Die Integration von Technologien in den urbanen Raum hat in den letzten Jahren eine rapide Entwicklung durchgemacht. Verschiedene Technologien, von Google Street View bis zu Thermografiebildern, werden zunehmend eingesetzt, um städtische Phänomene zu verstehen und zu analysieren. Dies schließt die Messung von Grünflächen, die Überwachung von Wärmelecks in Gebäuden und die Verwendung von Computer Vision und maschinellem Lernen zur Analyse von städtischen Bildern ein. Diese Entwicklungen ermöglichen es, das Verhalten von Menschen in öffentlichen Räumen wie Universitätscampussen und Bahnhöfen zu untersuchen und so ein tieferes Verständnis für die Nutzung öffentlicher Räume zu gewinnen.

Neben den traditionellen urbanen Kameras werden auch immer mehr Sensoren und Sensor-Technologien in Gebäuden und Produkten eingesetzt. Diese Technologien werden in Zukunft exponentiell wachsen und eine wichtige Rolle bei der Sammlung von Daten spielen. Ein Beispiel hierfür sind intelligente Fenster, die nicht nur als energiesparende Elemente dienen, sondern auch zur Messung und Überwachung von Parametern wie Lichtverhältnissen und Energieverbrauch. Diese Fenster können ihre Farbe oder Opazität ändern, um das Lichtniveau im Innenraum zu regulieren und so den Komfort und den Energieverbrauch zu optimieren. In fortschrittlicheren Varianten, wie z.B. den photoelektrochromen und photovoltaischen Fenstern, wird es sogar möglich sein, Energie in Reaktion auf die Eingaben von KI und maschinellem Lernen zu erzeugen.

Darüber hinaus werden diese Technologien nicht nur in Gebäuden, sondern auch in alltäglichen Gegenständen wie Kleidung, Schuhen und Accessoires integriert. Diese „intelligente“ Kleidung kann wichtige Informationen über den Körper (z.B. Temperatur) und die Umwelt (z.B. Wetterbedingungen, Luftqualität) sammeln und überwachen. Sie kann außerdem Bewegungen und Aktivitäten aufzeichnen und so ein detailliertes Bild unserer Interaktionen mit der Außenwelt liefern. Diese Daten bieten nicht nur Einblicke in unser tägliches Leben, sondern können auch bei der Überwachung von Naturkatastrophen, Unfällen oder sogar sozialen Trends hilfreich sein.

Die allgegenwärtige Präsenz von Sensoren in Smartphones, Smart Glasses und anderen elektronischen Geräten eröffnet neue Möglichkeiten der Kommunikation in Echtzeit. Diese Technologien tragen nicht nur zur Erfassung von Daten bei, sondern fördern auch die soziale Interaktion und Vernetzung zwischen den Menschen. Mit fortschreitender Entwicklung dieser Technologien, kombiniert mit Künstlicher Intelligenz (KI), wird die Zugänglichkeit von Daten und die soziale Vernetzung zunehmend verbessert. Kameras und Sensoren werden zu festen Bestandteilen des städtischen Raums und ermöglichen eine genauere Überwachung sozialer Interaktionen, Gewohnheiten und des allgemeinen Lebensstils. Dies hat das Potenzial, die Lebensqualität zu verbessern und den Alltag der Bürger nachhaltig zu verändern.

Ein weiterer Bereich, der von dieser technologischen Entwicklung profitieren wird, ist das Gesundheitswesen. Sensoren, die vitalen Funktionen messen, können helfen, gesundheitliche Probleme frühzeitig zu erkennen. Auch die Mobilität wird durch KI und Sensoren revolutioniert, indem Verkehrsmuster in Echtzeit analysiert und die städtische Infrastruktur entsprechend angepasst wird. Dies wird nicht nur die Effizienz erhöhen, sondern auch die Sicherheit im Straßenverkehr und in öffentlichen Verkehrsmitteln verbessern.

Ein wichtiger Aspekt dieser Transformation ist die Entwicklung von Städten, die inklusiv und nachhaltig sind. Im Zuge dieser Entwicklungen wird besonderes Augenmerk auf die Umwelt gelegt, etwa bei der Reduzierung von Emissionen und der Verbesserung der Luftqualität. Die Abfallwirtschaft wird optimiert, und es werden innovative Lösungen zur Bodenkontamination und Wasseraufbereitung entwickelt. Eine solche Stadt der Zukunft muss in der Lage sein, auf die Bedürfnisse und Wünsche der Bevölkerung in Echtzeit zu reagieren und gleichzeitig den sozialen und ökologischen Herausforderungen gerecht zu werden.

Doch trotz dieser positiven Aussichten gibt es auch kritische Stimmen. Philosophen wie Martin Heidegger und Emanuele Severino warnen vor den Gefahren der Technologie. Sie betonen, dass Technologie nicht nur als Werkzeug verstanden werden sollte, sondern dass sie die Grundlage des modernen Lebens bildet. In ihrer Sichtweise hat sich der Mensch zunehmend von seiner eigenen Bestimmung entfremdet und wird immer mehr zum bloßen Ausführer von technischen Systemen. Diese Perspektive stellt die Frage, ob die unaufhörliche Weiterentwicklung von Technologie wirklich zu einer besseren Zukunft führt oder ob sie uns eher in eine Richtung führt, in der der Mensch nur noch als Objekt technischer Prozesse existiert.

Heidegger erklärte in einem Interview von 1966, dass die moderne Technologie nicht mehr als bloßes Werkzeug zu begreifen ist. Sie bestimmt nicht nur unser tägliches Leben, sondern prägt auch unser Selbstverständnis als Mensch. Diese kritische Haltung sollte in die Gestaltung der „Stadt der Zukunft“ einfließen. Technologie sollte nicht um ihrer selbst willen weiterentwickelt werden, sondern immer unter Berücksichtigung der ethischen und sozialen Dimensionen. Es gilt, einen Mittelweg zwischen der zunehmenden Technisierung und der Wahrung der menschlichen Werte und Rechte zu finden. Nur so kann eine zukunftsfähige, gerechte und lebenswerte Stadt entstehen.

Wie die Integration von EC- und LEC-Technologien die Zukunft von smarten Displays und Fenstern prägt

Die Integration von elektrochromen (EC) Materialien und leuchtenden elektrochemischen Zellen (LEC) in ein einziges Gerät stellt einen bedeutenden Fortschritt für multifunktionale optoelektronische Systeme dar. Diese Innovation, die eine gleichzeitige Kontrolle der Lichtdurchlässigkeit und der Lichtemission ermöglicht, hat das Potenzial, die Entwicklung von intelligenten Fenstern und Displays für eine Vielzahl von Anwendungen zu revolutionieren. Insbesondere in Bereichen wie der Architektur, der Automobilindustrie und in tragbaren Geräten eröffnet diese Technologie völlig neue Möglichkeiten. Die Kombination von EC- und LEC-Technologien in einem System hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie eine präzise Steuerung von Licht und Energie ermöglicht.

Das Besondere an der EC-LEC-Hybridtechnologie liegt in der Fähigkeit, zwei unterschiedliche Betriebsarten zu kombinieren: die elektrochromische Modulation der Lichtdurchlässigkeit und die elektrolumineszente Emission von Licht. Dies wird durch eine spezielle Struktur ermöglicht, bei der ein Elektrochrommaterial zusammen mit einem elektrolumineszenten Polymer in einem kompakten System integriert wird. Bei Anlegen eines elektrischen Stroms werden Elektronen und Löcher in das EL-Material injiziert, was zu einer effizienten Lichtemission führt. Gleichzeitig kann die EC-Schicht die Lichtdurchlässigkeit modifizieren und den optischen Kontrast durch eine Veränderung der Farbe des Materials regeln.

Wenn das System vollständig eingefärbt ist, etwa bei einer Spannung von 3 V, tritt eine bemerkenswerte Reduzierung der EL-Intensität auf. Dies geschieht, weil nur ein kleiner Teil des emittierten Lichts (etwa 15 %) die Unterseite des Geräts (ITO-Elektrode) passiert. In diesem Zustand lässt das EC-Material nur sehr wenig Licht nach außen, wodurch das System seine Funktion als „intelligentes Fenster“ ausführt. Die EC-Funktion kann fein eingestellt werden, um die Lichtdurchlässigkeit und die Helligkeit des einfallenden Lichts zu regulieren, während das Licht, das nach außen abgegeben wird, entsprechend modifiziert wird. Diese Anpassungsfähigkeit führt zu einer besseren Farbwiedergabe und höherem Kontrast, was die Nutzung in durchsichtigen Displays und optoelektronischen Geräten, wie etwa Smartglasses oder 3D-Visieren, äußerst vorteilhaft macht.

Für intelligente Gebäudetechnologien bietet die Kombination von EC- und LEC-Systemen eine effiziente Lösung, um sowohl die Solarenergie als auch die visuelle Lichtdurchlässigkeit zu steuern. In Anwendungen wie Fensterdisplays oder Schaufensterdekorationen lässt sich die Technologie so gestalten, dass sie den äußeren Lichteinfall und die Helligkeit reguliert, ohne die Helligkeit des nach außen abgegebenen Lichts zu verringern. Dies stellt sicher, dass das Fenster auch bei direkter Sonneneinstrahlung eine konstante Sichtbarkeit und Helligkeit beibehält. Gleichzeitig bleibt die Innenbeleuchtung der Räume optimiert, ohne dass dies die Sicht auf das Außenumfeld beeinträchtigt.

Die Integration des EC-Materials in eine LEC-Zelle hat die Entwicklung eines weiteren effektiven Ansatzes für ein multifunktionales elektrochemisches System vorangetrieben. In dieser Konfiguration wird das elektrochromische Material (z. B. PEDOT:PSS) mit einem festen Elektrolyten kombiniert, der als Bindeglied zwischen den Elektroden dient. Wenn eine Gleichspannung (DC) angelegt wird, finden an der Anode und Kathode des Systems p- und n-dotierte Bereiche statt, was zu einer effizienten Lichtemission führt. Die EC-Reaktion wird durch eine negative Spannung aktiviert, wodurch das Material von transparent zu tiefblau wechselt und die Lichtdurchlässigkeit reduziert wird. Diese Kombination von Funktionen – die Lichtemission und die elektrochromische Farbänderung – ist die Grundlage für die Gestaltung von Geräten, die sowohl als Display als auch als „intelligente“ Fenster fungieren.

Ein Beispiel für eine solche Technologie wurde von Wang et al. entwickelt, bei dem die Integration von LEC- und EC-Funktionen in einem Gerät mit der Struktur ITO/EC–SPE-Blende/EL-SPE-Blende/Ag realisiert wurde. Diese Anordnung ermöglicht es dem Gerät, entweder im EL- oder im EC-Modus zu arbeiten, je nachdem, welche Spannung angelegt wird. Der EL-Modus sorgt für die Lichtemission, während im EC-Modus die Lichtdurchlässigkeit und die optische Absorption durch die EC-Schicht modifiziert wird. Dieses System benötigt deutlich weniger Energie im EC-Modus, was es zu einer energieeffizienten Lösung für Anwendungen macht, die eine kontinuierliche Anpassung der Lichtverhältnisse erfordern.

Die Flexibilität dieser Technologie zeigt sich in weiteren Entwicklungen, wie der von Tsuneyasu et al., bei denen ein ähnliches EC/LEC-System verwendet wurde, das in der Lage ist, vier verschiedene optische Zustände zu erzeugen: transparent, Spiegel, schwarze Färbung und orange Lichtemission. Ein solches System könnte in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von Fahrzeugfenstern bis hin zu interaktiven Displays, die ihre Lichtverhältnisse je nach Bedarf ändern können. Diese Vielseitigkeit ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen sowohl eine Änderung der Lichtdurchlässigkeit als auch eine gleichzeitige Lichtemission erforderlich sind, etwa in Smart Glasses oder innovativen Displays für den Einzelhandel.

Insgesamt lässt sich festhalten, dass die Integration von EC- und LEC-Technologien nicht nur neue Möglichkeiten für die Gestaltung von Displays und Fenstern eröffnet, sondern auch die Energieeffizienz und die Benutzerfreundlichkeit solcher Systeme erheblich steigert. Diese Technologien bieten nicht nur eine verbesserte Kontrolle über Licht und Farbe, sondern auch die Fähigkeit, die optischen Eigenschaften eines Geräts in Echtzeit anzupassen, was sie zu einem wichtigen Werkzeug für die nächste Generation intelligenter Systeme macht.

Wie beeinflusst die Färbung von Elektrochrommaterialien ihre Leistungsfähigkeit und Anwendungsbereiche?

Elektrochromische (EC) Materialien zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, ihre optischen Eigenschaften in Reaktion auf angelegte Spannungen zu verändern. Diese Materialien finden breite Anwendung in Technologien wie EC-Fenstern, die den Lichteinfall regulieren, und in elektronischen Anzeigen. Ein zentraler Parameter zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von EC-Materialien ist der Färbungs-/Bleichungsverlauf, welcher die Veränderung der Transmittanz beschreibt. Diese Transmittanz kann mit Hilfe der sogenannten Coloration-Relaxation-Ratio (CR) charakterisiert werden, wobei die Formel CR = Tb/Tc verwendet wird, wobei Tb die Transmittanz im gebleichten Zustand und Tc die Transmittanz im gefärbten Zustand ist.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die optische Dichte (OD), die den Unterschied in der Transmittanz zwischen den beiden Zuständen beschreibt. Sie wird als ΔOD = log10(Tb/Tc) ausgedrückt. Diese Veränderung in der optischen Dichte steht im Allgemeinen in direkter Beziehung zur Anzahl der erzeugten Farbzentrener und bietet somit wertvolle Informationen über die Reaktionsfähigkeit und die Effizienz der EC-Schicht. Diese Parameter spielen eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, das Verhalten der EC-Materialien unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten.

Die Geschwindigkeit der Färbung und Bleiche eines EC-Materials hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Porosität des Films, die angelegte Spannung, die Hydratation des Elektrolyten, die Temperatur und die geometrische Fläche des Geräts. Ein Schlüsselfaktor für die Leistung von EC-Systemen ist daher die Antwortzeit, die Zeit, die benötigt wird, um die Farbumschaltung von einem Zustand zum anderen abzuschließen. Die Kinetik der Färbung und Bleiche kann durch diese Parameter beeinflusst werden und sollte daher bei der Entwicklung von EC-Systemen berücksichtigt werden.

Ein weiterer kritischer Aspekt ist die optische Erinnerung, die den Zeitraum beschreibt, in dem ein EC-System seine optischen Eigenschaften ohne zusätzliche Energiezufuhr beibehält. Dies ist besonders wichtig, um den Energieverbrauch von EC-basierten Geräten zu minimieren, insbesondere in Anwendungen wie EC-Fenstern, bei denen eine lange Beibehaltung des optischen Kontrasts ohne kontinuierliche Energiezufuhr von entscheidender Bedeutung ist. Verlust der optischen Erinnerung tritt auf, wenn die eingeführte Ladung aus dem EC-Material entfernt wird, etwa aufgrund von Leckströmen oder Ionendiffusion. Daher ist es wichtig, geeignete Materialien, insbesondere Polymer-Elektrolyte, zu wählen, um eine hohe optische Erinnerung und somit eine verbesserte Energieeffizienz zu gewährleisten.

Die Farbwechselleistung von EC-Materialien wird durch die Farbwechselfähigkeit, auch Kolorations-Effizienz (CE) genannt, beschrieben. Diese wird als Verhältnis der Änderung der optischen Dichte zur Änderung der Ladeänderung berechnet (CE = ΔOD/ΔQ). Eine hohe Kolorations-Effizienz deutet auf eine starke optische Modulation bei geringer Ladeaufnahme hin und ist daher ein wichtiger Indikator für die Qualität von EC-Materialien. Inorgansiche Materialien wie amorphes α-WO3 haben eine hohe CE von über 60 cm² C⁻¹ und gehören somit zu den besten inorganischen EC-Materialien. Im Vergleich dazu bieten organische EC-Materialien aufgrund ihrer höheren molaren Absorption oft eine noch höhere Effizienz. Ein kürzlich entwickeltes organisches EC-Gerät, das flexible große Flächen nutzt, erzielte eine außergewöhnlich hohe Kolorations-Effizienz von 1868 cm² C⁻¹.

Ein weiteres wichtiges Konzept im Bereich der EC-Technologie ist die Infrarotspektroskopie, die die optischen und thermischen Eigenschaften in der Infrarotregion des Spektrums untersucht. Infrarotstrahlung spielt eine wesentliche Rolle bei der solaren Energieaufnahme, da sie etwa die Hälfte der Sonnenstrahlung ausmacht. Verschiedene Materialien wie VO2 oder Ge3Sb2Te6 zeigen durch thermisch induzierte Phasenübergänge veränderbare optische Absorptionswerte im IR-Bereich, was sie für die Entwicklung neuer Technologien, wie beispielsweise im Bereich der militärischen Tarnung oder thermischer Steuerung, interessant macht. Im Vergleich zu anderen Technologien zur IR-Modulation bieten EC-Systeme mehrere Vorteile, darunter eine größere Bandbreite an IR-Modulationen, geringe Energieverbrauch und niedrige Betriebsspannungen. Zudem wird die Stabilität bei wiederholten Schaltzyklen und die kostengünstige Herstellung dieser Systeme als Vorteil herausgestellt.

Ein spezielles Anwendungsfeld von EC-Technologien ist die selektive Steuerung der Transmission von sichtbarem und Infrarotlicht. Geräte, die plasmonische Nanokristalle verwenden, zeigen eine selektive IR-Operation durch die starke Absorption im mittleren bis nahen IR-Bereich und bieten gleichzeitig hervorragende EC-Leistungen. Diese Systeme bieten eine ultra-schnelle Umschaltzeit und eine verbesserte Haltbarkeit, was sie zu einer vielversprechenden Lösung für die effiziente solare Strahlungssteuerung macht.

Abschließend lässt sich festhalten, dass EC-Technologien durch die Fähigkeit zur Modulation der optischen Eigenschaften nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch für den IR-Bereich viele Vorteile bieten. Die kontinuierliche Forschung und Verbesserung der Materialien und der Herstellungstechnologien wird die praktischen Anwendungen in Bereichen wie umweltfreundlicher Energieeffizienz, adaptiver Tarnung und flexiblen Displays weiter vorantreiben.

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