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韩国科学技术院发出易用的智能光学薄膜技术

据韩国科学技术院官网近日报道,该校研究人员开发出一项易用的智能光学薄膜技术,使智能窗户装置可以根据周围光线条件自动切换透明与不透明状态。

时下,全球气候变暖、能源消耗及碳排放巨大的形势,迫使“节能减排”成为全球关注的焦点。然而,建筑物一直是碳排放的重要来源之一。在建筑物能耗严峻的大背景下,发展“零能耗建筑”是必然趋势。简单说,“零能耗建筑”就是通过各种节能材料、技术及手段,有效且大幅减少能耗的建筑。“零能耗建筑”对于门窗提出了新的要求,除了满足舒适、隐私、美观、安全、遮阳等性能外,还要满足节能减排的要求。

因此,一项新兴的科技“智能窗户(Smart Window)”应运而生。智能窗户能够智能感知外界光线或者其他环境因素的变化并作出反应。一般来说,它是利用电致变色、光致变色、热致变色等特殊材料,随着电、光、热等外界条件变化而改变自身颜色以及透光特性,有效控制进入室内的太阳辐射能量,以达到建筑节能的目的。同时,这项技术还有望与太阳能电池技术以及物联网(IoT)技术融为一体,为未来智慧城市的建设做出贡献。

近日,韩国科学技术院(KAIST)的研究团队在材料科学与工程系教授 Seokwoo Jeon、土木与环境工程系教授 Jung-Wuk Hong 领导的科研团队,与 KAIST 教授 Jong-Hwa Shin 课题组以及新罗大学教授 Young-Seok Shim 合作,开发出一项易用的智能光学薄膜技术,使智能窗户装置可以根据周围光线条件自动切换透明与不透明状态。他们的研究成果于4月26日发表在在线版的《先进科学( Advanced Science )》期刊上。

从左后方顺时针方向:Jung-Wuk Hong 教授、Seokwoo Jeon 教授、 Sang-Eon Lee 博士、Donghwi Cho 博士研究生。(图片来源:KAIST)

这款三维杂化纳米复合材料薄膜具有高度周期性的网络结构,已通过实验证明其高速度与高性能,使智能窗户能量化以及自我调节高对比度光学透射率。作为概念证明,研究人员采用成功扩展到3英寸×3英寸的智能光学薄膜,实现了一款通过移动应用程序控制、可在物联网应用中使用的智能窗户装置。这项节能省钱的技术未来有望应用到需要主动透光性调制的各项应用中。

应用于隐私保护窗户、零能耗建筑以及光束投影屏幕等智能应用的柔性透光性调制技术,近年来一直备受关注。使用外界刺激例如电、热、光来调制透光性的应用很有限,原因是它们的响应速度慢,会产生不必要的颜色切换,耐用性、稳定性以及安全性差。

在低光密度的非周期性二维表面结构(例如裂缝、褶皱和柱子)上控制光散射界面实现的透光性调制对比度,也普遍偏低。此外,因为光散射界面暴露在外,没有受到任何钝化层的保护,容易受到外部损伤,并可能会丧失透光性调制功能。再进一步说,平面内的散射界面是随机存在于表面上的,从而使得统一的大面积调制变得困难。

受这些限制因素启发,韩国科学技术院的研究团队采用近场纳米图案(PnP)技术有效地生产出高度周期性的三维杂化纳米结构,以及原子层沉积(ALD)技术实现了氧化物沉积的精准控制以及半导体器件的高质量生产。

然后,团队成功地制造出一片尺寸达3英寸×3英寸的大尺寸智能光学薄膜。在这片薄膜中,氧化铝纳米壳被插入到周期性三维纳米网络中的弹性体之间。

这款“机械响应(mechano-responsive)”式三维杂化纳米复合材料薄膜,具有高度周期性的网络结构,是现有最大的智能透光性调制薄膜。这款薄膜已被证明具有最先进的透光性调制,在可见光波长下达到74%,从初始透射率90%到应变下处于散射状态的16%。其耐用性和稳定性经过了超过1万次的剧烈机械形变测试,包括拉伸、放松和弯曲,并被放置到70°C的高温下。当这款薄膜在使用时,智能窗户装置的透射系数根据周围光线条件在一秒钟之内被迅速地自动调整。通过这些实验,产生在异质界面中的光学散射现象背后的物理规律被发现了。

物联网应用的演示:一款自调节机械响应智能窗户(MSW)装置以及一块光束投影屏幕。(图片来源:KAIST)

KAIST 材料科学与工程系博士研究生、这项研究共同领导作者 Donghwi Cho 表示:“我们的智能光学薄膜技术可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学透射率。”

他补充说:“这项技术应用起来很简单,只需将薄膜贴到传统的智能窗户玻璃表面,无需取代现有的窗户系统,从而实现了快速切换和均匀着色,确保了耐久性、稳定性和安全性。此外,它在可拉伸或者可卷曲的设备例如光束投影屏幕所需的壁式显示器方面的广泛应用,也可以满足审美要求。”

【1】Donghwi Cho, YoungSeok Shim, JaeWook Jung, SangHyeon Nam, Seokhwan Min, SangEon Lee, Youngjin Ham, Kwangjae Lee, Junyong Park, Jonghwa Shin, JungWuk Hong, Seokwoo Jeon. HighContrast Optical Modulation from StrainInduced Nanogaps at 3D Heterogeneous Interfaces. Advanced Science, 2020; 1903708 DOI: 10.1002/advs.201903708

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