Любители мотоциклетного спорта, а также сноубордисты и горнолыжники давно мечтают о шлемах со стеклом, затемнение которого меняется мгновенно по щелчку переключателя. И стартап «СмартХелио» совместно с инженерами Российского центра гибкой электроники в Троицке (РЦГЭ, входит в группу TechnoSpark) разработал умную пленку, которую размещают на стекле шлема и регулируют посредством электрического поля. Статья гендиректора РЦГЭ Алексея Гостомельского, стартапа «СмартХелио» и его соавторов с описанием разработки вышла в журнале «Компоненты и технологии».
Фото: Андрей Бородулин, Коммерсантъ
Фото: Андрей Бородулин, Коммерсантъ
Пленка создана на базе исследования эффекта «гость — хозяин». Наиболее близким аналогом данных пленок является известное с 1960-х годов электрохромное умное стекло (ECD). Оно обладает способностью по щелчку переключателя электрического тока менять свою прозрачность. Однако это занимает некоторое время — от нескольких минут до 20. Российские инженеры из РЦГЭ, стартапа «СмартХелио» и белорусской компании MTLCD решили усовершенствовать эту технологию и создали аналог умного стекла на гибкой подложке. Такая технология, использующая эффект «гость — хозяин», меняет прозрачность за сотые доли секунды, что позволяет применять ее для мотоциклетных и сноубордических шлемов, солнцезащитных очков и т. п.
Возможности использования таких умных пленок обширные. Во-первых, все, что связано с транспортом: верхние люки и бленды (солнцезащитные козырьки) в автомобилях, быстрое затемнение иллюминаторов в самолетах, поездах, окнах зданий в качестве солнцезащитной пленки, помещениях, где нужно регулировать освещенность, когда ярко светит солнце. А также все, что связано с энергоэффективностью.
Научная основа
Принцип «гость — хозяин» определяет положение молекул красителя в структуре жидкого кристалла (см. рис. 1). Под воздействием электрического поля молекулы выстраиваются ровными рядами, как жалюзи, пропуская свет. Этот эффект был открыт в 1964 году американскими инженерами из Принстонского университета Джорджем Хейлмейером и его соавторами, которые исследовали электрооптические эффекты в нематических жидких кристаллах. Данное открытие привело к появлению плоских жидкокристаллических экранов в 1968 году (в 1975–1977 годах Хейлмейер возглавлял Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA)).
Что же такое жидкие кристаллы? Такое вещество одновременно обладает свойствами жидкостей и кристаллов (текучестью и анизотропией, то есть неодинаковостью свойств среды, например электропроводности или преломления света, в разных направлениях). Жидкие кристаллы сейчас используются в ЖК-телевизорах, электронных часах, дисплеях сотовых телефонов.
Идея комплекса «гость — хозяин» — это метод введения молекулы-«гостя» в зону взаимодействия молекулы-«хозяина», в результате чего изменяются химические и физические свойства первой. В частности, молекула-«гость» почти не пропускает свет, находясь в перпендикулярном положении к падающему свету (рис. 1а). А в параллельном, в который ее переводит молекула жидкого кристалла («хозяин») под действием электрического поля, наоборот, хорошо пропускает свет (рис. 1b).
Работа ЖК-ячейки на основе эффекта «гость — хозяин» при напряжениях: а) нулевом; б) превышающем пороговое
Отличия умных пленок от умного стекла
Использование эффекта «гость — хозяин» для умного стекла известно с 1980-х годов, когда его стали применять в архитектуре и медицине, а вот идея создания гибкой электроники на его основе — соединение гибкой подложки РЦГЭ и жидкокристаллической смеси производства белорусской компании MTLCD — пришла только в 2022 году и реализуется в проекте стартапа «СмартХелио» из Санкт-Петербурга.
Немного остановимся на том, что такое гибкая электроника. Под гибкой электроникой понимают совокупность всех технологий, которые могут потенциально обеспечить гибкость устройств. Гибкая электроника выступает сферой физики, химии и технологий, которая занимается созданием электронных устройств на основе новых полупроводниковых материалов. Преимуществом таких технологий являются более простые и дешевые производственные процессы, которые позволяют снизить стоимость конечных устройств по сравнению с традиционными технологиями электроники. Так, можно снизить количество циклов фотолитографии, избежать высокотемпературных процессов и специальных вакуумных условий. Кроме того, для изготовления устройств гибкой электроники можно использовать растворные и печатные методы, что значительно снижает стоимость технологических процессов и увеличивает их производительность. Использование материалов гибкой электроники позволяет не только снизить стоимость одного устройства, но также производить устройства большой площади, снизив при этом стоимость единицы площади. Это играет большую роль в производстве дисплеев и сенсорных интерфейсов. Механические свойства — гибкость, растяжимость — имеют большое значение при интеграции электроники в применения, недоступные при использовании кремниевой электроники. Преимущества конечных устройств на основе технологий гибкой электроники могут быть очень разнообразными в зависимости от используемых материалов и компонентов.
Примеры гибкой электроники — это смартфоны с гибкими экранами, продемонстрированные LG и Samsung, тонкопленочные транзисторы для харвестеров (приборов, превращающих свет в электрическую энергию), дисплеев, гибких датчиков (например, рентгеновского излучения) и батарей, гибкой памяти и гибких фотоэлектрических элементов. Применяемая тут совокупность технологий гибкой электроники позволяет выпускать более тонкие и легкие изделия.
Возвращаясь к электрохромным стеклам, они для затемнения света используют ионный ток, а в случае умных пленок РЦГЭ идет управление электрическим полем. Поле быстро переключает положение жидкого кристалла в пространстве — за несколько миллисекунд. Тогда как затемнение умных стекол начинается только через несколько минут после щелчка переключателя.
В мире уже есть примеры пленок на жидких кристаллах (PDLC), которые мгновенно переключаются, но они не затемняют поверхность, а рассеивают свет: изделие становится непрозрачным. Так что такие пленки нельзя использовать, скажем, для превращения очков с диоптриями в солнцезащитные. А с помощью пленок РЦГЭ можно.
Время включения-выключения ячейки толщиной 5 мкм
«Сейчас есть идеи модификации нашей подложки, с тем чтобы сделать стекло не только с регулировкой прозрачности, но и пропусканием света только в одном направлении. А в другом — с рассеиванием по принципу приватности затемняющей комнаты: вы можете видеть, например, то, что происходит снаружи, но вас никто видеть не будет»,— рассказывает Алексей Гостомельский.
Кроме того, инженеры белорусского стартапа MTLCD, партнерской компании РЦГЭ, изобрели еще одно ноу-хау: при нанесении жидких кристаллов на гибкую поверхность используется новый уникальный материал — низкотемпературный ориентант (вещество, которое заставляет жидкие кристаллы быть ориентированными в одном направлении, когда поле к ним не применяется). Причем это не химическое, а электрическое взаимодействие: за счет диполь — дипольного взаимодействия — слой ориентанта (упорядоченные диполи с параметром порядка вдоль определенного направления) ориентирует молекулу жидкого кристалла в нужном направлении.
Развитием проекта умной пленки и выводом продукта на рынок занимается стартап «СмартХелио» (резидент Северо-Западного центра трансфера технологий) на базе лаборатории электроники «ФлексЛаб» (гибкая электроника и высокотехнологичные материалы). В сотрудничестве с РЦГЭ «СмартХелио» планирует занять пустующую нишу умных пленок на рынке РФ. На данный момент идет работа по созданию макетного образца электроуправляемого фильтра светопропускания на пластиковых подложках с возможностью его интеграции в стекло горнолыжной маски и созданием высокотехнологичного продукта с функцией электроуправляемого затемнения на основе модуляции интенсивности проходящего света системой умной пленки. В более дальней перспективе планируется внедрение технологии в окна и люки отечественных автомобилей.
Кстати, одно из возможных применений полученной технологии гибких пленок с затемнением — это не только мотоциклетные и сноубордические шлемы, но и AR-, VR-очки (очки дополненной реальности). Вообще, у шлема виртуальной реальности есть такая специфика, что мозг трудно обмануть: он все время сопротивляется. При использовании шлема у человека возникают тошнота, головокружение и т. д., поэтому находиться в нем он может пока недолго. А технологии затемнения определенных участков могут позволить лучше «обманывать» мозг и продлить время комфортного нахождения в очках.
Таким образом, спектр областей применения новой технологии довольно широк. Важно, что российские ученые и инженеры находятся в авангарде мировой науки в области гибкой электроники. В отличие от кремниевой, российские компании — одни из немногих в мире, которые занимаются развитием технологий гибкой электроники.