Película conductora transparente de grafeno con revestimiento de atenuación inteligente

Área grande, Producción de bajo costo de películas conductoras transparentes de grafeno

El grafeno, como material con propiedades únicas, se está aplicando actualmente en diversos campos como electrodos conductores transparentes, pantallas táctiles, células solares, baterías de martillos, supercondensadores, películas térmicas, desalinización de agua de mar y control de la contaminación ambiental, despertando grandes expectativas.

En el enorme programa de investigación "emblemático" del grafeno iniciado por la Unión Europea a principios de 2013, el estudio de las películas conductoras transparentes se convirtió en un foco importante. Al mismo tiempo, numerosas empresas de clase mundial, incluidas IBM de Estados Unidos, BASF de Alemania y Samsung de Corea del Sur, han invertido mucho en la investigación y el desarrollo de productos de películas conductoras transparentes de grafeno, con el objetivo de asegurar posiciones ventajosas en este desarrollo de materiales emergentes. campo. Algunas empresas incluso han anunciado planes para comercializar películas conductoras transparentes de grafeno en un futuro próximo.

El entusiasmo global por el desarrollo del grafeno ha influido gradualmente en las comunidades académicas y empresariales de China. Especialmente desde que se concedió el Premio Nobel a los descubridores del grafeno en 2010, varios niveles de departamentos gubernamentales en China han aumentado su apoyo a la investigación del grafeno. La Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Ministerio de Ciencia y Tecnología, la Academia de Ciencias de China y otros departamentos han iniciado varios proyectos de investigación importantes relacionados con el grafeno. Muchas regiones, incluidas Beijing, Shanghai, Jiangsu, Zhejiang, Guangdong y otras, han propuesto estrategias y planes para apoyar la investigación y el desarrollo del grafeno. Numerosas empresas también han entrado en el desarrollo de productos de grafeno a través de investigación, desarrollo colaborativo e inversiones piloto, lo que ha llevado al inicio gradual de la investigación y los estudios de aplicación del grafeno en China.

Sin embargo, el desafío principal que enfrenta el desarrollo de películas conductoras transparentes de grafeno, tanto a nivel nacional como internacional, sigue siendo la tecnología de preparación de películas de grafeno de gran superficie, bajo costo y alta calidad. Actualmente, la tecnología ampliamente adoptada para la preparación de películas de grafeno es la deposición química de vapor (CVD). Si bien esta tecnología puede producir láminas de grafeno monocapa grandes y de alta calidad con ventajas de rendimiento en transparencia y conductividad superficial, todavía adolece de inconvenientes fatales, como rutas de proceso complejas, altos costos, bajas tasas de rendimiento y limitaciones en el área de la película. Otra tecnología de preparación de grafeno, el método de reducción del óxido de grafeno, utiliza un proceso de solución, lo que permite una preparación continua de grandes áreas a un costo menor. Sin embargo, debido a ciertos defectos y a un mayor número de límites en las láminas de grafeno, su rendimiento es ligeramente inferior.

Para lograr la producción comercializada y a gran escala de películas conductoras transparentes de grafeno, es necesaria una mayor innovación tecnológica y una inversión sustancial en mano de obra y recursos. El grupo de investigación dirigido por el Dr. Zhilin en el Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología ha llevado a cabo una extensa investigación en la preparación de películas conductoras transparentes de grafeno utilizando el método de reducción de óxido de grafeno. La tecnología de producción desarrollada para películas conductoras transparentes de grafeno posee ventajas técnicas únicas en comparación con tecnologías internacionales similares. La aplicación de la tecnología de recubrimiento con varillas logró por primera vez un recubrimiento rápido, continuo y de gran superficie de películas de grafeno oxidado. Además, el primer uso de la tecnología de reducción catalítica a temperatura ambiente produjo con éxito películas compuestas de grafeno, formando la primera línea de producción continua de películas conductoras transparentes de grafeno con una base de plata a plata. Mediante la aplicación de películas conductoras transparentes de grafeno, el costo de los productos de películas de atenuación inteligente se ha reducido significativamente y la eficiencia de producción ha aumentado considerablemente. Esto es crucial para la promoción rápida e integral de materiales de películas de grafeno en aplicaciones prácticas, alineándose rápidamente con diversos productos finales y mercados. Beijing Sheng Mei Hongye Technology Co., Ltd. ha establecido una estrecha cooperación con el Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología. Actualmente, ha desarrollado capacidades de producción a gran escala y de bajo costo para películas conductoras transparentes de grafeno, y el rendimiento de sus productos ha alcanzado un nivel avanzado en comparación con productos similares. Se espera lanzar un prototipo de película de atenuación inteligente de grafeno a finales de 2014, llenando el vacío en campos relevantes tanto a nivel nacional como internacional.

Película de atenuación inteligente basada en películas conductoras transparentes de grafeno

Con el rápido desarrollo de la economía y la sociedad de China, se han logrado logros notables en diversos campos. Sin embargo, el elevado consumo de energía y la contaminación que lo acompañan se han convertido en factores importantes que restringen el desarrollo sostenible de la economía china. En el "Duodécimo Plan Quinquenal", el Consejo de Estado propuso una vigorosa promoción de la conservación de energía, la reducción de emisiones y el desarrollo de edificios ecológicos. El consumo de energía por unidad de construcción en China es más de tres veces mayor que el de los países desarrollados, siendo las ventanas el principal componente consumidor de energía de los edificios. Para reducir el consumo de energía de los edificios, existe una necesidad urgente de un producto de ventana inteligente que sea altamente efectivo, práctico y que cumpla con las demandas de conservación de energía. En respuesta a esta tendencia surge la película de atenuación inteligente.

Película de atenuación inteligente basada en películas conductoras transparentes de grafeno

Con el rápido desarrollo de la economía y la sociedad de China, el país ha logrado logros impresionantes en diversos campos. Sin embargo, el alto consumo de energía y la contaminación que los acompañan se han convertido en factores importantes que limitan el desarrollo económico sostenible de China. En el "Duodécimo Plan Quinquenal", el Consejo de Estado enfatizó la importancia de promover la conservación de energía, la reducción de emisiones y el desarrollo de edificios ecológicos. El consumo de energía por unidad de construcción en China es más de tres veces mayor que el de los países desarrollados, siendo las ventanas el principal componente consumidor de energía de los edificios. Para reducir el consumo de energía de los edificios, existe una necesidad urgente de un producto de ventana inteligente que sea altamente efectivo, práctico y que cumpla con las demandas de conservación de energía. En respuesta a esta tendencia surge la película de atenuación inteligente.

1.Película de atenuación inteligente como solución clave para la eficiencia energética de los edificios

El consumo de energía de los edificios de China representa el 35% del consumo total de energía, y cuestiones como el retraso en la acción sobre la eficiencia energética de los edificios, el alto consumo de energía y la fuerte contaminación se han convertido en problemas importantes que restringen el desarrollo económico sostenible de China. La pérdida térmica de las paredes exteriores de los edificios chinos es de tres a cinco veces mayor que la de edificios similares en América del Norte, y la pérdida térmica de las ventanas es más del doble. El área comercial de puertas representa del 20% al 30% del área del edificio, y el vidrio representa del 70% al 80% del área de puertas. Alrededor del 70% del consumo de energía de los edificios se pierde a través de las puertas, y un tercio se pierde a través del vidrio. La transferencia de calor por radiación es el modo principal de conducción de calor y representa más del 60%.

Desde 2006, el gobierno nacional ha promovido activamente la eficiencia energética de los edificios, implementando una serie de medidas políticas. Por ejemplo, el Ministerio de Vivienda y Desarrollo Urbano-Rural publicó el "Estándar de evaluación de edificios ecológicos", que evalúa los edificios nuevos y existentes utilizando tres grados (estrellas). Incluye requisitos para el diseño de edificios residenciales para garantizar la luz solar, la iluminación y la ventilación interiores y exteriores, cumpliendo con los estándares descritos en el "Código de Diseño y Planificación de Áreas Residenciales Urbanas" (GB 50180). En enero de 2013, el Consejo de Estado remitió el "Plan de acción para la construcción ecológica" de la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y el Ministerio de Vivienda y Desarrollo Urbano-Rural. Instó a transformar los modelos de construcción urbana y rural, mejorar la eficiencia en la utilización de los recursos, mejorar razonablemente el confort y la habitabilidad de los edificios y promover la acción de construcción sustentable de manera integral a través de políticas, regulaciones, mecanismos institucionales, planificación y diseño, estándares, promoción técnica, construcción y operación. y apoyo de la industria. También se definió claramente el objetivo de implementar la eficiencia energética en los edificios para 2020.

En el "Duodécimo Plan Quinquenal para el Desarrollo de la Industria de Nuevos Materiales" publicado en 2012, el grafeno figuraba explícitamente como un nuevo material de frontera clave. El plan tenía como objetivo avanzar en la investigación y aplicación de nanomateriales en la conservación de energía y otros campos. China lidera la investigación del grafeno a nivel internacional, con el mayor número de patentes relacionadas a nivel mundial, lo que hace que la industrialización del grafeno sea ampliamente reconocida. La industria del grafeno de China aún se encuentra en la fase de exploración, determinando las formas más adecuadas para los productos de grafeno. En este contexto, la lámina de atenuación inteligente es un producto de ahorro de energía recientemente desarrollado para puertas y ventanas. La película de atenuación inteligente es un nuevo tipo de producto optoelectrónico que integra protección solar y aislamiento térmico dentro y fuera de puertas y ventanas, proporcionando funciones únicas de transmisión de luz y aislamiento térmico. En verano, ajusta dinámicamente la transmitancia de la luz solar, controlando la luz transmitida y el calor de manera efectiva, alcanzando un máximo para bajar las temperaturas interiores. En invierno, restaura la capacidad de paso de la luz y el calor, bloqueando la pérdida de calor interior. En comparación con las puertas y ventanas de edificios existentes, el amplio efecto de ahorro de energía de la lámina de atenuación inteligente aumenta en más de un 30%. Puede superar eficazmente la única deficiencia de las películas de baja emisividad existentes, que sólo pueden reducir la radiación de calor pero carecen de funciones de recuperación de luz. La película de atenuación inteligente también puede cambiar el color y el tono del vidrio según las necesidades del usuario, mejorando la comodidad de los espacios de vida o trabajo. Cuando se combina con sensores, la película de atenuación inteligente puede lograr un ajuste automático, brindando a los usuarios una experiencia óptima y efectos de ahorro de energía.

2.Películas conductoras transparentes de grafeno como material ideal para películas de atenuación inteligente

Actualmente, el electrodo conductor transparente en productos de película de atenuación inteligente utiliza principalmente óxido de indio y estaño (ITO), conocido por su buena transparencia, baja resistencia superficial y tecnología de procesamiento madura. Sin embargo, el ITO no es resistente a la flexión y es propenso a romperse durante la producción, el transporte y el uso, lo que genera desechos. Además, los recursos de indio son escasos y dispersos, lo que dificulta la extracción y el reciclaje. Con recursos que se agotan continuamente, el costo del indio seguirá aumentando. Por estas razones, se buscan continuamente alternativas a la ITO. Actualmente, los materiales potenciales incluyen nanocables de plata, rejillas metálicas, nanotubos de carbono y grafeno. El grafeno, como nuevo tipo de material bidimensional a base de carbono, posee características de superficie específica ultrafina, superflexible y alta. Con un espesor de capa atómica única y propiedades bidimensionales, junto con el excelente rendimiento de transporte de electrones y la transparencia de banda ancha del grafeno, las películas de grafeno tienen propiedades conductoras transparentes intrínsecas, lo que las convierte en un material ideal para películas conductoras transparentes. En comparación con los materiales conductores transparentes tradicionales basados ​​en ITO, el grafeno tiene la ventaja de la flexibilidad, lo que facilita su aplicación sobre sustratos flexibles como el PET, lo que amplía la gama de aplicaciones de productos. Los materiales flexibles son adecuados para la integración con procesos rollo a rollo, lo que permite una producción continua y completa y reduce los costos de procesamiento. Además, el coste de la materia prima del propio grafeno es menor, lo que proporciona una importante ventaja de costes. Por lo tanto, el enfoque internacional en la investigación y el desarrollo de películas conductoras transparentes de grafeno es una de las principales áreas de interés.

3.Características y aplicaciones de la película de atenuación inteligente

La película de atenuación inteligente encuentra amplias aplicaciones en la arquitectura moderna, incluidas paredes de vidrio, vidrios de ventanas, particiones interiores, diversos vehículos y ventanas laterales de naves espaciales. China añade 2.000 millones de metros cuadrados de nuevas construcciones anualmente, y los edificios existentes suman 40.000 millones de metros cuadrados, más del 80% de los cuales son estructuras de alto consumo. Las ventanas exteriores de los edificios y las paredes de vidrio transparente son las áreas más activas para la conducción, difusión y pérdida de calor en la estructura periférica.

La película de atenuación inteligente se puede utilizar como sándwich o como película adherida para la construcción de vidrio inclinado. Al ajustar la luz incidente y bloquear la energía térmica, proporciona una solución para controlar el calor que entra y sale por las ventanas. Puede cambiar de color automáticamente según sea necesario, eliminando la necesidad de persianas interiores o parasoles exteriores para dar sombra o aislamiento térmico. Integra perfectamente la luz interior y exterior, controlando el deslumbramiento y el calor y reduciendo eficazmente el consumo de energía. Según Nanomarkets, una organización autorizada, se espera que el tamaño del mercado de productos de ventanas inteligentes, incluidas las películas de atenuación inteligente, alcance los 40 mil millones de dólares en 2018.

Según estimaciones del Departamento de Energía de EE. UU., los sistemas de sombreado electrocrómico pueden ahorrar al menos un 20 % en costos operativos, reducir la demanda máxima de electricidad en un 24 %, disminuir las cargas del sistema HVAC en un 25 % y reducir los gastos de iluminación en un 60 %. Esto contribuye a reducir los costos de construcción tanto desde la perspectiva de la demanda de electricidad como de la inversión en equipos. Un proyecto financiado por la Comisión de Energía de California y completado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley señaló que las ventanas electrocrómicas controlables (ventanas EC) pueden ajustar la intensidad de la luz incidente, el deslumbramiento y la transferencia de calor manteniendo la visibilidad. Esto reduce efectivamente el consumo de energía y la demanda máxima de electricidad para refrigeración, calefacción e iluminación. La investigación, que incluyó cálculos de simulación, pruebas de laboratorio y una prueba in situ de dos años y medio en un gran edificio de oficinas, examinó el rendimiento de prototipos de ventanas EC de gran superficie en entornos comerciales reales. Cubrió aspectos como el rango de transmisión de la luz, la uniformidad del color, la velocidad de cambio de color y la precisión del control. Además, integró ventanas inteligentes con sistemas de control de iluminación, optimizando la eficiencia y el confort del usuario a través de sensores y algoritmos. A través de métodos inteligentes de diseño y control, la ventana inteligente se convirtió en una parte integral del sistema de control del edificio, presentando una solución completa. Los resultados mostraron que la carga máxima de refrigeración de la ventana electrocrómica disminuyó entre un 19% y un 25%, y el autoconsumo para iluminación disminuyó entre un 48% y un 70%. Las ventanas electrocrómicas también contribuyen a mejorar las experiencias subjetivas del usuario, incluido el deslumbramiento reducido, los reflejos de la pantalla de la computadora, el brillo reducido de las ventanas y la visibilidad mejorada. Con una mayor comodidad de los empleados, estos tienden a estar más comprometidos, lo que conduce a una mayor eficiencia en el trabajo.

La aplicación de productos de atenuación inteligente en el sector del transporte ha ganado terreno. En 2008, Ferrari instaló ventanas panorámicas con atenuación controlada electrónicamente en el modelo insignia 612 Scaglietti. Estas ventanas, que cubren toda la sección superior de la cabina, están hechas de vidrio electrocrómico y permiten a los pasajeros ajustar la intensidad de la luz entrante con solo presionar un botón. El 15 de diciembre de 2009, el Boeing 787 Dreamliner, equipado con ventanas con atenuación inteligente, completó con éxito su vuelo inaugural. Al ajustar automáticamente el brillo de las ventanas, los pasajeros pueden disfrutar de una experiencia de viaje más cómoda y el efecto de control sobre la transferencia de luz y calor contribuye a la conservación de energía. Los espejos retrovisores con función antideslumbrante que utilizan una película de atenuación inteligente también se han utilizado ampliamente en vehículos de motor. Cuando los vehículos detrás utilizan luces altas, el espejo retrovisor antideslumbrante reduce automáticamente el reflejo de la luz, eliminando el deslumbramiento para el conductor y garantizando la seguridad en la conducción.

Las películas de atenuación basadas en tecnología de cristal líquido disperso de polímeros (PDLC) tienen la característica de aparecer brumosas (opacas) cuando se apagan y se vuelven transparentes cuando se encienden. Esta naturaleza dual permite que el vidrio con atenuación funcione como vidrio normal y como cortinas controladas electrónicamente. En el estado cero, puede proteger eficazmente la privacidad y aislar los espacios privados. En estado transparente, mantiene una visibilidad clara, lo que lo hace ampliamente utilizado en lugares como salas de reuniones, salas de control y hoteles que requieren privacidad. En estado cero, la película de atenuación de cristal líquido también se puede utilizar como pantalla de proyección y, cuando se combina con la funcionalidad táctil, forma un producto compuesto, utilizado principalmente en lugares como centros comerciales para exhibición de productos.

4. Principio de funcionamiento de la película de atenuación inteligente

La película de atenuación inteligente se puede clasificar principalmente en tipos de cristal líquido electrocrómico y disperso de polímeros según sus principios de funcionamiento.

• Tipo electrocrómico: Este tipo utiliza el efecto electrocrómico, que implica la transición entre los estados coloreados y transparentes de los materiales electrocrómicos cuando se inyectan o retiran iones y electrones. Los dispositivos electrocrómicos constan principalmente de capas de electrodos transparentes, capas electrocrómicas, capas de contraelectrodos y capas conductoras de iones. Los materiales electrocrómicos actualmente comercializados incluyen materiales inorgánicos tales como óxido de tungsteno y óxido de níquel, así como materiales orgánicos como polianilina y sus derivados, polipirrol y sus derivados, politiofeno y sus derivados, derivados de ftalocianina, tetratiafulvaleno y compuestos de metaloftalocianina.

• Tipo de cristal líquido disperso en polímero (PDLC): Este tipo utiliza una capa de cristal líquido dispersada en polímero como capa funcional. Las gotas de cristal líquido están uniformemente dispersas en una matriz polimérica. Cuando no se aplica ningún campo eléctrico, las moléculas de cristal líquido se orientan aleatoriamente, lo que provoca que la luz incidente se disperse y genere un estado de niebla. Cuando se aplica un campo eléctrico, las moléculas de cristal líquido se alinean uniformemente a lo largo de la dirección del campo eléctrico. Como el índice de refracción del cristal líquido es casi el mismo que el del polímero, la luz puede atravesar la película sin obstrucciones, haciéndola transparente. Este tipo de película posee la doble característica del vidrio normal y las cortinas controladas electrónicamente, ofreciendo una protección efectiva de la privacidad en el estado opaco y una visibilidad clara en el estado transparente.

• Tendencias en el desarrollo de películas de atenuación inteligente

• Para que la película de atenuación inteligente logre importantes ahorros de energía y mejore el confort visual, es fundamental contar con un sistema de control preciso. Los sensores conectados y los controladores intermedios regulan la transmisión de luz de la lámina atenuadora en función de las condiciones de luz externas. Esto garantiza bloquear el exceso de luz solar para reducir el consumo de energía de refrigeración y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de comodidad visual. Al mismo tiempo, se esfuerza por introducir la luz solar para minimizar el consumo de energía de iluminación, logrando una eficiencia energética y una experiencia de usuario óptimas. En 2006, las versiones iniciales comercializadas de película de atenuación inteligente tenían funcionalidades relativamente simples, limitadas al control de encendido y apagado, y eran costosas. Sólo con la ampliación de las escalas de producción los costos disminuyeron significativamente. Actualmente, el valor de los productos de películas de atenuación inteligente reside no sólo en la reducción del gasto energético sino también en la gestión de la carga y la comodidad del usuario, factores críticos para atraer a los primeros consumidores.

  La dirección de desarrollo futuro de la película de atenuación inteligente implica un mejor rendimiento y menores costos. Esto incluye la necesidad de controladores precisos, velocidades de conversión de transmisión de luz más rápidas, evitar la coloración en estados opacos, ampliar el rango de atenuación, reducir los costos de producción y diseñar algoritmos de control de iluminación más universales y confiables para adaptarse a diversos usuarios, climas y sistemas HVAC. Es esencial establecer sistemas de clasificación de productos y estándares industriales, así como desarrollar herramientas de diseño. Si se personalizan, el alcance de aplicación de estos productos se ampliará significativamente, abordando diversas formas de superficie e incluso incorporando aplicaciones portátiles, como ropa de camuflaje que cambia de color. La película de atenuación inteligente, con sus capacidades de ajuste de transmisión de luz bajo demanda, puede crear ambientes de trabajo y de vida personalizados, cómodos y energéticamente eficientes. Es un componente necesario para los edificios verdes inteligentes y el transporte moderno de alta tecnología. Sin embargo, las estrictas condiciones de procesamiento y los altos costos de producción limitan su aplicación generalizada. La introducción de películas conductoras transparentes de grafeno para reemplazar los materiales ITO tradicionales en productos de películas de atenuación inteligente utiliza plenamente las características del grafeno: alta transmisión de luz, alta conductividad y flexibilidad. Esto no sólo mantiene el rendimiento del producto sino que también reduce los costos, impulsando la aplicación generalizada de dichos productos..

  China ocupa una posición de liderazgo internacional en la investigación del grafeno y los recursos de grafito son abundantes. Transformar el grafeno, este extraordinario material, en una ventaja industrial se ha convertido en un tema crucial que influye en toda la industria de nuevos materiales. Teniendo en cuenta factores como la forma del producto, el estado actual de desarrollo del grafeno y las expectativas del mercado, la película de atenuación inteligente representa un excelente punto de aplicación para el grafeno en las condiciones de rendimiento actuales. El desarrollo de esta industria impulsará enormemente la investigación, producción y aplicación del grafeno, generando un efecto impulsor en toda la cadena industrial y beneficiando al público con el material milagroso, el grafeno.