概要

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下稱產(chǎn)綜研）協(xié)同相關(guān)企業(yè)開發(fā)出了一種遮光性調(diào)光玻璃的量產(chǎn)技術(shù)。

對這種調(diào)光玻璃施加電壓后會發(fā)生電氣化學(xué)性離子傳導(dǎo)，利用電致色變原理可進(jìn)行光學(xué)特性切換。研究組將可視光遮蔽相關(guān)的普魯士藍(lán)型復(fù)合納米粒子和可視光&近紅外光遮蔽相關(guān)的氧化鎢納米粒子分散在水中制作成一種墨水。將這些墨水調(diào)配到最佳程度，以適應(yīng)工業(yè)鍍膜裝置中的狹縫鍍膜機，使得可以實現(xiàn)大面積調(diào)光玻璃的生產(chǎn)制造。所開發(fā)的調(diào)光玻璃用在調(diào)光窗中，可根據(jù)場合利用光學(xué)特性，有效降低空調(diào)、照明負(fù)荷。該技術(shù)已于2020年年初在東京的納米科技會議上發(fā)布。

這次制作的透明時（左）和遮光時（右）的G2尺寸調(diào)光玻璃

開發(fā)背景

汽車等各種移動體窗戶有時因光量過剩導(dǎo)致過熱或眩光，給駕駛員和乘客帶來安全隱患。尤其是盛夏時節(jié)，汽車停在停車場中，車內(nèi)溫度有時可高達(dá)70攝氏度以上。調(diào)光窗的需求隨之提高。預(yù)計2027年的市場規(guī)?？梢赃_(dá)到80億美元，潛在社會需求很大。另一方面，要實現(xiàn)這一市場規(guī)模，還需要開發(fā)新材料，制造工藝也需要實現(xiàn)飛躍性的高效低成本化。

研究經(jīng)過

調(diào)光窗的主要工藝使用磁控濺射，但這需要大規(guī)模的真空裝置，從生產(chǎn)性、成品率等方面來看，成本較高，很難普及擴大。

產(chǎn)綜研著眼于調(diào)光材料之一——普魯士藍(lán)型復(fù)合納米粒子，從材料到工藝和設(shè)備，開發(fā)出整套生產(chǎn)技術(shù)，使這種復(fù)合納米粒子分散到溶劑中形成墨水，用這種墨水來制作鍍膜型調(diào)光玻璃。此前，采用了各種鍍膜手法，均勻鍍膜的上限面積只能達(dá)到100 mm×100 mm左右。實驗室中可以方便使用的旋轉(zhuǎn)鍍膜法會導(dǎo)致基材中心部位過厚。并且，所使用的的墨水大量飛濺，使用效率低。近幾年，日本企業(yè)間垂直合作，加快了應(yīng)用化研究開發(fā)。這次日本團(tuán)隊采用了實驗室層面無法實現(xiàn)的工業(yè)鍍膜裝置，推動了應(yīng)用尺寸的大型化進(jìn)程。

研究內(nèi)容

普魯士藍(lán)型復(fù)合納米粒子有很多種類，會發(fā)生各種顏色變化。但是，用到調(diào)光窗上，僅由普魯士藍(lán)型復(fù)合納米粒子組成的調(diào)光玻璃，在透明和遮光狀態(tài)時的對比度不足。并且，不能控制太陽光中所含與熱量相關(guān)的近紅外光。因此，增加了第2調(diào)光層，這個調(diào)光層采用了東芝材料的高科技，使用對可視光和近紅外光都能顯現(xiàn)出遮光性氧化鎢納米粒子。

為了在大面積玻璃基材上涂抹上墨水，將各種納米粒子合成墨水，調(diào)整濃度、粘度、成分等，以便適用于東麗工程公司的狹縫鍍膜機。最終實現(xiàn)了G2尺寸(370 mm×470 mm)鍍膜。

所開發(fā)的調(diào)光玻璃構(gòu)造上由透明基材/透明電極/調(diào)光層1/電解質(zhì)/調(diào)光層2/透明電極/透明基材所組成。圖1為所研發(fā)的大面積調(diào)光玻璃的制作工藝。將鍍了一層普魯士藍(lán)型復(fù)合納米粒子墨水的玻璃和鍍了一層氧化鎢納米粒子墨水的玻璃通過電解質(zhì)粘合。各項鍍膜均在常溫常壓下進(jìn)行，生產(chǎn)效率高。同時，使用狹縫鍍膜機，G2尺寸的基材每一片的成膜速度在5～20秒，即便以1μm膜厚為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成膜，整體膜厚偏差在3%以下。同時，材料使用率可以達(dá)到99%以上，適合量產(chǎn)。

在兩個透明電極間施加+1.2V的電壓，則會從無色透明過渡到深藍(lán)色。相反地，施加-0.8V的電壓后就會從深藍(lán)色恢復(fù)成無色透明。在汽車電裝技術(shù)上具備優(yōu)勢的林TELEMP公司開發(fā)了該玻璃的密封構(gòu)造和電解質(zhì)以及組裝工藝，實現(xiàn)了大面積調(diào)光玻璃的制造。還開發(fā)了加速優(yōu)化玻璃控制性的電源，可以在1.5V干電池的電壓下切換G2尺寸的調(diào)光玻璃光學(xué)特性。圖2左展示了調(diào)光玻璃的透射光譜。另外，測定光譜的玻璃是從G2尺寸的成膜基板上切割下來制作的，尺寸為100 mm×100 mm。如圖2右所示，施加電壓5秒左右后，可視光透射率從77 %變?yōu)?/span>55%，日照透射率從57 %變?yōu)?/span>26%。太陽光中所含可視光透射率保留了一定程度，近紅外光可選擇遮蔽。并且，在60秒間，可視光透射率達(dá)到1.8%，日照透射率達(dá)到1.6%，具備有效的遮光性。調(diào)光玻璃可以通過改變電壓和電壓施加時間來控制光學(xué)特性。

這次采用了狹縫鍍膜機的工業(yè)鍍膜工藝，來制造復(fù)合納米粒子分散墨水鍍膜調(diào)光玻璃。實現(xiàn)了G2尺寸（與實際窗戶尺寸同等）的玻璃鍍膜。這種技術(shù)也可以適用于軟性樹脂膠片鍍膜。以往磁控濺射法生產(chǎn)成本是問題，而這次研發(fā)的技術(shù)可以削減生產(chǎn)成本，并且，該技術(shù)改變了材料組成和構(gòu)造，使得色相和遮光、隔熱性可選擇，滿足用戶的便利、舒適、安全性，這種調(diào)光玻璃應(yīng)該會創(chuàng)造出新的社會風(fēng)尚。

術(shù)語解釋

◆電致色變

電致色變是指通過物質(zhì)的電氣化學(xué)氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)可逆性變色的現(xiàn)象。

◆調(diào)光材料

光學(xué)特性因光、熱、電氣、氣體等各種環(huán)境和外部刺激而變化的材料。

◆普魯士藍(lán)

1704年首次人工合成的藍(lán)色顏料。一般組成化學(xué)式為A_yFe[Fe(CN)₆]_x?zH₂O。被稱為金屬復(fù)合物和配位高分子的物質(zhì)群之一。構(gòu)造上內(nèi)部具有孔隙。通過金屬離子的氧化還原反應(yīng)來吸收/脫落堿離子，同時在藍(lán)色、透明、綠、黃色間發(fā)生色變。近幾年還報告了各種新功能，例如通過改變金屬組成來實現(xiàn)氨和銨離子的吸附性能等，增加了產(chǎn)業(yè)上的重要性。

◆狹縫鍍膜

將目標(biāo)材料制成溶液，將其涂抹到基材上的鍍膜方法。送入的溶液從狹縫噴嘴中高精度吐出，可實現(xiàn)精密鍍膜。和現(xiàn)有的蒸鍍工藝相比，材料使用效率和成品率非常高，可實現(xiàn)低成本化。

◆磁控濺射法

磁控濺射法為鍍膜工藝之一。在真空中放入惰性氣體，放電，離子化的惰性氣體碰撞到靶材上，堆積到基板上。薄膜膜厚控制性良好，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

◆旋轉(zhuǎn)鍍膜法

浸潤于溶液中的基板高速旋轉(zhuǎn)，通過離心力來制作薄膜的方法。以半導(dǎo)體制造工業(yè)中的鍍膜為首，應(yīng)用于廣泛領(lǐng)域。