מבוא

מגוון פתרונות הזכוכית כיום הוא רחב מאי פעם. הן מגיעות במגוון צבעים ומרקמים, ניתן להזמין אותן בממדים ובעיצובים שונים והן משמשות לטווח רחב של מטרות. כעת, ניתן לקחת את טווח השימושים בזכוכית לשלב הבא ולשלוט במאפייניה על פי הצרכים והתנאים המשתנים בחלל ובסביבה.

כיום ישנם 5 טכנולוגיות לזכוכיות דינמיות

  • זכוכית PDLC, חשמלי, זכוכית שקופה או חלבית, עבור פרטיות

  • זכוכית אלקטרוכרומית, חשמלי, שינוי צבע, מתאים לקירות מסך

  • SPD, חשמלי, שינוי צבע, מתאים לרכבים

  • זכוכית תרמוכרומית, חסימת קרינה ובוהק שמש, עבור קירות מסך

  • פילם פוטוכרומי, חסימת קרינה ובוהק שמש, עבור קירות מסך

יישום חדשני לגילויים מדעיים המלווים אותנו שנים רבות, יוצר טכנולוגיהמהפכנית המציעה מגוון שימושים יעילים. טכנולוגיות זכוכית חכמה, או זכוכית מתחלפת מאפשרות לשנות את מאפייני מעבר האור של הזכוכית בהתאמה אישית ובזמנים הנדרשים לכך.

על ידי שינויים בתנאי התאורה הטבעית בסביבה, או שינויים יזומים בשדה החשמלי סביב הזכוכית, ניתן להפוך זכוכית שקופה לחלבית ולהיפך, או להכהות את הגוון שלה. תכונות אלו של הזכוכית החכמה הופכים אותה לכלי יעיל וידידותי לסביבה לשמירה על פרטיות ולסינון חום ואור לבקרת אקלים יעילה יותר במרחבים הסגורים. האפשרויות הן נרחבות ביותר וטומנות בחובן הזדמנויות חדשות לבתים חכמים ומתחמים ציבוריים המציעים למשתמשים נוחות מרבית.

 

היסטוריה

PDLC - Polymer Dispersed Liquid Crystal
טכנולוגיית פיזור אור בשליטה חשמלית ליישומים של פרטיות

הגבישים הנוזליים (LC) הומצאו כבר בשנת 1888, עם זאת, יישומי טכנולוגיית ה PDLC פותחו ונרשמו כפטנט על ידי ד"ר ג'יימס פרגוסון בשנת 1984. דוקטור פרגוסון מוכר כממציא הטכנולוגיה תחת הסימן המסחרי – Nematic) (Curvilinear Aligned Phase   NCAP-PDLC.טכנולוגיה זו הינה הטכנולוגיה האיכותית ביותר לזכוכית חכמה לפרטיות מבוססת PDLC מכיוון שהייצור מבוסס על תמיסת LC במים ולא בממיסים, מה שהופך את הטכנולוגיה ליציבה ואמינה מאוד על פני שנים רבות. לאחר פיתוח ושיפורים משמעותיים של הטכנולוגיה, חברת סמארט פילמס רכשה את הפטנטים ואת מפעל הייצור הממוקם בעמק הסיליקון בקליפורניה בשנת 2007.

ד"ר פרגוסון הבין כי שילוב של גביש נוזלי LC בו המולקולות מסודרות לכיוון אחד, עם תמיסה על בסיס מים מאפשר ייצור של פילם חכם. התמיסה יושמה בין שתי יריעות פלסטיק עם שכבה מוליכה שקופה המבוססת על תחמוצת אינדיום.  Indium Thin Oxide (ITO).

 

בשנת 1987 פיתחה ורשמה כפטנט אוניברסיטת קנט סטייט טכנולוגיית PDLC המבוססת על "הפרדת שלבים". תחילה מיוצרת תערובת הומוגנית של פולימר וגביש נוזלי. טיפות הגביש הנוזלי נוצרות לאחר מכן על ידי תהליך הפרדה המתרחש באחת מהדרכים הבאות: פילמור, חום או חמורים ממיסים. הייצור על ידי ממיסים הינו הנפוץ ביותר כאשר היתרון בשיטה זאת הינה עלות ייצור נמוכה יותר אבל יחד עם זאת המוצר אינו מושלם מבחינת יציבות לאורך זמן.

 

אלקטרוכרומי Electrochromic

חומר אלקטרו-כרומי נרשם כפטנט לראשונה כבר בשנת 1843 על ידי המהנדס הסקוטי אלכסנדר ביין. הייצור הינו על ידי בנייה של שכבות של ננו חומר בתהליך הקרוב יותר למוליכים למחצה.

עקרון הפעולה הבסיסי כולל יוני ליתיום טעונים במטען חיובי עם אלקטרונים חסרים הנודדים הלוך ושוב בין שתי האלקטרודות דרך תווך המפריד ביניהן.

 

בדרך כלל, כאשר החלון שקוף בהיר, יוני הליתיום שוכנים באלקטרודה הפנימית ביותר (צד משמאל בתרשים). כאשר מפעילים מתח נמוך מאוד של 5 וולט על האלקטרודות, היונים "נודדים" דרך התווך לאלקטרודה החיצונית ביותר, (בצד ימין בתרשים) כאשר הם בשכבה זו, הם כהים ובולעים את האור והחום. 

 

טכנולוגיה אלקטרו-כרומית הינה טכנולוגיה "ירוקה" מכיוון שצריכת האנרגיה מתבעת רק במעבר מדרגת כהות אחת לאחרת, ואין צורך בצריכת אנרגיה על מנת להחזיק את הזכוכית במצב. 

החומרים האלקטרו-כרומיים מתאפיינים באיכות בידוד תרמי בשונה מטכנולוגיית ה-PDLC וה-SPD אשר להן אין איכויות בידוד חום.

 

SPD - Suspended Particle Devices
חלקיקים "מושהים"

בשנת 1965 החל פיתוח של זכוכית חכמה המבוססת על התופעה כאשר עקרון הפעולה הינו תנועה של ננו-חלקיקים כתגובה לשדה חשמלי, כאשר הננו-חלקיקים בגודל של פחות ממיקרון נמצאים בתוך נוזל, ובעלי תכונה של פיזור אור. 

 

תהליך הייצור של זכוכית חכמה בטכנולוגיית ה-SPD מתחיל בייצור התמיסה עם הננו חלקיקים, יישום בין שתי יריעות פלסטיק כאשר על כל יריעת פלסטיק יש שכבה מוליכה שקופה המבוססת תחמוצת אינדיום.

טכנולוגיית SPD בעלת גוון כחול כהה ובמתח של כ-100 וולט הגוון ייתבהר. על מנת לשמור על הזכוכית במצב שקוף נדרשת צריכת אנרגיה במשך כל זמן השימוש. 

בשונה מחומרים אלקטרו-כרומיים, אשר להם איכות בידוד חום לחלקיקי ה-SPD כמו גם לטכנולוגיית PDLC אין איכויות בידוד חום.

תרמוכרומי Thermochromic

חומרים תרמו-כרומיים התחילו להתפתח במעבדות כבר בשנות השישים. חומר תרמו-כרומי מאופיין בפיגמנט בעל תכונה של שינוי צבע בשל שינוי בטמפרטורה.

 

זכוכית חכמה תרמו-כרומית מורכבת משתי זכוכיות אשר מודבקות באמצעות PVB כאשר חלקיקים תרמו-כרומיים כבר מיושמים בשכבת ה-PVB. זכוכית חכמה תרמו-כרומית מוצעת במבנה של בידודית על מנת לייצר שכבת חום אחידה ובידוד חום איכותי.

פוטוכרומי Photochromic

שינוי צבע על ידי פוטונים הומצא בשנת 1842 על ידי סר ג'ון פרדריק וויליאם הרשל באנגליה. יריעה פוטו-כרומית משנה את הרכב הצבעים שלה בחשיפה לקרינת גלי אולטרה סגול, בדרך כלל של קרינת אור השמש.

 

כאשר חומר פוטו-כרומי נחשף לאור אולטרה סגול (UV) המבנה המולקולרי משתנה כתוצאה מהפחתת חמצון, במהלך תגובה כימית זו מתחמצן כלור ליצירת אטומים ואלקטרונים ואילו אלקטרון חופשי מועבר ליוני כסף. כתוצאה מכך החומר הפוטו-כרומי מתכהה וסופג את האור והחום הנוצרים מקרני השמש. 

 

התפתחויות אחרונות משלבות ננו חומרים קרמיים על מנת להתאים את טווח דחיית קרני השמש ליישומים של זכוכית חכמה לבידוד תרמי. בשילוב ננו חומרים מבוססי כסף ניתן לשלב גם חסימת קרני אינפרא אדום (IR) על ידי החזר קרני השמש.

 

 

טכנולוגיות קיימות וכיצד הן עובדות?

נכון להיום, קיימות 5 טכנולוגיות מרכזיות להתאמת פתרונות זכוכית חכמה. חלקן קיימות כבר מעל 100 שנים ורק כיום מיושמות באופן יעיל וחלקן מבוססות על גילויים מודרניים. העיקרון המשותף לכולן – שימוש בחומרים אשר החשיפה למתח חשמלי, לחום או לאור השמש משנה את הרכבם וכתוצאה מכך את צבעם ומרקמם. על ידי יצירת ציפויים מחומרים אלו והרכבתם על גבי זכוכיות, נוצרת זכוכית חכמה שתכונותיה ניתנות לשליטה.

 

טכנולוגיות אקטיביות לשליטה בגוון הזכוכית

PDLC - Polymer Dispersed Liquid Crystal

הטכנולוגיות הנפוצות והיעילות ביותר, מאפשרות שליטה יזומה באופי הזכוכית בלחיצת כפתור.

הטכנולוגיה הנפוצה ביותר בשימוש היא טכנולוגיית Polymer Dispersed Liquid Crystal PDLC)). על ידי שימוש בגבישים נוזליים, ניתן לשנות את אופן פיזור האור בחומר על ידי הפעלת שדה חשמלי המסדר אותם באופן אחר. הסידור החדש של הגבישים הנוזליים בחומר, גורם להחזרת קרני האור באופן שונה וכתוצאה מכך הזכוכית נעשית שקופה או חלבית בלחיצה. ניסויים שנערכו כבר בסוף המאה ה-19, אך הגיעו לכדי יישום רק ב-1984 כאשר נרשמו כפטנט על ידי ד”ר ג’יימס פרגוסון.

Electrochromic Glass

בנוסף, קיימת האנרגיה האלקטרו-כרומית (EC), בה נעשה שימוש ביוני ליתיום עם מטען חיובי. ליונים אלו אלקטרון חסר הנודד בין שתי אלקטרודות. חשיפת היונים למתח של 5 וולט, גורם לאלקטרונים לנדוד לשכבה החיצונית של הציפוי וכתוצאה מכך להתכהות ולספוג את אור וחום השמש.
 

טכנולוגיה נוספת הינה ״החלקיקים המושהים״ ((Suspended Particles Device - SPD העושה שימוש במיליוני חלקיקים המיושמים בתמיסת ג’ל. החלקיקים מסננים את האור ויוצרים כתוצאה מכך גוון תמיסה כהה. המתח החשמלי, גורם לחלקיקים להסתדר במבנה ישר ומאפשר מעבר אור. כך, נעשית הזכוכית בהירה יותר ומתאפשרת שליטה בדרגת כהות הזכוכית.

Suspended Particles Device SPD

טכנולוגיה נוספת הינה ״החלקיקים המושהים״ ((Suspended Particles Device - SPD העושה שימוש במיליוני חלקיקים המיושמים בתמיסת ג’ל. החלקיקים מסננים את האור ויוצרים כתוצאה מכך גוון תמיסה כהה. המתח החשמלי, גורם לחלקיקים להסתדר במבנה ישר ומאפשר מעבר אור. כך, נעשית הזכוכית בהירה יותר ומתאפשרת שליטה בדרגת כהות הזכוכית.

טכנולוגיות פאסיביות לשינוי גוון הזכוכית

ישנן מספר טכנולוגיות הפועלות על עקרונות פאסיביים. כלומר, שינויים התלויים בקרינת השמש ולא באופן יזום.

​​

Photochromic

טכנולוגיה פוטוכרומית (PC) - חומרים פוטו-כרומיים (המגיבים לאור) ידועים למדע כבר מאמצע המאה ה-19. באנגליה, פיתח סר ג'ון פרדריק וויליאם הרשל שיטה לשינוי צבע על ידי פוטונים. הוא פיתח יריעה פוטו-כרומית המשנה את הרכב הצבעים שבה בהתאם לחשיפה לקרינתUV  מאור השמש. העברת אלקטרונים חופשיים ליוני כסף גורמים להתכהות היריעה ולספיגת אור וחום השמש בה.
 

Thermochromic

טכנולוגיה תרמוכרומית (TC) - בשנות ה-60 של המאה ה-20, פותחו חומרים תרמו-כרומיים. כלומר, חומרים בעלי פיגמנטים המשנים את צבעם כתוצאה משינויים בטמפרטורה.

יישום טכנולוגיות אלו בחומר הדבקה המצמיד משטחי זכוכית זה לזה, מאפשר ליהנות מחלונות וקירות זכוכית המשנים את צבעם בלחיצת כפתור או על פי עוצמת אור או חום השמש ומביאים עמם ערך מוסף חדש לחלל. משטחים אלו משלבים פתרון בידוד תרמי איכותי ומספקים פתרון פרטיות ייחודי.

 

השוואה טכנולוגית

 

אילו שימושים ניתן לעשות בזכוכית חכמה?

יישומי הטכנולוגיה הם רבים ומגוונים ותהליך הפיתוח של פתרונות חדשים נמצא עוד בשיאו. עם זאת, ניתן לחלק את השימושים בטכנולוגיה לשני תחומים מרכזיים:


שליטה על פרטיות המרחב

טכנולוגיות בתחום זה מאפשרות להפוך זכוכית בגוון לבן חלבי לשקופה, כך, יש למשתמשים במרחב אפשרות לשמור על הפרטיות וליצור חלוקות מודולריות.  

טכנולוגיית שינוי גוון בגביש נוזלי PDLC

משמשים בעיקר בתעשיית האדריכלות והתחבורה ליצירת מחיצות פנים וחוץ המאפשרות חלוקה סלקטיבית שנעשית שקופה או אטומה על פי דרישה. פתרון זה משמש בעיקר בבתים פרטיים ובתי מלון, מוסדות חינוך ורפואה, עסקים קמעונאיים ומשרדים. פתרון זה מאפשר לייצר אפילו מקלחונים וחדרי שירותים שקופים למראה אסתטי ונקי שייעשו אטומים רק בעת השימוש לשמירה על הפרטיות.


כדי ליהנות מפתרון זה, אין צורך ברכישת חלון חדש, ניתן ליישם אותו ישירות על החלונות הקיימים וליישם בהם מעבר אור טבעי על פי דרישה, חסימה קבועה של קרינת UV מזיקה, פרטיות על פי דרישה ללא צורך בווילונות ותוצאות אמינות לאורך זמן בתחזוקה מינימלית.

 

טכנולוגיה אלקטרוכרומית EC

על ידי טעינת יוני ליתיום במתח חשמלי של 5 וולט, הם מתכהים ובולעים את חום השמש. 
כאן, יש לנו שליטה מלאה ולמגוון יישומים. פתרון זה, אשר יכול להגיע אף לחסימת 99% מאור השמש, נחשב לאחד מהיעילים ביותר מבחינה אנרגטית ותורם משמעותית לניקוד LEED במתחמים. פעולת ההתכהות לוקחת רק מספר דקות ומאפשרת שליטה בכניסת האור והחום בלחיצת כפתור.


יתרון משמעותי נוסף של שיטה זו, היא כי ניתן הגדיר שליטה בחלקי החלון השונים ולחלקו לעד שלושה אזורים שונים ולשלוט בכל אחד מהם בנפרד. על ידי שימוש בחיישנים ואפליקציות ייעודיות, נוכל לבצע התאמה מדויקת של מעבר האור האופטימלי ובאמצעים מקוונים. עם זאת, חשוב לזכור כי פתרון זה לא יספק פרטיות וכמו כן, לא ניתן ליישם את החומר על חלונות קיימים.


טכנולוגיית חלקיקים מושהים SPD

טכנולוגיה המאפשרת התכהות מיידית של גוון הזכוכית ללא כל צורך באמצעי הצללה אחרים ובצמצום משמעותי של פתרונות בקרת אקלים. טכנולוגיה זו, המאופיינת בזכוכית בעלת גוון כחול, משמשת בעיקר בתעשיית הרכב ומשמשת כחלונות גג לרכבי יוקרה ולשמשות רכב חכמות.
פתרון זה צורך מתח גבוה ולכן בעייתי ליישום במשטחים בעלי שטח גדול. כמו כן, הוא משמש כפתרון הצללה בלבד ואינו מספק פרטיות כמו כן, אין אפשרות ליישם אותו על חלון קיים. בנוסף, המחיר הגבוה מהווה חסם שוק משמעותי.


יריעות פוטוכרומיות PC או תרמוכרומיות TC 
כפי שראינו קודם, משטחים אלו משנים את הרכבם הכימי בתגובה לאור או חום השמש וכתוצאה מכך את צבעם. גוון הזכוכית יתכהה ככל שאור השמש או חום השמש מתעצם. העובדה כי מדובר בפתרון שאינו צורך חשמל כלל, הופך אותו לחסכוני וירוק במיוחד ומייתר שימוש במיזוג. טכנולוגיה זו מיושמת במגוון רחב של פתרונות – מחלונות רכב (פוטו כרומי) ועד למחיצות חוץ במרחבים פרטיים ומסחריים כאחד (פוטו כרומי).  


על אף שמדובר בפתרון שיכול לחסוך משמעותית בהוצאות האנרגיה במרחבים מסחריים, גם כאן העובדה כי מדובר בפתרון פאסיבי פוגעת ביכולת השליטה שלנו בקרינת השמש ומאחר והוא מגיב אך ורק לאור או חום, בנוסף טכנולוגיות אלו אינן מגיעות לחסימה מלאה של אור מסנוור. 

בקרת אקלים ובידוד תרמי

היישום הנפוץ השני בטכנולוגיה זו הוא עבור שליטה בטמפרטורה ועוצמת התאורה הטבעית בחללים. אור השמש מביא עמו חום רב המתרכז בבתים ומחיצות הזכוכית יוצרות אפקט חממה בתוך המבנה. גם האור החזק, גורם בשעות מסוימות לסנוור העיניים.

 

לרוב, הפתרון לכך הוא חסימת השמש על ידי הגפת וילונות ותריסים ושימוש בתאורה מלאכותית. על ידי שליטה בגוון הזכוכית באמצעים אקטיביים ופאסיביים כאחד, נבלע חלק ניכר מחום השמש במשטח ומאפשר ליהנות ממרחבים קרירים ונעימים יותר בהוצאות חשמל מינימליות ומאור שמש בריא ונעים ללא סנוור.

 

סקירת שוק

שוק הזכוכית החכמה הוערך ב- 3.5 מיליארד דולר בשנת 2019 וצפוי להיות מוכפל עד 2025 עם לגודל שוק של  7 מיליארד דולר. גודל השוק כולל זכוכית פנים לפרטיות וזכוכית חוץ לבקרת אקלים ובידוד חום וקור.

זכוכית חכמה מיושמת במספר רב של מגזרים כגון, דירות מגורים, משרדים, בתי מלון, מרפאות ובתי חולים, מבני ציבור ומשרדי ממשלה. היישומים העיקריים מתמקדים בענף הבנייה והתחבורה כאשר גורמי הצמיחה העיקריים הם:

  • ענף הבנייה - תקנים ותקנות לבנייה ירוקה מעודדים בעלי בניינים להשקיע בפתרונות לחיסכון באנרגיה כגון זכוכית חכמה לקירות מסך וחלונות. 

  • ענף הרכב - במיוחד רכבים שיתופיים, בהם יתאפשר לחסום קרני שמש מחממות ומסנוורות ולפרטיות. 

  • ענף התעופה - חברות כמו בואינג ואיירבוס תאמצנה באופן נרחב את הזכוכיות החכמות ליישום גם בדגמים נפוצים ולא רק בדגמי היוקרה. 

  • ענף השיט - יישומים ימיים כגון ספינות שייט ויאכטות יאמצו זכוכיות חכמות לשיפור נוחות הנוסעים וחיסכון באנרגיה.

זכוכיות חכמות על פני זמן

העתיד של פתרונות זכוכיות דינמיות

יהיו הפתרונות שבהם נבחר אשר יהיו, זוהי בשורה מהפכנית בתחום פתרונות הפרטיות ובקרת האקלים גם יחד והיא נכנסת לשימוש תכוף יותר ויותר בידי אדריכלים, מעצבי פנים וגורמים בתעשיית הרכב כדי לספק נוחות מרבית וחיסכון משמעותי באנרגיה. 

 
צרו קשר
arrow&v

טלפון : 072-3937571

אריאל שרון 4, גבעתיים

מגדל השחר, קומה 25

  • Facebook
  • Pinterest
  • Instagram
  • YouTube