זכוכית חכמה

זכוכית חכמה היא שם כולל לזכוכית אשר תכונות העברת האור שלה משתנות בעת הפעלת מתח חשמלי, חשיפה לאור או לחשיפה לחום. הזכוכית מאפשרת, חוסמת או מפזרת מעבר של גלי אור ולפיכך מתאימה ליישומים של פרטיות או התייעלות אנרגטית. הזכוכית החכמה מגיעה בפורמט של זכוכית רבודה (טריפלקס) על ידי הדבקת פילם חכם (למינציה) בין שתי זכוכיות או בפורמט בידודית (IGU), זכוכית חכמה רבודה + אויר + זכוכית Low-e. פורמט אחר אפשרי הוא פילם אשר מצמידים על זכוכית קיימת, זה קיים הן להשגת פרטיות בדוגמת מדבקה חכמה והן לצורכי יעילות אנרגטית על ידי פילם מתכהה פוטוכרומי אשר גוון שלו מתכהה על ידי חשיפה לאור שמש.

סוגים 
כאשר הזכוכית מותקנת במעטפת הבניין, קרי זכוכית חוץ (Façade), בדרך כלל הזכוכית מגיעה במבנה IGU: זכוכית טריפלקס + אוויר + זכוכית נוספת.

ישנן מספר טכנולוגיות עיקריות של זכוכית חכמה:

 זכוכית חכמה לפרטיות - PDLC
 זכוכית מתכהה אלקטרוכרומית - Electrochromic Glass
 פילם מתכהה פוטוכרומי - Photochromic Film
 זכוכית מתכהה תרמוכרומית  - Thermochromic Glass
 SPD

זכוכית חכמה לפרטיות - PDLC 
המושג זכוכית חכמה או זכוכית חשמלית מקורו במושג - Smart Glass. הזכוכית החכמה מהווה חלק מחלון, מחיצת זכוכית או אפילו קיר חיצוני FACADE. הזכוכית החכמה נהפכת מאטום לשקוף בלחיצת כפתור. זכוכית חכמה בדרך כלל מורכבת מהדבקה של פילם חכם מבוסס Liquid Crystal בין 2 זכוכיות. המוצר הסופי נקרא זכוכית רבודה או טריפלקס, קרי 3 שכבות: זכוכית + פילם + זכוכית.  

טכנולוגיית NCAP PDLC מבוססת על LC - LIQUID CRYSTAL במטריצה פולימרית על בסיס מים. שלבי הכנת הפילם החכם:

 ייצור תמיסת Liquid Crystal על ידי ערבוב מרכיבים כימיים שונים במינון ותהליך מאוד מסוים
 מריחת Liquid Crystal על יריעת פלסטיק שקופה עם שכבה מוליכה שקופה (PET ITO) באופן אחיד בעובי של 20 מיקרון.
 אידוי המים מהתמיסה
 הצמדת שכבת PET ITO זהה על התמיסה כך שנוצר מעין "סנדוויץ'"

הזכוכית החכמה משמשת בעיקר לפרטיות, היא מפזרת את כמות האור העובר דרכה. בעת הפעלתה היא הופכת מאטומה ("חלבית") לשקופה. כמות אור העוברת דרך הזכוכית החכמה דומה הן במצב מופעל (שקוף) והן במצב כבוי (אטום). היא מייתרת שימוש ותחזוקת תריסים ווילונות. היא מאוד נפוצה בבתי מלון, בתי חולים, משרדים, חדרי ישיבות ואף כמחיצת זכוכית בין חדרי שינה לחדר אמבטיה.

זכוכית מתכהה אלקטרוכרומית - Electrochromic Glass 
חומר אלקטרוכרומי נרשם כפטנט לראשונה כבר בשנת 1843 על ידי המהנדס הסקוטי אלכסנדר ביין.

עקרון הפעולה הבסיסי כולל יוני ליתיום טעונים במטען חיובי עם אלקטרונים חסרים הנודדים הלוך ושוב בין שתי אלקטרודות דרך תווך המפריד ביניהן.

כאשר יוני הליתיום שוכנים באלקטרודה הפנימית (הקרובה אל תוך המבנה) הם שקופים ומעבירים את אור השמש. כאשר מפעילים מתח של 5V, היונים "נודדים" דרך התווך לאלקטרודה החיצונית, בשכבה זו הם כהים ובולעים את אור וחום השמש.

בדרך כלל, כאשר החלון שקוף בהיר, יוני הליתיום שוכנים באלקטרודה הפנימית ביותר (צד משמאל בתרשים). כאשר מפעילים מתח נמוך מאוד של 5 וולט על האלקטרודות, היונים "נודדים" דרך התווך לאלקטרודה החיצונית ביותר (צד ימין בתרשים), בשכבה זו הם כהים ובולעים את האור והחום. 

טכנולוגיה אלקטרוכרומית היא טכנולוגיה "ירוקה" מכיוון שצריכת האנרגיה מתבעת רק במעבר מדרגת כהות אחת לדרגת כהות אחרת. אין צורך בצריכת אנרגיה על מנת להחזיק את הזכוכית במצב מסוים. 

החומרים האלקטרוכרומיים מתאפיינים משמשים לבידוד תרמי בשונה מטכנולוגיית ה-PDLC וה-SPD אשר השימוש בהן הוא עבור השגת פרטיות.

על ידי טעינת יוני ליתיום במתח חשמלי של 5 וולט, הם מתכהים ובולעים את חום השמש. 

כאן, יש לנו שליטה מלאה ולמגוון יישומים. פתרון זה, אשר יכול להגיע אף לחסימת 99% מאור השמש, נחשב לאחד מהיעילים ביותר מבחינה אנרגטית ותורם משמעותית לניקוד LEED במתחמים. פעולת ההתכהות לוקחת רק מספר דקות ומאפשרת שליטה בכניסת האור והחום בלחיצת כפתור.

יתרון משמעותי נוסף של שיטה זו, היא כי ניתן הגדיר שליטה בחלקי החלון השונים ולחלקו לעד שלושה אזורים שונים ולשלוט בכל אחד מהם בנפרד. על ידי שימוש בחיישנים ואפליקציות ייעודיות, נוכל לבצע התאמה מדויקת של מעבר האור האופטימלי ובאמצעים מקוונים. עם זאת, חשוב לזכור כי פתרון זה לא יספק פרטיות וכמו כן, לא ניתן ליישם את החומר על חלונות קיימים.

פילם מתכהה פוטוכרומי - Photochromic Film 
שינוי צבע על ידי פוטונים הומצא בשנת 1842 על ידי סר ג'ון פרדריק וויליאם הרשל באנגליה. יריעה פוטוכרומית משנה את הרכב הצבעים שלה בחשיפה לקרינת אולטרה סגול (UV) של אור השמש.

כאשר חומר פוטוכרומי נחשף לאור אולטרה סגול המבנה המולקולרי משתנה כתוצאה מהפחתת חמצון, במהלך תגובה כימית זו מתחמצן כלור ליצירת אטומים ואלקטרונים ואילו אלקטרון חופשי מועבר ליוני כסף. כתוצאה מכך החומר הפוטו-כרומי מתכהה וסופג את האור והחום הנוצרים מקרני השמש. 

התפתחויות אחרונות משלבות ננו חומרים קרמיים על מנת להתאים את טווח דחיית קרני השמש ליישומים של זכוכית חכמה לבידוד תרמי. בשילוב ננו חומרים מבוססי כסף ניתן לשלב גם חסימת קרני אינפרא אדום (IR) על ידי החזר קרני השמש.

משטחים אלו משנים את הרכבם הכימי בתגובה לאור או חום השמש וכתוצאה מכך את צבעם. גוון הזכוכית יתכהה ככל שאור השמש מתעצם. העובדה כי מדובר בפתרון שאינו צורך חשמל כלל, הופך אותו לחסכוני וירוק במיוחד ומייתר שימוש במיזוג.

טכנולוגיה זו מיושמת במגוון רחב של פתרונות – מחלונות רכב (פוטו כרומי) ועד למחיצות חוץ במרחבים פרטיים ומסחריים כאחד (פוטו כרומי).  

על אף שמדובר בפתרון שיכול לחסוך משמעותית בהוצאות האנרגיה במרחבים מסחריים, גם כאן העובדה כי מדובר בפתרון פאסיבי פוגעת ביכולת השליטה שלנו בקרינת השמש ומאחר והוא מגיב אך ורק לאור או חום, בנוסף טכנולוגיות אלו אינן מגיעות לחסימה מלאה של אור מסנוור.

זכוכית מתכהה תרמוכרומית  - Thermochromic Glass 
זכוכית מתכהה תרמוכרומית עבור התייעלות אנרגטית מתייחסת לזכוכית חוץ רבודה / טריפלקס אשר בתווך נמצאת שכבת PVB הכוללת פילם תרמוכימי. הזכוכית משנה את דרגת הכהות שלה באופן ליניארי בהתאם לדרגת חום השמש. במהלך היום כאשר אור השמש מחמם את הזכוכית, שכבת ה- PVB אשר נמצאת בין הזכוכיות מתחממת ומתכהה, תופעה אשר יוצרת בזכוכית אפקט של גוון אפור טבעי אשר מתכהה ככל שהחום גדל. כשחום השמש יורד, הזכוכית ושכבות הביניים מתקררות ומחזירות את צבע הזכוכית למצב שקיפות מרבית.

יתרונות הזכוכית התרמוכימית: 

 העברת אור גלוי (VLT)  - הזכוכית מסתגלת כל הזמן לתנאי אור השמש המשתנים. לאורך כל השנה הטכנולוגיה אדפטיבית ומשנה באופן אוטומטי את כמות האור הנראה אשר נכנס לבניין על ידי שינוי גוון הזכוכית. 
 חום השמש (SHGC) - מכיוון שהטכנולוגיה התרמוכרומית  מתכווננת לאור שמש ישיר לאורך היום, היא מייעלת את שליטה ובקרה על אור השמש וממזערת את עליית החום בבניין כתוצאה מחום השמש. 
 ערכי U - הזכוכית שומרת על היתרונות של זכוכית בידודית (IGU) קונבנציונלית בעלת יעילות גבוהה על ידי ערכי U נמוכים למניעת איבוד חום. 
 חיסכון באנרגיה - שימוש בזכוכית דינמית תרמוכרומית מפחיתה את עומס החום על הבניין ויכולה לחסוך חלק ניכר בהוצאות האנרגיה לקירור הבניין. 
 הפחתת רעש ובטיחות - זכוכית מתכהה באה במבנה רב שכבתי ולכן מציעה הפחתת רעש ויתרונות בטיחותיים נוספים.

זכוכית חוץ מתכהה מותקנת כקיר מסך במבני ציבור רבים. על פי רוב הזכוכית אינה יעילה במגדלים ומבנים גבוהים בשל משטר הרוחות השורר במקומות הגבוהים.

SPD 
תופעת אלקטרופורזה (הפרדת חומרים כימית) Electrophoresis נצפתה לראשונה בשנת 1807 על ידי הפרופסור הרוסי פיטר איונוביץ. עיקרון הפעולה מבוסס על Diffusion (נדידת חלקיקים) בתוך תמיסת ג'ל אורגנית.

מיליוני חלקיקים קטנים (כל חלקיק קטן ממיקרון)  מושהים בתוך תמיסת ג'ל אשר שומרת על יציבות החלקיקים. ללא שדה חשמלי החלקיקים המושהים מפזרים את האור ובהפעלת שדה חשמלי הם מסתדרים באופן שמעביר את האור.

תהליך הייצור של זכוכית חכמה בטכנולוגיית ה-SPD מתחיל בייצור תמיסה עם חלקיקים בגודל ננו, יישום בין שתי יריעות פלסטיק כאשר על כל יריעת פלסטיק יש שכבה מוליכה שקופה מבוססת תחמוצת אינדיום (ITO).

לטכנולוגיית SPD גוון כחול כהה ובמתח של כ-100 וולט הגוון יתבהר. על מנת לשמור על הזכוכית במצב שקוף נדרשת צריכת אנרגיה  זהה במשך זמן השימוש. בשונה מחומרים אלקטרוכרומיים, המתאפיינים בבידוד חום, לחלקיקי ה-SPD כמו גם לטכנולוגיית PDLC אין איכויות בידוד חום אלא רק פרטיות.

כדי לקבל פרטיות, מיליוני החלקיקים המיושמים בתמיסת ג’ל מסננים את האור ויוצרים כתוצאה מכך גוון תמיסה כהה ואטומה. המתח החשמלי, גורם לחלקיקים להסתדר במבנה ישר ומאפשר מעבר אור. כך נעשית הזכוכית בהירה יותר ומתאפשרת שליטה בדרגת כהות הזכוכית.

טכנולוגיה המאפשרת התכהות מיידית של גוון הזכוכית ללא כל צורך באמצעי הצללה אחרים . טכנולוגיה זו מאופיינת בזכוכית בעלת גוון כחול, מיושמת בזכוכיות בגודל קטן (בדרך כלל עד 1 מ"ר) ומשמשת בעיקר בתעשיית הרכב כחלונות גג לרכבי יוקרה ולשמשות רכב חכמות.

פתרון זה צורך מתח גבוה וקבוע של 100 וולט, ולכן בעייתי ליישום במשטחים בעלי שטח גדול. לרכבים נדרש Inverter כדי לקבל את המתח הנדרש.

מחיר זכוכית מבוססת SPD גבוה במיוחד הואיל והטכנולוגיה אינה מבוססת ונפוצה.

קישורים חיצוניים

NCAP PDLC at SmartFilmsInternational
 Chromogenics, in: Windows and Daylighting at Lawrence Berkeley National Laboratory
 Smart glass blocks infrared when heat is on, NewScientist.com news service
 PDLC switchable windows, Liquid Crystal Institute at Kent State University
 Switchable Glass: A possible medium for Evolvable Hardware, NASA conference on Adaptive Hardware Systems, IEEE CS Press, pp 81–87, 2006.
 Switchable Glazing Windows Change the light transmittance, transparency, or shading of windows at toolbase.org

זכוכית
חלונות
הנדסת חומרים