日本国立研究开发法人产业技术综合研究所（以下简称“产综研”）与神户市立工业高等专科学校（以下简称“神户高专”）和大阪有机化学工业公司（以下简称“大阪有机”）合作，共同开发出了液晶与高分子的复合材料。该材料通过在两张玻璃基板之间的空隙填充混合原料并使其硬化即可制作，结构简单易于制造，因此可应用于调光玻璃等。这种复合材料的透明度会随着温度变化而改变（低温下透明，高温下白浊），同时光的前向散射强度也会随之改变。由此，包括近红外区域在内，能将光的总透射量可逆改变20％以上。
此次，研究小组着眼于液晶的光学性质会随着转变温度而变化的特点，开发了由液晶和高分子构成的热响应型复合材料。采用该材料的调光玻璃在生活温度附近会在透明和白浊状态之间切换，向与入射光方向相反一侧散射的光（后向散射）的强度会随之发生变化，因此可以改变射向前方的光的透射量（总透射率）。将这种调光玻璃用于窗户的话，无需进行复杂的布线等，可以根据日常的温度变化调节阳光，在制造、施工和使用上都比较占优势。另外，新开发的复合材料为薄薄的固态，因此除玻璃外预计还可以用塑料薄膜夹住该材料，作为后期追加张贴的调光薄膜使用。此次的开发成果有望作为降低住宅和移动体等的冷暖气负荷的节能材料使用。
此次开发的热响应型调光玻璃的概要图
左为低温时（约25℃）的透明状态，右为高温时（约50℃）的白浊状态。温度为30～40℃左右时在透明和白浊状态之间切换。变成白浊状态时，样品后方的50mm色卡被隐藏起来，照明引起的样品的影子出现在右下方。
研究内容
研究小组新开发的调光玻璃用两张玻璃基板夹住由名为聚合物网络液晶（PNLC）的液晶和高分子构成的复合材料制作而成。该调光玻璃利用由液晶、单体（高分子原料）和聚合引发剂构成的混合原料填充两张玻璃基板之间的空隙，并照射紫外光使其聚合。此次开发的PNLC采用在高分子的网眼中填充液晶的结构（图1），在生活温度附近会随着温度变化在透明和白浊状态之间切换（图2），同时总透射率也大幅改变。
如图1所示，在低温下，液晶分子进行取向，液晶相与高分子相的折射率一致，因此PNLC实现光学均匀性，变成透明状态。而在高温时，液晶分子的取向紊乱，折射率发生变化，光学特性变得不均匀，因此发生光散射，变为白浊状态。此时，如果能使光的散射方向朝向入射侧，就可以相应地降低总透射率。
图1：PNLC的调光原理
随着温度变化，在低温下变为透明状态，在高温下变为白浊状态。
图2：利用PNLC调光时的窗外景色
低温透明状态（左）和高温白浊状态（右）。
此次，研究小组详细调查了通过光聚合形成的PNLC的微细结构，发现了在白浊状态下会发生后向散射，而且通过在透明和白浊状态之间切换，总透射率会大幅改变的PNLC结构。图3是此次开发的PNLC的性能。如图3（a）所示，总透射率是检测向样品前方散射的所有光时的透射率，此次开发的PNLC显示出了20％以上的变化范围。这个变化范围毫不逊色于已经实现实用化的液体类调光玻璃。以用于窗户时为例，总透射率相当于室内入射量相对于照射到窗户上的阳光总量的相对值，透明状态时和白浊状态时的总透射率之差可以作为节能指标。另外，透明状态时的直线透射率与以往的热响应型液晶复合材料不相上下，达到70％以上（图3（b）和3（c））。如图3（b）所示，直线透射率是根据与入射光相同的直线方向（这里是发散角为10度的范围）的光强度计算出来的透射率，是透明度（白浊少）的指标。该PNLC的直线透射率可以充分追随阳光照射时的窗玻璃的升温速度进行变化。例如，使此次用玻璃基板夹裹的材料的温度由30℃升至50℃后，直线透射率将在30秒内由80％以上降到10％以下。
图3：新开发的PNLC在低温（透明状态）和高温（白浊状态）下的光谱透射率示例
（a）总透射率，（b）直线透射率的光谱，（c）可见光的直线透射率的温度依赖性。（a）中的灰色部分为阳光强度的波长特性。（b）中的黑色部分为发光率（人眼对光的易感知性）的波长特性。（a）和（b）分别显示了测量各自透射率的光学系统的模式图。（c）中的照片是温度约为25℃和50℃时的样品外观。
以往的采用液晶的调光玻璃主要作为利用白浊现象的隐私玻璃使用，而此次开发的能控制所有透射光量的热响应型PNLC可在能有效减轻冷暖气负荷的生活温度（此次的样品为35℃）附近调光，因此嵌入玻璃的话，有望作为节能型窗玻璃使用。另外，由于制作过程和工作原理比较简单，在制造、施工和使用方面也比较占优势。除此之外，由于可作为固态薄膜使用，还能用于可以后期追加贴到既有建筑物上的塑料薄膜基板，有望作为调光薄膜等进一步实现普及。
文：JST客观日本编辑部翻译整理
