(57)【要約】【課題】入射角に対する反射率変化の大きい反射構造体を提供する。【解決手段】この反射構造体は、金属基板と、前記金属基板から起立する突起部とを備え、前記突起部は少なくとも第１の方向に周期的に配列し、その周期は反射波長の１倍以上２倍以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板と、前記金属基板から起立する突起部とを備え、
前記突起部は少なくとも第１の方向に周期的に配列し、その周期は反射波長の１倍以上２倍以下である、反射構造体。
【請求項２】
前記突起部が、前記第１の方向と交差する方向に延在している、請求項１に記載の反射構造体。
【請求項３】
前記突起部の高さが、反射波長の０．４倍以上０．６倍以下である、請求項１又は２に記載の反射構造体。
【請求項４】
前記突起部の幅が、反射波長の０．４倍以上０．６倍以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反射構造体。
【請求項５】
前記突起部を第１の方向に沿って切断した断面形状が矩形である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の反射構造体。
【請求項６】
前記突起部は高さ方向に多層構造を有し、少なくとも一層を構成する材料が他の層を構成する材料と異なる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の反射構造体。
【請求項７】
前記突起部が金属又はグラファイトの少なくとも一方を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反射構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市のヒートアイランド化現象を低減するために、太陽光に対する反射性に優れる白色塗料等を壁面に塗布することが行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、光の高反射、熱の高放射の機能を確保しつつ、付着性、耐汚染性、耐候性に優れる白色塗料が記載されている。
【０００４】
また特許文献２には、低熱伝導体、構造助剤及びシランカップリング剤を含有する遮熱塗料組成物が記載されている。この遮熱塗料組成物は、低熱伝導体による断熱性能、構造助剤による遮熱性能及びシランカップリング剤による耐水性能を示すことが記載されている。
【０００５】
また特許文献３には、波長選択性を有する熱吸収材が記載されている。この熱吸収材は、可視光域の波長を吸収し、赤外光域の波長を反射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１８１３５４号公報
【特許文献２】特開２００６−４５４４７号公報
【特許文献３】特開２０１３−２５００４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び２に記載の塗料は、太陽光を反射するという点においては優れている。そのため、特許文献１及び２に記載の塗料を壁面に塗布することで、夏季において室内が高温になることは避けることができる。そのため夏季における冷房負荷が低減する。
【０００８】
一方で、四季がある国では、夏季のみでなく冬季も考慮する必要がある。塗料により壁面の反射率を高めると、冬季に室内が暖まらないという問題がある。その結果、冬季における暖房負荷が増加する。
【０００９】
つまり、特許文献１及び２に記載の塗料を壁面に塗布すると、夏季のエネルギー効率は向上するが、冬季のエネルギー効率が低下する。その結果、年間通して十分にエネルギー効率を高めることができない。
【００１０】
また特許文献３に記載の熱吸収材についても、波長選択性を有していても夏季と冬季における差がないため、年間を通したエネルギー効率を充分に高めることができない。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、入射角に対する反射率変化の大きい反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】
【００１２】
本発明者らは、鋭意検討の結果、夏季と冬季の太陽高度の違いに着目した。すなわち、夏季と冬季において太陽の高さが異なり、壁面に入射する入射光の角度が異なることに着目した。その結果、太陽高度が高く、入射角が小さい夏季に反射率が高く、太陽高度が低く、入射角が大きい冬季に反射率が低い、反射構造体を見出した。
上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
【００１３】
（１）第１の態様にかかる反射構造体は、金属基板と、前記金属基板から起立する突起部とを備え、前記突起部は少なくとも第１の方向に周期的に配列し、その周期は反射波長の１倍以上２倍以下である。
【００１４】
（２）上記態様にかかる反射構造体は、前記突起部が、前記第１の方向と交差する方向に延在していてもよい。
【００１５】
（３）上記態様にかかる反射構造体は、前記突起部の高さが、反射波長の０．４倍以上０．６倍以下であってもよい。
【００１６】
（４）上記態様にかかる反射構造体は、前記突起部の幅が、反射波長の０．４倍以上０．６倍以下であってもよい。
【００１７】
（５）上記態様にかかる反射構造体は、前記突起部を第１の方向に沿って切断した断面形状が矩形であってもよい。
【００１８】
（６）上記態様にかかる反射構造体は、前記突起部は高さ方向に多層構造を有し、少なくとも一層を構成する材料が他の層を構成する材料と異なっていてもよい。
【００１９】
（７）上記態様にかかる反射構造体は、前記突起部が金属又はグラファイトの少なくとも一方を含んでもよい。
【発明の効果】
【００２０】
上記態様にかかる反射構造体によれば、入射角に対する反射率変化を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態にかかる反射構造体の斜視模式図である。
【図２】本実施形態にかかる反射構造体の別の例の斜視模式図である。
【図３】夏季と冬季における反射構造体への入射角の違いを模式的に示した図である。
【図４】本実施形態にかかる反射構造体の反射率の入射角依存性を模式的に示した図である。
【図５】実施例１に係る反射構造体の反射率の入射角依存性を求めた。
【図６】実施例２に係る反射構造体の反射率の入射角依存性を求めた。
【図７】実施例３に係る反射構造体の反射率の入射角依存性を求めた。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本実施形態にかかる反射構造体について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であり、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２３】
「反射構造体」
図１は、本実施形態にかかる反射構造体の斜視模式図である。図１に示す反射構造体１００は、金属基板１０と、突起部２０とを備える。突起部２０は、金属基板１０の一面１０ａから起立し、第１の方向に周期的に配列している。
以下、金属基板１０の一面１０ａにおいて突起部２０が周期的に配列している第１の方向をｘ方向、金属基板１０の一面１０ａにおいてｘ方向と直交する方向をｙ方向、金属基板１０に対して直交する方向をｚ方向という。
【００２４】
金属基板１０は、ｘｙ面に延在している。金属基板１０は、反射率の高い金属又は合金を用いることができる。例えば、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）等を用いることができる。これらの材料種の中でもアルミニウムが特に好ましい。アルミニウムは、紫外線域（波長が２８０ｎｍ程度）から赤外線域（波長が１０００ｎｍ以上）において高い反射率を有する。
【００２５】
突起部２０は、金属基板１０の一面１０ａから起立する。図１に示す突起部２０は、ｙ方向に延在し、ｘ方向に周期的に配列している。また図１に示す突起部２０は、ｚ方向に２層構造であり、第１層２１と第２層２２とを備える。
【００２６】
突起部２０がｘ方向に配列する周期ｐは、反射波長の１倍以上２倍以下である。ここで反射波長とは、反射構造体１００に入射する光のうち最も反射させたい光の波長のことを意味する。すなわち、可視光を反射する反射膜として反射構造体１００を用いる場合は、反射波長は可視光波長となり、赤外光を反射する反射膜として反射構造体１００を用いる場合は、反射波長は赤外光波長となる。
【００２７】
例えば、反射構造体１００をビル等の屋上又は壁面に設置する場合は、可視から赤外域に渡る波長（２５０ｎｍ〜２０００ｎｍ）の光を反射することが望まれる。この場合、突起部２０の周期ｐは、２５０ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の範囲の中から選択される。
【００２８】
ここで突起部２０の周期ｐは、以下のようにして求められる。まず、反射構造体１００をｘ方向に沿って切断した任意の切断面における走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を得る。そして得られたＳＥＭ像における突起部２０のｘ方向の中点間の距離を１０カ所測定し、その平均値を求める。この平均値が、突起部２０の周期ｐとなる。
【００２９】
ここで突起部２０のｘ方向の中点は以下のようにして決定する。まず突起部２０のｘ方向の端部２０Ａ、２０Ｂを決める。突起部２０が金属基板１０の一面１０ａに対して急峻に起立している場合は、断面において接線が屈曲する点を端部２０Ａ、２０Ｂとする。突起部２０が金属基板１０の一面１０ａに対してなだらかに起立している場合は、断面における変曲点を端部２０Ａ、２０Ｂとする。そして、この端部２０Ａ、２０Ｂ間のｘ方向の中点が、突起部２０のｘ方向の中点となる。
【００３０】
突起部２０がｘ方向に所定の周期で配列すると、ｘ方向から入射した光Ｌに対する反射率の角度依存性が大きく変化する。光Ｌの入射角θが大きいと反射率は低くなり、入射角θが小さいと反射率が高くなる。この原理は明確にはなっていない。突起部２０が金属基板１０上に周期的に配列することで、金属基板１０表面における表面プラズモンが励起することが影響しているのではないかと考えられる。
【００３１】
突起部２０の配置は、少なくともｘ方向に周期構造を有すれば特に問わない。例えば、図２に示すように、反射構造体１０１は、三次元的に配列した突起部２０を有してもよい。図２に示す反射構造体１０１は、ｘ方向から入射する光に対する反射率の入射角依存性は図１に示す反射構造体１００より低下するが、ｙ方向から入射する光に対しても反射率の入射角依存性を得ることができる。
【００３２】
突起部２０は、種々の形状を選択できる。これらの中でも突起部２０は、光Ｌが入射する主方向（ｘ方向）に対して交差する方向に延在していることが好ましい。反射構造体１００に入射する光に対する反射率の入射角依存性は、突起部２０によって生じる。そのため、突起部２０がｘ方向と交差する方向に延在することで、反射構造体１００にｘ方向から入射する光Ｌに対して漏れなく突起部２０が作用することができ、反射構造体１００の反射率の入射角依存性が高まる。
【００３３】
突起部２０をｘ方向に沿って切断した断面形状は、矩形、三角形、半円状等の種々の形状を選択できる。これらの中でも突起部２０のｘ方向の断面形状は、矩形であることが好ましい。原理は明確ではないが、この断面形状を矩形にすると、反射構造体１００の反射率の入射角依存性が高まる傾向にある。
【００３４】
突起部２０の高さｈは、反射波長の０．４倍以上０．６倍以下であることが好ましく、０．５倍であることがより好ましい。ここで突起部２０の高さｈとは、突起部２０の頂点又は頂面から金属基板１０の一面１０ａに下した垂線の距離を意味する。突起部２０の高さｈがこの範囲にあると、反射構造体１００の反射率の入射角依存性が高まる。突起部２０の高さｈは、ＳＥＭ像によって計測した任意の１０点の突起部の高さの平均値とする。
【００３５】
また突起部２０の幅ｗは、反射波長の０．４倍以上０．６倍以下であることが好ましく、０．５倍であることがより好ましい。ここで突起部２０の幅ｗとは、突起部２０の端部２０Ａ、２０Ｂ間の距離を言う。すなわち、突起部２０の断面形状が三角形の場合は、その底面の距離が幅に対応する。突起部２０の幅ｗがこの範囲にあると、反射構造体１００の反射率の入射角依存性が高まる。突起部２０の幅ｗは、ＳＥＭ像によって計測した任意の１０点の突起部の幅の平均値とする。
【００３６】
突起部２０には、金属基板１０と同様の金属又は合金、及び、グラファイトを用いることができる。そのため、突起部２０と金属基板１０とは同一の材質からなってもよい。例えば、金属基板１０及び突起部２０をいずれもアルミニウムにより構成してもよい。
【００３７】
図１において突起部２０は、第１層２１と第２層２２の２層構造を有する。突起部２０は、上述のように単一材料からなる単層構造でも、２層以上の多層構造でもよい。突起部２０を多層構造にする場合は、少なくとも一層を構成する材料を他の層を構成する材料と異なるものとする。例えば、第１層２１をグラファイト、第２層２２をアルミニウムとする。
【００３８】
突起部２０が多層構造を有すると、反射構造体１００のロバスト性が高まる。反射構造体１００のロバスト性とは、反射構造体１００の構造（突起部の周期、高さ、幅等）に乱れが生じた場合においても、反射率の入射角依存性を維持できることを意味する。
【００３９】
突起部２０が多層構造の場合、それぞれの層が突起部２０を占める割合は特に問わない。各層が占める割合が変化しても、反射構造体１００のロバスト性はそれほど大きく変化しない。
【００４０】
反射構造体１００は、フォトリソグラフィー等の技術により作製できる。具体的には、金属基板１０上に、金属層又はグラファイト層を積層する。これらの成膜は、スパッタリング法等を用いて行うことができる。そして成膜した積層膜上に、レジストを塗布し、その後エッチングを行う。レジストにより保護された部分以外が除去され、突起部２０による周期構造が形成される。その後、レジストを剥離することで反射構造体１００が得られる。
【００４１】
上述のように、本実施形態にかかる反射構造体を用いると、反射構造体に入射する光の入射角に応じて、反射率を変えることができる。そのため、この反射構造体をビル等の屋上又は壁面に用いることで、夏季と冬季における反射構造体の反射率を変えることができる。
【００４２】
図３は、夏季と冬季における反射構造体への入射角の違いを模式的に示した図である。図３に示すように、夏季の太陽Ｓｓは高い高度まで昇る。これに対し、冬季の太陽Ｓｗの高度は、夏季の太陽Ｓｓより低くなる。日本の正午付近における夏季の太陽Ｓｓの太陽天頂角は１０°〜３０°であるのに対し、冬季の太陽Ｓｗの太陽天頂角は４０°〜７０°となる。すなわち、夏季の太陽Ｓｓが反射構造体１００に入射する入射角は１０°〜３０°であるのに対し、冬季の太陽Ｓｗが反射構造体１００に入射する入射角は４０°〜７０°となる。
【００４３】
図４は、本実施形態にかかる反射構造体１００の反射率の入射角依存性を模式的に示した図である。図４に示すように、反射構造体１００は、入射角が１０°〜３０°において高反射率であるのに対し、入射角が４０°〜７０°において低反射率である。そのため、反射構造体１００は、夏季の太陽Ｓｓからの入射光Ｉ１の多くは反射光Ｒ１として反射し、冬季の太陽Ｓｗからの入射光Ｉ２の多くは吸収し、反射光Ｒ２の強度は小さくなる（図３参照）。
【００４４】
上述のように、本実施形態にかかる反射構造体は、反射率の入射角依存性が大きい。すなわち本実施形態にかかる反射構造体は、夏季において高反射性を示し、冬季において低反射性を示す。従って、夏季において室内が高温になることを防ぎ、冬季において室温が低温になることを防ぐことができ、年間を通した冷暖房効率を高めることができる。つまり、本実施形態にかかる反射構造体は、エネルギー効率に優れた外壁として用いることができる。
【００４５】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【００４６】
以下の実施例では、シミュレーションにより反射構造体の反射率の入射角依存性を求めた。シミュレーションは、厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ法）を用いた。ＲＣＷＡ法は、光学シミュレーションとして広く用いられている手法であり、例えば特開２００９−５８５１６号公報等でも用いられている。
【００４７】
「実施例１」
実施例１では、反射構造体の金属基板及び突起部をいずれもアルミニウムとした。また突起部は、一方向に延在するラインアンドスペース構造とした。そして、突起部の周期、高さ、幅を変更させた際における反射構造体の反射率の入射角依存性を求めた。実施例１では、反射波長を０．８μｍとした。その結果を図５に示す。
【００４８】
（実施例１−１〜実施例１−３）
実施例１−１〜実施例１−３では、突起部の高さ及び幅を反射波長の０．５倍に固定し、突起部の周期を変更した。実施例１−１では突起部の周期を１．４倍、実施例１−２では突起部の周期を１．５倍、実施例１−３では突起部の周期を１．６倍とした。
【００４９】
（実施例１−４〜実施例１−６）
実施例１−４〜実施例１−６では、突起部の高さを波長の０．５倍、突起部の幅を反射波長の０．４倍に固定し、突起部の周期を変更した。実施例１−４では突起部の周期を１．４倍、実施例１−５では突起部の周期を１．５倍、実施例１−６では突起部の周期を１．６倍とした。
【００５０】
（実施例１−７〜実施例１−９）
実施例１−７〜実施例１−９では、突起部の高さを波長の０．５倍、突起部の幅を反射波長の０．６倍に固定し、突起部の周期を変更した。実施例１−７では突起部の周期を１．４倍、実施例１−８では突起部の周期を１．５倍、実施例１−９では突起部の周期を１．６倍とした。
【００５１】
（比較例１）
比較例１では、突起部を有さない平板の金属基板の反射率の入射角依存性を求めた。その結果を図５に示す。
【００５２】
図５に示すように、突起部の周期、高さ、幅を変更させた実施例１に係る反射構造体は、いずれも比較例１に係る平板の金属基板より反射率の入射角依存性に優れていた。これに対し、比較例１に係る平板の金属基板は、入射角が８０°近傍で反射率の低下が確認できる。しかしながら、当該入射角において依存性を有していても、夏季と冬季の光の入射角の違いに適用することはできない。また適用したとしても反射率変化量が充分とは言えない。
【００５３】
なお、図５において突起部の幅が反射波長の０．６倍、突起部の周期が反射波長の１．６倍である実施例１−９は、入射角が６０°〜７０°の範囲において、反射率の急峻な変化が確認される。この変化は、突起部の周期構造が回折格子となり、その０次光と１次光とが重なり合った結果によるものと考えられる。
【００５４】
「実施例２」
実施例２では、反射構造体を構成する金属種を変更した。金属種としては、アルミニウム、クロム、ニッケルを用いた。その他の条件は、実施例１−２と同様として、反射構造体の反射率の入射角依存性を求めた。その結果を図６に示す。
【００５５】
図６に示すように、反射構造体を構成する金属種を変更しても、反射構造体は同様の反射率特性を示した。すなわち、夏季の太陽に対応する１０°〜３０°の入射角において高い反射率を示し、冬季の太陽に対応する４０°〜７０°の入射角において低い反射率を示した。
【００５６】
「実施例３」
実施例１では、反射構造体の金属基板をアルミニウムと、突起部を２層構造にした。突起部は金属基板側の第１層をグラファイトとし、金属基板から離れた第２層をアルミニウムとした。すなわち、アルミニウムによりグラファイトが挟まれた構造とした。その他の構成は実施例１と同一として、反射構造体の反射率の入射角依存性を求めた。その結果を図７に示す。また図７には参考のため突起部を有さない平板の金属基板である比較例１の結果を載せている。
【００５７】
（実施例３−１〜実施例３−３）
実施例３−１〜実施例３−３では、突起部の高さ及び幅を反射波長の０．５倍に固定し、突起部の周期を変更した。実施例３−１では突起部の周期を１．４倍、実施例３−２では突起部の周期を１．５倍、実施例３−３では突起部の周期を１．６倍とした。
【００５８】
（実施例３−４〜実施例３−６）
実施例３−４〜実施例３−６では、突起部の高さを波長の０．５倍、突起部の幅を反射波長の０．４倍に固定し、突起部の周期を変更した。実施例３−４では突起部の周期を１．４倍、実施例３−５では突起部の周期を１．５倍、実施例３−６では突起部の周期を１．６倍とした。
【００５９】
（実施例３−７〜実施例３−９）
実施例３−７〜実施例３−９では、突起部の高さを波長の０．５倍、突起部の幅を反射波長の０．６倍に固定し、突起部の周期を変更した。実施例３−７では突起部の周期を１．４倍、実施例３−８では突起部の周期を１．５倍、実施例３−９では突起部の周期を１．６倍とした。
【００６０】
図７に示すように、実施例３にかかる反射構造体も、いずれも比較例１に係る平板の金属基板より反射率の入射角依存性に優れていた。また実施例３にかかる反射構造体は、低反射を示す入射角の角度範囲が広く、ロバスト性が高いことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本実施形態にかかる反射構造体は、ビル等の外壁等に応用することができる。ビル等の外壁に利用することで、夏季及び冬季のいずれにおいても室内の冷暖房効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０…金属基板、１０ａ…一面、２０…突起部、２１…第１層、２２…第２層、２０Ａ，２０Ｂ…端部、１００，１０１…反射構造体、ｐ…周期、ｗ…幅、ｈ…高さ、Ｓｓ…夏季の太陽、Ｓｗ…冬季の太陽、Ｉ１，Ｉ２…入射光、Ｒ１，Ｒ２…反射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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