地球温暖化による気候変動を解決するためには、熱エネルギーを効率的に使用して物質から放出される排熱を抑制することが重要です。二酸化バナジウム（VO2）は温度変化が生じることで、熱的に誘発された相転移によって近赤外域の光学特性の急激な変化を引き起こします。このため、可逆的に低温透明状態から高温不透明状態へ移行して自動的に太陽熱流束を調整することができます。本プロジェクトでは、有機金属分解法（MOD）を用いてナノスケール多孔質モスアイ構造を有するVO2薄膜を汎用ガラスに成膜することにより、サーモクロミックガラスを作製しています。また、高原子価カチオン元素を用いた置換ドーピングによる相転移温度の低温化を図り、環境温度に適応できるスマートウィンドウの開発を目指しています。
金属有機化合物分解法（MOD）により汎用ガラスに二酸化バナジウム（VO2）を成膜したサーモクロミックガラスの相転移前後の分光透過スペクトルを示します。
測定結果から可視光透過率Tlum は 50%以上、日射透過率変化 ΔTsolは 10%以上を表しており、高電子価カチオンイオン元素をドーピングすることにより、相転移温度 Tc は50℃以下に制御することができます。この結果は、VO2薄膜を用いたサーモクロミックガラスとしては、最高レベルの調光性を示します。
建築構造物の窓材
既存建築物の単層板ガラスの遮熱性を付加することにより、軽量かつ低コストで施工が可能となります。
ＥＶ車両用窓材
自律的に日射赤外線光による熱線だけを調光することで視認性を確保しつつ、冷房負荷と暖房負荷を軽減し航続距離を大幅に改善できます。
MOD法により急速加熱冷却下で焼成したVO2 薄膜は、ナノスケールモスアイ構造を有し、表面が不規則的に約200～250nm周期の不均一な突起配列を表しています。この構造における反射率は、突起構造利用や結晶粒密度制御によって、平均屈折率変化を小さくすることで低減できますが、その効果は厚さ方向の空気占有率や突起配列構造とその周期に依存します。
レーザ顕微鏡観察から立体的に凹凸が観察されると同時に結晶粒間に空隙が見られ、先端が半球状の粗密なナノ結晶粒子が連結している様子がわかります。
サーモクロミックガラスの構造設計および熱放射抑制効果の算出については、定量的解析手法が課題となっています。
本プロジェクトでは、FDTD（有限差分時間領域）法を用いた熱放射抑制特性シミュレーションを開発し、サーモクロミックガラスに適用した熱放射抑制効果の解析を実施しています。
シミュレーションの一例として、２次元平面において1.3μｍの平面波が入射した際の反射波および透過波の状態を計算し、断面における電界相対強度から反射率と透過率を算出しました。このように、分光光度計の計測結果と解析結果を比較してみると、概ね一致することがわかります。
二酸化バナジウム (VO2) は、結晶相転移が70℃付近で起こり、相転移による光学的特性変化が大きいことが知られていますが、環境温度に適応させるためには、転移温度の低温化をする必要があります。W、Mo、Nb のカチオン元素ドーピングは、相転移温度を効果的に低温化することができます。
現在、比較的安定なNbを添加して濃度調整により、転移温度の低温化を行っています。グラフは、NbをドーピングしたVO2薄膜の濃度毎の波長1600nmにおける透過率変化の一次微分値（ΔT/ΔTemp.）を示します。グラフの最小値から相転移温度を算出すると、ドーピング濃度が多くなるにつれて相転移温度が大きく低下し、1mol%では62℃、2mol%では52℃、3mol%では38℃となることがわかります。
サーモクロミックガラスを30℃～80℃まで加熱し、背後に文字が金属蒸着されているガラス基板を背後に配置して、近赤外線顕微カメラによって連続撮影しました。この画像から近赤外線領域における相転移による透過低減効果が確認できます。
論文
「ナノスケール多孔質モスアイ構造を有する酸化バナジウム薄膜の結晶性及び光学特性評価」(2020)『日本赤外線学会誌』 30 (1)p.75-81.
「MOD 法によるNb, Ta 添加VO2 薄膜における相転移温度の低温化」(2022)『電気学会誌 論文誌A』142 (5)p.221-228.
「FDTD法によるナノスケール多孔質モスアイ構造VO2薄膜の評価」(2022)『日本赤外線学会誌』32 (1)p.53-60.
特許
特願2021-122757「調光ガラス及びその製造方法、並びに、前記調光ガラスを構成する多孔質モスアイ構造の二酸化バナジウム薄膜」
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