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研究テーマ
エネルギー・環境ナノ・材料
学科の分類
工学部ナノ材料マイクロデバイス研究センター

極薄フレキシブルサーモクロミックフィルムの開発 〈 住環境を改善する省エネ「サーモクロミック薄層フィルム」〉

工学部

ナノ材料マイクロデバイス研究センター

和田英男 教授

共同研究者

小池一歩
前元利彦
小山政俊
廣芝伸哉
藤井彰彦

　温暖化防止対策において、建築構造物に対する省エネが注目されています。特に、建築構造物の窓は熱損失が大きいため、日射遮熱性と日射取得性を高めることにより、冷暖房費負荷軽減に効果があります。二酸化バナジウム（VO2）は、熱的に誘発された相転移により近赤外透過率を変化させ、太陽熱流束を自動的に調整できます。本プロジェクトでは、可視光透明性に優れた極薄フレキシブルサーモクロミックフィルムの実用化を目指しています。

サーモクロミックフィルム

金属有機化合物分解法（MOD）により極薄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フィルム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 60%以上、日射透過率変化 ΔTsolは 10%以上を表しており、カチオンイオンをドーピングすることにより、相転移温度 Tc は45℃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フィルムとしては、最高レベルの調光性を示すことがわかります。　　　　

サーモクロミックフィルムの分光透過スペクトル

二酸化バナジウムとは

二酸化バナジウム（VO2）における金属－半導体相転移現象は、結晶相転移以下で、金属状態の高温相ルチル構造からパイエルス転移による２量化により低温相変形ルチル格子へ構造転移を起こします。また、VO2 は、結晶相転移が70℃付近で起こり、相転移による光学的および電気的特性変化が大きい特徴があります。

相転移による結晶構造変化
相転移時の近赤外透過率変化

極薄フレキシブルVO2フィルム

　　窓材へ応用した場合、

　　① 高い可視光透明性

　　② 入射近赤外光の安定的調光能力

　　③ 室温付近への転移温度

　　を実現し、各種用途に適応できます。

極薄フレキシブルVO2フィルムは、屈折率緩和構造を持ち、プロセス調整により組成比や結晶密度を制御し、入射角依存性のない屈折率特性を示します。また、バッファ層と 表面保護膜により、不純物拡散および劣化防止が可能となります。

建築構造物への応用

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。一般住宅では、夏には約９割の熱侵入、冬には５割程度の熱流出が窓から起きています。極薄サーモクロミックフレキシブルフィルムを使用することで、夏は日射の３~４割を遮断し、冬は約８割の日射を取り入れることができます。

サーモクロミックフィルムによる
日射遮蔽効果の変化

ナノスケールモスアイ構造

サーモクロミックフィルム断面構造

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、反射率は、突起構造利用や結晶粒密度制御によって低減できます。また、バッファ層による屈折率緩和により、入射角依存性のない屈折率特性を示します。

レーザ顕微鏡観察画像

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。

熱放射抑制特性シミュレーション

本研究では、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、サーモクロミックフィルムに適用した熱放射抑制効果の解析を実施しています。右図は、MOD法によってガラス基板に ZrO2 層を形成したVO2ナノ粒子層状薄膜モデルで、電界相対強度から相転移前後の反射率と透過率を算出した結果です。

相転移前
相転移後
サーモクロミックフィルムに対する Opti FDTD解析

サーモクロミック特性

右図に極薄ガラス基板上に成膜したNb添加VO2薄膜における添加濃度毎の可視光透過率（測定温度 100℃での380～780 nmにおける平均透過率）と 近赤外最大調光率および 相転移温度を示します。測定結果から可視光透過率は、61.6～64.4％、 近赤外最大調光率は、35.1～47.3％、 相転移温度は、45～82℃であることがわかりました。

近赤外調光率と可視透過率および相転移温度

論文

「Characterization of the VO2 thin films grown on glass substrates by MOD」(2023)和田英男『IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials』 143 (2)p.54-62.

「MOD法によるガラス基板上へのVO2薄膜の低温成膜」(2024)和田英男『材料』73 (2)p.172-177.

「MOD法によるナノポーラスVO2薄膜を用いた赤外線スマートウィンドウ」(2023)和田英男『NEWGLASS』38 (3)p.26-28.

特許

特願2021-122757特開2023-018549「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」

特願2022-165164特開2024-058048「二酸化バナジウム薄膜の製造方法及び二酸化バナジウム薄膜形成用原料溶液」

研究者INFO: 工学部 ナノ材料マイクロデバイス研究センター 和田英男 教授

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