Akıllı cam

Akıllı cam (akıllı pencere de denir) voltaj, ışık veya ısı uygulandığında ışık iletim özellikleri değişen camdır. Genelde, cam saydam'dan yarı saydama veya tam tersine, ışığın geçmesine izin vermekten ışığın bazı (veya tüm) dalga boylarını ve ışığın dalga boylarını engellemeye veya tam tersine değişir. Akıllı cam ya cam, akrilik veya polikarbonat tabakalar kullanılarak akıllı film veya değiştirilebilir film ile laminasyon yoluyla yapılabilir.

Akıllı cam teknolojileri arasında elektrokromik, fotokromik, termokromik, asılı parçacık, mikro ve polimer dağılımlı sıvı kristalli cihazlar bulunur. Bunlar voltaj uygulanarak şeffaf veya opak durum arasında geçiş yapmak için elektro-kromatik teknolojiyi kullanır. Akıllı cam, ışığın her iki taraftan da geçmesine izin verirken bir dokunuşta açık renklerden donmuş görünüme dönüşür.

Akıllı cam binaların dışına yerleştirildiğinde iklime uyarlanabilir bina kabukları oluşturur. Akıllı pencerelerin yararı panjur, gölgelik veya pencere ihtiyacını ortadan kaldırmasıdır. Akıllı cam doğal ışığın ayarlanması, UV ve kızılötesi engelleme, reklam ve güvenlik gibi birçok işlevi bir araya getirir.

Akıllı cam, pencereden geçen güneş ışığı miktarını kontrol ederek binada enerji tasarruflu ısıtma ve soğutma için kullanılabilir. Şeffaf veya sisli sıcaklık kontrol filmi, güneşli ve iç ortam sıcaklığı yüksek olduğunda akıllı filmi sisli yapar. Hava güneşli ve iç ortam sıcaklığı az iken akıllı cam şeffaflaşır.

Konferans odasının cam muhafazasına uygulanır. Cam şeffaf olduğunda birisi odanın içini veya dışını görebilir ve şeffaf olmadığında cam muhafaza projeksiyon perdesi olarak kullanılabilir.

Aydınlatma kapağına cam perde, güneş ışığı evi (ingilizce: sunshine house), oturma odası ve banyo bölmesi. Cam kullanılmazsa mahremiyeti koruyan sisli durumda, kullanılırsa da cam şeffaflaşarak kişi odada tam güneş banyosu yapabilir.

Akıllı cam, reklam amaçlı bir mağaza vitrininde değiştirilebilir yansıtma perdesi olarak kullanılabilir. Üçüncü nesil akıllı film hem önden hem de arkadan yansıtma için iyidir ve yansıtılan görüntüler her iki taraftan da izlenebilir.

Tozsuz odalara ve temizlik odalarına uygulanan akıllı filmler, şeffaf ve şeffaf olmayan arasında geçiş yapmak için kullanılabilir ve müşterilerin odaya girip çıkarken tozsuz giysiler giyme zorunluluğunu azaltabilir.

Elektrokromik cihazlar voltaja tepki olarak ışık iletim özelliklerini değiştirir ve böylece geçen ışık ve ısı miktarı üzerinde kontrole imkan verir. Elektrokromik pencerelerde, elektrokromik malzeme opaklığını değiştirir. Opaklığını değiştirmek için bir elektrik patlaması gerekir ama değişiklik yapıldıktan sonra, ulaşılan belirli opaklık tonunu korumak için elektrik gerekmez.

Birinci nesil elektrokromik teknolojiler, berrak hallerinde sarı tona ve renkli hallerinde ise mavi tonlarında olur. Karartma, kenarlardan içe doğru hareket ederek oluşur ve pencere boyutuna bağlı olarak birkaç saniyeden birkaç dakikaya (20-30 dakika) kadar değişen yavaş bir süreçtir. Daha yeni elektrokromik teknolojiler, berrak durumdaki sarı tonu ve daha nötr gri tonlarına tonlamayı ortadan kaldırır, dışarıdan içeriye değil eşit şekilde renklendirme yapar ve camın boyutundan bağımsız olarak renklendirme hızlarını üç dakikanın altına kadar hızlandırır. Elektrokromik cam, karanlıkta bile görünürlük sağlar ve böylece dış ortamla görsel teması korur.

Geçiş metali hidrit elektrokromikleriyle ilgili elektrokromik malzemelerdeki son gelişmeler, soğurmaktan ziyade yansıtıcı hale gelen ve böylece şeffaf ve ayna benzeri durumlar arasında geçiş yapan yansıtıcı hidritlerin geliştirilmesine yol açmıştır.

Düzenlenmiş gözenekli nano-kristal filmlerdeki son gelişmeler, elektrokromik ekranın oluşturulmasını sağlamıştır. Tek alt tabaka ekran yapısı, şeffaf bir iletkenle (İndiyum kalay oksit veya poli(3,4-etilendioksitiyofen) polistiren sülfonat, kısaca PEDOT:PSS gibi) düzenlenmiş bir alt tabaka üzerinde birbiri üzerine basılmış birkaç istiflenmiş gözenekli katmanlardan oluşur. Basılan her katmanın belirli bir işlev grubu vardır. Çalışan elektrot, emilmiş kromojenler ile Titanyum Dioksit gibi pozitif gözenekli bir yarı iletkenden oluşur. Bu kromojenler indirgenerek veya oksitlenerek renk değiştirir. Elektrik verimini iyileştirmek için görüntünün negatifi olarak bir pasifleştirici kullanılır. Yalıtkan katman, kontrast oranını arttırma ve çalışma elektrotunu karşı elektrottan elektriksel olarak ayırma amacına hizmet eder. Karşı elektrot, SEG elektrotuna eklenen/çıkarılan yükü dengelemek (ve genel cihaz yük nötrlüğünü sürdürmek) için yüksek bir kapasitans sağlar. Karbon, yük rezervuar filminin bir örneğidir. İletken bir karbon tabakası, genellikle karşı elektrot için iletken arka kontak olarak kullanılır. Son baskı adımında gözenekli monolit yapının üzerine sıvı veya polimer-jel elektrolit ile üst baskı yapılır, kurutulur ve ardından uygulama gereksinimlerine bağlı olarak çeşitli muhafazalara konulabilir. Ekranlar genellikle 30 mikrometre veya insan saçının yaklaşık 1/3'ü kadar olup çok incedir. Cihaz, iletken karbon tabakasına göre şeffaf iletken alt tabakaya bir elektrik potansiyeli uygulanarak çalıştırılabilir. Bu, çalışan elektrotunun içinde viologen moleküllerinin azalmasına (renklenme) neden olur. Uygulanan potansiyeli tersine çevirerek veya bir deşarj yolu sağlayarak cihaz rengini açar. Elektrokromik monolitin eşsiz bir özelliği, viologenleri renklendirmek veya ağartmak için gereken nispeten düşük voltajdır (yaklaşık 1 Volt). Bu, yüzeyde emilen viologenlerin/kromojenlerin elektrokimyasal indirgenmesini sağlamak için gereken küçük aşırı potansiyellerle açıklanabilir.

Çoğu akıllı film türü, akıllı filmi çalıştırmak için yüksek voltaj (örneğin 110 VAC) gerektirir ve bu nedenle bu tür akıllı filmler cama dokunabilecek kullanıcılara elektrikten korumak için cam, akrilik veya polikarbonat tabakalarla kapatılmalıdır.

Polimer-dağılmış sıvı-kristal cihazlarda (PDLC'ler), sıvı kristaller bir sıvı polimer içinde çözülür veya dağıtılır ardından polimerin katılaşması veya kürlenmesi yapılır. Polimerin sıvıdan katıya değişmesi sırasında, sıvı kristaller katı polimerle uyumsuz hale gelir ve katı polimer boyunca damlacıklar oluşturur. Sertleştirme koşulları, "akıllı pencerenin" nihai çalışma özelliklerini etkileyen damlacıkların boyutunu etkiler. Genellikle, polimer ve sıvı kristallerin sıvı karışımı, ince bir şeffaf, iletken malzeme tabakasını içeren iki cam veya plastik tabaka arasına yerleştirilir, ardından polimer sertleştirilir, böylece akıllı pencerenin temel sandviç yapısını oluşturur. Bu yapı aslında bir kapasitördür.

Bir güç kaynağından gelen elektrotlar şeffaf elektrotlara bağlanır. Uygulanan voltaj olmadan, sıvı kristaller damlacıklar içinde rastgele düzenlenir ve akıllı pencere düzeneğinden geçerken ışığın saçılmasına neden olur. Bu, yarı saydam, "süt beyazı" bir görünümle sonuçlanır. Elektrotlara voltaj uygulandığında, cam üzerindeki iki şeffaf elektrot arasında oluşan elektrik alanı, sıvı kristallerin hizalanmasına neden olarak ışığın çok az saçılma ile damlacıklardan geçmesine izin verir ve şeffaf duruma neden olur. Şeffaflık derecesi uygulanan voltaj ile değiştirilebilir. Bu mümkündür, çünkü daha düşük voltajlarda, sıvı kristallerin yalnızca birkaçı elektrik alanında tamamen hizalanır, bu yüzden ışığın çoğu saçılırken ışığın yalnızca küçük bir kısmı geçer. Voltaj arttıkça daha az sıvı kristal hizalama dışı kalır ve bu da daha az ışığın dağılmasına neden olur. Renk tonları ve özel iç katmanlar kullanıldığında, geçen ışık ve ısı miktarını ayarlamak da mümkündür.

Asılı parçacık cihazlarında (ingilizce: suspended-particle device) (kısaca APC), çubuk benzeri nano ölçekli parçacıkların ince bir film tabakası bir sıvı içinde asılır ve iki parça cam veya plastik arasına yerleştirilir veya bir katmana eklenir. Voltaj uygulanmadığında, asılı parçacıklar rastgele düzenlenir, böylece ışığı engeller ve emer. Voltaj uygulandığında, asılı parçacıklar hizalanır ve ışığın geçmesine izin verir. Filmin voltajının değiştirilmesi asılı parçacıkların yönünü değiştirir, böylece camın renk tonunu ve iletilen ışık miktarını düzenler. APC'ları geçen ışık, parlama ve ısı miktarını tam olarak kontrol etmek için elle veya otomatik olarak "ayarlanabilir".

Mikro panjur, uygulanan voltaja tepki olarak geçen ışık miktarını kontrol eder. Mikro panjur, cam üzerine sarılmış ince metal panjurlardan oluşur. Çok küçüktürler ve bu nedenle gözle pratikte görünmezler. Metal tabaka, magnetron püskürtme ile biriktirilir ve lazer veya litografi işlemi ile desenlenir. Cam substrat ince bir saydam iletken oksit (SİO) (ingilizce: transparent conducting oxide) katmanı içerir. Elektrik bağlantısının kesilmesi için sarılmış metal tabaka ile SİO tabakası arasına ince bir yalıtkan yerleştirilir. Uygulanan voltaj olmadan mikro jaluziler sarılır ve ışığın geçmesine izin verir. Sarılmış metal tabaka ile şeffaf iletken tabaka arasında bir potansiyel farkı olduğunda, iki elektrot arasında oluşan elektrik alanı, sarılmış mikro perdelerin uzamasına ve dolayısıyla ışığı engellemesine neden olur. Mikro panjurların anahtarlama hızı (milisaniye), UV dayanıklılığı, özelleştirilmiş görünüm ve iletim gibi çeşitli avantajları vardır. Mikro panjur teknolojisi Ulusal Araştırma Konseyi (Kanada)'da geliştirildi.

Akıllı cam ifadesi, ışık veya sıcaklık gibi çevresel bir sinyale yanıt olarak ışık iletim özelliklerini değiştiren camları da içerecek şekilde daha geniş anlamda yorumlanabilir.

Farklı cam türleri çeşitli kromik olaylar gösterebilir yani fotokimyasal etkilere dayalı olarak camın ışık iletim özelliklerini ışık (fotokromizm), sıcaklık (termokromizm) veya voltaj (elektrokromizm) gibi çevresel bir sinyale yanıt olarak değiştirir.

Çeşitli metaller araştırılmıştır. İnce Mg-Ni filmlerin az görünür geçirgenliği vardır ve yansıtıcıdır. H2 gazına maruz kaldıklarında veya bir alkali elektrolit ile indirgendiklerinde şeffaf hale gelirler. Bu geçiş, magnezyum nikel hidrit, Mg2NiH4 oluşumuna bağlanır. Filmler, kompozisyondaki değişimleri kolaylaştırmak için Ni ve Mg'nun ayrı hedeflerinden birlikte püskürtülerek oluşturuldu. Elektrokromik oksitlerin biriktirilmesine kıyasla nispeten basit ve daha ekonomik Tek-hedef d.c. magnetron püskürtme sonunda kullanılabilir. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, yeni geçiş metallerinin daha ucuz ve daha az reaktif olduğunu, ancak aynı nitelikleri içerdiğini ve böylece maliyeti daha da düşürdüğünü belirledi.

Tungsten katkılı Vanadyum dioksit VO2 kaplama, sıcaklık üzerine çıktığında, yüksek ortam sıcaklıklarında pencerelerden güneş ışığı geçişini engellemek için kızılötesi ışığı yansıtır. Vanadyum dioksit, nispeten düşük bir sıcaklıkta yarı iletkenden-metale geçişe uğrar. Bu geçiş, malzemeyi iletken özelliklerden yalıtkan özelliklere değiştirir ve camın renginin yanı sıra iletim özelliklerini de değiştirir. Kaplama bir kez bu değişikliğe uğradığında, kızılötesi spektrumu filtreleyerek yalıttığı şeyin ısı kazanmasını etkili bir şekilde önleyebilir.

Bu tip camlar elle kumanda edilemez. Buna karşılık, tüm elektrikle çalıştırılan akıllı pencereler, termometre veya fotosensör ile birleştirilerek sıcaklığa veya parlaklığa tepki olarak ışık iletim özelliklerini otomatik uyarlayacak şekilde yapılabilir.