新型智能薄膜：让窗户瞬间自动切换透光状态

介绍

根据韩国科学技术研究所官方网站最近的一份报告，该校的研究人员开发了一种易于使用的智能光学薄膜技术，这种技术能够使智能窗户设备根据环境光条件在透明和不透明状态之间自动切换。

背景

目前，全球变暖、能源消耗和巨大的碳排放迫使“节能减排”成为全球关注的焦点。然而，建筑一直是碳排放的重要来源。在建筑能耗严重的背景下，发展“零能耗建筑”是必然趋势。简而言之，“零能耗建筑”是指通过各种节能材料、技术和手段，有效、大幅度降低能耗的建筑。“零能耗建筑”对门窗提出了新的要求。除满足舒适、私密、美观、安全、遮阳等性能要求外，还满足节能减排要求。

爱沙尼亚塔林零能耗测试大楼(图片来源:维基百科)

因此，一种叫做“智能窗”的新技术出现了。智能窗户能够智能地感知和响应外部光线或其他环境因素的变化。一般来说，它利用电致变色、光致变色、热致变色等特殊材料，随着电、光、热等外界条件的变化，改变自身的颜色和透光特性，从而有效控制进入室内的太阳辐射能量，达到建筑节能的目的。同时，该技术有望与太阳能电池技术和物联网技术相结合，为未来智能城市的建设做出贡献。

(照片来源:劳伦斯·伯克利国家实验室)

创新

最近，韩国科学技术研究所(KAIST)由材料科学与工程系教授Seokwoo Jeon和土木与环境工程系教授Jung-Wuk Hong领导的研究小组，与韩国科学技术研究所教授Jong-Hwa Shin和新罗大学教授Yong-Seok Shim的研究小组合作，开发了一种易于使用的智能光学薄膜技术，使智能窗户设备能够根据环境光条件在透明和不透明状态之间自动切换。他们的研究结果发表在4月26日的《高级科学》杂志在线版上。

下图为左后顺时针方向:郑武康教授、全硕教授、尚李言博士及赵东伟博士。

(照片来源:KAIST)

技术

这种三维混合纳米复合薄膜具有高度周期性的网络结构。实验证明，它的高速度和高性能，使智能窗口通电和自我调节高对比度的透光率。作为概念的证明，研究人员已经成功地扩展到3英寸乘3英寸的智能光学薄膜，以实现智能窗口设备，该设备可以通过移动应用控制用于物联网应用。这种节能和省钱的技术有望应用于未来需要主动光传输调制的各种应用。

近年来，应用于隐私保护窗、零能耗建筑和光束投影屏等智能应用的柔性半透明调制技术备受关注。使用电、热和光等外部刺激来调制光传输是有限的，因为它们的响应速度慢、不必要的颜色切换、耐久性差、稳定性和安全性差。

通过控制具有低光密度的非周期性二维表面结构(例如裂缝、褶皱和柱)上的光散射界面而实现的光传输调制对比度通常也很低。此外，由于光散射界面暴露于外部并且不受任何钝化层的保护，所以它容易受到外部损坏并且可能失去其光传输调制功能。此外，平面中的散射界面随机出现在表面上，使得均匀的大面积调制变得困难。

受这些限制因素的启发，韩国科学技术研究所的研究团队已经使用近场纳米图案(PnP)技术有效地生产了高度周期性的三维混合纳米结构，并且原子层沉积(ALD)技术已经实现了氧化物沉积的精确控制和半导体器件的高质量生产。

三维散射体的设计理念和制造工艺。(照片来源:KAIST)

然后，该团队成功地制造了一种大尺寸智能光学薄膜，尺寸为3英寸×3英寸。在这种薄膜中，氧化铝纳米胶囊以周期性三维纳米网络的形式插入弹性体之间。

三维弹性体的力学和光学模拟(照片来源:KAIST)

这种“机械无响应”三维杂化纳米复合薄膜具有高度周期性的网络结构，是目前最大的智能半透明调制薄膜。这种薄膜已经被证明具有最先进的光传输调制，在可见光波长下达到74%，从初始透射率的90%到应变时散射状态的16%。它的耐用性和稳定性已经经受了10，000多次严重的机械变形测试，包括拉伸、松弛和弯曲，并且已经被置于70℃的高温下。当膜被使用时，智能窗户装置的透射系数根据环境光条件在一秒钟内被快速且自动地调整。通过这些实验，我们发现了非均匀界面中光散射现象背后的物理规律。

物联网应用演示:自动调节机械响应智能窗(MSW)设备和光束投影屏幕。(照片来源:KAIST)

价值

KAIST材料科学与工程系博士生、该项研究的共同负责人董伟乔说:“我们的智能光学薄膜技术可以通过相对简单的操作原理和较低的能耗和成本，更好地控制高对比度的光透射率。”

他补充道:“这项技术应用非常简单，只需将薄膜粘贴在传统智能窗玻璃的表面，无需更换现有的窗户系统，从而实现快速切换和均匀着色，确保耐用性、稳定性和安全性。此外，它在可拉伸或可卷曲设备中的广泛应用，如光束投影屏幕所需的墙壁显示器，也能满足美学要求。”

关键字

智能窗口、物联网、光学

参考材料

【1】董伟秋、永硕、载旭贞、尚铉南、世宏民、尚、永振汉、光载李、朴俊勇、钟和信、郑汇洪、世光全。三维异质界面应变诱导纳米间隙的高对比度光学调制。高等科学，2020年；1903708 DOI:10.1002/advs . 201903708

【2】http://news . kaist . AC . kr/newsen/html/news/？模式=伏安；mng_no=8111

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