米乐m6官方网站[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）结构材料研究部[研究部部长吉泽雄一]研究组组长山田康正、首席研究员柿内田宏是神户市国立工业大学[校长：山崎宗一]（以下简称“神户国立工业大学”）、大阪有机化学工业株式会社[代表董事]与社长上林太二合作（以下简称“神户国立工业大学”） “Osaka Organic”），我们开发了液晶和聚合物的复合材料。它可以通过将混合原料填充到两块玻璃基板之间的间隙并固化来制造，结构简单，易于制造。调光玻璃这种复合材料会根据温度的变化而改变透明度（低温时透明，高温时浑浊），同时前向散射它具有改变强度的特性。结果，包括近红外区域的光的总透射量可可逆地改变20％或更多。
这次，我们关注液晶的光学性质随其转变温度而变化的事实，并开发了一种由液晶和聚合物组成的热响应复合材料。使用这个的控光玻璃是居住温度附近的光线在透明和浑浊之间变化，将光线散射到与它来自的方向相反的方向（反向散射)的强度发生变化，向前传输的光量(总透过率) 可以更改。如果这种光控玻璃用在窗户上，就不需要复杂的布线，并且可以根据日常温度变化来调节阳光，这在制造、施工和操作方面都是有利的。此外，由于所开发的复合材料具有薄的固相，因此有望将其夹在塑料薄膜而不是玻璃之间，并用作后涂光控薄膜。这项开发预计将成为一种节能组件，可减少家庭和移动车辆的供暖和制冷负荷。
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| 本次开发的热响应型控光玻璃 |
| 左边的在低温（约25°C）下是透明的，右边的在高温（约50°C）下是浑浊的。在30-40℃左右，透明和浑浊之间切换。阴天时，样品后方50mm处的比色卡被隐藏，右下角出现光照造成的样品阴影。 |
近年来，随着节能的需求，降低住宅、办公楼等建筑的供暖和制冷负荷也引起人们的关注。特别是，控制透过窗户的阳光透过量对于减少温暖地区的供暖和制冷负荷非常有效，并且非常适合夏季遮挡阳光、冬季积极让阳光进入。控光玻璃是一种利用外界刺激来控制太阳光透过的玻璃，是未来有望在社会上广泛应用的建筑材料。实现这一目标的方法有多种。例如，电控光控玻璃允许用户根据自己的喜好自由调节光线，并且不仅开始用于建筑物，而且还开始用于飞机和汽车。然而，由于需要布线且内部结构复杂，因此存在安装条件和成本方面的问题。另一方面，根据温度变化进行切换的调光玻璃的优点是不需要透明电极或布线，因此可以独立安装，无需使结构复杂化，并且不需要电力。
为了满足多样化的需求，AIST 一直在开发各种光控玻璃，其光学特性会根据电力、气体和温度而变化 (2011 年 2 月 15 日、2014 年 5 月 12 日、AIST 2017 年 12 月 5 日新闻稿）。其中，我们重点关注在显示领域发挥核心作用的液晶，并致力于将其应用于光控玻璃。
使用液晶的光控玻璃已经上市，并且也被制成薄膜。此外，据报道，热响应液晶复合材料可以根据温度在透明和浑浊之间自发切换。然而，利用透明和混浊状态之间的切换特性来控制总透光率的尝试迄今为止尚未成功。为了简单地实现浑浊状态，将入射光散射到透射侧(前向散射)就足够了，并且这种材料可以相对容易地制造。然而，仅此并不会降低总透过率，因此虽然可以用作隐私玻璃，但不适合节能应用。对于节能应用，有必要降低阴天条件下的总透射率，这需要创建一种具有内部结构的材料，该结构可以沿与入射方向相反的方向散射光（后向散射）。然而，开发背向散射随温度变化的热响应液晶复合材料却极其困难。
这次，日本产业技术研究院、神户工业大学和大阪有机化学合作开发了一种液晶和聚合物的复合材料，其入射光的总透射率会随着温度的变化而发生显着变化，旨在将其应用于下一代节能窗玻璃。
聚合物网络液晶（PNLC）的复合材料由液晶和聚合物制成的夹在两块玻璃基板之间。该调光玻璃是通过将液晶、单体(聚合物原料)和聚合引发剂的混合原料填充到两片玻璃基板之间的间隙，并通过照射紫外线而使该混合物聚合而制造的。新开发的PNLC具有在聚合物网络中填充液晶的结构（图1），在生活温度附近，它会根据温度在透明和浑浊之间切换（图2），同时其总透过率发生显着变化。如图1所示，在低温下，液晶分子排列，液晶相和聚合物相的折射率匹配，使得PNLC光学均匀且透明。另一方面，当温度升高时，液晶分子的取向受到扰乱，折射率发生变化，导致光学不均匀性，引起光散射而变得浑浊。此时，如果能够使光散射方向朝向入射侧，则总透过率能够降低相应量。
这次，我们详细研究了光聚合形成的PNLC的精细结构，发现在浑浊状态下会发生背向散射，并且通过在透明和浑浊状态之间切换，总透射率发生很大变化。图 3 显示了新开发的 PNLC 的性能。如图3(a)所示，总透过率是检测到样品前方所有散射光时的透过率，新开发的PNLC表现出超过20%的变化范围。这一变化范围与已经投入实际使用的液基控光玻璃相当。假设有一扇窗户，总透过率对应于进入房间的阳光量相对于照射到窗户的阳光总量的相对值，透明时和阴天时总透过率的差异是节能的指标。另外，在透明状态下直线透射率达到了超过传统热响应液晶复合材料70%的值（图3（b）和3（c））。如图3(b)所示，直线透过率是根据与入射光相同的直线方向(扩展角10度范围内)的光强度计算出的透过率，是透明度(无浑浊)的指标。该PNLC的直线透过率可以改变，以紧密跟随窗玻璃接受阳光时的温升速率。例如，当夹在玻璃基板之间的材料的温度从30℃升高到50℃时，直线透过率在30秒内从80%以上下降到10%以下。
传统的液晶控光玻璃主要用作利用白雾现象的隐私玻璃，但新开发的热敏PNLC还可以控制总透射光量，可以将光控制在生活温度附近（本样品为35°C），可有效减少加热和冷却负荷，因此如果将其融入玻璃中，有望用作节能窗玻璃。此外，由于制造工艺和工作原理简单，因此在制造、构造和操作方面具有优势。此外，由于它可以作为固相薄膜处理，因此可以应用于可粘贴到现有建筑物等的塑料薄膜基材，并且预计在光控膜等应用中将变得更加流行。
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图1 PNLC调光原理
根据温度变化，它从低温下透明变为高温下浑浊。 |
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图2 PNLC变暗时窗外的景色
低温下的透明状态（左）和高温下的浑浊状态（右）。 |
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图3 所制备的PNLC在低温（透明态）和高温（浑浊态）下的光谱透过率示例
(a)总透射率，(b)直线透射率光谱，(c)可见光直线透射率的温度依赖性。 (a)中的灰色填充表示太阳光强度的波长特征。 (b)中的黑色填充显示了视觉灵敏度（人眼对光的敏感程度）的波长特性。 (a)和(b)示出了各个透射率测量光学系统的示意图。 (c)中的照片显示了样品在约25℃和50℃下的外观。 |
为了实际使用，我们将努力扩大总透射率的变化范围并提高耐用性。此外，使用我们开发的玻璃基材的光控玻璃预计将用于新建建筑物的窗玻璃，但未来我们将致力于开发使用塑料薄膜基材制造光控膜的技术，该膜可以随后粘贴到窗玻璃上。