独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长吉川博之](以下简称“AIST”)可持续材料研究部[部门负责人 Motohiro Toriyama] 成功开发出新一代多功能窗玻璃,可根据环境温度的变化自动调节太阳热量,通过将可见光透过率(传统材料的最大问题)从 40% 提高到 60%,实现世界一流的性能。
热反射玻璃和其他产品已经商业化,可以阻挡夏季过多的太阳辐射,但它们的光学性能是恒定的,不能随季节变化而改变。另一方面,光学特性随温度而变化热致变色材料也有人进行了研究,但由于其可见光透过率低、隔热性差、因温度变化对太阳辐射的调节范围窄等原因,一直难以投入实际应用。
产业技术研究院受新能源产业技术综合开发机构(社长牧野勉)(以下简称“NEDO技术开发机构”)委托,作为“有效利用能源的基础技术的领先研究开发”的一环,进行了“环境响应型热镜的研究开发”。因此,我们利用多层薄膜系统中的光学干涉效应,成功实现了世界上第一个高性能多层薄膜结构,包括热致变色光控薄膜。通过专有的材料设计和结构优化,可见光透过率40~60%、太阳能光控率这是传统玻璃的两倍以上,并且通过多功能化和建立制造方法,成功地向实际应用迈出了一大步。通过整合这些技术,将有可能创造出集自动光控制、高隔热、紫外线阻挡、光触媒自清洁等多种功能于一体的新型节能舒适窗玻璃,有望对工业界产生连锁反应。
该图显示了玻璃功能的概要。在夏季,它可以阻挡约 60% 至 70% 的太阳辐射,但在冬季,它具有高度隔热性,可以吸收太阳辐射的红外线部分。根据30℃左右的环境温度自动切换。通过选择结构,可以增加高隔热、自清洁功能等功能。
建筑物的窗户在与外界的光热交换中占有很大的比例。例如,在房屋中,大约70%的热量在夏天进入,大约50%的热量在冬天通过窗户流出。为防止全球变暖,家庭和办公室的节能措施不断加强,节能窗玻璃的需求逐年增加。双层玻璃等节能玻璃已经商业化并开始流行。
热反射玻璃允许可见光透过但阻挡过多的太阳辐射,具有更高的节能效果,并且低排放(低辐射) 眼镜也已被开发出来,但它们具有固定的光学特性,无法根据季节变化或居住者的需求而改变。传统的由单层氧化钒薄膜制成的热致变色玻璃也进行了研究,其光学性能随温度变化,但由于存在可见光透过率低、隔热性弱、太阳光调节范围很窄等缺点,难以投入实际应用。
因此,产业技术研究所一直在进行研究,旨在开发高度节能且更先进的下一代节能舒适的窗玻璃。特别是近年来,作为NEDO技术开发机构委托研究“有效利用能源的基础技术的先进研究和开发”的一部分,我们进行了“环境响应型热镜的研究和开发”。物质的相变与以往一样用作控光薄膜,我们在世界上首次设计出可实现高性能和多功能的多层薄膜结构,显着提高了可见光透过率和太阳光控制率,成功开发出具有世界一流性能的热致变色控光玻璃。此外,通过增加功能和建立制造方法,我们能够实现实用化的重大突破。如果这种自动控光玻璃得以实现,将创造出一种透明、不需要窗帘、能根据季节变化感应环境温度自动控制阳光的新型窗玻璃。除了自动调光功能外,它还可以集成高隔热、防紫外线、光触媒自清洁功能等多种功能,有望成为具有创新功能的节能舒适的窗玻璃。
光控制层由一种称为氧化钒的热致变色材料制成。根据需要,可以通过添加元件等将调光温度精确地设置在室温附近。 (以上为常规研究)
我们首先对结构最简单的光控窗玻璃进行了光学设计,即由单层氧化钒薄膜制成的玻璃。通过光学计算确定了最佳膜厚,在不显着降低可见光透过率的情况下,以单层薄膜实现了高阳光控制能力。 (成功提高了简单单层结构的性能)
此外,为了一次性解决传统单层热致变色控光玻璃的缺点,我们设计了全球首个多层薄膜系统,将氧化钒控光层夹在多个功能薄膜之间,以提高可见光透过率和太阳光控制率,并引入多种功能。通过精确的光学设计,几乎实现了最大的调光能力。在夏季,它可以阻挡大约60-70%的太阳辐射,但在冬季,由于具有高隔热性,太阳辐射中的大部分红外部分(给人温暖的感觉)被带入室内。另外,根据30℃左右的环境温度自动进行切换。此外,通过在功能层中使用光催化材料,可以实现自清洁等多功能性。
溅射法等方法创建多层薄膜结构的方法,我们为实际应用铺平了道路。 (通过多层结构成功实现了更高性能和多功能性,并通过建立制造方法实现了实用化之路)
这项研究有望开发出超越市售热反射玻璃的新一代高性能节能玻璃,并通过建立制造方法,有望在商业化方面取得进展。人们对其作为办公楼、家庭和汽车的高性能、节能窗户的应用寄予厚望。