日本國立研究開發法人產業技術綜合研究所（以下簡稱「產綜研」）與神戶市立工業高等專科（以下簡稱「神戶高專」）和大阪有機化學工業公司（以下簡稱「大阪有機」）合作，共同開發出了液晶與聚合物的複材。該材料透過在兩張玻璃基底層之間的空隙填充混合原料並使其硬化即可製作，結構簡單易於製造，因此可應用於調光玻璃等。這種複材的透明度會隨着溫度變化而改變（低溫下透明，高溫下白濁），同時光的前向散射強度也會隨之改變。由此，包括近紅外光區域在内，能將光的總透射量可逆改變20％以上。
此次，研究小組着眼於液晶的光學性質會隨着轉變溫度而變化的特點，開發了由液晶和聚合物構成的熱響應型複材。採用該材料的調光玻璃在生活溫度附近會在透明和白濁狀態之間切換，向與入射光方向相反一側散射的光（反向散射）的強度會隨之發生變化，因此可以改變射向前方的光的透射量（總透射率）。將這種調光玻璃用於窗戶的話，無需進行復雜的佈線等，可以根據日常的溫度變化調節陽光，在製造、施工和使用上都比較佔優勢。另外，新開發的複材爲薄薄的固態，因此除玻璃外預計還可以用塑膠薄膜夾住該材料，作爲後期追加張貼的調光薄膜使用。此次的開發成果有望作爲降低住宅和行程體等的冷暖氣負荷的節能材料使用。
此次開發的熱響應型調光玻璃的概要圖
左爲低溫時（約25℃）的透明狀態，右爲高溫時（約50℃）的白濁狀態。溫度爲30～40℃左右時在透明和白濁狀態之間切換。變成白濁狀態時，樣品後方的50mm色卡被隱藏起來，照明引起的樣品的影子出現在右下方。
研究内容
研究小組新開發的調光玻璃用兩張玻璃基底層夾住由名爲聚合體網路液晶（PNLC）的液晶和聚合物構成的複材製作而成。該調光玻璃利用由液晶、單體（聚合物原料）和聚合引發劑構成的混合原料填充兩張玻璃基底層之間的空隙，並照射紫外光使其聚合。此次開發的PNLC採用在聚合物的網眼中填充液晶的結構（圖1），在生活溫度附近會隨着溫度變化在透明和白濁狀態之間切換（圖2），同時總透射率也大幅改變。
如圖1所示，在低溫下，液晶分子進行取向，液晶相與聚合物相的折射率一致，因此PNLC實施光學均勻度，變成透明狀態。而在高溫時，液晶分子的取向紊亂，折射率發生變化，光學特性變得不均勻，因此發生光散射，變爲白濁狀態。此時，如果能使光的散射方向朝向入射側，就可以相應地降低總透射率。
圖1：PNLC的調光原理
隨着溫度變化，在低溫下變爲透明狀態，在高溫下變爲白濁狀態。
圖2：利用PNLC調光時的窗外景色
低溫透明狀態（左）和高溫白濁狀態（右）。
此次，研究小組詳細調查了透過光聚合形成的PNLC的細結構，發現了在白濁狀態下會發生反向散射，而且透過在透明和白濁狀態之間切換，總透射率會大幅改變的PNLC結構。圖3是此次開發的PNLC的性能。如圖3（a）所示，總透射率是檢測向樣品前方散射的所有光時的透射率，此次開發的PNLC顯示出了20％以上的變化範圍。這個變化範圍毫不遜色於已經實施實用化的液體類調光玻璃。以用於窗戶時爲例，總透射率相當於室内入射量相對於照射到窗戶上的陽光總量的標么制，透明狀態時和白濁狀態時的總透射率之差可以作爲節能指標。另外，透明狀態時的直線透射率與以往的熱響應型液晶複材不相上下，達到70％以上（圖3（b）和3（c））。如圖3（b）所示，直線透射率是根據與入射光相同的直線方向（這裏是發散角爲10度的範圍）的光強度計算出來的透射率，是透明度（白濁少）的指標。該PNLC的直線透射率可以充分追隨陽光照射時的窗玻璃的升溫速度進行變化。例如，使此次用玻璃基底層夾裹的材料的溫度由30℃升至50℃後，直線透射率將在30秒内由80％以上降到10％以下。
圖3：新開發的PNLC在低溫（透明狀態）和高溫（白濁狀態）下的光譜透射率示例
（a）總透射率，（b）直線透射率的光譜，（c）可見光的直線透射率的溫度依賴性。（a）中的灰色部分爲陽光強度的波長特性。（b）中的黑色部分爲發光率（人眼對光的易感知性）的波長特性。（a）和（b）分別顯示了測量各自透射率的光學系的模式圖。（c）中的照片是溫度約爲25℃和50℃時的樣品外觀。
以往的採用液晶的調光玻璃主要作爲利用白濁現象的隱私玻璃使用，而此次開發的能控制所有透射光量的熱響應型PNLC可在能有效減輕冷暖氣負荷的生活溫度（此次的樣品爲35℃）附近調光，因此嵌入玻璃的話，有望作爲節能型窗玻璃使用。另外，由於製作程序和工作原理比較簡單，在製造、施工和使用方面也比較佔優勢。除此之外，由於可作爲固態薄膜使用，還能用於可以後期追加貼到既有建築物上的塑膠薄膜基底層，有望作爲調光薄膜等進一步實施普及。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
