Kazuki Yoshimura, Groupe de couche mince de contrôle de l'énergie, l'Institut de recherche sur les matériaux pour le développement durable de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées, a développé un miroir commutable qui utilise une nouvelle méthode de commutation.

Les miroirs commutables peuvent être commutés entre un état transparent et un état miroir. Leur utilisation peut produire un verre à vitre à économie d'énergie qui réduit considérablement les charges de refroidissement en bloquant efficacement la lumière du soleil. La feuille de miroir commutable développée utilise une nouvelle commutation gazochrome qui est complètement différente des méthodes de commutation gazochrome conventionnelles. Il peut contrôler la réflexion de la lumière visible à proche infrarouge à une vitesse de commutation environ 20 fois plus rapide que celle du verre commutable électrochrome conventionnel. Le développement actuel peut résoudre les problèmes impliqués dans la mise en pratique des miroirs commutables gasochromes. Parce que l'épaisseur du film mince qui contrôle la lumière est d'environ 1/10 de celle des films conventionnels, une réduction substantielle des coûts de production est attendue.

Les détails de cette technologie ont été exposés et présentés à Nano tech 2013, la 12e exposition et conférence internationale sur les nanotechnologies, du 30 janvier au 1er février au Tokyo Big Site à Koto-ku, Tôkyô.

La climatisation représente environ 30 % de la consommation d'énergie à la maison et au travail. Une fenêtre est un élément du bâtiment qui affecte considérablement la consommation d'énergie. Le verre à vitre normal transmet la lumière visible ainsi que la chaleur et réduit l'efficacité de l'isolation. L'augmentation de la valeur d'isolation des fenêtres est très efficace pour économiser de l'énergie, et le verre à double vitrage et le verre à faible émissivité (faible émissivité) avec des valeurs d'isolation élevées sont de plus en plus utilisés. Le verre commutable peut contrôler la lumière et la chaleur entrantes et sortantes pour augmenter les effets d'économie d'énergie en isolant la chaleur et en bloquant la lumière du soleil.

Le verre électrochrome à commande électrique est un type typique de verre commutable. Récemment, aux Etats-Unis, le verre électrochrome avec un film mince d'oxyde de tungstène comme couche commutable a été commercialisé pour les applications de construction. Cependant, un verre commutable peu coûteux est nécessaire pour promouvoir l'utilisation généralisée.

Tout verre électrochrome conventionnel absorbe la lumière pour contrôler la lumière et présente donc un inconvénient; la température du film mince augmente et le film réémet de la chaleur dans la pièce. Si la lumière pouvait être contrôlée par réflexion, alors la lumière du soleil pourrait être bloquée plus efficacement. Par conséquent, des miroirs commutables qui peuvent être commutés entre l'état transparent et l'état miroir sont attendus.

Depuis 2001, AIST a mené des recherches et du développement de matériaux à couche mince pour les miroirs commutables. Il a installé du verre à vitre de taille réelle dans un bâtiment réel et a démontré que le verre peut réduire la charge de refroidissement de plus de 30 % par rapport au verre à double vitrage transparent classique.

Le verre commutable électrochrome a une structure complexe et est donc très coûteux à produire. Le verre gazochrome a une structure simple composée de deux films minces et devrait être un verre commutable à faible coût. L'avantage de la commutation gazochrome est que la vitesse de commutation est indépendante de la taille. Par conséquent, la méthode est considérée comme appropriée pour le grand verre commutable. Cependant, sa durabilité a été un problème.

AIST a développé un miroir commutable à couche mince en alliage magnésium-yttrium qui peut effectuer plus de 10, 000 cycles de commutation (communiqué de l'AIST du 20 septembre, 2012). Cependant, des problèmes de sécurité ont été soulevés au sujet de l'hydrogène gazeux utilisé pour la commutation. AIST a donc mené la recherche et le développement d'un miroir commutable gazochrome sûr.

Les miroirs conventionnels commutables gasochromes sont constitués de deux vitres liées à une entretoise. La commutation est effectuée par l'introduction de gaz dans l'espace entre les vitres (Fig. 1). Lorsque l'hydrogène produit par l'électrolyse de l'eau est introduit dans l'espace, le film mince miroir commutable est commuté d'un état miroir à un état transparent par hydrogénation. Lorsque l'oxygène est introduit, le film mince est rebasculé de l'état transparent à l'état miroir par déshydrogénation.

Le chercheur a découvert que lorsque le verre et une feuille transparente sont collés ensemble sans espaceur, un entrefer d'une épaisseur moyenne d'environ 0,1 mm est formé, et la commutation gazochrome peut être effectuée en introduisant des gaz dans l'entrefer. Cependant, car l'entrefer est très petit, la commutation ne peut pas être réalisée de manière satisfaisante en introduisant de l'hydrogène ou de l'oxygène de manière classique. Le chercheur a étudié le mécanisme de la commutation gazochromique et a développé une nouvelle méthode qui peut effectuer la commutation de manière satisfaisante dans ce petit entrefer (Fig. 2). Le verre commutable qui utilise cette nouvelle méthode de commutation peut commuter aussi bien que le verre commutable gasochrome conventionnel, même si la feuille est localement en contact avec le verre en de nombreux points.

Le verre commutable gasochrome conventionnel doit être à double vitrage et ne peut pas être utilisé dans les véhicules, où le verre simple est utilisé. Adoptant la méthode gasochromique développée, une feuille transparente avec un film mince commutable déposé par pulvérisation cathodique, dont le rebord est collé à une seule vitre, fonctionne comme un verre commutable et peut être utilisé dans les véhicules.

Avec la méthode de commutation conventionnelle, si un entrefer de 5 mm est prévu entre deux vitres de verre de 1 x 1 m, le volume de l'espace est de 5 L et une grande quantité de gaz est nécessaire pour la commutation. Avec la nouvelle méthode de commutation, le volume de gaz nécessaire pour changer de verre de même surface n'est que d'environ 100 ml, soit 1/50 de celui requis avec les méthodes conventionnelles, ce qui permet de changer avec une petite quantité d'hydrogène. En outre, la petite quantité d'hydrogène introduite dans l'espace est absorbée rapidement par le film mince commutable, en laissant peu d'hydrogène dans l'espace et en éliminant les risques tels que les fuites d'hydrogène.

La vitesse de commutation du verre de commutation électrochrome conventionnel dépend du courant à travers le film conducteur transparent et diminue donc à mesure que la taille du film augmente. Il faut au moins environ 10 minutes pour changer complètement le verre de la taille d'un mètre si l'ITO (oxyde d'indium et d'étain) couramment utilisé est utilisé comme film conducteur transparent. Avec la nouvelle méthode de commutation gasochrome, une feuille commutable de la taille d'un mètre peut être complètement commutée vers un état transparent en environ 30 s - une vitesse de commutation environ 20 fois plus rapide que celle des films gazochromes conventionnels.

En outre, car la commutation peut être effectuée avec une très faible quantité d'hydrogène, l'humidité (vapeur d'eau) de l'air peut être utilisée comme source d'hydrogène. Par exemple, la concentration de vapeur d'eau dans l'air est d'environ 2 % à une température de 30 °C et une humidité de 50 % et l'électrolyse de cette vapeur d'eau peut produire une quantité faible mais suffisante d'hydrogène pour la commutation. Il était auparavant nécessaire de fournir de l'eau pour l'électrolyse à partir d'un réservoir d'eau, mais avec la nouvelle méthode, cela n'est pas nécessaire :la commutation peut être effectuée simplement en appliquant une tension d'environ 3 V au film polymère pour la production d'hydrogène par électrolyse de vapeur d'eau. Parce que seule une très faible concentration d'hydrogène est produite, il n'y a aucun risque d'explosion.

La figure 3 montre une feuille de miroir commutable qui utilise de la vapeur d'eau dans l'air. Cette feuille gasochrome ne nécessite ni gaz ni eau ajoutée. Il peut être commuté simplement en connectant une batterie 3 V aux bornes et est aussi facile à manipuler que le verre commutable électrochrome.

Des verres et des films commutables ont été produits par dépôt en phase vapeur de films minces en utilisant la méthode de pulvérisation cathodique magnétron. L'un des principaux facteurs qui déterminent le coût de production par cette méthode est le taux de dépôt de couches minces; l'augmentation du taux de dépôt réduit le coût de production. Le verre commutable électrochrome commercialisé a typiquement cinq films minces et une épaisseur globale d'environ 1 µm. La feuille de miroir commutable développée a deux films minces et une épaisseur globale de moins de 100 nm—environ 1/10 de l'épaisseur du verre commutable électrochrome. En outre, parce que la feuille de miroir commutable développée se compose uniquement de films minces métalliques avec un taux de dépôt élevé, le temps de dépôt est beaucoup plus court que celui du verre commutable électrochrome conventionnel et une réduction marquée du coût de production est attendue.

Le chercheur évaluera la durabilité de la tôle en effectuant des commutations cycliques. La technologie développée sera appliquée aux zones dans lesquelles le verre commutable gasochrome conventionnel ne peut pas être utilisé, en particulier dans les petites vitres utilisées dans les véhicules, les trains, et des avions. Il vise à augmenter la transmission de la lumière visible du verre à plus de 70 % et à utiliser le verre pour empêcher efficacement la lumière du soleil de pénétrer à travers les pare-brise des véhicules. Il a également l'intention d'étudier le dépôt de couches minces sur de grandes feuilles en collaboration avec le secteur privé visant à l'utilisation précoce de ce verre miroir commutable comme grand verre pour les bâtiments.