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奈良先端大、太陽光で色がつき電気で透明になる素材を開発 窓のスマート化に応用

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奈良先端大、太陽光で色がつき電気で透明になる素材を開発 窓のスマート化に応用

奈良先端科学技術大学院大学は、電気を流すと理想的な電流効率(100%)の20倍以上の極めて高い効率で色が消えるエレクトロクロミック分子の開発に成功した。本素材は光で着色し、電気で消色することが可能なことから、外光の取り入れ量を調節するビルや自動車の調光機能窓(スマートウインドウ)の材料として利用すれば、従来の10倍以上の省エネルギー化が可能となるという。

外光の状態に応じて光の透過率を変化させ、外光の取り入れ量を調節する調光機能材料はスマートウインドウとして冷房効率の向上など省エネ技術への応用が期待されている。

このような調光機能を示す材料として、光に当たると色が変化するフォトクロミック分子がある。フォトクロミック分子とは、異なる波長(色)の光に応答して分子構造や色が可逆に変化する分子で、光による可逆的な変色現象はフォトクロミズムと呼ばれている。

サングラスなどでは紫外線を含む太陽光線が当たると色が付き、室内では自然に色が消えるフォトクロミック色素が使われている。また、電気化学的な酸化・還元によりその色が変化する分子をエレクトロクロミック分子といい、電気による可逆的な変色現象はエレクトロクロミズムと呼ばれている。

光照射によって着色(青)し、通電によって消色(無色透明)する

従来、スマートウインドウでは順方向の電流で着色、逆方向の電流で消色を行うエレクトロクロミック型の分子が利用されており、ビルの外窓、自動車のサンルーフや、飛行機の窓にも利用が検討されている。しかし、着色、消色の両方に電力が必要なため、電流効率を改善することが模索されてきた。

今回の開発のヒントとなったのは、同大学の河合壯教授がおよそ20年前に発見した現象で、光で着色するフォトクロミック分子でも、電気によって色を消すことができる分子があるということだった。この研究をヒントに分子に平面的な広がりを加えて電気化学反応を起こりやすくする方法を考えた。

その結果、新しい分子では光照射によって創られる着色状態を電気で消色する事が可能になり、しかもその電流効率が2000%を超えることを見いだした。通常の電気化学反応では電子1つで分子1つが反応する場合が理想的(効率100%)であるが、今回の研究成果では1電子で次々に20個の分子の色を消すことができる点が画期的であると説明している。

本研究グループでは、すでに100%のフォトクロミック反応効率により着色する光センサー分子を報告している。これに、今回発見した高効率で消色反応を示すエレクトロクロミック反応を組み合わせることで、省エネ型のスマートウインドウのほか、光により書き込み、電気により消去する表示素子(カラー電子ペーパー)などへの応用の可能性も考えられている。

なお、今回の研究は同大学の文部科学省特別経費「グリーンフォトニクス研究教育推進拠点整備事業」およびNAIST先端的研究連携事業の成果とされている。また、本成果は、アメリカ化学会誌に平成24年11月19日Web上で先行掲載された。

【参考】
奈良先端科学技術大学院大学 - 超低消費電力のスマートウインドウ用材料

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