国立先进产业技术综合研究所 [会长石村和彦]（以下简称“AIST”） 极端功能材料研究部 [研究主任松原一郎] 光热控制材料组 角内田浩 首席研究员 山田康星 研究小组组长是神户国立工业大学 [校长 末永清冬]（以下简称“神户国立工业大学”）技术”）电子工程系荻原与章文教授和大阪有机化学工业株式会社（社长：安藤正之）（以下简称“大阪有机”）合作，开发了一种液晶和聚合物的复合材料，该材料在透明和浑浊状态之间反复切换，具有高耐久性。
具有液晶和各向异性结构的聚合物（以下简称各向异性聚合物8413_8454调光器有望应用于玻璃等。然而，透明和浑浊之间反复变化的耐久性存在问题。这次，通过使用交联剂在各向异性聚合物中创建网络结构，提高了材料的热稳定性，并且其重复耐久性显着提高。这种改进的耐用性使该技术更接近实际应用。该技术的详细信息将于 2021 年 8 月 24 日（美国东部标准时间）公布ACS 应用材料与界面发表在杂志上。
由于温度反复变化而产生可见光
直线透射率的变化
在50℃下重复进行耐久性测试，加热5分钟，自然冷却5分钟。当温度升高时，它变得浑浊（下图），透过率下降到红圈所示的值，而当温度冷却时，它又恢复到透明状态（上图），透过率再次上升到85%以上，如蓝圈所示。 (a)在传统的非网状结构中，在高温阴天条件下，透射率在初始状态下下降到6%，但随着反复变化逐渐增加，在1000次循环后达到10%左右。 (b)采用新开发的添加交联剂形成网状的结构，即使重复使用超过1000次，高温阴天条件下的透光率仍保持在1%以下，与初始状态没有变化。
近年来，人们的注意力集中在使建筑物和移动物体既节能又为用户提供舒适度上，并且有用组件的开发正在取得进展。窗户对于引入室外阳光至关重要，但太阳能热对供暖和制冷负荷以及舒适度有重大影响。特别是在温暖地区，夏季最好遮挡阳光，冬季尽可能多地让阳光进入。控光玻璃是控制入射到其上的太阳光量的构件，并且已经提出了各种方法。例如，利用电力或大气气体运行的类型非常方便，因为用户可以在它们之间切换并实现自动化，尤其是电力系统已经上市。但目前仍存在施工布线、安装运营成本等安装条件问题。另一方面，热响应型不需要电源，具有安装后粘贴、根据需要剥离等操作容易等优点。
为了满足多样化的需求，AIST 一直在开发各种光控制玻璃，这些玻璃会根据电、气体和温度来改变光的反射、吸收和透射，并提出了利用每种玻璃的特性的建议。近年来，液晶复合材料已被用来消除对电力或气体供应的需要。居住温度附近透明度和浑浊度发生变化，可见光直线透过率为80%以上阳光透过率与神户国立工业大学和大阪有机物公司合作开发了 20% 以上 (AIST 2019 年 9 月 30 日新闻稿）。另一方面，对于反复温度变化的耐久性对于实用化以及调光范围的扩大来说是重要的性能，并且提高它一直是一个挑战。这次，我们开发了一种在保持液晶和聚合物取向的同时交联聚合物的技术，并成功提高了耐久性这一问题。
请注意，部分研发工作是由独立行政机构日本学术振兴会进行的。这项工作得到了科学研究资助金“液晶/聚合物各向异性和分级非均匀中间相分离的创建和热响应光波控制器件的开发（2019-2021）”和“具有自主控制功能的温敏红外反射滤光片的开发（2020-2022）”的支持。
由液晶和聚合物相分离组成的复合结构是光学核心材料，不仅应用于控光玻璃，还应用于利用透明/浑浊特性的显示装置、传感器、信息处理装置等。我们具有液晶和各向异性聚合物沿相同方向取向（以下称为“同取向”）并具有精细相分离的复合结构。聚合物网络液晶（以下简称PNLC）。这是因为材料内的光学不均匀性随着温度而变化，从低温下的透明状态转变为高温下的混浊状态，并且具有与传统类型相反的温度依赖性。该 PNLC 的表面为迎新治疗可以通过将混合原料夹在两个玻璃基板之间以形成薄层并用紫外光照射它来容易地制造。据报道，它作为控光玻璃具有优异的性能，在高温下变得浑浊时，它会将大量光线散射到与入射方向相反的一侧（房间外），作为节能窗提供良好的控光性能。这次，我们致力于提高透明和浑浊之间反复切换的耐久性，这是产品商业化时的一个重要问题。
当PNLC用作控光玻璃时，它会因昼夜和季节的变化而反复受到温度变化的影响，因此提高其耐用性是获得用户认可的关键。在传统的PNLC结构中，如图1（a）所示，液晶和各向异性聚合物在相同的取向状态下发生相分离，并且仅通过各向异性聚合物彼此缠绕来维持相分离结构。采用这种结构，如一般描述中的图(a)所示，高温下阴天状态下的直线透过率随着循环次数的增加而逐渐增加，并且调光宽度减小。在这项研究中，我们使用了Osaka Organic改进的材料，并通过神户国立工业大学的计算获得了光学结构设计指南。光聚合诱导相分离 (PPIPS)我们一直在利用技术来开发它。现在，我们已经成功打造出一种兼具良好耐用性和调光性能的PNLC，可将线性可见光透过率改变80%以上，太阳光透过率改变20%以上。如图1（b）所示，我们通过添加交联剂形成各向异性聚合物网络来强化结构，从而抑制由于反复温度变化而导致的性能劣化。通常，交联剂起着热稳定聚合物结构的作用，但各向异性聚合物在变成网络状时往往会失去其各向异性。液晶和各向异性聚合物的排列顺序对于该 PNLC 的光控制至关重要，这次我们成功地交联各向异性聚合物，同时保持其取向并创建网络结构。如概览图(b)所示，当通过添加交联剂将结构网格化时，即使在加热5分钟+自然冷却5分钟的反复温度变化超过1000次后，低温和高温下的直线透过率仍保持初始值，并且没有表现出恶化的趋势。如图1(b)中的光学偏光显微镜图像所示，由于交联剂形成各向异性聚合物网络，相分离结构变得更精细，但光学各向异性得以保持，这被认为在不损害调光性能的情况下提高了耐久性。
正如之前报道的，我们正在开发的PNLC作为节能窗玻璃是有效的，而且制造工艺和操作原理简单，因此在性能、制造和施工方面都具有优势。这次，我们提高了对反复温度变化的耐久性，有望实现实际应用。尽管根据窗户结构、特性和位置的不同而有所不同，但晴天暴露在阳光下的窗户表面温度至少会比室外温度高出10摄氏度。盛夏时节（气温在30摄氏度以上），预计气温会升至40摄氏度以上，此时会变得浑浊，但当不再受到阳光照射时，比如晚上，就会降至外界温度，变得透明。来自日本气象厅的统计数据，日本每年大约有100天仲夏日（东京为60天），重复1000次或以上对应于超过10年（东京为16年）的耐用性，并且由于目前的结果显示没有恶化，因此预计可以在更长的时间内保持其性能。这是低辐射双层玻璃更长，因此我们相信它具有足够的重复耐久性。
图1 PNLC结构示意图及光学偏光显微镜图像
该PNLC具有液晶（红色椭圆）和各向异性聚合物（蓝色曲线所示的主链连接于蓝色椭圆所示的液晶侧链的结构）各自形成区域并相分离的结构。在低温下，液晶和各向异性聚合物的侧链沿相同方向排列，从而导致整体光学均匀结构和透明状态。当温度升高时，侧链的方向不会改变，但液晶的方向被扰乱，导致光学不均匀、光散射和浑浊的外观。在传统类型(a)中，由于仅通过各向异性聚合物的缠结形成区域并维持相分离结构，因此重复的温度变化使相分离结构逐渐扭曲，并且如概览图(a)所示，认为在透明和浑浊之间切换时透射率变化的宽度逐渐减小。另一方面，在开发的类型（b）中，添加交联剂（绿实线）以形成各向异性聚合物的网络，同时保持液晶和侧链的取向在同一方向，从而使相分离结构热稳定，这被认为具有改善的耐久性，如概览图（b）所示。
光学各向异性越强，偏光显微镜图像的视场就越亮，相反，光学各向同性（无光学各向异性）越强，偏光显微镜图像的视场就越暗。在低温照片中，（a）和（b）都显得均匀，具有一定的亮度，没有变得完全黑暗，并且光学各向异性是均匀的，表明液晶和侧链以相同的方式排列。当温度升高时，显微镜像场的亮度变得不均匀，表现为对比度分布。这被认为是因为液晶的取向被扰乱并且液晶区域接近光学各向同性，而各向异性聚合物中的侧链保持其取向并且聚合物区域保持光学各向异性。这些分布对应于相分离区域，并且（b）中的尺寸小于（a）中的尺寸，表明各向异性聚合物在保持分子取向的同时进行交联。
凭借这一成果，我们提高了耐用性，可以承受多次温度反复变化，相当于窗玻璃的维护保修期（约 10 年），现在我们有望将其投入实际使用。下一步将是降低成本，这对于实际应用和耐用性来说都是一个问题。另一方面，当在新建建筑物中安装窗玻璃时，预计将引入使用玻璃基板的光控玻璃。日本现有的很多房产已经安装了窗户，为了普及这项技术，我们将致力于开发一种使用可稍后粘贴的柔性透明基材的光控膜。