調光ミラー材料とは、光学的な性質を、透明な状態と鏡の状態及びその中間状態に自由にコントロールすることのできる新しい薄膜材料である。産総研【理事長 吉川 弘之】基礎素材研究部門【部門長 五十嵐一男】環境応答機能薄膜研究グループでは、光学的なスイッチング特性に優れたマグネシウム・ニッケル系合金薄膜を開発し、大型の調光ミラーガラスの実用化に向けて大きな一歩を踏み出すことに成功した。
この材料を用いた調光ガラスを、例えば建物の窓ガラスとして用いると、外部から入ってくる太陽光を効率的に遮蔽することで、建物内部の冷房負荷や照明負荷を低減することができる。また、自動車の窓ガラスとして用いれば、夏の駐車時に透明な状態から鏡の状態に変化させることで、室内の温度上昇を大幅に抑えることができ、冷房に用いられる膨大な量のガソリンを節約することが可能で、しかも発車時にはスイッチ一つで透明なガラスに戻すことができる。
今回開発した調光ミラー薄膜は、これまで報告されている他の調光材料と比べ、光学特性に優れている上に材料が安価なことから、大型の調光ミラーガラスに適している。
鏡の状態
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透明な状態
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外部から入ってくる光を自由に調節することのできるガラスを調光ガラスといい、これらを建物や自動車のガラスとして用いることができれば、大きな省エネルギー効果が期待できる。様々な種類の調光ガラスの中でも、最も研究の進んでいるのは、電気的に透過率をコントロールできるエレクトロクロミック調光ガラスで、一部商品化もされている。しかし、従来のエレクトロクロミックガラスは、薄膜部分で光を吸収することにより調光を行うため、薄膜部分の温度が上昇し、それが室内に再照射され、結果的にエネルギーの制御効率が悪くなってしまうという欠点があった。これを解決するため、光を吸収するのではなく反射することで調光を行う材料、つまり、透明な状態と鏡の状態にスイッチングする材料が求められていたが、そのような材料は長らく見つかっていなかった。
それが１９９６年にオランダのグループにより、パラジウムを薄く付けたイットリウムやランタンの薄膜が、水素化及び脱水素化により、透明な状態と鏡の状態にスイッチングできることが発見され、調光ミラー材料と名付けられた。これらは優れた光学的な性質を持っているが、材料が高価で地球上での存在量が少ない元素であるため、大型のガラスへの応用が困難であった。２００１年に、マグネシウム・ニッケル系合金薄膜が同様の調光ミラー機能を持つことが、アメリカのローレンスバークレー研究所のグループにより発見された。こちらは、材料としてマグネシウム及びニッケルが安価なため、大型ガラスへの応用に対しより適していると期待されていた。しかし、彼らにより報告されているこの材料の光学特性は悪く、透明時でも赤茶色に着色していることから、とても実用には適さなかった。
産総研基礎素材研究部門環境応答機能薄膜研究グループでは、省エネルギー特性に優れた高機能性ガラス材料の研究を行ってきており、マグネシウム・ニッケル系合金薄膜を用いた調光ミラー材料にいち早く注目し独自に研究を進めてきた。
とりわけ、この材料において最も問題となる透明時における光学透過率の悪さを改善すべく、成膜状態を様々に変え評価を行った結果、従来の材料に比べ、可視光領域における透過率が３倍以上に改良された新しい組成のマグネシウム・ニッケル系合金薄膜を開発することに世界で初めて成功した。
３連のマグネトロンスパッタ装置も用いて、金属マグネシウムと金属ニッケルを同時スパッタして、マグネシウム・ニッケル系合金薄膜を作製し、真空中でごく薄くパラジウムをスパッタで付けてから大気中に取り出し、その調光特性の評価を行った。取り出した薄膜は銀色の鏡状態だが、この膜を、酸素を含まず水素を含んだ雰囲気に晒すと透明になり、水素を含まず酸素を含んだ雰囲気に晒すとまた元の鏡状態に戻るという変化を示した。このような調光特性は成膜条件に大きく依存するため、環境応答機能薄膜研究グループでは、まず、再現性良く膜を作製する技術を確立し、次に、膜の組成、膜厚、成膜速度、スパッタガス圧等を様々に変化させて得られた膜の評価を行い、優れた光学特性を持った膜が得られる条件を見いだした。その結果、従来報告されているマグネシウム・ニッケル系合金薄膜では、透明時の可視光透過率が１５％程度でとても実用に用いることができなかったのに対して、世界で初めてその３倍以上の５０％を越える可視光透過率を持つ材料を開発することに成功した。また、今回開発した調光ミラー薄膜は、ガスを用いたスイッチングだけてなく、膜の構造を調製することで電解質を用いて電気的にスイッチングを行うことができることを確認している。
現在、透明時における透過率をさらに上げるための研究を行っている。また、実用化にあたって最も重要になってくる耐久性について、今後様々な評価を行い、その劣化機構を明らかにすることで、実用化への目途をつける。