導電化CNFとpNIPAMを併用した高速感温調光ガラスの開発
熊本県産業技術センター 材料・地域資源室
研究主幹兼室長(熊本大学

熊本創生推進機構 客員教授)

永岡昭二
2022年2月25日

1

遮熱(調光)ガラスとは従来の技術
熱線吸収材料近赤外光吸収材料
アンチモン-錫酸化物 (ATO)
セシウム-W酸化物 (CWO)
インジウム-錫酸化物 (ITO)
人体への影響、資源枯渇
製造にかかる大きなエネルギ
ー

吸収反射

透過
吸収

熱線反射材料反射
近赤外光反射材料
透過
銀ナノ粒子→ Low-eガラス
コスト高、不安定
液晶技術〜瞬時に調光できる。電界の印可。ITOを使用。
2

調光技術に感温性高分子を活用できないか？
導電性高分子を併用した温度応答調光ガラス
電源・電界フリーのサーモクロミックガラス
3感温性高分子を活用
低温
水に溶解(透明)高温
水に不溶（白濁）APS,TMED

親水基

レドックス重合 (at 5 ˚C)

疎水基

N-isopropylacrylamide(NIPAM)

Poly N-isopropylacrylamide(pNIPAM)

APS: 過硫酸アンモニウム, TMED: N,N,N‘,N’-テトラメチルエチレンジアミン
4コンセプト〜調光ガラスのイメージ
感温性高分子を用いた調光ガラス

下限臨界温度(LCST)
低温になると透明高温になると曇る

電源を必要とせず、自律的に日射透過率を制御する。
5

ガラス中間層に感温性高分子と多糖ナノファイバーガラス
ガラス中間層水を保持させる。
多糖ナノファイバー

感温性高分子Poly N-isopropylacrylamide(PolyNIPAM)

水が必要

LCSTの発現6水の保持のために、多糖ナノファイバーを活用
多糖ナノファイバーの条件
遮光ガラスへ応用→高い透明性。
塗布に適応→適度な粘性。
LCST発現→保水性が高い。
フィラー効果→膜の安定化

Cellulose nanofiber(CNF)

水中で凝集, 不透明
保水性が脆弱イオン性基をもつナノファイバー

黄変
Carboxymethyl cellulose nanofiber(CM-CNF)

TEMPO-CNF

Chitin/Chitosan nanofiber（ChNF）

透明性、保水性を有する。

粘性は？

7

イオン性多糖ナノファイバーのせん断速度に対する粘度

Carboxymethyl cellulose nanofiber

TEMPO-CNF

η (Pa·s)(CM-CNF)

TEMPO-CNFを同量配合

CM-CNFとTEMPO-CNFを同濃度、混合した際の粘度8温度応答高分子-CNF複合合わせガラスの作製

Glass (3 x 150 x 150 mm)

pNiPAM/TEMPO-CNF
Spacer
水分散体(1 x 100 x 100 mm)

Glass (3 x 150 x 150 mm)

合わせガラスの作製方法

実際、作製したガラス
9実際の試作品と透明性の温度依存性
100

Transmittance (%)

806034 ˚C

4020034˚Cで、白色化

pNIPAM+TEMPO-CNF

20253035
Temperature (˚C)

40

pNIPAMとTEMPO-CNFを混合した溶液の透過率の温度依存性
TEMPO-CNF 0.5 wt%配合

10

フィラー効果〜温度変動に対して中間層が安定化
CNF未配合CNF未配合CNF未配合温度変動でクラック出現
不安定・不均質CNF配合

CNF配合

CNF配合
温度変動でクラック生じない
安定・均質

Poly(NIPAM-co-DEAA)GlassPoly(NIPAM-co-DEAA)Glass11エチレングリコール添加によるLCSTの制御
100

Transmittance (%)

80

EG30 wt%添加
LCST: 22˚C

60

EG23 wt%添加
LCST: 26˚C

40

EG20 wt%添加
LCST: 28˚C

200

NIPAM
LCST: 34˚C

1515202025253030

Temperature (˚C)

35354040

エチレングリコールを添加したときのpNIPAMのLCSTの変化

エチレングリコールの添加でLCSTを変化させることができる。
12グリセリン添加によるLCSTの制御
100

Transmittance (%)

80

Gly33.6 wt%添加
60
LCST: 20˚C
Gly 23.5 wt%添加
LCST: 24˚C
40
Gly16.0 wt%添加
LCST: 30˚C

NIPAM
LCST: 34˚C

20015

20

25

30

Temperature (˚C)

35

40

グリセリンを添加したときのpNIPAMのLCSTの変化

グリセリンの添加でもLCSTを変化させることができる。
13熱伝搬性の向上とNIRの吸収→独自開発のPEDOT/s-CNFを添加

PEDOT/s-CNF 特許6992943号

PEDOTを添加

ガラス中間層水を保持させる。
多糖ナノファイバー

感温性高分子Poly N-isopropylacrylamide(PolyNIPAM)

水が必要

LCSTの発現14

PEDOT/s-CNFの特性-1
Journal of Materials Chemistry C, 2015, Vol. 83, pp. 8881-8887
Thin Solid Films, 2020, Vol. 709, pp.138221-138229

タッチパネルポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)

太陽電池

ディスプレイ

インジウム錫酸化物などの無機系透明電極材が使われる代替材料として無機系透明電極材 導電性高分子
問題点
レアメタル、重い
硬い、高い、焼結製造最も注目されているPEDOTの特性
塗布型、軽い、フレキシブル
導電性が低いPSSと呼ばれるドーピング剤

PEDOT/CNF

PSSをCNFへドーピング剤としてCNF

セルロースナノファイバー(ナノクリスタル)のTEM画像
上にPEDOTが配向

導電性: 基本PEDOT/PSSの700倍向上
PEDOT/s-CNF (特許出願中)
特許6992943号

PEDOT/PSSの構造式(従来のPEDOT) 15

PEDOT/s-CNFの特性-2100

VisIR

NIR

Transmittance (%)

90
0.3 S/cm
80

2.0 S/cm

70
5.1 S/cm
60

50300

10.1 S/cm

PEDOT/s-CNF-PVAコンポジットフィルム
近赤外光の光吸収増大 導電性の増大
600

900

1200

1500

1800

Wavelength (nm)

透明なフィルムが得られる。
(10〜40 µm)

PEDOT/s-CNF薄膜の光学特性

導電性の増大に伴い、近赤外光および赤外光の吸収が増大
熱伝導性も向上16

温度モニタリングによる評価

Glass (3 x 150 x 150 mm)

擬似太陽光
pNIPAM/TEMPO-CNF
PEDOT/s-CNF水分散体
Spacer (1 x 100 x 100 mm)

Glass (3 x 150 x 150 mm)

照射強度: 53.8 klx

4.8 L
Thermometer

合わせガラスをモデルボックスの上面に設置

サーモグラフィーでモニタリング

17温度上昇に伴うガラス表面と温度上昇抑制効果Temperature (˚C)

60

52.8 ˚Cb) pNIPAM/TEMPO-CNF(3.0:0.5)a) Glass-Air (比較)47.6 ˚C50

表面3034.5 ˚C
39.9 ˚C

34.0 ˚C

ボックス内ボックス
内
表面との温度差:

表面との温度差: 18.3˚C
2001000

56.6 ˚C表面

表面ボックス内40c) pNIPAM/TEMPO-CNF+PEDOT/s-CNF(3.0:0.5:0.01)

2000

3000

Irradiation time (sec)

01000

2000

3000

Irradiation time (sec)

22.6˚C
01000

2000

3000

Irradiation time (sec)

擬似太陽光の照射実験におけるサーモグラフと温度上昇低減効果
18温度上昇に伴うガラス表面と温度上昇抑制効
果Temperature (˚C)

60

52.8 ˚Cb) pNIPAM/TEMPO-CNF(3.0:0.5)a) Glass-Air (比較)47.6 ˚C50

表面30

表面表面ボックス内40c) pNIPAM/TEMPO-CNF+PEDOT/s-CNF(3.0:0.5:0.01)

34.5 ˚C
39.9 ˚C

34.0 ˚Cボックス内ボックス
内Glass Airとの差: 13.6˚C

Glass Airとの差: 13.1˚C
20

01000

2000

3000

Irradiation time (sec)

01000

56.6 ˚C

2000

3000

Irradiation time (sec)

01000

2000

3000

Irradiation time (sec)

擬似太陽光の照射実験におけるサーモグラフと温度上昇低減効果
19白色化の迅速化
PNIPAM-TEMPO-CNF-PrG (3:0.5:0.01:16)
PNiPAM-TEMPO-CNF-PEDOT/s-CNF-PrG (3:0.5:0.01:16)

Temperature (˚C)32a) Glass-Airb) pNIPAM/TEMPO-CNF(3.0:0.5)

全面白濁時間: 191 sボックス
内3024

白濁開始時間： 58 s

表面

26050

100

150

Irradiation time (sec)

200 0ボックス
内50100表面

表面

全面白濁時間: 118 s

白濁開始時間： 95 s

28c) pNIPAM/TEMPO-CNF+PEDOT/s-CNF(3.0:0.5:0.01)

96 s
150

Irradiation time (sec)

60 s
200 050100ボックス
内
150

200

Irradiation time (sec)

擬似太陽光の照射実験における温度上昇低減効
果PEDOT添加により、白色化が1.6倍迅速になる。
20

合わせフィルムの作製①樹脂製の柱をPETフィルムに立てる。

②PETフィルムをラミネート化

迅速に透明から白色化③ラミネート化時にCNF、PEDOT/s-CNF
へおよびpNIPAM配合剤を塗布
PETフィルム厚み: 184 μm
格子幅: 500 µm, 格子高さ: 50 µm
21温度上昇に伴うフィルムの温度上昇抑制効
果5050b) PEDOT/s-CNF配合

40.1 ˚C
Temperature (˚C)

Temperature (˚C)a) PEDOT/s-CNF未配合

43.8 ˚C

4040

39.5 ˚C

38.5 ˚C

3030

表面との温度差: 5.3˚C

表面との温度差: 0.6˚C
2001000

2000

Irradiation time (sec)

3000

2001000

2000

3000

Irradiation time (sec)

擬似太陽光の照射実験における温度上昇低減効
果厚み370 µmの開発フィルムで十分に温度上昇低減効果を発現
ガラスAirと比較するとPEDOT未配合で8.1˚C, PEDOT配合で9.1˚C
22温度上昇に伴うガラスの白色化
ガラスの白色化〜PEDOT配合の方が迅速

PEDOT未配合

PEDOT配合23

温度上昇に伴うフィルムの白色化
フィルムの白色化〜PEDOT配合の方が迅速

PEDOT未配合

PEDOT配合24新技術の特徴温度応答高分子と導電性高分子から遮光・調光中間層を構築。
 迅速な温度応答性をもつ遮光・調光合わせガラスを構築。
グリコール類、グリセリンの添加により、白色化温度が制御可能。
PEDOT/s-CNFを配合することにより、白色化時間を迅速に。
白色化の際に安定な層。ナノファイバーフィラー効果。
未配合ガラスでは亀裂や劣化を生じる。
電源を必要とせず、自律的に日射透過率が制御可能。
フィルム化も可能。
遮光・調光ガラスで13.6˚Cの温度上昇低減効果を確認。
25

想定される用途

建築用部材住宅用サッシ、温室ガラス
遮光フィルム、車載用部材
農業用ビニルハウス
26実用化に向けた課題
導電性高分子、PEDOT/s-CNFの製造元
導電性高分子によるさらなる白色化の迅速化
中間層の薄膜化
住宅サッシへの組み込み、封止省エネ効果の実証フレキシブルフィルム化
27

企業への期待導電性高分子の基礎的研究は完了。
プラント化省エネ効果の実証ため、外部資金への共同申請も検討。
フィルムへの応用。フレキシブル化。
28

本技術に関する知的財産権• 発明の名称：温度応答性材料およびこれを用いた遮光材• 出願番号：特願2020-083233• 出願人：熊本県、熊本大学• 発明者：堀川真希、永岡昭二、高藤誠、伊原博隆

29産学連携の経歴
2021年度-2021年度 JST A-STEP: 産学育成型事業 代表・推進中
2020年度-2021年10月 JST A-STEP: トライアウト事業 代表
2019年度-2021年度 JST A-STEP: 産学共同フェーズ 分担・推進中
2017年10月-2018年9月 JST: A-STEP 産学バリュープログラム 代表
2017年10月-2018年9月 JST: A-STEP マッチングプランナー プログラム 代表
2011年3月 JST: A-STEP 探索タイプ 代表
2007年10月〜2009年3月 JST: 地域ニーズ即応型事業 代表
環境省関連2017年10月-2020年3月 環境省委託事業
セルロースナノファイバー活用製品の性能評価委託事業 分担
経済産業省関係
2011年度 中小企業等の研究開発力向上及び実用化推進のための事業 分担
2010年度 中小企業等の研究開発力向上及び実用化推進のための事業 代表
2006年度〜2007年度 地域新生コンソーシアム事業 他府省連携枠 分担
2002年度〜2003年度 経済産業省 地域新生コンソーシアム事業 中小枠 分担
その他 科研費関連 代表多数
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お問い合わせ先
熊本県産業技術センター
材料・地域資源室 研究主幹兼室長
永岡昭二℡：096-368-5359
E-mail: nagaoka@kumamoto-iri.jp31