産総研、新たなガスクロミック方式の調光ミラーシートを開発

産業技術総合研究所(産総研)は1月23日、新しい切り替え(スイッチング)方式による調光ミラーシートを開発したと発表した。

成果は、同所 サステナブルマテリアル研究部門 環境応答機能薄膜研究グループ 吉村和記研究グループ長によるもの。

詳細は2013年1月30日より東京ビッグサイトで開催される「nano tech 2013 第12回 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議」で紹介される予定。

家庭や職場でのエネルギー消費の中で、冷暖房の占める割合は約30%に達するが、そのエネルギーに大きな影響を与える部材が窓であり、通常の窓ガラスでは可視光以外に熱も透過させて建物の断熱性を低下させている。

このため、窓の断熱性を高めるだけでも大きな省エネルギー効果があり、断熱性の高い複層ガラスやlow-eガラス(エコガラス)が普及してきている。

また、断熱に加え、日差しを遮り、省エネルギー効果を高めるために、光や熱の出入りを制御できる調光ガラスなどもある。

調光ガラスの中でも、電気的に操作することができるエレクトロクロミックガラスが代表的で、酸化タングステン薄膜を調光層として用いた建物用エレクトロクロミックガラスが最近米国で製品化されたが、普及するためには、より低コストの調光ガラスが求められている。

また、従来のエレクトロクロミック調光ガラスはすべて光を吸収して調光を行うため、薄膜部分の温度が上昇し、それが室内に熱として再放射されるという欠点があった。

反射による調光ができれば、より効率的に日射の遮蔽ができる。

このような透明な状態と鏡の状態がスイッチングできる調光ミラーが期待されている。

産総研では、2001年から調光ミラー用薄膜材料の研究開発を行ってきており、実サイズの窓ガラスを実際の建物に設置し、通常の透明な複層窓ガラスに比べて30%以上の冷房負荷低減効果があることの実証などを行ってきた。

エレクトロクロミック方式の調光ガラスは、構造が複雑でコストが非常に高くなってしまう。

一方、ガスクロミック方式は、2層の薄膜だけで構成される簡単な構造のため、低コストが期待されていたほか、スイッチング速度がサイズに影響されないという利点もあり、大型調光ガラスにはガスクロミック方式が適しているものの、耐久性に問題があった。

そこで産総研ではマグネシウム・イットリウム合金薄膜を用いて1万サイクル以上スイッチングできる調光ミラーを開発したものの、スイッチングに水素ガスを用いるため安全性に対する懸念があり、今回、安全なガスクロミック方式の調光ミラーの研究開発に取り組んだのである。

従来のガスクロミック方式の調光ガラスでは、2枚のガラスをスペーサを用いて張り合わせ、その間の空間にガスを導入してスイッチングする。

水を電気分解して発生した水素を導入すると、調光ミラー薄膜は水素化により、鏡状態から透明状態にスイッチングし、また、酸素を導入すると脱水素化により透明状態から鏡状態に戻る。

今回、スペーサを用いずにガラスと透明シートを密着させても、平均の厚みが0.1mm程度の隙間が形成され、この間隙にガスを導入することでガスクロミック方式のスイッチングが行えることを見いだした。

しかし、この間隙は非常に小さいため、従来のように水素または酸素を含むガスを導入してもうまくスイッチングできないことから、ガスクロミック方式のスイッチング機構を詳しく調べ、微小な空間でも良好にスイッチングできる方式を新たに開発した(図2)。

この新スイッチング方式により、いたる所でシートとガラスが局所的に接触しているにもかかわらず、従来のガスクロミック調光ガラスと同様のスイッチングが行えるようになったという。