独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）可持续材料研究部[研究部主任 Mamoru Nakamura] 环境响应型功能薄膜研究小组 [研究小组组长 Kazuki Yoshimura] Kazuki Tashima，首席研究员是调光镜我们开发了一种新的制造技术，该技术将降低设备成本、扩大尺寸和降低电压驱动。
调光镜装置是电致变色的原理，通过施加几伏的电压，可以在镜面状态和透明状态之间切换的装置。此次开发的技术在透明基板上形成控光镜层、离子存储层等各种功能层，然后粘合电解质与涉及在单个透明基板上顺序形成各种功能层的传统器件制造方法相比，该方法在生产率、低成本、稳定性和更大尺寸方面具有优势。此外，该技术的发展扩大了光致变色镜器件制造方法的选择性，使其可以极大地扩大用途和应用范围。
该技术的详细信息将于2012年2月15日至17日在Tokyo Big Sight（东京江东区）举行纳米技术 2012（第十一届国际纳米技术展览暨技术会议）。
 |
| 图1所开发的调光镜装置的外观变化（左：镜面状态，右：透明状态） |
房屋、建筑物、汽车、火车等的窗玻璃具有让外界光线进入的功能，但在夏季它们也会吸收大量阳光中含有的热能（红外线），导致冷负荷增加。因此，近年来，双层玻璃等具有高隔热性能的窗户材料越来越受欢迎，但为了进一步节省能源，希望能够根据季节、天气、一天中的时间和其他情况自由调节进入的外界光量。可以自由调节外界光线进入量的玻璃称为控光玻璃，其中一些已经商品化。然而，它们大多数的工作原理是在玻璃上涂上一层薄膜，通过电着色来吸收多余的光并控制光量。结果，温度因吸收光而升高，从而将窗玻璃的辐射热释放到房间中。另一方面，开发的“光控镜”是一种通过将外部光反射到外部而不是吸收外部光来控制外部光量的装置，因此温度不会升高。通过在镜面状态和透明状态之间切换，可以有效阻挡阳光，从而有望显着降低冷却负荷。
产业技术研究院正在致力于将光致变色镜用薄膜材料应用于光致变色玻璃的研究开发。该工作原理包括使用稀释氢气来控制光的气致变色方法和使用电移动氢离子来控制光的方法。电致变色有两种方法，对于气致变色方法，我们发现了 AIST 独创的调光镜薄膜材料 (2010 年 8 月 4 日 AIST 新闻稿)，并通过电致变色方法，我们成功制备了全固态调光镜膜(2007 年 11 月 21 日 AIST 新闻稿）。然而，电致变色调光镜具有多层结构，因此为了增加其尺寸以适应应用，有必要从生产率和降低成本的角度缩短工艺时间，并从稳定调光性能的角度确保优异的面内氢离子传导性。我们一直致力于研究和开发以改善这些问题。
此次开发的技术通过使用粘合电解质粘合其上形成有各种功能层的透明基板来创建调光镜装置。粘合电解质具有两个作用：作为将基板粘合在一起的粘合剂，以及作为具有优异氢离子传导性的电解质。在单个传统透明基板上磁控溅射法依次形成各个功能层的方法相比，可以显着减少工艺时间。例如，由于传统方法是真空工艺，因此需要时间来稳定真空状态，特别是当形成由氧化物制成的固体电解质层时。反应磁控溅射法使用时，该过程需要数十分钟或更长时间。另外，由于功能层暴露于大气中，因此需要形成保护层来缓和环境恶化。另一方面，该技术使用粘合电解质。申请方法可以在几分钟内形成，并且可以通过粘合基材轻松制造设备（图 2）。另外，常规电解质由于是液体，因此需要有密封结构来防止其泄漏。然而，利用该技术，电解质本身在室温下在大气中固化并粘附，起到粘附电解质的作用，使得封装器件成为可能，因此不需要密封结构，并且可以期待高性能稳定性。
 |
| 图2 光致变色镜器件制造技术对比图 |
本次开发的光致变色镜器件的典型结构为透明基材/透明电极/光致变色镜层（金属）/催化剂层（金属）/粘合电解质/离子存储层（氧化物）/透明电极/透明基材。制造完成后，该器件立即将氢离子存储在其离子存储层中，并且其状态随着氢离子的移动而变化，具体取决于所施加电压的极性（正或负）。当施加电压使氢离子向光致变色镜层移动时，氢离子与光致变色镜层发生反应并变成金属氢化物（图3，右）。由于金属氢化物是透明的，因此器件从镜面状态变为透明状态。这种变化是可逆的，因此当极性反转并施加电压时，氢离子从光致变色镜层中的金属氢化物中解吸出来，光致变色镜层恢复到原来的金属状态，恢复到其镜面状态（图3，左）。这样，通过向装置施加电压，能够切换镜面状态和透明状态，通过该切换，能够自由地控制透过光量和反射光量。
 |
| 图3 调光镜装置切换示意图（左：镜面状态，右：透明状态） |
图4显示了使用各种基材制造的调光镜装置的外部照片。新开发的技术可以在室温下生产调光镜器件，从而可以使用热敏树脂材料作为基材，还可以粘合玻璃和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、PEN和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等异种材料。此外，还可以容易地制造大尺寸的控光镜器件(例如，图4所示的150mm尺寸是传统方法制造的器件的25倍)。在传统方法中，当器件面积变大时，开关速度有时会变慢，但该技术中使用的粘合电解质表现出优异的氢离子传导性，使得氢离子能够顺利转移，因此即使器件变大，开关速度也不会减慢。此外，虽然传统器件通常需要±5V的驱动电压，但由于粘合电解质的上述特性，使用该技术制造的器件可以在低至±1V的电压下驱动。
 |
|
图4 使用各种基材的调光镜装置的外观照片 (左上：玻璃+PEN(镜面状态)板尺寸150毫米，右上：玻璃+PEN(透明状态)板尺寸150毫米，左下：PEN+PET(镜面状态)板尺寸80毫米，右下：PEN+PET(透明状态)板尺寸80毫米) |
图5显示了所开发的光致变色镜装置的光谱变化的示例。可以看到，在镜面状态（红线）几乎没有光通过。另外，通过控制构成元件的功能性薄膜的结构，能够自由地调整最大透过率、最大反射率以及切换引起的变化范围。
 |
图5 所开发的调光镜装置的光谱变化
（基材：玻璃，左：透射光谱变化，右：反射光谱变化） |
作为光致变色镜器件的制造方法，通过开发使用涂布法的新接合技术，与使用磁控溅射的传统技术相比，现在可以根据光致变色镜器件的用途和尺寸来选择光致变色镜器件。特别是，由于涂层法还可以应用于工业印刷技术，因此有望成为大规模生产和设备大型化的基础技术。
由于调光镜装置仅由电力驱动，因此预计将具有广泛的应用，包括家庭、建筑物、汽车和火车的节能窗户，以及电子和光学装置、玩具以及现有产品的附加技术。未来，我们的目标是开发更加灵活的制造技术，以适应预期应用的各种规格。我们还计划致力于实现各种调光性能，例如提高耐用性和提供改变光学特性的选择性。