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(kāi)發(fā)出了一種遮光性調(diào)光玻璃的量產(chǎn)技術(shù)。

對(duì)這種調(diào)光玻璃施加電壓后會(huì)發(fā)生電氣化學(xué)性離子傳導(dǎo)，利用電致色變?cè)砜蛇M(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(jī)，使得可以實(shí)現(xiàn)大面積調(diào)光玻璃的生產(chǎn)制造。所開(kāi)發(fā)的調(diào)光玻璃用在調(diào)光窗中，可根據(jù)場(chǎng)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(huì)議上發(fā)布。

這次制作的透明時(shí)（左）和遮光時(shí)（右）的G2尺寸調(diào)光玻璃

開(kāi)發(fā)背景

汽車等各種移動(dòng)體窗戶有時(shí)因光量過(guò)剩導(dǎo)致過(guò)熱或眩光，給駕駛員和乘客帶來(lái)安全隱患。尤其是盛夏時(shí)節(jié)，汽車停在停車場(chǎng)中，車內(nèi)溫度有時(shí)可高達(dá)70攝氏度以上。調(diào)光窗的需求隨之提高。預(yù)計(jì)2027年的市場(chǎng)規(guī)模可以達(dá)到80億美元，潛在社會(huì)需求很大。另一方面，要實(shí)現(xiàn)這一市場(chǎng)規(guī)模，還需要開(kāi)發(fā)新材料，制造工藝也需要實(shí)現(xiàn)飛躍性的高效低成本化。

研究經(jīng)過(guò)

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(lái)看，成本較高，很難普及擴(kuò)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(kāi)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(lái)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(shí)驗(yàn)室中可以方便使用的旋轉(zhuǎn)鍍膜法會(huì)導(dǎo)致基材中心部位過(guò)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(kāi)發(fā)。這次日本團(tuán)隊(duì)采用了實(shí)驗(yàn)室層面無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工業(yè)鍍膜裝置，推動(dòng)了應(yīng)用尺寸的大型化進(jìn)程。

研究?jī)?nèi)容

普魯士藍(lán)型復(fù)合納米粒子有很多種類，會(huì)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(shí)的對(duì)比度不足。并且，不能控制太陽(yáng)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(gè)調(diào)光層采用了東芝材料的高科技，使用對(duì)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(jī)。最終實(shí)現(xiàn)了G2尺寸(370 mm×470 mm)鍍膜。

所開(kāi)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(guò)電解質(zhì)粘合。各項(xiàng)鍍膜均在常溫常壓下進(jìn)行，生產(chǎn)效率高。同時(shí)，使用狹縫鍍膜機(jī)，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(shí)，材料使用率可以達(dá)到99%以上，適合量產(chǎn)。

在兩個(gè)透明電極間施加+1.2V的電壓，則會(huì)從無(wú)色透明過(guò)渡到深藍(lán)色。相反地，施加-0.8V的電壓后就會(huì)從深藍(lán)色恢復(fù)成無(wú)色透明。在汽車電裝技術(shù)上具備優(yōu)勢(shì)的林TELEMP公司開(kāi)發(fā)了該玻璃的密封構(gòu)造和電解質(zhì)以及組裝工藝，實(shí)現(xiàn)了大面積調(diào)光玻璃的制造。還開(kāi)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(cè)定光譜的玻璃是從G2尺寸的成膜基板上切割下來(lái)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(yáng)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(guò)改變電壓和電壓施加時(shí)間來(lái)控制光學(xué)特性。

這次采用了狹縫鍍膜機(jī)的工業(yè)鍍膜工藝，來(lái)制造復(fù)合納米粒子分散墨水鍍膜調(diào)光玻璃。實(shí)現(xiàn)了G2尺寸（與實(shí)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(wèn)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(huì)創(chuàng)造出新的社會(huì)風(fēng)尚。

術(shù)語(yǔ)解釋

◆電致色變

電致色變是指通過(guò)物質(zhì)的電氣化學(xué)氧化還原反應(yīng)實(shí)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?gòu)?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(guò)金屬離子的氧化還原反應(yīng)來(lái)吸收/脫落堿離子，同時(shí)在藍(lán)色、透明、綠、黃色間發(fā)生色變。近幾年還報(bào)告了各種新功能，例如通過(guò)改變金屬組成來(lái)實(shí)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(shí)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(shí)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(rùn)于溶液中的基板高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)離心力來(lái)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。