(57)【要約】【課題】本開示は、温度帯選択性を有する熱放射構造体を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態の一態様は、導体層と、前記導体層の上に、第１の相転移材料から構成される第１の相転移材料層と、前記第１の相転移材料層の上に、周期構造を有しかつ第２の相転移材料から構成される第２の相転移材料層と、を含み、前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも低いか、或いは前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも高い、熱放射構造体に関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体層と、
前記導体層の上に、第１の相転移材料から構成される第１の相転移材料層と、
前記第１の相転移材料層の上に、周期構造を有しかつ第２の相転移材料から構成される第２の相転移材料層と、
を含み、
前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも低いか、或いは
前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも高い、熱放射構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、主に、熱を放射可能な熱放射構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品を含む電子機器は、電子部品の性能や寿命の観点から、温度を適正な範囲に保つことが望まれている。そこで、熱マネジメントにより各種産業機器の効率化に貢献できれば、ＣＯ２排出削減等の環境対応をはじめとする非常に大きいインパクトを与えることができる。熱伝達の三モード（伝導、対流、輻射）のうち熱輻射は、高い制御性を有する。そこで、電子機器の温度を制御するために、機器内の熱輻射（熱放射）を利用することにより制御可能な熱制御装置が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する相変化物質に、高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせて構成された複合材料により、対象物の温度を制御することを特徴とする熱制御装置が開示されている。特許文献１の発明は、対象物が高温の場合、外部環境への放熱量を大きくすることができ、対象物が低温の場合、外部環境への放熱量を小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２０７９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K. Ito, K. Nishikawa, H. Iizuka, H. Toshiyoshi, “Experimental investigation of radiative thermal rectifier using vanadium dioxide,” Applied Physics Letters 105, No. 25, 253503 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献に示されるように、相転移材料を利用して、すなわち相転移材料の高温相と低温相における性質の違いを利用して、熱を制御すべき対象物の熱を制御可能な熱放射構造体が開示されている。
【０００７】
しかしながら、従来技術においては、特許文献１の発明のように、低温又は高温という２つの温度帯での熱放射性の変化を有する熱放射構造体しか開示されておらず、所定の温度帯で熱放射性が高くなり且つそれ以外の温度帯では熱放射性が低くなる性質（以下、温度帯選択性とも称す）を有する熱放射構造体は存在しない。
【０００８】
そこで、本開示は、温度帯選択性を有する熱放射構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態の態様は、以下の通りに表すことができる。
【００１０】
（１）  導体層と、
前記導体層の上に、第１の相転移材料から構成される第１の相転移材料層と、
前記第１の相転移材料層の上に、周期構造を有しかつ第２の相転移材料から構成される第２の相転移材料層と、
を含み、
前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも低いか、或いは
前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも高い、熱放射構造体。
（２）  前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも低い、（１）に記載の熱放射構造体。
（３）  前記第１の相転移材料及び第２の相転移材料が、それぞれ独立して、バナジウム酸化物を含む、（２）に記載の熱放射構造体。
（４）  前記バナジウム酸化物が、二酸化バナジウム、又は二酸化バナジウムにおいてバナジウムの一部が他の金属で置換された酸化物である、（３）に記載の熱放射構造体。
（５）  前記第１の相転移材料が、二酸化バナジウムであり、前記第２の相転移材料が、二酸化バナジウムにおいてバナジウムの一部が他の金属で置換された酸化物である、（４）に記載の熱放射構造体。
（６）  前記他の金属が、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ及びＲｕからなる群から選択される少なくとも１種である、（４）又は（５）に記載の熱放射構造体。
（７）  前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも高い、（１）に記載の熱放射構造体。
（８）  前記第１の相転移材料及び第２の相転移材料が、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物を含む、（７）に記載の熱放射構造体。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、温度帯選択性を有する熱放射構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の熱放射構造体１０の構成を説明するための模式的断面図である。
【図２】図１の熱放射構造体の模式的斜視図である。
【図３】図１の熱放射構造体の１セルの寸法例を説明するための模式的斜視図である。
【図４】本実施形態の熱放射構造体２０の構成を説明するための模式的断面図である。
【図５】図４の熱放射構造体の模式的斜視図である。
【図６】図４の熱放射構造体の１セルの寸法例を説明するための模式的斜視図である。
【図７】第一の実施形態としての熱放射構造体１００の１セルを示す模式的断面図である。
【図８Ａ】熱放射構造体１００の温度が低温である場合について、熱放射構造体１００の熱放射特性について説明するための模式的断面図である。
【図８Ｂ】熱放射構造体１００の温度が所定の温度帯の範囲内である場合について、熱放射構造体１００の熱放射特性について説明するための模式的断面図である。
【図８Ｃ】熱放射構造体１００の温度が高温である場合について、熱放射構造体１００の熱放射特性について説明するための模式的断面図である。
【図９】熱放射構造体１００について、所定の温度帯で熱放射性が向上する温度帯選択性を説明するための概念図である。
【図１０】第二の実施形態としての熱放射構造体２００の１セルを示す模式的断面図である。
【図１１Ａ】熱放射構造体２００の温度が低温である場合について、熱放射構造体２００の熱放射特性について説明するための模式的断面図である。
【図１１Ｂ】熱放射構造体２００の温度が所定の温度帯の範囲内である場合について、熱放射構造体２００の熱放射特性について説明するための模式的断面図である。
【図１１Ｃ】熱放射構造体２００の温度が高温である場合について、熱放射構造体２００の熱放射特性について説明するための模式的断面図である。
【図１２】熱放射構造体２００について、所定の温度帯で熱放射性が向上する温度帯選択性を説明するための概念図である。
【図１３】実施例１で検証した熱放射構造体の構成を説明するための模式的断面図である。
【図１４】実施例１で検証した熱放射構造体の寸法を説明するための模式的断面図である。
【図１５Ａ】実施例１において、低温（２０℃）における熱放射構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。
【図１５Ｂ】実施例１において、所定の温度帯内（６０℃）における熱放射構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。
【図１５Ｃ】実施例１において、高温（１００℃）における熱放射構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。
【図１６Ａ】実施例１において、低温（２０℃）における熱放射構造体の放射特性を解析した結果を示すグラフである。
【図１６Ｂ】実施例１において、所定の温度帯内（６０℃）における熱放射構造体の放射特性を解析した結果を示すグラフである。
【図１６Ｃ】実施例１において、高温（１００℃）における熱放射構造体の放射特性を解析した結果を示すグラフである。
【図１７】実施例２において、第２の相転移材料層の膜厚を変えて熱放射構造体の放射特性を解析した結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本実施形態は、導体層と、前記導体層の上に、第１の相転移材料から構成される第１の相転移材料層と、前記第１の相転移材料層の上に、周期構造を有しかつ第２の相転移材料から構成される第２の相転移材料層と、を含み、前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも低いか、或いは前記第１の相転移材料及び前記第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料であり、且つ前記第２の相転移材料の相転移温度が、前記第１の相転移材料の相転移温度よりも高い、熱放射構造体である。
【００１４】
本実施形態によれば、温度帯選択性を有する熱放射構造体を提供することができる。すなわち、第２の相転移材料の相転移温度（以下、第２の相転移温度とも称す）及び第１の相転移材料の相転移温度（第１の相転移温度とも称す）の間において、熱放出性が向上するという温度帯選択性を奏する熱放射構造体を提供することができる。
【００１５】
以下、本実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態の熱放射構造体１０の構成を説明するための模式的断面図である。図２は、図１の熱放射構造体の模式的斜視図である。図３は、図１の熱放射構造体１０の１セルの寸法例を説明するための模式的斜視図である。図１は、図２の熱放射構造体１０を点線ＡＡ'により矢印の方向に向かって切断した際の断面図に相当する。本実施形態において、左右方向、前後方向及び上下方向は、図２又は３に示した通りとする。熱放射構造体１０は、導体層１と、該導体層１の上に形成された第１の相転移材料層２と、該第１の相転移材料層２の上に形成された周期構造を有する第２の相転移材料層３と、を含む。第１の相転移材料層２は第１の相転移材料から構成され、第２の相転移材料層３は第２の相転移材料から構成される。第２の相転移材料層３は、複数の個別導体層を有する。
【００１７】
第１の相転移材料及び第２の相転移材料は、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料であり、且つ第２の相転移材料の相転移温度が、第１の相転移材料の相転移温度よりも低いか、或いは第１の相転移材料及び第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料であり、且つ第２の相転移材料の相転移温度が、第１の相転移材料の相転移温度よりも高い。
【００１８】
この熱放射構造体１０は、所定の温度帯、すなわち第１の相転移材料の相転移温度（第１の相転移温度）及び第２の相転移材料の相転移温度（第２の相転移温度とも称す）の間の温度において、メタマテリアルエミッターとして機能し、図１における上方向に熱を効率的に放射することができる。すなわち、熱放射構造体１０の熱放射率は、所定の温度帯において向上する。そのため、熱放射構造体１０は、温度帯選択性を有する。
【００１９】
導体層１は、導体（電気伝導体）から構成される。導体材料としては、金属が挙げられ、金属の具体例としては、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、又はタンタル（Ｔａ）等が挙げられる。
【００２０】
上述のとおり、一実施形態において、第１の相転移材料及び第２の相転移材料は、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料であり、且つ第２の相転移材料の相転移温度が、第１の相転移材料の相転移温度よりも低い（第一の実施形態とも称す）。或いは、一実施形態において、第１の相転移材料及び第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料であり、且つ第２の相転移材料の相転移温度が、第１の相転移材料の相転移温度よりも高い（第二の実施形態とも称す）。
【００２１】
相転移材料は、高温相と低温相とで導電性が変化する材料であり、具体的には金属相と絶縁体相（又は誘電体相）とに変化する。相転移材料としては、高温相と低温相とで導電性が変化する材料であれば、特に制限されずに用いることができる。相転移材料は相変化材料とも表現し得る。
【００２２】
第一の実施形態において、第１の相転移材料及び第２の相転移材料としては、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料（より具体的には、高温相では金属的性質を有し、低温相では絶縁体的性質（絶縁体相又は誘電体相）を有し、かつ、高温相での熱放射率が小さく、低温相での熱放射率が大きい材料）が用いられる。第１の相転移材料及び第２の相転移材料は、それぞれ独立して選択され得る。このような相転移材料としては、例えば、バナジウム酸化物が挙げられる。バナジウム酸化物としては、例えば、二酸化バナジウム、又は二酸化バナジウムにおいてバナジウムの一部が他の金属で置換された酸化物等が挙げられる。他の金属としては、好ましくは、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ及びＲｕからなる群から選択される少なくとも１種が挙げられる。二酸化バナジウムは、一般的に、７０℃（３４３Ｋ）付近に相転移温度を有する。また、二酸化バナジウム等の相転移材料は、他の金属の添加によりその相転移温度を下げることができ、例えば、二酸化バナジウムにタングステン（Ｗ）を１％添加すると、相転移温度を約３０℃下げることができる。
【００２３】
第二の実施形態において、第１の相転移材料及び第２の相転移材料としては、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料（より具体的には、高温相では絶縁体的性質（絶縁体相又は誘電体相）を有し、低温相では金属的性質を有し、かつ、高温相での熱放射率が大きく、低温相での熱放射率が小さい材料）が用いられる。第１の相転移材料及び第２の相転移材料は、それぞれ独立して選択され得る。このような相転移材料としては、例えば、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物等が挙げられる。ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物としては、例えば、Ａ１−ＸＢＸＭｎＯ３で表されるＭｎを含むペロブスカイト酸化物（Ａは、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ及びＳｍから選ばれる少なくとも１つの希土類金属を表し、Ｂは、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選ばれる少なくとも１つのアルカリ土類金属を表す）が挙げられる。ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物は、一般的に、−２１０〜−１５０℃に相転移温度を有するものが多い。また、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の他には、Ｃｒを含むコランダムバナジウム酸化物が挙げられ、具体的には（Ｖ１−ＸＣｒＸ）２Ｏ３で表されるコランダムバナジウム酸化物が挙げられる。
【００２４】
相転移材料において、高温相での抵抗値と低温相での抵抗値とが３桁以上異なることが好ましい。相転移温度よりも５０℃高い温度での抵抗値と相転移温度よりも５０℃低い温度での抵抗値とが３桁以上異なることが好ましく、相転移温度よりも３０℃高い温度での抵抗値と相転移温度よりも３０℃低い温度での抵抗値とが３桁以上異なることが好ましい。相転移温度Ｔｃは、例えば、Ｔｃでの抵抗値の対数がＴｃ±５０℃での抵抗値の対数の平均と等しくなるような温度と定義できる。相転移が温度ヒステリシスを取る場合は、昇温時のＴｃと降温時のＴｃの平均として定義すればよい。
【００２５】
第１の相転移材料層２と第２の相転移材料層３との間には、接着層が形成されていてもよい。また、導体層１と第１の相転移材料層２との間に接着層が形成されていてもよい。接着層は、各層を直接接合する場合と比べて接着力を高めることができる。接着層の材料としては、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、又はＲｕ等が挙げられる。また、その他にも、接着層の材料としては、アモルファスシリコンを用いてもよい。接着層の膜厚は、本実施形態の効果の発現を妨げない厚さとすることが望ましい。
【００２６】
第２の相転移材料層３は、周期構造を有する。具体的には、第２の相転移材料層３は複数の個別導体層を備え、この個別導体層が放射面に沿った方向に互いに離間して形成されることで、周期構造を構成することができる。なお、図１〜３においては、直方形型の個別導体層が開示されているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、個別導体層は、例えば線状型、十字型又は円盤型等の様々な形状を採用することができ、所望の放射波長に応じて個別導体層の形状を調整することができる。
【００２７】
一実施形態において、複数の個別導体層は、左右方向（第１方向）に間隔Ｄ１ずつ離れて互いに等間隔に配設されている（図１参照）。また、複数の個別導体層は、左右方向に直交する前後方向（第２方向）に間隔Ｄ２（不図示）ずつ離れて互いに等間隔に配設されている。個別導体層は、このように格子状に配列されている。複数の個別導体層の各々は、厚さｔ３（上下高さ）が横幅Ｗ（左右方向の幅）及び縦幅Ｌ（前後方向の幅）よりも小さい直方体形状をしている。第２の相転移材料層３の周期構造の周期は、横方向の周期Λ１＝Ｄ１＋Ｗ（Ｐｗ）、縦方向の周期Λ２＝Ｄ２＋Ｌ（ＰＬ）である。
【００２８】
導体層１の膜厚（ｔ1）、第１の相転移材料層２の膜厚（ｔ２）、及び第２の相転移材料層３の膜厚（ｔ３）は、特に制限されるものではなく、それぞれ適宜選択することができる。導体層１の膜厚（ｔ1）は、例えば、３０〜３００ｎｍである。第１の相転移材料層２の膜厚（ｔ２）は、例えば、５０〜５００ｎｍである。第２の相転移材料層３の膜厚（ｔ３）は、例えば、３０〜３００ｎｍである。
【００２９】
熱放射構造体１０は、所望の波長で赤外線を放射面から放射する特性を有するように、上述した材料、形状、及び周期構造等を調整することができる。個別導体層の各々の形状に関して、横幅Ｗは、例えば、５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。縦幅Ｌは、例えば、５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。厚さｔ３は、例えば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、第２の相転移材料層３の周期構造に関して、左右方向の間隔Ｄ１は、例えば、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。前後方向の間隔Ｄ２は、例えば、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。なお、横幅Ｗと縦幅Ｌとは、同じ値としてもよいし異なる値としてもよい。間隔Ｄ１及び間隔Ｄ２や、周期Λ１及び周期Λ２についても同様である。
【００３０】
図１〜３においては、第１の相転移材料層２が導体層１と同様に平板状に形成されている形態が示されているが、第１の相転移材料層２の形状は、この形態に特に制限されるものではなく、例えば、第２の相転移材料層３に追従して周期構造を有してもよい。第１の相転移材料層２が第２の相転移材料層３に追従して周期構造を有する熱放射構造体２０について、その構成例を図４〜６に示す。図４は、熱放射構造体２０の構成を説明するための模式的断面図であり、図５は、図４の熱放射構造体２０の模式的斜視図であり、図６は、図４の熱放射構造体２０の１セルの寸法例を説明するための模式的斜視図である。
【００３１】
以下、さらに具体的な実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００３２】
（第一の実施形態）
上述した第一の実施形態について、図７を参照しつつ説明する。図７は、基板１０４上に形成された熱放射構造体の１セルを示す模式的断面図である。
【００３３】
第一の実施形態では、上述の通り、第１の相転移材料及び第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料（より具体的には、高温相では金属的性質を有し、低温相では絶縁体的性質を有し、かつ、高温相での熱放射率が小さく、低温相での熱放射率が大きい材料）が用いられる。また、第一の実施形態において、第２の相転移材料の相転移温度は第１の相転移材料の相転移温度よりも低い。一実施形態において、例えば、第１の相転移材料が二酸化バナジウムであり、第２の相転移材料が二酸化バナジウムにおいてバナジウムの一部が他の金属で置換された酸化物である。上述の通り、二酸化バナジウムに他の金属を添加することにより、その相転移温度を下げることができる。より具体的には、一実施形態として、第１の相転移材料が二酸化バナジウムであり、第２の相転移材料が二酸化バナジウムにおいてバナジウムの一部がタングステン（Ｗ）で置換された酸化物（Ｗドープ型二酸化バナジウムとも称す）である。
【００３４】
基板１０４は、熱放射構造体１００が設置されるものであり、特に制限されるものではない。基板としては、例えば、温度制御又は温度管理等の対象物の一部分であり得る。
【００３５】
導体層１０１は、金属（例えばＡｌ）から構成される平板状の部材である。図７は、基板１０４と導体層１０１が別の材料で構成されている形態を示しているが、本実施形態は特にこの形態に限定されるものではない。例えば、温度制御又は温度管理等の対象物が表面に導体を有する場合、この導体を熱放射構造体の導体層として利用してもよい。
【００３６】
第１の相転移材料及び第２の相転移材料は、上述の通り、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料である。また、第２の相転移材料の相転移温度が、第１の相転移材料の相転移温度よりも低い。
【００３７】
第１の相転移材料層１０２は、導体層１０１の上に形成され、例えば、二酸化バナジウムから構成される。二酸化バナジウムは、約３４０Ｋ付近で抵抗値が３桁以上変化する相転移材料であり、高温相では金属的性質を有し、低温相では絶縁体的性質を有し、かつ、高温相での熱放射率が小さく、低温相での熱放射率が大きい相転移材料である。なお、図７では、平板状である第１の相転移材料層１０２が示されているが、上述の通り、第１の相転移材料層１０２は、第２の相転移材料層１０３の周期構造に追従する周期構造を有していてもよい。
【００３８】
第２の相転移材料層１０３（個別導体層）は、例えば、Ｗドープ型二酸化バナジウムから構成される。二酸化バナジウムの場合、例えば、バナジウムの一部をタングステンで置換すると（Ｖ１−ｘＷｘＯ２）、その相転移温度を下げることができる。Ｗドープ型二酸化バナジウムの相転移温度は、そのＷの添加量（ドープ量）に応じて、例えば、３０〜６５℃の範囲であり得る。
【００３９】
ここで、第一の実施形態に係る熱放射構造体１００が、温度帯選択性を有するメカニズムについて説明する。
【００４０】
図８Ａに示すように、熱放射構造体１００の温度が低温である場合、すなわち、熱放射構造体１００の温度が第２の相転移材料の相転移温度以下（例えば２０℃）である場合について説明する。熱放射構造体１００の温度が低い場合、第１の相転移材料層１０２及び第２の相転移材料層１０３の両方が誘電体相となる。その結果、導体層１０１での反射が主に生じ、熱吸収率が低下する。熱吸収率の低下は、キルヒホッフの法則より、熱放射率が低下することを意味する。
【００４１】
図８Ｃに示すように、熱放射構造体１００の温度が高温である場合、すなわち、熱放射構造体１００の温度が第１の相転移材料の相転移温度よりも高い場合（例えば１００℃）について説明する。熱放射構造体１００の温度が高い場合、第１の相転移材料層１０２及び第２の相転移材料層１０３の両方が金属相となる。その結果、反射が主に生じ、熱吸収率が低下する。熱吸収率の低下は、キルヒホッフの法則より、熱放射率が低下することを意味する。
【００４２】
図８Ｂに示すように、熱放射構造体１００の温度が所定の温度帯の範囲内である場合、すなわち、熱放射構造体１００の温度が第２の相転移材料の相転移温度超且つ第１の相転移材料の相転移温度以下である場合（例えば６０℃）について説明する。熱放射構造体１００の温度が所定の温度帯の範囲内である場合、第２の相転移材料層１０３が金属相となり、第１の相転移材料層１０２が誘電体相となる。すなわち、熱放射構造体１００は、誘電体層（第１の相転移材料層１０２）が二つの導体層（導体層１０１及び第２の相転移材料層１０３）に挟まれた構造を有する。これにより、熱放射構造体１００は、主に赤外線として熱を放射可能な特性を有するメタマテリアルエミッターとして機能する。この特性は、マグネティックポラリトン（Magnetic polariton）で説明される共鳴現象によるものと考えられている。なお、マグネティックポラリトンとは、上下２枚の導体（導体層１０１及び第２の相転移材料層１０３）間の誘電体（第１の相転移材料層１０２）内において強い電磁場の閉じ込め効果が得られる共鳴現象のことである。これにより、所定の温度帯内にある熱放射構造体１００では、第１の相転移材料層１０２のうち導体層１０１と第２の相転移材料層１０３の個別導体層とに挟まれる部分、そして導体層のうち誘電体層に接する部分が赤外線の放射源となる。そして、その放射源から放たれる赤外線は周囲環境に平面波として放射される。また、この熱放射構造体１００では、導体層１０１、第１の相転移材料層１０２若しくは第２の相転移材料層１０３の材料、又は第２の相転移材料層１０３の形状若しくは周期構造を調整することで、共鳴波長を調整することができる。これにより、熱放射構造体１００の放射面の放射率は、所定の波長において高くなる特性を示す。
【００４３】
以上の理由により、熱放射構造体１００は、図９に示すように、所定の温度帯で熱放射性が向上する温度帯選択性を有する。すなわち、熱放射構造体１００は、第２の相転移材料の相転移温度及び第１の相転移材料の相転移温度の間において、熱放出性が向上するという温度帯選択性を奏する。
【００４４】
なお、このような熱放射構造体１００は、例えば以下のように形成することができる。
【００４５】
まず、基板１０４の表面にスパッタリングにより導体層１０１を形成する。また、基板１０４と導体層１０１の間に接着層を設けてもよい。なお、基板は、例えば、温度を制御若しくは管理する対象となる対象物の一部であってもよい。また、基板１０４を含めて、本実施形態の熱制御装置又は熱放射装置としてもよい。
【００４６】
次に、導体層１０１の表面にスパッタリングにより第１の相転移材料層１０２を形成する。続いて、第１の相転移材料層１０２の表面にスパッタリングにより第２の相転移材料層１０３を形成する。そして、レジストパターンを除去することにより、第２の相転移材料層１０３（複数の個別導体層）を形成する。
【００４７】
また、基板１０４（例えばＳｉ基板）の表面に、スパッタリングにより、導体層１０１、第１の相転移材料層１０２及び第２の相転移材料層１０３の積層構造を形成した後、所定のレジストパターンを第２の相転移材料層１０３上に形成し、反応性イオンエッチングを施して第２の相転移材料層１０３をパターニングすることにより、熱放射構造体１００を作製してもよい。
【００４８】
（第二の実施形態）
上述した第二の実施形態について、図１０〜１２を参照しつつ説明する。図１０は、熱放射構造体の１セルを示す模式的断面図である。
【００４９】
第一の実施形態では、上述の通り、第１の相転移材料及び第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料であり、且つ第２の相転移材料の相転移温度が第１の相転移材料の相転移温度よりも低い形態について説明した。第二の実施形態では、第１の相転移材料及び第２の相転移材料が、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料（より具体的には、高温相では絶縁体的性質を有し、低温相では金属的性質を有し、かつ、高温相での熱放射率が大きく、低温相での熱放射率が小さい材料）であり、且つ第２の相転移材料の相転移温度が第１の相転移材料の相転移温度よりも高い形態について説明する。
【００５０】
第二の実施形態において、第１の相転移材料及び第２の相転移材料は、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さく、かつ、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料である。このような材料としては、例えば、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物が挙げられる。ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物は、その組成によって異なる相転移温度を有し、例えば、−２１０〜−１５０℃の範囲に相転移温度を有し得る。ぺロブスカイト型Ｍｎ酸化物は、ＣａやＳｒ等をドープすることで相転移温度を制御することができる。また、ぺロブスカイト型Ｍｎ酸化物は、磁場を印加することでも相転移温度を制御することができる。
【００５１】
ここで、第二の実施形態に係る熱放射構造体が、温度帯選択性を有するメカニズムについて説明する。
【００５２】
図１１Ａに示すように、熱放射構造体２００の温度が低温である場合、すなわち、熱放射構造体２００の温度が第１の相転移材料の相転移温度以下（例えば−２１０℃）である場合について説明する。熱放射構造体２００の温度が低い場合、第１の相転移材料層２０２及び第２の相転移材料層２０３の両方が金属相となる。その結果、反射が主に生じ、熱吸収率が低下する。熱吸収率の低下は、キルヒホッフの法則より、熱放射率が低下することを意味する。
【００５３】
図１１Ｃに示すように、熱放射構造体２００の温度が高温である場合、すなわち、熱放射構造体２００の温度が第２の相転移材料の相転移温度よりも高い場合（例えば−１５０℃）について説明する。熱放射構造体２００の温度が高い場合、第１の相転移材料層２０２及び第２の相転移材料層２０３の両方が誘電体相となる。その結果、導体層２０１での反射が主に生じ、熱吸収率が低下する。熱吸収率の低下は、キルヒホッフの法則より、熱放射率が低下することを意味する。
【００５４】
図１１Ｂに示すように、熱放射構造体２００の温度が所定の温度帯の範囲内である場合、すなわち、熱放射構造体２００の温度が第１の相転移材料の相転移温度超且つ第２の相転移材料の相転移温度以下である場合（例えば−１８０℃）について説明する。熱放射構造体２００の温度が所定の温度帯の範囲内である場合、第２の相転移材料層２０３が金属相となり、第１の相転移材料層２０２が誘電体相となる。すなわち、熱放射構造体２００は、誘電体層（第１の相転移材料層２０２）が二つの導体層（導体層２０１及び第２の相転移材料層２０３）に挟まれた構造を有する。これにより、熱放射構造体２００は、主に赤外線として熱を放射可能な特性を有するメタマテリアルエミッターとして機能する。この特性は、マグネティックポラリトン（Magnetic polariton）で説明される共鳴現象によるものと考えられている。なお、マグネティックポラリトンとは、上下２枚の導体（導体層２０１及び第２の相転移材料層２０３）間の誘電体（第１の相転移材料層２０２）内において強い電磁場の閉じ込め効果が得られる共鳴現象のことである。これにより、所定の温度帯内にある熱放射構造体２００では、第１の相転移材料層２０２のうち導体層２０１と第２の相転移材料層２０３の個別導体層とに挟まれる部分、そして導体層のうち誘電体層に接する部分が赤外線の放射源となる。そして、その放射源から放たれる赤外線は周囲環境に平面波として放射される。また、この熱放射構造体２００では、導体層２０１、第１の相転移材料層２０２若しくは第２の相転移材料層２０３の材料、又は第２の相転移材料層１０３の形状若しくは周期構造を調整することで、共鳴波長を調整することができる。これにより、熱放射構造体２００の放射面の放射率は、所定の波長において高くなる特性を示す。
【００５５】
以上の理由により、熱放射構造体２００は、図１２に示すように、所定の温度帯で熱放射性が向上する温度帯選択性を有する。すなわち、熱放射構造体２００は、第１の相転移材料の相転移温度及び第２の相転移材料の相転移温度の間において、熱放出性が向上するという温度帯選択性を奏する。
【００５６】
また、本実施形態に係る熱放射構造体は、対象物の熱（より具体的には温度）を検出可能な熱検出システムに応用することができる。例えば、熱を検出する対象物の上に、本実施形態に係る熱放射構造体を配置し、熱放射構造体からの熱放射を赤外線検出手段等により検出することにより、対象物の熱の発生・状態を容易に把握することができる。熱放射構造体は、熱放射性が向上する温度帯が異なるものを複数用意し、対象物上に設けてもよい。対象物としては、例えば電池が挙げられる。
【００５７】
また、本実施形態に係る熱放射構造体は、対象物の熱（より具体的には温度）を制御可能な熱制御装置に応用することができる。例えば、熱を制御する対象物の上に、本実施形態に係る熱放射構造体を配置することにより、対象物の熱を制御することができる。具体的には、対象物が所定の温度範囲にある場合に、対象物からの外部環境への放熱量を多くすることができる。その結果、対象物の温度上昇を抑えることができる。熱放射構造体は、熱放射性が向上する温度帯が異なるものを複数用意し、対象物上に設けてもよい。対象物としては、特に制限されるものではなく、例えば、電子機器を挙げることができる。本実施形態の熱放射構造体は、対象物の内部に配置してもよく、または外部に配置してもよい。本実施形態の熱制御装置は、熱放射構造体に加え、他の構成要素を含んでもよく、例えば、上述の基板を備えてもよい。なお、本実施形態は、対象物と、該対象物における熱を制御する熱制御装置としての本開示の熱放射構造体と、を含む熱制御システムとしても把握することができる。また、本実施形態は、本開示の熱放射構造体を対象物内又は外に設けることにより、対象物における熱を制御する方法としても把握することができる。
【００５８】
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【実施例】
【００５９】
以下に、本実施形態を実施例に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
【００６０】
（実施例１：シミュレーションを用いた検証１）
上述した第一の実施形態の熱放射構造体１００（図７参照）に相当する構造を有する熱放射構造体（図１３及び図１４参照）の熱放射特性を検証した。熱放射特性は、電磁界シミュレーター（ソフトウェア名：ＣＳＴ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＳＴＵＤＩＯ ２０１６）を用いて検証した。
【００６１】
図１３に示す熱放射構造体について、導体層１０１としてタングステン（Ｗ）を用い、第１の相転移材料層１０２として二酸化バナジウム（ＶＯ２、相転移温度：６７℃）を用い、第２の相転移材料層１０３としてタングステンを１％含有する二酸化バナジウム（Ｗ１％ＶＯ２、相転移温度：３７℃）を用いた。また、基板１０４はＳｉ基板とした。
【００６２】
検証した熱放射構造体の構成の寸法を表１に示す。なお、縦幅Ｌ（前後方向の幅）及び縦方向のピッチＰＬ（前後方向のピッチ）は、それぞれ横幅Ｗ（左右方向の幅）及び横方向のピッチＰＷ（左右方向のピッチ）と同じ寸法に設定した。
【００６３】
【表１】
2020082522.tif 000002
【００６４】
熱放射構造体を構成する各材料の誘電率として、二酸化バナジウムの誘電率として、非特許文献１（K. Ito, K. Nishikawa, H. Iizuka, H. Toshiyoshi, “Experimental investigation of radiative thermal rectifier using vanadium dioxide,” Applied Physics Letters 105, No. 25, 253503 (2014).）に記載の定義式を参照した。また、Ｗ１％ＶＯ２はＷドープ量が非常に少ないことから、Ｗ１％ＶＯ２の誘電率はＶＯ２の光誘電率と同じであるものとして扱った。また、タングステンの誘電率として、「RefractiveIndex.INFO - Refractive index database」(https://refractiveindex.info/)の「W(Tungsten)」、「Ordal et al. 1988: n,k 0.667-200μm」を参照した。
【００６５】
図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃに、シミュレーション結果を示す。図１５Ａは、低温（２０℃）における熱放射構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。図１５Ｂは、所定の温度帯内（６０℃）における熱放射構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。また、図１５Ｃは、高温（１００℃）における熱放射構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。
【００６６】
図１６Ａは、低温（２０℃）における熱放射構造体の放射特性を解析した結果を示す。図１６Ｂは、所定の温度帯内（６０℃）における熱放射構造体の放射特性について解析した結果を示す。図１６Ｃは、高温（１００℃）における熱放射構造体の放射特性を解析した結果を示す。なお、図１６Ａ〜図１６Ｃには、参考のため、それぞれの温度での黒体の放射スペクトルも示す。
【００６７】
図１６Ａ〜図１６Ｃより、所定の温度帯内（６０℃）における熱放射構造体の熱放射性が向上していることがわかる。
【００６８】
（実施例２：シミュレーションを用いた検証２）
第２の相転移材料層１０３の膜厚（ｔ３）を２００ｎｍの代わりに１０ｎｍ、５０ｎｍ又は３００ｎｍに設定したこと以外は、実施例１と同様にして、シミュレーションを行い、熱放射構造体の放射特性を解析した。結果を図１７に示す。図１７より、第２の相転移材料層１０３の膜厚を変えても、温度帯選択性を有することがわかる。また、第２の相転移材料層１０３の膜厚は５０ｎｍ以上であることが好ましいことがわかる。
【００６９】
以上、本実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本開示の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７０】
１    導体層
２    第１の相転移材料層
３    第２の相転移材料層
１０    熱放射構造体
１００    熱放射構造体
１０１    導体層
１０２    第１の相転移材料層
１０３    第２の相転移材料層
１０４    基板
２００    熱放射構造体
２０１    導体層
２０２    第１の相転移材料層
２０３    第２の相転移材料層
２０４    基板
【図１】
2020082522.tif 000003
【図２】
2020082522.tif 000004
【図３】
2020082522.tif 000005
【図４】
2020082522.tif 000006
【図５】
2020082522.tif 000007
【図６】
2020082522.tif 000008
【図７】
2020082522.tif 000009
【図８Ａ】
2020082522.tif 000010
【図８Ｂ】
2020082522.tif 000011
【図８Ｃ】
2020082522.tif 000012
【図９】
2020082522.tif 000013
【図１０】
2020082522.tif 000014
【図１１Ａ】
2020082522.tif 000015
【図１１Ｂ】
2020082522.tif 000016
【図１１Ｃ】
2020082522.tif 000017
【図１２】
2020082522.tif 000018
【図１３】
2020082522.tif 000019
【図１４】
2020082522.tif 000020
【図１５Ａ】
2020082522.tif 000021
【図１５Ｂ】
2020082522.tif 000022
【図１５Ｃ】
2020082522.tif 000023
【図１６Ａ】
2020082522.tif 000024
【図１６Ｂ】
2020082522.tif 000025
【図１６Ｃ】
2020082522.tif 000026
【図１７】
2020082522.tif 000027