(57)【要約】  放射冷却および加熱用のシステムならびに方法が提供される。例えば、放射冷却用のシステムは、1または2以上のポリマーを含む上部層を有し、該上部層は、熱スペクトルの少なくとも一部において、高い放射率を有し、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、吸収率が近似的にゼロであり、太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い透過率を有する。システムは、さらに、1または2以上の金属を含む反射層であって、太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い反射率を有する反射層を有する。
2018526599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射冷却用のシステムであって、
1または2以上のポリマーを有する上部層であって、熱スペクトルの少なくとも一部において、高い放射率を有し、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、吸収率が近似的にゼロであり、太陽スペクトルの少なくとも一部において高い透過率を有する、上部層と、
前記上部層の下側に配置された反射層であって、1または2以上の金属を有し、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い反射率を有する、反射層と、
を有する、システム。
【請求項２】
前記上部層は、2または3以上のポリマーを有し、
各ポリマーは、前記熱スペクトルの異なる位置において高い放射率を有し、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い透過率を有する、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記1または2以上のポリマーは、質量比で設計され、前記質量比は、前記熱スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層が均一で高い放射率を有するように選択される、請求項1に記載のシステム。
【請求項４】
前記上部層は、1または2以上の尾根もしくは突起を有する1または2以上のアレイを有する、1または2以上の領域を有する、請求項1乃至3のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項５】
前記上部層は、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（アクリル酸）、およびポリ（メチルメタクリレート）の1または2以上を有する、請求項1乃至4のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項６】
前記上部層は、前記反射層が存在しない場合、受動放射冷却に使用できる、請求項1乃至5のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項７】
当該システムは、昼間受動放射冷却に使用できる、請求項1乃至6のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項８】
前記反射層は、
金属を含み、約0.8よりも大きな反射率を有し、前記太陽スペクトルの第1の波長範囲において第1の電磁浸透深さを有し、前記太陽スペクトルの第2の波長範囲において第2の電磁浸透深さを有する上部層であって、前記第2の電磁浸透深さは、前記第1の電磁浸透深さよりも大きく、前記第1および第2の波長範囲は異なる、上部層と、
金属を含み、前記第1の波長範囲において前記上部層よりも低い反射率を有し、前記第2の波長範囲において前記上部層よりも高い反射率を有する下部層と、
を有し、
前記上部層は、前記第1の浸透深さよりも近似的に大きく、または同等の厚さを有し、前記第2の浸透深さよりも小さな厚さを有する、請求項1乃至7のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項９】
前記第1の波長範囲における前記反射層の反射率は、前記第1の波長範囲における前記下部層の反射率よりも大きく、前記第2の波長範囲における前記反射層の反射率は、前記第2の波長範囲における前記上部層の反射率よりも大きい、請求項8に記載のシステム。
【請求項１０】
前記上部層は、銀を含み、および／または
前記下部層は、アルミニウムを含む、請求項8に記載のシステム。
【請求項１１】
前記上部層の厚さは、約5nmから約50nmである、請求項8に記載のシステム。
【請求項１２】
さらに、前記反射層の上に配置された保護層を有し、
該保護層は、約10nm未満の厚さを有し、酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素の1または2以上を含む、請求項9乃至11のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項１３】
当該システムは、自立式の反射器として使用され、前記太陽スペクトルの少なくとも一部における放射線を反射する、請求項9乃至12のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項１４】
前記反射層は、電気めっき法、熱気相成膜法、電子ビーム成膜法、またはスパッタリング技術により設置される、請求項1乃至13のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項１５】
前記上部層は、さらに、1または2以上の種類のナノ粒子を有し、
各種類のナノ粒子は、前記熱スペクトルの少なくとも一部において、存在する場合、他の種類のナノ粒子、および1または2以上の前記ポリマーよりも高い放射率を有し、
前記ナノ粒子は、前記太陽スペクトルにおいて、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、吸収率が近似的にゼロである、請求項1乃至14のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項１６】
前記1または2以上のポリマーおよび前記1または2以上の種類のナノ粒子は、質量比で設計され、
前記質量比は、前記熱スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層が均一で高い放射率を有するように選定される、請求項15に記載のシステム。
【請求項１７】
前記1または2以上のポリマーおよび前記1または2以上の種類のナノ粒子は、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、相互の10％以内の屈折率を有する、請求項15に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ナノ粒子は、炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、および窒化ケイ素の1または2以上を有する、請求項15乃至17のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項１９】
前記ナノ粒子は、約100nm未満の直径を有する、請求項15乃至18のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項２０】
1または2以上のポリマーおよび1または2以上の添加剤を含む上部層を有する、放射冷却用のシステムであって、
前記1または2以上のポリマーは、熱スペクトルの少なくとも一部において、高い放射率を有し、前記1または2以上の添加物は、太陽スペクトルの少なくとも一部において、約0.3よりも大きな反射率を有する、システム。
【請求項２１】
前記1または2以上の添加物の各々は、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、存在する場合、他の添加物、および前記1または2以上のポリマーとは異なる屈折率を有する、請求項20に記載のシステム。
【請求項２２】
前記1または2以上の添加物は、二酸化チタン、窒化ケイ素、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、および空気ボイドの1または2以上を有する、請求項20または21に記載のシステム。
【請求項２３】
前記1または2以上のポリマーは、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（アクリル酸）、およびポリ（メチルメタクリレート）の1または2以上を有する、請求項20乃至22のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項２４】
前記1または2以上の添加物の各々は、入射太陽放射線の後方散乱が増加し、前記太陽スペクトルにおける反射が増加するように選定された寸法を有する、請求項20乃至23のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項２５】
前記1または2以上のポリマーおよび前記1または2以上の添加物は、質量比で設計され、
前記質量比は、当該システムが、前記熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において約0.5よりも大きな均一な反射率を有するように選定される、請求項20乃至24のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項２６】
当該システムは、2または3以上のポリマーを有し、
各ポリマーは、前記熱スペクトルの異なる部分において、他のポリマーよりも高い放射率を有し、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、高い透過率を有する、請求項20乃至25のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項２７】
当該システムは、1または2以上の尾根もしくは突起を有する1または2以上のアレイを含む、1または2以上の領域を有する、請求項20乃至26のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項２８】
当該システムは、約5μmから約500μmの厚さを有する、請求項20乃至27のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項２９】
当該システムは、さらに、繊維および／または布地（textile）を有する、請求項20乃至28のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項３０】
放射冷却用のシステムであって、
1または2以上の構造化ポリマーを有する上部層であって、熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、太陽スペクトルの少なくとも一部において電磁減衰係数が近似的にゼロであり、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において約0.5よりも大きな反射率を有する、上部層と、
前記上部層の下側に配置されたコントラスト層であって、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層の屈折率よりも低い屈折率を有する、コントラスト層と、
を有する、システム。
【請求項３１】
前記コントラスト層は、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素、ポリ（ジメチルシロキサン）、および空気ボイドの1または2以上を有する、請求項30に記載のシステム。
【請求項３２】
前記上部層は、1または2以上の尾根および／もしくは突起を有する1または2以上のアレイを含む、1または2以上の領域を有する、請求項30乃至31のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項３３】
前記1または2以上のポリマーは、機械的に強く、化学結合もしくは密着特性を有し、水に対して不浸透性であり、および／または耐食性を有する、請求項1乃至32のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項３４】
さらに、カバー層を有する、請求項1乃至33のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項３５】
放射加熱用のシステムであって、
1または2以上の構造化材料を有し、太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い吸収率を有し、熱スペクトルの少なくとも一部において約0.1未満の放射率を有する、上部層と、
前記熱スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層の屈折率よりも低い屈折率を有する下地層と、
を有する、システム。
【請求項３６】
前記上部層は、シリコン、ガリウムヒ素、および／またはゲルマニウムを有する、請求項35に記載のシステム。
【請求項３７】
前記下地層は、二酸化ケイ素、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ポリ（ジメチルシロキサン）、および／または空気ボイドの1または2以上を有する、請求項35乃至36のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項３８】
前記上部層は、1または2以上の尾根および／もしくは突起を含む1または2以上のアレイを有する、1または2以上の領域を有する、請求項35乃至37のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項３９】
さらに、基板を有する、請求項1乃至38のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項４０】
前記上部層は、物理的もしくは化学的気相成膜法、フォトリソグラフィ法、電子ビームリソグラフィ法、湿式エッチング法、反応性イオンエッチング法、3Ｄ印刷法、インプリント法、スプレー法、浸漬コーティング法、スピンコーティング法、またはアプリケータの少なくとも一つを用いて、前記基板に設置される、請求項39に記載のシステム。
【請求項４１】
前記上部層は、約5μｍから約500μｍの厚さを有する、請求項1乃至40のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項４２】
放射冷却の方法であって、
1または2以上のポリマー、および必要に応じて、さらに1または2以上の種類のナノ粒子を有する、上部層を提供するステップであって、前記上部層は、熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、吸収率が近似的にゼロであり、太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い透過率を有する、ステップと、
前記上部層の下側に設置された、1または2以上の金属を含む反射層を提供するステップであって、前記反射層は、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い反射率を有する、ステップと、
を有する、方法。
【請求項４３】
放射冷却の方法であって、
1または2以上のポリマー、および1または2以上の添加物を有する上部層を提供するステップ
を有し、
前記1または2以上のポリマーは、熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、
前記1または2以上の添加物は、太陽スペクトルの少なくとも一部において、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、約0.3よりも大きな反射率を有する、方法。
【請求項４４】
放射冷却の方法であって、
1または2以上の構造化ポリマーを有する上部層であって、熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、太陽スペクトルの少なくとも一部において、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において約0.5よりも大きな反射率を有する、上部層を有し、
前記上部層の下側にコントラスト層を提供するステップであって、前記コントラスト層は、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層の屈折率よりも低い屈折率をする、ステップ
を有する、方法。
【請求項４５】
放射加熱の方法であって、
1または2以上の構造化材料を有する上部層を提供するステップであって、前記上部層は、太陽スペクトルの少なくとも一部において高い吸収率を有し、熱スペクトルの少なくとも一部において約0.1未満の放射率を有する、ステップと、
前記熱スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層の屈折率よりも低い屈折率を有する下地層を提供するステップと、
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、2015年6月18日に提出された米国仮出願第62／181，674号における優先権を主張するものであり、同出願の全内容を本願に参照により援用する。
【０００２】
本発明は、国立科学基金からのPHY-1411445 およびECCS-1307948、エネルギー省からのDE-AC02-98CH10886、および空軍科学研究のMURI／FA9550-13-1-0389の下、国立科学基金からの政府支援でなされたものである。政府は、本発明の一部権利を有する。
【０００３】
本発明は、放射冷却および加熱用のシステムならびに方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
表面は、電磁放射線を介して熱エネルギーを吸収し、放射することができる。表面の光学特性は、ある程度、表面の形状および材料に依存し得る。放射熱伝達の間、本体の温度は、表面に吸収された正味の電磁放射線に応じて上昇し、または下降する。例えば、表面が放射する以上の放射線を吸収すると、本体の温度は上昇する。一方、表面がより多くの放射線を放射すると、本体の温度は低下する。
【０００５】
熱放射線は、受動放射冷却および加熱、すなわちエネルギーの入力を必要としない放射冷却および加熱に使用することができる。従って、受動放射冷却および加熱を使用して、本体の冷却または加熱に必要なエネルギー量を抑制することができる。放射冷却および加熱を用いて、例えば、商業ビル、居住ビルおよび車両に関するエネルギーコストを抑制することができる。
【０００６】
受動放射冷却のある方法は、表面コーティングを使用する。この表面コーティングをビルに適用して、入射太陽放射線の反射率を高めたり、環境の赤外透過窓に対応する限られた空間範囲において、放射率を高めたりすることができる。他の技術では、複雑な多層化構造が利用され、これにより、昼間の放射冷却のため、太陽放射線が反射され、熱放射線が放射される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、放射冷却および加熱の技術向上がいまだ要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、放射冷却および加熱用のシステムならびに方法が提供される。一実施形態では、放射冷却用のシステムは、1または2以上のポリマーを有する上部層であって、該上部層は、熱スペクトルの少なくとも一部において、高い放射率を有し、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、吸収率が近似的にゼロであり、太陽スペクトルの少なくとも一部において高い透過率を有する、上部層と、前記上部層の下側に配置された反射層であって、1または2以上の金属を有し、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い反射率を有する、反射層と、を有する。
【０００９】
ある実施形態では、前記上部層は、2または3以上のポリマーを有し、各ポリマーは、前記熱スペクトルの異なる位置において高い放射率を有し、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、電磁減衰係数および高い透過率を有する。前記1または2以上のポリマーは、質量比で設計され、前記質量比は、前記熱スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層が均一で高い放射率を有するように選択されても良い。前記上部層は、1または2以上の尾根もしくは突起を有する1または2以上のアレイを有する、1または2以上の領域に形成されても良い。前記上部層は、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（アクリル酸）、およびポリ（メチルメタクリレート）の1または2以上を有しても良い。
【００１０】
ある実施形態では、前記上部層は、前記反射層が存在しない場合、受動放射冷却に使用し得る。ある実施形態では、当該システムは、昼間受動放射冷却に使用し得る。
【００１１】
ある実施形態では、前記反射層は、上部層を有し、該上部層は、金属を含み、約0.8よりも大きな反射率を有し、前記太陽スペクトルの第1の波長範囲において第1の電磁浸透深さを有し、前記太陽スペクトルの第2の波長範囲において第2の電磁浸透深さを有し、前記第2の電磁浸透深さは、前記第1の電磁浸透深さよりも大きい。前記反射層は、さらに、下部層を有し、該下部層は、金属を含み、前記第1の波長範囲において前記上部層よりも低い反射率を有し、前記第2の波長範囲において前記上部層よりも高い反射率を有する。第1の波長範囲は、第2の波長範囲と異なっても良い。前記上部層は、前記第1の浸透深さよりも近似的に大きく、または同等の厚さを有し、前記第2の浸透深さよりも小さな厚さを有しても良い。
【００１２】
ある実施形態では、前記第1の波長範囲における前記反射層の反射率は、前記第1の波長範囲における前記下部層の反射率よりも大きく、前記第2の波長範囲における前記反射層の反射率は、前記第2の波長範囲における前記上部層の反射率よりも大きい。前記上部層は、銀を含み、および／または前記下部層は、アルミニウムを含んでも良い。前記上部層の厚さは、約5nmから約50nmであっても良い。
【００１３】
ある実施形態では、当該システムは、さらに、前記反射層の上に保護層を有し、該保護層は、約10nm未満の厚さを有し、酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素の1または2以上を含んでも良い。ある実施形態では、当該システムは、自立式の反射器として使用され、前記太陽スペクトルの少なくとも一部における放射線を反射しても良い。ある実施形態では、前記反射層は、電気めっき法、熱気相成膜法、電子ビーム成膜法、またはスパッタリング技術により設置されても良い。
【００１４】
ある実施形態では、前記上部層は、さらに、1または2以上の種類のナノ粒子を有し、各種類のナノ粒子は、前記熱スペクトルの少なくとも一部において、存在する場合、他の種類のナノ粒子、および1または2以上の前記ポリマーよりも高い放射率を有し、前記ナノ粒子は、前記太陽スペクトルにおいて、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、吸収率が近似的にゼロであっても良い。前記1または2以上のポリマーおよび前記1または2以上の種類のナノ粒子は、質量比で設計され、前記質量比は、前記熱スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層が均一で高い放射率を有するように選定されても良い。前記1または2以上のポリマーおよび前記1または2以上の種類のナノ粒子は、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、相互の10％以内の屈折率を有しても良い。前記ナノ粒子は、炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、および窒化ケイ素の1または2以上を有しても良い。前記ナノ粒子は、約100nm未満の直径を有しても良い。
【００１５】
ある実施形態では、本発明による放射冷却用の別のシステムは、1または2以上のポリマーおよび1または2以上の添加物を含む上部層を有し、前記1または2以上のポリマーは、熱スペクトルの少なくとも一部において、高い放射率を有し、前記1または2以上の添加物は、太陽スペクトルの少なくとも一部において、約0.3よりも大きな反射率を有する。
【００１６】
ある実施形態では、前記1または2以上の添加物の各々は、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、存在する場合、他の添加物、および前記1または2以上のポリマーとは異なる屈折率を有する。前記1または2以上の添加物は、二酸化チタン、窒化ケイ素、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、および空気ボイドの1または2以上を有しても良い。前記1または2以上のポリマーは、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、およびポリ（メチルメタクリレート）の1または2以上を有しても良い。前記1または2以上の添加物の寸法は、入射太陽放射線の後方散乱が上昇し、前記太陽スペクトルにおける反射率が向上するように選択されても良い。前記1または2以上のポリマーおよび前記1または2以上の添加物は、質量比で設計され、前記質量比は、当該システムが、前記熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において約0.5よりも大きな均一な反射率を有するように選定されても良い。
【００１７】
ある実施形態では、当該システムは、2または3以上のポリマーを有し、各ポリマーは、前記熱スペクトルの異なる部分において、他のポリマーよりも高い放射率を有し、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、高い透過率を有する。当該システムは、1または2以上の尾根もしくは突起を有する1または2以上のアレイを含む、1または2以上の領域を有しても良い。当該システムは、約5μmから約500μmの厚さを有しても良い。ある実施形態では、前記上部層は、さらに、繊維および／または布地（textile）を有する。
【００１８】
ある実施形態では、本発明による放射冷却用の別のシステムは、1または2以上の構造化ポリマーを有する上部層であって、該上部層は、熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、太陽スペクトルの少なくとも一部において電磁減衰係数が近似的にゼロであり、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において約0.5よりも大きな反射率を有する、上部層と、前記上部層の下側に配置されたコントラスト層であって、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層の屈折率よりも低い屈折率を有する、コントラスト層と、を有する。
【００１９】
ある実施形態では、前記コントラスト層は、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素、シリコーン、ポリ（ジメチルシロキサン）、および空気ボイドの1または2以上を有する。前記上部層は、1または2以上の尾根および／もしくは突起を有する1または2以上のアレイを含む、1または2以上の領域を有しても良い。
【００２０】
ある実施形態では、当該システムの前記1または2以上のポリマーは、機械的に強く、化学結合もしくは密着特性を有し、水に対して不浸透性であり、および／または耐食性を有しても良い。当該システムは、さらに、前記上部層に隣接してカバー層を有しても良い。
【００２１】
別の態様では、本発明により、放射加熱用のシステムが提供される。放射加熱用のシステムの一例は、上部層であって、1または2以上の構造化材料を有し、太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い吸収率を有し、熱スペクトルの少なくとも一部において約0.1未満の放射率を有する、上部層と、前記熱スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層の屈折率よりも低い屈折率を有する下地層と、を有する。
【００２２】
ある実施形態では、前記上部層は、シリコン、ガリウムヒ素、および／またはゲルマニウムを有しても良い。ある実施形態では、前記下地層は、二酸化ケイ素、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ポリ（ジメチルシロキサン）、および／または空気ボイドの1または2以上を有しても良い。前記上部層は、1または2以上の尾根および／もしくは突起を含む1または2以上のアレイを有する、1または2以上の領域を有しても良い。
【００２３】
本発明によるシステムは、さらに、基板を有しても良い。前記上部層は、物理的もしくは化学的気相成膜法、フォトリソグラフィ法、電子ビームリソグラフィ法、湿式エッチング法、反応性イオンエッチング法、3D印刷法、インプリント法、スプレー法、浸漬コーティング法、スピンコーティング法、またはアプリケータの少なくとも一つを用いて、前記基板に設置されても良い。ある実施形態では、前記上部層は、約5μｍから約500μｍの厚さを有する。
【００２４】
本発明では、さらに、放射冷却の方法が提供される。方法の一例は、1または2以上のポリマー、および必要に応じて、さらに1または2以上の種類のナノ粒子を有する、上部層を提供するステップであって、前記上部層は、熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、吸収率が近似的にゼロであり、太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い透過率を有する、ステップと、前記上部層の下側に設置された、1または2以上の金属を含む反射層を提供するステップであって、前記反射層は、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い反射率を有する、ステップと、を有しても良い。
【００２５】
別の放射冷却の方法の例は、1または2以上のポリマー、および1または2以上の添加物を有する上部層を提供するステップを有し、前記1または2以上のポリマーは、熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、前記1または2以上の添加物は、太陽スペクトルの少なくとも一部において、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、約0.3よりも大きな反射率を有する。
【００２６】
さらに別の放射冷却の方法の例は、1または2以上の構造化ポリマーを有する上部層を提供するステップであって、前記上部層は、熱スペクトルの少なくとも一部において高い放射率を有し、太陽スペクトルの少なくとも一部において、電磁減衰係数が近似的にゼロであり、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において約0.5よりも大きな反射率を有する、ステップと、前記上部層の下側にコントラスト層を提供するステップであって、前記コントラスト層は、前記太陽スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層の屈折率よりも低い屈折率をする、ステップと、を有しても良い。
【００２７】
本発明では、さらに、放射加熱の方法が提供される。方法の一例は、1または2以上の構造化材料を有する上部層を提供するステップであって、前記上部層は、太陽スペクトルの少なくとも一部において高い吸収率を有し、熱スペクトルの少なくとも一部において約0.1未満の放射率を有する、ステップと、前記熱スペクトルの少なくとも一部において、前記上部層の屈折率よりも低い屈折率を有する下地層を提供するステップと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による放射冷却用のシステムの、シミュレーションされた吸収スペクトルを示した図である。
【図２】本発明による放射冷却用のシステムの反射率および放射率（すなわち、1−反射率）のスペクトルの例を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態による放射冷却用のシステムの概略的な構成を示した図である。
【図４】本発明による放射冷却用のシステムの反射層に使用され得る各種金属のシミュレーションされた反射スペクトルを示した図である。
【図５】本発明による放射冷却用のシステムのポリマー層に使用される、2種類の異なるポリマー、およびこれらのポリマーの組み合わせの測定放射スペクトルを示した図である。
【図６】本発明の別の実施形態による放射冷却用のシステムの概略的な構成を示した図である。
【図７】ナノ粒子を含む本発明の別の実施形態による放射冷却用のシステムの概略的な構成を示した図である。
【図８】本発明の一実施形態による複数種のナノ粒子と、ポリマーとを含む上部層における、シミュレーションされた反射および放射スペクトルの一例を示した図である。
【図９】いくつかの有機ポリマーの屈折率nおよび減衰係数κを、いくつかの無機ナノ粒子と比較して示した図である。
【図１０】ナノ−およびマイクロ構造を含む、本発明の別の実施形態による放射冷却用のシステムの概略的な構成を示した図である。
【図１１】各種直径を有する二酸化チタン粒子のシミュレーションされた反射スペクトルを示した図である。
【図１２Ａ】本発明による放射冷却用のシステムにおける熱伝達の概略的な図である。図12Aには、システムが熱発生物体または構造に対するコーティングとして設置された、熱伝達の概略的な図が示されている。
【図１２Ｂ】本発明による放射冷却用のシステムにおける熱伝達の概略的な図である。図12Bには、システムが冷却物体または構造に対するコーティングとして設置された、熱伝達の概略的な図が示されている。
【図１３】本発明による、アプリケータを用いて放射冷却用のシステムを製作する方法を示した図である。
【図１４】本発明による放射冷却用のシステムを製作する別の方法を示した図である。
【図１５】本発明による放射冷却用のシステムを製作する別の方法を示した図である。
【図１６】本発明の一実施形態による放射冷却および加熱用のシステムの一例におけるユニットセルの概略的な構成を示した図である。
【図１７】本発明による、3D印刷を用いて製作された放射冷却用のシステムの一例における走査型電子顕微鏡画像を示した図である。
【図１８】図17のシステムの一例における光学画像である。
【図１９】本発明による放射冷却用のシステムの一例における測定反射スペクトルを示した図である。これは、2つの制御サンプル、ガラス基板およびガラス基板上の薄いポリマーに比べて、本発明による図17および図18に示されたものと同様の断面三角形状の尾根のアレイで構成される。反射スペクトルは、反射率が太陽スペクトルにおいて、実質的に増強され、放射率（すなわち1−反射率）が、熱スペクトルにおいて、実質的に増強されることを示す。図19におけるはめ込み図は、可視スペクトルにおける光学画像であり、放射冷却用のシステムの一例が、薄いポリマー制御に比べて、より明るいことが示されている。
【図２０】本発明による放射加熱用のシステムのシミュレーションされた吸収スペクトルを示した図である。
【図２１】太陽反射および熱放射を高める、放射冷却システムのジュアル機能を示すシミュレーション結果を示した図である。放射冷却システムの例は、図17および図18と同様の断面三角形の尾根のアレイで構成される。
【図２２】基板と、図17および図18に示したものと同様の三角形尾根の周期アレイとの間のギャップの寸法の関数としての、反射率のシミュレーションされたスペクトルを示した図である。
【図２３Ａ】ランダムアレイ構造に基づくシミュレーションを示した図である。図23Aには、三角形尾根の3例の配置が示されている。
【図２３Ｂ】ランダムアレイ構造に基づくシミュレーションを示した図である。図23Bには、異なる30の尾根のランダム配置における垂直入射での、波長の関数としてのシミュレーションされた反射率が示されている。
【図２３Ｃ】ランダムアレイ構造に基づくシミュレーションを示した図である。図23Cには、30回のシミュレーションにわたる、平均化された反射スペクトルが示されている。
【図２４Ａ】三角形と円形の尾根を比較したシミュレーションを示した図である。図24Aには、シミュレーションに使用された円形尾根および断面三角形の尾根のアレイが示されている。
【図２４Ｂ】三角形と円形の尾根を比較したシミュレーションを示した図である。図24Bには、波長λ＝600nm（すなわち可視光放射線）、および13μm（すなわち熱放射線）での非偏向入射光におけるシミュレーションされた反射スペクトルが示されている。太陽スペクトル（代表波長λ＝600nm）では、三角形尾根アレイの反射率は均一であり、入射角の全範囲にわたって、円形尾根アレイに比べて有意に高いことが示されている。また、熱放射線スペクトル（代表波長λ＝13μｍ）では、三角形と円形の尾根のアレイは、同等の反射率を有し、これらは、未処理基板よりも小さい（すなわち、放射率は、未処理の基板よりも大きい）ことが示されている。
【図２４Ｃ】（I）小さな入射角、（II）中間の入射角、および（III）大きな入射角における、太陽放射線と三角形尾根の間の相互作用を概略的に示した図である。中間入射角範囲では、太陽反射は、三角形尾根の底部平坦ファセットにおける光の全内部反射により、高められることが示されている。
【図２５】図17および図18に示したものと同様の三角形尾根のアレイからなる放射冷却システムの一例を有する、および有しない基板の測定温度を示した図である。
【図２６Ａ】例2のシステムを示した図である。図26Aには、システムが概略的に示されている。
【図２６Ｂ】例2のシステムを示した図である。図26Bは、製作されたシステムの走査型電子顕微鏡画像である。
【図２７】本発明による放射加熱用のシステムを製作する方法を示した図である。
【図２８Ａ】CaCO3ナノ粒子を有する放射冷却用のシステムのシミュレーションされた反射スペクトル（図28A）を、Al2O3ナノ粒子（図28B）の場合と比較して示した図である。
【図２８Ｂ】CaCO3ナノ粒子を有する放射冷却用のシステムのシミュレーションされた反射スペクトル（図28A）を、Al2O3ナノ粒子（図28B）の場合と比較して示した図である。
【図２９】2つの異なる上部層厚さを有するシステムにおける、シミュレーションされた反射スペクトルを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明では、放射冷却および加熱用のシステムならびに方法が提供される。
【００３０】
ある実施形態では、システムは、太陽スペクトルにおいて低い吸収率を有し、熱スペクトルにおいて高い放射率を有する。あるいは、システムは、太陽スペクトルにおいて高い吸収率を示し、より長い波長（例えば熱スペクトル）において、低い吸収率を示しても良い。別の実施形態では、システムは、太陽スペクトルおよび熱スペクトルを含む広い波長範囲にわたって、高い反射率を示しても良い。
【００３１】
従って、本発明によるシステムは、放射冷却および放射加熱の双方における、広い用途に使用することができる。システムの放射特性（例えば吸収率、放射率、反射率、および透過率）は、ある程度、システムの材料および形状に依存する。従って、材料および形状は、意図した用途における所望の放射プロファイルに基づいて選択され得る。
【００３２】
本願において使用される、「太陽スペクトル」と言う用語は、紫外、可視、および近赤外のスペクトルを網羅する電磁放射線波長を表し、太陽の電磁放射線は、大気を通過して、地上表面に到達する。従って、太陽スペクトルは、約350nmから約2.5μmまでの波長を有する電磁放射線を含む。「太陽放射線」、「太陽波長」および「太陽光」という用語は、「太陽スペクトル」と相互互換可能に使用され得る。
【００３３】
「熱スペクトル」と言う用語は、中間赤外スペクトルを網羅する電磁放射線波長の範囲を表す。地上表面温度に対して数百℃またはそれ以下の対象物は、熱スペクトルにおける放射線を放射する。従って、熱スペクトルは、約2.5μmから約30μmまでの波長を有する電磁放射線を含む。「熱放射線」という用語は、「熱スペクトル」と相互互換可能に使用され得る。
【００３４】
本願に使用される「約」または「近似的に」という用語は、当業者によって定められる特定の値が、許容可能な誤差範囲内にあることを意味する。これは、部分的に、値の測定方法または算定方法に依存し、すなわち測定系の限界に依存する。例えば、「約」は、所与の値の最大20％、最大10％、最大5％、または最大1％の範囲を意味し得る。
【００３５】
本願において、材料または構造に関して使用される「吸収率」または「吸収」という用語は、電磁放射線の形態におけるエネルギー吸収の効率である。完全な黒体の吸収体は、吸収率が1と定められる。吸収率は、波長の関数である。本願において、ある波長範囲内の材料または構造の特性を表す際に使用される「高吸収（率）」という用語は、材料または構造が、前記波長範囲において、約0.9よりも大きな吸収率を有することを意味する。
【００３６】
本願において、材料または構造に関して使用される「放射率」または「放射（性）」と言う用語は、電磁放射線の形態におけるエネルギー放射の効率である。完全な黒体の放出体（エミッタ）は、放射率が1と定められ、完全な非放出体は、放射率がゼロと定められる。放射率は、波長の関数である。本願において、ある波長範囲内の材料または構造の特性を表す際に使用される「高放射（率）」という用語は、材料または構造が、前記波長範囲において、約0.9よりも大きな放射率を有することを意味する。本願において、ある波長範囲内の材料または構造の特性を表す際に使用される「均一放射」という用語は、前記波長範囲内の材料または構造の放射率が、最大でも前記範囲内の最大放射率の10％しか変化しないことを意味する。
【００３７】
本願において、材料または構造に関して使用される「反射率」または「反射（性）」と言う用語は、表面で反射される任意の入射電磁放射線の割合である。完全な反射体は、反射率が1（および放射率はゼロ）と定められ、完全な吸収体は、反射率がゼロ（および放射率が1）と定められる。反射率は、波長の関数であるとともに、表面に対する反射角度の関数である。本願において、ある波長範囲内の材料または構造の特性を表す際に使用される「高反射（率）」という用語は、前記範囲において、材料または構造の反射率が約0.9よりも大きいことを意味する。本願において、ある波長範囲内での材料または構造の特性を表す際に使用される「均一反射」という用語は、前記範囲内での材料または構造の反射率が、前記範囲における最大反射率の最大10％しか変化しないことを意味する。
【００３８】
本願において、材料または構造に関して使用される「透過（率）」と言う用語は、材料または構造を透過する任意の入射電磁放射線の割合である。不透明な材料または構造は、透過率がゼロと定められる。本願において、ある波長範囲内の材料または構造の特性を表す際に使用される「高透過（率）」という用語は、材料または構造が、前記波長範囲において、約0.9よりも大きな透過率を有することを意味する。
【００３９】
熱放射線のキルヒホッフの法則により、吸収率は、放射率と等しい。また、任意の材料または構造において、放射率（ε）、透過率（τ）、および反射率（R）は、ε＋τ＋R＝1の式で相関する。従って、材料が十分に不透明な場合、光は、無視できる量しかそこを透過せず（すなわちτは近似的にゼロ）、式は、ε＋R＝1と簡略化できる。
【００４０】
本願において「大気透過窓」とも称される、大気の赤外透過性窓は、電磁スペクトル内の波長範囲であり、この範囲を超えて、大気は、地表からその厚さを介して外側空間まで移動する、80％以上の放射線を透過する。従って、大気透過窓は、約8μｍから約13.5μｍの波長を有する電磁放射線を含む。
【００４１】
本願において、対象物または構造に関して使用される「受動放射冷却」と言う用語は、電磁放射線の固有放射による熱の損失を表す。この過程自身には、追加のエネルギーが必要となる。例えば、熱損失は、熱放射線の形態で生じ得る。「昼間受動放射冷却」と言う用語は、放射線の正味の損失による、太陽の下での対象物の正味の受動冷却を表す。昼間受動放射線冷却は、対象物が、高い太陽放射線反射および高い熱放射線放射を示す際に生じ得る。
【００４２】
スペクトルの複素屈折率は、屈折率n（λ）および減衰係数κ（λ）に基づき、すなわちスペクトルの複素屈折率は、n（λ）+iκ（λ）である。屈折率は、波長（λ）のどれだけの光が、ある材料と別の材料の間の界面で反射されたかを定め、減衰係数は、どの程度強く、材料がその波長の光を吸収しまたは放射したかを定める。
【００４３】
本願において使用される「質量比」は、材料または構造の構成成分の全てのもしくは一部の質量の比として定められる。質量比は、構成成分の体積の比を表す体積比、および材料または構造の体積に対する各構成成分の濃度に、直接変換される。
【００４４】
材料の「電磁浸透深さ」または「浸透深さ」は、電磁放射線の強度がeだけ低下する前に、電磁放射線が材料内を移動した距離である。浸透深さは、波長および材料特性の関数である。
【００４５】
本願の一実施形態では、受動放射冷却用のシステムは、太陽スペクトルにおいて低い吸収率を有し、熱スペクトルにおいて高い放射率を有する。例えば、システムは、大気の赤外透過窓の少なくとも一部において高い放射率を有し、外側空間は、放射される放射線の熱シンクとして機能できる。これにより、地球の比較的温かい大気がバイパスできる。一例として、図1には、そのようなシステムの吸収スペクトルの例を示す。図1に示すように、システムは、太陽スペクトル、すなわち約350nmから約2.5μmにおいて、低い吸収を示す。
【００４６】
システムは、太陽スペクトルにおける低い吸収と、熱スペクトルにおける高い放射に加えて、太陽スペクトルにおいて、高い反射を示しても良い。例えば、そのような高反射率は、システムの上部層、および／または下地の反射層から得られる。従って、システムは、熱放射線として、熱を効率的に逸散することができるとともに、任意の入射太陽光を反射することができる。そのようなシステムは、例えば、受動放射冷却に使用することができる。一例として、図2には、3つのそのようなシステムの反射スペクトルおよび放射スペクトルを示す。図2に示すように、システムは、太陽スペクトルにおいて比較的大きな反射率を有し、熱スペクトルにおいて、特に大気透過窓において、低い反射率（すなわち比較的高い放射率）を有する。
【００４７】
限定の目的ではなく一例として、図3には、本発明の非限定的な実施形態によるシステムの概略的な図を示す。図3に示すように、システム300は、積層構造の複数の層を含む。
【００４８】
一実施形態では、システム300は、基板10を有しても良い。基板10が存在する場合、該基板10は、システムの基部を形成し、他の層のプラットフォームを提供する。システムの基板を除く他の層は、合わせて「コーティング」と称される。基板は、不活性材料であっても良い。
【００４９】
ある実施形態では、基板は、対象物または構造そのものであっても良く、すなわちシステムの追加の層が、対象物または構造に、直接コーティングされ、放射冷却が提供されても良い。そのような実施形態では、基板を平滑な対象物とすることができ、追加層のコーティングが容易になる。追加層は、複数のステップでコーティングされても良く、または合わせて層状化されてから、基板に設置されても良い。
【００５０】
ある実施形態では、基板は、剛性材料であっても良い。これに限られるものではないが、一例では、そのような材料は、二酸化ケイ素および酸化アルミニウムを含む。剛性基板は、例えばタイルとして、構造の上に層状化され、剛性システムの支持を提供し、例えば放射冷却が提供されても良い。
【００５１】
あるいは、基板は、可撓性材料であっても良い。これに限られるものではないが、例えば、そのような材料は、ポリ（ジメチルシロキサン）およびポリ（フッ化ビニリデン）を含む。可撓性基板は、可撓性システムに使用することができ、これは、例えば、不規則形状の構造上に、コーティングすることができる。
【００５２】
一実施形態として、さらに図3を参照すると、システム300は、基板10が存在する場合、該基板10に隣接する反射層20を有する。反射層は、入射電磁放射線を反射することができる。例えば、反射層は、システムを昼間受動放射冷却により適したものにできる。また、反射層は、基板からの熱伝達を容易できる。ある実施形態では、反射層は、太陽スペクトルの少なくとも一部において、放射線を反射する。従って、一実施形態では、反射層は、太陽スペクトルの少なくとも一部において、高い反射率を有する。
【００５３】
例えば、これに限られるものではないが、反射層は、銀またはアルミニウムのような金属の、単一層を含んでも良い。ある実施形態では、反射層は、2または3以上の層を含み、各層は、1または2以上の金属を含んでも良い。例えば、ある波長で低い反射率を有する平滑な金属層は、異なる金属の薄膜を上部に層化することにより反射率が強化され、これらの波長において大きな反射率および小さな電磁浸透深さを有するようにできる。一実施形態では、薄膜の厚さは、その波長での電磁浸透深さと同等、またはより大きくなるようにでき、その波長において最小の入射放射線が、下地の金属層に到達する。
【００５４】
従って、例えば、反射層は、上部層および下部層を含んでも良い。上部層は、太陽スペクトルの少なくとも一部における第1の波長範囲内で、約0.8よりも大きな反射率を有し、第1の電磁浸透深さを有する。例えば、上部層の第1の電磁浸透深さは、約10nmであっても良い。太陽スペクトルの少なくとも一部の第2の波長範囲では、上部層は、第2の電磁浸透深さを有し、これは、第1の電磁浸透深さよりも大きい。例えば、上部層の第2の電磁浸透深さは、約20nmであっても良い。下部層は、第1の波長範囲において、上部層よりも低い反射率を有し、第2の波長範囲において、上部層よりも高い反射率を有する。
【００５５】
上部層の厚さは、近似的に、第1の波長範囲内での第1の電磁浸透深さよりも大きく、またはほぼ同等であり、近似的に、第2の波長範囲の第2の電磁浸透深さよりも小さい。従って、通常、第1の波長範囲における放射は、上部層とのみ相互作用する。また、概して、第1の波長範囲における反射層の反射率は、下部層の反射率よりも大きいが、第2の波長範囲における上部層の反射率よりも大きい。このように、第1の波長範囲における反射層の全体の反射率は、近似的に、その波長範囲における上部層の反射率と同じである。また、通常、第2の波長範囲における放射線は、上部層および下部層の両方により反射され、従って、第2の波長範囲における反射層の全体の反射率は、その範囲における下部層の反射率に近づく。
【００５６】
このように、2層の反射層は、第1および第2の組み合わされた波長範囲にわたって、上部層または下部層のいずれか一方を独立で構成した場合に比べて、反射率を高めることができる。当業者には、この概念を、3層以上の反射層、および太陽スペクトルの外側に位置する波長範囲に拡張できることは明らかである。
【００５７】
特定の実施形態では、2層の反射層は、銀を含む上部層と、アルミニウムを含む下部層とを有しても良い。上部層すなわち銀は、約5nmから約50nmの厚さを有し得る。下部層は、上部層よりも大きな厚さ、例えば約200nmよりも大きな厚さを有し得る。図4に示すように、この構成では、太陽スペクトルにおいて、銀およびアルミニウムを独立に使用した反射率よりも、2〜3％（上部層の厚さに依存する）大きな反射率が観測されている。
【００５８】
ある実施形態では、反射層は、約50nmから約800nmの全体厚さを有し得る。反射層は、別個に形成され基板に層状化されても、基板上に直接コーティングされても良い。例えば、反射層は、電気めっき法、熱気相成膜法、電子ビーム成膜法、スパッタリング法、または従来の他の好適な技術により形成され得る。反射層を交互に形成して、自立式の反射器として使用できることは、当業者には明らかである。
【００５９】
ある実施形態では、システム300は、任意で、さらに保護層を有しても良い。存在する場合、保護層は、反射層20と上部層40との間に設置され得る。保護層は、例えば、システムの製作の間、および／または上部層40がない場合、反射層20を保護することができる。ある実施形態では、保護層30は、約10nm未満の厚さを有しても良い。保護層は、反射層の反射率をあまり低下させない材料で形成され得る。例えば、これに限られるものではないが、そのような材料は、酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素を含む。例えば、保護層は、第1および／または第2の波長範囲において、透明であっても良い。
【００６０】
ある実施形態では、上部層40は、保護層と隣接して設置され、あるいは図3に示すように、反射層20に隣接して設置される。上部層40は、熱スペクトルにおいて、高い放射率を有することができる。これに加えてまたはこれとは別に、上部層40は、太陽スペクトルにおいて、高い透過率を有し、吸収が無視できる。上部層40は、約5μmから約500μmの厚さを有し得る。
【００６１】
上部層40の材料は、システム300、作動温度および放射線源の所望の放射特性に基づいて選定される。従って、上部層40の材料は、システム300の使用目的に依存する。ある実施形態では、上部層40は、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（アクリル酸）、およびポリ（酢酸ビニル）の1または2以上を有しても良い。
【００６２】
当業者には、各ポリマーが、構成原子間で各種化学結合を有することは明らかである。これらの各々は、電磁放射線、例えば熱スペクトルにおけるある波長を吸収し、放射する。各ポリマーは、その化学組成および原子配列に基づいて、異なる数、配置および体積密度の結合を有し、その結果、熱スペクトルにおいて特徴的な放射を示す。これらの化学結合の多くは、太陽スペクトルにおける波長を吸収せず、これに限られるものではないが、ポリ（フッ化ビニリデン）、およびポリ（メチルメタクリレート）を含むあるポリマーは、熱スペクトルにおいて大きな放射を示し、太陽スペクトルにおいて吸収が実質的にゼロとなる。従って、ポリマーは、所望の放射線特性に対して好適な化学的および物理的構造に、特定したり、これをカスタムで合成したりすることができる。あるいは、ある実施形態では、上部層は、2または3以上のポリマーの組み合わせを含む。あるポリマーの構成は、熱スペクトルにおいて、それらの特徴的な放射の組み合わせを示すが、残りは、太陽スペクトルの波長で、実質的に非吸収性および透過性である。例えば、これに限られるものではないが、図5には、この原理が示されている。図には、アルミニウム箔上の、ポリマー構成（「混合物」）、およびその成分のポリマーであるポリ（フッ化ビニリデン）およびポリ（酢酸ビニル）の放射率が示されている。混合物は、放射ピークを示し、その成分の1つまたは両方が同様のピークを示す。例えば、図5において、混合物は、約7.8μｍで放射ピークを示すが、ポリ（酢酸ビニル）は約11.5μｍにピークを示し、ポリ（フッ化ビニリデン）は、約7μｍでピークを示し、両方が、一つのピークを有する。
【００６３】
ある実施形態では、2または3以上のポリマーの組み合わせにおけるポリマーの各々は、ニアゼロの電磁減衰係数を有し、すなわち、太陽スペクトルにおいて高い透過性を示す。組み合わせは、同様に、ニアゼロの電磁減衰係数および高い透過率を有しても良い。また、ポリマーの各々は、熱スペクトルの少なくとも一部内で、高い電磁減衰係数を有し、すなわち放射ピークを有する。例えば、各ポリマーは、熱スペクトルの異なる部分において、高い電磁減衰係数を有する。
【００６４】
電磁減衰係数が、材料の空間複素屈折率の成分であることは、当業者には明らかである。特に、空間複素屈折率は、屈折率n（λ）、および減衰係数κ（λ）に基づき、すなわち空間複素屈折率は、n（λ）＋iκ（λ）である。屈折率は、ある材料と別の材料の間の界面で反射される波長（λ）の光の量を定め、減衰係数は、その波長で、材料が吸収または放射する光の強さを定める。本願において、材料と特定の波長範囲に関して使用される、「高電磁減衰係数」と言う用語は、材料が、その波長範囲において、異なる波長範囲におけるその電磁減衰係数に比べて高い電磁減衰係数を有することを意味する。
【００６５】
また、熱スペクトルにおけるポリマー構造の放射率が、少なくとも3つの因子、すなわち、構成ポリマーの成分の空間複素屈折率、それらの相互の混和性、およびそれらの質量比に依存することは、当業者には明らかである。各ポリマーが、熱スペクトルの異なる位置において、高い電磁減衰係数を有する場合、上部層40の全体の放射率は、全ての構成ポリマー成分の放射率の組み合わせとなる。この場合、ポリマーの組み合わせは、熱スペクトルの複数の部分において、高い放射率を示すことができる。構造の光学均一性は、ポリマーの混和性に依存し、これは、理論的に予測し、または実験的に求めることができる。例えば、成分の混和性が高いと、構造の複素屈折率の空間均一性が高くなる。また、ポリマーの相対量（すなわち質量比）は、それらのピーク減衰係数の相対値に基づいて定めることができる。この方法では、任意の特定のポリマー種を過度に使用することなく、熱スペクトルにわたって、均一に高い放射率を得ることができる。例えば、ある波長で弱いが均一な放射を示す構成ポリマーは、他の波長でより強く吸収する別のものよりも、構造中に高い質量割合で含まれる。また、成分の混和性およびコーティングの機械的剛性は、それ自体、質量比に依存し、構造内の質量比の二次的決定因子となり得る。利用可能なポリマーの多様性のため、熱スペクトルにわたって均一な熱放射を示す構造が得られる。また、ポリマーの相対量は、熱スペクトルにおけるシステムの放射率を微調整するため選択されても良い。
【００６６】
また、上部層40は、機械的および／または化学的結合強度、金属表面に対する密着性、混和性、耐食性、および／または水の耐浸透性に基づいて選定された、1または2以上のポリマーを有する。その場合、上部層40内の1または2以上のポリマーは、反射層20の金属を腐食から保護するために使用され得る。
【００６７】
薄い上部層、すなわち熱放射線波長に匹敵する厚さの上部層の場合、熱放射は、上部層の形状にも依存する。特定の実施形態では、上部層は、約5μmから約20μmの厚さを有する。上部層の厚さは、熱スペクトル内のある波長の放射線を取り込むように選定され、これにより、その波長での層の放射率が増加する。ポリマーと下地基板の厚さおよび複素空間屈折率に応じて、上部層はトラップし、これにより、熱スペクトルの特定の波長の光路長が長くなる。光路長が長くなると、上部層内で放射された光が層内で移動するため、より強度が大きくなり、システム全体の放射率が上昇する。上部層の寸法の調整により、全体の放射率を高めることができ、小さな厚さの上部層でも、コーティングにより高い放射が可能となる。
【００６８】
同様に、熱スペクトルにおける放射線は、断面が略三角形の領域を有する上部層のパターン化によりトラップされ得る。例えば、一実施形態では、上部層40は、特定の形状を有し、上部層内に、特定波長の放射線が取り込まれる。ある実施形態では、上部層40は、1または2以上の尾根および／または突起のアレイを有しても良い。例えば、図6に示した実施形態を参照すると、上部層40は、断面が略三角形の上昇部を形成するアレイを有する。本願に使用される「略三角形」と言う用語は、形状が3つの対向面を有することを意味する。これらの対向面は、必ずしも直線である必要はなく、傾斜または丸くされた頂点で結合される。上部層40におけるそのようなアレイは、尾根および／または突起を有し、これらは、三角形プリズム、ピラミッドまたは菱形の3次元形状を有しても良い。本願の実施形態では、上部層40は、複数のそのような上昇部分を有し、これらは、列状、グリッド状、または他のパターンに配置され、前記アレイが形成される。ある実施形態では、上昇部分のピークからピークの間の幅は、約1μmから約15μmであっても良く、ピークから谷の高さは、約1μmから約15μmであっても良い。上部層40の形状を変化させて、システムの熱放射を変化させることができる。
【００６９】
本発明では、そのような三角形特徴部を有する上部層を用いることにより、各種波長範囲でのシステムの放射特性が高められる。
【００７０】
ある実施形態では、上部層40は、物理的または化学的気相成膜法、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、湿式エッチング、反応性イオンエッチング法、3D印刷法、インプリント法、スプレー法、浸漬コーティング法、スピンコーティング法、またはアプリケータ、あるいは従来の他の任意の好適に技術を用いて、反射層20、基板10、または別の表面に、平滑に設置される。
【００７１】
示された上部層は、熱スペクトルにおいて高い放射率を示し、太陽スペクトルにおける吸収率が実質的にゼロである。従って、窓および他のガラスパネル化ビルの外構、太陽パネルのような、下地基板に対して太陽光の高い透過性が要求される受動放射冷却機器、ならびにルーフタイムおよびラップトップの表面、および他の電子機器のような、基板色が保護されることが要求される用途に好適である。従って、システムとは別個に、例えば反射層なしで、上部層40が使用されることは、当業者には明らかである。しかしながら、高い太陽反射率を有する平滑な金属表面、例えば、図3、6のような反射層上に適用された場合、透過した太陽光は、金属により大部分が反射される。組み合わせ構造は、熱スペクトルにおける高い放射率と、太陽スペクトルにおける高い反射率とを兼ね備え（すなわち、いずれも約0.9超）、これは、昼間受動放射冷却に好適である。
【００７２】
上部層40は、さらに、追加特徴物を有しても良い。図7に示すような実施形態では、上部層40は、任意で、ナノ粒子60を含んでも良い。「ナノ粒子」および「ナノ構造」という用語は、本願において相互互換可能に使用される。例えば、ナノ粒子60は、窒化ケイ素（SiNx）（例えばSi3N4）、酸化アルミニウム（Al2O3）、二酸化ケイ素（SiO2）、炭酸カルシウム（CaCO3）、および／またはこれらの組み合わせを含んでも良い。ナノ粒子の使用により、熱放射線の範囲において放射率を高めることができる。この場合、ナノ粒子の使用により、熱スペクトルにおける上部層の放射率が高められ、ナノ粒子を使用しない形態に比べて、同様の特性を維持したまま、上部層を薄くすることができる。例えば、ナノ粒子を含む上部層は、約5μmから約10μmの厚さを有しても良い。
【００７３】
限定のためではなく、一例として、図8には、ポリ（ジメチルシロキサン）と、体積比で、0.8612：0.01735：0.01735：0.0694：0.0347のCaCO3、SiO2、Si3N4、およびAl2O3のナノ粒子とを含む、5μmの厚さの上部層のシミュレーションされた反射率が示されている。図8に示すように、ナノ粒子60および反射層20を有するシステムは、太陽スペクトルにおいて比較的高い反射率を示し、熱スペクトル、特に、昼間受動放射冷却に適する大気透過窓において、比較的低い反射率（すなわち比較的高い放射率）を示す。
【００７４】
一実施形態では、上部層、すなわちポリマーとナノ粒子の成分の材料、寸法、および質量比は、所望の放射線特性が得られるように選定することができる。例えば、ナノ粒子は、前述のポリマーの組み合わせに対して適用されるものと同じ考察に基づき、熱スペクトルにわたって高い放射率が得られるように選定され、ナノ粒子の比が調整される。例えば、これに限られるものではないが、炭酸カルシウム（CaCO3）、酸化ケイ素（SiO2）、窒化ケイ素（Si3N4)）、および酸化アルミニウム（Al2O3）を含む、いくつかの無機材料は、熱スペクトルの異なる波長において、それらの特性フォノン共鳴の結果として、ポリマーに比べて有意に大きな電磁減衰係数を有する。これは、図9に示されており、図には、いくつかの有機ポリマーの屈折率nおよび減衰係数κが、いくつかの無機ナノ粒子と比較して示されている。従って、1または2以上の種類のナノ粒子と、1または2以上のポリマーの質量比は、上部層におけるナノ粒子の量を最小限に維持したまま、熱スペクトルにわたって均一な高放射が得られるように、選定することができる。
【００７５】
一実施形態では、ナノ粒子は、存在する場合、下地反射層の高い太陽反射率を維持するように選定することができる。ナノ粒子の選択は、例えば、太陽スペクトルにおける材料の複屈折率、およびナノ粒子のサイズに基づく。例えば、太陽スペクトルにおけるナノ粒子の減衰係数は、近似的にゼロにすることができる。別の例では、太陽スペクトルにおける材料の屈折率は、散乱の最小化と同様、太陽スペクトルの少なくとも一部内で相互の例えば10％にすることができる。また、これらの屈折率のため、ナノ粒子は十分に小さく、例えば、直径が約100nm未満とされ、上部層内に太陽光をトラップする光散乱が最小化され、太陽スペクトルにおける反射層20による吸収が上昇する。当業者には明らかなように、小さなナノ粒子は、熱放射線によりポリマーマトリクスから「区別」することができない。熱放射線の波長は、少なくとも25倍、粒子よりも大きいからである。従って、そのような波長では、上部層およびナノ粒子は、単一の高放射相として振る舞い、有効な媒質を形成する。
【００７６】
ある実施形態では、小さなナノ粒子（例えば直径が100nm未満）が使用される。特定の実施例では、ナノ粒子は、約20nm、25nm、または30nmの直径を有する。小さなナノ粒子を使用することにより、同じ全吸収体積を有する大きなナノ粒子に比べて、ナノ粒子による吸収の有効断面積が増加する。
【００７７】
また、上部層40内のナノ粒子60の濃度は、ナノ粒子および上部層の放射特性に応じて変化する。例えば、熱スペクトルにおいて低い電磁減衰係数を有するナノ粒子の場合、また上部層におけるナノ粒子の屈折率とポリマーの屈折率の間に大きな差がある場合、ナノ粒子の濃度は、吸収率を高めるため、増加されても良い。例えば、ナノ粒子：ポリマーの体積濃度は、約1：1である。
【００７８】
これとは別にまたはこれに加えて、ある実施形態では、システムは、さらに、1または2以上の追加の添加物、例えば、ナノおよび／またはマイクロ構造を有し、太陽スペクトルにおける反射が強化される。ある実施例では、1または2以上の添加物は、太陽スペクトルの少なくとも一部において、約0.3よりも大きな反射率を有しても良い。例えば、マイクロ構造70が、例えば図10に示したようなナノ構造60とともに提供されても良い。太陽スペクトルにおいて高い後方散乱を示すナノ構造およびマイクロ構造を使用して、熱スペクトルにおける高い放射率（例えば約0.95超）を維持したまま、太陽スペクトルにおける反射率を高めても良い（例えば約0.95超）。従って、そのようなシステムは、受動放射冷却に使用することができる。また、そのようなシステムは、厚さが20μm未満の上部層を有しても良い。
【００７９】
ナノ構造とマイクロ構造の材料、寸法、および質量比は、太陽範囲内で高い反射率が得られるように選定できる。例えば、ナノ構造および／またはマイクロ構造の電磁減衰係数κは、太陽スペクトルにおいて近似的にゼロにできる。また、ナノ構造および／またはマイクロ構造と、ポリマーの屈折率nは、太陽スペクトルの1または2以上の部分において相互に異なり、散乱が強められても良い。所与の屈折率において、ナノ構造および／またはマイクロ構造の寸法は、外部環境へのミー共鳴の結果、入射太陽放射線が後方散乱されるように選定され得る。従って、ナノ構造および／またはマイクロ構造は、太陽スペクトルにおいて高い屈折率を有する材料を含み、例えばこれに限られるものではないが、二酸化チタン、窒化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムを含んでも良い。ある実施例では、複数のナノ構造および／またはマイクロ構造は、異なる寸法を有し、異なる波長の光が後方散乱されても良い。これらの材料は、二酸化ケイ素、ポリ（フッ化ビニリデン）、およびシリコーンのような、低い屈折率を有する材料とともに使用することができる。これとは別にまたはこれに加えて、添加物は、1または2以上の人工的に導入された空気ボイドを含んでも良い。また、太陽スペクトルの広い範囲において、後方散乱を高めるため、例えば、図11でシミュレーションされた二酸化チタン粒子のような、異なる寸法のナノ構造および／またはマイクロ構造が使用されても良い。
【００８０】
このように、ナノ構造および／またはマイクロ構造を用いて、太陽スペクトルの広い範囲において高い反射率を有する上部層を形成することができる。前述のように、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、およびポリマーマトリクス成分のような材料は、熱スペクトルにおいても放射性であり、熱スペクトルにおいて高い放射率を有する上部層の形成に使用することができる。事実、マイクロ構造のような大きな構造は、熱放射線を上部層に横向きに散乱し、これにより、光路長および放射率が高められる。また、前述のように、1または2以上のポリマーを、例えば、機械的および化学的結合強度、ならびに耐食性のため、使用し、選定することができる。また、ファイバ（例えばセルロースファイバ）および布地（例えばナイロン布地）を、上部層に導入しても良い。セルロースファイバは、比較的小さなコストで、上部層を機械的に強化し、および／または太陽光の後方散乱を強めることができる。また、前述のような考慮により、各成分の使用を最小限に抑制したまま、各成分の質量比を調整して、最良の光学的、機械的、および化学的特性を得ることができる。
【００８１】
従って、上部層40の形状、材料、および他の特徴は、反射率および放射率の微調整のため、システム100の所望の特性に応じて変化させても良い。従って、作動温度、放射線源、および黒体温度において、放射冷却システムの特性が改善される。
【００８２】
図6に示すように、システムは、さらに、カバー層50を有しても良い。カバー層50は、上部層40の上に設置されても良い。従って、カバー層50は、上部層50を保護することができる。特に、前述のように、上部層がパターン化される際に保護することができる。ナノ粒子および／またはコーティングが存在する場合、カバー層50は、上部層40に安定性および保護性を提供し、ナノ粒子および／またはコーティングを所望の位置に確実に留めることができる。カバー層50は、いかなる好適な材料で構成されても良く、例えばこれに限られるものではないが、ポリ（ジメチルシロキサン）、および／またはポリ（メチルメタクリレート）で構成されても良い。ある実施形態では、カバー層50は、上部層40と同様の放射線特性を有する。ある実施形態では、カバー層50は、上部層40とは異なる、1または2以上のポリマーで構成されても良い。図6に示すように、カバー層50の形状は、上部層40の形状と同等であり、これは、上部層により形成された任意の谷および／または溝に適合する。カバー層50は、その最大位置で、約2μmから約15μmの厚さを有し、あるいは約4μmから約8μmの厚さを有する。
【００８３】
ある実施形態では、上部層40は、浮遊される。上部層40を浮遊させることで、上部層内にミー共鳴が形成され、高い反射率が提供される。例えば、保護層30および／または反射層20および／または基板10の一部は、システム300にギャップを形成するため、除去されても良い。
【００８４】
本願の一実施形態では、システムは、受動放射冷却に使用され、これには昼間受動放射冷却が含まれる。例えば、システムは、熱発生対象物または構造（例えば車両、または被加熱機械、機器もしくは装置）に対するコーティングとして適用されても良い。そのような用途では、高められた熱伝達を有する薄いシステムが有益である。図12Aには、そのような用途における熱伝達の概略図を示す。図12Aに示すように、熱は、システムを介して迅速に伝達され、そこから冷却外部環境に向かって放射される。また、システムは、入射太陽光を反射しても良い。あるいは、システムは、図12Bに概略的に示されているように、冷却対象物または構造へのコーティングとして適用されても良い。そのような用途では、システムに隣接して、絶縁層が配置され、対象物または構造が、システムにより伝達される任意の熱から絶縁される。あるいは、システムは、入射太陽光を反射しても良い。
【００８５】
また、本発明では、放射冷却用のシステムを製造する方法が提供される。例えば、システムは、例えばアプリケータを用いて、基板上に直接層状化され、または従来公知のスプレー法、ブラシ法、浸漬コーティング法、およびスピンコーティング法により、設置される。あるいは、システムは、例えば、マスク層のパターン化処理により、直接製作されても良い。あるいは、システムは、例えばモールドを用いて、インプリントされても良い。
【００８６】
限定のためではなく一例として、図13には、放射冷却用のシステムを製造する方法を示す。図13に示すように、アプリケータを用いて、基板上に上部層を形成することができる。上部層の材料は、ある液体に分散されまたは溶解しても良い。粒子およびポリマーを液体中に均一に分散させるため、撹拌および超音波処理のような技術が有益である。図13に示すように、アプリケータと基板の間には、調整可能なギャップが存在し、これを用いて、上部層の厚さが制御される。また、上部層の厚さは、ポリマー材料の液体混合物の粘度、およびアプリケータの速度に依存する。このプロセスを用いて、電子装置の金属ルーフおよび表面のような、予備コーティング構造が形成されても良い。
【００８７】
限定のためではなく一例として、図14には、放射加熱および冷却用のシステムを製造する方法の一例が示されている。図14に示すように、基板10は、必要な場合、反射層（図示されていない）、保護層30（存在する場合）、および上部層40と層状構造にされる。この層状化は、従来の任意の好適方法により行われ得る。また、ポリ（メチルメタクリエート）層70は、上部層40の表面に設置され得る。ポリ（メチルメタクリレート）層70は、従来の別の好適材料で形成され得る。
【００８８】
方法1400は、パターン化ステップ1401を有する。例えば、ポリ（メチルメタクリレート）層70は、電子ビームリソグラフィを用いてパターン化され、上部層40の一部が露出される。方法1400は、さらに、スパッタリングステップ1402を有する。この場合、ポリ（メチルメタクリレート）層70および上部層40の露出表面の上に、TiO2の薄膜がスパッタ成膜され、マスク80が形成される。方法1400は、さらにエッチングステップ1403を有する。上部層40は、例えば、異方性湿式エッチング法により、エッチングされる。例えば、湿式エッチングは、KOHを用いて実施されても良い。
【００８９】
必要な場合、上部層40は、基板10の上に浮遊される。従って、ある実施形態では、方法1400は、さらに、第2のエッチング1404を有しても良い。図14に示すように、保護層30の一部は、エッチングされ、基板10と上部層40の間に、ギャップが形成される。例えば、第2のエッチング手順は、湿式エッチングステップおよび臨界点乾燥ステップを用いて実施される。ある実施形態では、湿式エッチングステップは、フッ酸（HF）を用いて実施される。
【００９０】
別の実施形態では、システムは、例えば固体モールドを用いたインプリント技術を用いて形成され得る。限定のためではなく一例として、図15には、放射加熱および冷却用のシステムを製造する別の方法の一例が示されている。
【００９１】
図15に示すように、方法1500は、基板を提供するステップ1501を有する。ある実施形態では、前述の反射層（図示されていない）が、基板10上に層化されても良い。例えば、反射層は、熱気相成膜法または電子ビーム成膜法を用いて設置される。
【００９２】
方法1500は、さらに、保護層および／または上部層を設置するステップ1502を有する。保護層30は、基板10（または存在する場合、反射層）の上に、スクラップまたはスピンオンされる。保護層30の設置後、保護層は、基板10とともに熱処理され、保護層30の材料が硬化される。また、上部層40は、保護層30の上部に設置され得る。上部層40は、保護層30の上にスクラップまたはスピンオンされる。ある実施形態では、上部層40は、部分的に熱処理されても良い。
【００９３】
上部層40がナノ粒子を含むこれらの実施例では、ナノ粒子は、保護層30に上部層を設置する前に、上部層の材料内に導入されても良い。例えば、上部層40が確実に高濃度のナノ粒子を含むようにするため、溶媒中に、上部層の材料とナノ粒子の材料の希釈溶液が、所望のレベルに濃縮されても良い。溶媒が気化され、上部層40にこの混合物が使用されても良い。
【００９４】
方法1500は、さらに、モールドを用いて、上部層40をインプリントするステップ1503を有しても良い。モールドは、湿式エッチング法、3Dナノプリント法、集束イオンビームミリング法、または他の好適な方法で形成され得る。ある実施形態では、モールドは、前述の図14に関して示した技術を用いて形成されても良い。インプリント法により、所望の形状で、上部層40が形成されても良い。
【００９５】
方法1500は、さらに、モールドを除去するステップ1504を有しても良い。上部層40は、保護層30および基板10とともに、十分に熱処理され、上部層が硬化される。モールドは、熱処理の前または後に除去されても良い。ある実施形態では、モールドは、上部層を部分的に熱処理した後、除去されても良い。
【００９６】
方法1500は、さらに、必要な場合、上部層にコーティングするステップ1505を有しても良い。例えば、上部層40は、反射および／または吸収コーティング45でコーティングされ、これにより、所望の範囲内で放射線が反射され、および／または吸収されても良い。コーティングは、物理気相成膜法を用いて設置されても良い。方法1500は、さらに、カバー層を設置するステップ1506を有しても良い。カバー層50は、上部層40と、存在する場合、コーティング45とを覆うようにコーティングされ得る。
【００９７】
本願の一実施形態では、本発明のシステムを製造する際に、上部層に空気ボイドが導入されても良い。例えば、空気ボイドは、ポリマー材料を含む液体混合物中に、不混和性の液体を追加することにより導入されても良い。上部層が設置された後、不混和性の液体は、システム内に、小さな液滴として存在しても良い。上部層が固化した際に、不混和液体は、加熱除去され、上部層にボイドが残留しても良い。
【００９８】
前述の放射冷却用のシステムに加えて、放射冷却用のシステムは、構造化ポリマーで形成された上部層を含んでも良い。限定的ではなく、一例の目的のため、図16には、本発明による、コントラスト層85および基板90上に浮遊された、一構造化ポリマー80のユニットセルの断面を示す。構造化ポリマーは、太陽スペクトルにおいて高い反射率を有し、熱スペクトルにおいて、高い放射率を有する。
【００９９】
本願の一実施形態では、構造化ポリマーは、太陽スペクトルにおいて低い吸収率を有し、熱スペクトルにおいて高い吸収率を有し得る。従って、ある形状、例えば、前述のような尾根および／または突起を含むアレイに構造化されると、上部層は、太陽スペクトルにおいて、ミー共鳴に基づく広帯域のリアクタとして機能する。また、上部層は、熱スペクトルにおいて、その形状および構成ポリマーの固有の吸収特性に基づき、抗反射材料として機能する。その結果、上部層は、熱スペクトルにおける放射線を強く吸収し、従って、熱放射線の良好なエミッタとなる。太陽スペクトルにおける高い反射率と、熱スペクトルにおける高い放射率との組み合わせの結果、そのような構造化ポリマーは、低温において、上部層の下側の基板、対象物、または構造を、効率的に維持し得る。存在する場合、コントラスト層85は、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素、ポリ（ジメチルシロキサン）、および空気ボイドの1または2以上を含んでも良い。
【０１００】
構造化ポリマー80は、前述のようなナノ製作技術およびインプリント技術を用いて、あるいは従来の他の好適な技術を用いて、製作され得る。あるいは、構造化ポリマーは、例えば、2つの光重合に基づく、市販の高解像度3D印刷技術を用いて、製作されても良い。例えば、略断面三角形の多くの尾根からなる構造化ポリマーは、フォトレジストポリマーで構成されても良い。各種配置の支持ピラーを用いて、構造化ポリマーの下側に、1または2以上の空気ギャップが形成されても良い。一例として、図17には、そのような構成が示されており、この図には、フォトレジストポリマーの2つの光重合に基づいて、3D印刷法を用いて製作された、システムの画像の一例が示されている。また、図18には、システムの光学画像の一例が示されている。従って、構造化ポリマーは、基板に支持され、これは被冷却対象物であっても良い。
【０１０１】
そのような構造化ポリマーの使用により、太陽スペクトルにおける反射を高めることができるとともに、熱スペクトルにおける放射を高めることが可能となる。例えば、図19には、前述の3D印刷技術を用いて製作された構造化ポリマーの反射率を、2つの制御サンプルと比較して示す。一つは、ガラス基板であり、他方は、ガラス基板上の薄いポリマーである。反射率の反対（すなわち1−R）は、吸収率または放射率である。図19に示すように、ガラス基板自体は、太陽スペクトルにおいて低い反射率を示し、7.5μmを超える波長で、低い放射率を示す。放射率は、特に、波長9μmの近傍で低くなり、ここでは、ガラスは、強いフォノン共鳴を示し、これにより、反射率が上昇し、放射率が低下する。また、ガラス上のポリマーも、太陽スペクトルにおいて低い反射を示し、熱スペクトルにおいて、例えば、波長が9μm近傍で、放射が僅かに向上する。一方、構造化ポリマーは、太陽スペクトルにおいて反射が、いずれかの制御に比べて有意に高くなり、熱スペクトルにおいて大きな放射が得られる。従って、そのような構造化ポリマーは、放射冷却に使用できる。
【０１０２】
他の態様では、本発明により、さらに、太陽スペクトルにおいて高い吸収率を有し、長い波長域（例えば熱スペクトル）において低い吸収率を有するシステムが提供される。この場合、システムは、入射太陽光のような、太陽スペクトルにおける電磁放射線を吸収できる。また、システムは、弱い黒体放熱体であり、熱を効率的に逸散しない。そのようなシステムは、例えば、受動放射線加熱または熱収集に、使用することができる。
【０１０３】
本願の一実施形態では、放射加熱用のシステムは、前述の放射冷却用のシステムと同様の構造および構成を有する。しかしながら、システムの材料および／または形状を変更して、太陽スペクトルにおける吸収を高め、熱スペクトルにおける放射を抑制しても良い。システムは、構造化ポリマーに関して図16に示したような全体構成を有する、3層の1または2以上のユニットで構成しても良い。従って、システムは、例えば尾根および／または突起を有する断面が略三角形のユニットで形成され、あるいはアレイで配置された、少なくとも一つの層を含み得る。3層は、構造化材料の上部層、下地コントラスト層、および基板を含み、これは、加熱される対象物もしくは構造であっても、および／または任意の捕獲された熱を保管しても良い。
【０１０４】
放射加熱用途の場合、図16における上部層80は、太陽スペクトルにおいて高い吸収率を有し、熱スペクトルにおいて低い放射率を有する。上部層80は、下地のコントラスト層85の上に、隣接して設置され、これは、上部層80よりも低い屈折率の1または2以上の材料を含む。例えば、これに限られるものではないが、上部層80に使用されるそのような材料は、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、およびケイ素を含み、下地のコントラスト層85に使用される材料は、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素、シリコーン、ポリ（ジメチルシロキサン）、および空気ボイドを含む。これに加えてまたはこれとは別に、下地のコントラスト層85は、空気ボイドを含み得る。このコントラスト層は、上部層と屈折率コントラストを形成し、これにより、太陽および／または熱スペクトルにわたって、1または2以上のミー共鳴が形成される。太陽スペクトルにおいて、上部層に使用される材料の吸収特性に結合されるミー共鳴は、太陽スペクトルにおける吸収率を高める。熱スペクトルにおいて、上部層80が放射線を吸収しない場合、ミー共鳴は、広帯域反射器として作用し、異なる共振モードが組み合わされ、大気透過窓を含む熱スペクトルにわたって、高い反射率が形成される。熱スペクトルにおける高反射の結果、その範囲における吸収が低下し、従って、放射が低下する。これは、熱黒体放射を介した、上部層を通る非効率な熱逸散を意味する。高い太陽吸収率と低い熱放射率との組み合わせの結果、そのようなシステムを使用することで、対象物が、体用放射線を用いて、その周囲環境よりも高温に受動加熱され、これにより太陽放射線が熱エネルギーに変換される。
【０１０５】
これに限られるものではないが、一例としての放射加熱用のシステムの特定の実施形態では、上部層80は、約10μmの厚さを有し得る。下地のコントラスト層85は、約2μmの厚さを有しても良い。上部層80および下地のコントラスト層85は、基板、例えばシリコン基板を支持する。基板は、約500μmの厚さを有し得る。図20には、そのような実施形態のシミュレーションされた吸収スペクトルを示す。スペクトルは、太陽スペクトルにおいて比較的大きな吸収を示し、熱スペクトルにおいて低い吸収（または放射）を示す。
【０１０６】
放射加熱用のシステムは、前述のまたは公知の任意の好適技術を用いて製作され得る。上部層80は、一連のリソグラフィ技術および／または湿式エッチング技術を用いて、断面が略三角形を有するように製作されても良い。例えば図27には、製作技術の一例を示す。図27に示すように、フォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィを用いて、未パターン化上部層の上部に、例えばSi3N4のマスクがパターン化される。上部層は、例えば、KOHを用いてエッチングされ、マスクが除去され、パターン化された上部層が露出される。これとは別にまたはこれに加えて、システムは、インプリント技術を用いて製作されて、所望の表面形状が形成されても良い。そのようなシステムの大規模スケールの製作のため、これらのプロセスの各々は、ロールツーロールプロセスを介して、スケール化されても良い。
【０１０７】
本願に記載のシステムは、極めて薄いポリマー層に対して、所望の光学特性（例えば、必要な場合、太陽および熱スペクトルにわたる吸収、放射、反射）を得ることが可能なシステムの単なる一例に過ぎないことに留意する必要がある。例えば、500μm以上に上部層を厚くして、同様の光学特性を維持することも可能である。
【０１０８】
本願に記載の方法およびシステムは、ある既存の技術を超える利点を提供する。利点の一例には、放射加熱および冷却用の改善された技術が含まれ、これは、作動条件および放射線源に基づいて微調整が可能である。また、本願に記載のシステムおよび方法に使用される材料は、比較的安価であり、環境に優しい。また、システムを形成する製作技術は、ある他の技術に比べて、比較的単純であり、スケール化が可能である。ある実施形態では、本願に記載のシステムは、可撓性コーティングに基づき、ロールツーロール技術を用いて製作することができる。
【０１０９】
以下の実施例には、本発明のより明確な例を示す。ただし、これらを本発明の範囲を限定するものと解してはならない。
【実施例】
【０１１０】
（例1）断面三角形の尾根のアレイで構成された放射冷却システムにおける高い光反射および熱逸散
有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを実施し、太陽スペクトルにおける増強反射率における尾根のアレイの断面三角形の機能的意義を検証した（図21〜24）。図21において、上部のパネルには、図17、18に示したものと同様の、断面三角形の尾根のアレイで構成された放射冷却システムの反射スペクトルを示す。スペクトルは、個々の尾根のミー共鳴により、太陽スペクトルにおいて高められた反射率を示し、尾根のアレイは、熱スペクトルにおいて抗反射コーティングとして機能するため、熱スペクトルにおいて高められた放射率（すなわち抑制された反射率）を示す。左下のパネルには、単一三角形尾根の周囲でシミュレーションされた光強度分布（すなわち光の電場成分の平方根）を示す。これは、3つのミー共鳴の例において、太陽光の強い後方散乱を示し、これに対応して、実質的に低下した太陽透過率を示す。右下のパネルには、単一三角形尾根の周囲でシミュレーションされた光強度分布（すなわち光強度）を示す。熱放射線は、余り反射されずに、尾根アレイを通って透過し、これが強められた熱放射に対応する。
【０１１１】
図22には、図17および18と同様の、基板と三角形尾根の周期アレイの間のギャップの寸法の関数として、シミュレーションされた反射率のスペクトルを示す。太陽反射率が、ギャップサイズの増加とともに上昇することが示されている。物理的に、三角形尾根と基板の間の近接場結合は、ミー共鳴を抑制する。この近接場結合の効果は、ギャップの寸法の増加とともに弱められる。尾根が基板と接する場合（すなわちギャップサイズ＝0）、反射率は、極めて小さくなる。
【０１１２】
図23A〜23Cには、ランダムアレイ構造に基づくシミュレーションを示す。スペクトルは、太陽スペクトルにおける反射率の大きな増加、および熱スペクトルにおける反射率の低下（または放射率の低下）を示す。ランダム化、層状化構造、および隣接する尾根間の結合により、広帯域にわたって太陽反射率が増強される。
【０１１３】
図24A〜24Cには、同じ断面積の三角形と円形の尾根の反射特性のシミュレーションを、比較して示す。両方の場合で、垂直入射における反射率の向上が認められるものの、三角形尾根では、大きな入射角で、優れた向上が得られる（図24B）。円形尾根と三角形尾根の両方において、同様の強度のミー散乱が生じるものの、、後者では、尾根の底面での全内部反射（図24C）により、実質的に反射率がより高められる。
【０１１４】
熱力学的試験を実施し、放射冷却システムを検証した。高パワーのキセノンランプを使用して、海水位レベルでの太陽スペクトル分布を模擬し、黒体放射のレベルが低い晴天の空を模擬するため、熱力学的に冷却された高放射金属板をシミュレーションした。放射冷却システムは、薄いスレッド上に浮遊され、熱伝導が抑制される。放射冷却システムを有する／有しないサンプルで比較した。放射冷却システムを備えるサンプルでは、放射冷却システムが除去された同じサンプルに比べて、有意に低い定常温度を維持することができる（図25）。
【０１１５】
（例2）放射加熱用のシステムの作製
この例では、市販のシリコンオンインシュレータ（SOI）ウェハから、システムを作製した（図26A~26B）。図26Aには、システムの概略的な構造を示し、図26Bには、製作された構造の走査電子型顕微鏡画像を示す。SiO2は、シリコン基板の上部に層化され、断面三角形のシリコン尾根のアレイで被覆された。図27には、製造手順を示す。この手順は、フォトリソグラフィーおよび湿式エッチングに基づき、図26に示す構造が形成される。
【０１１６】
（例3）放射冷却用システムの2Dシミュレーション
図28に示すように、この例では、各種構成および材料による2Dシミュレーションが実施された。以下の各シミュレーションにおいて、反射層は、厚さが300nmの銀であり、保護層は、厚さが50nmのポリ（メチルメタクリレート）とした。
【０１１７】
第1のシミュレーションでは、尾根のアレイ（図28には、単一の尾根が示されている）は、シリカで形成され、これは、分散されたCaCO3ナノ粒子を含むポリ（メチルメタクリレート）でコーティングされる。図28Aには、シミュレーションされた吸収スペクトルを示す。比較シミュレーションでは、尾根のアレイは、シリカで形成され、分散されたAl2O3ナノ粒子を含むポリ（メチルメタクリレート）で被覆される。図28Bには、比較シミュレーションのシミュレーションされた吸収スペクトルを示す。図28Bに示すように、比較シミュレーションは、図28Aに比べて、熱スペクトルの異なる位置で異なる吸収を示す。これらのシミュレーションにより、スペクトル放射を調整するための、上部層における各種ナノ粒子の使用可能性が検証される。ポリマーおよびナノ粒子の質量比を変えることにより、異なる用途に適合するように、コーティングの放射率を調整することができることは、当業者には明らかである。
【０１１８】
図9には、各種ナノ粒子における複素光屈折率nおよびκの値を示す。図9に示すように、各種ナノ粒子は、熱スペクトルにわたって、異なる電磁減衰係数を有し、熱スペクトルにおける各種波長、およびより長い波長において、吸収が高まるように適合される。表1には、各種ナノ粒子に対するこれらの波長をまとめて示す。ポリ（メチルメタクリレート）（上部層自身）は、約6μmおよび約8μmで高い吸収を示した。従って、各種ナノ粒子を組み合わせて、広い波長範囲にわたって吸収を高めることができる。
【０１１９】
【表１】
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図29には、上部層厚さが1.5μmおよび3.0μmであり、Si3N4とCaCO3の混合ナノ粒子を含むシステムの反射スペクトルを比較して示す。混合物には、等数の各種ナノ粒子を使用した。これらのスペクトルは、層の厚さが非線形に吸収に影響することを示す。例えば、約5.8μmでは、より厚いシステムがより大きな吸収を示すが、8.4μmでは、より薄いシステムがより大きな吸収を示す。これは、1.5μmの上部層を有するシステムでは、全体厚さが、層間の界面で反射する光の相殺的干渉に必要となるλ／4値に極めて近くなるためである。
【０１２０】
示された各種実施形態に加えて、本発明は、示された特徴の他の組み合わせを有する他の実施形態に関する。従って、本願に記載の特定の特徴は、本発明の範囲内で、他の方法により相互に組み合わされても良い。従って、本発明は、示された特徴のいかなる好適な組み合わせも含有する。本発明の特定の実施形態の前述の記載は、一例を示し説明するために提供される。本発明は、これらの実施形態に包括され、または限定されることを意図するものではない。
【０１２１】
本発明によるシステムおよび方法において、本発明の思想または概念から逸脱しないで、各種変更および修正が可能であることは当業者には明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の記載およびその等価物の範囲内の変更および修正を含むことが意図される。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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