Сотрудники КНИТУ-КАИ (входит в Татарстанское реготделение СоюзМаш России) создали многоцветное электрохромное устройство с переключаемыми цветами.
Изобретение представляет собой тонкую гибкую «умную» пленку, способную по электрическому сигналу последовательно или одновременно окрашиваться в синий, зеленый и красный цвета, а также производить аддитивный эффект до полноцветного режима, когда аддитивное смешение цветов достигается сложением цветовых излучений. Это делает устройство перспективным в строительстве для остекления архитектурных объектов сложной формы, а также при производстве автомобильных и авиационных «умных» окон.
В основе устройства лежит многослойная гетероструктура (твердотельная структура из слоев различающихся по свойствам полупроводников или диэлектриков) на гибкой прозрачной полимерной подложке из ПЭТ или поликарбоната. На гетероструктуру наносят прозрачный проводящий слой оксида индия-олова ITO, служащий электродом. Поверх этих электродов формируется последовательность электрохромных слоев: оксид вольфрама WO₃ для синего окрашивания, полианилин (PANI) для зеленого и виологен для красного, разделенные ионопроводящим полимерным электролитом на основе комплекса LiClO₄-PMMA. Уточним, что LiClO₄-PMMA - система, состоящая из перхлората лития LiClO₄ и полиметилметакрилата (PMMA), используется в качестве твердых полимерных электролитов в электрохимических устройствах, например, в перезаряжаемых литий-ионных батареях.
Предшествующие разработки по этой тематике обладают рядом недостатков. Так, среди известных аналогов можно выделить патент RU 2 676 807, описывающий электрохромное устройство на основе WO3 и виологена, имеющее ограниченное количество цветовых состояний (только два цвета) и жесткую стеклянную конструкцию, требующую высокого рабочего напряжения 3-5 В, что существенно ограничивает область применения.
Другой аналог - патент, использующий гибридную систему на основе PANI (проводящего полимера на основе анилина) и жидкого электролита, демонстрирующий медленное время переключения (более 10 секунд) и ограниченную долговечность (не более 500 циклов переключения) из-за деградации органического компонента. Технической проблемой является невозможность подачи высокого напряжения от автономных устройств и долгое время переключения между цветами.
Наиболее близким по технической сущности является устройство адаптивной маскировки объектов (патент RU 2 552 978). Это изобретение относится к электрохромному устройству с управляемым окрашиванием и способу его производства. Устройство-прототип состоит из стеклянной подложки, прозрачных проводящих электродов, слоя оксида вольфрама (WO3) в качестве электрохромного материала и жидкого электролита на основе раствора литиевой соли в органическом растворителе. При подаче напряжения между электродами происходит обратимое электрохимическое восстановление WO3 с образованием окрашенного соединения LixWO3 синего цвета, при этом изменение оптической плотности происходит за счет интеркаляции ионов лития из жидкого электролита в оксидную матрицу. Интеркаляция - процесс обратимого внедрения ионов лития в атомную структуру материалов без ее разрушения. Основные недостатки технического решения - это ограниченное монохромное окрашивание (только синий цвет), относительно высокое рабочее напряжение (3 В), длительное время переключения (5-7 секунд), а также проблемы, связанные с герметизацией жидкого электролита и ограниченной механической прочностью стеклянной подложки.
Работа устройства, которое предложили ученые КНИТУ-КАИ, основана на управляемых процессах окисления-восстановления в каждом из активных слоев при подаче низкого управляющего напряжения 1,5-2,5 В через прозрачные электроды от специализированного контроллера. При заданных полярностях и величинах потенциала в слой WO₃ интеркалируются ионы лития с образованием синего LixWO₃, полианилин переводится в проводящее зеленое состояние (эмерильдин), а виологен восстанавливается до радикал-катионной формы интенсивного красного цвета. Управление осуществляется контроллером с ШИМ-модуляцией: изменяя длительность импульсов при фиксированной амплитуде, система плавно регулирует степень зарядки каждого слоя и, следовательно, насыщенность соответствующего цвета.
«Применение гибкой полимерной подложки обеспечивает сохранение электрохромных характеристик при изгибах и механических деформациях, - поясняет заведующий кафедрой машиноведения и инженерной графики КНИТУ-КАИ Фаниль Хабибуллин. - Технический результат изобретения состоит в создании низковольтного гибкого многоцветного электрохромного устройства, обеспечивающего по отдельности три независимых основных цвета и их аддитивное смешение, при сохранении высокой оптической однородности, приемлемого времени отклика и устойчивости к многократным циклам переключения и механическим нагрузкам».
Благодаря оптимизированной толщине слоев (сотни нанометров для электрохромных пленок и десятки микрометров для полимерного электролита), а также использованию твердого электролита LiClO₄/PMMA вместо жидких растворов, устройство работает при пониженном напряжении, демонстрирует малое энергопотребление (до нескольких мВт/см²), исключает проблемы утечки электролита и переключается между цветовыми состояниями за 1-3 секунды.
Авторам изобретения Федеральной службой по интеллектуальной собственности выдан Патент RU 2 860 164.