JP2019152402A - 熱整流器 - Google Patents

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豊志夫 渡
Toshio Watari
豊志夫 渡
吉本　博
Hiroshi Yoshimoto
博 吉本
晃太 伊藤
Kota Ito
晃太 伊藤
和孝 西川
Kazutaka Nishikawa
和孝 西川
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Abstract

【課題】優れた熱整流性能を有する熱整流器を提供する。【解決手段】第１の構造体Ａと第２の構造体Ｂを含み、両者の間の熱の移動を制御可能な熱整流器であって、第１の構造体は、第１の基材１１と、その上に表面層１２と、を含み、第２の構造体は、第２の基材４、第１の導体層１、誘電体層３、周期構造を有する第２の導体層２とがこの順に積層され、第１の構造体及び第２の構造体は、表面層と第２の導体層とがそれぞれ互いに対向するように配置され、表面層並びに第１の導体層及び第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料から構成されるか、或いは、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料から構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、主に、熱の移動を制御可能な熱整流器に関する。
例えば、電子部品を含む電子機器は、電子部品の性能や寿命の観点から、温度を適正な範囲に保つことが望まれている。そこで、熱マネジメントにより各種産業機器の効率化に貢献できれば、ＣＯ２排出削減等の環境対応をはじめとする非常に大きいインパクトを与えることができる。熱伝達の三モード（伝導、対流、輻射）のうち熱輻射は、高い制御性を有する。そこで、電子機器の温度を制御するために、機器内の熱輻射（熱放射）を利用することにより制御可能な熱制御装置が開発されている。
例えば、特許文献１は、ある方向に熱を伝えやすく、その逆方向には熱を伝えにくい熱ダイオードに関する技術を開示しており、−２００℃以上１０００℃以下の中のある温度領域において熱伝導率が増加するセラミックス材料である第一の材料と、前記温度領域において前記熱伝導率が減少する第二の材料と、が接合されて形成された熱ダイオードを開示している。特許文献１の技術は、熱伝導における熱整流を対象としている。
また、非特許文献１は、シリコン基板の上に相転移材料としての酸化バナジウムを形成した熱整流器を開示している。また、非特許文献２では、基材と、基材の上にＡｕと、Ａｕの上にＫＢｒと、ＫＢｒの上に相転移材料としての酸化バナジウムとが形成された多層構造を有する熱整流器が開示されている。
国際公開第２０１５／０３０２３９号
Kota Ito, Kazutaka Nishikawa, Hideo Iizuka, Hiroshi Toshiyoshi, "Experimental investigation of radiative thermal rectifier using vanadium dioxide", Applied Physics Letters 105, No. 25, 253503 (2014) Alok Ghanekar, Gang Xiao, Yi Zheng, "High Contrast Far-Field Radiative Thermal Diode", Scientific Reports 7, 6339 (2017)
上述の特許文献に示されるように、相転移材料を利用して、すなわち相転移材料の高温相と低温相における性質の違いを利用して、熱を制御すべき対象物の熱を制御可能な熱制御装置が開示されている。
しかしながら、特許文献１や非特許文献１、非特許文献２の発明では、まだ熱整流性能、具体的には熱整流比（順方向熱流／逆方向熱流）について改善の余地があった。
そこで、本開示の目的は、優れた熱整流性能を有する熱整流器を提供することである。
本実施形態の一態様は、以下の通りに表すことができる。
（１） 第１の構造体と第２の構造体とを含み、前記第１の構造体と前記第２の構造体との間の熱の移動を制御可能な熱整流器であって、
前記第１の構造体は、第１の基材と、該第１の基材の上に表面層と、を含み、
前記第２の構造体は、第２の基材と、該第２の基材の上に第１の導体層と、該第１の導体層の上に誘電体層と、該誘電体層の上に周期構造を有する第２の導体層と、を含み、
前記第１の構造体及び前記第２の構造体は、前記表面層と前記第２の導体層とがそれぞれ互いに対向するように配置され、
前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料から構成されるか、或いは前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料から構成される、熱整流器。
（２） 前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料から構成される、（１）に記載の熱整流器。
（３） 前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、酸化バナジウムから構成される、（２）に記載の熱整流器。
（４） 前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料から構成される、（１）に記載の熱整流器。
（５） 前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物から構成される、（４）に記載の熱整流器。
（６） 熱を制御する対象物と、（１）〜（５）のいずれか１つに記載の熱整流器と、を含む熱制御システム。
（７） （１）〜（５）のいずれか１つに記載の熱整流器を対象物に設けることにより、対象物における熱移動を制御する方法。
（８） 第１の構造体と第２の構造体とを含み、前記第１の構造体と前記第２の構造体との間の熱の移動を制御可能な熱整流器であって、
前記第１の構造体は、第１の基材と、該第１の基材の上に表面層と、を含み、
前記第２の構造体は、第２の基材と、該第２の基材の上に金属層と、該金属層の上に誘電体層と、該誘電体層の上に相転移材料層と、を含み、
前記第１の構造体及び前記第２の構造体は、前記表面層と前記相転移材料層とがそれぞれ互いに対向するように配置され、
前記表面層及び前記相転移材料層は、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料から構成されるか、或いは高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料から構成される、熱整流器。
（９） 前記表面層及び前記相転移材料層が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料から構成される、（８）に記載の熱整流器。
（１０） 前記表面層及び前記相転移材料層が、それぞれ、酸化バナジウムから構成される、（９）に記載の熱整流器。
（１１） 前記表面層及び前記相転移材料層が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料から構成される、（８）に記載の熱整流器。
（１２） 前記表面層及び前記相転移材料層が、それぞれ、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物から構成される、（１１）に記載の熱整流器。
（１３） 熱を制御する対象物と、（８）〜（１２）のいずれか１つに記載の熱整流器と、を含む熱制御システム。
（１４） （８）〜（１２）のいずれか１つに記載の熱整流器を対象物に設けることにより、対象物における熱移動を制御する方法。
本開示によれば、優れた熱整流性能を有する熱整流器を提供することができる。
本実施形態に係る熱整流器の構成例を説明するための模式的概略図である。 本実施形態に係る熱整流器の第１の構造体Ａについて、熱放射特性を説明するための模式的概略図である。 本実施形態に係る熱整流器の第１の構造体Ａについて、熱放射特性を説明するための模式的概略図である。 本実施形態の熱放射構造体１０の構成を説明するための模式的断面図である。 図３の熱放射構造体の模式的斜視図である。 図３の熱放射構造体（１セル）の寸法例を説明するための模式的斜視図である。 本実施形態の熱放射構造体２０の構成を説明するための模式的断面図である。 図６の熱放射構造体の模式的斜視図である。 図６の熱放射構造体（１セル）の寸法例を説明するための模式的斜視図である。 （Ａ）は、熱放射構造体１００の構成を説明するための模式的断面図であり、（Ｂ）は、熱放射構造体１１０の構成を説明するための模式的断面図である。 熱放射構造体１００の熱放射特性について、シミュレーションにより評価した結果を示す図である。 熱放射構造体１２０の構成を説明するための模式的断面図である。 熱放射構造体１３０の構成を説明するための模式的断面図である。 （Ａ）は、熱放射構造体２００の構成を説明するための模式的断面図であり、（Ｂ）は、熱放射構造体２１０の構成を説明するための模式的断面図である。 （Ａ）は、第１の構造体Ａが低温下に配置され、第２の構造体Ｂが高温下に配置された場合の熱移動について説明するイメージ図であり、（Ｂ）は、第１の構造体Ａが高温下に配置され、第２の構造体Ｂが低温下に配置された場合の熱移動について説明するイメージ図である。 （Ａ）は、第１の構造体Ａが低温下に配置され、第２の構造体Ｂが高温下に配置された場合の熱移動について説明するイメージ図であり、（Ｂ）は、第１の構造体Ａが高温下に配置され、第２の構造体Ｂが低温下に配置された場合の熱移動について説明するイメージ図である。 実施例においてシミュレーションで設定した第１の構造体Ａの概略図である。 実施例においてシミュレーションで設定した第２の構造体Ｂの概略図である。 （Ａ）は、低温（３００Ｋ）における第１の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果であり、（Ｂ）は、高温（４７３Ｋ）における第２の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。 （Ａ）は、高温（４７３Ｋ）における第１の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果であり、（Ｂ）は、低温（３００Ｋ）における第２の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。 得られた放射率スペクトルから順方向及び逆方向の熱流束スペクトルを算出した結果を示す図である。 （Ａ）は、低温（３００Ｋ）における第１の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果であり、（Ｂ）は、高温（３４５Ｋ）における第２の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。 （Ａ）は、高温（３４５Ｋ）における第１の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果であり、（Ｂ）は、低温（３００Ｋ）における第２の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。 得られた放射率スペクトルから順方向及び逆方向の熱流束スペクトルを算出した結果を示す図である。 Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共鳴を利用した熱放射構造体１０００の構成例を説明するための模式的断面図である。 Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共鳴を利用した熱放射構造体１０００の構成例を説明するための模式的断面図である。 熱放射構造体１０００の熱放射特性について、シミュレーションにより評価した結果を示す図である。
本実施形態は、上述の通り、第１の構造体と第２の構造体とを含み、前記第１の構造体と前記第２の構造体との間の熱の移動を制御可能な熱整流器であって、前記第１の構造体は、第１の基材と、該第１の基材の上に表面層と、を含み、前記第２の構造体は、第２の基材と、該第２の基材の上に第１の導体層と、該第１の導体層の上に誘電体層と、該誘電体層の上に周期構造を有する第２の導体層と、を含み、前記第１の構造体及び前記第２の構造体は、前記表面層と前記第２の導体層とがそれぞれ互いに対向するように配置され、前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料から構成されるか、或いは前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料から構成される、熱整流器である。
本実施形態によれば、優れた熱整流性能を有する熱整流器を提供することができる。
以下、実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る熱整流器の構成を説明するための模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る熱整流器は、第１の構造体Ａと第２の構造体Ｂとを含む。第１の構造体Ａは、第１の基材１１と、該第１の基材１１の上に表面層１２と、を含む。第２の構造体Ｂは、第２の基材４と、第２の基材４の上に第１の導体層１と、第１の導体層１の上に誘電体層３と、誘電体層３の上に周期構造を有する第２の導体層２と、を含む。第１の構造体Ａと第２の構造体Ｂは、それぞれ、第１の構造体Ａの表面層１２と、第２の構造体Ｂの第２の導体層２とが互いに対向するように配置されている。また、第１の構造体Ａと第２の構造体Ｂは、表面層１２と第２の導体層２との間に空間が設けられるように配置されている。すなわち、表面層１２と第２の導体層４とは、接触せずに空間を介して離間して配置されている。表面層１２と第２の導体層２との間の距離は、特に制限されるものではないが、例えば、１００μｍ〜１０ｃｍである。
第１の構造体Ａの第１の基材１１は、表面層１２の支持体として機能するものである。第１の基材１１は、熱移動を制御する対象物を構成する部材であってもよい。また、第１の基材１１は、熱移動を制御する対象物上に形成されてもよい。第１の基材１１は、絶縁性を有することが好ましいが、特に制限されるものではない。第１の基材１１としては、例えば、シリコンや樹脂等が挙げられる。第２の構造体Ｂの第２の基材４についても、第１の構造体Ａの第１の基材１１と同様の内容が適用される。本実施形態に係る熱整流器は、第１の構造体Ａの第１の基材１１と第２の構造体Ｂの第２の基材４との間の熱移動を制御するものとも認識することができる。
第１の構造体Ａにおいて、表面層１２は、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料（例えば酸化バナジウム）から構成されるか、又は高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料（例えばペロブスカイト型Ｍｎ酸化物）から構成される。また、第１の構造体Ａの表面層１２が高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料（例えば酸化バナジウム）から構成される場合、第２の構造体Ｂにおける第１の導体層１及び第２の導体層２のうち少なくとも一方は、同じように、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料（例えば酸化バナジウム）から構成される。また、第１の構造体Ａの表面層１２が高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料（例えばペロブスカイト型Ｍｎ酸化物）から構成される場合、第２の構造体Ｂにおける第１の導体層１及び第２の導体層２のうち少なくとも一方は、同じように、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料（例えばペロブスカイト型Ｍｎ酸化物）から構成される。なお、第１の構造体Ａの表面層１２の材料と、第２の構造体Ｂの第１の導体層１及び第２の導体層２との材料は、上記要件を満たせば、それぞれ独立していてもよい。
高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料としては、例えば、酸化バナジウムが挙げられる。酸化バナジウムとしては、例えば、二酸化バナジウムや該二酸化バナジウムにおけるバナジウムの一部が他の金属（例えばタングステン等の遷移金属）に置換された酸化物等が挙げられる。なお、二酸化バナジウムは、一般的に、６７℃（３４０Ｋ）付近に相転移温度を有する。バナジウムの一部を遷移金属等の他の金属により置換することにより、相転移温度を変化させることができる。また、酸化バナジウムの他にも、例えば、酸化チタン（Ｔｉ２Ｏ３）や酸化タングステン（ＷＯ３）等が挙げられる。高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きい性質は、具体的には、高温相では金属的性質（金属相）を有し、低温相では絶縁体的性質（絶縁体層又は誘電体相）を有することを意味し得る。
また、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料としては、例えば、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物等が挙げられる。ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物としては、例えば、Ａ１−ＸＢＸＭｎＯ３で表されるＭｎを含むペロブスカイト酸化物（Ａは、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ及びＳｍから選ばれる少なくとも１つの希土類金属を表し、Ｂは、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選ばれる少なくとも１つのアルカリ土類金属を表す）が挙げられる。ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物は、一般的に、−２３℃（２５０Ｋ）付近に相転移温度を有する。また、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の他には、Ｃｒを含むコランダムバナジウム酸化物が挙げられ、具体的には（Ｖ１−ＸＣｒＸ）２Ｏ３で表されるコランダムバナジウム酸化物が挙げられる。高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さい性質は、具体的には、高温相では絶縁体的性質を有し、低温相では金属的性質を有することを意味し得る。
本明細書において、相転移材料とは、温度に応じて相変化を起こし、輻射率及び導電率が変化する材料のことを意味する。相転移材料は相変化材料と表現し得る。相転移材料において、高温相での抵抗値と低温相での抵抗値とが３桁以上異なることが好ましい。相転移温度よりも５０℃高い温度での抵抗値と相転移温度よりも５０℃低い温度での抵抗値とが３桁以上異なることが好ましく、相転移温度よりも３０℃高い温度での抵抗値と相転移温度よりも３０℃低い温度での抵抗値とが３桁以上異なることが好ましい。相転移温度Ｔｃは、例えば、Ｔｃでの抵抗値の対数がＴｃ±５０℃での抵抗値の対数の平均と等しくなるような温度と定義できる。相転移が温度ヒステリシスを取る場合は、昇温時のＴｃと降温時のＴｃの平均として定義すればよい。
（第１の構造体）
上述の通り、第１の構造体Ａは、第１の基材１１の上に表面層を有し、表面層１２は、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料（例えば酸化バナジウム）から構成されるか、又は高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料（例えばペロブスカイト型Ｍｎ酸化物）から構成される。
図２Ａは、表面層１２が、酸化バナジウムから構成される場合における低温及び高温での熱放射特性の変化を示す図である。酸化バナジウムの相転移温度は、約６７℃（３４０Ｋ）である。なお、相転移温度は添加物等によって変動し得る。図２Ａ（Ａ）に示すように、第１の構造体Ａが低温（例えば５０℃）に置かれた場合、表面層１２の熱放射率は、酸化バナジウムの特性のため大きくなる。熱放射率が大きくなるということは、キルヒホッフの法則より、熱吸収率が大きくなることを意味する。そのため、表面層１２が低温下に置かれて熱放射率が大きくなると、熱が伝わり易くなる。一方、図２Ａ（Ｂ）に示すように、第１の構造体Ａが高温（例えば９０℃）に置かれた場合、表面層１２の熱放射率は、酸化バナジウムの特性のため小さくなり、熱吸収率が小さくなる。そのため、表面層１２が高温下に置かれて熱放射率が小さくなると、熱が伝わり難くなる。
図２Ｂは、表面層１２が、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物から構成される場合における低温及び高温での熱放射特性の変化を示す図である。ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の相転移温度は、約−２３℃である。なお、相転移温度は添加物等によって変動し得る。図２Ｂ（Ａ）に示すように、第１の構造体Ａが低温（例えば−４０℃）に置かれた場合、表面層１２の熱放射率は、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の特性のため小さくなる。熱放射率が小さくなるということは、キルヒホッフの法則より、熱吸収率が小さくなることを意味する。そのため、表面層１２が低温下に置かれて熱放射率が小さくなると、熱が伝わり易くなる。一方、図２Ｂ（Ｂ）に示すように、第１の構造体Ａが高温（例えば０℃）に置かれた場合、表面層１２の熱放射率は、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の特性のため大きくなり、熱吸収率が大きくなる。そのため、表面層１２が高温下に置かれて熱放射率が大きくなると、熱が伝わり易くなる。
（第２の構造体：形態１）
図３に、図１に示した第２の構造体Ｂのうち第２の基材４を省略した熱放射構造体１０を示す。第２の構造体Ｂにおいて、第１の導体層と、誘電体層と、周期構造を有する第２の導体層とからなる構造部分が熱を放射する構造体として実質的に機能する。図４は、図３の熱放射構造体の模式的斜視図である。図５は、図３の熱放射構造体（１セル）の寸法例を説明するための模式的斜視図である。図３は、図４の熱放射構造体１０を点線ＡＡ'により矢印の方向に向かって切断した際の断面図に相当する。本実施形態において、左右方向、前後方向及び上下方向は、図４又は５に示した通りとする。熱放射構造体１０は、第１の導体層１と、該第１の導体層１の上に形成された誘電体層３と、該誘電体層３の上に形成された周期構造を有する第２の導体層２と、を含む。また、第１の導体層１及び第２の導体層２のうち少なくとも一方が上述の相転移材料から構成される。この熱放射構造体１０は、温度に応じてメタマテリアルエミッターとして機能し、図３における上方向に熱を放射することができる。すなわち、熱放射構造体１０の熱放射率は温度によって変化する。そのため、熱放射構造体１０は、例えば、対象物における熱を制御するための熱整流器として用いることができる。
第１の導体層１は、導体（電気伝導体）から構成される。本開示において、導体は、相転移材料を含む概念であり、相転移材料は、高温相又は低温相の一方で高い導電性を有するため、導体として把握することができる。相転移材料ではない導体材料（非相転移材料）としては、金属が挙げられ、金属の具体例としては、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられる。
第２の導体層２は、第１の導体層１と同様に、導体から構成される。なお、第１の導体層の材料と第２の導体層の材料は、それぞれ独立して選択することができる。第２の導体層２は、複数の個別導体層を有する。
本実施形態の熱放射構造体は、第１の導体層１及び第２の導体層２の両方が、相転移材料から構成される形態と、第１の導体層１が相転移材料から構成されかつ第２の導体層２が非相転移材料から構成される形態と、第１の導体層１が非相転移材料から構成されかつ第２の導体層２が相転移材料から構成される形態と、を含むことが想定される。
誘電体層３は、第１の導体層１と第２の導体層２との間に挟まれている。誘電体層３の材料としては、例えば、アモルファスシリコン、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、ポリシリコン、ポリゲルマン、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、ダイヤモンド、又は臭化カリウム（ＫＢｒ）等が挙げられる。
第２の導体層２と誘電体層３との間には、接着層が形成されていてもよい。また、誘電体層３と第１の導体層１との間に接着層が形成されていてもよい。接着層は、各層を直接接合する場合と比べて接着力を高めることができる。接着層の材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、又はルテニウム（Ｒｕ）等が挙げられる。
第２の導体層２は、周期構造を有する。具体的には、第２の導体層２は複数の個別導体層を備え、この個別導体層が放射面に沿った方向に互いに離間して形成されることで、周期構造を構成することができる。なお、図３〜５においては、直方形型の個別導体層が開示されているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、個別導体層は、例えば線状型、十字型又は円盤型等の様々な形状を採用することができ、所望の放射波長に応じて個別導体層の形状を調整することができる。
本実施形態において、複数の個別導体層は、左右方向（第１方向）に間隔Ｄ１ずつ離れて互いに等間隔に配設されている（図３参照）。また、複数の個別導体層は、左右方向に直交する前後方向（第２方向）に間隔Ｄ２（不図示）ずつ離れて互いに等間隔に配設されている。個別導体層は、このように格子状に配列されている。複数の個別導体層の各々は、厚さｔ２（上下高さ）が横幅Ｗ（左右方向の幅）及び縦幅Ｌ（前後方向の幅）よりも小さい直方体形状をしている。第２の導体層２の周期構造の周期は、横方向の周期Λ１＝Ｄ１＋Ｗ（Ｐｗ）、縦方向の周期Λ２＝Ｄ２＋Ｌ（ＰＬ）である。
第１の導体層１の膜厚（ｔ1）、第２の導体層２の膜厚（ｔ２）、誘電体層３の膜厚（ｔ３）は、特に制限されるものではなく、それぞれ適宜選択することができる。第１の導体層１の膜厚（ｔ1）は、例えば、３０〜３００ｎｍである。第２の導体層２の膜厚（ｔ２）は、例えば、３０〜３００ｎｍである。誘電体層３の膜厚（ｔ３）は、例えば、５０〜５００ｎｍである。
熱放射構造体１０は、所望の波長で赤外線を放射面から放射する特性を有するように、上述した材料、形状、及び周期構造等を調整することができる。個別導体層の各々の形状に関して、横幅Ｗは、例えば、５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。縦幅Ｌは、例えば、５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。厚さｔ２は、例えば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、第２の導体層２の周期構造に関して、左右方向の間隔Ｄ１は、例えば、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。前後方向の間隔Ｄ２は、例えば、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。なお、横幅Ｗと縦幅Ｌとは、同じ値としてもよいし異なる値としてもよい。間隔Ｄ１及び間隔Ｄ２や、周期Λ１及び周期Λ２についても同様である。
図３〜５においては、誘電体層３が第１の導体層１と同様に平板状に形成されている形態が示されているが、誘電体層３の形状は、この形態に特に制限されるものではなく、例えば、第２の導体層２に追従して周期構造を有してもよい。誘電体層３が第２の導体層２に追従して周期構造を有する熱放射構造体２０について、その構成例を図６〜８に示す。図６は、熱放射構造体２０の構成を説明するための模式的断面図であり、図７は、図６の熱放射構造体の模式的斜視図であり、図８は、図６の熱放射構造体（１セル）の寸法例を説明するための模式的斜視図である。
以下、さらに具体的な熱放射構造体について図面を参照しつつ説明する。
［熱放射構造体１］
図９は、第１の導体層が相転移材料ではない導体材料（非相転移材料：金属）から構成され、かつ第２の導体層が相転移材料（高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料として、二酸化バナジウム）から構成される熱放射構造体を示す模式的断面図である。
第１の導体層１０１は、金属（例えばＡｌ）から構成される平板状の部材である。
誘電体層１０３は、第１の導体層１０１の上に形成され、誘電体材料（例えばアモルファスシリコン）から構成される平板状の部材である。誘電体層１０３は、第１の導体層１０１と第２の導体層１０２との間に挟まれている。なお、図９（Ａ）では、平板状である誘電体層１０３が示されているが、図９（Ｂ）に示す熱放射構造体１１０のように、誘電体層が第２の導体層１０２の周期構造に追従する周期構造を有していてもよい。
第２の導体層１０２（個別導体層）は、上述の通り、二酸化バナジウムから構成される。二酸化バナジウムは、約３４０Ｋ付近で抵抗値が３桁以上変化する相転移材料であり、高温相では金属的性質を有し、低温相では絶縁体的性質を有し、かつ、高温相での熱放射率が小さく、低温相での熱放射率が大きい相転移材料である。二酸化バナジウムの場合には、例えば、バナジウムをタングステンで一部置換すると（Ｖ１−ｘＷｘＯ２）その相転移温度を下げることかできる。
本実施形態における熱放射構造体は、使用する相転移材料の熱放出特性と逆の特性を有する。以下に、そのメカニズムについて説明する。
まず、熱放射構造体１００の温度が高温である場合、すなわち、熱放射構造体１００の温度が二酸化バナジウムの相転移温度超（例えば３４５Ｋ）である場合について説明する。上述のように、熱放射構造体１００は、周期構造を有する第２の導体層１０２（相転移材料：二酸化バナジウム）と、第１の導体層１０１（非相転移材料：例えばＡｌ）と、第２の導体層１０２及び第１の導体層１０１に挟まれた誘電体層１０３（例えばアモルファスシリコン）とを有している。熱放射構造体１００の温度が高温である場合、二酸化バナジウムから構成される第２の導体層１０２は導電性を有し、熱放射構造体１００は、誘電体層が二つの導体層に挟まれた構造を有する。これにより、熱放射構造体１００は、主に赤外線として熱を放射可能な特性を有するメタマテリアルエミッターとして機能する。この特性は、マグネティックポラリトン（Magnetic polariton）で説明される共鳴現象によるものと考えられている。なお、マグネティックポラリトンとは、上下２枚の導体（第２の導体層１０２及び第１の導体層１０１）間の誘電体（誘電体層１０３）内において強い電磁場の閉じ込め効果が得られる共鳴現象のことである。これにより、高温の熱放射構造体１００では、誘電体層１０３のうち第１の導体層１０１と第２の導体層１０２の個別導体層とに挟まれる部分、そして導体層のうち誘電体層に接する部分が赤外線の放射源となる。そして、その放射源から放たれる赤外線は周囲環境に平面波として放射される。また、この熱放射構造体１００では、第２の導体層１０２、誘電体層１０３若しくは第１の導体層１０１の材料、又は第２の導体層１０２の形状若しくは周期構造を調整することで、共鳴波長を調整することができる。これにより、熱放射構造体１００の放射面の放射率は、特定の波長において高くなる特性を示す。
次に、熱放射構造体１００の温度が低温である場合、すなわち、熱放射構造体１００の温度が二酸化バナジウムの相転移温度未満（例えば３３５Ｋ以下）である場合について説明する。熱放射構造体１００の温度が低温である場合、二酸化バナジウムから構成される第２の導体層１０２は絶縁体的性質となり、その低温相の導電率は高温相の導電率よりも著しく小さくなる。そのため、熱放射構造体１００は上述のようなメタマテリアルエミッターとして機能せず、共鳴現象は起こらない。その結果、低温時の熱放射構造体１００の熱放射率は、高温時の熱放射構造体１００の熱放射率よりも小さくなる。なお、低温時の熱放射構造体１００の熱放射率は、第１の導体層（金属層）の存在により基板側からの熱輻射を反射し、第２の導体層側への透過を抑制することができるため、低温相の二酸化バナジウムの熱放射率に比べて低くなる。
以上の理由により、本実施形態における熱放射構造体が、使用する相転移材料の熱放出特性と逆の特性を有することになる。
図１０に、熱放射構造体１００の放射特性について、シミュレーションにより評価した結果を示す。シミュレーションは、電磁界シミュレーター（ソフトウェア名：ＣＳＴ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＳＴＵＤＩＯ ２０１６）を用いて行った。また、解析した熱放射構造体１００の構成について、第１の導体層１０１としてアルミニウム（Ａｌ）を用い、第２の導体層１０２として二酸化バナジウム（ＶＯ２）を用い、誘電体層１０３としてアモルファスシリコンを用いた。また、基板はＳｉ基板とした。解析した熱放射構造体１００の構成の寸法を表１に示す。なお、縦幅Ｌ（前後方向の幅）及び縦方向のピッチＰＬ（前後方向のピッチ）は、それぞれ横幅Ｗ（左右方向の幅）及び横方向のピッチＰＷ（左右方向のピッチ）と同じ寸法に設定した。また、解析した熱放射構造体１００を構成する各材料の誘電率として、表２に示す定義式を参照した。
図１０（Ａ）は、高温時（３４５Ｋ）における熱放射構造体１００の放射特性について測定した結果を示し、図１０（Ｂ）は、低温時（３３５Ｋ）における熱放射構造体１００の放射特性について測定した結果を示す。図１０に示されるように、熱放射構造体１００の放射特性は、高温時において高い熱放射率を有し、低温時において低い熱放射率を有する。この特性は、第２の導体層１０２として用いる相転移材料である二酸化バナジウムの放射特性（高温相にて低い熱放射率を有し、低温相にて高い熱放射率を有する放射特性）とは異なる。この結果は、熱放射構造体１００の構成により使用する相転移材料の熱放出特性を反転することができることを示している。
なお、このような熱放射構造体１００は、例えば以下のように形成することができる。
まず、基材１１の表面にスパッタリングにより第１の導体層１０１を形成する。また、支持基板と第１の導体層１０１の間に接着層を設けてもよい。次に、第１の導体層１０１の表面にＡＬＤ法（atomic layer deposition：原子層堆積法）により誘電体層１０３を形成する。続いて、誘電体層１０３の表面に所定のレジストパターンを形成してからスパッタリング法により第２の導体層１０２を形成する。そして、レジストパターンを除去することにより、第２の導体層１０２（複数の個別導体層）を形成する。
［熱放射構造体２］
次に、図１１を参照して、第１の導体層が相転移材料（高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料）から構成され、かつ第２の導体層が非相転移材料から構成される熱放射構造体１２０について説明する。すなわち、図１１において、第１の導体層１１は相転移材料（例えば二酸化バナジウム）から構成され、第２の導体層１２２は非相転移材料から構成される。図９及び１０での説明と同様の理由により、熱放射構造体１２０についても、同様の効果（すなわち、熱放射構造体の構成により使用する相転移材料の熱放出特性を反転することができる効果）が得られることが理解される。また、本実施形態の熱放射構造体では、相転移材料が埋め込まれているため、長期使用においてもより安定した特性が得られることが期待される。
［熱放射構造体３］
次に、図１２を参照して、第１の導体層１３１及び第２の導体層１３２の両方が相転移材料（高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料）から構成される熱放射構造体１３０について説明する。すなわち、図１２において、第１の導体層１３１及び第２の導体層１３２の両方が相転移材料（例えば二酸化バナジウム）から構成される。また、本実施形態の熱放射構造体は、使用する材料の種類が少ないため、より容易に製造することができる。図９及び１０での説明と同様の理由により、熱放射構造体１３０についても、同様の効果（すなわち、熱放射構造体の構成により使用する相転移材料の熱放出特性を反転することができる効果）が得られることが理解される。
熱放射構造体１〜３では、相転移材料として、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料を用いているが、熱放射構造体としては、そのような特性とは逆の特性、すなわち、高温での熱放射率が低温での熱放射率よりも大きいという熱放射特性を有する。高温での熱放射率が大きく、低温での熱放射率が小さいということは、高温で熱が伝わり易く、低温で熱が伝わり難いことを意味する。また、熱放射構造体により、使用する相転移材料の熱放出特性を反転させることができるため、相転移材料として選択できる材料の種類が広がる。
［熱放射構造体４］
次に、図１３を参照して、第１の導体層２０１が相転移材料ではない導体材料（非相転移材料：金属）から構成され、かつ第２の導体層２０２が相転移材料（高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料として、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物）から構成される熱放射構造体２００について説明する。なお、図１３（Ａ）では、平板状である誘電体層が示されているが、図１３（Ｂ）に示す熱放射構造体２１０のように、誘電体層２０３が第２の導体層２０２の周期構造に追従する周期構造を有していてもよい。
まず、熱放射構造体２００の温度が低温である場合、すなわち、熱放射構造体の温度がペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の相転移温度未満（例えば２００Ｋ）である場合について説明する。上述のように、熱放射構造体２００は、周期構造を有する第２の導体層２０２（相転移材料：ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物）と、第１の導体層２０１（例えばＡｌ）と、第２の導体層２０２及び第１の導体層２０１に挟まれた誘電体層２０３（例えばアモルファスシリコン）とを有している。熱放射構造体２００の温度が低温である場合、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物から構成される第２の導体層２０２は導電性を有し、熱放射構造体２００は、誘電体層が二つの導体層に挟まれた構造を有する。これにより、熱放射構造体２００は、主に赤外線として熱を放射可能な特性を有するメタマテリアルエミッターとして機能する。これにより、低温の熱放射構造体２００では、誘電体層２０３のうち第１の導体層２０１と個別導体層とに挟まれる部分が赤外線の放射源となる。そして、その放射源から放たれる赤外線は周囲環境に平面波として放射される。
次に、熱放射構造体の温度が高温である場合、すなわち、熱放射構造体の温度がペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の相転移温度以上（例えば３００Ｋ）である場合について説明する。熱放射構造体２００の温度が高温である場合、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物から構成される第２の導体層２０２は絶縁体的性質となり、その高温相の導電率は低温相の導電率よりも著しく小さくなる。そのため、熱放射構造体２００は上述のようなメタマテリアルエミッターとして機能せず、共鳴現象は起こらない。その結果、高温時の熱放射構造体２００の熱放射率は、低温時の熱放射構造体２００の熱放射率よりも小さくなる。
以上の理由により、熱放射構造体２００の放射特性は、高温時において低い熱放射率を有し、低温時において高い熱放射率を有する。この特性は、第２の導体層２０２として用いる相転移材料であるペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の放射特性（高温相にて高い熱放射率を有し、低温相にて低い熱放射率を有する放射特性）とは異なる。そのため、熱放射構造体２００の構成により、使用する相転移材料の熱放出特性を反転することができる。
［熱放射構造体５］
熱放射構造体５は、第１の導体層が相転移材料（高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料）から構成され、かつ第２の導体層が非相転移材料から構成される熱放射構造体（不図示）である。熱放射構造体４と同様の理由により、当該熱放射構造体についても、同様の効果（すなわち、熱放射構造体の構成により使用する相転移材料の熱放出特性を反転することができる効果）が得られることが理解される。
［熱放射構造体６］
熱放射構造体６は、第１の導体層及び第２の導体層の両方が相転移材料（高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料）から構成される熱放射構造体（不図示）である。熱放射構造体４と同様の理由により、当該熱放射構造体についても、同様の効果（すなわち、熱放射構造体の構成により使用する相転移材料の熱放出特性を反転することができる効果）が得られることが理解される。
熱放射構造体４〜６では、相転移材料として、高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料を用いているが、熱放射構造体としては、そのような特性とは逆の特性、すなわち、高温での熱放射率が低温での熱放射率よりも小さい熱放射特性を有する。高温での熱放射率が小さく、低温での熱放射率が大きいということは、高温で熱が伝わり難く、低温で熱が伝わり易いことを意味する。熱放射構造体により、使用する相転移材料の熱放出特性を反転させることができるため、相転移材料として選択できる材料の種類が広がる。
（第２の構造体：形態２）
本実施形態において、上述の（第２の構造体：形態１）にて説明した熱放射構造体に加えて、図２３に示すようなＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共鳴を利用した熱放射構造体も用いることができる。図２３は、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共鳴を利用した熱放射構造体１０００の模式的断面図である。図２３において、熱放射構造体１０００は、第２の基材（不図示）の上に金属層１００１と、金属層１００１の上に誘電体層１００２と、誘電体層１００２の上に相転移材料層１００３とを有し、相転移材料層１００３は、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料（例えば二酸化バナジウム）であるか、或いは高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料（例えばペロブスカイト型Ｍｎ酸化物）である。金属層１００１、誘電体層１００２、相転移材料層１００３は、それぞれベタ膜から構成することができる。熱放射構造体１０００において、相転移材料層１００３が金属相の場合、金属相である相転移材料層１００３と金属層１００１の間で反射が起こり、ブロードな共鳴が生じる。その結果、熱輻射率が大きくなる。一方、相転移材料層１００３が絶縁体相（又は誘電体相）の場合は、共鳴は鋭く熱輻射率は小さい。
より具体的に、相転移材料層１００３が二酸化バナジウム（高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料）である場合について説明する。二酸化バナジウムを相転移材料層１００３として有する熱放射構造体１０００が高温（例えば９０℃）に置かれると、該相転移材料層は金属相となる。そのため、高温下の該熱放射構造体１０００では、金属相の状態である相転移材料層１００３と金属層１００１の間で反射が起こり、ブロードな共鳴が生じる。その結果、熱輻射率が大きくなる。また、該熱放射構造体１０００が低温（例えば５０℃）に置かれると、該相転移材料層は絶縁体相（又は誘電体相）となる。そのため、低温下の熱放射構造体１０００では、絶縁体相の状態である相転移材料層１００３と金属層１００１の間に共鳴は鋭く熱輻射率は小さい。その結果、熱輻射率は小さくなる。以上の理由により、熱放射構造体１０００は、使用する相転移材料（二酸化バナジウム）の熱放出特性と逆の特性を有することになる。
また、具体的に、相転移材料層１００３がペロブスカイト型Ｍｎ酸化物（高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料）である場合について説明する。ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物を相転移材料層１００３として有する熱放射構造体１０００が高温（例えば０℃）に置かれると、該相転移材料層は絶縁体相（又は誘電体層）となる。そのため、高温下の該熱放射構造体１０００では、絶縁体相の状態である相転移材料層１００３と金属層１００１の間に、ブロードな共鳴は生じない。その結果、熱輻射率が小さくなる。また、該熱放射構造体１０００が低温（例えば−４０℃）に置かれると、該相転移材料層は金属相となる。そのため、低温下の熱放射構造体１０００では、金属相の状態である相転移材料層１００３と金属層１００１の間で反射が起こり、共鳴は鋭く熱輻射率は小さい。その結果、熱輻射率が大きくなる。以上の理由により、熱放射構造体１０００は、使用する相転移材料（ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物）の熱放出特性と逆の特性を有することになる。
上述の通り、この熱放射構造体１０００は、温度に応じた多層膜エミッタ―、図２３における上方向に熱を放射することができる。すなわち、熱放射構造体１０００の熱放射率は温度によって変化する。そのため、熱放射構造体１０００は、例えば、対象物における熱を制御するための熱整流器として用いることができる。
金属層１００１としては、特に制限されるものではないが、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられる。
誘電体層１００２は、金属層１００１と相転移材料層１００３との間に挟まれている。誘電体層１００２の材料としては、特に制限されるものではないが、例えば、アモルファスシリコン、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、ポリシリコン、ポリゲルマン、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、ダイヤモンド、又は臭化カリウム（ＫＢｒ）等が挙げられる。
各層の間には、接着層が形成されていてもよい。接着層は、各層を直接接合する場合と比べて接着力を高めることができる。接着層の材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、又はルテニウム（Ｒｕ）等が挙げられる。
金属層１００１の膜厚、誘電体層１００２の膜厚、相転移材料層１００３の膜厚は、特に制限されるものではなく、それぞれ適宜選択することができる。金属層１００１の膜厚は、例えば、３０〜３００ｎｍである。誘電体層１００２の膜厚は、例えば、５０〜１０００ｎｍである。相転移材料層３の膜厚は、例えば、３０〜３００ｎｍである。
図２４に示すように、相転移材料層１００３の上に、さらに第２の誘電体層を設けてもよい。第２の誘電体層の膜厚としては、例えば、５０〜１０００ｎｍである。具体的に図２４の構成で相転移材料層１００３が酸化バナジウムである場合について説明する。酸化バナジウムを相転移材料層１００３として有する熱放射構造体が高温下におかれると、該相転移材料層は金属層となる。そのため、高温下の該熱放射構造体１０００では、第２の誘電体層１００４の空気との界面と金属層の状態である相転移材料層１００３との間で反射が起こり、共鳴が生じる。このときの共鳴波長λＡは第２の誘電体層の膜厚に依存する。一方、該熱放射構造体が低温に置かれると該相転移材料層は絶縁体相（又は誘電体相）となる。そのため、低温下の熱放射構造体では、第２の誘電体層１００４の空気との界面と金属層１００１との間で反射が起こり、共鳴が生じる。このときの共鳴波長λＢは第２の誘電体相１００４の膜厚と相転移材料層１００３の膜厚と誘電体層１００２の膜厚に依存する。該熱放射構造体を高温においた場合の共鳴波長λＡは該熱放射構造体を低温においた場合の波長λＢより短いため、共鳴波長λＡを熱放射スペクトルのピーク波長付近になるように第２の誘電体層１００４の膜厚を決めると、高温下に置いた場合に熱輻射率が大きい熱輻射構造体を構成できる。該熱放射構造体を低温に置いた場合は共鳴波長λＢが放射スペクトルのピーク波長付近より十分大きくなるように誘電体層１００２の膜厚を決めると、低温に置いた場合に熱輻射率が小さい熱輻射構造体を構成できる。以上の理由により、熱放射構造体は使用する相転移材料（二酸化バナジウム）の熱放射特性と逆の特性を有することになる。ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物を用いた場合も同様の原理で逆の特性を得ることができる。
図２５に、図２３に示す熱放射構造体１０００（相転移材料層として二酸化バナジウムを使用）の放射特性について、シミュレーションにより評価した結果を示す。シミュレーションは、電磁界シミュレーター（ソフトウェア名：ＣＳＴ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＳＴＵＤＩＯ ２０１６）を用いて行った。図２５に示されるように、熱放射構造体１０００の放射特性は、高温時において高い熱放射率を有し、低温時において低い熱放射率を有する。この特性は、相転移材料層１００３として用いる二酸化バナジウムの放射特性（高温相にて低い熱放射率を有し、低温相にて高い熱放射率を有する放射特性）とは異なる。したがって、この結果は、熱放射構造体１０００の構成により使用する相転移材料の熱放出特性を反転することができることを示している。
（熱整流器）
以上、第１の構造体Ａ、及び熱放射構造体としての第２の構造体Ｂについて説明した。以下では、第１の構造体と第２の構造体とを、第１の構造体の表面層と第２の構造体の第２の導体層とがそれぞれ互いに対向するように配置された場合に、整流比（順方向熱流／逆方向熱流）が高い熱整流器として機能する理由について説明する。なお、以下の説明では、第２の構造体として上述の形態１を用いた場合を例に挙げて説明するが、本実施形態において、第２の構造体として上述の形態２を用いてもよいことは当然に理解される。
図１４Ａは、第１の構造体の表面層及び第２の構造体の第２の導体層に、例として酸化バナジウムを適用した熱整流器における熱移動を示すイメージ図である。図１４Ａ（Ａ）は、第１の構造体Ａが低温下に配置され、第２の構造体Ｂが高温下に配置された場合の熱移動について説明するイメージ図であり、図１４Ａ（Ｂ）は、第１の構造体Ａが高温下に配置され、第２の構造体Ｂが低温下に配置された場合の熱移動について説明するイメージ図である。ここで、低温とは、その低温下に配置された表面層１２又は第２の導体層２を構成する相転移材料の相転移温度よりも低い温度を意味し、高温とは、その高温下に配置された表面層１２又は第２の導体層２を構成する相転移材料の相転移温度よりも高い温度を意味する。例えば、表面層１２及び第２の導体層２に酸化バナジウム（相転移温度：約７０℃）を用いる場合、低温の具体的な温度は例えば５０℃であり、高温の具体的な温度は例えば９０℃である。図１４Ａ（Ａ）において、第１の構造体Ａが低温である場合、上述したように、第１の構造体Ａの熱放射率が大きくなり、すなわち、第１の構造体Ａに熱が伝わり易くなる。一方、第２の構造体Ｂが高温である場合、上述したように、第２の構造体Ｂの熱放射率が大きくなり、すなわち第２の構造体Ｂから熱を伝え易くなる。それゆえ、図１４Ａ（Ａ）の状態において、高温側の第２の構造体Ｂから低温側の第１の構造体Ａへ熱が移動し易くなる。次に、図１４Ａ（Ｂ）において、第１の構造体Ａが高温である場合、上述したように、第１の構造体Ａの熱放射率が小さくなり、すなわち第１の構造体Ａから熱を伝え難くなる。一方、第２の構造体Ｂが低温である場合、上述したように、第２の構造体Ｂの熱放射率が小さくなり、すなわち第２の構造体Ｂに熱が伝わり難くなる。それゆえ、図１４Ａ（Ｂ）の状態において、高温側の第１の構造体Ａから低温側の第２の構造体Ｂへ熱が移動し難くなる。以上より、第２の構造体Ｂからの第１の構造体Ａへの熱移動方向を順方向とし、第１の構造体Ａからの第２の構造体Ｂへの熱移動方向を逆方向とした場合、熱の整流比（順方向熱流／逆方向熱流）は高くなる。
図１４Ｂは、第１の構造体の表面層及び第２の構造体の第２の導体層に、例としてペロブスカイト型Ｍｎ酸化物を適用した熱整流器における熱移動を示すイメージ図である。図１４Ｂ（Ａ）は、第１の構造体Ａが低温下に配置され、第２の構造体Ｂが高温下に配置された場合の熱移動について説明するイメージ図であり、図１４Ｂ（Ｂ）は、第１の構造体Ａが高温下に配置され、第２の構造体Ｂが低温下に配置された場合の熱移動について説明するイメージ図である。例えば、表面層１２及び第２の導体層２にペロブスカイト型Ｍｎ酸化物（相転移温度：約−２３℃）を用いる場合、低温の具体的な温度は例えば−４０℃であり、高温の具体的な温度は例えば０℃である。図１４Ｂ（Ａ）において、第１の構造体Ａが低温である場合、上述したように、第１の構造体Ａの熱放射率が小さく、すなわち、第１の構造体Ａに熱が伝わり難くなる。一方、第２の構造体Ｂが高温である場合、上述したように、第２の構造体Ｂの熱放射率が小さくなり、すなわち第２の構造体Ｂから熱を伝え難くなる。それゆえ、図１４Ｂ（Ａ）の状態において、高温側の第２の構造体Ｂから低温側の第１の構造体Ａへ熱が移動し難くなる。次に、図１４Ｂ（Ｂ）において、第１の構造体Ａが高温である場合、上述したように、第１の構造体Ａの熱放射率が大きくなり、すなわち第１の構造体Ａから熱を伝え易くなる。一方、第２の構造体Ｂが低温である場合、上述したように、第２の構造体Ｂの熱放射率が大きくなり、すなわち第２の構造体Ｂに熱が伝わり易くなる。それゆえ、図１４Ｂ（Ｂ）の状態において、高温側の第１の構造体Ａから低温側の第２の構造体Ｂへ熱が移動し易くなる。以上より、第１の構造体Ａからの第２の構造体Ｂへの熱移動方向を順方向とし、第２の構造体Ｂからの第１の構造体Ａへの熱移動方向を逆方向とした場合、熱の整流比（順方向熱流／逆方向熱流）は高くなる。
本実施形態に係る熱整流器は、対象物の熱の移動を制御することができる。熱移動を制御する対象物としては、特に制限されるものではなく、例えば、電池、電子機器又は自動車等が挙げられる。例えば、電子機器内の高温になる部品（例えばＣＰＵや電池）に図１４Ａに示される第２の構造体Ｂを設け、それに対向する位置に図１４Ａに示される第１の構造体Ａを設けることにより、熱移動を制御することができる。この場合、第１の構造体Ａは、放熱部材に接続してもよい。
第１の構造体Ａ及び第２の構造体Ｂをそれぞれフィン状に加工し、相対する面積を大きくしてもよい。
本実施形態は、熱を制御する対象物と、本実施形態に係る熱整流器と、を含む熱制御システムとしても把握することができる。また、本実施形態は、本実施形態に係る熱整流器を対象物に設けることにより、対象物における熱移動を制御する方法としても把握することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
以下に、本実施形態を実施例に基づいて説明する。なお、本実施形態は以下の実施例によって限定されるものではない。
（実施例１：シミュレーションを用いた検証１）
図１４Ａに示す熱整流器の熱制御性を検証するため、電磁界シミュレーター（ソフトウェア名：ＣＳＴ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＳＴＵＤＩＯ ２０１６）を用いて解析を行った。なお、第２の構造体Ｂにおける熱放射構造体としては、図９に示す熱放射構造体１００、すなわち、第１の導体層が相転移材料ではない導体材料（非相転移材料：金属）から構成され、かつ第２の導体層が相転移材料（高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料として、二酸化バナジウム）から構成される熱放射構造体を用いた。
まず、解析した熱整流器の構成について以下に説明する。
図１５は、シミュレーションで設定した第１の構造体Ａの概略図である。第１の構造体Ａにおける第１の基材１１としてシリコン（Ｓｉ）を用い、表面層１２として二酸化バナジウム（ＶＯ２）を用いた。第１の基材１１の厚さｔａは３００μｍに設定し、表面層１２の厚さｔｂは、０．２μｍに設定した。
図１６は、シミュレーションで設定した第２の構造体Ｂの概略図である。なお、該第２の構造体Ｂにおいて、第２の基材は省略されている。これは、第１の導体層１０１としてタングステンを用いており、該タングステンは光学的に十分厚いことで、第１の導体層１０１の上下は電磁界的に分離されるため、第２の基材を設定しなくても結果に影響がないためである。第２の構造体Ｂにおける第１の導体層１０１としてタングステン（Ｗ）を用い、第２の導体層１０２として二酸化バナジウム（ＶＯ２）を用い、誘電体層１０３としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。熱放射構造体１００の構成の寸法について、ＰＷを２．８μｍ、Ｗを２．０μｍ、ｔ１を０．１μｍ、ｔ２を０．２μｍ、ｔ３を０．３μｍに設定した。なお、縦幅Ｌ（前後方向の幅）及び縦方向のピッチＰＬ（前後方向のピッチ）は、それぞれ横幅Ｗ（左右方向の幅）及び横方向のピッチＰＷ（左右方向のピッチ）と同じ寸法に設定した。
解析した第１の構造体Ａ及び第２の構造体Ｂに用いたシリコン及び二酸化バナジウムの誘電率として、表３に示す定義式を参照した。タングステンの誘電率として、「RefractiveIndex.INFO - Refractive index database」(https://refractiveindex.info/)の「W(Tungsten)」、「Ordal et al. 1988: n,k 0.667-200μm」を参照した。アルミナの誘電率として、分光エリプソメトリー（J.A. Woollam社製赤外域自動多入射角分光エリプソメーターIR-VASE）で測定した屈折率を用いた。
図１７及び図１８にシミュレーション結果を示す。図１７（Ａ）は、低温（３００Ｋ）における第１の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。図１７（Ｂ）は、高温（４７３Ｋ）における第２の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。また、図１８（Ａ）は、高温（４７３Ｋ）における第１の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。図１８（Ｂ）は、低温（３００Ｋ）における第２の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。
また、図１９に、図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示した放射率スペクトルを非特許文献１に記載の方法により合成し、順方向（参照：図１４Ａ（Ａ））の熱流束スペクトルを算出した結果を示す。また、図１９に、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示した放射率スペクトルを非特許文献１に記載の方法により合成し、逆方向（参照：図１４Ａ（Ｂ））の熱流束スペクトルを算出した結果を示す。また、図１９には、黒体（４７３Ｋ）から黒体（３００Ｋ）への熱流束スペクトルも併せて示す。なお、熱流束スペクトルは以下の方法により算出した。
（順方向の熱流束スペクトルの算出）
図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示した波長λ、入射角θ毎の放射スペクトルを
により座標変換し、図１７(Ａ)に対応した関数
及び図１７(Ｂ)に対応した関数
を作成する。ここでjはs偏光（図１７（Ａ）および（Ｂ）のθ＜0の領域）またはp偏光（図１７（Ａ）および（Ｂ）のθ≧0の領域）を示す。第１の構造体Ａと第２の構造体Ｂの間の各ω、β、jにおける熱交換率を表現する関数
を、非特許文献１に記載の式
のβ積分に関する項
を用いて積分を行うことで第１の構造体Ａと第２の構造体Ｂの間の熱流束スペクトル
を算出した。ここで
は熱整流効果を得る場合の高温側の温度(473K)、
は熱整流効果を得る場合の低温側の温度(300K)である。
なお、逆方向の熱流束スペクトルも、上述の方法と同様にして図１８（Ａ）及び（Ｂ）より算出することができる。
図１９より、整流比（順方向熱流／逆方向熱流）は約１６と算出され、高い整流比が確認された。なお、整流比は以下の方法により算出した。
順方向の熱流束スペクトルを
を用いてωに関する積分を行うことで第１の構造体Ａと第２の構造体Ｂの間の順方向熱流
を算出した。また、逆方向の熱流束スペクトルを
を用いてωに関する積分を行うことで第１の構造体Ａと第２の構造体Ｂの間の逆方向熱流
φbを算出した。そして、整流比を順方向熱流／逆方向熱流により算出した。
（実施例２：シミュレーションを用いた検証１）
誘電体層１０３としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の代わりにアモルファスシリコンを用い、ＰＷを１．２μｍ、Ｗを０．８５μｍに設定したこと以外は、実施例１と同様にしてシミュレーションを行った。アモルファスシリコンの誘電率としては、表２に示す定義式を参照した。
図２０及び図２１にシミュレーション結果を示す。図２０（Ａ）は、低温（３００Ｋ）における第１の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。図２０（Ｂ）は、高温（３４５Ｋ）における第２の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。また、図２１（Ａ）は、高温（３４５Ｋ）における第１の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。図２１（Ｂ）は、低温（３００Ｋ）における第２の構造体の入射角毎の放射率スペクトルのシミュレーション結果である。
また、図２２に、図２０（Ａ）及び（Ｂ）に示した放射率スペクトルを非特許文献１に記載の方法により合成し、順方向（参照：図１４Ａ（Ａ））の熱流束スペクトルを算出した結果を示す。また、図２２に、図２１（Ａ）及び（Ｂ）に示した放射率スペクトルを非特許文献１に記載の方法により合成し、逆方向（参照：図１４Ａ（Ｂ））の熱流束スペクトルを算出した結果を示す。また、図２２には、黒体（３４５Ｋ）から黒体（３００Ｋ）への熱流束スペクトルも併せて示す。
図２２より、整流比（順方向熱流／逆方向熱流）は約１１と算出され、高い整流比が確認された。
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
Ａ 第１の構造体
１１ 第１の基材
１２ 表面層
Ｂ 第２の構造体
１ 第１の導体層
２ 第２の導体層
３ 誘電体層
４ 第２の基材
１０ 熱放射構造体
１０１ 第１の導体層
１０２ 第２の導体層
１０３ 誘電体層
１１０ 熱放射構造体
１２０ 熱放射構造体
１２１ 第１の導体層
１２２ 第２の導体層
１３０ 熱放射構造体
１３１ 第１の導体層
１３２ 第２の導体層
２００ 熱放射構造体
２０１ 第１の導体層
２０２ 第２の導体層
２０３ 誘電体層
１０００ 熱放射構造体
１００１ 金属層
１００２ 誘電体層
１００３ 相転移材料層
１００４ 第２の誘電体層

Claims (2)

  1. 第１の構造体と第２の構造体とを含み、前記第１の構造体と前記第２の構造体との間の熱の移動を制御可能な熱整流器であって、
    前記第１の構造体は、第１の基材と、該第１の基材の上に表面層と、を含み、
    前記第２の構造体は、第２の基材と、該第２の基材の上に第１の導体層と、該第１の導体層の上に誘電体層と、該誘電体層の上に周期構造を有する第２の導体層と、を含み、
    前記第１の構造体及び前記第２の構造体は、前記表面層と前記第２の導体層とがそれぞれ互いに対向するように配置され、
    前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい相転移材料から構成されるか、或いは前記表面層並びに前記第１の導体層及び前記第２の導体層のうち少なくとも一方が、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい相転移材料から構成される、熱整流器。
  2. 第１の構造体と第２の構造体とを含み、前記第１の構造体と前記第２の構造体との間の熱の移動を制御可能な熱整流器であって、
    前記第１の構造体は、第１の基材と、該第１の基材の上に表面層と、を含み、
    前記第２の構造体は、第２の基材と、該第２の基材の上に金属層と、該金属層の上に誘電体層と、該誘電体層の上に相転移材料層と、を含み、
    前記第１の構造体及び前記第２の構造体は、前記表面層と前記相転移材料層とがそれぞれ互いに対向するように配置され、
    前記表面層及び前記相転移材料層は、それぞれ、高温相での導電率が低温相での導電率よりも大きくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも小さい材料から構成されるか、或いは高温相での導電率が低温相での導電率よりも小さくかつ高温相での熱放射率が低温相での熱放射率よりも大きい材料から構成される、熱整流器。
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