スマートガラス

スマートガラスは、スイッチングガラス、ダイナミックガラス、スマート調光ガラスとも呼ばれ、電気信号や熱信号に応じて光学特性を変え、不透明または着色できるタイプのガラスです。これにより、暑い日に日光や熱が建物に入るのを防ぎ、エネルギー効率を向上させることができます。 ^[1]また、部屋のプライバシーや視認性を便利に提供するためにも使用できます。

スマートガラスには、アクティブとパッシブの2つの主な分類があります。現在使用されている最も一般的なアクティブガラス技術は、エレクトロクロミック、液晶、および懸濁粒子デバイス（SPD）です。サーモクロミックとフォトクロミックはパッシブ技術に分類されます。^[2]

スマートガラスを建物の外壁に取り付けると、気候に適応した建物の外殻を作るのに役立ちます。^{[3]その利点には、自然光の調整、視覚的な快適さ、}紫外線と赤外線の遮断、エネルギー使用量の削減、温熱的快適性、極端な気象条件への耐性、プライバシーなどがあります。 ^{[4]一部のスマートウィンドウは}、建物のエネルギーを節約するために、熱や冷房 に自動的に適応できます。^{[5] [6] [7]} スマートウィンドウにより、ブラインド、シェード、窓の処理が不要になります。^[8]

ガラス、アクリル、ポリカーボネートのラミネートを使用して、スマートフィルムまたはスイッチングフィルムを平らな表面にラミネートすることで、いくつかの効果が得られます。 ^[9]一部のタイプのスマートフィルムは、粘着性スマートフィルムまたは特殊な接着剤を使用して、既存のガラス窓に貼り付けることができます。^[10] 熱を遮断し、電気を伝導する透明コーティングを塗布するスプレー方式も開発されています。^[11]

「スマートウィンドウ」という用語は1980年代に生まれました。この用語は、カリフォルニア州ローレンス・バークレー国立研究所の科学者と建築材料のエネルギー効率を高めるためのアイデアをブレインストーミングしていた、チャルマース工科大学のスウェーデン人材料物理学者クレス・ゴラン・グランクヴィストによって導入されました。グランクヴィストは、動的に色合いを変えることができるレスポンシブウィンドウを説明するためにこの用語を使用しました。^[4]

次の表は、さまざまな電気的に切り替え可能なスマート ガラス テクノロジの概要を示しています。

エレクトロクロミックデバイスは電圧に応じて光透過特性を変化させ、通過する光と熱の量を制御することができます。^[12]エレクトロクロミックウィンドウでは、材料の不透明度が変化します。不透明度を変えるには電気のバーストが必要ですが、材料は追加の電気信号をほとんどまたはまったく必要とせずに色合いを維持します。^[13]

旧式のエレクトロクロミック技術は、透明状態では黄色がかっており、着色状態では青みがかっている傾向があります。暗くなるのは端から内側に向​​かって進み、窓のサイズに応じて数秒から 20 ～ 30 分かかるゆっくりとしたプロセスです。新しいエレクトロクロミック技術は、透明状態での黄色がかっていないことと、よりニュートラルなグレーの色合いに着色している​​ことを解消し、外側から内側に着色するのではなく、均一に着色し、着色速度をガラスのサイズに関係なく 3 分未満に加速します。エレクトロクロミック ガラスは暗くなった状態でも視認性を維持し、外部環境との視覚的な接触を維持します。

遷移金属 水素化物エレクトロクロミックに関連するエレクトロクロミック材料の最近の進歩により、吸収するのではなく反射する反射水素化物が開発され、透明と鏡のような状態が切り替わります。

改質多孔質ナノ結晶フィルムの最近の進歩により、エレクトロクロミック ディスプレイの作成が可能になりました。単一基板ディスプレイ構造は、透明導体 ( ITOやPEDOT:PSSなど) で改質された基板上に互いの上に印刷された複数の積層多孔質層で構成されます。各印刷層には、特定の機能セットがあります。作用電極は、吸着された色原体を含む、二酸化チタンなどの正の多孔質半導体で構成されます。これらの色原体は、還元または酸化によって色を変えます。電気性能を向上させるために、パッシベーターが画像のネガとして使用されます。絶縁層は、コントラスト比を高め、作用電極を対電極から電気的に分離するために使用されます。対電極は、SEG 電極で挿入/抽出される電荷​​を相殺する (およびデバイス全体で電荷の中性を維持する) ために高い静電容量を提供します。炭素は、電荷貯蔵フィルムの例です。導電性炭素層は、通常、対電極の導電性バック コンタクトとして使用されます。最後の印刷ステップでは、多孔質モノリス構造に液体またはポリマーゲル電解質を重ねて印刷し、乾燥させた後、用途の要件に応じて、さまざまなカプセル化またはエンクロージャに組み込むことができます。ディスプレイは非常に薄く、多くの場合 30 マイクロメートルです。導電性カーボン層に対して透明導電性基板に電位を印加することで、デバイスのスイッチをオンにできます。これにより、動作電極内でビオロゲン分子の還元 (着色) が起こります。印加電位を反転するか、放電経路を提供することで、デバイスは漂白されます。エレクトロクロミック モノリスのユニークな特徴は、ビオロゲンを着色または漂白するために必要な電圧が比較的低い (約 1 ボルト) ことです。これは、表面に吸着されたビオロゲン/クロモゲンの電気化学的還元を促進するために必要な過電位が小さいことで説明できます。

ほとんどのタイプのスマートフィルムは動作するために電圧（例：110VAC）を必要とするため、そのようなタイプのスマートフィルムは、ユーザーに電気的な安全性を提供するために、ガラス、アクリル、またはポリカーボネートのラミネートで囲む必要があります。^{[引用が必要]}

ポリマー分散型液晶デバイス (PDLC) では、液晶が液体ポリマーに溶解または分散され、その後ポリマーが固化または硬化されます。ポリマーが液体から固体に変化する間、液晶は固体ポリマーと相溶性がなく、固体ポリマー全体に液滴を形成します。硬化条件は液滴のサイズに影響し、それが「スマート ウィンドウ」の最終的な動作特性に影響します。通常、ポリマーと液晶の液体混合物は、透明な導電性材料の薄い層を含む 2 つのガラスまたはプラスチックの層の間に置かれ、その後ポリマーが硬化され、スマート ウィンドウの基本的なサンドイッチ構造が形成されます。この構造は、実質的にコンデンサです。

電源からの電極が透明電極に取り付けられています。電圧がかかっていない場合、液晶は液滴内でランダムに配置され、スマート ウィンドウ アセンブリを通過するときに光が散乱します。これにより、半透明の「乳白色」の外観になります。電極に電圧がかかっている場合、ガラス上の 2 つの透明電極の間に形成される電界によって液晶が整列し、光がほとんど散乱せずに液滴を通過し、透明状態になります。透明度の度合いは、印加電圧によって制御できます。これが可能なのは、電圧が低い場合、電界内で完全に整列する液晶はわずかであるため、光のごく一部のみが通過し、ほとんどの光が散乱されるためです。電圧が増加すると、整列していない液晶が少なくなり、散乱する光が少なくなります。また、色調や特殊な内部層を使用すると、通過する光と熱の量を制御することもできます。

懸濁粒子デバイス (SPD) では、棒状のナノスケール粒子の薄膜ラミネートが液体に浮遊し、2 枚のガラスまたはプラスチックの間に配置されるか、1 つの層に取り付けられます。電圧が印加されていない場合、懸濁粒子はランダムに配列され、光を遮断または吸収します。電圧が印加されると、懸濁粒子は整列し、光を通過させます。フィルムの電圧を変えると、懸濁粒子の方向が変わり、それによってガラスの色合いと透過する光の量を調整します。SPD は、通過する光、グレア、熱の量を正確に制御するために、手動または自動で「調整」できます。

マイクロブラインドは、印加電圧に応じて通過する光の量を制御します。マイクロブラインドは、ガラス上に巻かれた薄い金属ブラインドで構成されています。それらは非常に小さいため、目にはほとんど見えません。金属層はマグネトロンスパッタリングによって堆積され、レーザーまたはリソグラフィープロセスによってパターン化されます。ガラス基板には、透明導電性酸化物(TCO) 層の薄い層が含まれています。薄い絶縁体が、電気を切断するために、巻かれた金属層と TCO 層の間に堆積されます。電圧が印加されていない場合、マイクロブラインドは巻かれ、光を通過させます。巻かれた金属層と透明導電層の間に電位差がある場合、2 つの電極間に形成された電界により、巻かれたマイクロブラインドが伸びて光を遮断します。マイクロブラインドには、スイッチング速度 (ミリ秒)、UV 耐久性、カスタマイズされた外観、透過率など、いくつかの利点があります。マイクロブラインドの技術は、国立研究会議 (カナダ)で開発されました。

相変化ポリマー（PCP）は、アモルファス状態と半結晶状態の間で可逆的な相転移を示します。 ^[14]この相変化は、サーモクロミックスマートガラスアプリケーションでは温度変化によって支配されるため、電気代をかけずに完全に自動化できます。 PCPの構造は、多くの場合、2つの主要コンポーネントで構成されます。相変化コンポーネントポリマー（P1と呼びます）は、親水性が異なるため前者とは強く相分離している別のポリマー（P2）と架橋されています。 したがって、P1とP2は、硬化後にミクロンレベルの相分離を形成できます。 温度がP1の相転移温度（Tp）を下回る場合、P1は半結晶性であり、その屈折率はP2の屈折率と一致するため、構造全体が可視光に対して透明になります。^[15]温度がTpを超えると、P1は溶融してアモルファス相に遷移し、P2との屈折率の不一致が大きく、不透明な外観になります。^[15] P1の材料を賢く選択することで、透過率スイッチの逆効果を観察することができます。たとえば、Tp以下で半結晶P1の屈折率がP2の屈折率と一致しない場合、フィルムは不透明になります。Tp以上で非晶質P1の屈折率がP2と一致する場合、フィルムは高温で透明になります。1つの代表的な用途は、倉庫のガラス窓にPCPをコーティングすることです。暑い日にはPCPが不透明になり、過剰な放射を遮断して部屋を冷やし、エアコンを稼働させるエネルギーを節約します。^[16]

スマート ガラスという表現は、光や温度などの環境信号に応じて光透過特性が変化するガラスも含め、より広い意味で解釈できます。

• 異なるタイプのガラスは、さまざまなクロミック現象を示します。つまり、光化学効果に基づいて、ガラスは光（フォトクロミズム）、温度（サーモクロミズム）、または電圧（エレクトロクロミズム）などの環境信号に応じて光透過特性を変更します。^[17]
• 液晶は、サーモトロピック状態にあるとき、温度に応じて光透過特性を変えることができる。しかし、液晶の特性を変えるには高温が必要であり、サーモトロピック液晶化合物は、可視色スペクトルのいくつかの波長を遮断せずに合成することが難しい場合がある。^[17]
• さまざまな金属が研究されてきた。薄い Mg-Ni フィルムは可視光線透過率が低く、反射性がある。H ₂ガスにさらされるか、アルカリ電解液で還元されると透明になる。この変化は、マグネシウムニッケル水素化物、Mg ₂ NiH ₄の形成によるものと考えられる。組成の変化を容易にするため、Ni と Mg の別々のターゲットから共スパッタリングによってフィルムが作成された。最終的には、単一ターゲットの DC マグネトロン スパッタリングが使用される可能性があり、これはエレクトロクロミック酸化物の堆積に比べて比較的簡単で、より手頃な価格になるだろう。ローレンス バークレー国立研究所は、新しい遷移金属はより安価で反応性が低いが、同じ品質を備えているため、コストがさらに削減されると判断した。
• タングステン添加二酸化バナジウム（VO
  ₂) コーティングは、気温が 29 °C (84 °F) を超えると赤外線を反射し、高温の環境で窓から太陽光が透過するのを防ぎます。二酸化バナジウムは、比較的低温で半導体から金属に変化します。この変化により、材料は導電性から絶縁性に変化し、ガラスの色と透過特性が変化します。コーティングがこの変化を起こすと、赤外線スペクトルをフィルタリングすることで、断熱対象が熱を吸収するのを効果的に防ぐことができます。^[18]

これらのタイプの窓ガラスは手動で制御できません。対照的に、電気で切り替えるスマート ウィンドウはすべて、温度計や光センサーと統合することで、温度や明るさに応じて光透過特性を自動的に調整するようにできます。

スマートガラスは、窓を通過する太陽光の量を制御することで、建物の省エネ暖房や冷房に使用できます。透明またはヘイズ温度制御フィルムにより、晴れて室内温度が高いときはスマートフィルムがヘイズ状態になります。晴れて室内温度が低いときは、スマートガラスは透明状態になります。

オフィス内：

• 会議室のガラス囲いに使用します。ガラスが透明な場合は、部屋の中や外を見ることができます。ガラスが不透明な場合は、プロジェクタースクリーンとして使用できます。
• ガラスカーテンウォールの省エネ機能

住宅の室内装飾：

• 照明カバーガラスカーテン、サンシャインハウス、リビングルーム、バスルームコンパートメント。ガラスは使用していないときは曇りの状態なのでプライバシーを保護し、透明になると日光を透過します。

商品の展示と商業広告：

• ガラスの陳列窓。不透明な場合は商品を保護し、商品紹介の投影に使用できます。透明な場合は店舗の広告に使用できます。

スマートガラスは、店舗の窓に貼る切り替え可能な投影スクリーンとして広告に使用できます。第 3 世代のスマートフィルム^[要説明]は前面投影と背面投影の両方に適しており、投影された画像は両側から見ることができます。^[要出典]

その他の特別な機会の用途としては、次のものがあります。

• トイレのガラスドアは、使用していないときは透明ですが、ドアを閉めるとすぐに曇ってしまいます。
• 2階のガラスの床と階段は歩くと曇って見えますが、それ以外は透明です。
• 病院では、ほこりや騒音を軽減するために、カーテンの代わりに乳児室や集中治療室の窓にプライバシー保護材を使用しています。
• スマートフィルムを無塵室や清掃室に適用すると、透明と不透明を切り替えることができ、無塵服を着用して入退室するお客様の不便さを軽減できます。

メルボルンのユーレカ タワーには、建物から 3 メートル (10 フィート) 突き出たガラスの立方体があり、訪問者は地上約 300 メートル (984 フィート) の高さに吊り下げられています。中に入ると、ガラスは不透明で、立方体が建物の端から突き出ます。端から完全に突き出ると、ガラスは透明になります。

ボーイング787ドリームライナーには、既存の航空機のプルダウンウィンドウシェードに代わるエレクトロクロミックウィンドウが搭載されています。^[19]

NASA は、新たに開発されたオリオンおよびアルタイル宇宙船 が経験する熱環境を管理するためにエレクトロクロミックの使用を検討しています。

スマートガラスは、フェラーリ575Mスーパーアメリカを含むいくつかの少量生産車に使用されています。^[20]

ICE 3高速列車では、客室と運転室の間にエレクトロクロミックガラスパネルが使用されています。

ワシントン記念塔のエレベーターでは、乗客が記念碑内の記念碑を見ることができるようにスマートガラスが使用されています。

アムステルダムのミュージアム広場にある市内のトイレには、ドアが閉まっているときに空いている個室の使用状況を簡単に確認でき、使用中の場合はプライバシーを確​​保するためのスマートガラスが採用されている。

ボンバルディア・トランスポーテーションは、シンガポールのブキット・パンジャンLRT線で運行されているボンバルディア・イノビアAPM100にインテリジェントなオンブラーウィンドウを搭載し、列車の走行中に乗客がアパートを覗き込むのを防いでいます^{[21] 。また、}フレキシティ2ライトレール車両にスマートガラス技術を使用した窓を設置する予定です。^[22]

中国の携帯電話メーカーOnePlusは、背面カメラがエレクトロクロミックガラスの裏側に配置された携帯電話を披露した。^[23]

東京の公衆トイレでは、安全性とプライバシーの問題に対処するためにこの技術が使用されています。トイレに近づく人は、ドアがロックされていない間は内部が見えるため、トイレが空いているかどうかを確認できます。使用中のトイレのドアがロックされると、部屋の壁は不透明になります。^{[24] [25]}

フォルクスワーゲンID.7には、透明から不透明に電気的に切り替えることができるスマートガラスパノラマサンルーフが装備されています。^[26]

• アンチフラッシュホワイト
• フラッシュ失明
• 加熱可能なガラス
• スマートフィルム
• LEDフィルム

• グランクヴィスト、クレス=ゴーラン(2002) [1995]。無機エレクトロクロミック材料のハンドブック。アムステルダム：エルゼビア。ISBN 9780444541635. OCLC  754957758.

ウィキメディア・コモンズには、スマートガラスに関連するメディアがあります。

• クロモジェニックス、ローレンス・バークレー国立研究所の窓と採光