JP2013250045A - 熱吸収材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光入射面に可視光線及び近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ周期構造を有する耐熱性金属21と、耐熱性金属の光入射面上に形成されたサーメット22とを備える。これにより、可視光域で吸収し、赤外光域で反射するといった望ましい吸収放射特性を得ることができる。また、サーメットは、複雑な成膜制御を必要としないため、高い耐熱性を維持することができる。
【選択図】図22
Description
<第1の実施の形態>
1−1.波長選択性
1−2.熱吸収材
1−3.熱吸収材の製造方法
1−4.実施例
<第2の実施の形態>
2−1.熱吸収材
2−2.熱吸収材の製造方法
<1−1.波長選択性>
太陽光を吸収し、自らは熱放射がないような波長選択性材料の性能を表す指標として、太陽吸収率、及び全放射がある。
図中、太線は、太陽吸収率αsであり、実線及び点線は、それぞれレシーバが400℃及び800℃の場合の波長選択係数αs/εhである。
400℃の場合、カットオフ波長が1.7μm付近で波長選択係数αs/εhが最大の約17となり、カットオフ波長が1.7μmよりも長波長側で波長選択係数αs/εhが低下する。400℃における波長選択係数αs/εhが目標値である5を超えるのは、カットオフ波長が3.6μm以下のときである。また、800℃の場合、波長選択係数αs/εhのピークは、カットオフ波長が1.1μm付近であり、波長選択係数αs/εhが5を超えるのは、カットオフ波長が2.3μm以下のときである。
前述した理想的な光学特性を実現するために、本実施の形態では、耐熱性金属上に、可視光線を透過し、少なくとも2.3μmよりも長波長の近赤外線及び中赤外線を反射する無機膜を形成する。これにより、少なくとも2.3μmよりも長波長の領域の太陽光が無機膜で反射されるとともに、耐熱性金属の熱放射も無機膜で反射されるため、赤外線に対する熱吸収材(レシーバ)の吸収率を小さくすることができる。
本実施の形態に係る熱吸収材の製造方法は、耐熱性金属を準備する耐熱性金属準備工程と、耐熱性金属の光入射面上に、可視光線を透過し、少なくとも2.3μmよりも長波長の近赤外線及び中赤外線を反射する無機膜を形成する無機膜形成工程とを有する。
これにより、真空装置を使用せずにキャビティを非常に安価に加工することができる。
以下、本発明の実施例について、下記順序にて説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
1−4−1 Ta上にITO膜を成膜した熱吸収材
1−4−2 キャビティ加工した金属上にITO膜を成膜した熱吸収材
1−4−3 干渉露光法及び電解ウェットエッチング法によるキャビティ加工
1−4−4 ゾルゲル法による透明導電膜の形成
前述の図3に示す熱吸収材において、耐熱性金属11としてTaを用い、無機膜12としてITOを用いた場合の光学特性をシミュレーションした。Taは、融点が高く、耐酸性が高い金属であり、純金属として最も可視光線の反射率が低い金属である。
光がほぼ0°で入射し、ITOの表面で反射した光L0(実線矢印)の位相と、ITO
の内部に入射してTaとの界面で反射し、外に出た光L1(破線矢印)の位相との位相が逆になったとき、打ち消し合って反射光は減少する。それはすなわち内部に光を閉じ込めることになり、Ta表面で吸収される割合を増やすことになる。
吸収率を増加させるために、安価なブラッククロムなどの酸化物を使うことも考えられるが、耐熱温度が300℃程度であるため、太陽熱発電に利用するのは困難である。また、Ta上にITO膜を成膜した熱吸収材のように、純金属を使用して吸収率を増加させることも困難である。
前述のように金属の微細構造は、吸収の制御に有用であるが、太陽熱発電用のレシーバとするためには、メータサイズの大面積に加工しなければならない。特開2003−332607号公報では、キャビティの加工にドライエッチングを使用しており、真空装置が必要であり、面積の増大するためには装置が大型化してしまう。
ただし、光束が3本の場合の開口のピッチpaは、2本の場合のピッチpiに対して式(8)の関係となる。
光学的な用途に使用する透明導電膜の成膜には、スパッタ法、PLD(Pulse Laser Deposition)法などが使われるが、やはり大面積化は容易ではない。そこで、本実施例では、ゾルゲル法を検討し、石英基板上にITO膜を成膜した。
<2−1.熱吸収材>
前述した第1の実施の形態では、可視光線を透過し、少なくとも2.3μmよりも長波長の近赤外線及び中赤外線を反射する無機膜として、耐熱性金属上にITO膜等の透明導電膜を形成し、さらには耐熱性金属と透明導伝膜との界面にキャビティを形成し、吸収特性を改善している。
キャビティは、ピッチ0.5μm、直径0.4μmとし、金属としてFeを用いた。そして、図4に示すキャビティにおいて、深さと径との比であるアスペクト比(d/a)を0.25(d=0.1μm)、0.75(d=0.3μm)、及び1.25(d=0.5μm)として反射率を計算した。
線aは、実施例として、ステンレスのキャビティ上にサーメットを約1200nm成膜したものの反射率である。キャビティは、ピッチが0.7μm、直径が0.6μm、深さと径との比であるアスペクト比(d/a)が0.3(d=0.2μm)であった。線bは、比較例1として、フラクタル形状の表面を有する熱吸収材の反射率である。図27に、比較例1の表面のSEM(Scanning Electron Microscope)写真を示す。線cは、比較例2として、フラクタル形状の表面を有する熱吸収材の反射率である。図28に比較例2の表面のSEM写真に示す。線dは、比較例3として、銅板表面に吸収・蓄熱層、反射防止層等をコーティングした平面形状の多層膜を有する熱吸収材の反射率である。線eは、比較例4として、アルミニウム板表面に吸収・蓄熱層、反射防止層等をコーティングした平面形状の多層膜を有する熱吸収材の反射率である。
また、比較例3及び比較例4は、室温で最適化された多層膜であるが、キャビティが形成されていないため、高温では熱放射が大きい。
次に、第2の実施の形態に係る熱吸収材の製造方法について説明する。第2の実施の形態に係る熱吸収材の製造方法は、耐熱性金属の光入射面に可視光線及び近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ周期構造を形成する工程と、耐熱性金属の光入射面上にサーメットを成膜する工程とを有する。周期構造であるキャビティの形成方法は、どのような方法を用いても良いが、干渉露光とウェットエッチングとを組み合わせることが好ましい。干渉露光とウェットエッチングとの組み合わせは、真空を使用しないので装置が安価、大面積に一括して形成可能、材料をあまり選ばない等の利点がある。
Claims (25)
- 光入射面に可視光線及び近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ周期構造を有する耐熱性金属と、
前記耐熱性金属の光入射面上に形成されたサーメットと
を備える熱吸収材。 - 前記サーメットが、Mo、W、又はTaの少なくとも1種を含む金属と、Al2O3、又はSiO2を含むセラミックとを含有する請求項1に記載の熱吸収材。
- 前記耐熱性金属は、タンタル、タングステン、モリブデン、ニオブ、チタン、鉄、又は、これらを主成分とする合金のいずれかからなる請求項1又は2に記載の熱吸収材。
- 前記サーメットの膜厚が、100nm以上2000nm以下である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱吸収材。
- 前記耐熱性金属と前記サーメットとの間に金属膜が形成されてなる請求項1乃至4のいずれか1項に記載の熱吸収材。
- 前記金属膜が、Mo、W、又はTaの少なくとも1種を含む請求項5に記載の熱吸収材。
- 前記金属膜の膜厚が、20nm以上500nm以下である請求項5又は6に記載の熱吸収材。
- 前記サーメット上に透明導電膜が形成されてなる請求項1乃至7のいずれか1項に記載の熱吸収材。
- 前記透明導電膜が、酸化亜鉛系透明導電膜、酸化インジウム系透明導電膜、又は酸化スズ系透明導電膜のいずれかからなる請求項8に記載の熱吸収材。
- 前記透明導電膜の膜厚が、50nm以上である請求項8又は9に記載の熱吸収材。
- 前記耐熱性金属が、ステンレスである請求項1乃至10のいずれか1項に記載の熱吸収材。
- 前記耐熱性金属の周期構造は、ピッチ1μm以下で、穴径が200nm〜800nmである請求項1乃至11のいずれか1項に記載の熱吸収材。
- 耐熱性金属の光入射面に可視光線及び近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ周期構造を形成する工程と、
前記耐熱性金属の光入射面上にサーメットを成膜する工程と
を有する熱吸収材の製造方法。 - 前記周期構造を形成する工程では、前記周期構造の側壁を保護し、エッチングを行う請求項13記載の熱吸収材の製造方法。
- 耐熱性金属と、
前記耐熱性金属の光入射面上に形成され、可視光線を透過し、少なくとも2.3μmよりも長波長の近赤外線及び中赤外線を反射する無機膜と
を備える熱吸収材。 - 前記無機膜は、透明導電膜である請求項15記載の熱吸収材。
- 前記耐熱性金属の光入射面には、可視光線及び近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ周期構造を有する二次元配列された周期的な表面微細凹凸パターンが形成されてなる請求項15又は16記載の熱吸収材。
- 前記無機膜は、前記表面微細凹凸パターンを構成する複数のキャビティを包埋し、最表面を平面にしてなる請求項17記載の熱吸収材。
- 前記無機膜の膜厚は、50nm以上である請求項15乃至18のいずれか1項に記載の熱吸収材。
- 前記耐熱性金属は、タンタル、タングステン、モリブデン、ニオブ、チタン、鉄、又は、これらを主成分とする合金のいずれかからなる請求項15乃至19のいずれか1項に記載の熱吸収材。
- 前記無機膜は、酸化亜鉛系透明導電膜、酸化インジウム系透明導電膜、又は酸化スズ系透明導電膜のいずれかからなる請求項15乃至20のいずれか1項に記載の熱吸収材。
- 耐熱性金属を準備する耐熱性金属準備工程と、
前記耐熱性金属の光入射面上に、可視光線を透過し、少なくとも2.3μmよりも長波長の近赤外線及び中赤外線を反射する無機膜を形成する無機膜形成工程と
を有する熱吸収材の製造方法。 - 前記無機膜形成工程では、ゾルゲル法により、透明導電膜を形成する請求項22記載の熱吸収材の製造方法。
- 前記耐熱性金属準備工程では、干渉露光法及び電解ウェットエッチング法により、耐熱性金属の光入射面に、可視光線及び近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ周期構造を有する二次元配列された周期的な表面微細凹凸パターンを形成する請求項22又は23に記載の熱吸収材の製造方法。
- 前記無機膜形成工程では、前記表面微細凹凸パターンを構成する複数のキャビティを前記無機膜にて包埋し、最表面を平面にする請求項24記載の熱吸収材の製造方法。
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