JP2015164796A - 熱放射制御素子、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた熱放射特性を有する熱放射制御素子、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】熱放射制御素子１１は、表面に２次元配列された開孔部を有する無機層２１と、反射膜２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、人工衛星等の宇宙機器に使用される熱放射制御素子、及びその製造方法に関する。

人工衛星等の宇宙用機器には、オプティカルソーラーリフレクター（ＯＳＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｌａｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）と呼ばれる熱放射制御素子が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。ＯＳＲは、宇宙用機器に照射される太陽光線を反射し、宇宙用機器の自己発熱を宇宙空間に放射し、宇宙用機器の発熱を抑える役割を担う。

図３６は、従来の熱放射制御素子の構成例を示す概略断面図である。図３６に示すように、衛星表面１０３に設置されたＯＳＲは、一般に石英基板１０１の裏面にＡｇなどの反射膜１０２がコートされた構造をしている。入射した太陽光は、石英基板１０１を透過し、反射膜１０２でほとんどが反射され、再び石英基板１０１を透過して外部に放射される。また、赤外光領域の熱放射は、石英基板１０１によって効率よく行われる。よって、ＯＳＲの特性としては、低い太陽光吸収係数と高い放射係数とを有することが望まれる。

放射係数の理想値は、１に近いほどよいが、従来のＯＳＲ構造では、３００°Ｋでの垂直放射係数（ε_ｎ）は、およそ０．８４５である。石英は、赤外光領域では比較的放射率が高いものの、３００°Ｋの黒体放射のピーク波長領域では、放射率が低い。これは、石英基材固有の特性に起因するためであり、放射係数をさらに高くするのが困難であった。

特開平５−７７７９９号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、優れた熱放射特性を有する熱放射制御素子、及びその製造方法を提供する。

上述した課題を解決するために、本発明に係る熱放射制御素子は、表面に２次元配列された開孔部を有する無機層と、反射膜とを備え、前記無機層が、石英層及びガラス層のいずれかであることを特徴とする。

また、本発明に係る熱放射制御素子の製造方法は、石英基板及びガラス基板のいずれかである無機基板の表面に所定形状が２次元配列されたレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクとし、エッチングにより前記無機基板の表面に２次元配列された開孔部を形成する工程と、前記無機基板の開孔部が形成された面とは反対の面側に、蒸着法又はスパッタ法により反射膜を成膜する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る熱放射制御素子の製造方法は、石英基板及びガラス基板のいずれかである無機基板の一方の面に、誘電体膜と、反射膜と、保護膜とをこの順に積層する工程と、前記無機基板の他方の面に、透明導電膜を成膜する工程と、前記透明導電膜表面に所定形状が２次元配列されたレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクとし、エッチングにより前記無機基板の表面に２次元配列された開孔部を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、石英又はガラス表面に２次元配列された開孔部により、石英基材又はガラス基材固有の特性に起因する特定波長領域の放射率を向上させることができ、優れた熱放射特性を得ることができる。

熱放射制御素子の第１の構成例を示す概略断面図である。 開孔部の開口形状を正方形としたときの熱放射制御素子の構成例を示す概略斜視図である。 熱放射制御素子の第２の構成例を示す概略断面図である。 熱放射制御素子の第３の構成例を示す概略断面図である。 熱放射制御素子の第４の構成例を示す概略断面図である。 石英の放射率及び黒体放射スペクトルを示すグラフである。 石英の屈折率を示すグラフである。 分散がないと仮定した場合の放射率を示すグラフである。 石英表面にキャビティを形成した場合の放射率を示すグラフである。 ガラス表面にキャビティを形成したサンプルの放射率を示すグラフである。 開口形状が円形である開孔部を示す平面写真である。 開口形状が円形である開孔部を示す斜め４５度写真である。 石英表面にキャビティ幅が２．５μｍ、３．０μｍ、４．５μｍ、６．０μｍ、８．０μｍ、及び１１．０μｍの場合の放射率を示すグラフである。 石英表面のキャビティ幅に対する垂直放射係数（３００°Ｋ）を示すグラフである。 石英表面のキャビティ深さが０μｍ（平面）、０．７μｍ、１．７５μｍ、及び３．５μｍの場合の放射率を示すグラフである。 石英表面のキャビティ深さに対する垂直放射係数（３００°Ｋ）を示すグラフである。 虚数部が無限大の場合のキャビティ内の電場を模式的に示す断面図である。 虚数部が有限の場合のキャビティ内の電場を模式的に示す断面図である。 開口形状が方形の場合のキャビティを示す平面図である。 開口形状が円形の場合のキャビティを示す平面図である。 格子配列の場合のキャビティを示す平面図である。 千鳥格子配列の場合のキャビティを示す平面図である。 開口形状が円形の場合において、キャビティ深さが０μｍ（平面）、０．５μｍ、２．０μｍ、及び３．０μｍの場合の放射率を示すグラフである。 サンプルＮｏ．１１（ピッチ４．５μｍ、キャビティ径３．０μｍ、キャビティ深さ３．５μｍ）の実サンプルの平面写真である。 サンプルＮｏ．１３（ピッチ４．５μｍ、キャビティ径４．０μｍ、キャビティ深さ３．５μｍ）の実サンプルの平面写真である。 サンプルＮｏ．１４（ピッチ９．０μｍ、キャビティ径６．０μｍ、キャビティ深さ６．５μｍ）の実サンプルの平面写真である。 サンプルＮｏ．１６（ピッチ９．０μｍ、キャビティ径８．０μｍ、キャビティ深さ６．５μｍ）の実サンプルの平面写真である。 石英表面にキャビティを形成したサンプルの放射率を示すグラフである。 第１の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その１）。 第１の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その２）。 第１の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その３）。 第１の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その４）。 第１の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その５）。 第１の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その６）。 他の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その１）。 他の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その２）。 他の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その３）。 他の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その４）。 他の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その５）。 他の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その６）。 他の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その７）。 他の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その８）。 ピッチ４．６μｍ、直径３．２μｍ、及び深さ２．１μｍの開口形状が円形である開孔部を示す平面写真である。 ピッチ４．６μｍ、直径３．２μｍ、及び深さ２．１μｍの開口形状が円形である開孔部を示す斜め４５度写真である。 ピッチ４．６μｍ、直径３．２μｍ、及び深さ２．１μｍの開口形状が円形である開孔部を示す斜め４５度拡大写真である。 ピッチ４．６μｍ、直径３．２μｍ、及び深さ２．１μｍの開口形状が円形である開孔部を示す断面写真である。 ピッチ４．６μｍ、直径３．９μｍ、及び深さ３．５μｍの開口形状が円形である開孔部を示す平面写真である。 ピッチ４．６μｍ、直径３．９μｍ、及び深さ３．５μｍの開口形状が円形である開孔部を示す斜め４５度写真である。 ピッチ４．６μｍ、直径３．９μｍ、及び深さ３．５μｍの開口形状が円形である開孔部を示す斜め４５度拡大写真である。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その１）。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その２）。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その３）。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その４）。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その５）。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その６）。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その７）。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その８）。 第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の工程を説明するための断面図である（その９）。 従来の熱放射制御素子の構成例を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、下記順序にて詳細に説明する。
１．熱放射制御素子
１−１．本技術の概要
１−２．無機（石英及びガラス）基材固有の放射特性
１−３．金属表面でのキャビティ共鳴
１−４．無機（石英及びガラス）表面でのキャビティ共鳴
１−５．キャビティの幅について
１−６．キャビティの深さについて
１−７．キャビティのピッチについて
１−８．キャビティの形状について
２．熱放射制御素子の製造方法
２−１．第１の実施の形態
２−２．第２の実施の形態
２−３．他の実施の形態

＜１．熱放射制御素子＞
１−１．本技術の概要
図１は、熱放射制御素子の第１の構成例を示す概略断面図である。この熱放射制御素子１１は、表面に２次元配列された開孔部を有する無機層２１と、反射膜２２とを備える。入射した太陽光は、無機層２１を透過し、反射膜２２でほとんどが反射され、再び無機層２１を透過して外部に放射される。また、赤外光領域の熱放射は、無機層２１によって効率よく行われる。

無機層２１は、石英層及びガラス層のいずれかである。
石英層は、ＳｉＯ_２からなる溶融石英や合成石英であり、広い波長範囲において高い透過率を有する。
ガラス層は、例えば、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラスなどであり、広い波長範囲において高い透過率を有する。
開孔部２１ａは、キャビティ（ｃａｖｉｔｙ）と呼ばれる穴であり、無機層２１の表面に二次元配列されている。二次元配列は、規則配列でも不規則配列でもよいが、高い平面充填率が得られる格子配列又は千鳥格子配列であることが好ましい。

開孔部２１ａの開口形状は、対称性が高い形状であることが望まれ、円形又は正多角形のからなることが好ましい。開口形状が、楕円、長方形、平行四辺形などの形状では、偏光に対する選択性が現れ、放射の偏光が波長によって偏ってしまうため、放射率の波長選択性が悪化してしまう。

図２は、開孔部の開口形状を正方形としたときの熱放射制御素子の構成例を示す概略斜視図である。この開孔部は、矩形であり、周期的かつ左右対称にｘ軸方向及びｙ軸方向に対して配置される。図２中、Λは構造上の周期、ａは開口サイズ、及び、ｄは深さである。

開孔部の開口径ａは、３μｍ以上１１μｍ以下であることが好ましい。開口径がこの範囲であることにより、０．９以上の放射係数を得ることが可能となる。ここで、開孔部の開口径ａは、正方形の場合一辺の幅Ｗとしたが、円形の場合は直径Ｄとする。すなわち、開孔部の開口径は、開口形状が円形の場合は、その直径とし、開口形状が正多角形の場合は、内接円の直径とする。

また、開孔部の深さｄは、０．７μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましい。開孔部の深さｄを大きくすることにより、放射率を向上させることができる。

また、開孔部のアスペクト比（ｄ／ａ）は、０．２以上であることが好ましく。０．５以上３．０以下であることがより好ましい。アスペクト比が小さすぎると、開孔部がない場合と同じとなってしまい、アスペクト比が大きすぎると、深い開孔部の形成が困難となる。また、ある深さ以上で熱放射特性は一定となるため、あまり深い開孔部は必要ではない。

反射膜２２は、無機層２１の開孔部を有する面とは反対の面側に配置される。反射膜２２が無機層２１の開孔部を有する面側に配置されると、開孔部の共鳴による効果が低下し、優れた熱放射特性を得ることができない。

反射膜２２の材料としては、太陽光に対して高い反射率を有する材料であれば特に制限されず、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅなどの金属単体若しくはこれらを含む合金、又はＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅなどの半導体材料を用いることができる。

図３は、熱放射制御素子の第２の構成例を示す概略断面図である。この熱放射制御素子１２は、第１の構成例の熱放射制御素子１１において、無機層２１と反射膜２２との間に、屈折率の異なる複数の誘電体膜が積層された誘電体反射膜２３をさらに備え、また、反射膜２２の無機層２１が配置された面とは反対の面側に、保護膜２４をさらに備えるものである。

誘電体反射膜２３は、屈折率の異なる複数の誘電体膜が積層されている。例えば、反射膜２２の反射率が低い所定の波長帯域について、反射率を高く設計することにより、熱放射制御素子の太陽光吸収率を低減させることができる。

保護膜２４は、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属やＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの酸化物からなり、反射膜２２を保護する。これにより、反射膜２２が傷つき、太陽光が透過するのを防止することができる。

図４は、熱放射制御素子の第３の構成例を示す概略断面図であり、図５は、熱放射制御素子の第４の構成例を示す概略断面図である。この熱放射制御素子１３，１４は、第２の構成例の熱放射制御素子１２において、無機層２１の開孔部２１ａを有する面側に、透明導電膜２５，２６をさらに備えるものである。

透明導電膜２５，２６は、第３の構成例のように開孔部の側面部及び底部に成膜されていなくてもよいし、第４の構成例のように開孔部の側面部及び底部に成膜されていてもよい。透明導電膜２５，２６としては、酸化亜鉛系透明導電膜、酸化インジウム系透明導電膜、酸化スズ系透明導電膜などを用いることができる。透明導電膜２５，２６は、可視光線を透過し、近赤外線及び中赤外線を反射するため、優れた熱放射特性を得ることができる。

このような構成からなる熱放射制御素子は、石英又はガラス表面に２次元配列された開孔部により、石英基材又はガラス基材固有の特性に起因する特定波長領域の放射率を向上させることができ、優れた熱放射特性を得ることができる。よって、例えば人工衛星へ適用した場合、人工衛星内部の電子機器から発せられる熱と、熱放射制御素子により放射される熱との熱収支の関係から、人工衛星内部に搭載できる電子機器の数を増加させることができる。この結果、１台の人工衛星により多くの機能を搭載することができる。また、放射率が向上した分の熱放射制御素子の搭載数を削減することができるため、小型化・軽量化を図ることができる。

１−２．無機（石英及びガラス）基材固有の放射特性
図６は、石英の放射率及び黒体放射スペクトルを示すグラフである。図６に示すように、石英は赤外光領域で比較的放射率が高いが、３００°Ｋの黒体放射のピーク波長領域では、放射率が低下している。この原因は石英の屈折率によるものである。ガラスにおいても同様の傾向が見られる。

図７は、石英の屈折率を示すグラフである。石英の屈折率は、波長９μｍ付近及び２３μｍ付近で分子振動による吸収のため、虚数部が増大している。このため石英自身がこの波長領域の光を吸収し、放射率を低下させてしまう。ガラスにおいても同様の傾向が見られる。

分子振動のスペクトルは、金属の自由電子のような広くなだらかなスペクトルではなく、複雑である。これまで透明材料では、キャビティ共鳴が起こらないとされていたが、分子振動の狭い波長域に関してだけ言えば、金属と同じような共鳴が起こるものと考えられる。

１−３．金属表面でのキャビティ共鳴
金属のような強い吸収を持つ物質の表面にキャビティを付加することで、放射率を制御することはすでに知られている。

キャビティ内部には、そこに局在する電磁波のモードが存在する。金属の場合、内部の自由電子の熱的なエネルギー（熱振動）によってその局在モードが励起されている。また、局在モードは、特定の波長で伝播光と共鳴を起こし、その局在モードから伝播光にエネルギーが渡されるという過程が存在する。これにより、金属表面にキャビティが形成された場合、放射が増大することの説明が可能である。

共鳴は、特定の波長のみ起きるため、放射の波長選択性が発現することになる。おおよそ、キャビティの大きさが波長の半分よりも大きいときに共鳴が起こると言える。実際には、共鳴の起こる波長とその強さは、材料の屈折率やキャビティ形状に依存するため、厳密に数値計算を行う必要がある。

放射に寄与するためには、特に材料の屈折率の虚数部（消衰係数ｋ）の存在が重要である。金属の場合、自由電子の熱的な振動は、プラズマ振動数ω_ｐに対応する波長よりも長波長の光と結合状態にある。これは、熱的なエネルギーと金属内部光との間でエネルギーのやりとりが起こるということである。これは、光学的には屈折率の虚数部が０ではないことと対応する。

詳細に説明すると、次のような過程１〜５により、放射が増大する。
１．金属内部の熱によって自由電子が振動する。
２．自由電子の振動により金属内部に光が励起される。
３．その光によってキャビティ内部の局在モードが励起される。
４．局在モードは特定の波長で伝播光と共鳴を起こす。
５．最終的に伝播光は内部の熱エネルギーを金属外部に放射する。

物質には、必ず分散、すなわち屈折率の波長依存性があり、放射のスペクトルは、キャビティの共鳴とその波長での屈折率の値によって大きく変化する。キャビティ単体でどの波長で共鳴が起こるかを定性的に知るため、ここでは分散がないと仮定する。

図８は、分散がないと仮定した場合の放射率を示すグラフである。このグラフは、屈折率の実数部を２．６７６４、屈折率の虚数部を１．５５６７、キャビティの幅を３．５μｍ、キャビティの深さを３．５μｍ、及びピッチを４．５μｍとしたときの放射率を計算したものである。

図８に示すように、放射のスペクトルは、非常に複雑なプロファイルになる。図８は、前記パラメータの場合の計算結果であるが、放射のスペクトルは、平坦なプロファイルになるということはない。

１−４．無機（石英及びガラス）表面でのキャビティ共鳴
金属表面のキャビティによる放射の増大は、金属内部の自由電子の存在が重要である。そして、光学的には、自由電子の存在によって屈折率の虚数部が０ではないことが重要である。

石英及びガラスのような透明材料（屈折率の虚数部が０）では、熱による振動（ほとんどが格子振動）が内部の光と結合しない。よって、光は、熱振動に変わることがないので内部を伝播することができる。つまり、透明であるということである。したがって、キャビティの局在モードが励起されることはなく、そのためキャビティの有無が放射の大きさに影響することはない。つまり、前述の過程１から過程２が存在しない。

しかしながら、石英及びガラスは、赤外光領域において、屈折率の虚数部が０でない波長域が存在する。これは、金属のような自由電子の振動によるものではなく、分子振動によるものである。分子振動の波長領域は限定されており、その波長領域が図７に示す屈折率の波長９μｍ付近及び２３μｍ付近である。

波長９μｍ付近及び２３μｍ付近では、石英内部の分子振動が光と結合している。仮に、石英表面にキャビティがある場合、その局在モードは励起され、それがうまく共鳴の起こる波長であれば、伝播光にエネルギーがわたると考えられる。ガラスにおいても同様の傾向が考えられる。

つまり、キャビティを石英又はガラス表面に付加すれば、平面の場合において特に放射率の低下している波長領域での放射率を向上させることが可能であるということになる。また、逆に言えば、それ以外の波長領域では、キャビティを付加したことによる放射率の変化はないということになる。

図９は、石英表面にキャビティを形成した場合の放射率を示すグラフである。このグラフは、図２に示す格子状配列のキャビティにおいて、幅ａを３．５μｍ、ピッチΛを４．５μｍ、及び深さを３．５μｍとしたときの放射率をＲＣＷＡ法により計算したものである。

分子振動による放射率の低下した波長域（特に９μｍ付近）で、キャビティ共鳴によって放射率が上昇していることがわかる。この放射率の３００°Ｋでの垂直放射係数ε_ｎはおよそ０．９６２となり、キャビティによって１０％以上向上していることがわかる。

表１に、２００°Ｋ、３００°Ｋ、及び４００°Ｋのときの垂直放射係数ε_ｎを示す。

表１に示すように、キャビティなしの場合、２００°Ｋ、３００°Ｋ、及び４００°Ｋのときの垂直放射係数ε_ｎは、それぞれ０．８４６、０．８４６、及び０．８４６であった。一方、キャビティ付きの場合、２００°Ｋ、３００°Ｋ、及び４００°Ｋのときの垂直放射係数ε_ｎは、それぞれ０．９５６、０．９６２、及び０．９６７であった。

このように、キャビティを付加することにより、放射率を向上させることができた。これは、キャビティよって分子振動のエネルギーを放射モードの光（伝播光）と結合させ、石英基材固有の特性に起因する特定波長領域の放射率を向上させたからであると考えられる。ガラス基材においても同様の傾向が見られる。以下に、ガラス（テンパックス、ＳＣＨＯＴＴ社製）基板表面にキャビティを形成したサンプルの実施例と実測値を示す。

図１０は、ガラス（テンパックス、ＳＣＨＯＴＴ社製）表面にキャビティを形成したサンプル（Ｎｏ．１及びＮｏ．２）の放射率を示すグラフである。
このグラフにおけるＮｏ．１及びＮｏ．２は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す千鳥格子状配列のキャビティにおいて、幅ａを３．２μｍ、ピッチΛを４．５μｍ、及び深さを３．５μｍの実サンプルを２つ作製し実際に測定した放射率を示したものである。即ち、再現性を確認するため、同じ条件のサンプルを２つ作製して評価を行った。
このグラフにおけるＮｏ．３及びＮｏ．４は、ガラス（テンパックス、ＳＣＨＯＴＴ社製）にキャビティを形成していない平面構造の実サンプルを２つ作製し実際に測定した放射率を示したものである。即ち、再現性を確認するため、同じ条件のサンプルを２つ作製して評価を行った。
なお、Ｎｏ．３及びＮｏ．４は、同一の放射挙動を示しため、放射曲線が重なっている。

分子振動による放射率の低下した波長域（特に９μｍ付近）で、キャビティ共鳴によって放射率が上昇していることがわかる。Ｎｏ．１のサンプルの３００°Ｋでの垂直放射係数ε_ｎはおよそ０．９６８となり、Ｎｏ．２のサンプルの３００°Ｋでの垂直放射係数ε_ｎはおよそ０．９５６となり、キャビティによって１０％以上向上していることがわかる。

表２に、図１０のＮｏ．１〜４の３００°Ｋのときの垂直放射係数ε_ｎを示す。

金属表面のキャビティは、自由電子による広い放射スペクトルを、キャビティの持つ波長選択性で狭めるものであるが、石英又はガラス表面のキャビティは、分子振動のエネルギーをキャビティによって放射モードの光（伝播光）と結合させるものである。これまで透明材料ではキャビティ共鳴は起こらないとされていたが、分子振動に着目して分子振動の狭い波長域に関してだけ言えば、金属と同じような共鳴は起こって似た振る舞いをするということは新しい知見である。

１−５．キャビティの幅について
図１２は、石英表面のキャビティ幅が２．５μｍ、３．０μｍ、４．５μｍ、６．０μｍ、８．０μｍ、及び１１．０μｍの場合の放射率を示すグラフである。これは、図２に示す格子状配列のキャビティにおいて、各キャビティの深さを幅と同じ（アスペクト比（ｄ／ａ）＝１）とし、ピッチを幅の１．２８倍（幅ａ：３．５μｍ、ピッチΛ：４．５μｍ）としたときの放射率をＲＣＷＡ法により計算したものである。したがって、幅ａの大きなキャビティの場合、深さｄも大きく、キャビティでない壁に相当する部分も厚くなる。なお、図１２において、各キャビティによる放射率は、縦方向にずらして示している。また、０．１の放射率は左のスケールであり、１．０の放射率のラインは点線で示している。

また、図１３は、石英表面のキャビティ幅に対する垂直放射係数（３００°Ｋ）を示すグラフである。これは、図１２に示す各放射率スペクトルから３００°Ｋでの垂直放射係数を計算し、キャビティ幅ごとにプロットしたものである。図１３に示すように、キャビティ幅が６μｍのところで最大値を示している。これは、キャビティ幅が６μｍのときに共鳴する波長と、石英の分散のピークとが偶然一致し、特異的に値が高くなったものであり、キャビティ深さをもっと詳細に検討すれば、この近傍でも放射係数の高いところや低いところがあると思われる。

図１３に示すグラフより、おおよそ３μｍ以上１１μｍ以下の範囲では、垂直放射係数が０．９６以上であり、キャビティの効果が高いことがわかる。キャビティの幅がさらに大きな領域では、垂直放射係数が低下してしまい、また、深さが大きいキャビティの形成も困難となる。

１−６．キャビティの深さについて
図１４は、石英表面のキャビティ深さが０μｍ（平面ａ）、０．７μｍ（ｂ）、１．７５μｍ（ｃ）、及び３．５μｍ（ｄ）の場合の放射率を示すグラフである。これは、図２に示す格子状配列のキャビティにおいて、キャビティの幅ａを３．５μｍ、ピッチΛを４．５μｍとし、深さｄを０μｍ（平面）、０．７μｍ（アスペクト比：０．２）、１．７５μｍ（アスペクト比：０．５）、及び３．５μｍ（アスペクト比：１．０）としたときの放射率をＲＣＷＡ法により計算したものである。

また、図１５は、石英表面のキャビティ深さに対する垂直放射係数（３００°Ｋ）を示すグラフである。これは、図１４に示す各放射率スペクトルから３００°Ｋでの垂直放射係数を計算し、キャビティ深さごとにプロットしたものである。

また、表３に、キャビティ深さと、アスペクト比と、垂直放射係数とを示す。

図１４、図１５、及び表３より、キャビティ深さが小さいほど放射率及び垂直放射係数が低下し、平面の場合（平面の場合）に収束することが分かる。一方、キャビティ深さが大きくなると、ある深さ以上で垂直放射係数が一定となることがわかる。

また、開孔部の深さが０．７μｍ以上であることにより、平面に比べ垂直放射係数が大きく改善されることがわかる。また、アスペクト比が０．２以上であることにより、平面に比べ垂直放射係数が大きく改善されることがわかる。

１−７．キャビティのピッチについて
キャビティのピッチは、幅に対して最適値があるものと思われる。ここでは、キャビティ内部の電場を考える。

図１６は、虚数部が無限大の場合のキャビティ内の電場を模式的に示す断面図であり、図１７は、虚数部が有限の場合のキャビティ内の電場を模式的に示す断面図である。

図１６に示すにように、キャビティをなす材料の屈折率の虚数部が無限大、つまり完全導体などのような物質のときの場合、キャビティ内部で電場Ｅの振幅は大きくなるが、物質の内部には電場Ｅは入り込めないため、キャビティの側壁でちょうど節になるような振動しか存在することができない。

この場合は、キャビティの幅が波長のＮ／２倍（Ｎは整数）の場合に共鳴が起こると考えられ、キャビティが密な配列（側壁の厚さが０）であってもそれぞれのキャビティの内部の電場Ｅは独立であり、全てが放射に寄与する。

しかし、一般の物質では虚数部は有限の値のため、図１７に示すように電場Ｅの一部は物質の中に入り込み、電場Ｅは隣のキャビティの電場Ｅと結合してしまう。

こうなると隣のキャビティの電場Ｅの状態の影響を受けるため、勝手な状態がとれなくなり（大きな振幅になるための条件がより厳しくなり）、放射率は低下してしまう。例えば、キャビティ幅が波長のちょうど１／２の場合、隣り合うキャビティは、逆の位相で振動しなければならなくなり、放射が０（逆位相が足し合わされるため）となってしまう。

このような場合、壁をある程度厚くし、隣の電場からの入り込みを十分小さくすると、屈折率の虚数部が無限大の場合と同じように、キャビティ同志が独立となって放射率が上昇する。しかし、壁の厚みの分だけキャビティの表面密度は下がるので、屈折率の虚数部が無限大の場合よりは放射が低いと考えられる。

このような定性的な考察から、キャビティの幅と、物質の持つ屈折率の虚数部の値と、キャビティのピッチ（側壁の厚さ）とは関係すると考えられ、幅と材料とで決まる最適のピッチが存在することがわかる。具体的な最適ピッチの値は、数値計算によって得ることができる。

１−８．キャビティの形状について
これまでは、開口形状が正方形である立方体のキャビティに対して計算を行ってきた。これは、対称性が高く縦と横の方向が独立になるため、ＲＣＷＡ法での計算量が少ないといった理由から採用したが、実際にはこのような形状を簡単な方法で作製することは困難である。

機械加工に頼らず、エッチングなどで作製する場合は円形の開口形状（キャビティは円筒形）であることが望ましい。円形の場合には計算量がかなり多くなるが、定性的な考察は可能である。

図１８Ａは、開口形状が方形の場合、のキャビティを示す平面図である。
図１８Ｂは、開口形状が円形の場合のキャビティを示す平面図である。
図１９Ａは、格子配列の場合のキャビティを示す平面図である。
図１９Ｂは、千鳥格子配列の場合のキャビティを示す平面図である。

前述した「１−７．キャビティのピッチ」の定性的な考察（キャビティ内部の電場）を考えれば、キャビティの開口形状が図１８Ａに示す方形の場合と、図１８Ｂに示す円形の場合とでは、同様な放射率のプロファイルを示すと考えられる。このとき、方形のキャビティの幅Ｗは、円形キャビティの直径Ｄに対応すると考えられる。つまり、前述した「１−５．キャビティの幅について」における数値範囲は、円形キャビティでは直径の範囲であると考えてよい。ただし、方形キャビティの場合よりも円形キャビティの場合の方が平面上でのキャビティの充填率が低くなってしまうため、放射率は、方形キャビティの場合よりも円形キャビティの場合の方が小さいものと考えられる。

円形キャビティの場合は、図１９Ａに示す格子配列よりも、図１９Ｂに示す千鳥格子配列とすることにより、キャビティの充填率を高くすることができ、放射率を向上させることが可能となる。

図２０は、開口形状が円形の場合において、石英表面のキャビティ深さが０μｍ（平面）、０．５μｍ、２．０μｍ、及び３．０μｍの場合の放射率を示すグラフである。これは、図１９Ｂに示す千鳥格子状配列の円形キャビティにおいて、石英表面のキャビティの直径Ｄを３．２μｍ、ピッチを４．５μｍとし、深さｄを０μｍ（平面）、０．５μｍ（アスペクト比：０．１６）、２．０μｍ（アスペクト比：０．６３）、及び３．０μｍ（アスペクト比：０．９４）とした各サンプルを後述する第１の実施の形態の製造方法で作製し、各サンプルをそれぞれ測定したものである。各サンプルは、石英基板上に円形キャビティを形成して作製した。また、放射率は、ＦＴ−ＩＲによる積分球を用いて測定した。

図２０に示すように、ＲＣＷＡ法により計算した放射率と同様に、波長９μｍ付近の放射率を向上させることができることがわかった。また、開口形状が円形の場合も、正方形の場合と同様に、キャビティ深さを大きくすることにより、波長９μｍ付近の放射率を向上させることができることがわかった。

なお、これ以外の他の形状、例えば長方形、平行四辺形、楕円なども考えられるが、このような非対称な形状は偏光に対する選択性が現れてしまう。つまり、放射の偏光が波長によって偏るということになって、波長選択性を低下させてしまう。波長選択性の低下は、具体的に説明すると、図８に示す放射率のスペクトルの波がなだらかになることである。本技術は、石英又はガラスの複雑な放射特性をキャビティの共鳴波長と合わせることで、全体として放射係数を向上させるものである。波長選択性が低下すると特定波長における石英又はガラスの鋭い放射率の落ち込みを十分持ち上げることができない。以上の考察から、キャビティ形状は対称な形が望ましいことがわかる。

また、実サンプルを作製して測定したデータを紹介する。
紹介する実サンプルは、石英表面にキャビティを形成したサンプルである。サンプルのキャビティの形状は、下記表４に示すとおりである。
図２１は、サンプルＮｏ．１１（ピッチ４．５μｍ、キャビティ径３．０μｍ、キャビティ深さ３．５μｍ）の実サンプルの平面写真である。
図２２は、サンプルＮｏ．１３（ピッチ４．５μｍ、キャビティ径４．０μｍ、キャビティ深さ３．５μｍ）の実サンプルの平面写真である。
図２３は、サンプルＮｏ．１４（ピッチ９．０μｍ、キャビティ径６．０μｍ、キャビティ深さ６．５μｍ）の実サンプルの平面写真である。
図２４は、サンプルＮｏ．１６（ピッチ９．０μｍ、キャビティ径８．０μｍ、キャビティ深さ６．５μｍ）の実サンプルの平面写真である。
平板状の石英基板（Ｎｏ．１０）、及び実サンプルＮｏ．１１〜１６について、Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ特性を調べた。結果を図２５に示した。キャビティ構造を形成することで波長９μｍ付近のＥｍｉｔｔａｎｃｅ特性が向上していることが確認できた。また、波長５μｍ〜１５μｍ帯域の赤外放射率特性を表４に示した。Ｆｌａｔサンプル（Ｎｏ．１０）の赤外放射率が０．８４７であるのに対し、キャビティサンプル（Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６）の赤外放射率は０．９２６以上の結果が得られており、キャビティサンプルにおいて赤外放射率特性が向上していることが確認できた。
また、ピッチに対しキャビティ径を比で０．７／０．８／０．９とした時の赤外放射率特性を見ると、ピッチ４．５μｍ、９．０μｍ共に、キャビティ径が大きい方（比：０．９）が赤外放射率が高いことが確認できた。

以上、説明したように、本実施の形態に係る熱放射制御素子によれば、石英基材又はガラス基材固有の特性に起因する特定波長領域の放射率を向上させ、優れた熱放射特性を得ることができる。

＜２．熱放射制御素子の製造方法＞
２−１．第１の実施の形態
第１の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法は、石英基板及びガラス基板のいずれかである無機基板の表面に所定形状が２次元配列されたレジストパターンを形成する工程と、レジストパターンをマスクとし、エッチングにより無機基板の表面に２次元配列された開孔部を形成する工程と、無機基板の開孔部が形成された面とは反対の面側に、蒸着法又はスパッタ法により反射膜を形成する工程とを有する。

図２６Ａ〜図２６Ｆは、第１の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の各工程を説明するための断面図である。以下、各工程について説明する。

［レジストパターンを形成する工程］
先ず、無機基板３１としての石英基板を洗浄し、図２６Ａに示すように無機基板３１を準備し、図２６Ｂに示すように無機基板３１の表面にレジスト３０を塗布する。そして、フォトリソグラフィーやナノインプリントを用いて露光、現像を行い、図２６Ｃに示すように所定形状が二次元配列された細密レジストパターンを形成する。

［開孔部を形成する工程］
次に、図２６Ｄに示すようにレジストパターンをマスクとし、エッチングにて無機基板３１の表面に所定の開孔部を形成する。その後、図２６Ｅに示すようにマスクとして使用したレジストパターンをアッシングなどで除去する。

［反射膜を成膜する工程］
最後に、図２６Ｆに示すように開孔部が形成された無機基板３１の裏面に蒸着法又はスパッタ法を用いて反射膜３２を成膜する。これにより、熱放射制御素子が得られる。

この第１の実施の形態によれば、図１に示す第１の構成例の熱放射制御素子を製造することが可能となる。

図２７Ａ〜図２７Ｈは、第１の実施の形態に類似する熱放射制御素子の製造方法の各工程を説明するための断面図である。以下、各工程について説明する。

［エッチングマスクを形成する工程］
先ず、無機基板３１としてのガラス基板を洗浄し、図２７Ａに示すように無機基板３１を準備し、図２７Ｂに示すように無機基板３１の表面に金属層２９を形成する。続いて、図２７Ｃに示すように金属層２９の表面にレジスト３０を形成する。そして、フォトリソグラフィーやナノインプリントを用いて露光、現像を行い、図２７Ｄに示すように所定形状が二次元配列された細密レジストパターンを形成する。更に、細密レジストパターンをマスクとして、金属層２９のエッチングを行い、所定形状が二次元配列された細密レジストパターンを有する金属層２９（エッチングマスク）を得る（図２７Ｅ）。そして、レジストパターンを除去する。
金属層２９の材質としては、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ等やこれらの複合材などが挙げられる。

［開孔部を形成する工程］
次に、図２７Ｆに示すようにエッチングマスクを介して、エッチングにて無機基板３１の表面に所定の開孔部を形成する。その後、図２７Ｇに示すようにエッチングマスクとして使用した金属層２９をウェットエッチングなどで除去する。
開孔部の形成は、例えば、ドライエッチングで行う。ドライエッチングに用いるガスは、Ａｒをメインガスとし、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＦ_４などのラジカル反応ガスを混合して得られる。

［反射膜を成膜する工程］
最後に、図２７Ｈに示すように開孔部が形成された無機基板３１の裏面に蒸着法又はスパッタ法を用いて反射膜３２を成膜する。これにより、熱放射制御素子が得られる。

この実施の形態によれば、図１に示す第１の構成例の熱放射制御素子を製造することが可能となる。

図２８〜図３１は、それぞれ、ピッチ４．６μｍ、直径３．２μｍ、及び深さ２．１μｍの開口形状が円形である開孔部を示す平面写真、斜め４５度写真、斜め４５度拡大写真、及び断面写真である。

また、図３２〜図３４は、それぞれ、ピッチ４．６μｍ、直径３．９μｍ、及び深さ３．５μｍの開口形状が円形である開孔部を示す平面写真、斜め４５度写真、及び斜め４５度拡大写真である。

２−２．第２の実施の形態
第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法は、石英基板及びガラス基板のいずれかである無機基板の一方の面に、誘電体膜と、反射膜と、保護膜とをこの順に積層する工程と、無機基板の他方の面に、透明導電膜を成膜する工程と、透明導電膜表面に所定形状が２次元配列されたレジストパターンを形成する工程と、レジストパターンをマスクとし、エッチングにより無機基板の表面に２次元配列された開孔部を形成する工程とを有する。

図３５Ａ〜図３５Ｉは、第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法の各工程を説明するための断面図である。以下、各工程について説明する。

［積層する工程］
先ず、無機基板４１としての石英基板を洗浄し、図３５Ａに示すように無機基板４１を準備し、図３５Ｂに示すように無機基板４１の一方の面に例えばＳｉＯ_２からなる厚み１０ｎｍ以上の誘電体反射膜４３をスパッタ法にて成膜する。また、図３５Ｃに示すように誘電体反射膜４３上に例えばＡｇからなる厚み７５ｎｍ以上の反射膜４２を蒸着法にて成膜する。また、図３５Ｄに示すように反射膜４２上に例えばＣｒからなる５ｎｍ以上の保護膜４４を成膜する。

［透明導電膜を成膜する工程］
次に、図３５Ｅに示すように無機基板４１の他方の面に例えばＩＴＯからなる厚み５ｎｍ以上の透明導電膜４５をスパッタ法や蒸着法にて成膜する。

［レジストパターンを形成する工程］
次に、図３５Ｆに示すように透明導電膜４５上にレジスト４０を塗布する。そして、フォトリソグラフィーやナノインプリントを用いて露光、現像を行い、図３５Ｇに示すように所定形状が２次元配列された細密レジストパターンを形成する。

［開孔部を形成する工程］
次に、図３５Ｈに示すように、レジストパターンをマスクとし、エッチングにて無機基板４１の表面に所定の開孔部を形成する。その後、図３５Ｉに示すように、マスクとして使用したレジストパターンをアッシングなどで除去する。これにより、熱放射制御素子が得られる。

第２の実施の形態に係る熱放射制御素子の製造方法によれば、図４に示す第３の構成例の熱放射制御素子を製造することが可能となる。

２−３．他の実施の形態
前述した第１及び第２の実施の形態の開孔部を形成する工程において、Ｎ段目（Ｎは自然数）の開孔部の側壁にイオンエッチングにより、ウエットエッチングに対して耐性を有する側面保護膜を形成するパッシベーションモードと、側面保護膜が形成されたＮ段目の開孔部の底面をウエットエッチングによりエッチングし、Ｎ＋１段目の開孔部を形成するエッチングモードとを交互に繰り返してもよい。これにより、アスペクト比の大きい形状を得ることができる。

パッシベーションモードでは、Ｎ段目（Ｎは自然数）の開孔部及びレジストパターン上にウエットエッチングに対して耐性を有する表面保護膜を形成した後、イオンエッチングによりＮ段目の開孔部の底面を露出させるとともに、Ｎ段目の開孔部の側壁に側面保護膜を形成することが好ましい。

ここで、ウエットエッチングは、電解エッチング法又は化学エッチング法のどちらを用いてもよいが、基板が耐腐食性の高い金属又は合金の場合や、開口径（幅）が２０μｍ以下の開孔部を形成する場合、電解エッチング法を用いることが好ましい。

また、イオンエッチングは、Ａｒイオンなどを用いて、真空装置を使用して真空雰囲気下で行ってもよく、大気圧プラズマ装置を使用して大気圧雰囲気下で行ってもよい。イオンエッチングにより、ウエットエッチングにて形成されたＮ段目（Ｎは自然数）の開孔部の側壁に側壁保護膜を形成することができる。側壁保護膜は、レジスト材、開孔部底面の基材などの物質が反応してできた生成物（エッチング残渣）を含むため、ウエットエッチングに対して耐性を有する。

このように初期エッチングモード後にパッシベーションモードとエッチングモードとを交互に繰り返し行うことにより、サイドエッチングを抑えながら深さ方向にのみエッチングを進めることができ、所望の開孔形状（高アスペクト形状）を得ることができる。

１１，１２，１３，１４ 熱放射制御素子、２１ 無機層、２１ａ 開孔部、２２ 反射膜、２３ 誘電体反射膜、２４ 保護膜、２５，２６ 透明導電膜、２９ 金属層３０ レジスト、３１ 無機層、３２ 反射膜、４０ レジスト、４１ 無機層、４２ 反射膜、４３ 誘電体反射膜、４４ 保護膜、４５ 透明導電膜、１０１ 石英基板、１０２ 反射膜、１０３ 衛星表面

Claims (12)

1. 表面に２次元配列された開孔部を有する無機層と、反射膜とを備え、前記無機層が、石英層及びガラス層のいずれかである熱放射制御素子。
2. 前記開孔部の開口形状が、円形又は正多角形からなる請求項１記載の熱放射制御素子。
3. 前記開孔部の開口径が、３μｍ以上１１μｍ以下である請求項１又は２記載の熱放射制御素子。
4. 前記開孔部の深さが０．７μｍ以上である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱放射制御素子。
5. 前記開孔部のアスペクト比が、０．２以上である請求項３記載の熱放射制御素子。
6. 前記２次元配列が、格子配列又は千鳥格子配列である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱放射制御素子。
7. 前記反射膜が、前記無機層の開孔部を有する面とは反対の面側に配置されてなる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱放射制御素子。
8. 前記無機層と前記反射膜との間に、誘電体反射膜をさらに備え、
   前記誘電体反射膜が、単層の誘電体膜、及び屈折率の異なる複数の誘電体膜の積層体のいずれかである請求項７記載の熱放射制御素子。
9. 前記反射膜の前記無機層が配置された面とは反対の面側に、保護膜をさらに備える請求項７又は８記載の熱放射制御素子。
10. 前記無機層の開孔部を有する面側に、透明導電膜をさらに備える請求項７乃至９のいずれか１項に記載の熱放射制御素子。
11. 石英基板及びガラス基板のいずれかである無機基板の表面に所定形状が２次元配列されたレジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンをマスクとし、エッチングにより前記無機基板の表面に２次元配列された開孔部を形成する工程と、
    前記無機基板の開孔部が形成された面とは反対の面側に、蒸着法又はスパッタ法により反射膜を成膜する工程と
    を有する熱放射制御素子の製造方法。
12. 石英基板及びガラス基板のいずれかである無機基板の一方の面に、誘電体膜と、反射膜と、保護膜とをこの順に積層する工程と、
    前記無機基板の他方の面に、透明導電膜を成膜する工程と、
    前記透明導電膜表面に所定形状が２次元配列されたレジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンをマスクとし、エッチングにより前記無機基板の表面に２次元配列された開孔部を形成する工程と
    を有する熱放射制御素子の製造方法。