Okna s elektronickou regulací optických vlastností
 |
| Okna s elektronickou regulací optických vlastností doc. Ing. Jiří Vondrák, DrSc., Moderní věda nabízí několik principů, jak řídit optickou propustnost nebo reflektivitu oken a dalších transparentních předmětů. O některých z nich pojednává tento příspěvek. V 70. letech dvacátého století Dr. Satyen Deb zahájil éru výzkumu elektrochromního jevu. Ten si lze přiblížit jednoduchou úvahou. Představme si jeden článek akumulátoru. V něm při nabíjení a vybíjení probíhají procesy, které jsou svou povahou elektrochemické. To znamená, že látky mění své chemické složení za účasti elektrického proudu, přicházejícího z vnějších obvodů. Akumulátory jsou navrženy a optimalizovány z hlediska jejich použití, tj. buď na co největší energii, nebo na co největší vybíjecí proud. Zatímco některé aplikace vyžadují co nejdelší dobu, po kterou je schopno zařízení pracovat, mají startovací baterie v automobilech poskytovat po kratičkou dobu velký proudový náraz schopný roztočit spalovací motor o výkonu mnoha kilowattů. Jiné nároky jsou kladeny např. na baterie pro implantované kardiostimulátory. Podstatné u všech baterií je, že se v nich látky svou chemickou podstatou mění. Každá taková změna je nepochybně spojena se změnou mnoha vlastností, včetně optických. Je tedy provázena i změnou barvy, odrazivosti a propustnosti elektrodových materiálů. Tento jev se nazývá elektrochromismus. Pro řízení toku světla jsou tedy zapotřebí elektrodové materiály, jež tyto vlastnosti projevují v dostatečné míře. Dále – jako u všech elektrochemických zařízení – je nutné mít k dispozici také elektrolyt. Celý systém se musí optimalizovat tak, aby byl co nejlépe využit. V podstatě existují dvě skupiny látek využitelných pro elektrochromní zařízení. Jednak jsou to látky pevné (zpravidla zahrnované mezi látky interkalační nebo inserční) a jednak rozpuštěné v elektrolytu jako roztok. Interkalační princip elektrochromních zařízení Za interkalační a inserční látky jsou označovány takové látky, které mohou do své krystalové struktury přijímat a opět z ní uvolňovat ionty nebo atomy dostatečně malých rozměrů. Látkám schopným takto přijímat částice jiných látek přísluší název hostitel, zatímco částice vkládané se označují názvem host. Podstatné přitom je, že většina fyzikálních parametrů těchto látek jen velmi málo závisí na množství hosta přítomného v hostiteli. Jedním z „učebnicových„ příkladů je oxid wolframový WO3. Jeho krystalová struktura obsahuje dutiny, které jsou navzájem propojeny kanály. Ve struktuře je jich právě tolik, kolik je atomů wolframu. Proces lze poměrně snadno řídit elektrickým proudem; je provázen výraznou změnou barvy. Oxid neobsahující cizí částice je velmi slabě nažloutlý, zatímco oxid obsahující hosta je sytě modrý.  Na obr. 1 je ukázáno ideové schéma elektrochromního okénka využívajícího interkalační reakci oxidu wolframového. Toto okno je tvořeno dvěma deskami (obvykle skleněnými), které jsou na jedné straně opatřeny elektricky vodivou vrstvou dopovaného oxidu cíničitého, na níž je příslušný elektrodový materiál. Desky jsou k sobě přiloženy přes vrstvu elektrolytu. V našich nynějších experimentech jako pracovní materiál používáme oxid wolframový, materiálem druhé elektrody je oxid vanadičný. Ten totiž nepodléhá téměř žádné barevné změně. Elektrolytem je tudíž roztok lithné soli, např. chloristanu, v bezvodém elektrolytu nebo v polymerním gelu. Celková elektrochemická reakce probíhá podle schématu WO3 + LiV2O5 (žluté) Ű LiWO3 + V2O5 (modré) Doba potřebná ke změně zbarvení je asi 10 až 20 s. Změna vyžaduje výkon řádu desítek miliwattů na centimetr čtverečný, tj. energii 100 až 200 J/m2. Výraznou vlastností těchto systémů je jejich paměť. Podobně jako akumulátory, také zmíněné prvky zůstávají ve zvoleném stavu beze změny zbarvení po řadu hodin nebo dní. K přechodu do opačného stavu však vyžadují přivedení přibližně stejně velké energie opačného směru.  Z obr. 2 je zřejmé, jak se spektrální činitel prostupu elektrochromního systému mění při přiložení napětí. Zatímco v propustném stavu lze pozorovat jen pohlcování krátkovlnného světla odpovídajícího žlutému zbarvení, v nepropustném stavu se naopak intenzivně pohlcuje spektrum dlouhovlnné. Dodejme ještě, že interkalační elektrochromní prvky jsou velmi blízké lithno-iontovým bateriím, což jsou nejnovější zdroje proudu pro mobilní zařízení. Další systémy Kromě interkalačních systémů existují i systémy, jejichž aspoň jedna elektrodová látka je rozpuštěna v elektrolytu. Pro tyto účely se osvědčily látky zvané viologeny, které lze vratně převádět ze stavu bezbarvého do sytě barevného. Nejběžnější viologeny ve zbarveném stavu jsou sytě fialové. Často se používají v kombinaci s interkalační protielektrodou. Dokonce tak lze dosáhnout vyššího kontrastu, jestliže obě elektrody reagují na přiložení napětí současně. Tyto homogenní systémy obvykle bývají samozhášecí. Nemají totiž charakter akumulátoru a odbarvují se po odpojení napětí samovolně. Na tomto principu jsou vyráběna zpětná zrcátka pro dražší automobily. Tato zrcadla se při dopadu světla přicházejícího odzadu zatmí a zabrání tak oslnění řidiče. Další princip využívá reakci plynného vodíku nebo elektrodové procesy ve vodných elektrolytech, kterými se vyvolávají změny v tenkých vrstvách kovů skupiny lanthanu. Působením vodíku nebo záporného napětí se tyto vrstvy, původně silně odrážející světlo, přeměňují na hydridy těchto kovů. Ty jsou zcela jiného charakteru a jakožto anorganické sloučeniny jsou bezbarvé a v tenkých vrstvách průhledné. Princip je proto blízký principu metalhydridových baterií, které jsou rovněž v poslední době známy. Kromě elektrochromismu, kdy jsou optické změny vyvolávány elektricky, se též diskutuje o gasochromismu. Sem patří již popsané systémy hydridové. Změnu jejich propustnosti a odraznosti lze vyvolat přivedením plynné směsi vodík–dusík a zpětnou změnu přivedením vzduchu. Srovnání s kapalnými krystaly Současná elektronika s velkým úspěchem vyvinula zobrazovací systémy – displeje – založené na principu kapalných krystalů. Uvedené systémy využívají vlastnosti některých organických sloučenin, které se vyznačují velmi členitými molekulami. V klidovém stavu jsou uspořádány nahodile a působením elektrického pole se orientují. Jejich optické vlastnosti se tím změní. Tyto změny se např. v polarizovaném světle projevují jako změna optické propustnosti. Tak lze sestrojit velmi složité útvary, jež obsahují segmenty nebo body schopné řízení elektrickými signály. Jednou z nejstarších aplikací tohoto jevu jsou digitální hodinky. Dnes jsou na popsaném principu dokonce sestrojovány ploché displeje využívané v monitorech počítačů, hledáčcích fotoaparátů a jinde. Uvedený princip by bylo možné použít i pro řízení propustnosti skel. V současnosti jsou nabízeny např. ochranné přilby pro svářeče, jejichž okénka se během několika milisekund zatmí, jakmile svářeč zažehne elektrický oblouk. Okna s kapalnými krystaly mají odlišné vlastnosti než okna elektrochromní, a tudíž i některé výhody a nevýhody. Mezi nevýhody patří především výrazné zhoršení činnosti za nízkých teplot, které u elektrochromismu způsobí nanejvýš zpomalení odezvy. Dále nemají vlastní paměť a v nepropustném stavu vyžadují trvalé napájení. To se dělá střídavým napětím impulsního charakteru. Ačkoliv je odebíraný proud kapacitního charakteru, a nespotřebuje tudíž mnoho energie, je pro účely architektury výhodnější okno elektrochromní. To zůstává v daném stavu dosti dlouho a energii potřebuje jen k přechodu z jednoho stavu do druhého. Zabarvení systémů s kapalnými krystaly bývá výrazně závislé na směru dopadu světla. Uvedené systémy obvykle nejsou pozorovatelné v polarizovaném světle nebo přes další polarizační prvky a filtry. Význam pro praxi Pravděpodobně největší uplatnění mohou elektrochromní prvky nalézt v architektuře. Předpokládá se totiž, že elektronické ovládání optické propustnosti oken povede k dvojí úspoře energie. V denní době se uspoří na chlazení místností vystavených slunečnímu svitu, zatímco v noci se omezí ztráty tepla sáláním z místností ven. Individuální ovládání oken v jednotlivých místnostech navíc umožní přizpůsobit osvětlení a ochranu prostor místním časovým a jiným podmínkám. Jiné zajímavé uplatnění skýtají moderní kancelářské budovy, jejichž stěny mohou být skleněné a podle potřeby se mohou zneprůhlednit, např. při jednáních důvěrného charakteru. Také v automobilismu a letectví již mají tyto systémy své místo. Výrobní technologie Z obr. 1 je zřejmé, že elektrochromní systém je plošný. To znamená, že je třeba vytvářet velkoplošné soustavy tenkých elektrodových systémů. V úvahu přicházejí technologie vakuového nanášení a chemického nízkoteplotního nanášení metodou sol–gel nebo postupy nanášení s využitím sprejů. V tomto směru je třeba ještě mnoho problémů dořešit. Možná úskalí Podle současných znalostí je zde několik problémů. Především je to potřeba vyvinout takové elektrochromní látky, které by poskytovaly pokud možno neutrální zabarvení procházejícího světla. Dále je to otázka životnosti a odolnosti proti slunečnímu světlu. Totiž při využití v architektuře musí být celkový život mnoho let až desetiletí. V neposlední řadě může o uplatnění v praxi rozhodnout i cena. Podíl ČR Naše dvě pracoviště již několik let řeší dílčí úkoly spojené s elektrochromismem. Kromě vývoje speciálních polymerních elektrolytů je to také příprava tenkých vrstev chemickými technologiemi, které by nevyžadovaly vakuum, a byly by proto levnější než vakuové napařování či naprašování. Mezinárodní konference Každé dva roky se koná mezinárodní konference o elektrochromismu (International Meeting on Electrochromism). Zorganizováním jejího šestého ročníku byli pověřeni autoři této zprávy. Akce se uskuteční 28. srpna až 9. září 2004 v Brně (podrobnosti lze nalézt na www.ime-6.cz). Její součástí bude i panelová diskuse o významu elektrochromismu pro moderní architekturu. Čtenáři tohoto časopisu se zájmem o popsanou problematiku jsou upřímně zváni. Poděkování |