智能玻璃开辟新的应用可能性

话题:
作者:
Anne Corning

有关玻璃制造的最早证据可以追溯到大约4000年前的古代美索不达米亚。玻璃被称为“人类历史上最重要的材料之一”1 。从摩天大楼的幕墙、住宅窗户(让光线进入我们家中)、智能手机和电子设备不可或缺的基板、处方镜片(帮助我们看得更清楚)、车辆上的挡风玻璃,到光纤电缆(将整个世界连接起来),玻璃在我们如今的现代化环境中随处可见。

近几十年来,基于玻璃的新技术不断涌现,比如触摸屏、用于最新可折叠设备的超薄柔性玻璃 等等。随着技术进步以及数字化与显示器并行发展趋势帮助创造更多动态玻璃应用,“智能玻璃”制造领域的创新成果正在将这种材料提升到新水平。

什么是智能玻璃?

从本质上讲,智能玻璃是采用能够提供功能特性的特殊层或涂层制造的。这些功能包括:

  • 可调节色调 – 某些类型的智能玻璃可以自动对阳光作出反应,或者通过电子方式进行控制,从透明变为带色调或不透明。
  • 隔热和隔音 – 智能玻璃经过不同处理后,使房屋或汽车的窗户能够减少热传递和降低噪音。
  • 显示器 – 包含嵌入式电子层的智能玻璃可用于显示图像或用作交互式触摸屏。
  • 太阳能收集 – 在玻璃的不同层中嵌入光伏电池,使汽车天窗能够兼作电源,用于补充电池电量。

请不要将智能玻璃与“智能眼镜”(戴在用户头上的增强现实设备)相混淆。目前,智能玻璃正在建筑、航空航天、汽车等行业得到广泛应用。最早的智能玻璃产品包括 Transitions® 眼镜,当佩戴者走到太阳光下,该眼镜将从透明变为带色调。该应用中使用的光致变色玻璃于上世纪60年代首次商业化。

Transitions tinted lenses

Transitions®渐进眼镜中使用的可调节色调、光致变色玻璃镜片。(图片来源

建筑和施工是两个快速采用智能玻璃的行业。在住宅和商业建筑中,可调节智能玻璃具有多种优点。减少进入建筑物的紫外线和阳光有助于保持室内凉爽,减少对空调的需求,从而节省能源,并减少碳足迹。

阻挡来自阳光的眩光不仅能使居住者的生活更舒适,而且还可以减少对家具、织物和物品的长期损害。举例来说,许多博物馆目前正受益于智能玻璃天窗。这种天窗能够提供明亮的自然光,为参观者观赏艺术品提供最佳光线,同时阻挡眩光和有害的紫外线。除了外部窗户和门外,智能玻璃还可用于建筑内部的门和隔断,以提供私密性,并即时转换空间,而且占用的空间比墙壁更小。

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示例:使用电致变色技术的建筑玻璃,色调逐渐变暗(图片© Halio)

在交通运输行业,许多航空航天、船舶和汽车制造商也迅速将智能玻璃应用到飞机、船只和车辆上。可调节色调的挡风玻璃能够自动适应环境光线条件,以提高可见性和安全性。隔热窗户和天窗减少了对空调及组件的需求,从而降低燃料消耗,并减少二氧化碳排放。

智能玻璃对于电动汽车(EV)制造商尤其具有吸引力。“测试表明,SPD智能玻璃可以降低燃料销售,使电动汽车的续驶里程增加多达5.5%,减少二氧化碳排放量(4克/公里),阻挡95%的热量,并使车内温度降低多达18ºF/10ºC。”2

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波音777飞机使用来自Gentex的电致变色玻璃阻挡阳光和热量,允许乘客根据需要选择调暗窗户颜色。(图片© Gentex)

智能玻璃也正在成为一种新型显示技术。不同于玻璃屏幕位于生成数字图像的面板前面的传统显示器(比如:LCD),某些类型的智能玻璃可以从玻璃层内生成显示图像,同时保持透明性。举例来说,一些汽车制造商正在开发可以作为触摸型信息娱乐显示屏的乘客车窗,而零售商们正在投资开发一种商店橱窗,用作动态营销面板。由于智能玻璃现有和潜在的用途如此之多,预计到2027年,全球市场将增长到近160亿美元,复合年增长率达到17.2%3,其中建筑和汽车细分市场处于领先地位。

智能零售橱窗展示,其可以显示促销信息和视频或恢复至透明状态,以吸引更多的购物者。

智能玻璃的工作原理如何?

从根本上而言,智能玻璃是由夹在两个外层玻璃之间的特殊功能或“有源”中间层(如薄膜、液晶、电子设备等)制成的。这种组合还可以包括胶粘层、间隔层、层压板和涂层。不同类型的有源层或层组合将产生广泛的功能,使智能玻璃能够提供众多功能。

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智能玻璃示例,由有源层(液晶膜)、玻璃以及夹在两个较薄玻璃外层之间的胶粘层组成。(图片© Gauzy

智能玻璃类型

智能玻璃技术主要分为两类——无源类和有源类。在无源技术中,功能层通常为光敏性(光致变色)或热敏性(热致变色),被称为无源技术的原因在于能够自动针对来自太阳的紫外线或辐射热变化作出响应,无需任何电荷,但用户无法控制色调或不透明度变化。

另一方面,有源智能玻璃技术通过导电层对电流作出响应,该导电层使用户能够控制或调整不同的功能。电气化智能玻璃提供额外的功能,包括发射光线、充当显示屏、在玻璃面板上启用可变设置或图形,甚至可以收集太阳能。有源技术细分为电致变色、聚合物分散液晶(PDLC)和悬浮粒子装置(SPD)。

smart glass taxonomy

智能玻璃类别主要包括无源技术和有源技术。

光致变色玻璃。 光致变色智能玻璃(Transitions®眼镜使用的技术)使用一个薄膜层,将感光分子层压到玻璃的内表面或外表面。这些分子在暴露于紫外线之前是不可见的,暴露于紫外线将导致它们发生反应(改变结构),并改变透射率(改变光线通过量),从透明变为较暗。色调量取决于紫外线暴露量,该玻璃适应不同的光照条件。当紫外线消失后,玻璃将变回透明状态。

热致变色玻璃。 热致变色智能玻璃通常由夹在玻璃层之间的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中间层制成。当太阳光或辐射热投射到玻璃上后,玻璃将会随着温度的升高而逐渐变为较暗的颜色。不同的材料(比如:陶瓷涂层)被分层在玻璃的内表面,将热量聚集在热致变色层内,使其在建筑物或车辆内保持凉爽。此外,作为一个额外的优点,这些层还可以阻挡噪音。

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正在生产中的热致变色玻璃,其中PVB层夹在两个玻璃层之间。(图片© Sekisui)

电致变色玻璃。 当施加电流时,电致变色材料将会改变颜色。对于这种类型的智能玻璃而言,电致变色层夹在玻璃和导电层之间。通过施加电荷,以激活电解质层中的离子,这会导致电致变色层从深色(或不透明)变为透明。

Electrochromic smart glass schematic

电致变色智能玻璃结构示意图。

玻璃会自行保持透明;只需施加额外的电力即可切换回来。以前,从透明过渡到不透明的速度很缓慢,但最近的技术进步已使切换时间缩短到仅2秒。此外,电致变色玻璃还具有隔音特性。.

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办公室里的电致变色可切换玻璃隔断(图片来源)。

悬浮粒子装置(SPD)。SPD玻璃在两个导电层之间夹有一个粒子层。当导电层被电荷激活后,这些粒子将保持对位,以使光线能够通过。在非激活(黑暗)状态下,SPD玻璃可阻挡多达99%的光线。

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悬浮粒子装置(SPD)智能玻璃示意图,包括关闭和开启两种状态。

聚合物分散液晶(PDLC)。 PDLC智能玻璃技术在导电层之间夹有一个LCD晶体层。跟电致变色和SPD智能玻璃技术一样,在默认关闭状态下,该玻璃是不透明的。当施加电流后,晶体将平行排列,使玻璃变为透明,并允许光线通过。

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聚合物分散液晶(PDLC)智能玻璃示意图,包括关闭和开启两种状态。

智能玻璃应用质量考虑因素

智能玻璃制造商以及使用智能玻璃的产品制造商们必须考虑多种因素,以确保产品质量。首先需要考虑的是玻璃本身的形成和组成质量。玻璃制造商们必须关注多种质量问题,包括:

  • 光学缺陷– 玻璃结构缺陷会导致变形、图像失真(用于显示器时)等问题
  • 点缺陷– 玻璃内存在气泡、沉积物等
  • 线性或扩展缺陷 – 表面磨损或划痕
  • 层压缺陷 – 当玻璃片与不同的功能层和电气层、胶粘层和薄膜层压在一起时,灰尘颗粒可能会聚集在里面,或者不同层间存在气泡,影响玻璃的视觉质量。

可调色调和可调不透明智能玻璃的重要质量考虑因素均包括外观和透射率(光线通过量)的一致性。不同透射率水平之间的过渡(例如,从透明到黑暗)应当看起来均匀且无缝。制造商们需要确定整个玻璃板的色调或不透明性是否相同,是否有正确数量的光线被阻挡或通过,以及色调是否为正确的颜色。

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在此测量图像中(以伪色彩标度显示),该玻璃面板的中心以及沿底部和角落的光线差异较为明显,表明均匀性不佳。图片来自瑞淀的TrueTest™ 软件

当智能玻璃用于显示器时,制造商们还需要考虑额外的质量因素,包括虚拟图像的亮度、清晰度、形状和方向以及它们与通过玻璃表面可见的周围环境的对比度或可见度。对于某些智能玻璃显示器应用,图像元素的尺寸可能不到一毫米,因此必须进行精确测量。当与显示器搭配使用时,曲面玻璃会为精确的光学测量带来额外的挑战。

光学测量解决方案

光学测量系统可用于量化智能玻璃的视觉特性,包括光线的不同值,比如亮度、色度、均匀性和对比度,以检测玻璃在不同的不透明度阶段的透射率。光线值还可用于确定发光区域(如显示器上的图标)的清晰度或调制传递函数(MTF),或识别有色或发光玻璃上的热斑和暗斑。

检测不同薄膜或层是否存在点缺陷和线缺陷,评估显示符号和形状的完整性,以及表征图像失真、变形和重影等玻璃效应——所有这些任务都需要对智能玻璃的视觉质量进行空间了解。智能玻璃测试系统必须能够测量各种值,检测各种元素,并在它们的实际空间位置进行测量。

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使用瑞淀的TrueTest™软件在玻璃面板上识别的随机缺陷。

为此,制造商们需要使用成像亮度计或色度计采集高分辨率数据,以进行精确的细节分析,并测量绝对亮度和色度值。同样至关重要的是图像处理和分析软件,其应当能够提供特定的算法,用于测量这些值以及分析玻璃特性。

瑞淀的ProMetric® 成像亮度计和色度计 可以采集测量区域的完整视场,一次性高效表征玻璃中的所有重要标准。特殊的滤光片和标定功能可确保根据描述用于人类视觉反应的标准CIE函数对光线进行加权。通过这种方式,制造商们将可以从建筑住户、车辆乘客、显示器观看者和设备用户视觉感知的角度精确评估智能玻璃的亮度、色度和质量。

ProMetric I and Y with CIE

ProMetric 成像色度计 (左)和 亮度计 (右)经过专门设计,可以模拟人类视觉对光线和色彩的感知。

 

引用文献

  1. Mann, T., “Humankind’s Most Important Material,” The Atlantic, April 7, 2018.
  2. “Two New Uses for Research Frontiers’ SPD-SmartGlass Technology Produced by Gauzy Lt. Unveiled at the IAA Munich Auto Show This Week. Research Frontiers, September 8, 2021.
  3. Smart Glass Market Size, Share…Forecast, 2020-2027, Fortune Business Insights, September 2020.
     
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