Het belangrijkste werkingsprincipe van elektrochroom glas is dat door het aanleggen van een kleine spanning de ionen in het glas in beweging worden gebracht, waardoor omkeerbare en stabiele veranderingen in de optische eigenschappen (kleur en transparantie) van het materiaal worden veroorzaakt.
Gedetailleerd werkingsprincipe (stap-voor-stapanalyse
Je kunt het je voorstellen als een hele dunne en transparante ‘batterij’ die bij het opladen van kleur verandert en bij ontlading weer transparant wordt.
1. Kernstructuur (sandwichstructuur
Een typisch elektrochroom glas bestaat uit vijf lagen functionele films, ingezand tussen twee glassubstraten:
Buitenglas: substraat.
Transparante geleidende laag (TCO): Typisch indiumtinoxide (ITO), dient als elektrode voor het aanleggen van spanning.
Elektrochrome laag (EC-laag): Kernlaag, die elektrochrome materialen bevat (zoals wolfraamtrioxide WO₃). Wanneer ionen en elektronen worden geïnjecteerd, verandert het van kleur (meestal blauw).
Ionische geleiderlaag (elektrolytlaag): slaat ionen op (zoals Li⁺) en laat ionen door onder invloed van een elektrisch veld, maar isoleert elektronen.
Ionenopslaglaag (tegenelektrodelaag): wanneer de elektrochrome laag van kleur verandert, moet deze ionen leveren of ontvangen om de ladingsbalans te behouden, en heeft deze laag meestal zelf complementaire kleurveranderende eigenschappen.
Transparante geleidende laag (TCO): De elektrode aan de andere kant.
Buitenglas: substraat.
De structuur is vereenvoudigd als: glas, geleidende laag, elektrochrome laag, ionengeleiderlaag, ionenopslaglaag, geleidende laag en glas
2. Werkproces (met wolfraamtrioxide WO₃ en lithiumionen Li⁺ als voorbeelden)
A. Kleuring - Wanneer spanning wordt toegepast
Wanneer er aan beide zijden een gelijkspanning (meestal zeer laag, 1-5V) wordt aangelegd op de transparante geleidende lagen:
Elektrische veldaandrijving: Het elektrische veld drijft lithiumionen (Li⁺) in de ionische geleiderlaag aan om naar de elektrochrome laag (WO₃) te bewegen.
Ionen- en elektroneninjectie: Ondertussen worden elektronen (e⁻) ook via een extern circuit in de elektrochrome laag geïnjecteerd.
Er vinden chemische reacties plaats: In de elektrochrome laag ondergaan ionen en elektronen reductiereacties (intercalatie) met het materiaal.
WO₃ (transparant) + xLi⁺ + xe⁻ ⇌ LixWO₃ (blauw)
Verkleuring: Het product LixWO₃ is een diepblauwe verbinding die zichtbaar licht absorbeert, waardoor de kleur van het glas donkerder wordt en de transparantie ervan wordt verminderd. Ondertussen wordt de ionenopslaglaag geoxideerd en verliest ionen om de ladingsbalans van het hele systeem te behouden.
B. Fading (bleken) - wanneer de spanning wordt omgekeerd of losgekoppeld
Wanneer de spanning wordt omgekeerd of kortgesloten-:
Procesomkering: de richting van het elektrische veld verandert of verdwijnt, en ionen en elektronen worden uit de elektrochrome laag gehaald en keren terug naar de ionengeleiderlaag en de ionenopslaglaag.
Er vindt een omgekeerde reactie plaats: de bovenstaande chemische reactie verloopt naar links, waarbij LixWO₃ weer uiteenvalt in transparant WO₃ en Li⁺ en e⁻ vrijkomt.
Transparantie herstellen: Het glas keert terug naar een staat van hoge transparantie.
C. Geheugeneffect
Een belangrijk voordeel van elektrochroom glas is dat het bistabiele eigenschappen heeft. Als de verkleurde of vervaagde toestand eenmaal is gevormd, kan deze lange tijd (enkele uren of zelfs dagen) behouden blijven, zelfs als de stroom volledig is uitgeschakeld. Omdat de bovengenoemde-chemische reactie zich in een stabiele toestand bevindt wanneer deze niet wordt aangedreven door een extern elektrisch veld. Hij verbruikt alleen elektriciteit als hij van toestand moet veranderen, waardoor hij zeer energie-efficiënt is.
