Kazuki Yoshimura, Grupo de película fina de control de energía, el Instituto de Investigación de Materiales para el Desarrollo Sostenible del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, ha desarrollado un espejo conmutable que utiliza un nuevo método de conmutación.

Los espejos intercambiables se pueden cambiar entre un estado transparente y un estado de espejo. Su uso puede producir vidrios de ventana que ahorran energía y que reducen sustancialmente las cargas de enfriamiento al bloquear de manera efectiva la luz solar. La lámina de espejo conmutable desarrollada utiliza una nueva conmutación gasocrómica que es completamente diferente de los métodos de conmutación gasocrómica convencionales. Puede controlar la reflexión de luz visible a infrarroja cercana a una velocidad de conmutación aproximadamente 20 veces más rápida que la del vidrio conmutable electrocrómico convencional. El presente desarrollo puede resolver los problemas relacionados con la puesta en práctica de los espejos conmutables gasocrómicos. Debido a que el grosor de la película delgada que controla la luz es aproximadamente 1/10 del de las películas convencionales, Se espera una reducción sustancial en el costo de producción.

Los detalles de esta tecnología se exhibieron y presentaron en Nano tech 2013, la 12a Exposición y Conferencia Internacional de Nanotecnología, celebrada del 30 de enero al 1 de febrero en Tokyo Big Site en Koto-ku, Tokio.

El aire acondicionado representa aproximadamente el 30% del consumo de energía en el hogar y en el trabajo. Una ventana es un componente del edificio que afecta significativamente el consumo de energía. El vidrio de ventana normal transmite tanto la luz visible como el calor y reduce la eficacia del aislamiento. Aumentar el valor de aislamiento de las ventanas es muy eficaz para ahorrar energía, y el vidrio de doble hoja y el vidrio de baja emisividad (baja emisividad) con altos valores de aislamiento se están utilizando ampliamente. El vidrio intercambiable puede controlar la luz y el calor entrantes y salientes para aumentar los efectos de ahorro de energía al aislar el calor y bloquear la luz solar.

El vidrio electrocrómico controlable eléctricamente es un tipo típico de vidrio conmutable. Recientemente, en los Estados Unidos, El vidrio electrocrómico con una película delgada de óxido de tungsteno como capa intercambiable se ha comercializado para aplicaciones de construcción. Sin embargo, Se requiere vidrio conmutable de bajo costo para promover el uso generalizado.

Todo el vidrio electrocrómico convencional absorbe la luz para controlar la luz y, por lo tanto, tiene un inconveniente; la temperatura de la película delgada aumenta y la película vuelve a irradiar calor a la habitación. Si la luz pudiera controlarse por reflejo, entonces la luz del sol podría bloquearse de manera más eficiente. Por lo tanto, se esperan espejos conmutables que se pueden cambiar entre el estado transparente y el estado espejo.

Desde el 2001, AIST ha estado llevando a cabo investigación y desarrollo de materiales de película delgada para espejos intercambiables. Ha instalado vidrio de ventana de tamaño real en un edificio real y ha demostrado que el vidrio puede reducir la carga de enfriamiento en más del 30% en comparación con el vidrio de ventana de doble panel transparente convencional.

El vidrio conmutable electrocrómico tiene una estructura compleja y, por lo tanto, es muy costoso de producir. El vidrio gasocrómico tiene una estructura simple que consta de dos películas delgadas y se esperaba que fuera vidrio conmutable de bajo costo. La ventaja de la conmutación gasocrómica es que la velocidad de conmutación es independiente del tamaño. Por lo tanto, se considera que el método es adecuado para grandes cristales intercambiables. Sin embargo, su durabilidad ha sido un problema.

AIST ha desarrollado un espejo conmutable de película delgada de aleación de magnesio-itrio que puede realizar más de 10, 000 ciclos de cambio (comunicado de prensa de AIST del 20 de septiembre de 2012). Sin embargo, Se han planteado preocupaciones de seguridad sobre el gas hidrógeno utilizado para la conmutación. Por lo tanto, AIST ha estado llevando a cabo la investigación y el desarrollo de un espejo conmutable gasocrómico seguro.

Los espejos conmutables gasocrómicos convencionales están hechos de dos paneles de vidrio unidos a un espaciador. El cambio se realiza mediante la introducción de gas en el espacio entre los cristales (Fig. 1). Cuando el hidrógeno producido por la electrólisis del agua se introduce en el espacio, la película delgada de espejo conmutable se cambia de un estado de espejo a un estado transparente por hidrogenación. Cuando se introduce oxígeno, la película delgada vuelve del estado transparente al estado espejo por deshidrogenación.

El investigador ha descubierto que cuando el vidrio y una hoja transparente se unen sin un espaciador, se forma un espacio de aire con un espesor medio de aproximadamente 0,1 mm, y la conmutación gasocrómica se puede realizar introduciendo gases en el entrehierro. Sin embargo, porque el espacio de aire es muy pequeño, el cambio no se puede realizar satisfactoriamente introduciendo hidrógeno u oxígeno de una manera convencional. El investigador investigó el mecanismo de conmutación gasocrómica y ha desarrollado un nuevo método que puede realizar la conmutación satisfactoriamente en este pequeño espacio de aire (Fig. 2). El vidrio conmutable que utiliza este nuevo método de conmutación puede cambiar al igual que el vidrio conmutable gasocrómico convencional, a pesar de que la hoja está localmente en contacto con el vidrio en muchos puntos.

El vidrio conmutable gasocrómico convencional debe ser de doble hoja y no se puede utilizar en vehículos. donde se utiliza vidrio de un solo panel. Adoptando el método gasocrómico desarrollado, una hoja transparente con una película fina intercambiable depositada por pulverización catódica, cuyo borde está adherido a una sola hoja de vidrio, funciona como vidrio conmutable y se puede utilizar en vehículos.

Con el método de conmutación convencional, si se prevé un espacio de aire de 5 mm entre dos hojas de vidrio de 1 x 1 m, el volumen del espacio es de 5 L y se requiere una gran cantidad de gas para cambiar. Con el nuevo método de conmutación, el volumen de gas necesario para cambiar el vidrio de la misma área es sólo de unos 100 ml (1/50 del requerido con los métodos convencionales), lo que permite cambiar con una pequeña cantidad de hidrógeno. Además, la pequeña cantidad de hidrógeno introducida en el espacio es absorbida rápidamente por la película delgada conmutable, dejando poco hidrógeno en el hueco y eliminando riesgos como la fuga de hidrógeno.

La velocidad de conmutación del vidrio de conmutación electrocrómico convencional depende de la corriente a través de la película conductora transparente y, por lo tanto, disminuye a medida que aumenta el tamaño de la película. Se necesitan al menos unos 10 minutos para cambiar completamente el vidrio del tamaño de un medidor si se usa el ITO (óxido de indio y estaño) de uso común como película conductora transparente. Con el nuevo método de conmutación gasocrómica, una hoja conmutable del tamaño de un metro se puede cambiar completamente a un estado transparente en aproximadamente 30 s, una velocidad de conmutación aproximadamente 20 veces más rápida que la de las películas gasocrómicas convencionales.

Además, porque la conmutación se puede realizar con una cantidad muy pequeña de hidrógeno, la humedad (vapor de agua) en el aire se puede utilizar como fuente de hidrógeno. Por ejemplo, la concentración de vapor de agua en el aire es de aproximadamente 2% a una temperatura de 30 ° C y una humedad del 50% y la electrólisis de este vapor de agua puede producir una cantidad pequeña pero suficiente de hidrógeno para la conmutación. Anteriormente era necesario suministrar agua para la electrólisis desde un tanque de agua, pero con el nuevo método esto no es necesario:la conmutación se puede realizar simplemente aplicando un voltaje de aproximadamente 3 V a la película de polímero para la producción de hidrógeno por electrólisis de vapor de agua. Debido a que solo se produce una concentración muy baja de hidrógeno, no hay riesgo de explosión.

La figura 3 muestra una hoja de espejo conmutable que utiliza vapor de agua en el aire. Esta lámina gasocrómica no requiere gas ni agua añadida. Se puede cambiar simplemente conectando una batería de 3 V a los terminales y es tan fácil de manejar como el vidrio conmutable electrocrómico.

El vidrio y las películas intercambiables se produjeron mediante la deposición de vapor de películas delgadas utilizando el método de pulverización catódica con magnetrón. Uno de los principales factores que determinan el costo de producción por este método es la tasa de deposición de película delgada; el aumento de la tasa de deposición reduce el costo de producción. El vidrio conmutable electrocrómico comercializado tiene típicamente cinco películas delgadas y un espesor total de aproximadamente 1 µm. La lámina de espejo conmutable desarrollada tiene dos películas delgadas y un espesor total de menos de 100 nm, aproximadamente 1/10 del espesor del vidrio conmutable electrocrómico. Además, debido a que la lámina de espejo intercambiable desarrollada consta solo de películas delgadas de metal con una alta tasa de deposición, el tiempo de deposición es mucho más corto que el del vidrio conmutable electrocrómico convencional y se espera una marcada reducción en el costo de producción.

El investigador evaluará la durabilidad de la hoja realizando una conmutación cíclica. La tecnología desarrollada se aplicará a las áreas en las que no se puede utilizar el vidrio conmutable gasocrómico convencional, particularmente en las pequeñas ventanas utilizadas en los vehículos, trenes y aviones. Su objetivo es aumentar la transmitancia de luz visible del vidrio a más del 70% y utilizar el vidrio para bloquear eficazmente la entrada de la luz solar a través de los parabrisas de los vehículos. También tiene la intención de estudiar la deposición de películas delgadas en láminas grandes en colaboración con el sector privado, con el objetivo de lograr el uso temprano de este espejo de vidrio intercambiable como vidrio de gran tamaño para edificios.