JP2015513492A - 調整可能な熱放射率を有する表面を実現する装置及び方法 - Google Patents

調整可能な熱放射率を有する表面を実現する装置及び方法 Download PDF

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Abstract

調整可能な熱放射率を有する表面を実現する装置及び方法が開示される。例示的な装置は、電気的反射グランドプレーン（１０６）に取り付けられる誘電体材料層（１０８）を備えるインピーダンス層（１０４）と、そして前記インピーダンス層（１０４）内に配置される複数の共振器（１１０）と、を含み、前記装置の熱放射率は、前記共振器群（１１０）の特性に応じて変化する。【選択図】図１

Description

本開示は概して、材料の熱放射率に関するものであり、特に調整可能な熱放射率を有する表面を実現する装置及び方法に関するものである。
宇宙船は使用中に広範囲の放射熱環境に曝される。宇宙船の外側表面は、放射熱（例えば、太陽放射熱）を吸収することにより加熱され、および／または赤外線を放射することにより冷却される。加熱及び冷却は、宇宙船が太陽の視野角に収まるときに、そして太陽の視野角から外れるときに交互に行なわれる可能性がある。加熱及び冷却はまた、太陽に面する側が加熱されるとともに、宇宙空間に面する側が冷却されるときに同時に行なわれる。宇宙船の温度は、宇宙船で行なわれる加熱と冷却の平衡状態に応じて変わる。
先行技術による材料は、これらの材料に固有であり、かつ変更することができない静的な熱放射特性を有する。その結果、所望の熱放射率を特定の放射周波数範囲に有する材料を実現するために、所望の熱放射特性を有する適切な材料を探し出すことになる。
従って、調整可能な熱放射率を有する装置が必要になる。当該装置は、表面に組み込むことができる。調整する際、反射される、吸収される、および／または放出される放射エネルギー量を増やし、減らし、および／または最適化する必要がある。
調整可能な熱放射率を有する表面を実現する装置及び方法が開示される。本開示の例示的な装置は、インピーダンス層と、そして複数の共振器と、を含む。例示的なインピーダンス層は、電気的反射グランドプレーンに取り付けられる誘電体材料層を含む。例示的な前記共振器群は、前記インピーダンス層内に配置され、そして前記装置の熱放射率は、前記共振器群の特性に応じて変化する。
別の例示的な材料が更に開示される。例示的な前記材料は、誘電体層と、そして複数の共振器と、を含み、前記複数の共振器は、グランドプレーンから、前記共振器群により反射されるエネルギーと、前記グランドプレーンにより反射されるエネルギーとが干渉することで弱め合うような距離の位置に配置される。例示的な前記材料は更に、前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器に電気的に接続される抵抗材料を含む。前記抵抗材料では、電子が電界に応じて移動する。例示的な前記材料は、前記電界を発生させる導電層を含み、前記電界は、前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器の反射率を変化させるために発生させる。
本開示の例示的な方法は、１つ以上の共振器の材料特性を調整することを含む。前記特性を調整することにより、前記１つ以上の共振器による放射熱の吸収率を変化させる。前記特性を調整することにより更に、前記材料により生じる弱め合う干渉の度合いを変化させる。
本開示の１つの態様によれば、電気的反射グランドプレーンに取り付けられる誘電体材料層を含むインピーダンス層と、そして前記インピーダンス層内に配置される複数の共振器と、を備える装置が提供され、前記装置の熱放射率は、前記共振器群の特性に応じて変化する。有利な点として、前記複数の共振器は、前記電気的反射グランドプレーンから、長波長赤外線エネルギーに応じて変わる距離の位置に配置される。有利な点として、前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器は、抵抗材料を介して電気的に接続される複数の導電性素子を含む。有利な点として、前記抵抗材料は、調整可能な抵抗率を有する。好適には、前記装置は更に、前記抵抗材料の抵抗率を制御する導電性材料を備える。好適には、前記導電性材料は、前記抵抗率を変化させて前記装置の熱放射率を変化させるために設けられる。好適には、前記抵抗材料は、アモルファス酸化物半導体を含む。有利な点として、前記装置は更に、前記インピーダンス層に、前記電気的反射グランドプレーンとは反対側に位置するように取り付けられる反射防止コーティングを備える。好適には、前記反射防止コーティングは、着目波長の１／４に略等しい厚さを有する。好適には、前記反射防止コーティングは、前記共振器群から前記電気的反射グランドプレーンまでの距離に略等しい厚さを有する。有利な点として、前記共振器群は、前記電気的反射グランドプレーンに略平行になるように配置される。
本開示の１つの態様によれば、装置が提供され、前記装置は、誘電体層と、グランドプレーンから、前記共振器群により反射されるエネルギーと、前記グランドプレーンにより反射されるエネルギーとが干渉することで弱め合うような距離の位置に配置される複数の共振器と、前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器に電気的に接続される抵抗材料であって、前記抵抗材料では、電子が電界に応じて移動する、前記抵抗材料と、そして前記電界を印加して、前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器による吸収率を変化させる導電層と、を備える。有利な点として、前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器は、複数のアンテナアームを有する交差ダイポールアンテナを備える。有利な点として、前記電界は、前記抵抗材料の第１インピーダンスと前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器に関連するインピーダンス値との差を小さくして、前記装置の熱放射率を高くするために発生させる。有利な点として、前記電界は、前記抵抗材料の第１インピーダンスと前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器に関連するインピーダンス値との差を大きくして、前記装置の熱放射率を低くするために発生させる。有利な点として、前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器は、前記着目波長の１／２に略等しい幅を有する。
本開示の１つの態様によれば、方法が提供され、前記方法は、１つ以上の共振器の材料特性を調整して、前記１つ以上の共振器による放射熱の吸収率を変化させ、そして前記材料により生じる弱め合う干渉の度合いを変化させることを含む。有利な点として、前記方法は更に、前記材料からの赤外線波長の放射熱の放出量を制限することを含むことができる。有利な点として、前記弱め合う干渉では、前記１つ以上の共振器により反射される放射熱とグランドプレーンにより反射される放射熱とが干渉することで弱め合う。有利な点として、前記方法は更に、前記１つ以上の共振器を、グランドプレーンから、前記１つ以上の共振器により反射される第１放射熱と、前記グランドプレーンにより反射される第２放射熱とが前記特性に応じて干渉することで弱め合うような距離の位置に配置することを含むことができる。有利な点として、前記特性を調整するために、電気信号を前記材料からなる抵抗層に印加して、前記１つ以上の共振器に隣接する前記抵抗層のインピーダンスを変化させる。好適には、方法は更に、状態を特定することを含むことができ、前記特性を調整する操作は、前記状態を特定すると行なわれ、前記状態は：前記材料に隣接する構造物の温度変化、前記材料に対する放射熱の入射角の変化、前記材料における放射熱の密度の変化、または前記材料の外部の状態の変化のうちの少なくとも１つの変化である。有利な点として、前記１つ以上の共振器の特性を調整するために、１つ以上の共振器の幾何学的構造、２つ以上の共振器の配置、前記１つ以上の共振器の静的インピーダンス、または前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器の物理的離間素子群の間の導電チャネルのうちの少なくとも１つを調整する。
説明してきた特徴、機能、及び利点は、種々の実施形態において個別に実現することができる、または更に他の実施形態において組み合わせることができ、これらの実施形態の更なる詳細は、以下の記述及び図面を参照することにより理解することができる。
図１は、調整可能な熱放射率を有し、かつ本開示の教示に従って形成される例示的な装置の断面図である。 図２は、図１の例示的な装置の斜視図である。 図３は、図１及び２の例示的な装置の例示的なシート状形態の分解斜視図である。 図４Ａは、図１〜３の例を実現するために使用することができる例示的なダイポールアンテナを示している。 図４Ｂは、図１〜３の例を実現するために使用することができる例示的なダイポールアンテナを示している。 図４Ｃは、図１〜３の例を実現するために使用することができる例示的なダイポールアンテナを示している。 図５Ａは、非常に高い熱放射率を着目波長領域において有するように制御される例示的な材料の損失による発熱密度分布である。 図５Ｂは、図５Ａの例について反射電力が波長の関数として変化する様子を示すグラフである。 図６Ａは、調整可能な熱放射率を有し、かつ本開示の教示に従って形成される別の例示的な材料の断面図を示している。 図６Ｂは、調整可能な熱放射率を有し、かつ本開示の教示に従って形成される別の例示的な材料の断面図を示している。 図７Ａは、調整可能な熱放射率を表面に有する例示的なシート状装置を設置し、そして制御する例示的な方法を表わすフローチャートである。 図７Ｂは、１つ以上の共振器の材料特性を調整する例示的な方法を表わすフローチャートである。 図８は、熱吸収がより短い波長で起こり、そして熱放出がより長い波長で起こる例示的な本体を示している。 図９は、ビークル製造及び整備方法のフローチャートである。 図１０は、ビークルのブロック図である。
複数の層及び領域を明らかにするために、これらの層の厚さはこれらの図面において拡大されている。従って、これらの図面に図示される構造は、寸法通りに描かれておらず、その代り、本開示の教示が明らかになるように描かれている。可能な限り、同じ参照番号を、図面（群）、及び記載される添付の説明の全体を通じて使用して、同じ、または同様の構成要素群を指すようにしている。本特許において使用されているように、任意の構成要素（例えば、層、膜、または領域）が、任意の態様で別の構成要素の上に配置される（例えば、ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｏｎ，ｌｏｃａｔｅｄ ｏｎ， ｄｉｓｐｏｓｅｄ ｏｎ， ａｔｔａｃｈｅｄ ｔｏ， ｆｏｒｍｅｄ ｏｎなど）と記載される場合、この記載は、記載の構成要素が、他方の構成要素に接触しているか、または記載の構成要素が、他方の構成要素に、１つ以上の中間構成要素（群）をこれらの構成要素の間に挟んで隣接している状態を指す。任意の構成要素が別の構成要素に接触していると記載される場合、この記載は、中間構成要素がこれらの２つの構成要素の間に存在しない状態を指す。
本明細書において開示される例は、調整可能な熱放射率を有するシート状の装置（例えば、メタマテリアル）を実現するために使用することができる。本明細書において開示される例は、反射される、吸収される、および／または放出される放射エネルギー量を増やす、減らす、および／または最適化することにより利点が得られる宇宙船、建物、及び／又は任意の他の構造物のような構造物の表面を被覆する、または覆う層を設けるために使用することができる。幾つかの例では、熱放射率は、表面に貼り付ける前に調整される。幾つかの例では、熱放射率は、表面に貼り付けた後に調整することができる。本明細書において開示される幾つかの例は、表面に貼り付けられるシート状の装置の熱放射率に対する制御を可能にする。このような幾つかの例では、電気信号を印加して熱放射率を調整することができる。
本明細書において開示される例を適用する際、熱的な制御を構造物（例えば、建物、宇宙船など）に対して行なう。一例として、熱吸収が、より短い波長８０２、８０４で行なわれ、そして熱放出が、より長い波長８０６（例えば、７〜２５μｍの波長領域８０７）で行なわれる構成の例示的な本体８００が図８に図示されている。例えば、図８の本体８００は、地球軌道を周回し、かつ０．０８８５の前面の太陽光吸収率（α）を有するフラットパネルとすることができる。
本体８００が、熱平衡状態を保っている間、波長８０２、８０４の吸収電波のエネルギーは、より長い波長８０６の電波のエネルギーに等しい。例示的な本体８００（例えば、パネル）の前面８０８は、１の一定の熱放射率を８〜１２ミクロン帯域８０９で有し、そしてゼロを他の波長で有し、そして本体８００の裏面８１０は、１００％の反射率（ε＝０、太陽光吸収率α＝０）を８〜１２ミクロン帯域８０９で有する。例示的な本体８００（例えば、本体８００、本体８００の前面側８０８の表面、及び／又は本体８００の裏面側８１０の表面）の温度は、可視光帯域及び／又はＩＲ帯域（群）のうちの１つ以上の帯域における本体または表面の熱放射率を制御することにより制御することができる。図８の例示的な本体８００の温度は、とりわけ、より長い波長８０６の電波の放射を制限することにより高くすることができる。逆に、例示的な本体８００の温度は、とりわけ、より長い波長８０６の多量の電波の放射を可能にすることにより低くすることができる。
図８の例では、本体８００の平衡温度は、太陽光照射が１３６６ワット／平方メートル（Ｗ／ｍ２）とすると、前面側８０８の表面の法線方向８１２が太陽を真っ直ぐに指している場合に、約３００度ケルビン（Ｋ）である。表面の法線方向８１２が、太陽から入射角８１４、θだけ外れる場合、吸収電力が、係数ｃｏｓ（θ）だけ小さくなるのに対し、本体８００の自己放射は一定に保たれる。その結果、本体８００の平衡温度は、入射角８１４θが大きくなるにつれて低下して、入射角８１４θが約８５°のときに温度低下ΔＴ＝−１００Ｋとなる。
本明細書において開示される例を用いると、表面の熱放射率を制御して、当該熱放射率がｃｏｓ（θ）に一致する（例えば、数値的に等しくなる）ようにすることができる。このように、上に説明し、かつ上記した例示的な装置を含む同じ本体８００は、姿勢に関係なく、一定温度３００Ｋを維持することができるが、その理由は、吸収及び放射が等しくなるように制御されるからである。従って、本明細書において開示されるこれらの例の調整可能な熱放射率は、温度の振れを小さくするために使用することができる。
別の例示的な適用形態では、強い太陽光照射を受ける領域にある建物は、非常に大きな熱負荷及び／又は冷却要求を有する。本明細書において開示される例を用いて、日中の例示的な装置の熱放射率を高くして、熱をＬＷＩＲ（遠赤外線）エネルギーとして放出することにより冷却要求を軽減することができる。更に、または別の構成として、これらの例を制御して熱放射率を低下させて、熱を必要に応じて保持することにより、例えば日中以外の時間帯の熱負荷を低減することができる。
図１は、調整可能な熱放射率を有し、かつ本開示の教示に従って形成される例示的な装置１００の正面断面図である。多くの公知の材料及び装置が一定の熱放射率を有するが、例示的な装置１００の熱放射率は、所望の熱放射率を有するように変えることができる、または制御することができる。図１の例示的な装置１００は、反射防止コーティング１０２と、インピーダンス層１０４と、そして電気的反射グランドプレーン（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｅ）１０６と、を含む。
例示的な装置１００は、構造（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、デバイス（ｄｅｖｉｃｅ）、及び／又はメタマテリアル（ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ）と表記することもできる。例示的な装置１００を指すために使用される用語に関係なく、例示的な装置１００は、複数の材料層を使用して形成され、そして連続シートまたは連続層の形状に形成することができ、この連続シートまたは連続層は、他の構造、デバイス、または装置に取り付ける、貼り付ける、またはその他には、接続することができる。このように、例示的な装置１００を使用して、調整可能な熱放射率を持つ外側表面を、このような構造、デバイス、または装置に設けることにより、例示的な装置１００の接続先である構造、デバイス、または装置の温度制御性、及び／又は他の動作特性を向上させることができる。
図１を詳細に参照するに、例示的な反射防止コーティング１０２は、装置１００の外側層（例えば、放射熱が、装置１００の外部の環境から入射する構成の第１層）として配置される。図１の例示的な反射防止コーティング１０２は、着目波長（λ０）の約１／４の厚さＴを有する。しかしながら、異なる厚さを有する異なる種類の反射防止コーティングを別の構成として使用してもよい。
着目波長λ０は、着目波長領域に含まれる任意の波長とすることができる。例えば、着目波長λ０は、長波長赤外線（ＬＷＩＲ）領域（例えば、８〜１５μｍ）に含まれる１０マイクロメートル（ミクロン、μｍ）とすることができる。多くの例示的なシステムでは、本体または表面からの熱の放出が、ＬＷＩＲ波長で生じるのに対し、熱の吸収は、可視光波長または近赤外線（近ＩＲ）波長で生じる。図８の例において上に説明したように、本体８００における熱吸収は、より短い波長８０２、８０４で生じ、そして熱放出は、より長い波長８０６で生じる。
従って、幾つかの例では、本体または表面の温度は、可視光帯域及び／又はＩＲ帯域（群）のうちの１つ以上の帯域における本体または表面の熱放射率を制御することにより制御することができる。図８の例示的な本体８００の温度は、とりわけ、より長い波長８０６の電波の放射を制限することにより高くすることができる。逆に、例示的な本体８００の温度は、とりわけ、より長い波長８０６の多量の電波の放射を可能にすることにより低くすることができる。幾つかの波長領域では、中心波長は着目波長λ０であり、そして厚さは、着目波長領域に含まれる波長群のいずれかの波長の１／４とすることができる。反射防止コーティング１０２は、反射を減らし、そして装置１００の熱放射率に対する制御性を向上させる。
例示的なインピーダンス層１０４は、誘電体材料または誘電体層１０８と、そして誘電体材料１０８内に配置される共振器１１０と、を含む。本明細書において使用されるように、「ｒｅｓｏｎａｔｏｒ」とは、基本的に幾何学的構造により決まるスペクトル特性を有し、かつ負荷に応じて変わる任意の電気的共振構造を指す。例えば、図１の共振器１１０は、電気的共振構造を用いて実現され、この電気的共振構造は、少なくとも導電性素子１１１、１１２と、そしてアンテナ及び対応するアンテナ負荷のような抵抗素子１１４と、を含む。
幾つかの例では、誘電体材料１０８は、インピーダンス層１０４内でほぼ連続している。幾つかの他の例では、誘電体材料１０８は、共振器１１０（例えば、導電性素子１１１、１１２）及び／又は抵抗素子１１４を挟んで複数の層に分割される。例示的な抵抗素子１１４は、１つ以上の抵抗体、抵抗シート、及び／又は他の電気抵抗構造体を含むことができる。例示的な共振器１１０は、電気的反射グランドプレーン１０６から着目波長の約１／４（例えば、１／２以内の、または１／８〜１／２の）の距離Ｄの位置に配置される。当該着目波長は、インピーダンス層１０４内で、および／または誘電体材料１０８内で、外部環境に対して、インピーダンス層１０４、誘電体材料１０８、及び外部環境のそれぞれの屈折率に応じて異なるようにすることができる。
例示的な共振器１１０は別の構成として、例示的なグランドプレーン１０６から、約１／４波長から１／２波長ずつ増やした波長（例えば、３／４波長、（１＋１／４）波長など）の位置に配置することができる。これらの例示的な配置または間隔のうちの１つを使用して、グランドプレーン１０６により反射される波長または着目波長領域のエネルギーは、グランドプレーン１０６により反射される同じ波長または波長領域のエネルギーよりも約１／２波長だけ進んだ位相を持つことにより、弱め合う干渉を起こす。例示的な共振器１１０の特性を調整して、弱め合う干渉の度合いを変化させることができる。調整することができる例示的な特性として、共振器１１０の幾何学的構造（例えば、導電性素子１１１、１１２のサイズ、形状、及び／又は構成）、抵抗層１１４の抵抗率、及び／又は他の共振器群１１０に対する材料構成（例えば、他の共振器群１１０の相対的な向き、及び／又は他の共振器群１１０の間の距離）を挙げることができる。
図１の例示的な共振器１１０（例えば、導電性素子１１１、１１２）は、誘電体材料１０８内の平面（例えば、共振器１１０の厚さに等しい厚さを有する共振器平面１１６）に配置される。共振器１１０が配置される共振器平面１１６は、グランドプレーン１０６に略平行である。共振器平面１１６及びグランドプレーン１０６は平面として記述されるが、「ｐｌａｎｅ」という用語は、平坦面の他に、湾曲面または他の非平坦面を指すことができる。例えば、グランドプレーン１０６が湾曲している（例えば、円筒面、球面、または部分球面など）場合、共振器１１０はまた、球状平面に配置されて、グランドプレーン１０６の法線に対して任意の所定の位置でほぼ直角になる。明瞭性及び簡潔性を期して、本明細書において記載され、かつ対応する図に図示される例は、平坦なグランドプレーン及び平坦な共振器平面を使用する。
図１の例示的な電気的反射グランドプレーン１０６は、着目波長領域において完全に電気的に反射する、またはほぼ完全に電気的に反射する。幾つかの例では、電気的反射グランドプレーン１０６は、例示的な装置１００の固定先の外側表面としても使用され、そして当該事例では、装置１００の一部ではない。幾つかの他の例では、装置１００は、電気的反射グランドプレーン１０６を含むように形成される。
図２は、図１の例示的な装置１００の斜視図である。図２の表示は、装置１００の単一セルまたはユニット２００を示している。装置１００の図示のユニット２００は、繰り返すことにより、ほぼ全てのサイズの表面を覆う層またはシートを形成することができる。図２に示すように、例示的な装置１００は、反射防止コーティング１０２と、そしてインピーダンス層１０４と、を含む。電気的反射グランドプレーン１０６は、図２の表示では見えない。
図２に示すように、反射防止コーティング１０２は、インピーダンス層１０４の屈折率ｎ２の平方根に略等しい屈折率ｎ１を有する。幾つかの例では、インピーダンス層１０４の屈折率ｎ２は、誘電体材料１０８の屈折率によってほぼ決まる。図２の例では、装置１００の外部の環境（例えば、空気、空間など）は屈折率ｎ０を有する。図２の例示的な反射防止コーティング１０２の厚さは、着目波長の１／４である。反射防止コーティング１０２の屈折率ｎ１は、外部環境の屈折率ｎ０とは異なる。その結果、例示的な反射防止コーティング１０２の厚さは、反射防止コーティングにおける着目周波数の波長に応じて設定される（例えば、反射防止コーティング１０２と外部環境との境界によって変わる）。
図２の例示的なユニット２００の幅、及び例示的な共振器１１０の幅は、異なる屈折率ｎ２によって変化する着目波長λ０に応じて設定される。従って、図２の幅は、λ２／２またはλ０／２ｎ２に等しい。ＬＷＩＲ（遠赤外線）放射が８μｍの中心周波数または着目周波数を持ち、かつインピーダンス層１０４がｎ２＝２．０の屈折率を有する場合、例示的なユニット２００の幅、及び例示的な共振器１１０の幅は共に約２μｍである。
図２の例示的な共振器平面１１６は、電気的反射グランドプレーン１０６に略平行であり、そして電気的反射グランドプレーン１０６から着目波長の約１／４の距離に位置する。反射防止コーティング１０２の屈折率ｎ２は、外部環境の屈折率ｎ０とは異なる。その結果、１／４波長距離は、インピーダンス層１０４における着目周波数の波長に応じて設定される（例えば、インピーダンス層１０４と外部環境との境界（群）によって変わる）。
図２の抵抗材料１１４は、共振器１１０のアーム１１１ａ〜１１１ｄを電気的に接続する。これらのアーム１１１ａ〜１１１ｄはまた、電気的に接続されて、交差ダイポール２０２を形成する。抵抗材料１１４は、共振器１１０の整合回路として作用する（例えば、共振器１１０の共振特性を決定する）。別の表現をすると、抵抗材料１１４のインピーダンス（例えば、抵抗及び／又はリアクタンス）は、共振器１１０が放射熱を吸収する度合いに影響する。例示的な抵抗材料１１４のインピーダンスは、抵抗材料１１４の抵抗率の値を選択することにより（例えば、所望の抵抗率を有する特定の材料を選択することにより）、および／または抵抗材料１１４の幾何学的構造を選択することにより制御することができる。例示的な交差ダイポールの幾何学的構造を図２に示すが、他の幾何学的構造を使用してもよい。
抵抗材料１１４のインピーダンス（例えば、抵抗／抵抗率、及び／又はリアクタンス）を変化させることにより、共振器１１０の熱放射率、従って例示的な装置１００の熱放射率を変化させる。例えば、抵抗材料１１４のインピーダンスと共振器１１０のインピーダンスとの差が大きくなると、例示的な共振器１１０の動作は、ソールズベリースクリーン（Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ ｓｃｒｅｅｎ）の動作に一層類似するようになり（例えば、共振器１１０が、反射性を示し、そして弱め合う干渉が、共振器１１０により反射される放射熱とグランドプレーン１０６により反射されるエネルギーとの間に生じる）、そして熱放射率が低くなる。これとは異なり、抵抗材料１１４のインピーダンスと共振器１１０のインピーダンスとの差が小さくなると、共振器１１０は、より多量の放射熱を吸収し、そしてソールズベリースクリーン（Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ ｓｃｒｅｅｎ）の動作に類似する動作をしなくなり（例えば、共振器１１０が吸収性を示すようになる）、そして熱放射率が高くなる。
図３は、図１及び２の例示的な装置１００の例示的なシート状形態３００の分解斜視図である。図３に示すように、シート３００は、装置１００の９個の単位セル３０２（例えば、３セル×３セル）を含む。これらの例示的な共振器１１０は、スクリーンを形成するように配置され、そして隣接する共振器群から間隔３０４を空けて分離される。例示的な間隔３０４はギャップ長さＧを有する。しかしながら、ギャップ長さＧは、これらの共振器１１０の幾何学的構造に応じて異なる距離とすることができる、および／または異なるように測定される。図１の例示的な抵抗材料１１４と同様に、これらの共振器１１０を分離する例示的な間隔３０４は、対応するインピーダンスを有する。図示の例の間隔３０４は、これらの共振器１１０のそれぞれの共振器群を、それぞれの共振器の間のインピーダンスで電気的に接続する。図３の例示的な間隔３０４のインピーダンスは、誘電体材料１０８のインピーダンス、及び隣接する共振器１１０の間の間隔の長さに応じて設定される。これらのインピーダンスは、抵抗材料１１４のインピーダンスと同様とすることができる、または当該インピーダンスとは異ならせることができる。図３に示すように、誘電体材料１０８の少なくとも或る部分は、これらの共振器１１０の一方の側（例えば、上方）に配置され、そして誘電体材料１０８の少なくとも或る部分は、これらの共振器１１０の反対の側（例えば、下方）に配置される。別の表現をすると、図３の誘電体材料１０８は、これらの共振器１１０を挟んでいる。本明細書において使用されるように、共振器群１１０とは、誘電体材料１０８の複数の構成部分が、誘電体材料１０８が共振器の異なる側に配置される２つの層に物理的に分割される場合においてもこれらの共振器１１０の両方の側に配置される場合の誘電体材料１０８の内部に在る共振器群のことを指している。
図１〜３の例示的な装置１００は、スパッタリング法、気相成長法、フォトリソグラフィ法、及び／又は電子ビームリソグラフィ法のような方法を使用して形成する（例えば、誘電体材料１０８に対応して、共振器群１１０、アーム１１１、１１２、及び／又は抵抗材料１１４に対応して）ことができる。しかしながら、任意の適切な過去、現在、または将来の方法を使用して、図１〜３の例示的な装置１００を形成することができる。
図１〜３の例示的な装置１００の熱放射率は、例示的な装置１００の形成時に調整される。例えば、１つ以上の幾何学的構造の共振器群１１０、選択される（種々選択される）、および／または１つ以上の幾何学的構造の抵抗材料１１４（または、塗布した事前選択抵抗材料１１４）、導電性グランドプレーン１０６に対して配置される共振器群１１０、及び／又は選択される、または省略される反射防止コーティング１０２を使用して、装置１００の熱放射率を装置１００の形成時に調整することができる。
幾つかの例では、例示的な装置１００のこれらの共振器１１０のうちの１つ以上の共振器の特性を調整して、これらの共振器１１０が放射熱を吸収する度合いを変化させ、そして装置１００によって生じる弱め合う干渉の度合いを変化させることができる。例えば、１つ以上の幾何学的構造の共振器群１１０、選択される（種々選択される）、および／または１つ以上の幾何学的構造の抵抗材料１１４（または、塗布した事前選択抵抗材料１１４）、導電性グランドプレーン１０６に対して配置される共振器群１１０、及び／又は選択される、または省略される反射防止コーティング１０２のうちの１つ以上を使用して、放射熱の吸収率を変化させることができ、および／または装置１００によって生じる弱め合う干渉の度合いを変化させることができる。
図４Ａは、例示的な交差ダイポールアンテナ４００を示しており、この交差ダイポールアンテナ４００を使用して、図１〜３の例示的な装置１００を実現することができる。図４Ａの例示的なアンテナ４００は、図２の例示的なユニット群２００の各ユニットの共振器１１０として使用することができる、および／または図３に示すように、格子（例えば、シート）状に配置することができる。アンテナ４００は更に、または別の構成として、格子以外の配列またはパターンになるように配置する、または構成することができる。本明細書において開示されるこれらの例の全てと同じように、図４Ａの例示的なダイポールアンテナ４００は、必ずしも寸法通りに描かれていない。
図４Ａに示すように、例示的なアンテナ４００は、４つのアームまたは導電性素子４０２、４０４、４０６、４０８（例えば、図２のアーム１１１ａ〜１１１ｄと同様の）を含む交差ダイポールアンテナである。アーム４０２〜４０８は、略同じ寸法を有するが、異なる方位を有する。例示的なアーム４０２〜４０８は、中心領域４１０においてギャップ４１２、４１４、４１６、４１８を挟んで分離される。例示的なギャップ４１２〜４１８は、抵抗材料（例えば、図１〜２の抵抗材料１１４）を含み（例えば、抵抗材料のすぐ傍に隣接して）、この抵抗材料は、アーム４０２〜４０８を電気的に接続する。図４Ａのアーム４０２〜４０８のそれぞれのアームの間に結果的に生じるインピーダンスは、ギャップ４１２〜４１８の長さ４２０、及び幅４２２によって異なり、かつ抵抗材料の抵抗率によって異なる。図４のアンテナ４００に関する例示的な分析を、図５Ａ及び５Ｂを参照して以下に説明する。
図４Ｂは、別の例示的なダイポールアンテナ４２０を示しており、このダイポールアンテナ４２０を使用して、図１〜３の例示的な装置１００を実現することができる。図４Ｂの例示的なアンテナ４２４は、図２の例示的なユニット群２００の各ユニットの共振器１１０として使用することができる、および／または図３に示すように、シート状に配置することができる。
図４Ｂに示すように、例示的なアンテナ４２４は、アームまたは導電性素子４２６、４２８を含むダイポールアンテナである。図４Ａの例示的なアーム４０２〜４０８とは異なり、アーム４２６、４２８は、複数の方向を向いた（例えば、約９０度の角度をなす）複数の構成部分を有し、そして抵抗材料１１４ではなく、導体４３０を介して電気的に接続される。図４Ｂのアーム４２６、４２８は、略同じ寸法を有するが、異なる方位を有する。図４Ａの例示的なアーム４０２〜４０８とは異なり、図４Ｂの例示的なアーム４２６、４２８は、ギャップ４３２を挟んで分離され、このギャップ４３２は抵抗材料（例えば、図１〜３の抵抗材料１１４）を含む。ギャップ４３２の抵抗材料は、アーム４２６、４２８を電気的に接続する。例示的なアーム４２６と４２８との間に結果的に生じるインピーダンスは、ギャップ４３２の長さ、及び幅によって異なる。
図４Ｃは、別の例示的なダイポールアンテナ構造体４３４を示しており、このダイポールアンテナ構造体４３４を使用して、図１〜３の例示的な共振器１１０を実現することができる。図４Ｃの例では、ダイポールアンテナ構造体４３４は、アンテナユニット４４４内のダイポールアンテナのアーム群または導電性素子群として動作するマイクロストリップ線路または導電性素子４３６、４３８、４４０、４４２を含む。例示的なアンテナユニット４４４は、図４Ｃに図示され、そして図４Ｂの例示的なアンテナ４２４と同様のダイポールアンテナとして動作する。例示的なマイクロストリップ線路４３６〜４４２は、ソース接続部４４６またはドレイン接続部４４８に交互に接続される。従って、複数の（例えば、配列）アンテナユニット４４４はソース４４６またはドレイン４４４に、同じマイクロストリップ線路４３６を介して接続される。抵抗材料（例えば、図１〜３の抵抗材料１１４）は、それぞれのギャップ領域４５０の例示的なマイクロストリップ線路４３６〜４４２を接続して、例示的なアンテナ構造体４３４の反射係数を制御する。ユニット４４４のこれらのマイクロストリップ線路の間（例えば、線路４３６と４３８との間）に結果的に生じるインピーダンスは、ギャップ４５０の寸法（例えば、長さ、及び幅）によって異なる。
図５Ａは、比較的高い熱放射率を着目波長領域において有するように制御される例示的な装置５０２の損失による発熱密度分布５００である。図５Ｂは、図５Ａの例示的な装置５０２に関して、反射電力を波長の関数として示すグラフである。図５に示す例示的な装置５０２は、図４Ａを参照して上に説明した例示的な交差ダイポールアンテナ４００と同様の交差ダイポールアンテナ５０４を含む。交差ダイポールアンテナ５０４のアーム群は、ギャップ領域５０６を挟んで分離される。
図５Ａは、均一インピーダンス層がセル当たり１５８０オーム（Ω）またはオーム毎スクウェア（Ω／ｓｑ．シート抵抗を表わす指標）を有すると仮定した場合の吸収度合いの分布を示している。図４Ａ及び図５Ａの例示的な交差ダイポールアンテナ構造体では、殆どのＬＷＩＲ放射熱吸収がギャップ領域５０６に集中しているが、ギャップ領域５０６の外部における吸収は無視できない。図５Ｂに示すように、例示的な装置５０２は、吸収体がこれらのギャップ内に配置される場合に、ＬＷＩＲ（遠赤外線）反射率が波長に対して非常に低くなる（例えば、高い熱放射率）関係を示している。図５Ａ及び図５Ｂの例示的な結果は、ギャップが２７．５ナノメートル（ｎｍ）であり、かつチャネル抵抗が１５８０Ω毎スクウェアであると仮定した場合に得られた。これは、アンテナ５０２の中心５０８“Ｘ”における約１２３Ωと、図５Ａに図示される例の上側、下側、左側、及び右側に位置する隣接アンテナアームの間のギャップ５１０の約８７Ωの正味抵抗に対応する。
図６Ａ及び図６Ｂは、調整可能な熱放射率を有し、かつ本開示の教示に従って形成される別の例示的な装置６００の断面図を示している。図１〜３の装置１００とは異なり、例示的な装置６００は、調整可能な熱放射率を、電気信号を装置６００に印加することにより実現することができる。幾つかの例では、装置６００の熱放射率は、或る波長領域に対応して０．０５及び０．９５を含む０．０５〜０．９５の範囲で変化させるか、または調整することができる。
例示的な装置６００は、反射防止コーティング６０２と、そしてインピーダンス層６０４と、を含む。図６Ａ及び図６Ｂの例では、例示的な装置６００は、電気的反射面６０６に取り付けられる。幾つかの他の例では、装置６００は、電気的反射面６０６を含み、そして装置６００は、電気的に反射するかどうかに関係なく、任意の表面に取り付けることができる。
図６Ａ及び図６Ｂの例示的なインピーダンス層６０４は、誘電体材料または誘電体層６０８と、そして共振器６１０と、を含む。図６Ａの例示的な共振器６１０は、導電性素子６１１、６１２と、そして抵抗材料６１４と、を含む。図６の例示的な誘電体材料６０８は、例えば硫化亜鉛（ＺｎＳ）または硫化インジウムガリウム亜鉛（ＩｎＧａＺｎＳ）とすることができる。しかしながら、他の誘電体材料を更に、または別の構成として、誘電体材料６０８として使用してもよい。更に、例示的なインピーダンス層６０４が、誘電体材料６０８からなる複数の層を有する場合、異なる誘電体材料の組み合わせを使用してもよい。
図６Ａ及び図６Ｂの例示的な共振器６１０は、単一の交差ダイポールアンテナを含み、そして図１〜５Ａの例示的な共振器１１０及び／又はアンテナ４００、４２０、または５０４と同一とする、同様とする、および／または異ならせることができる。アンテナアーム６１１、６１２は、例示的な電気的反射面６０６と略平行になるように配置され、かつ電気的反射面６０６から着目波長の約１／４の距離に配置される。例示的な抵抗材料６１４は、共振器６１０の直ぐ傍に隣接して配置される（例えば、アーム６１１、６１２に隣接して、かつ電気的反射面６０６に対して共振器６１０の同じ側に）。図６Ａ及び図６Ｂの例では、抵抗材料６１４は、アモルファス酸化物半導体（ＡＯＳ）材料を使用して形成される。例示的なＡＯＳ材料として、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＺＩＯ）、及び酸化亜鉛錫（ＺＴＯ）を挙げることができる。他の半導体材料を使用してもよい。
図６Ａ及び図６Ｂの例示的なインピーダンス層６０４は更に、導体層６１６を含む。例示的な導体層６１６は、弱導電性の導体を含む（例えば、４０ｋΩ毎スクウェアよりも大きいシート抵抗を有する）。更に別の導体６１８、６２０は、導体層６０６と接触し、そしてバイアス信号を導体層６１６に供給する。図６Ａ〜図６Ｂの例示的な装置６００は、バイアス信号を電気信号発生器６２２から受信する。電気信号発生器６２２から導体６１８、６２０を介して供給される信号に基づいて、例示的な導体層６１６は電界Ｅを発生する。例示的な導体６１８、６２０は非常にまばらに配置される（例えば、十分薄く、かつ十分離して配置される）。幾つかの例では、これらの導体は薄く（例えば、約１μｍの直径）、そして入射する放射熱を殆ど反射することがないように離間配置される（例えば、シート状に配列される共振器群の１列当たり導体が１本の割合で）。
導電性素子６１１と６１２との間のギャップに位置する抵抗材料１１４（例えば、ＡＯＳ）の抵抗は、例示的な電界Ｅによって制御される。電圧を電気的反射面６０６（例えば、導体６１８、６２０を介して）と電気的反射面６０６との間に印加すると電界Ｅが発生し、この電界Ｅによって、抵抗材料１１４内の電子の移動が生じ、そして導電チャネル６１５が形成される、または広くなる（例えば、抵抗性が小さくなる）。電子が導電性素子６１１、６１２の方に向かって押し付けられると（例えば、導電性素子６１１、６１２の近傍に位置するマイナス（−）記号で示すように、図６Ａの例における抵抗材料１１４の上部に押し付けられると）、導電性素子６１１と６１２との間の抵抗が小さくなる。その結果、例示的な負荷（例えば、共振器負荷として機能する抵抗材料６１４）が、共振器により良好に整合するようになり、そして装置６００は、より多量の放射熱を吸収する（例えば、熱放射率が高くなる、反射率が低くなる）。例示的な放射熱６２４、６２６は、殆どが例示的な共振器６１０によって吸収される。
これとは異なり、電界Ｅが図６Ｂに示すように反対方向に向いて、電子が導電性素子６１１、６１２から遠ざかるように押し出される（マイナス（−）記号が導電性素子６１１、６１２から離れて位置し、そしてプラス（＋）記号が、導電性素子６１１、６１２の近傍に位置するものとして図示される）場合、共振器６１０と６１２との間の導電チャネル６１５の抵抗は抵抗材料６１４の分だけ大きくなる（例えば、導電チャネル６１５は薄くなるか、または消滅する）。装置６００は、共振器負荷の整合状態が劣化し、そして共振器がより少ない量の放射熱しか吸収しなくなるので、より高い反射性を示すようになる（例えば、熱放射率が低くなる、反射率が高くなる）。例示的な放射熱６２４、６２６は、殆どが共振器６１０及び導電性グランドプレーン６０６によって反射される。
図６Ａ及び６Ｂの例では、共振器６１０は、グランドプレーン６０６から距離Ｈの位置に配置されて、放射熱または放射エネルギー６２８、６３０の反射が、１８０度だけ位相ずれし、そして弱め合う干渉６３２を生じる状態で、共振器６１０により反射される放射熱または放射エネルギー６３０と、グランドプレーン６０６により反射される放射熱または放射エネルギー６２８とが干渉することで弱め合う。弱め合う干渉６３２は、放射熱６２８、６３０のエネルギーのかなりの部分、または全てを効果的に打ち消す。
電界Ｅの移行は、例示的な装置６０内で１ミリ秒（ｍｓ）未満の時間で行なうことができる。更に、抵抗材料６１４は電界Ｅを、信号が例示的な導体６１８、６２０及び導電層６１６から除去されても維持する。従って、例示的な装置６００は、所望の熱放射率を維持するために継続的な電力を必要としない。幾つかの例では、抵抗材料６１４及び例示的な導電層６１６は、共振器６１０と６１２との間のインピーダンスを制御する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に置き換えられる。
図６Ａ〜６Ｂの例示的な装置６００は、スパッタリング法及び気相成長法（例えば、誘電体材料６０８、抵抗材料６１４、及び／又は導電層６１６に用いられる）及びフォトリソグラフィ法及び／又は電子ビームリソグラフィ法（例えば、共振器６１０、６１２に用いられる）のような方法を用いて形成することができる。しかしながら、任意の適切な過去、現在、または将来の方法を用いて、図６Ａ〜６Ｂの例示的な装置６００を形成することができる。
図６Ａ〜６Ｂの例示的な装置６００は有利な結果をもたらす。例えば、導電層（例えば、図６の導電層６１６）が約４０ｋΩ毎スクウェアのシート抵抗（図６の共振器６１０のインピーダンスにほぼ一致する）を有し、かつ放射熱（例えば、外部環境から）の入射角θ６３４がゼロ度６３６（例えば、法線入射）である場合、例示的な装置６００は、波長領域８０７のような７〜２５μｍ波長領域において非常に高い熱放射率を有する（例えば、０．１未満の反射電力）。
別の例では、導電層（例えば、図６の導電層６１６）は、約４０ｋΩ毎スクウェアのシート抵抗を有し、かつ放射熱（例えば、外部環境から）の入射角は、法線から４５度の角度である。この例の反射電力は、７〜２５μｍ波長領域において０．３未満であり、これは熱放射率が比較的高いことを示している。
導電層（例えば、図６Ａ〜６Ｂの導電層６１６）が約４０ｋΩ毎スクウェアのシート抵抗を有し、かつ図６Ａ〜６Ｂの共振器６１０のインピーダンスに一致しない例では、共振器６１０は、整合する負荷群を使用する場合よりも大幅に少ない量の放射熱しか吸収しない。このような例では、装置６００は、５〜５０μｍ波長領域において非常に低い熱放射率を有する（例えば、０．９５超の反射電力）。
これらの例から分かるように、図６Ａ〜６Ｂの例示的な装置６００の熱放射率は、共振器６１０の負荷インピーダンスの整合をとることにより、および／または負荷インピーダンスの整合をとらないことにより変化させることができる。着目周波数及び／又は着目周波数領域では、例示的な装置６００の熱放射率は、０．０５〜０．９５の範囲、またはこれよりも広い範囲に少なくとも収まるように調整する、または変化させることができるので有利である。
図７Ａは、調整可能な熱放射率を設置面に有する装置（例えば、本明細書において記載される例を使用して形成されるシートまたは層）を設置し、そして制御する例示的な方法７００を表わすフローチャートである。例示的な方法７００は、図７Ａに示すフローチャートを参照して説明されるが、調整可能な熱放射率を表面に有する装置を設置し、そして制御する多くの他の方法を別の構成として用いることができる。例えば、ブロック群を実行する順番は変えることができる、および／または記載されるブロック群のうちの幾つかのブロックは変えることができる、無くすことができる、または組み合わせることができる。例示的な方法７００を使用して本明細書において記載される例を適用することができる設置面の例として、航空機、宇宙船、建物、ビークル、設備、及び／又はほぼ全ての他の表面を挙げることができる。
図７Ａの例示的な方法７００を使用して、例えば図１〜３、及び／又は図６Ａ〜６Ｂの例示的な装置１００、６００のいずれかを表面に設置する、または異なる装置を表面に設置することができる。図７Ａの例示的な方法７００では、表面に設置することになる装置はインピーダンス層（例えば、図１のインピーダンス層１０４、図６Ａ〜６Ｂのインピーダンス層６０４）を含む。
図７Ａの例示的な方法７００は、設置面（例えば、材料が設置される表面）、及び／又はインピーダンス層（例えば、図６Ａ〜６Ｂのインピーダンス層６０４）が電気的反射面を含んでいるかどうかを判断する（ブロック７０２）ことから始まる。幾つかの例では、装置が設置される表面は、装置が取り付けられる電気的反射外側層を有する。幾つかの他の例では、設置される装置は電気的反射面（例えば、図１〜３、図６Ａ〜６Ｂの電気的反射面１０６、６０６）を含む。これらの事例では、電気的反射面が追加されることはない。
設置面またはインピーダンス層のいずれもが、電気的反射面を含んでいない（ブロック７０２）場合、電気的反射面をインピーダンスシートまたは設置面のうちの少なくとも一方に取り付ける（ブロック７０４）。例えば、電気的反射面を、設置面の外側表面、及び／又は設置面に取り付けられる装置の側面に取り付けることにより、電気的反射面が装置と設置面との間に配置されるようにする。装置に取り付けられる場合、電気的反射面は、装置の一部であると考えられる。
電気的反射面を取り付けた（ブロック７０４）の後、または設置面、及び／又はインピーダンス層が、電気的反射面を含んでいる（ブロック７０２）場合、装置（例えば、インピーダンス層）を設置面に、および／または設置面に取り付けられる電気的反射面に取り付ける（ブロック７０６）。
電気信号発生器（例えば、図６Ａ〜６Ｂの電気信号発生器６２２）をインピーダンス層（例えば、図６Ａ〜６Ｂの導体６１８、６２０）に電気的に接続する（ブロック７０８）。設置される材料の熱放射率を変化させる必要がある（ブロック７１０）場合、１つ以上の共振器の材料特性を調整して、１つ以上の共振器による放射熱の吸収率を変化させ、そして材料により生じる弱め合う干渉の度合いを変化させる（ブロック７１２）。熱放射率は、装置６００に隣接する構造（例えば、図８の本体８００）の温度変化、装置６００に対する放射熱の入射角θの変化、装置６００における放射熱の密度（例えば、集中度）の変化、及び／又は装置６００の外部の状態の変化（例えば、装置６００の外部の温度変化）に応じて変化させることができる。
特性を調整する（ブロック７１２）ために、例えば電気信号を例示的な導体６１８、６２０に印加することにより、電界Ｅ（例えば、図６Ａ及び６Ｂの電界Ｅ）を発生させて、導電性素子６１１と６１２との間の抵抗層６１４のインピーダンスを変化させることができる。幾つかの他の例では、特性を調整するために、共振器６１０の幾何学的構造（例えば、変化させる対象の図４Ａの導電性素子４０２〜４０８の間のギャップ４１２〜４１８の長さ４２０または幅４２２）、調整される対象の２つ以上の共振器６１０の配置（例えば、変化させる対象の共振器群６１０の間の図３のギャップ長さＧのような距離、及び／又は共振器６１０の相対的な配向）、調整される対象の１つ以上の共振器の静的インピーダンス（例えば、選択される、および／または変化させる対象の抵抗層６１４のインピーダンス）、及び／又は形成される、変調される、または消滅させる対象の共振器６１０の導電性素子６１１と６１２との間の導電チャネル６１５のうちの少なくとも１つを調整する。特性を調整するために更に、または別の構成として、例示的な共振器６１０の任意の他の種類の特性を調整することができる。ブロック７１２を実行する例示的な方法７２０について、図７Ｂを参照して以下に説明する。
例示的なブロック７１０〜７１２を繰り返して、装置の熱放射率をほぼ継続して監視する、および／または変化させる（例えば、変化する外部環境状態に応じて）。材料が一定の熱放射率を有する幾つかの例では、ブロック７０８〜７１２は省略することができ、そして例示的な方法７００はブロック７０６の後に終了する。
図７Ｂは、１つ以上の共振器の材料特性を調整する例示的な方法７２０を表わすフローチャートである。図７Ｂの例示的な方法７２０を使用して、図７Ａの例示的なブロック７１２を実行して、図６Ａ及び６Ｂの例示的な共振器６１０のような共振器の材料６００の特性を調整することにより、共振器による放射熱の吸収率を変化させ、そして材料により生じる弱め合う干渉の度合いを変化させることができる。
例示的な方法７２０では、共振器（例えば、図６Ａ及び６Ｂの共振器６１０）の特性を、電気信号を抵抗層６１４に印加することにより調整する（ブロック７２２）。例えば、図６Ａ及び６Ｂの導電層６１６及び導体６１８、６２０を使用して、電界Ｅを抵抗層６１４に印加することにより、抵抗層６１４のインピーダンスを変化させることができる。その結果、ブロック７２２では、共振器による放射熱の吸収率を変化させ、そして材料により生じる弱め合う干渉の度合いを変化させることができる。
例示的な方法７２０では、１つ以上の共振器の幾何学的構造を調整する（ブロック７２４）。例えば、例示的な共振器６１０の寸法、及び／又は構成（例えば、図６Ａ及び６Ｂの導電性素子６１１、６１２）を調整して、共振器による放射熱の吸収率を変化させ、そして装置６００により生じる弱め合う干渉の度合いを変化させることができる。
例示的な方法７２０では、２つ以上の共振器（群）の配置を調整する（ブロック７２６）。例えば、図３の例示的な共振器１１０ａ、１１０ｂの相対的な配向、及び／又は幾何学的構造を調整して、共振器１１０ａ、１１０ｂによる放射熱の吸収率を変化させ、そして材料３００により生じる弱め合う干渉６３２の度合いを変化させることができる。
例示的な方法７２０では、抵抗層（例えば、抵抗層６１４）の静的インピーダンスを調整する（ブロック７２８）。例えば、抵抗層６１４の静的インピーダンスを変化させるために、抵抗層６１４を異なる物質に変更する、および／または抵抗層６１４の寸法を変化させることができる。その結果、方法７２０では、共振器６１０による放射熱の吸収率を変化させ、そして装置６００により生じる弱め合う干渉６３２の度合いを変化させる。
例示的な方法７２０では、共振器６１０の素子群（例えば、導電性素子６１１、６１２）の間の導電チャネルを調整する。例えば、導電チャネルを調整するために、導電チャネル６１５を形成する、変調させる、および／または消滅させることにより、導電性素子６１１と６１２との間のインピーダンスを変化させることができる。インピーダンスが結果的に変化すると、共振器６１０による放射熱の吸収率が変化し、そして装置６００により生じる弱め合う干渉６３２の度合いが変化する。
ブロック７２２〜７３０は図７Ｂの例示的な方法７２０に含まれるが、ブロック７２２〜７３０のうちの１つ以上のブロックは、本開示の教示に従って省略する、配置し直す、および／またはその他には、変更することができる。
本開示の種々の実施形態は、図９に示す航空機製造及び整備方法９００、及び図１０に示す航空機または宇宙船のようなビークル１０００に関連して説明することができる。製造前段階では、例示的な方法９００において、ビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）の仕様及び設計９０２、及び材料の調達９０４を行なうことができる。製造段階では、ビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）のコンポーネント及びサブアセンブリの製造９０６、及びシステムインテグレーション９０８が行なわれる。その後、ビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）は、認可及び納品９１０を経て、運航９１２されることになる。顧客が運航している間、ビークル１０００は、日常的な整備及び保守９１４を行うようにスケジューリングされる（この整備及び保守９１４は、改修、再構成、改装などを含むこともできる）。
航空機製造及び整備方法９００のプロセス群の各プロセスは、システムインテグレータ、サードパーティ、及び／又はオペレータ（例えば、顧客）によって行なうことができるか、または実行することができる。この説明を進めるために、システムインテグレータとして、これらには限定されないが、任意の数のビークル（例えば、航空機、宇宙船）製造業者、及び大手システムサブコントラクタを挙げることができ；サードパーティとして、これらには限定されないが、任意の数のベンダー、サブコントラクタ、及びサプライヤーを挙げることができ；そしてオペレータは、航空会社、リース会社、軍隊、整備機関などとすることができる。
図１０に示すように、例示的な方法９００により製造されるビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）は、複数のシステム１００４を搭載したフレーム１００２（例えば、機体）と、そして内装１００６と、を含むことができる。高位システム群１００４の例として、推進システム１００８、電気システム１０１０、油圧システム１０１２、及び環境システム１０１４のうちの１つ以上を挙げることができる。本明細書において開示される例示的な方法及び装置は、フレーム１００２、システム１００４〜１０１４、及び／又は内装１００６のいずれかに組み込まれて、例えばビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）の温度を制御することができる。任意の数の他のシステムを含めてもよい。航空宇宙用の例を示しているが、本発明の原理は、自動車産業のような他の産業に適用することができる。
本明細書において具体化される装置及び方法は、製造及び整備方法９００の種々の段階のうちの任意の１つ以上の段階において用いることができる。幾つかの例では、本明細書において具体化される装置及び方法では、調整可能な熱放射率を、コンポーネントまたはサブアセンブリ製造プロセス９０６において調整する。例えば、製造プロセス９０８に対応するコンポーネントまたはサブアセンブリ群は、ビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）を運航している間に製造されるコンポーネントまたはサブアセンブリ群と同様の方法で組み立てる、または製造することができる。更に、１つ以上の装置実施形態、方法実施形態、またはこれらの実施形態の組み合わせは、製造段階９０８及び９１０において、例えばビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）の組み立てを大幅に促進することにより、またはビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）のコストを大幅に低減することにより利用することができる。同様に、装置実施形態、方法実施形態、またはこれらの実施形態の組み合わせのうちの１つ以上の実施形態は、ビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）を運航している間に利用することができ、例えばこれに限定されないが、ビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）に、整備及び保守９１４が施されている間に利用することができる。本明細書において具体化される装置及び方法は、製造及び整備方法９００の種々の段階のうちの任意の１つ以上の段階において用いることができる。本明細書において具体化される幾つかの例示的な装置及び方法では、熱放射率は、ビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）をブロック９１２において運航している間に、および／またはビークル１０００（例えば、航空機、宇宙船）に整備または保守９１４が施されている間に調整する（例えば、電気信号を印加することにより）ことができる。
これまでの説明から、上に開示した装置及び方法を用いて表面の熱放射率を制御することができることが理解できるであろう。本明細書において開示される例示的な装置及び方法は、０．０５〜０．９５の範囲のような広範囲の熱放射率を実現することができる。更に、例示的な装置及び方法は、或る波長領域に亘って効果的である。例示的な装置及び方法を用いて、例えば構造物（例えば、航空機、宇宙船、建物、ビークル、設備など）に対する太陽熱負荷を低減する、熱放射率を調整することにより温度の振れを低減する、赤外線カメラの校正を迅速に行なう、構造物の温度を、構造物の温度の変化に応じて能動的に制御する、および／または特定の用途における所望の熱放射率を有する材料または構造物を提供することができる。本明細書において開示される例示的な装置及び方法では、少ない電力量を使用するだけで熱放射率を制御することができ、そして表面の熱放射率を、トランジスタの状態変化とほぼ同じ時間長さで変化させることができる。
特定の例示的な装置及び方法について本明細書において説明してきたが、本特許の保護範囲は、これらの装置及び方法に限定されない。限定されるのではなく、本特許は、本特許の請求項の範囲に適正に含まれる全ての装置及び方法を包含する。

Claims (15)

  1. 電気的反射グランドプレーン１０６に取り付けられる誘電体材料層１０８を含むインピーダンス層１０４と、
    前記インピーダンス層１０４内に配置される複数の共振器と
    を備える装置であって、前記装置の熱放射率が前記共振器群１１０の特性に応じて変化する装置。
  2. 前記共振器群１１０は、前記電気的反射グランドプレーン１０６に略平行になるように配置される、請求項１に記載の装置。
  3. 前記インピーダンス層１０４に、前記電気的反射グランドプレーン１０６とは反対側に位置するように取り付けられる反射防止コーティングを更に備える、請求項１又は請求項２に記載の装置。
  4. 前記複数の共振器１１０は、前記電気的反射グランドプレーン１０６から、長波長赤外線エネルギーに応じて変わる距離の位置に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記共振器群１１０のうちの少なくとも１つの共振器は、抵抗材料１１４を介して電気的に接続される複数の導電性素子を含み、そして前記抵抗材料は、アモルファス酸化物半導体を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記抵抗材料１１４は、調整可能な抵抗率を有し、そして更に、前記抵抗材料の抵抗率を制御する導電性材料を含む、請求項５に記載の装置。
  7. 前記導電性材料は、前記装置の熱放射率が変化するように前記抵抗率を変えることができる、請求項６に記載の装置。
  8. 前記反射防止コーティングは、着目波長の１／４に略等しい厚さを有する、請求項３に記載の装置。
  9. 前記反射防止コーティングは、前記共振器群から前記電気的反射グランドプレーンまでの距離に略等しい厚さを有する、請求項８に記載の装置。
  10. １つ以上の共振器の材料特性を調整して、前記１つ以上の共振器による放射熱の吸収率を変化させ、そして前記材料により生じる弱め合う干渉の度合いを変化させることを含む、方法。
  11. 前記材料からの赤外線波長領域の放射熱の放出量を制限することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記弱め合う干渉は、前記１つ以上の共振器により反射される放射熱とグランドプレーンにより反射される放射熱との間に発生する弱め合う干渉を含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
  13. 前記１つ以上の共振器は、グランドプレーンから、前記１つ以上の共振器により反射される第１放射熱と、前記グランドプレーンにより反射される第２放射熱とが干渉することで弱め合うような距離の位置に配置されることを更に含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記特性を調整することは、電気信号を前記材料からなる抵抗層に印加して、前記１つ以上の共振器に隣接する前記抵抗層のインピーダンスを変化させることを含む、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記１つ以上の共振器の特性を調整することは、１つ以上の共振器の幾何学的構造、２つ以上の共振器の配置、前記１つ以上の共振器の静的インピーダンス、または前記共振器群のうちの少なくとも１つの共振器の物理的離間素子群の間の導電チャネルのうちの少なくとも１つを調整することを含む、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
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