独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 吉川 弘之】（以下「産総研」という）エレクトロニクス研究部門【研究部門長 和田 敏美】機能性酸化物グループ【研究グループ長 阪東 寛】 外岡 和彦 主任研究員、菊地 直人 研究員は、可視光を透過させ熱線（赤外線）を反射する日射熱反射ガラスを開発した（図１）。
このガラスは、日射による採光を確保しつつ熱作用の強い近赤外線を効果的に反射できるので、ビル、家屋、車両などの窓ガラスとして利用することにより省エネに寄与することが期待される（図２）。
スパッタリング法を用いてガラス基板上に酸化チタンと酸化ケイ素を主原料とする積層構造を形成し、各層の厚さをナノメートル・オーダーに制御することにより波長選択性の高い熱線反射を実現した。開発した日射熱反射ガラスは可視光透過率が82％（実測値）で、日射中の熱線（赤外線）エネルギーに対する反射率はおよそ50％と概算された。
冷房が必要とされるような夏の昼間には、建物内に流入する熱量の71％が窓から入りこむといわれている（省エネ基準1992年）。日射エネルギーの約半分は人間にとっての明るさに寄与しないで熱作用を生ずることから、日射熱反射ガラスをビルなどの窓ガラスに利用すれば冷房負荷が軽減でき、大きな省エネ効果が期待される。
図１.日射熱反射ガラス試料の写真
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図２.窓ガラスとして応用した場合のイメージ
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近年、省エネへの関心の高まりとともに、冷房負荷の主原因である日射熱を避けつつ日照を確保する技術へのニーズが増している。即ち、ビル、車両、家屋などの窓において、太陽光による採光（日照）を確保しつつ、熱線の透過を遮断する省エネに有効な機能が求められている。統計によると、温暖な地方では夏の冷房のために電力需要のピークが生じるようになった。省エネ基準（1992年基準）によれば、冷房が必要とされるような夏の昼間には、建物内に流入する熱量の71％が窓から入りこむとされる（図３）。光と熱の源である日射のエネルギーは幅広い波長領域に分布しており、紫外線が約6%、可視光が約46%、赤外線が約48%を占める（図４）。建物内に流入する熱の源は日射であり、このように日射エネルギーの約半分は人間にとっての明るさに寄与しないで熱作用を生ずる熱線（赤外線）であることから、熱線反射が冷房負荷軽減による省エネに極めて効果的と考えられる。最近は、省エネのための窓ガラスとして複層構造のペアガラスが注目されている。産総研では、ペアガラスよりも単純な構造で日射に対して高い性能、すなわち、高い可視光透過と効果的な日射熱反射を両立するガラスの開発を進めている。
図３.夏季の熱の流れ(省エネ基準1992) |
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図４.日射エネルギー波長分布の概形
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産総研では、これまで経済産業省からの運営交付金や委託研究費により、酸化物透明半導体材料などを用いて太陽光エネルギーを紫外線、可視光、赤外線の性質に応じて有効利用するための研究を行ってきた。
今回の成果は、経済産業省からの交付金を原資として、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が実施する「エネルギー使用合理化技術戦略的開発」事業の一つとして、委託契約に基づいた「選択的熱線反射による断熱・採光ガラスの研究開発(平成18～19年度)」による支援を受けて得たものである。
今回、産総研が開発した「日射熱反射ガラス」（図１）は、酸化チタンと酸化ケイ素を主原料とする多層構造の光機能薄膜をガラス基板上にスパッタリング法により形成したもので、反射できる熱線に対しての波長選択性が高いことが特徴である。この波長選択的な性質を利用して可視光域での透過特性を人間の眼の感度と調和させつつ、人間にとっての明るさ感に寄与しない熱線エネルギーを効果的に反射させる「日射熱反射ガラス」を開発した。この熱線反射ガラスは、窓ガラスとしての応用を想定し、日射に対して最適な可視光透過特性および熱線反射特性となるように設計した。試作した日射熱反射ガラスの昼光（薄い雲がある東向きの青空）に対する可視光域での透過特性例をシリコンCCDアレイ光センサーにより測定した（図５）。試料（20mm角）の可視光透過率は82％（波長400nm～700nmに対する平均値）であった。人体に有害な紫外光に対しては反射および吸収により遮断し、熱線（赤外線）に対しては反射により透過を抑制する機能を有する。さらに長波長までの測定結果によれば、日射中の熱線エネルギーに対する反射率はおよそ50％（波長750nm～2000nmの熱線に対する平均値）と概算された。このガラスの特徴である熱線反射による遮熱効果を確認するために、光照射による温度変化を熱線反射の有無について調べた。60Wタングステン電球の光をガラスを通して温度計に照射する実験では、選択的熱線反射機能膜により温度上昇を74％に抑制した（図６）。このように、簡便な比較法ながら日射熱反射ガラスの遮熱効果を実証した。
図５ 日射に対する可視光域での透過特性 |
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図６ 日射熱反射ガラスの遮熱効果
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今後、可視光透過特性の平坦化、日射熱に対する反射特性などの性能向上を図る。加えて、使用する材料ならびに層構造についても詳細に検討し、より広い範囲の可視光透過率や熱線エネルギー反射率への要求に対応できるよう研究を展開する。その後、冷房負荷軽減の観点からの省エネ効果の評価を行い、窓ガラスへの応用に必要な基盤技術の確立を目指す。