فناوری نانو از فناوریهای پیشرفتهی چند دههی اخیر است. فناوری که حدود نیم قرن پیش به دنیا معرفی شد و طی دو دههی گذشته، پیشرفت و توسعهی چشمگیری را تجربه کرده است. فناوری نانو عبارت است از ترکیب ذرات بسیار ریز برای خلق مواد جدید. در حقیقت، فناوری نانو با ترکیب و پیوند ریز ذراتی موسوم به نانوذرات، فرایند تولید مصالح نانو و کاربرد آنها سروکار دارد.
همگام با توسعه فناوری نانو در صنايع مختلف، توجه به كاربردهای اين علم، در صنعت شیشه منجر به پیشرفتهایی در این زمینه گردیده است. ظهور فناوری نانو زمینهساز استفاده از نوعی شیشههای نوین هوشمند در ساختمان شده است. شیشههای ضدآفتاب، ضد انعکاس، شیشههای خودتمیز شونده و شیشه ضدآتش نمونهای از شیشههای هوشمند هستند که در این نوشتار به توضیح مختصری درخصوص شیشه های ضدآفتاب و ضدانعکاس پرداخته شده است.
- شیشههای ضدآفتاب (الکتروکرومیک[1])
مفهوم شیشههای ضدآفتاب در ساختمان، به این معناست که این شیشهها میتوانند از جذب گرمای نامطلوب ناشی از تشعشع پرتوهای نور پیشگیری کنند. شيشهي كنترلكننده انرژی يا شيشه كم گسيل[2] ، شيشهاي است كه انتقال حرارت بسيار كمتري نسبت به شيشه معمولي دارد و مانند يك عايق حرارتي شفاف عمل ميكند. با توجه به اینکه حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجرهها هدر می رود، به همین دلیل تلاش برای کاهش مصرف انرژی در ساختمانها بر روی پنجرهها نیز متمرکز شده است. شیشههای کنترل کنندهی انرژی با کنترل همزمان انتقال انرژی از طریق رسانش و تابش، شیشه را تبدیل به عنصری فوق العاده موثر جهت کاهش مصرف انرژی، افزایش روشنایی و دید ساختمان و زیبایی نما مینماید. این نوع شیشهها ایدهی ساختمانی با پنجره هایی بزرگ را عملی میکند که نور و زیبایی اطراف را به داخل ساختمان میآورد.
- سازوکار شیشههای الکتروکرومیک
شیشههای الکتروکرومیک، شیشههای هوشمندی هستند که در اثر قرار گرفتن در یک محدوده پتانسیل مخصوص دچار تغییر رنگ بازگشتپذیر میشوند. در شیشههای الکتروکرومیک با فشار دادن یک کلید و برقراری مقدار اندکی جریان الکتریکی، شیشه از حالت شفاف خارج شده و تیره میشود و با فشار دکمهای دیگر به وضعیت قبلی باز میگردد.
بهطور کلی سیستم الکتروکرومیک یک سل الکتروشیمیایی دو الکترودی در یک آرایش ساندویچی از لایههای نازک نانومتری است. بنابراین این سیستمها را میتوان به صورت یک سل الکتروشیمیایی قابل شارژ در نظر گرفت که در آن الکترود کار[3] (جاییکه تغییر رنگ در آن صورت می گیرد) به وسیله الکترولیت از الکترود مقابل[4] جدا شده است. این الکترودها شیشههای بسیار شفاف رسانا هستند که در صورت اعمال پتانسیل بین دو الکترود و ایجاد جریان الکتریسیته، واکنش اکسایش- کاهش رخ داده و تغییر رنگ در لایه الکتروکرومیک پوشش داده شده روی شیشه ایجاد میشود. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است در اثر اعمال ولتاژ مناسب به سیستم الکتروکرومیک، حاملهای بار یعنی الکترونها و پروتونها به لایه الکتروکرومیک وارد میشوند و باعث تغییر رنگ لایه الکتروکرومیک میگردند.
شکل 1: تغییر رنگ لایه الکتروکرومیک در صورت برقراری جریان. لایه سبز رنگ: لایه ذخیره یونی (الکترود مقابل)، لایه زرد رنگ: لایه هدایت کننده یونی (الکترولیت)، لایه آبی رنگ: لایه الکتروکروم است که در اثر اعمال ولتاژ دچار تغییر رنگ میشود]1[.
شکل 2: استفاده از شیشههای هوشمند تجاری شده با قابلیت تغییر رنگ.
در نوعی دیگر از شیشههای الکتروکرومیک که بیشتر بهعنوان جداکننده در فضاهای درونی ساختمان بهکار برده میشوند، از لایهی نازک کریستال مایع بین شیشهها استفاده میشود. با گذراندن جریان الکتریسیته از فیلم، کریستال مایع شیشه شفاف میشود و با قطع جریان، کریستالها با جهتگیری تصادفی خود در فضا موجب پخش کردن نور، و در نتیجه مات شدن شیشه میشوند. بنابراین با این سیستم میتوان میلیونها دلار در گرمایش و سرمایش و نورپردازی فضاها صرفهجویی کرد.
شکل 3: عملکرد شیشههای الکتروکرومیک کریستال مایع و کاربرد آن ها در فضای داخلی و بیرونی ساختمان]2[.
| نانوذرات اکسید فلزی مختلفی مانند اکسیدتنگستن، اکسید نیکل، اکسید وانادیم، اکسید آهن، اکسیدتیتانیوم و… ، همچنین نانوذرات آلی مانند متیل وایلوژن و پلیمرهای رسانا به روش های فیزیکی و شیمیایی مختلفی تهیه شده و بهصورت لایههای نازکی در شیشههای الکتروکرومیک مورد استفاده قرار می گیرند. این نانو ذرات در صورت اعمال ولتاژ کوچکی باعث تغییر رنگ در شیشه میشوند]3[. |
یکی از ویژگیهای شیشههای الکتروکرومیک قابلیت تنظیم رنگ آنها است بهطوری که میتوان با تنظیم مقدار جریان شدت تیرگی رنگ شیشه را تنظیم نمود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است میتوان با تنظیم رنگ شیشه مقدار گرما و نور عبوری از شیشه را کنترل کرد.
| شکل 4: قابلیت تنظیم رنگ شیشه در اثر اعمال جریان]4[.
|
الف) حالت شفاف
ب) مقاوم در برابر گرم
ج) مقاوم در برابر نور وگرما
2- شیشه های ضد انعکاس
در پارهای از کاربردهای معماری، انعکاس نور از شیشهها، عاملی نامطلوب تلقی شده و از کیفیت زیبایی شناختی و آسایش حرارتی فضا میکاهد. با کمک فناوری نانو میتوان از شیشههای ضدانعکاس برای کاربردهایی که انعکاس نور پایین و عبور بالا لازم است، استفاده کرد.
منبع الهام این فناوری مطالعه دقیق چشم شب پره ها بوده است. بررسی قرنیه چشم شب پرهها که بیشتر در شب فعال هستند، حکایت از وجود ساختاری در چشم این موجودات دارد که انعکاس نور را کاهش میدهد. خواص ضد بازتاب چشم شب پره به واسطهی یک الگوی شش ضلعی از برجستگی های کوچک است. فاصلهی میان این برجستگیها به قدری کوچک است که مانند یک تک لایه در مقابل برخورد تابش نور عمل میکند و این خاصیت به شب پره کمک میکند در شب به راحتی ببیند بدون اینکه بازتاب چشم او شکارچیان را از وجودش مطلع کند.
رزینهای ضد انعکاس لایهی بسیار نازکی از نانو ذرات مختلفی مانند SiO2 ،TiO2 ،MgF2 و… هستند که برای تغییر دادن برخی از خواص نوری روی سطوح مختلفی مانند شیشه اعمال میشوند. خواصی مانند انعکاس، شکست، خاصیت ضد بازتاب، رسانش از خاصیتهایی هستند که میتوانند در یک طول موج مشخص از نور به وسیلهی معین کردن دقیق تعداد لایههای پوشش، به وجود آیند و یا اصلاح شوند.
انواع پوشش های ضد انعکاس
- پوششهای ضد انعکاس تک لايه
ساخت و کاربرد پوشش [5](AR) تک لايه محدود به قابليت ماده به کاربرده شده، است. در این پوششها لایه قابلیت حذف کامل انعکاس نور را ندارند و دارای استفاده محدود میباشند. بهعنوان مثال مادهای مانند فلوريد منيزيوم (MgF2) بازتاب يک زير لايه شيشهای را از 4.26% تا 1.5% کاهش میدهد. با اين وجود رسيدن به يک بازتاب دقيقا 0% بوسيله پوششهای تک لايه هنوز عملی نيست.
- پوششهای ضد انعکاسدولايه
کاربرد يک پوشش دو لايه به طوريکه هر لايه دارای ضخامت ربع طول موج باشد؛ میتواند عملکرد پوشش ضد انعکاس را بهبود بخشد. در پوششهای ضد انعکاس دو لایه ماده با ضریب شکست پایینتر بر روی زیر لایه و ماده با ضریب شکست بالاتر بر روی آن قرار میگیرد. اين طراحی منجر به بهبود در اثر پوشش ضد انعکاس میشود. همانطور که در شکل 5 مشاهده میشود، بازتاب موثر از يک پوشش ضد انعکاس دو لايه به طور قابل ملاحظهای در محدوده طول موج حدود 500 نانومتر به سمت صفر کاهش پيدا میکند. منحنی بازتاب پوشش ضد انعکاس دولايه دارای طيفی به صورت V میباشد از اين رو آنها را نيز به صورت پوشش «v» میشناسند.
- پوششهای ضد انعکاس چند لايه
از آنجا که پوششهای ضد انعکاس دو لايه منجر به کاهش در بازتاب موثر در يک طول موج مشخص در هدف میشود، چنانچه کاهش بازتاب بر روی دو طرف لایه مد نظر باشد، بايد تعداد لايهها افزايش پيدا کند. پوشش ضد انعکاس سه لایه، شامل یک لایه ضخیمتر میانی است که بین دو لایه ضد انعکاس دیگر و با ضخامت کمتر ساندویچ شده است.
شکل 5: بازتاب به صورت تابعی از طول موج برای پوشش های ضد انعکاس (a) پوشش AR تک لايه (b) پوشش AR دولايه (c) پوشش AR سه لايه.
- در شیشههای ضد انعکاس متشکل از لایه بسیار نازک (حدود 100 نانومتر) سیلیکای متخلخل، بهطور متوسط میزان پرتوهای نور بازتابیده از سطح این نوع شیشهها در حدود 1% و حجم پرتوهای گذرکرده از آن حدود 99% است ]5[.
- بهطور متوسط میزان پرتو بازتابیده شده از شیشههای ضد انعکاس بیش از یک لایه کمتر از 5/1 درصد ( در طیف طول موج بین 450 تا 650 نانومتر) و میزان امواج عبور کرده از آن بیش از 98 درصد است. از دیگر نکات بارز چنین پوششهایی این است که برخلاف شیشههای معمولی، زاویه برخورد پرتو با شیشه، تاثیر زیادی بر نحوه انعکاس یا عبور آن نمیگذراد و به ازای زاویه تماس از صفر تا 75 درجه، در میزان انتقال پرتوها از شیشه، تنها بین 5 تا 8 درصد تغییر بهوجود میآید]6[.
شکل 6: پوششهای ضد انعکاس نانو با بازتابپذیری کمتر نسبت به پوششهای ضد انعکاس چند لایه معمولی، توانایی جلوگیری از انعکاس نور در طول موجهای گستردهتر را دارند]7[.
کاربرد شیشههای ضد انعکاس
شیشههای ضدانعکاس کاربردهای گوناگونی دارند که از آن جمله میتوان به استفاده آنها در نمای خارجی فروشگاههای تجاری و ویترین مغازهها، در فضای داخلی که بازتاب نور مزاحم دید و نورپردازی مناسب است، مثل موزهها یا نمایشگاههای اشیای ارزشمند، ماشینها ،عینکها، موبایلها ،دوربینها و … نام برد.
شکل 7: نمونهای از کاربرد شیشههای ضدانعکاس. شیشه ضد انعکاس (سمت راست)، انعکاس نور مرئی را به کمتر از 2 درصد در مقایسه با مقدار 8 درصد برای شیشه شفاف ( سمت چپ) کاهش داده است]8[.
پیش بینی و روند بازار
پیش بینی و روند بازار شیشه های هوشمند برای سال های 2014 تا 2020 در نمودار زیر نشان داده شده است. این نمودار مربوط به بازار شیشههای هوشمند، شامل شیشههای الکتروکرومیک، کریستال مایع، فتوکرومیک و … در کاربردهای نظیر معماری، حمل و نقل، سلولهای خورشیدی و الکترونیک است. ارزش بازار برای این پوششها در سال 2013 نزدیک به 4/1581 میلیون دلار بوده است و انتظار میرود به ارزشی بالغ بر 5814 میلیون دلار تا سال 2020 برسد.
شکل 8: ارزش و پیش بینی بازار شیشه های هوشمند در سالهای 2012 تا 2020]9[.
همچنین پیش بینی بازار پوششهای ضد انعکاس با کاربرد در انرژی خورشیدی، خودرو و ساختمانها و دارا بودن بیشترین سهم در اپتیک و الکترونیک برای سال های 2014 تا 2020 در شکل 7 نشان داده شده است. در سال 2013 ارزش بازار پوششهای ضد انعکاس با تقاضایی حدود 7/338 کیلوتن حدود 90/2 میلیارد دلار بوده است که انتظار میرود این مقدار با رشد 2/8% خود به حدود 97/4 میلیارد دلار تا سال 2020 برسد.
شکل 9: ارزش و پیش بینی بازار شیشه های ضدانعکاس در سالهای 2012 تا 2020]10[.
معرفی برخی از شرکتهای فعال
در جدول زیر اسامی تعدادی از شرکتهای فعال در زمینهی شیشههای هوشمند آورده شده است.
| نام شرکت | محصول | اطلاعات تماس |
| sage | شیشههای الکتروکرومیک | www.sageglass.com |
| smarttint | شیشههای الکتروکرومیک | www.smarttint.com |
| pilkington | شیشههای کم گسیل
شیشههای ضد انعکاس |
www.pilkington.com |
| schott | شیشههای ضد انعکاس با نامهای تجاری
AMIRAN, MIROGARD |
www.schott.com |
| groglass | شیشههای ضد انعکاس | www.groglass.com |
روند سیر اختراعات
بهمنظور تعیین سیر تحقیقات و اختراعات ارائه شده در زمینهی کاربرد فناوری نانو در شیشههای هوشمند، پتنتهای ارائه شده در این زمینه بررسی شدند که در این میان تعداد 891 پتنت مربوط به کاربرد فناوری نانو در زمینه شیشههای هوشمند، وجود دارد که این تعداد بالا نشاندهندهی توجه متخصصان در زمینهی تجاریسازی و اهمیت رقابتی این محصولات است. همچنین تعداد پتنتهای مربوط به شیشههای هوشمند (ضد آفتاب، ضد انعکاس، ضد آتش و خودتمیزشونده) بهطور جداگانه مشخص گردید. با توجه به تعداد کل پتنتهای ثبت شده، بیشترین سهم پتنت بهترتیب مربوط به شیشههای الکتروکرومیک و خودتمیزشونده است. درصد وضعیت اختراعات ثبت شده مربوط به شیشههای هوشمند در شکل 8 نشان داده شده است.
شکل 10: بررسی وضعیت درصد اختراعات ثبت شده مربوط به شیشه های هوشمند
همچنین روند زمانی تعداد اختراعات ثبت شده از سال 1996 تا به امروز مربوط به شیشههای هوشمند در شکل 9 نشان داده شده است. با توجه به شکل مشاهده میشود که روند ثبت اختراعات تا سال 2015 سیر صعودی داشته و از سال 2006 به بعد اختراعات زیادی در این زمینه ثبت شده است.
شکل 11: نمودار زمانی ثبت پتنت برای شیشه های هوشمند در سالهای مختلف
از میان 891 اختراع یافته شده در زمینه کاربرد فناوری نانو در شیشههای هوشمند، تعداد 700 اختراع دارای حفاظت حقوقی بوده و در اصطلاح زنده[6] هستند و تنها 191 اختراع از لحاظ حقوقی دیگر مورد حمایت قرار نمیگیرند و منقضی شده اند[7]. دارا بودن حفاظت حقوقی بیانگر سن اختراع است و با توجه به اینکه بیش از 78% پتنت ها هنوز دارای حفاظت حقوقیاند یعنی مدت زمان زیادی از سن اختراع آنها نگذشته است و بیشتر اختراعات صورت گرفته مربوط به سالهای 2005 به بعد و رقابتی بودن این محصولات در این سالهاست. همچنین از میان تعداد پتنتهای دارای حفاظت حقوقی، تعداد 421 اختراع به ثبت رسیده[8] و 278 اختراع در حال ثبت[9] می باشد.
منابع
[1] P Monk, R Mortimer, D Rosseinsky, Electrochromism and electrochromic devices, 2007.
[2] AL Alexe-Ionescu, AT Ionescu, N Scaramuzza, Liquid-crystal–electrochromic-material interface: A pn-like electro-optic junction, 2001.
[3] DT Gillaspie, RC Tenent, AC Dillon, Metal-oxide films for electrochromic applications: present technology and future directions, 2010.
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/SAGE_Electrochromics
[5] Brian G. Prevo, Yeon Hwang, Orlin D. Velev, Convective Assembly of Antireflective Silica Coatings with Controlled Thickness and Refractive Index, 2005.
[6] www.istninc.com
[7] www.nikon.com
[8] www.prweb.com/ Pilkington New Anti-Reflective Glass Offers More Design, Application Freedom.
[9] www.marketsandmarkets.com
[10] www.transparencymarketresearch.com
[1] Electrochromic
[2] Low-Emissivity
[3] Working Electrode
[4] Counter Electrode
[5] Anti- Reflection
[6] Alive
[7] Dead
[8] Granted
[9] Pending
———————————————————————
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
