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NTT、世界最薄液晶層の「透過型メタサーフェスデバイス」を開発し、電波の可変制御に成功
窓ガラスに貼って電波環境を改善できる
2026年3月30日 11:55
NTT株式会社は3月27日、5Gや6Gをはじめとするさまざまな無線環境がある屋内や屋外の窓ガラスに設置することで、電波を制御できる「透過型メタサーフェスデバイス」を開発したと発表した。建物の窓ガラスなどに貼付すれば、透過する電波を制御して、遮蔽物などによって、電波が届きにくい場所の電波環境を改善できるという。
メタサーフェスとは、電波の波長に対して小さい構造を平面上に周期的に多数配置し、特定の電磁応答を得るように設計された人工構造のこと。透過型液晶メタサーフェスデバイスは、ガラス基盤に液晶の構造をはさんだ薄いデバイスで、液晶に電圧印加（電圧を加えること）することで、デバイスを透過する電波の方向を電子的に変更できる。
今回発表された透過型メタサーフェスデバイスは、液晶ディスプレイの液晶層と同等となる世界最薄の液晶厚みで製造できるため、大面積化が容易である点も特徴となる。
NTT先端集積デバイス研究所の来山大祐氏（光電子融合研究部 主任研究員）は、「高周波無線サービスエリアを、低コスト、低消費電力で拡大できる」としている。
世界最薄の「メタサーフェス構造」
今回の技術の実現においては、いくつかのポイントがある。
なかでも最大の特徴は、世界最薄の液晶厚を実現するNTT独自のメタサーフェス構造を実現している点だ。
従来の構造では、動作周波数が低くなるにつれて波長が長くなり、それに伴い、必要な液晶の厚みが増加するのが課題であり、液晶層が数100μmの厚みとなる場合もあったという。
NTTでは、液晶厚が動作周波数と独立した構造を新たに創出。液晶層を薄くした際の特性劣化の原因である磁気的共振を用いず、液晶層に電界が集中する共振モードを有する共振器構造を実現し、世界最薄の液晶厚での動作を可能とするとともに、マイクロ波からサブテラヘルツ波帯の幅広い周波数帯で、世界最薄の液晶厚みのメタサーフェスを実現した。
「NTT独自の単位セル構造としたことで、2つの金属層に挟まれた液晶層の厚みが3.5μmとなり、薄型化が可能になっている」という。
また、移動無線通信では、縦方向と横方向の偏波への対応が求められるが、高周波数信号に対しては、配線を含めて回転対称構造とできるため、移動無線通信で用いられる垂直水平の両直線偏波への対応を実現。さらに、メタサーフェス構造を導電率の異なる2種類の導電材料で構成したことで、二次元の制御配線を用いた場合でも高周波信号が共振器構造のみと結合し、透過電波の二次元制御を可能としたという。
セル（ピクセル）サイズも、波長の1/8と非常に小さいため、大面積化が容易であり、アレーアンテナでは実現が困難な複雑な透過ビーム形状も実現できるのも特徴だ。さらに、液晶ディスプレイの生産技術は成熟しているため、これを活用することで、大面積の構造物を、低コストで生産することができるというメリットも生まれる。
「メタサーフェスを制御する方式としては、液晶方式が注目されているが、広く普及している液晶ディスプレイと比べて厚い液晶層が必要となることから、製造が困難であったり、重量が増加したり、液晶厚の増加がデバイス動作速度の低下につながる課題があった。今回の技術では、薄型化を図ったことで、その点でも課題が解決できる」としている。
窓ガラスなどに設置し、電波を動的に制御
これまでにも、NTTドコモが同様の技術を開発しており、2021年には、メタサーフェス技術によって、窓ガラスの電波レンズ化に成功したり、2023年には透過型メタサーフェスによって遮蔽物で電波が届かない屋外の建物の足元に屋内の電波を届ける実証に成功したり、といった成果がある。いずれも世界初の技術として注目されている。
だが、今回、NTTが開発したのは、「動的メタサーフェス」と言われるもので、液晶への電圧印加により透過する電波の方向を電子的に変更。電波を動的に制御することができるという点で大きな違いがある。
NTTでは、3.5μmの液晶層を有する透過型液晶メタサーフェスデバイスを試作し、サブテラヘルツ帯（115GHz）を対象にして実験を行った。窓ガラスにNTTが開発した透過型液晶メタサーフェスを貼付して運用するというイメージを想定したものだ。
試作デバイスに対して、サブテラヘルツ帯（115GHz）の電波を入射し、目的とする伝搬に応じた制御信号を入力して、透過波の信号強度を評価した結果、透過波の方向および集光位置の可変制御を設計通りに実現できることを確認したという。
「入射した電波に、電圧を印加し、電気的に制御することで、さまざまなビームを作れるかどうかを検証した。マルチビーム形成、集光制御、方向制御などのさまざまな透過波制御が可能であることが実証できた。FR3帯からサブテラヘルツ帯の広い周波数においても、液晶ディスプレイと同等厚みを維持しながら、展開が可能であることも示すことができた」とする。
この技術は、6Gが本格化する時代になって、より高い効果が発揮されると予測している。というのも、6Gで議論されているFR3帯（7～24GHz）やサブテラヘルツ帯（100GHz～300GHz）は、従来周波数に比べて直進性が強く、電波の回り込みが弱いため、遮蔽物の影響を受けやすいという課題がある。特に、屋外から屋内に電波を誘導する場合には、従来周波数では、伝搬経路が窓などに限られても、拡散して全体に行きわたったが、高周波数帯では窓を通過した電波の直進性や減衰性が高いことから、電波が届かない不感地帯が形成されやすい傾向がある。
今回のメタサーフェスデバイスを、窓ガラスなどに設置することで、電波の透過方向を制御でき、不感地帯をなくすことができるという。
「5Gや6Gのエリア展開を拡大するために、この技術を活用したい。基地局を追加しなくても、遮蔽物で隠れた場所に電波を飛ばすことができるため、低コストで、早期に展開できる」とし、「メタサーフェスデバイスを設置する場所と、基地局や端末との距離、周波数帯によっても、必要となる面積が異なると見ている。100GHz帯で、数100mの距離だと、20～30cm角のメタサーフェスデバイスが必要であり、それを窓ガラスに貼付することになる。製造技術やプロセスは液晶ディスプレイと同じであり、その生産設備を利用できる。3.5μmという幅であるため、液晶ディスプレイが作られているサイズであれば、メタサーフェスデバイスを生産できることになる。実用化に向けては、製造パートナーとの連携なども視野に入れることになる」とした。
今後の取り組みについて、来山氏は、「現時点では、実験室のなかでの特性評価が完了したところである。今後は、屋内、屋外を問わずに、実際の環境に設置された無線システムを活用し、実力を評価し、デバイスの設計にフィードバックしていきたい。建物の建材ガラスに設置した場合に特性を維持できるかどうかも検証していく」としたほか、「5Gや6Gという移動無線通信に限らず、センサーやレーダーなどのさまざまなユースケースに活用できる可能性がある。ユースケースの拡大に取り組んでいきたい」とした。