電気で色が変わる窓の超低消費電力駆動と普及に向けて
物質・材料研究機構

樋口 昌芳

2022/51

カーボンニュートラルの実現に向けて一般的なオフィスビルにおける用途別電力消費比率

ZEB (Net Zero Energy Building)
太陽光制御による空調の省エネ

その他
6%

エレベータ
6%

空調
37%

ECD (Electrochromic Devices)
太陽光を利用する創エネ

ＯA機器

19%

BIPV (Building Attached Photovoltaics )照明
29%
引用元：資源エネルギー庁統計

2022/52

研究背景
現状
オフィスの高層化やオープンスペース化が進み、外壁に開放的な大型の窓が使用されるようになってきた

課題
しかし、実際に高層オフィスを調査すると、多くの窓は日差しを防ぐためにロールカーテンやブラインドが設置され、景色は隠れていた

解決方法
窓ガラス自体に調光性があれば効率的な遮光が実現でき、更に空調の省電力化への貢献も期待できる

2022/53

エレクトロクロミック(EC)調光ガラス
現状
ボーイング７８７の窓などにエレクトロクロミック（EC）調光ガラスが導入されている

課題
しかし、EC材料（ビオロゲン）を液体電解質に溶かし流し込んだ構造のため大型化は困難。また、蒸着で製膜する他のEC材料（酸化タングステン）は、大型化するのに高額な真空製膜設備が必要であり、製造コストが上昇

解決方法
塗布により製膜可能なEC材料があれば安価に調光ガラスを大面積化できる

2022/54エレクトロクロミック(EC)調光ガラス
現状
オフィスビル等、民生部門（業務系）のＣＯ２排出量は増加傾向であり、温暖化対策の課題の一つ

課題
オフィスビルのＣＯ２削減に向けて、空調の省エネ化を進めることは効果的。最近の開放的なオフィス空間設計により、外壁をガラス窓化したビルが増えている。ガラス窓部分での効率的な遮光と遮熱はより重要解決方法
塗布による製膜可能な材料を用いてEC調光ガラスの大型化を目指す。EC調光ガラ
スは電源を切ってもその遮光状態が維持される。オフィスビルに導入することでＣＯ２削減に寄与すると期待2022/55新EC材料（メタロ超分子ポリマー）

図 メタロ超分子ポリマーのEC変化（上）、金属種や有機分子を変えることによる豊富なカラーバリエーション（下）M. Higuchi et al., Chem. Rec. 2007, 7, 203; J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2073; 特許第5062712号

ＥC材料としての優位性
・少ない電気量で大きな色変化
・塗布による製膜
・青以外にも緑や紫など多様な色

2022/5

実用化に向けた課題
・EC調光ガラスの製造プロセスが未確立
・大型化に向けた製造プロセスの改良が必要
・省エネ性能の検証が必要

6

従来のEC材料との比較
代表的なEC材料

酸化タングステン（調光ガラス）

大型化

フィルム基材

多色性

メモリ性

△××△

真空装置を用いて製膜される。基板は製膜時に加熱する必要があるため、耐熱性のあるガラスに限られる。デバイスの大型化にはそれを入れる大型の真空装置が必要であり、サイズが大きくなればなるほど設備投資が高額となる。その結果製造費用（＝価格）が上昇する。

×ビオロゲン（ボーイング787）

2022/5××

ボーイング787の客室の窓や、車の防眩ミラーとして実用化されている。
ビオロゲンを溶かした電解液を封入するので、液漏れを防ぐため周囲の封止が不可欠。液漏れのリスクが高まるためデバイスの大型化が難しい。また、メモリ性を持たないので省エネへの貢献は期待できない。

〇
メタロ超分子ポリマー

×

〇

〇

△

塗布で製膜するのでデバイスを大型化する際、高額な設備を必要としない。基板としてガラス以外にプラスチックなどのフィルム素材を使用できる。固体電解質を用いることでデバイスを切ったり、曲げたりできる。また、電源を切ってもその表示状態が維持されるメモリ性を有する。

7

新技術の概要と特徴、従来技術との比較、想定用途新技術の概要
エレクトロクロミック（EC）調光ガラスは電気で色が変わる次世代ガラスとして注目されている。メタロ超分子ポリマーを用いたEC調光ガラスデバイスにおいて対極材料を最適化することで0.8Vの低電圧駆動を実現した。

従来技術・競合技術との比較
窓からの遮光と遮熱を自在に制御できるEC調光ガラスは、オフィスなどの空調にかかるエネルギーの削減に寄与すると期待される。酸化タングステンなどの従来のEC材料は真空下での製膜が必要であるなどデバイス製造に必要な設備投資が大きく、現在広い普及に至っていない。

新技術の特徴想定される用途

・超低電圧駆動化（0.8V）を実現
・電源を切っても表示状態が続くメモリ性・調光フィルムデバイス化も可能

・調光ガラス（オフィスの窓など）
・調光フィルム（オフィスの窓、及び車載）・不揮発性表示デバイス

2022/58

EC材料及びその原料の販売

Poly(Fe-btpyb)Purple
2020年7月より販売

東京化成工業株式会社より販売
2021年8月より販売

2022/59

メタロ超分子ポリマーを用いたECデバイス構造
EC調光ガラスの構造④イオン伝導膜②電気伝導膜①透明絶縁膜

2022/5③EC膜⑤酸化還元膜⑥電気伝導膜⑦透明絶縁膜10製品化に向けた連携希望先想定される用途・調光ガラス（オフィスの窓など）
・調光フィルム（オフィスの窓、及び車載）・不揮発性表示デバイス

デバイスの製造に関して以下の企業と連携を希望します① EC材料を合成する化学メーカー② 透明電極基板を提供する部材メーカー③ 材料を塗布する印刷メーカー④ デバイスのアセンブリを行う企業⑤ 駆動装置を製造する電子部品メーカー

2022/511実用化に向けた連携希望先想定される用途・調光ガラス（オフィスの窓など）
・調光フィルム（オフィスの窓、及び車載）・不揮発性表示デバイス

実用化に関して以下の企業や専門家と連携を希望します① 建材メーカー② 車メーカー③ ガラスメーカー④ 省エネ関連の専門家⑤ 環境関連の専門家

2022/512EC特性の詳細：①酸化還元特性

還元

酸化0 V vs. Ag/Ag+

サイクリックボルタモグラム

E1/2 = 0.77 V vs. Ag/Ag+

in situ 可視吸収スペクトル
MLCT2+ (580 nm)

Fe

Fe3+

1 V vs. Ag/Ag+
Chem. Rec. 2007, 7, 203; J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2073

2022/513ポテンシャル

EC特性の詳細：②メカニズムp*MLCT

dFe2+配位子錯体

還元

酸化0 V vs. Ag/Ag+
酸化ポテンシャル還元

1 V vs. Ag/Ag+
Chem. Rec. 2007, 7, 203; J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2073

2022/5p*
No MLCTdFe3+

配位子
錯体

14

EC特性の詳細：③低電圧駆動
0V

0.5 V

-0.2 V100

100-0.2 to 0.1 V

0.9 to 1.1 V

8060

0.4 to 0.5 V
40

Ni(II)3[Fe(III)CN6]2(NiHCF)

20

400

500

600
700
Wavelength (nm)

Glass

0.5 V
0.4 V
0.3 V
0.2 V
0.1 V
0V
-0.1 V-0.2 V

800

Transmittance (%)

Transmittance (%)

8001V60
4020

PolyFe04000 to 0.6 V
500
600
700
Wavelength (nm)

0V
0.4 V
0.6 V
0.7 V
0.75 V
0.8 V
0.9 V
1.0 V
1.1 V

800

ITO

ITO

Electrolyte

GlassV0V

0.8 V

ACS Appl. Electron. Mater., 2021, 3, 2123.

2022/515EC特性の詳細：④蓄電性
Energy density (Wh cm-3)100

メタロ超分子ポリマー(polyFe or polyRu)
酸化状態

プルシアンブルー10-1-210

基板

基板

polyFepolyRuPolyFe

10

電解質層
透明電極

PolyRu

-3

10-4

透明電極

Panasonic (17500)
Li ion battery

4V/500 µAh
Li thin-film battery

10-5
10-6
10-3

3V/300 µF
Electrolyte capacitor

10-210-1

100101102103104

Power density (W cm-3)
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 16342.

2022/516EC特性の詳細：⑤黒色Figure 1. (a) Molecular structure of polyCo, (b) a
MeOH solution (4 mg mL-1) of polyCo. For asprepared polyCo films, the counter ion X- is OAcand is replaced by Cl- after redox switching in
KCl solution.

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 18266.

2022/5Figure 2. In situ transmittance spectral change of a
polyCo film spray cast on ITO glass at various applied
potentials in 0.1 M KCl(aq.) of (a) pH 7 and (b) pH 13.
The corresponding photographs of the bleached anddarkened polyCo films for each pH were taken forpotentials of 0.0 and −1.3 V, respectively.

17EC特性の詳細：⑥近赤外Transmittance (%)

NIR

Visible

100

80

∆T260

∆T1400.0V
1.0V

200500

600

700

800

900

Wavelength (nm)Figure. Transmittance spectra of apolyFe-N film at 0.0 and 1.0 V.
Scheme. (a) Synthesis of the ditopic ligand (LTPA). (b) Synthesis of
polyFe-N and polyRu-N by the 1:1 complexation of LTPA and metalions (Fe(II) or Ru(II)). The polymers have two redox sites on theligand and the metal complex for NIR and visible electrochromism,respectively.
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 58277.

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問い合わせ先

物質・材料研究機構 企業連携室 鈴木龍太
TEL：029-859-2000 (代表)
FAX：029-859-2029
Mail：technology-transfer@nims.go.jp

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