Un dispositivo electrocrómico ( ECD ) controla propiedades ópticas como la transmisión óptica, la absorción, la reflectancia y/o la emitancia de manera continua pero reversible tras la aplicación de voltaje ( electrocromismo ). Esta propiedad permite utilizar un ECD para aplicaciones como vidrio inteligente , espejos electrocrómicos y dispositivos de visualización electrocrómicos.
La historia de la electrocoloración se remonta a 1704, cuando Diesbach descubrió el azul de Prusia (hexacianoferrato), que cambia de color de transparente a azul mediante la oxidación del hierro. En la década de 1930, Kobosew y Nekrassow observaron por primera vez una coloración electroquímica en óxido de tungsteno a granel. Mientras trabajaba en Balzers en Lichtenstein, T. Kraus describió detalladamente la coloración electroquímica en una película delgada de trióxido de tungsteno (WO 3 ) el 30 de julio de 1953. En 1969, SK Deb demostró la coloración electrocrómica en películas delgadas de WO 3 . [1] Deb observó el color electrocrómico aplicando un campo eléctrico del orden de 10 4 Vcm −1 a través de una película delgada de WO 3 . De hecho, el nacimiento real de la tecnología EC generalmente se atribuye al artículo fundamental de SK Deb de 1973, en el que describió el mecanismo de coloración en WO 3 . [2] El electrocromismo se produce debido a las reacciones electroquímicas redox que tienen lugar en los materiales electrocrómicos. Se pueden utilizar varios tipos de materiales y estructuras para construir dispositivos electrocrómicos, según las aplicaciones específicas.
Los dispositivos electrocrómicos (a veces llamados electrocromáticos) son un tipo de celdas electrocrómicas. [3] La estructura básica del ECD consta de dos capas de EC separadas por una capa electrolítica. El ECD funciona con una tensión externa, para lo cual se utilizan electrodos conductores a ambos lados de ambas capas del EC. Los dispositivos electrocrómicos se pueden clasificar en dos tipos según el tipo de electrolito utilizado, a saber. Los ECD laminados son aquellos en los que se utiliza gel líquido, mientras que en los dispositivos EC de electrolito sólido se utiliza material sólido inorgánico u orgánico. La estructura básica del dispositivo electrocrómico incorpora cinco capas superpuestas sobre un sustrato o colocadas entre dos sustratos en una configuración laminada. En esta estructura se encuentran principalmente tres tipos diferentes de materiales estratificados en el ECD: la capa EC y la capa de almacenamiento de iones conducen iones y electrones y pertenecen a la clase de conductores mixtos. El electrolito es un conductor de iones puros y separa las dos capas de EC. Los conductores transparentes son conductores de electrones puros. La absorción óptica se produce cuando los electrones se mueven hacia las capas de EC desde los conductores transparentes junto con los iones de equilibrio de carga que ingresan desde el electrolito.
En los dispositivos electrocrómicos de estado sólido, se utiliza como electrolito un material sólido inorgánico u orgánico . Ta 2 O 5 y ZrO 2 son los electrolitos sólidos inorgánicos más estudiados.
Los dispositivos electrocrómicos laminados contienen un gel líquido que se utiliza como electrolito.
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Normalmente, los ECD son de dos tipos según los modos de funcionamiento del dispositivo, a saber, el modo de transmisión y el modo de reflectancia. En el modo de transmisión, los electrodos conductores son transparentes y controlan la intensidad de la luz que pasa a través de ellos; este modo se utiliza en aplicaciones de ventanas inteligentes. En el modo de reflectancia, uno de los electrodos conductores transparentes (TCE) se reemplaza por una superficie reflectante como aluminio, oro o plata, que controla la intensidad de la luz reflectante; Este modo es útil en los espejos retrovisores de los automóviles y en los dispositivos de visualización EC.
Las ventanas tienen impactos tanto directos como indirectos en el consumo de energía de los edificios. Las ventanas electrocrómicas, o la aplicación de esmaltes electrocrómicos conmutables depositados en las ventanas, también conocidas como ventanas inteligentes , son una tecnología de eficiencia energética utilizada en los edificios mediante el control de la cantidad de luz solar que pasa a través de ellas. [4] Las propiedades ópticas solares de los recubrimientos electrocrómicos varían en un amplio rango en respuesta a una señal eléctrica aplicada que se puede aplicar mediante la ejecución de procesos de laboratorio, como la voltamperometría cíclica (CV). En concreto, estas ventanas inteligentes están fabricadas con Óxido de Tungsteno (WO 3 ). Se sabe que el óxido de tungsteno es un material estándar utilizado para dispositivos electrocrómicos debido a su amplia ventana óptica, que oscila entre 400 y 630 nm, y su estabilidad cíclica prolongada del orden de miles de ciclos. Para mejorar el rendimiento electrocrómico de los recubrimientos de óxido de tungsteno, los recubrimientos electrocrómicos se preparan introduciendo una pequeña cantidad de dopamina (DA) en un sol precursor de ácido peroxotungstico (PTA) para formar complejos de tungsteno en la superficie de las nanopartículas . Este método de procesamiento muestra una estabilidad cíclica prometedora, ya que durará hasta treinta y cinco mil ciclos, que es mayor que la del WO 3 normal , ya que la formación de nuevos ligandos promueve la sintonización plasmónica en la electroquímica de nanopartículas. [5] También pueden producir menos brillo que el vidrio poroso . [6] La eficiencia de las ventanas electrocrómicas depende de las propiedades intrínsecas del revestimiento, la colocación del revestimiento dentro de un sistema de ventanas y los parámetros relacionados con el edificio para el que se utilizan. Además de esto, la eficiencia del recubrimiento electrocrómico depende directamente de la cinética de crecimiento de tales capas de película delgada, ya que las películas más delgadas y los recubrimientos no uniformes tienen una señal óptica más baja en comparación con las películas más gruesas, con más uniformidad, más control y experiencia. mayor señal óptica. [7]
Estas ventanas generalmente contienen capas para teñir en respuesta al aumento de la luz solar entrante y para proteger de la radiación ultravioleta . Por ejemplo, el vidrio desarrollado por Gesimat tiene una capa de óxido de tungsteno, una capa de polivinilbutiral y una capa de azul de Prusia intercaladas por dos capas duales de vidrio y vidrio dopado con flúor recubierto con óxido de estaño. [8] Las capas de óxido de tungsteno y azul de Prusia forman los extremos positivo y negativo de una batería utilizando la energía luminosa entrante. [9] El polivinilbutiral (PVB) forma la capa central y sirve como electrolito polimérico. Esto permite el flujo de iones que, a su vez, genera una corriente.
Los espejos electrocrómicos utilizan una combinación de sensores optoelectrónicos y componentes electrónicos complejos que monitorean tanto la luz ambiental como la intensidad de la luz que brilla en la superficie. Tan pronto como el resplandor entra en contacto con la superficie, estos espejos atenúan automáticamente los reflejos de las luces intermitentes de los vehículos que vienen detrás durante la noche para que el conductor pueda verlos sin molestias. Estos espejos, sin embargo, sólo se atenúan en relación con la cantidad de luz que incide sobre ellos. [10]
Las pantallas electrocrómicas pueden funcionar en uno de dos modos: modo de luz reflejada, donde la luz u otra radiación incide en una superficie y se redirige, o modo de transmisión de luz, que se transmite a través de un sustrato; la mayoría de las pantallas funcionan en modo reflectante. Aunque los dispositivos electrocrómicos se consideran más “pasivos” ya que no emiten luz y necesitan iluminación externa para funcionar, se han propuesto recubrimientos electrocrómicos en dispositivos para pantallas planas y unidades de visualización visual (VDU). Por ejemplo, a principios de la década de 2000 se incluyó un recubrimiento electrocrómico en un iPod , y la pantalla nanocrómica superó a la del iPod original en términos de fidelidad en la calidad de visualización y el brillo de la pantalla. La electrocrómica también se ha utilizado para otras aplicaciones de visualización; sin embargo, la tecnología aún es algo incipiente y compite con las pantallas de cristal líquido (LCD) y su presencia en el mercado. Los dispositivos electrocrómicos tienen ventajas sobre los materiales sintetizados para producir optoelectrónica basada en LCD, como consumir poca o ninguna energía para producir imágenes y se necesita la misma cantidad de energía para mantener las pantallas actuales, y no hay restricción en cuanto al tamaño de dicho dispositivo ya que Depende de la capacidad de fabricación y del número de electrodos. Pero no se utilizan con regularidad debido a sus rápidos tiempos de respuesta, 𝜏, estimados mediante la ecuación l=(Dt)0,5. Para especies electrocrómicas de tipo I (fase de solución), el coeficiente de difusión es del orden de 10 –7 cm 2 /s. En comparación, para las especies electrocrómicas de tipo III, el coeficiente de difusión es del orden de 10 a 12 cm 2 /s, lo que permite un tiempo de respuesta más largo, del orden de diez segundos, en comparación con casi un milisegundo cuando se utilizan dispositivos de tipo I. Estas pantallas electrocrómicas, que se utilizarán comercialmente, deben optimizarse a nivel de síntesis y procesamiento de materiales para competir con las pantallas LCD en tecnologías de visualización avanzadas más allá del iPod. [11]
Otras aplicaciones incluyen el teñido dinámico de gafas y visores de cascos de motocicleta, y papel especial para dibujar con un lápiz óptico.
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