«Умная» пленка для смарт-вещей

«Умное» стекло (smart window, или smart glass) — стекло с изменяющимися оптическими свойствами, такими как опалесценция (матовость), коэффициент светопропускания, коэффициент поглощения тепла, и другими качествами, проявляющимися при изменении внешних условий— например, освещенности, температуры или при подаче электрического напряжения. Простыми словами, «умное» стекло — инновационный материал, обладающий функцией переменной прозрачности.

Уникальные свойства «умного» стекла, его способность из матового, непрозрачного становиться прозрачным и наоборот, а также энергосберегающие и звукоизоляционные качества делают материал более востребованным в строительстве, архитектуре и дизайне. Поэтому такой материал все чаще используется не только в офисах, медицинских учреждениях и административных помещениях, но и для остекления домов или в дизайне интерьеров (рис. 1)

Основное направление его применения остается прежним — это создание внутренних перегородок и элементов дизайна. Перегородки позволяют зонировать обширное пространство, формируя отдельные, относительно изолированные места, внешне не загромождая площадь, пропускают достаточное количество света. Способность создавать отдельные зоны нашла применение в самых разных отраслях: банки, рестораны, медицинские учреждения, витрины, автомобильная индустрия, авиастроение, декор, экраны обратной проекции и другие.

Возможности использования технологии довольно широки, и она стремительно завоевывает рынок. Согласно исследованию Grand View Research, в 2021 году размер мирового рынка смарт-стекла оценивался в $5,13 млрд и ожидается, что совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) в период 2022–2030 гг. будет увеличиваться на 10,3% и достигнет $12,76 млрд к 2030 году (рис. 2а). В 2021 году сегмент транспортных приложений занял значительную долю рынка, составившую около 49% (рис. 2б). Заметный рост в автомобильном сегменте можно объяснить более широким внедрением смарт-стекла производителями автомобилей класса люкс. Сегмент электрохромных технологий доминировал на мировом рынке смарт-стекла с долей 83,6% в 2021 году (рис. 2в). Это связано с низким напряжением питания, высоким коэффициентом блокировки УФи ИК-лучей и возможностью интеграции с большими стеклянными панелями. Ключевые факторы, которые способствуют росту рынка смарт-стекла, включают растущий спрос на продукты на основе смарт-стекла, широкое распространение в транспортном секторе и благоприятные административные инициативы для предложений по экологическому строительству

К основным игрокам на мировом рынке смарт-стекла можно отнести AGC Inc.; ChromoGenics; Corning Incorporated; Gauzy Ltd.; Gentex Corporation; Guardian Industries; Kinestral Technologies, Inc.; Nippon Sheet Glass Co., Ltd.; PPG Industries, Inc.; RavenWindow; Research Frontiers Inc.; Saint-Gobain S. A.; Showa Denko Materials Co., Ltd.; Smartglass International Limited; VELUX Group; View, Inc.; Vision Systems.

В разное время различные производители смарт-стекла основывали свою работу на следующих принципах (табл. 1):

•электрохромный — обратимые изменения оптического пропускния за счет электрического токового управления протеканием химической реакции;

• термохромный — изменение цвета и пропускания из-за изменения температуры;

• термотропический — изменение цвета в видимом спектре из-за изменения температуры;

• фотохромный — изменение цвета в видимом спектре под действием видимого света либо ультрафиолета;

• электростатически ориентируемые материалы — изменение пространственных свойств материала под действием электрического поля. Однако наибольшее распространение получили электрохромные устройства и устройства на электростатически ориентируемых материалах, принцип действия которых показан на рис. 3.

Опишем их более подробно:

• при включении напряжения в результате обратимой химической реакции изменяется поглощение света в электрохромном слое (рис. 3а);

• при приложении напряжения поглощающие частицы ориентируются в заданном направлении и изменяется пропускание (рис. 3б);

• при приложении напряжения кристаллы ЖК переориентируются, что изменяет режим рассеяния (рис. 3в). В электрохромных, или электрохимических, устройствах (ECD, Electrochromic devices) изменяемым слоем является слой ионов лития, через который протекает ионный ток. Количество пропускаемого света можно контролировать амплитудой подаваемого постоянного напряжения. Затемнение начинается с периферии и заканчивается в центре. Для полной тонировки стекла большой площади требуется до нескольких минут. Состояние материала меняется между прозрачным, полупрозрачным и цветным. В тонированном состоянии оттенки варьируются от самого насыщенного до едва заметного

В устройствах со взвешенными частицами (SPD, Suspected practical devices) между двумя подложками прозрачного стекла расположена пленка взвешенных в жидкости стержнеобразных частиц. Без электрического напряжения частицы находятся в хаотичном состоянии и поглощают свет. При этом стекло имеет серый, черный или темно-синий оттенок. При поступлении тока взвешенные частицы выстраиваются упорядоченно, стекло приобретает прозрачность. Переход происходит мгновенно. Для поддержания прозрачного состояния необходим маленький, но постоянный ток. Особенность материала в том, что он в любом состоянии оптически проницаем. В полимерных жидкокристаллических устройствах (PDLC, Polymer dispersed liquid crystal devices) жидкие кристаллы растворяются в мономере или диспергируются в жидкий полимер, затем формируют пленку, в которой происходит затвердевание при полимеризации или фиксация полимера при остывании либо удалении растворителя. В момент перехода из жидкого состояния в твердое жидкие кристаллы становятся несовместимы с твердой фазой полимера, и происходит разделение фаз, что сопровождается формированием жидкокристаллических капель (вкраплений) в полимере. Условия фиксации влияют на размер капель, что в свою очередь приводит к изменению оптических свойств смарт-стекла. Без напряжения жидкие кристаллы случайно упорядочены в капле, что приводит к рассеянию параллельных лучей света. При подаче напряжения электрическое поле между двумя прозрачными электродами на стекле заставляет жидкие кристаллы ориентироваться, позволяя свету проходить через капли с очень маленьким рассеянием. Стекло переходит в прозрачное состояние. Степень прозрачности может контролироваться приложенным напряжением. Это возможно благодаря тому, что при малых напряжениях жидкокристаллический материал в электрическом поле ориентируется частично и только маленькая порция света проходит сквозь стекло без искажения, в то время как большая часть рассеивается. По мере возрастания напряжения увеличивается часть жидких кристаллов, сориентированных в поле, что приводит к меньшему рассеянию света. Технические сравнения трех технологий приведены в таблице 2.

Как видно из приведенного выше описания и таблицы 2, технологии SPD и SPLD в основном не блокируют, а рассеивают свет, что значительно ограничивает возможности применения технологии в основном офисными применениями, и лишь электрохромные стекла могут затемнять свет, не рассеивая его и делая эту технологию единственно востребованной для решения большинства задач. В статье мы расскажем о принципиально иной технологии «умного» стекла, основанной на эффекте «гость-хозяин», имеющей преимущество в сравнении с технологией электрохромных стекол, получившей широкое распространение. Жидкокристаллическая ячейка типа «гость-хозяин» представляет собой многослойную электроуправляемую оптическую систему, состоящую из двух подложек с функциональными слоями, между которыми помещается жидкокристаллический материал (хозяин) с введенными стержневыми молекулами красителя (гость) (рис. 4). Подложки склеены между собой с определенным зазором, задаваемым спейсерами. На внутреннюю сторону подложек ЖКячейки нанесены функциональные слои ITOэлектродов, изолирующего диэлектрика и ориентанта жидкого кристалла.

В начальном состоянии при нулевом напряжении на ЖК-ячейке молекулы красителя стремятся ориентироваться параллельно осям молекул ЖК, свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 5а). При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь нее (рис. 5б). Особенность технологии позволяет использовать гибкие материалы в качестве подложек для ЖК-ячейки. В свою очередь в РЦГЭ имеется опыт использования гибких PEN-подложек для производства гибких электрофоретических и ЖК-дисплеев. Поэтому было предложено реализовать технологию «гость-хозяин» на гибкой PENподложке и таким образом впервые из «умного» стекла получить «умную» пленку с эффектом затемнения, принимающим почти любой форм-фактор.

В таблице 3 приведены характеристики традиционной электрохромной технологии в сравнении с предлагаемым подходом, основанным на эффекте «гость-хозяин». К основным преимуществам последнего можно отнести:
• быструю перестройку от прозрачного к непрозрачному состоянию или промежуточному состоянию (сотые доли секунды);
• низкие управляющие напряжения;
• возможность варьирования рабочего диапазона пропускания за счет вариации состава ЖК «гость-хозяин»;
• отсутствие синего или пурпурного оттенка;
• гибкость пленки (радиус изгиба таких пленок <100 мм). Также технология, основанная на использовании эффекта «гостьхозяин», позволяет полностью исключить из ЖК-ячейки дорогостоящий поляризатор (или использовать его дополнительно для усиления затемнения). Типичное пропускание одного поляризатора составляет порядка 42,5%, а ЖК-устройство, содержащее поляризаторы, имеет максимум пропускания не более 40%. Поскольку пленочные подложки обладают существенным двулучепреломлением, прямое наклеивание поляризаторов поверх пленочной подложки подобно изотропной (стеклянной) подложке очень затруднительно. Отсутствие поляризаторов является существенным преимуществом ЖК-затвора на эффекте «гость-хозяин». Благодаря этому уровень пропускания такого ЖК-устройства может превышать 50%.

Для реализации поставленной цели была выполнена научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа по созданию экспериментального образца жидкокристаллического модулятора света («умная» пленка) с пленочными подложками. В ходе работы реализованы следующие этапы:

• Разработка и изготовление многослойной электроуправляемой гибкой оптической подложки.

• Определение структуры модулятора для ECB и STN жидкокристаллических мод.

• Изготовление экспериментальных образцов жидкокристаллических ячеек на эффекте «гость-хозяин» с пленочными подложками и исследование их электрооптических характеристик.

• Изготовление электрического блока управления ячейками. Многослойные гибкие подложки для экспериментального образца были изготовлены на PEN-основе (рис. 4). Поверх электродов наносился диэлектрический слой минимальной толщины. Увеличение толщины диэлектрического слоя ведет к росту порогового напряжения, прилагаемого к ЖК-ячейке. Приложение к электродам потенциала меньше порогового V < Vпороговое возвращает распределение ориентации жидкого кристалла в исходное состояние, задаваемое ориентирующими слоями подложек, в качестве которых использовался специальный низкотемпературный ориентант ЖК с температурой формирования ориентирующего слоя не более +70 °C. Оптимальная величина зазора ЖК-ячейки связана с концентрацией красителя в ЖК-материале, а также величиной управляющего напряжения. Для ЖК-затвора предпочтительно использовать ЖК ячейки толщиной 5 мкм (из соображений сложности изготовления, затрат материалов и уровня пропускания при максимальном напряжении 15 В). Эффект «гость-хозяин» подразумевает введение линейного красителя в ЖК-материал. В теории введение поглощающей компоненты в ЖК-смесь не должно приводить к существенному изменению электрических характеристик смеси, в частности проводимости и порога включения Vпороговое. На практике введение более 5% красителя оказывается нежелательным. ЖК-ячейка может существовать в двух основных конфигурациях. ECB-конфигурация (Electrically Controlled Birefringence) Направление ориентации на верхней и нижней подложке навстречу друг другу — антипараллельная ориентация (рис. 6а). Угол закрутки жидкого кристалла составляет 0°. При включении напряжения ЖК в объеме ячейки переориентируется вертикально (рис. 6б).

STN-конфигурация (Super Twist Nematic) Направление ориентации на верхней и нижней подложке параллельно друг другу — параллельная ориентация (рис. 7а). Угол закрутки жидкого кристалла составляет 180°, используется хиральная добавка. При включении напряжения ЖК в объеме ячейки переориентируется вертикально (рис. 7б).

ЖК-ячейки с пленочными подложками изготавливались в STNконфигурации (рис. 7) ориентации жидкого кристалла с красителем, где были измерены их электрооптические отклики. STN-конфигурация обладает большей глубиной модуляции по сравнению с ECB-конфигурацией (рис. 6). По критерию наибольшей глубины модуляции пропускания неполяризованного света ЖК-ячейкой с зазором 5 мкм при максимальном уровне напряжения включения 15 В наиболее перспективной структурой ЖК-затвора является STNконфигурация. Для заправки STN ЖК-элемента использовалась хиральная смесь на основе жидкого кристалла MLC-6848-000, Merck с введенной смесью красителей, допированного хиральной добавкой для шага спирали 10 мкм. Для изготовления ЖК-смеси использовались красители, поглощающие свет с направлением поляризации световой волны вдоль длинной оси молекулы. При переключении жидкого кристалла молекулы введенного красителя увлекаются молекулами ЖК и изменяют направление ориентации своей длинной оси, что сопровождается изменением оптического пропускания ЖК-ячейки. Для управления оптическим пропусканием в видимом спектральном диапазоне (преимущественно 450–650 нм) использовался нейтрально серый или «черный» краситель — смесь желтого, пурпурного и голубого линейных красителей (рис. 8).

Причем для глаза человека пурпурный краситель модулирует ~72%, голубой краситель ~23%, а желтый ~5% яркости проходящего белого света. В результате были изготовлены три опытных образца экспериментального ЖКмодулятора с пленочными подложками на бесполяроидном эффекте «гость-хозяин»: Cell 1, Cell 1а, Cell 2 размером примерно 550,05 см (рис. 9).

Полученные образцы позволяют изменять пропускание неполяризованного света в диапазоне 33–67% (Cell 1), 24–57% (Cell 1a) либо 13–48% (Cell 2) соответственно для 550 нм при управлении напряжением в диапазоне 0–15 В (рис. 10).

Спектр пропускания ЖК-ячейки Cell 2 для различных уровней управляющего напряжения 0–20 В представлен на рис. 8. Измерены времена переключения пропускания пластиковой жидкокристаллической ячейки «гость-хозяин» с зазором ~5 мкм при управлении биполярным сигналом ±10 В/1 кГц. Установлено, что время включения и выключения пропускания составляет порядка 10–15 мс (рис. 11).

Блок управления
Переключение ЖК-ячеек обеспечивается при приложении разности потенциалов электрического поля к электродам подложек выше порогового значения V > Vпороговое (~3 В), когда происходит заряд ЖК-ячейки и изменение ориентации в объеме ЖК-ячейки согласно уровню приложенного напряжения, что эквивалентно конденсатору переменной емкости. При изменении полярности происходит перезаряд конденсатора-ячейки. Ориентация ЖК в объеме определяется квадратом действующего напряжения и не зависит от полярности. Переключение жидкого кристалла — полевой эффект, при этом ток через ЖК не идет. Во избежание возможности поляризации ЖК-смеси, локального накопления заряда и электрического пробоя ЖК-ячейки для управления жидким кристаллом необходимо использовать симметричный биполярный переменный сигнал типа меандр с частотой порядка 1 кГц с нулевым смещением (рис. 12). Для управления экспериментальными образцами жидкокристаллического модулятора с пленочными подложками (ЖК-ячейками на эффекте «гость-хозяин») был изготовлен электрический блок управления с питанием USB 5 В, обеспечивающий биполярный сигнал 15 В.

Опытный образец пленочного жидкокристаллического модулятора света на эффекте «гость-хозяин» был продемонстрирован на форуме «Микроэлектроника-2022». Среди преимущественных характеристик можно отметить время переключения 10 мс, малое энергопотребление и напряжение питания, допустимое для носимой электроники, а также гибкость образцов. Подобные инновационные материалы могут найти применение в устройствах, требующих мгновенной отработки быстро меняющегося динамического изменения освещенности, а также требующих определенного форм-фактора. Хорошим примером таких устройств могут служить солнцезащитная маска горнолыжника или шлем мотоциклиста, где переключение затемнения должно происходить за доли секунды, а также солнцезащитные козырьки водителя в салонах автомобиля, различная тонировка люков, окон и иллюминаторов на транспорте (рис. 13).

Сейчас на рынке представлены лишь очки и шлемы с фотохромным слоем (производители E-tint, Oakley, Solomon, RedFox и другие), которые в отличие от «умной» пленки на эффекте «гость-хозяин», во-первых, инертны и не способны быстро изменять пропускание, во-вторых, у фотохромных стекол отсутствует возможность настройки режимов затемнения. Развитием проекта «умной» пленки и выводом продукта на рынок занимается стартап «СмартХелио» (Северо-Западный центр трансфера технологий) на базе лаборатории оптоэлектроники «ФлексЛаб» (гибкая электроника и высокотехнологичные материалы). В сотрудничестве с Российским центром гибкой электроники компания «СмартХелио» планирует занять пустующую нишу «умных» пленок на российском рынке. Следующей итерацией проекта будет создание макетного образца электроуправляемого фильтра светопропускания на пластиковых подложках с возможностью его интеграции в стекло горнолыжной маски и создание высокотехнологичного продукта с функцией электроуправляемого затемнения на основе модуляции интенсивности проходящего света системой «умной» пленки. В дальней перспективе планируется внедрение технологии в окна и люки отечественных автомобилей.