Die elektrochrome Technologie ermöglicht Schichten, die durch elektrischen Strom ihre Farbe ändern oder transparent werden können. Im Vergleich zu anderen farbwechselnden Technologien wie Photochromie und Thermochromie können elektrochrome Geräte perfekt gesteuert werden, um jederzeit die gewünschte Transparenz zu erreichen. Obwohl die Technologie bereits vor fast 50 Jahren entdeckt wurde, gibt es erst seit kurzem kommerzielle Anwendungen, hauptsächlich in Form von elektrochromem Glas für Autorückspiegel und Flugzeugfenster.
Ein großer potenzieller Markt für elektrochrome Vorrichtungen sind intelligente Fenster, bei denen sie Energie zu sparen versprechen. Auf den Gebäudesektor entfallen mehr als 50 % der jährlich produzierten Treibhausgase, und der Gebäudebetrieb, einschließlich Heizung und Kühlung, ist für fast 30 % dieser Zahl verantwortlich (Quelle: 2021 Global Status ABC Report). Mit elektrochromen Vorrichtungen lassen sich energiesparende Steuerungsstrategien umsetzen, die jede andere Verglasung mit statischen optischen Eigenschaften übertreffen. Das Haupthindernis für eine größere Verbreitung dieser Technologie sind jedoch die hohen Kosten der elektrochromen Module.
Brillante elektrochrome Materialien
Angesichts dieser Marktherausforderung sahen wir die Möglichkeit, unsere organischen Halbleiter (OSCs) zu nutzen, um eine Produktlinie für elektrochrome Geräte zu entwickeln. Da OSCs modifiziert werden können, ist es möglich, sie so zu entwickeln, dass sie leicht in Tinten formuliert werden können, was eine kostengünstige Herstellung durch einfache Drucktechniken auf starren (z. B. Glas) oder flexiblen (z. B. Kunststoff, Gewebe) Substraten ermöglicht.
Da unsere Produkte auf Kohlenstoff basieren und wie Farbstoffe und Pigmente auf molekularer Ebene leicht modifiziert werden können, sind sie farblich abstimmbar und können ästhetischeres und farbenfroheres elektrochromes Glas erzeugen als jede andere konkurrierende Technologie. Als erste Produktlinie haben wir vier individuelle Materialien entwickelt, die den in CMYK-Druckfarben verwendeten Primärfarben (CMYK, für Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz) sehr ähnlich sind. Die Materialien wurden einzeln in Testgeräten getestet und erzeugen alle einen Farbwechsel, wenn eine Spannung unter 5 V angelegt wird. Sehen Sie sich unser Video eines Vorführgeräts mit dem magentafarbenen Material an. Alle Geräte sind völlig dunstfrei.
Abbildung 1: Farbenfrohe organische CMYK-Halbleiter von Brilliant Matters (abgeschieden durch Spin-Coating auf Glas)
Alle Produkte sind gleichermaßen in Lösemitteln wie Toluol oder Xylol löslich, so dass sie in flüssigen Tinten verwendet werden können, die mit den meisten gängigen Beschichtungstechniken kompatibel sind, einschließlich Slot-Die-, Inkjet- oder Sprühbeschichtung. Ihre lösliche, partikelfreie Beschaffenheit gewährleistet außerdem, dass sie trübungsfreie und gleichmäßige Schichten mit kontrollierbarer Dicke bilden. Bei Verwendung einer einzigen Farbe ändert sich beispielsweise die Farbe von blass bis sehr intensiv, indem die Schichtdicke bei Änderung der Parameter für die Tintenabscheidung oder der Tintenladung variiert wird.
Abbildung 2: Beispiel für die Farbabstimmung unserer magentafarbenen Farbe unter Verwendung verschiedener Schichtdicken (aufgebracht durch Spin-Coating auf Glas)
Die Möglichkeit, lösliche Tinten herzustellen, bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich: Man kann kreativ sein und aus den Originalen durch Mischen der Materialien andere Farben erzeugen. Wir haben getestet, wie man die Materialien miteinander mischt, um neue Farben zu erzeugen, z. B. durch Mischen von Gelb und Magenta, um ein orangefarbenes elektrochromes Gerät herzustellen. Eine Besonderheit dabei ist, dass die Materialien, selbst wenn sie in einer einzigen Schicht enthalten sind, bei ihren jeweiligen Schaltspannungen die Farbe separat ändern. In diesem Fall beobachten wir einen allmählichen Wechsel von Orange über Gelb zu Hellblau (transmissiver Zustand). Dies geschieht, weil das magentafarbene Material die Farbe bei einer niedrigeren Spannung als das gelbe Material wechselt, so dass bei Bedarf mehrere Farbwechsel mit einem einzigen Bauteil möglich sind, ohne dass der Herstellungsprozess komplizierter wird. (siehe Video).
Abbildung 3: Beispiel für die Farbabstimmung unserer magentafarbenen Farbe unter Verwendung verschiedener Dicken
Noch wichtiger ist, dass dies die Möglichkeit eröffnet, eine sehr breite Palette von Farben aus einer Grundmenge von Materialien zu erzielen. Durch die Messung der optischen Eigenschaften der Materialien, d. h. ihrer Lichtabsorptionsspektren und Absorptionskoeffizienten, können wir die Materialien vorhersehbar mischen, um die gewünschte Farbe zu erzielen. Diese Fähigkeit, Farben vorhersehbar wie normale Tinten zu mischen, ist der Schlüssel zu elektrochromen Geräten, die in komplexe grafische Designs gedruckt werden, zum Beispiel mit Tintenstrahldruck.
Die Materialien zeigen eine gute Robustheit in den Geräten, da wir über 500 Zyklen hinweg nur geringe Veränderungen in der visuellen Durchlässigkeit des Geräts beobachtet haben. Die Geräte, die wir in diesem Stadium hergestellt haben, sind jedoch nicht optimiert, und die Wahl des Elektrolyts und der Elektroden sowie die Behandlung von Verunreinigungen können eine große Rolle für die Haltbarkeit elektrochromer Geräte spielen. Wir sind davon überzeugt, dass wir durch die Weiterentwicklung unserer Technologie und durch strategische Partnerschaften die Kosten für Module mit unseren Materialien senken und eine Haltbarkeit von über 10000 Farbwechselzyklen erreichen können - ein Meilenstein, der bei organischen elektrochromen Geräten aus Forschung und Entwicklung häufig erreicht wird.
Tabelle 1. Durchschnittliche visuelle Durchlässigkeit eines magentafarbenen, nicht optimierten elektrochromen Testgeräts nach 1 bis 500 Spannungswechselprüfungen
Schlussfolgerung und Ausblick
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Brilliant Matters eine einzigartige Reihe von Materialien für die Herstellung farbiger elektrochromer Geräte entwickelt hat. Die wichtigsten Merkmale, die wir für unsere Produkte demonstrieren, sind:
- Bunte organische elektrochrome Materialien in CMYK-Farben.
- Durch Mischen der Materialien können vorhersehbare neue Farben erzeugt werden.
- Alle Materialien sind zu flüssigen Tinten verarbeitbar, die trübungsfreie Filme bilden.
- Nachgewiesener reversibler Zyklus vom farbigen zum gebleichten Zustand.
- Es lassen sich flüssige Tintenformulierungen herstellen, die mit Slot-Die-, Inkjet- und Sprühbeschichtung kompatibel sind.
Mit dieser Produktlinie kann eine verbesserte Ästhetik für intelligente Fenster sowie für andere Anwendungen wie Automobil, intelligente Etiketten, IoT oder Werbung erreicht werden. Brilliant Matters hofft, mit dieser Produktlinie ein komplettes Set kompatibler und gebrauchsfertiger Tinten zu entwickeln, mit denen sich voll funktionsfähige und robuste Module mit Standard-Druckgeräten herstellen lassen.
Zusammenfassung des Unternehmens
Brilliant Matters wurde 2016 von leidenschaftlichen Materialwissenschaftlern gegründet, um eine neue Generation von Halbleitern auf den Markt zu bringen, die die Grundlage für eine neue nachhaltige Elektronikindustrie bilden. Unser Unternehmen ist als Forschungs- und Chemieproduktionsunternehmen für organische Elektronikmaterialien tätig, die in der aufstrebenden gedruckten Elektronik verwendet werden. Diese benötigen einen spezialisierten Partner für die Entwicklung und zuverlässige Lieferung von Schlüsselmaterialien, die die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Produkte auf dem Markt entscheidend beeinflussen. Durch den Einsatz unserer Materialentwicklungsplattform und sauberer Produktionstechnologien bieten wir zuverlässige und hochgradig anpassbare Halbleiter von der Forschung und Entwicklung bis zum Pilotmaßstab für Anwendungen wie gedruckte Solarzellen, elektrochrome Geräte, SWIR-Sensoren, Mikrochips und mehr.
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