Characterization and applications of new electrochromic devices: comparison with other electrically controllable transmittance technologies

Electrochromic (EC) materials are able to change their optical properties, such as color, in a persistent and reversible way under the action of a voltage pulse or a small constant value. Nowadays, electrochromic devices (ECD) are, with suspended particle devices (SPD), polymer dispersed liquid crystals (PDLC) and micro-blinds, the four electrically controllable smart windows technologies. Not only used for optical appearance purposes, the use of such technologies could reduce the cost of heating, air-conditioning and lighting by the energy savings that can be accomplished in buildings and vehicles, places where modern people use to spend around 90% of their time. These variable transmittance technologies allow the optical switching from a transparent or bleached state to a colored, darken or in another case to translucent state by different operation principles. In all the cases these technologies require the use of transparent conductors. Other applications of these technologies, besides windows are found on mirrors and displays. ECDs for architectural applications incorporate solid EC films and consist of a thin multi-layer assembly that is typically sandwiched between two panes of glass. Coloration of solid anodic films rely on upon electrochemical oxidation or cathodic films upon electrochemical reduction, involving transfer of ions into and out of the EC films, which requires a component where ions can be stored. Among the materials showing electrochromism effect it can be found transition metal oxides (TMOs), Prussian Blue (PB) systems, viologens, conductive polymers and rare earth metals. Regarding the 2nd smart windows technology in the list, SPD incorporates an active layer that contains needle-shaped dipole particles that are uniformly distributed in an organic fluid or film. The active layer is laminated of filled between two transparent conductors on polyester. The change in the optical properties is caused by the motion and orientation of dispersed particles relative to a fluid under the application of an AC electrical potential of high amplitude. Smart windows LC technology has already been used in buildings and several LC glass products are available in the market. PDLC, the LC glazing, consists of two outer layers of polyester that are coated with a transparent conductor and a polyester matrix that contains the LCs. When no voltage is applied, the LC molecule chains are randomly scattered and LC system is translucent opal white, showing a milky appearance. When a voltage is applied, the molecules align with the lines of the electric field and the film appears almost transparent. In this work, different samples of new ECDs, SPDs and PDLCs were electro-optically characterized. ECD and PDLC samples were developed by CIDETEC, the Center of Electrochemical Research and Development of San Sebastian (Spain). -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Los materiales electrocrómicos (EC) son capaces de cambiar sus propiedades ópticas, como el color, en una forma persistente y reversible bajo la acción de un pulso de pequeño valor de voltaje constante. Actualmente, los dispositivos electrocrómicos (ECD) son, junto a los dispositivos de partículas suspendidas, los cristales líquidos dispersos en polímero (PDLC) y las micro-persianas, las cuatro tecnologías de ventanas inteligentes eléctricamente controlables. No siendo únicamente utilizadas con la finalidad de apariencia óptica, el uso de estas tecnologías podría reducir el coste de calefacción, aire acondicionado y de iluminación, debido al ahorro energético que se puede llevar a cabo en edificios y vehículos, lugares donde la gente de hoy en día suele emplear alrededor del 90% de su tiempo. Estas tecnologías de transmitancia variable permiten la conmutación óptica desde un estado transparente o aclarado, a un estado coloreado, oscuro o, en otros casos, translúcido, mediante diferentes principios de operación. En todos los casos estas tecnologías requieren la utilización de conductor transparente. Entre otras aplicaciones de estas tecnologías se pueden encontrar espejos y pantallas. Los ECDs para aplicaciones arquitectónicas incorporan capas EC sólidas y consisten en una delgada estructura de sándwich de multicapas rodeadas de dos paneles de cristal. La coloración de las capas anódicas y catódicas tiene lugar debido a un proceso electroquímico de oxidación y de reducción, respectivamente, en el cual existe una transferencia de iones hacia dentro y hacia fuera de las capas EC, las cuales requieren de un componente donde los iones son almacenados. Entre los materiales que muestran el efecto de electrocromismo se pueden encontrar los óxidos de metales de transición, tales como los complementarios WO3 (óxido de wolframio) y NiO (óxido de níquel), catódico y anódico respectivamente, los sistemas de Azul Prusiano, viológenos, polímeros conductores y metales de tierras raras dentro de la Tabla Periódica. Dentro de la segunda tecnología de ventanas inteligentes, los SPDs incorporan una capa activa que contiene partículas bipolares con forma de aguja uniformemente distribuidas en un fluido o película orgánica. La capa activa es laminada entre dos conductores transparentes y poliéster. El cambio de las propiedades ópticas es causado por el movimiento y orientación de las partículas dispersas relativo al fluido, bajo la aplicación de una señal alterna de potencial eléctrico de gran amplitud. La tecnología de ventanas inteligentes basada en cristales líquidos (LC) ha sido ya utilizada en edificios, estando algunos productos actualmente disponibles en el mercado. Los PDLCs, o acristalamientos de LC, consisten en dos capas exteriores de poliéster que están cubiertas de un conductor transparente y una matriz de poliéster que contiene los LCs. Cuando no se aplica voltaje, las cadenas de moléculas de LC están aleatoriamente dispersadas y el sistema muestra una apariencia opaca translúcida blanquecina. Cuando se aplica una señal alterna de potencial eléctrico de mediana amplitud, las moléculas se alinean con las líneas del campo eléctrico y la apariencia de la película se muestra casi transparente. En este trabajo, diferentes muestras de nuevos ECDs, SPDs y PDLCs han sido caracterizadas electro-ópticamente. Las muestras de ECDs y PDLCs fueron desarrolladas por CIDETEC, un Centro de Investigación y Desarrollo Electroquímico situado en San Sebastian (España). Las muestras de SPDs fueron suministradas por la empresa Cricursa S.A. Cristales Curvados de Barcelona (España)

Electrical analysis of new all-plastic electrochromic devices

New all-plastic electrochromic devices have been manufactured using commercial PEDOT foils and classical polymer electrolyte electrodeposition techniques. Several devices with different areas have been electrically characterized by using an impedance spectroscopy technique. After a brief description of the manufacturing process, we discuss electrical properties with the size of the device. Real and imaginary parts of the impedance have been plotted as a function of frequency. Some interesting conclusions have been derived from those plots, and some improvements in manufacturing process of this kind of devices are also proposed.Publicad

Toward a quantitative model for suspended particle devices: optical scattering and absorption coefficients

Suspended particle devices (SPDs) allow rapid voltage-controlled modulation of their optical transmittance and are of interest for solar-energy-related and other applications. We investigated the spectral total and diffuse transmittance of an SPD, including its angular dependence. The optical modulation was large for visible light but almost nil in the infrared, and the devices had noticeable haze. A theoretical two-flux model was formulated and provided a quantitative description of the absorption and scattering coefficients and thereby of the detailed optical performance. This analysis gives a benchmark for assessing improvements of the SPD technology as well as for comparing it with alternative technologies for optical modulation.This work was supported in part by the Comunidad de Madrid (FACTOTEM2-CM, S2009/ESP-1781).Publicad

Modelling and electro-optical testing of suspended particle devices

Some smart windows make use of suspended particle devices (SPDs) which are made of charged rod-shape particles that change their orientation in an applied electric field, thereby allowing transmittance control. In this work, the electro-optical behaviour of a commercial SPD is analyzed. Impedance analysis shows characteristics similar to those of a Randles circuit, and a modified equivalent circuit is proposed and experimentally validated. Intermediate levels of transmittance are obtained using a customized field programmable gate array (FPGA)-based electrical circuit. Finally, measurements are taken to check the applicability of the SPD device and control system in smart glazing or photonic applications.Universidad Carlos III de MadridThis research was partially supported by funds from the Spanish Ministry of Science and Technology (Project PTR95-0940.01.OP), and by Comunidad de Madrid (Project FACTOTEMCM:S-0505/ESP/000417).Publicad

Thickness-Dependent Coloration Properties of Glass Substrate Viologen-Based Electrochromic Devices

Proceedings of: E-MRS 2011 Fall Meeting. Symposium G. New trends in chromogenic materials and devices. Warsaw, Poland, September 19-23, 2009.Blue viologen-based electrochromic devices on glass substrates were constructed with different internal active layer thickness by means of a thermoplastic spacer (DuPontTM surlyn1702). Optical measurements, chronoamperometry, and cyclic voltammetry (CV) were the techniques used for characterization. Coloration properties such as switching times for coloring and bleaching processes, coloration efficiency, and effective charge density, previously studied for a single device, are now obtained for several devices with different thicknesses.This work was supported by the Comunidad Autónoma de Madrid under Grant S2009/ESP-1781, FACTOTEM-2.Publicad

5to. Congreso Internacional de Ciencia, Tecnología e Innovación para la Sociedad. Memoria académica

El V Congreso Internacional de Ciencia, Tecnología e Innovación para la Sociedad, CITIS 2019, realizado del 6 al 8 de febrero de 2019 y organizado por la Universidad Politécnica Salesiana, ofreció a la comunidad académica nacional e internacional una plataforma de comunicación unificada, dirigida a cubrir los problemas teóricos y prácticos de mayor impacto en la sociedad moderna desde la ingeniería. En esta edición, dedicada a los 25 años de vida de la UPS, los ejes temáticos estuvieron relacionados con la aplicación de la ciencia, el desarrollo tecnológico y la innovación en cinco pilares fundamentales de nuestra sociedad: la industria, la movilidad, la sostenibilidad ambiental, la información y las telecomunicaciones. El comité científico estuvo conformado formado por 48 investigadores procedentes de diez países: España, Reino Unido, Italia, Bélgica, México, Venezuela, Colombia, Brasil, Estados Unidos y Ecuador. Fueron recibidas un centenar de contribuciones, de las cuales 39 fueron aprobadas en forma de ponencias y 15 en formato poster. Estas contribuciones fueron presentadas de forma oral ante toda la comunidad académica que se dio cita en el Congreso, quienes desde el aula magna, el auditorio y la sala de usos múltiples de la Universidad Politécnica Salesiana, cumplieron respetuosamente la responsabilidad de representar a toda la sociedad en la revisión, aceptación y validación del conocimiento nuevo que fue presentado en cada exposición por los investigadores. Paralelo a las sesiones técnicas, el Congreso contó con espacios de presentación de posters científicos y cinco workshops en temáticas de vanguardia que cautivaron la atención de nuestros docentes y estudiantes. También en el marco del evento se impartieron un total de ocho conferencias magistrales en temas tan actuales como la gestión del conocimiento en la universidad-ecosistema, los retos y oportunidades de la industria 4.0, los avances de la investigación básica y aplicada en mecatrónica para el estudio de robots de nueva generación, la optimización en ingeniería con técnicas multi-objetivo, el desarrollo de las redes avanzadas en Latinoamérica y los mundos, la contaminación del aire debido al tránsito vehicular, el radón y los riesgos que representa este gas radiactivo para la salud humana, entre otros

Simulation of the thickness dependence of the optical properties of suspended particle devices

Suspended particle devices (SPDs) are able to rapidly switch from a dark bluish-black state to a clear greyish appearance when an AC electric field is applied. Two-flux and four-flux models were used to derive refractive indices and extinction coefficients, as well as scattering and absorption coefficients, of the particle-containing active layer. These entities were used in model calculations to predict direct, total and diffuse components of transmittance and reflectance, along with color appearance and haze, as a function of the thickness of the active layer. An optimum thickness for optical contrast of the SPD was determined in this way and was found to be in the range of 200–300 nm. The devices exhibit significant haze particularly in reflection.We are grateful to the Prometeo program of the Ecuador government and to Senescyt (Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación). This work has been supported by Ministerio de Economía y Competitividad of Spain (Grant nos. TEC2013-47342-C2-2-R and TEC2013-50138-EXP) and the R&D Program SINFOTON S2013/MIT-2790 of the Comunidad de Madrid, and from the European Research Council under the European Community's Seventh Framework Program (FP7/2007-2013)/ERC Grant agreement no. 267234/GRINDOOR).Publicad