スイッチング繰り返し耐久性と光学特性を向上させた反射型調光材料「調光ミラー」の開発
国立研究所開発法人産業技術総合研究所

HH

ガスクロミック
水素化によって生成した水素化物(透明)「水素化」＝透明へ

気温や日射の強さに応じて光や熱の出入りを制御

空気雰囲気することができる窓ガラス：「スマートウィンド

鏡状態ウ」の研究開発が進められ、米国等では既に市販~5nm

ため、省エネで快適な居住空間の実現には、窓のH H

OOH

エネルギーの多くは「窓」を通じてである。その性能向上が必須である。このような観点から、外HH脱水素化によって生成したMg合金

O O

H H

O

ネルギーが投入されているが、室外に放出される

O O

~50nm

~5nm

H H

現在、室内の快適性を維持するために多くのエH

1. テーマ設定の背景

~50nm

山田保誠

「脱水素化」＝金属(鏡)へ

空気雰囲気

透明状態

図1

透明状態

鏡状態

調光ミラーのスイッチング原理されている。しかし、非常に高価であることが市場の拡大の大きな足枷となっている。そこで、本気をさらすと空気中の酸素により、水素化した研究開発では、より大きな省エネ効果と低コストMg合金が脱水素化して鏡状態に戻る（ガスを用化が期待される鏡⇔透明間でスイッチングする反いて光学特性を変化させるため、この方式による射型調光材料「調光ミラー」に着目し、その実用調光を「ガスクロミック」と呼ぶ）
（図 1）
。筆者

化を目指して①スイッチングに対する繰り返し耐らは日本で最初にこの調光ミラー薄膜に着目し、久性の向上、②透明状態における光学特性の向上

これを省エネルギー用の窓として実用化するためを目的とした研究開発を行った。の研究に取り組んできた。しかし、①従来のマグネシウム－ニッケル（Mg-Ni）合金を用いた調光

2. 素形材分野との関連性ミラー薄膜は、鏡⇔透明間のスイッチングを繰り窓ガラスに調光機能を付与し、省エネで快適な返すと、100 回程度のスイッチングでほとんど変居住空間の実現するための、スパッタリング法を化しなくなるという問題点があった。さらに②透用いたガラスやプラスチック基材上にナノメー明化した際の可視光透過率が 40%程度しかないターの膜厚で制御した金属多層膜の新素材の開発という欠点もあり、窓材として実用化するためにに位置づけられる。

は、スイッチング繰り返し耐久性と可視光透過率の向上が必須であった。

3. 研究開発の成果①の原因は、スイッチングによる水素化・脱水反射型調光材料「調光ミラー」の基本構造は素化によってMg-Ni合金層が 20%程度膨張・収50nm程度のマグネシウム（Mg）合金の調光層縮し、それに伴いPd触媒層に穴が空き、Mg-Niと 5nm程度のパラジウム（Pd）の触媒層からなる。

合金が酸化するためであると解明した 1）。そこで、PdはMg合金の酸化を防止する保護層としての役スイッチングによって膨張・収縮量の小さい調光割も有する。成膜直後はMg合金、Pdともに金属層に適した合金材料を探索し、イットリウム（Y）のため銀白色の鏡状態だが、薄い水素を含む雰囲との合金を見出した。Mg 0.4 Y 0.6 の合金を用いた気にさらすとMg合金が水素化して水素化物を生調光ミラーでは、スイッチングに伴う膨張・収縮成し透明化する。この透明状態の調光ミラーに空が 2%程度に減少することを確認し、本組成の合－ 29 －新東技報 No.38 ʼ20

波長940nmおける透過率 (%)

金を用いた調光ミラーは、10,000 回以上のスイッチングを繰り返しても鏡状態と透明状態の透過率がほぼ同じで、スイッチングによる劣化はほとん
ど示さなかった 2）。以上より、Mg-Y合金を調光層に用いることでスイッチングに対する繰り返し耐久性を飛躍的に向上させることに成功した。
②Mg-Y合金を調光層に用いた調光ミラーのス

Pd: 3 nmスイッチング繰り返し回数

イッチングに対する耐久性は飛躍的に向上したが、透明状態における透過率が 35%で鏡状態の図 3 Ta層を挿入したMg-Y調光ミラーのスイッチング原理透過率との差も 20%と実用には不十分であった。
そこで、水素化しても透明にならないPd触媒層程度の酸化チタンが適していると見積もられた。の膜厚を薄くすることで透明状態における透過率真空蒸着法で調光ミラー表面にコーティングしたの向上を図った。しかし、Pd触媒層厚を薄くすところ、作製した調光ミラーの透明状態の透過率ると、急激にスイッチング繰り返し耐久性が劣化が約 70%と大幅に向上し、鏡状態と透明状態のし、3nmの層厚では透明状態に変化すらしなかっ

可視光透過率の差が 60%以上と大きな調光特性た 3）。この原因がPdのMg-Y合金層への拡散であを示した。さらに、近赤外域でも 40%以上の調ると解明し、2nmのごく薄い、水素の透過性の光特性を示しており、太陽光スペクトル全範囲で高いタンタル（Ta）層をPd層とMg-Y層の間に大きな調光を示す実用に十分な性能を有する調光挿入し、Pdの拡散を防止する（図 2）ことで、

6）
ミラーの作製に成功した（図 4）。

Pdが 3nmの層厚でも 10,000 回以上のスイッチン

さらに、実用化には触媒層に用いているPdのグを繰り返しても劣化しない調光ミラーの作製に低コスト化が重要である（1m 2 あたりのコスト4）成功した（図 3）。Pdの層厚を 3nmに薄く出来は 100 円以下だが、スパッタ用のターゲットがたことで、透明状態における透過率は 45%に向非常に高価になる）。Pd触媒層は、Mg合金層の上した。さらなる透過率の向上を目指し、表面に酸化を防止する役割もある観点から、Pdより安反射防止膜をコーティングすることで可視光透過価（約 1/10）な貴金属であるルテニウム（Ru）率の向上を図った。分光エリプソメーターでを選択し、Pd-Ru合金を用いた。その結果、触媒

Mg-YおよびPdの水素化物の光学定数を見積も層が安価になるだけでなく、Pd触媒層の調光ミ

5）

り 、シミュレーションにより、適した反射防止

ラーよりスイッチング繰り返し耐久性が向上する膜の屈折率、膜厚を計算したところ、膜厚 60nmことを見出した 7）。

Pd
Pd + Mg + Y

Ta層あり80Ta60

透過率 (%)(%)
Transmittance

Ta層なし

Mg-Y

Mg-Y + Pd

基材: ポリカーボネート
可視光透過率(透明): 68%
可視光透過率の差 > 60%

透明状態

40

近赤外域の透過率の差> 50%200可視光透過率(鏡): 6%

50010001500

鏡状態
2000

2500

波長 (nm)Wavelength(nm)図2

 a層挿入の効果。Ta層の挿入によってPdのMg-Y
T合金層への拡散が抑制

図4－ 30 － 射防止膜をコーティングした調光ミラーの光学反特性

スイッチング繰り返し耐久性と光学特性を向上させた反射型調光材料「調光ミラー」の開発

4. 訴求点

mirrors based on Mg-Y alloy thin films, Sol.

本成果により、調光ミラーガラスの実用化に大Energy Mater. Sol. Cells 120-B p631-634

きく前進した。本ガスクロミック方式の調光ミ4）Y. Yamada, M. Miura, K. Tajima, M. Okada,

ラーは構造が簡単でスループットの高い金属多層

K. Yoshimura, Influence on optical

膜のため、市販されている電気を用いて調光する

properties and switching durability by

エレクトロクロミック方式の調光ガラスと比較しintroducing Ta intermediate layer in Mg-Yて、価格を 1/10 程度に抑えることが期待される。

switchable mirrors, Sol. Energy Mater. Sol.

さらに、透明電極がないため、エレクトロクロミッ

Cells 125 p133-137

ク調光ガラスでは調光できない近赤外光も調光で5）Y. Yamada, M. Miura, K. Tajima, M. Okada,

きるという特長も有する。
そのため、本調光ミラー

M. Tazawa, K. Yoshimura, Optical indices ofを用いたガラスは、現在使用されているどのガラ

switchable mirrors based on Mg-Y alloy

スと比較しても、非常に優れた冷暖房負荷の低減

thin films in the transparent state, Thin

効果があり、実際の建物を利用した実測実験で通Solid Films 571 p712-714

常の透明ガラスと比較して冷房負荷を 3 割以上

6）Y . Y a m a d a , S . K i t a m u r a , M . M i u r a , K .

低減できることを実証している。そのため、このYoshimura, Improving the optical properties

ガラスが実用化されて普及すれば、特に夏季におof switchable mirrors based on Mg-Y alloy

けるビルの冷房負荷を大きく低減し、電力のピー

using antireflection coatings, Sol. Energy

クカットにも大きく貢献することができる。
また、Mater. Sol. Cells 141 p337-340

自動車に用いることができれば、炎天下に駐車す

7）Y . Y a m a d a , M . O h u r a , K . Y o s h i m u r a ,る際にガラスを鏡状態に変えることで、冷房負荷

Switching properties of switchable mirrors

を大幅に低減し、燃費を向上させることができる。

using palladium-ruthenium catalytic layers,

現在、民間企業との共同研究で、R to R法によSol. Energy Mater. Sol. Cells 183 p48-51

る実用サイズのプラスチックシート上への調光ミラーの作製を試みると同時に、ガスを使ったスイッチングシステムの開発を行い、5 年以内での実用化を目指し、研究開発を進めている。
参考文献
1）Y. Yamada, M. Miura, K. Tajima, M. Okada,
K. Yoshimura, Film thickness change ofswitchable mirrors using Mg-Y alloy thin films
due to hydrogenation and dehydrogenation,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells 126 p237-240
2）Y. Yamada, M. Miura, K. Tajima, M. Okada,
K. Yoshimura, Optical switching durabilityof switchable mirrors based on magnesiumyttrium alloy thin films, Sol. Energy Mater.
Sol. Cells 117 p396-399
3）Y. Yamada, M. Miura, K. Tajima, M. Okada,
K. Yoshimura, Pd distribution of switchable－ 31 －