Un dispositivo electrocrómico ( ECD ) controla propiedades ópticas como la transmisión óptica, la absorción, la reflectancia y/o la emitancia de manera continua pero reversible al aplicar voltaje ( electrocromismo ). Esta propiedad permite que un ECD se utilice 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 bajo la oxidación del hierro. En la década de 1930, Kobosew y Nekrassow notaron por primera vez la coloración electroquímica en óxido de tungsteno a granel. Mientras trabajaba en Balzers en Lichtenstein, T. Kraus proporcionó una descripción detallada de 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 al aplicar un campo eléctrico del orden de 10 4 Vcm −1 a través de una película delgada de WO 3 . De hecho, el verdadero nacimiento de la tecnología EC generalmente se atribuye al artículo seminal 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 redox electroquímicas que tienen lugar en los materiales electrocrómicos. Se pueden utilizar diversos 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 de ECD consta de dos capas EC separadas por una capa electrolítica. El ECD funciona con un voltaje externo, para lo cual se utilizan electrodos conductores a cada lado de ambas capas EC. Los dispositivos electrocrómicos se pueden clasificar en dos tipos según el tipo de electrolito utilizado, a saber: ECD laminados son aquellos en los que se utiliza gel líquido, mientras que en los dispositivos EC con 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 hay principalmente tres tipos diferentes de materiales en capas 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 EC. Los conductores transparentes son conductores de electrones puros. La absorción óptica ocurre cuando los electrones se mueven hacia las capas 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 un material sólido inorgánico u orgánico como electrolito . Ta2O5 y ZrO2 son los electrolitos sólidos inorgánicos más estudiados.
Los dispositivos electrocrómicos laminados contienen un gel líquido que se utiliza como electrolito.
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Por lo general, los ECD son de dos tipos según los modos de funcionamiento del dispositivo, es decir, 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 vidrios conmutables electrocrómicos depositados en las ventanas, también conocidas como ventanas inteligentes , son una tecnología para la eficiencia energética utilizada en los edificios al controlar la cantidad de luz solar que pasa a través de ellas. [4] Las propiedades solares-ópticas 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 voltametría cíclica (CV). Específicamente, estas ventanas inteligentes están hechas de 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 va de 400 a 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 peroxotúngstico (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, lo que es mayor que el del WO 3 regular , ya que la formación de un nuevo ligando promueve la sintonización plasmónica en la electroquímica de las nanopartículas. [5] También pueden producir menos deslumbramiento que el vidrio fritado . [6] La eficiencia de las ventanas electrocrómicas depende de las propiedades intrínsecas del recubrimiento, la ubicación del recubrimiento 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 dichas 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 que tienen más control y experimentan una mayor señal óptica. [7]
Estas ventanas suelen contener capas para teñirse en respuesta al aumento de la luz solar entrante y para protegerse de la radiación UV . Por ejemplo, el vidrio desarrollado por Gesimat tiene una capa de óxido de tungsteno, una capa de butiral de polivinilo y una capa de azul de Prusia intercaladas entre dos capas dobles 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 que utiliza la energía de la luz entrante. [9] El butiral de polivinilo (PVB) forma la capa central y sirve como electrolito de polímero. Esto permite el flujo de iones que, a su vez, genera una corriente.
Los espejos electrocrómicos utilizan una combinación de sensores optoelectrónicos y electrónica compleja que monitorea tanto la luz ambiental como la intensidad de la luz que brilla sobre la superficie. Tan pronto como el resplandor entra en contacto con la superficie, estos espejos atenúan automáticamente los reflejos de la luz destellante de los vehículos que vienen detrás por la noche para que el conductor pueda verlos sin molestias. Sin embargo, estos espejos solo se atenúan en relación con la cantidad de luz que brilla sobre ellos. [10]
Las pantallas electrocrómicas pueden funcionar en uno de dos modos: modo de reflexión de la luz, donde la luz u otra radiación incide sobre una superficie y se redirige, o modo de transmisión de la luz, que se transmite a través de un sustrato; la mayoría de las pantallas funcionan en modo reflectante. Aunque se considera que los dispositivos electrocrómicos son 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 (VDU). Por ejemplo, un iPod presentó un recubrimiento electrocrómico a principios de la década de 2000, y la pantalla nanocrómica superó a la del iPod original en términos de fidelidad en la calidad de la pantalla y el brillo de la pantalla. Los electrocrómicos también se han 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 el tamaño de un dispositivo de este tipo, ya que depende de la capacidad de fabricación y el número de electrodos. Pero no se utilizan regularmente debido a sus rápidos tiempos de respuesta, 𝜏, estimados por la ecuación l=(Dt)0,5. Para las 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 –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, para ser utilizadas comercialmente, necesitan ser optimizadas a nivel de procesamiento y síntesis de materiales para competir con las LCD en tecnologías de visualización avanzadas más allá del iPod. [11]
Otras aplicaciones incluyen el tintado dinámico de gafas y viseras de cascos de motocicleta, y papel especial para dibujar con un lápiz.
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