Применение умного стекла при низких и очень низких температурах

«Умное стекло» постепенно, но неукротимо вторгается в нашу жизнь. Ареал его применения разрастается с каждым днем. Многочисленные виды умного стекла находят свое применение в различных сферах. В первую очередь, это остекление зданий и сооружений, как внешнее, так и внутреннее, начиная от витрин и заканчивая офисными перегородками. Не обойден стороной и транспорт, причем это не только автомобили, но и авиатранспорт, достаточно вспомнить суперсовременный Boeing Dreamliner. В морском транспорте умное стекло находит широкое применение не только для судов, используемых в тропических регионах, где солнце в избытке круглогодично, оно востребовано и в арктических зонах, где требуется защита от слепящего солнечного света, отражающегося от льда и снега в летний период. А о многочисленных фильтрах для систем управления, наблюдения, систем дополненной реальности вспоминать нет необходимости. Другими словами, умное стекло находит применение везде, где вообще применяется стекло как таковое. Но вариантов умного стекла много, и у каждого есть своя ниша.

Например, стекло или пленка с технологией жидких кристаллов, диспергированных в полимере (PDLC), широко применяется в условиях, когда необходимо обеспечить приватность, но отсутствуют требования к изменению непосредственно величины светопропускания. PDLC-стекло может становиться непрозрачным через рассеивание — оно по-прежнему будет пропускать свет, но разглядеть, что происходит на другой его стороне, не выйдет, по щелчку пальцев — время переключения составляет несколько десятых долей секунды, быстрее, чем способен уловить человеческий глаз. Другой тип умного стекла, где применяется принцип «наножалюзи», распределенных в полимерной матрице: речь идет о технологии SPD (от англ. Suspended particle device — устройство на основе равномерно распределенных в среде частиц), находит схожее применение с PDLC, но используется там, где необходимо затонировать или растонировать стекло, когда это требуется, контролируя величину обеспечиваемой им инсоляции. SPD и PDLC — отличные примеры хорошо коммерциализированных технологий умного стекла, которые можно встретить в неожиданных местах. Например, стекло на основе SPD-технологии активно применяется для защиты редких экземпляров произведений искусства и культурного наследия, которые настолько ветхи, что им вреден даже яркий свет выставочных залов. Такие объекты помещаются в изолированные боксы с постоянным микроклиматом за затонированным стеклом, а если посетителю необходимо рассмотреть раритетный предмет, то он нажимает на кнопку, и стекло растонируется, представляя взору оригинал редчайшей вещи прошлого. Стекло с PDLC-технологией, в свою очередь, нашло применение, например, в создании стеклянных стен, отделяющих жилую зону от сантехнической в небольших номерах отелей. Когда в ванной комнате никого нет, стена становится прозрачной, что визуально увеличивает скромную площадь гостиничного номера, а если необходимо принять душ, то по нажатию кнопки стеклянная стена становится мутной и непрозрачной, а пространство ванной комнаты изолируется от остального помещения.

Но рынок умного стекла не исчерпывается только SPD и PDLC. Помимо них, например, существует технология с жидкими кристаллами (LC), обладающая скоростью PDLC, но при этом обеспечивающая тонирование и растонирование светопрозрачных устройств, в которые она внедрена. Иными словами, она обеспечивает быстрое срабатывание PDLC и способность к тонированию SPD. Но и LC не исчерпывает весь спектр технологий для изготовления умного стекла. Электрохромные системы (EC) действуют несколько по иному принципу — через электрохимические процессы окисления, восстановления и/или одновременного окисления и восстановления части входящих в их состав компонентов, либо через их интеркаляцию (внедрение) ионами вещества-донора, от чего вся система окрашивается в тот или иной цвет, попутно меняя светопропускание или, иначе говоря, тонируя стекло. EC стекло обладает наибольшим рыночным потенциалом благодаря своим уникальным характеристикам — например, диапазону по достижимым порогам светопропускания (т.н. «контраст»), когда стекло в самом светлом состоянии может иметь светопропускание свыше 75%, а в самом темном тонироваться до нулевого значения светопропускания.

Приведенные выше типы умного стекла являются электроуправляемыми, они изменяют свои характеристики под действием электрического тока: светопропускание для SPD, LC и EC, уровень мутности для PDLC. Но на рынке присутствуют и другие типы систем. Они меняют свои свойства под действием температуры или электромагнитного излучения, например фотохромные системы, тонирующиеся при облучении ультрафиолетовым светом, нашли широкое применение в очках; или термохромные системы, меняющие окраску при изменении температуры, и некоторые другие. Вполне возможны как различные комбинации нескольких типов умного стекла в рамках одного устройства, так и появление новых типов, обладающих схожими или даже лучшими, чем у существующих решений, характеристиками.

Но все мечты о широком применении умного стекла существенно затормаживаются, когда речь заходит о природных условиях эксплуатации. В первую очередь проблема заключается в низких температурах окружающей среды. Все существующие технологии умного стекла существенно изменяют свое поведение при низких температурах воздуха, вплоть до полной неработоспособности, а некоторые типы устройств могут оказаться вообще повреждены, иногда необратимо, при замораживании. Проблема актуальна не только для средств транспорта, будь то автомобильный, железнодорожный, водный или авиатранспорт, но и для архитектурных решений для внешнего остекления. Кроме того, помимо архитектуры и транспорта, умное стекло применяется и в других областях техники, связанных с его экстерьерной эксплуатацией. Хороший пример: управляемые фильтры для оптических прицелов. В данном случае фильтр должен работать и в раскаленной пустыне, и на леднике в горах. И если в автомобиле умное стекло нагревается от тепла салона, и проблема не настолько серьезна, то фильтру оптического прицела нагреваться не от чего, а работать он должен.

Инженеры, разрабатывающие технологии умного стекла и непосредственно сами изделия, стараются изобрести методы, позволяющие улучшить характеристики изделий при работе в суровых зимних условиях. Самое очевидное решение для электроуправляемых технологий заключается в изменении характера питания стекла. Как правило, все электроуправляемые технологии умного стекла изготавливаются из материалов, электропроводность которых понижается с температурой, и чем ниже температура, тем выше потери напряжения на всех элементах устройства. В конце концов просадка напряжения становится критической, и характеристики устройства изменяются настолько, что данный факт становится заметным для пользователя. Устройство начинает переключаться медленно, может поменяться окраска устройства, может происходить изменение характеристик не на всей площади стекла и тому подобное. Но изменение питания не решает полностью проблему очень низких температур, да и для неэлектроуправляемых видов умного стекла подобный способ решения неприменим.

Суть проблемы заключается в основном в том, что технологии умного стекла так или иначе полагаются на подвижность среды: в электролите перемещаются носители заряда; наножалюзи ориентируются по силовым линиям электрических полей; будучи инкапсулированными в подвижные капли полимера, жидкие кристаллы формируются или поворачиваются в густой среде. При понижении температуры все эти среды загустевают и препятствуют нормальному функционированию устройства. Что же в таком случае делать?

Инженеры «Октогласс» нашли решение, позволяющее нивелировать вредное воздействие низких температур на умное стекло. Речь идет о дополнительном обогреве умного стекла.

С началом применения обыкновенного стекла человечество столкнулось с неприятным моментом, связанным с относительно высокой теплопроводностью самого стекла. Стекло покрывается инеем, на нем замерзает вода и образуется ледяная корка, после снегопада на стекле вообще может оказаться целый сугроб, который подтает и надежно замерзнет, и даже при не отрицательных (по шкале Цельсия) температурах, когда вода остается жидкой, она норовит сконденсироваться на поверхности стекла, и стекло теряет свою прозрачность, запотевает. Для решения этой проблемы люди разработали разные методы. Например, может применяться многокамерный стеклопакет, обладающий существенным уровнем теплоизоляции, не позволяя внешнему стеклу быть слишком теплым, а внутреннему — слишком холодным. Но далеко не везде можно применить стеклопакет с газовыми или вакуумными прослойками для обеспечения надлежащей термоизоляции. В некоторых случаях, например, в автомобилях, форма стекла, его вес и толщина не позволяет применить полноценный стеклопакет. Помимо способов повышения термоизоляции может применяться дополнительно наносимое гидрофобное покрытие, препятствующее прилипанию воды к поверхности стекла. Но такие покрытия недолговечны, легко повреждаются. По большому счету, остается, пожалуй, только вариант принудительного обогрева.

Обогрев простым и дешевым способом решает проблему обледенения и конденсации и может быть выполнен уймой хорошо известных способов. Самый простой — установка инфракрасного нагревателя перед стеклом или постоянный обдув стекла теплым воздухом. Немного более технологичные способы заключаются в интеграции системы нагрева непосредственно со стеклом. Самый распространенный способ — нанесение сетки из электропроводящего материала на поверхность стекла: при подаче на нее напряжения из-за относительно высокого омического сопротивления материала сетка, нагреваясь, нагревает и само стекло. Таким образом обогреваются, например, задние стекла в легковых автомобилях. Но подобный обогрев нельзя применять на ветровом стекле, так как дорожки сетки довольно толстые и ограничивают видимость для водителя. Поэтому некоторые производители решили интегрировать тончайшую проволоку в виде разреженной спирали, как правило, из тугоплавкого материала с высоким электросопротивлением, например нихрома, непосредственно в структуру стекла. Для этих целей используется уже многослойное стекло, где тончайшая и крайне уязвимая по отношению к механическим воздействиям обогревающая спираль надежно инкапсулируется внутрь многослойного стеклопакета. Такой обогрев действует по всей площади стекла, при этом сам не привлекает внимание, так как применяется спираль из проволоки крайне малого диаметра, и заметить ее можно, только если сильно приглядеться. Таким лобовым стеклом, например, могут похвастаться многие современные автомобили, например Ford, Rolls-Royce, Land Rover, Lincoln и некоторые другие.

Интеграция обогрева в виде пружинок внутрь стекла довольно трудоемка, поэтому некоторые другие производители, особенно изготавливающие пулестойкое остекление, используют несколько иной подход. Пулестойкое стекло — многослойное, где множественные слои стекла соединяются пластиком. При высоких степенях защиты толщина такого стекла может достигать десятка и более сантиметров. Прогреть такое стекло воздуходувкой или небольшим инфракрасным нагревателем невозможно. Да и интегрированные пружинки не дадут ощутимого результата, ведь пулестойкое или многослойное защитное стекло большой толщины требуется защитить от наледи снаружи и запотевания изнутри, а большое количество пружинок сделает стекло непрозрачным. Но и в такой непростой задаче производители нашли выход. Используется один или несколько слоев из стекла с токопроводящим покрытием из оксидов металла — так называемым ТСО-покрытием (от англ. Transparent Conductive Oxides — прозрачные токопроводящие оксиды). Такие стекла производятся несколькими компаниями, стоят не так дорого, но обладают превосходными характеристиками по светопропусканию. Яркий пример стекла с покрытием TCO — стекло линейки TEC от компании NSG (владеет брендом Pilkington).

Из-за большой толщины в пулестойком стекле применяется одно или несколько таких стекол в составе многослойного стеклопакета, при необходимости на них подается электрический ток, и стекло равномерно по площади и по объему нагревается. В качестве альтернативы стеклу с токопроводящим покрытием может с успехом применяться полимерная пленка с аналогичным покрытием. Пленка точно так же, как и стекло, ламинируется в многослойный стеклопакет и при подаче электрического тока на прозрачный проводящий слой ТСО-покрытия нагревается. При этом никаких пружинок или других элементов в видимой области стекла нет при отличном оптическом качестве и сохранении прочностных характеристик.

В случае, когда требуется обогрев большого по площади стекла, для обеспечения равномерности нагрева токопроводящая поверхность разделяется на сектора: лазером прорезаются дорожки, изолирующие небольшие по площади токопроводящие участки с подводящими дорожками. Аналогичная схема с прорезанием дорожек, кстати, применяется и в стеклянных интерьерных обогревателях, изготовленных все из того же стекла. Кстати, прорезание дорожек на токопроводящей поверхности помогает в радиосвязи, так как оставляет небольшую лазейку для проникновения радиоволн. Ведь сплошное токопроводящее покрытие из металла довольно хорошо экранирует радиоволны, и в некоторых случаях может наблюдаться невозможность использования радиосвязи на определенных частотах.

На практике, при необходимости изготовления умного стекла для работы в широком диапазоне температур, включая низкие температуры, мы в «Октогласс» применяем интегрируемый в стеклопакет обогрев из одной или нескольких подложек — стекла или полимерной пленки с нанесенным токопроводящим слоем. Конечный стеклопакет ламинируется подходящим для использования умного стекла способом. Если обогреваемая часть находится ближе к внешней стороне стекла, той, что обращена вовне интерьера, то такой обогрев будет использоваться для оттаивания льда и снега на внешней стороне стекла и поддержания оптимальной температуры «умного» слоя стекла. Если же обогревающий слой располагается ближе к внутренней, обращенной в сторону интерьера, части стекла, то такой обогрев применяется для исключения конденсации влаги на стекле со стороны интерьера и также поддержания оптимальной температуры «умного» слоя стекла. Так как обыкновенно умное стекло хоть и является многослойным, но не выходит за рамки толщины десяти миллиметров, то достаточно одного обогревающего слоя, он способен прогреть весь объем стекла. Ну а в случае интеграции «умного» слоя в защитный пулестойкий стеклопакет, обладающий существенной толщиной, уместно использование нескольких обогревающих слоев. В целом вариаций и комбинаций изготовления существует много, всё зависит от решения конкретных задач и требований к конечному изделию.

Но помимо чисто технологической задачи по интеграции обогрева в умное стекло, не стоит забывать об управлении нагревом. Ведь для умного стекла высокая температура может быть губительной, впрочем, как и для всей конструкции многослойного стекла. Обогрев может запитываться разнообразными способами, на него может подаваться постоянный или переменный ток, может использоваться импульсный ток, могут применяться потенциостатические или гальваностатические схемы питания, специальные алгоритмы подачи напряжения и прочие всевозможные способы, а в определенных случаях даже и экзотические многополярные схемы. Но задача по контролю температуры может осуществляться как по банальному температурному датчику, так и по изменению электрических характеристик обогреваемого слоя. Ведь с изменением температуры самого слоя меняется и его сопротивление. Но, поскольку основная специализация в «Октогласс» — умное стекло, то мы уже управляем «умной» частью стекла посредством специализированного контроллера. И проводим интеграцию контроллера «умной» части стекла с контроллером его обогреваемой части. Таким образом, удается, во-первых, при необходимости автоматизировать управление обогревом, а во-вторых, обеспечить оптимальные условия работы «умной» прослойки в стекле. В результате создается и поддерживается оптимальный температурный режим работы умного стекла при его эксплуатации в условиях сурового холодного климата.

Разумеется, добавление обогрева не только усложняет конструкцию конечного изделия, но и увеличивает его стоимость. Часто к нам обращаются заказчики, обеспокоенные, как наше умное стекло будет работать в зимнее время на автомобиле, эксплуатируемом в суровых условиях Сибири, где нередки температуры в минус 40 по Цельсию и ниже. Там, где плевок успевает замерзнуть в ледышку, пока летит до земли. Мы предупреждаем клиентов, что в минус 40 и ниже вы не будете пользоваться умным стеклом, так как, за исключением случаев, если автомобиль хранится в теплом гараже или же не выключается на время стоянки, то он сам уже банально не заведется. А если и заведется, то не сможет стронуться с места, так как трансмиссия и резина замерзают настолько, что пользоваться ими нельзя. А при работающем двигателе и прогретом салоне температура умного стекла уже находится в оптимальных условиях эксплуатации. Но некоторым заказчикам этого недостаточно, и для них реализуются варианты с дополнительным обогревом. Конечно, встречаются случаи, когда интеграция обогрева просто необходима, например, на железнодорожном транспорте при остеклении кабины машиниста. В этом случае речь уже идет о безопасности, и прочие доводы в виде дополнительной стоимости и усложнении конструкции в расчет не принимаются.

Итак, в мире существуют различные виды умного стекла, изготовленные на основе разных технологий, у каждого вида есть свои основные сферы применения в зависимости от ключевых характеристик. Где-то важна скорость срабатывания, где-то наибольшая контрастность, где-то максимальное обеспечение приватности. Все типы умного стекла так или иначе, но имеют проблемы при работе в широком диапазоне температур, в первую очередь при низких и очень низких температурах окружающей среды. Низкая температура не только ухудшает характеристики конечного изделия, но и может привести к частичной или полной деградации умного стекла. Одним из самых эффективных решений для борьбы с низкими температурами является, безусловно, подогрев умного стекла до температуры его нормального функционирования. В свою очередь, способов подогрева стекла существует несколько, начиная от обдува их теплым воздухом и заканчивая интеграцией обогреваемых элементов непосредственно в стекло. На наш взгляд, наиболее оптимальным способом обогрева умного стекла является использование токопроводящих покрытий на основе оксидов металлов, которые могут быть выполнены как на стекле, так и на полимерной пленке. На проводящее покрытие подается электрический ток, и происходит нагрев стекла до необходимой температуры, которая, в свою очередь, поддерживается и регулируется либо примитивными контроллерами обратной связи, либо сложными устройствами на основе микропроцессоров, анализирующих множество параметров и использующих уникальные алгоритмы питания токопроводящих покрытий. В таком варианте исполнения обогрева не страдает внешний вид конечного изделия, не ухудшаются оптические свойства, и в целом надежность существенно выше, чем у альтернативных способов обогрева. Более того, стекло или пленка с токопроводящим покрытием может быть легко интегрирована в защитное, в том числе и пулестойкое стекло, не раскрывая его истинную толщину для постороннего наблюдателя, что особенно важно при его использовании для скрытого бронирования объектов, таких как автомобили или фасадные стекла.

С уважением,
Команда АО «Октогласс»
Д. Княжев, Д. Бернт, В. Кравченко