韓國研發(fā)出易用的智能光學(xué)薄膜技術(shù)

據(jù)韓國科學(xué)技術(shù)院官網(wǎng)近日報道，該校研究人員開發(fā)出一項易用的智能光學(xué)薄膜技術(shù)，無需取代現(xiàn)有的窗戶系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)了快速切換和均勻著色，確保了耐久性、穩(wěn)定性和安全性。此外，它在可拉伸或者可卷曲的設(shè)備例如光束投影屏幕所需的壁式顯示器方面的廣泛應(yīng)用，也可以滿足審美要求。

背景

時下，全球氣候變暖、能源消耗及碳排放巨大的形勢，迫使“節(jié)能減排”成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，建筑物一直是碳排放的重要來源之一。在建筑物能耗嚴(yán)峻的大背景下，發(fā)展“零能耗建筑”是必然趨勢。簡單說，“零能耗建筑”就是通過各種節(jié)能材料、技術(shù)及手段，有效且大幅減少能耗的建筑?！傲隳芎慕ㄖ睂τ陂T窗提出了新的要求，除了滿足舒適、隱私、美觀、安全、遮陽等性能外，還要滿足節(jié)能減排的要求。

位于愛沙尼亞共和國塔林市的零能耗測試建筑(圖片來源：維基百科)

因此，一項新興的科技“智能窗戶(Smart Window)”應(yīng)運(yùn)而生。智能窗戶能夠智能感知外界光線或者其他環(huán)境因素的變化并作出反應(yīng)。一般來說，它是利用電致變色、光致變色、熱致變色等特殊材料，隨著電、光、熱等外界條件變化而改變自身顏色以及透光特性，有效控制進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射能量，以達(dá)到建筑節(jié)能的目的。同時，這項技術(shù)還有望與太陽能電池技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)融為一體，為未來智慧城市的建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

創(chuàng)新

近日，韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的研究團(tuán)隊在材料科學(xué)與工程系教授 Seokwoo Jeon、土木與環(huán)境工程系教授 Jung-Wuk Hong 領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊，與 KAIST 教授 Jong-Hwa Shin 課題組以及新羅大學(xué)教授 Young-Seok Shim 合作，開發(fā)出一項易用的智能光學(xué)薄膜技術(shù)，使智能窗戶裝置可以根據(jù)周圍光線條件自動切換透明與不透明狀態(tài)。他們的研究成果于4月26日發(fā)表在在線版的《先進(jìn)科學(xué)( Advanced Science )》期刊上。

技術(shù)

這款三維雜化納米復(fù)合材料薄膜具有高度周期性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，已通過實驗證明其高速度與高性能，使智能窗戶能量化以及自我調(diào)節(jié)高對比度光學(xué)透射率。作為概念證明，研究人員采用成功擴(kuò)展到3英寸×3英寸的智能光學(xué)薄膜，實現(xiàn)了一款通過移動應(yīng)用程序控制、可在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的智能窗戶裝置。這項節(jié)能省錢的技術(shù)未來有望應(yīng)用到需要主動透光性調(diào)制的各項應(yīng)用中。

應(yīng)用于隱私保護(hù)窗戶、零能耗建筑以及光束投影屏幕等智能應(yīng)用的柔性透光性調(diào)制技術(shù)，近年來一直備受關(guān)注。使用外界刺激例如電、熱、光來調(diào)制透光性的應(yīng)用很有限，原因是它們的響應(yīng)速度慢，會產(chǎn)生不必要的顏色切換，耐用性、穩(wěn)定性以及安全性差。

在低光密度的非周期性二維表面結(jié)構(gòu)(例如裂縫、褶皺和柱子)上控制光散射界面實現(xiàn)的透光性調(diào)制對比度，也普遍偏低。此外，因為光散射界面暴露在外，沒有受到任何鈍化層的保護(hù)，容易受到外部損傷，并可能會喪失透光性調(diào)制功能。再進(jìn)一步說，平面內(nèi)的散射界面是隨機(jī)存在于表面上的，從而使得統(tǒng)一的大面積調(diào)制變得困難。

受這些限制因素啟發(fā)，韓國科學(xué)技術(shù)院的研究團(tuán)隊采用近場納米圖案(PnP)技術(shù)有效地生產(chǎn)出高度周期性的三維雜化納米結(jié)構(gòu)，以及原子層沉積(ALD)技術(shù)實現(xiàn)了氧化物沉積的精準(zhǔn)控制以及半導(dǎo)體器件的高質(zhì)量生產(chǎn)。

三維散射體的設(shè)計概念和制造過程。(圖片來源：KAIST)

然后，團(tuán)隊成功地制造出一片尺寸達(dá)3英寸×3英寸的大尺寸智能光學(xué)薄膜。在這片薄膜中，氧化鋁納米殼被插入到周期性三維納米網(wǎng)絡(luò)中的彈性體之間。

這款“機(jī)械響應(yīng)(mechano-responsive)”式三維雜化納米復(fù)合材料薄膜，具有高度周期性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)有最大的智能透光性調(diào)制薄膜。這款薄膜已被證明具有最先進(jìn)的透光性調(diào)制，在可見光波長下達(dá)到74%，從初始透射率90%到應(yīng)變下處于散射狀態(tài)的16%。其耐用性和穩(wěn)定性經(jīng)過了超過1萬次的劇烈機(jī)械形變測試，包括拉伸、放松和彎曲，并被放置到70°C的高溫下。當(dāng)這款薄膜在使用時，智能窗戶裝置的透射系數(shù)根據(jù)周圍光線條件在一秒鐘之內(nèi)被迅速地自動調(diào)整。通過這些實驗，產(chǎn)生在異質(zhì)界面中的光學(xué)散射現(xiàn)象背后的物理規(guī)律被發(fā)現(xiàn)了。

價值

KAIST 材料科學(xué)與工程系博士研究生、這項研究共同領(lǐng)導(dǎo)作者 Donghwi Cho 表示：“我們的智能光學(xué)薄膜技術(shù)可通過相對簡單的操作原理和較低的能耗和成本，更好地控制高對比度的光學(xué)透射率?！?

光學(xué)薄膜在我們的生活中無處不在，從精密級光學(xué)設(shè)備、顯示器設(shè)備到日常生活中的光學(xué)薄膜應(yīng)用;如：平時戴的眼鏡、數(shù)碼相機(jī)、各式家電用品，或者是標(biāo)簽上的防偽技術(shù)，皆能被稱之為光學(xué)薄膜技術(shù)應(yīng)用之延伸。而智能光學(xué)薄膜技術(shù)的發(fā)展，更為我們的未來帶來無限可能。