubbel beglaasd zijn en mag niet worden gebruikt in voertuigen, waar enkel glas wordt gebruikt. Door gebruik te maken van de ontwikkelde gasochrome methode, een transparant vel met een door sputteren afgezet verwisselbare dunne film, waarvan de rand is verbonden met een enkele ruit, werkt als schakelbaar glas en kan in voertuigen worden gebruikt.

Met de conventionele schakelmethode, als er een luchtspleet van 5 mm is voorzien tussen twee ruiten van 1 x 1 m glas, het volume van de opening is 5 L en er is een grote hoeveelheid gas nodig om te schakelen. Met de nieuwe schakelmethode het gasvolume dat nodig is om glas van hetzelfde gebied te verwisselen is slechts ongeveer 100 ml - 1/50 van wat nodig is bij conventionele methoden - waardoor er met een kleine hoeveelheid waterstof kan worden geschakeld. In aanvulling, de kleine hoeveelheid waterstof die in de opening wordt geïntroduceerd, wordt snel geabsorbeerd door de schakelbare dunne film, waardoor er weinig waterstof in het gat blijft en risico's zoals waterstoflekkage worden geëlimineerd.

De schakelsnelheid van conventioneel elektrochroom schakelglas hangt af van de stroom door de transparante geleidende film en neemt daarom af naarmate de film groter wordt. Het duurt minstens ongeveer 10 minuten om glas van meterformaat volledig te wisselen als het veelgebruikte ITO (indiumtinoxide) wordt gebruikt als de transparante geleidende film. Met de nieuwe gasochrome schakelmethode, een schakelbaar vel van meterformaat kan in ongeveer 30 s volledig worden omgeschakeld naar een transparante toestand - een schakelsnelheid die ongeveer 20 keer sneller is dan die van conventionele gasochrome films.

In aanvulling, omdat de omschakeling kan worden uitgevoerd met een zeer kleine hoeveelheid waterstof, het vocht (waterdamp) in lucht kan worden gebruikt als de bron van waterstof. Bijvoorbeeld, de waterdampconcentratie in lucht is ongeveer 2% bij een temperatuur van 30 °C en een vochtigheid van 50% en de elektrolyse van deze waterdamp kan een kleine maar voldoende hoeveelheid waterstof produceren om te schakelen. Voorheen was het nodig om water voor elektrolyse te leveren vanuit een watertank, maar met de nieuwe methode is dat niet nodig:schakelen kan eenvoudig door een spanning van ongeveer 3 V aan te leggen op de polymeerfilm voor waterstofproductie door elektrolyse van waterdamp. Omdat er slechts een zeer lage concentratie waterstof wordt geproduceerd, er is geen explosiegevaar.

Figuur 3 toont een schakelbare spiegelplaat die waterdamp in lucht gebruikt. Deze gasochrome plaat vereist geen gas of toegevoegd water. Het kan eenvoudig worden geschakeld door een 3-V-batterij op de klemmen aan te sluiten en is net zo gemakkelijk te hanteren als elektrochroom schakelbaar glas.

Schakelbaar glas en films werden geproduceerd door opdampen van dunne films met behulp van de magnetron sputtermethode. Een van de belangrijkste factoren die de productiekosten met deze methode bepalen, is de depositiesnelheid van de dunne film; verhoogde depositiesnelheid verlaagt de productiekosten. Gecommercialiseerd elektrochroom schakelbaar glas heeft typisch vijf dunne films en een totale dikte van ongeveer 1 µm. De ontwikkelde schakelbare spiegelplaat heeft twee dunne films en een totale dikte van minder dan 100 nm - ongeveer 1/10 van de dikte van elektrochroom schakelbaar glas. In aanvulling, omdat de ontwikkelde schakelbare spiegelplaat alleen bestaat uit dunne metaalfilms met een hoge depositiesnelheid, de depositietijd is veel korter dan die van conventioneel elektrochroom schakelbaar glas en er wordt een duidelijke vermindering van de productiekosten verwacht.

De onderzoeker zal de duurzaamheid van de plaat evalueren door middel van cyclisch schakelen. De ontwikkelde technologie zal worden toegepast op de gebieden waar conventioneel gasochroom schakelbaar glas niet kan worden gebruikt, vooral in de kleine ramen die in voertuigen worden gebruikt, treinen, en vliegtuigen. Hij wil de doorlaatbaarheid van zichtbaar licht van het glas verhogen tot meer dan 70% en het glas gebruiken om effectief te voorkomen dat zonlicht door de voorruiten van voertuigen binnendringt. Ook wil hij in samenwerking met de particuliere sector dunnefilmdepositie op grote platen bestuderen om dit schakelbare spiegelglas vroegtijdig te kunnen gebruiken als grootglas voor gebouwen.