JP6190087B1 - 熱光変換素子 - Google Patents

Abstract

金属、またはセラミックス、あるいはこれらを組み合わせた複合体を基体（１）とし、該基体（１）に、凹部（３ａ）と凸部（３ｂ）とを有する複数の凹凸パターンを２μｍ以下のピッチで配置させているとともに、基体（１）はその表層部（１ａ）が多孔質である。基体（１）が複数のキャビティを有するものである。基体（１）が第１金属層（１Ａ）−誘電体層（１Ｂ）−第２金属層（１Ｃ）の３層構造体であり、該第２金属層（１Ｃ）が凸部（３ｂ）を成し、第２金属層（１Ｃ）間が凹部である。基体（１）の凹凸パターン（３）を有する面とは反対側の面に吸熱部材（７）が設けられている。

Description

本開示は、熱光変換素子に関する。

１８世紀に起こった産業革命以降、種々の産業が発達してきている。地球上では化石燃料の消費が増加している。このため排出された炭酸ガスが上空に止まり温室効果ガスとしてはたらく状況に陥っている。地上ではコンクリートでできたビルディングやアスファルト道路によって、その地上における冷却作用が低下してきている。そのためますます冷房の使用が増えている。また、コンクリートやアスファルトからの放射による赤外線は大気や雲に吸収されるため、地球圏外へエネルギーを放出することができない。こうして化石燃料の使用量の増加が温室効果ガスのさらなる増加を招くという悪循環を生じさせている（例えば、非特許文献１を参照）。現在のところ、地上およびそこに存在する物体の温度を下げるための決め手となる技術が見あたらないという状況になっている。

小川 雄希 ，「グローバルな地球温暖化防止対策」，経済政策研究，２００６年３月，第２号，ｐ．２２９〜２４７

本開示の熱光変換素子は、金属、またはセラミックス、あるいはこれらを組み合わせた複合体を基体とし、該基体に、凹部と凸部とを有する複数の凹凸パターンを２μｍ以下のピッチで配置させている。

（ａ）は、基体の表面に複数のキャビティを有する第１実施形態の熱光変換素子Ａを模式的に示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示した熱光変換素子Ａの放射特性を模式的に示すグラフである。 第２実施形態の熱光変換素子Ｂを模式的に示す斜視図であり、熱を光に変換する部分が金属層−誘電体層−金属層の３層の構造体を成す場合である。 （ａ）は、第３実施形態の熱光変換素子Ｃを模式的に示す斜視図であり、第１実施形態の熱光変換素子Ａを構成する基体の下側に吸熱部材を備えているものである。（ｂ）は、第４実施形態の熱光変換素子Ｄを模式的に示す斜視図であり、第２実施形態の熱光変換素子Ｂを構成する基体の下側に吸熱部材を備えているものである。 （ａ）は、図３（ａ）に示した第３実施形態の熱光変換素子Ｃを構成する基体と吸熱部材との間に金属膜を介装した状態を示すものである。（ｂ）は、図３（ｂ）に示した第４実施形態の熱光変換素子Ｄを構成する基体と吸熱部材との間に接着層を介装させた状態を示すものである。 （ａ）は、第５実施形態の熱光変換素子Ｅを模式的に示す斜視図であり、第１実施形態の熱光変換素子Ａの下側に外部接続用の端子を有する発熱部材を備えているものである。（ｂ）は、第６実施形態の熱光変換素子Ｆを模式的に示す斜視図であり、第２実施形態の熱光変換素子Ｂの下側に外部接続用の端子を有する発熱部材を備えているものである。 第５実施形態の熱光変換素子Ｅによって得られる放射特性のイメージ図である。 第５実施形態の熱光変換素子Ｅにおいてピッチの異なる凹凸パターンを有する基体を適用したときに得られる放射特性のイメージ図である。

図１（ａ）は、基体の表面に凹凸パターンによって形成された複数のキャビティを有する第１実施形態の熱光変換素子Ａを模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した熱光変換素子Ａの放射特性を模式的に示すグラフである。

第１実施形態の熱光変換素子Ａは、図１（ａ）に示すように、例えば、６面体を成す基体１の表層部１ａに凹部３ａと凸部３ｂとを有する凹凸パターン３を２μｍ以下のピッチＰで配置させた構成を成している。すなわち、この熱光変換素子Ａは、基体１の上面側に凹部３ａを所定間隔をおいて形成することにより凹凸パターン３が形成されている。また、この基体１は、少なくとも凹部３ａを構成する上面と４つの側面とで構成される表層部１ａが多孔質となっている。この場合、多孔質というのは気孔率が１％以上となっている部分のことを言う。ここで、基体１の表層部１ａとは、気孔率が１％以上となっている部分が基体１の表面からほぼ一定の厚みで形成されている領域のことを言う。以下、この部分を多孔質層という場合がある。なお、多孔質層以外の部分の気孔率は０．８％以下である。

熱光変換素子Ａによれば、基体１が熱を受けたときに、凹凸パターン３によって、その熱が図１（ｂ）に示すように特定の波長（例えば、波長１０μｍ）の光に変換され、上側へ指向性良く放出される。

この熱光変換素子Ａの効果について、図１（ｂ）を用いて説明する。図１（ｂ）において、横軸は波長、左側の縦軸は輻射エネルギーの変化量、右側の縦軸は放射率の変化を示している。図１（ｂ）の破線で表した放射スペクトル（符号Ｓ）は、放射の波長が限定されない一般的な物体のエネルギーの変化である。

熱光変換素子Ａは６面体を成す基体１の上面が上述のような凹凸の構造を成すものであることから、一般的な物体の放射スペクトル（符号Ｓ）から、黒体放射に基づくスペクトルの部分（ここでは符号Ｓ１）が減少した形状の放射スペクトル（符号Ｓ２）となる。これにより放射する光の波長が限定的となり、特定の波長の範囲に高い放射率（符号Ｅｍ）を示すようになる。

通常、地上およびそこに存在する物体に溜まった熱から発生する放射による赤外線は、大部分が上空の雲や水分によって吸収されるため地上近くに止まってしまう。これに対し、物体からの放射スペクトルが、図１（ｂ）に示すスペクトルＳ２のように雲や水分に吸収されない特定の波長の範囲に限定された形になると、地上や地上に存在している物体が持っている熱を地上高く放熱することができる。

この場合、基体１は、その表層部１ａが多孔質であることから、基体１自体が対流や伝熱による放熱が起こり難くなっている。これにより基体１が受けた熱の光への変換効率を高めることができる。

基体１の表層部１ａが多孔質となって放熱性が低くなるのは、多孔質層を形成している穴のサイズ（開気孔の最大径（直径））が１０ｎｍ以下と小さいためである。また、このような微細な穴のほとんど（９０％以上）がその最大径の２倍以上５倍以下の間隔で存在しているためである。そのため多孔質層を構成している穴から熱が逃げ難くなっている。多数の穴が基体１の表層部１ａにおいて断熱層の役割を担っていると考えられる。この場合、多孔質層の厚みとしては、表層部１ａにおいて断熱層としての機能を高められるという理由から５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であるのが良い 。

なお、図１（ａ）では、基体１自体の表層部１ａを多孔質にした状態を示しているが、これに限らず、基体１の表層部１ａに、他の部材によって形成された多孔質の膜を貼り付けた構造でも良い。

また、基体１の断熱性を高められるという理由から基体１は露出した全面が多孔質となっているのが良いが、これに限らず、例えば、凹部３ａが形成されている基体１の上面側に部分的に設けられている構造でも良い。

また、熱光変換素子Ａでは、凹凸パターン３のピッチＰ、ならびに凹部３ａの深さｄの少なくとも１つを変更することによって、輻射エネルギーが最大値を示す波長を変化させることができる。

なお、凹凸パターン３における凹凸パターン３のピッチを２μｍ以下としたのは、放出する光の波長にもよるが、ピッチがこれ以上大きい場合には、熱から光への変換効率が低下するためである。

ここで、熱光変換素子Ａを構成する基体１としては、タングステン、モリブデン、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化イッテルビウムおよび酸化エルビウムの群から選ばれる少なくとも１種の材料が好適なものとなる。なお、基体１の表層部１ａに多孔質層を貼り付ける場合も同様の材料によって形成された膜状のものを用いるのが良い。多孔質層に有機樹脂を含ませても良い。

図２は、第２実施形態の熱光変換素子Ｂを模式的に示す斜視図であり、熱を光に変換する部分が第１金属層−誘電体層−第２金属層の３層の構造体を成す場合である。この第２実施形態の熱光変換素子Ｂは、基体１が、第１金属層１Ａ、誘電体層１Ｂおよび第２金属層１Ｃの３層構造体によって形成されたものである。第２実施形態の熱光変換素子Ｂは、平板状の誘電体層１Ｂの上面に凸部３ｂを成す第２金属層１Ｃが複数配置された構造を成している。この場合、第２金属層１Ｃ間が凹部３ａとなり、誘電体層１Ｂと第２金属層１Ｃとの間で凹凸パターン３が形成されている。言い換えると、凸部３ｂは第２金属層１Ｃによって形成され、凹部３ａの底面は誘電体層１Ｂによって形成されている。

第２実施形態の熱光変換素子Ｂでは、第１金属層１Ａが下側から熱を受けたときに、誘電体層１Ｂに光閉じ込め効果がはたらき、熱を光に変換することができる。この場合も基体１の表層部１ａは多孔質となっているのが良い。つまり、熱光変換素子Ｂにおいても、基体１の断熱性を高められるという理由から、第１金属層１Ａ、誘電体層１Ｂおよび第２金属層１Ｃの露出した全面が多孔質層となっているのが良い。こうして熱光変換素子Ｂの場合も図１（ｂ）に示すような熱光変換特性を示すものとなる。

図３（ａ）は、第３実施形態の熱光変換素子Ｃを模式的に示す斜視図であり、第１実施形態の熱光変換素子Ａを構成する基体の下側に吸熱部材を備えているものである。（ｂ）は、第４実施形態の熱光変換素子Ｄを模式的に示す斜視図であり、第２実施形態の熱光変換素子Ｂを構成する基体の下側に吸熱部材を備えているものである。

熱光変換素子Ｃ、Ｄは、それぞれ熱光変換素子Ａ、Ｂとなる基体１の下側に吸熱部材７を備えた構成である。このような構成にすると、基体１を設置する場所（以下、発熱部という場合がある。）の表面に面接触できないような場合に、吸熱部材７を発熱部の表面に面接触させることができるようになる。これにより基体１を発熱部上に安定に設置することができる。こうして発熱部の表面の形状が複雑である場合にも高い熱光変換効率を示す熱光変換素子Ｃ、Ｄを得ることができる。

この場合、吸熱部材７の材料としては、熱伝導率が高いという理由から、金属材料やセラミックスが好適なものとなる。これらの中で加工性が良く、発熱部の表面の形状に容易に合わせることができかつ大面積化にも対応できるという点で金属材料が良い。金属材料としては、銅、ニッケルおよび鉄のいずれかを主成分とするもの、あるいはトタンまたはステンレスなどの合金、もしくはこれらを組み合わせたものが良い。

図４（ａ）は、図３（ａ）に示した第３実施形態の熱光変換素子Ｃを構成する基体と吸熱部材との間に金属膜を介装した状態を示すものであり、図４（ｂ）は、図３（ｂ）に示した第４実施形態の熱光変換素子Ｄを構成する基体と吸熱部材との間に接着層を介装させた状態を示すものである。

第３実施形態の熱光変換素子Ｃおよび第４実施形態の熱光変換素子Ｄについては、図４（ａ）（ｂ）に示すように、基体１と吸熱部材７とを接着層９を介して貼り付けた構造にするのが良い。この場合、接着層９はそれ自体が接着力を有するものが良い。このように基体１と吸熱部材７との間に接着層９を介装させた構造にすると、基体１および吸熱部材７がともに弾性率の高い材料によって形成されている場合にも、これら基体１と吸熱部材７との間の密着性を高めることが可能になる。この場合、接着層９の材料としては、接着層９の熱伝導率を高められるという理由から金属、金属酸化物およびこれらの複合材料のうちのいずれかが良い。これらを接着層９として適用する場合には、それらの材料の融点を調整することによって接着層９としての機能を発揮させる。以上、図１〜図４に示した熱光変換素子Ａ〜Ｄは、あらゆる物体から発生する熱を特定の波長の光に変換して放射する機能を有するものとなる。

図５（ａ）は、第５実施形態の熱光変換素子Ｅを模式的に示す斜視図であり、第１実施形態の熱光変換素子Ａの下側に外部接続用の端子を有する発熱部材を備えているものである。（ｂ）は、第６実施形態の熱光変換素子Ｆを模式的に示す斜視図であり、第２実施形態の熱光変換素子Ｂの下側に外部接続用の端子を有する発熱部材を備えているものである。図６は、第５実施形態の熱光変換素子Ｅによって得られる放射特性のイメージ図である。

図３（ａ）（ｂ）に示した第３実施形態の熱光変換素子Ｃおよび第４実施形態の熱光変換素子Ｄは、熱光変換機能を有する基体１の下側に熱を受動的に吸収する部材を配したものであった。図５（ａ）（ｂ）に示す第５実施形態の熱光変換素子Ｅおよび第６実施形態の熱光変換素子Ｆは、発熱体１１ａが外部端子１１ｂを有し、自ら発熱するものである（ここでは、発熱部材１１とする）。この発熱部材１１は、外部端子１１ｂから供給されるエネルギー（例えば、電力）によって発熱体１１ａの温度が上昇する機能を有している。例えば、熱光変換機能を有する基体１の下側に発熱部材１１を配置すると、発熱部材１１から発せられる熱を基体１によって特定の波長を有する光として出力させることができる。そして、このような熱光変換素子Ｅ、Ｆにおいては、発熱部材１１の出力の変化や基体１の凹凸パターン３のピッチＰ等を変化させることによって、輻射エネルギーが最大値を示す波長（図６におけるグラフＡ、Ｂ、Ｃ）を変化させることができる。

例えば、原子同士が結合した分子は、その結合間距離によって共振する波長（振動数）が異なってくる。生のセラミック成形体を例に取ると、生のセラミック成形体中には、セラミック粉末の他に、複数の分子鎖長の異なる有機分子が含まれていることが少なくない。

このような生のセラミック成形体を脱脂する場合、通常の加熱方式の脱脂工程においては、複数の有機分子が同時に揮発するため、生のセラミック成形体にクラックが生じやすい。

このような場合に、脱脂工程に、第５実施形態の熱光変換素子Ｅまたは第６実施形態の熱光変換素子Ｆを用いると、輻射エネルギーが最大値を示す波長を変化させることができることから、生のセラミック成形体において、セラミック粉末や他の有機分子の加熱を抑えた状態で特定の有機分子だけを順番に揮発させることが可能になる。こうして、脱脂中に生のセラミック成形体にクラックが発生するのを抑制することができる。

また、これらの熱光変換素子Ｅ、Ｆによれば、生のセラミック成形体からの有機成分の揮発速度を制御することができる。これによりクラックの発生をより抑えることのできる脱脂装置を作製することができる。この場合、熱光変換素子Ｅ、Ｆを構成している基体１の表層部１ａが多孔質であることにより、空気への伝熱（対流）を抑制することができる。これにより脱脂装置の熱光変換効率を高くすることができる。

図７は、第５実施形態の熱光変換素子Ｅにおいてピッチの異なる凹凸パターンを有する基体を適用したときに得られる放射特性のイメージ図である。例えば、基体１として、ピッチＰの異なる凹凸パターン３を有するものを適用すると、図７に示すように、出力される輻射エネルギーが複数のピークＰを持つようになり、複数の有機分子を同時に振動させて揮発させることもできる。

以下、熱光変換素子を表１に示す構成となるように作製し、放射特性を評価した。この場合、発熱部材としては、抵抗体として内部にタングステンの導体配線を有するアルミナセラミックヒータを適用した。アルミナセラミックヒータの外形寸法は縦×横×厚みが１０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍとした。基体１については、縦×横×厚みが１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．１ｍｍとなるように作製した。凹凸パターン３を有する基体１は、タングステン板を用いて、マスクを用いてレーザーアブレーション法により加工して作製した。凹凸パターン３は、ピッチが１．５μｍ、凹部１ａの幅が１．２μｍ、凹部の深さが１μｍ、凸部の幅が０．３μｍとなるようにした。基体１の表面には ドライエッチングによって平均の直径が１０ｎｍ（深さも約１０ｎｍ）の穴５ａを形成して多孔質となるようにした。

また、基体１について、ピッチが１．５μｍ、凹部１ａの幅が１．２μｍ、凹部の深さが１μｍ、凸部の幅が０．３μｍとなる凹凸パターンと、ピッチが１μｍ、凹部１ａの幅が０．８μｍ、凹部の深さが１μｍ、凸部の幅が０．３μｍの凹凸パターン３とが交互に混在するようにした基体１を作製し、同様に評価した（凹凸パターン混在の試料）。

第１金属層１Ａ−誘電体層１Ｂ−第２金属層１Ｃを有する基体１は、第１金属層１Ａおよび第２金属層１Ｃにタングステンを用い、誘電体層にはＳｉＯ_２を用いて、スパッタ法により作製した。第２金属層１Ｃのピッチは２μｍとし、第２金属層１Ｃの凸部３ｂの幅は１μｍとなるように作製した。接着層９にはアルミナ粉末を含む接着剤（アロンセラミック：東亜合成製）を用いた。

放射特性を測定する際の発熱部材１１の温度としては、６００℃および９００℃に達するように設定した。放射特性の測定には赤外分光計を用いた。

こうして作製した試料について赤外線放射比率を求めたところ、試料Ｎｏ．１〜７の試料は、いずれも上面が平坦な基体よりも３５％以上高く、いずれも８０％以上であった。ここで、赤外線放射比率は、入力エネルギーに対する赤外線放射エネルギーの比率として表される値である（単位はワット（Ｗ））。入力エネルギーはヒータに流れた電流より計算から求まる値である。この場合、赤外線放射エネルギー以外のエネルギーは、対流および伝熱によって熱損失となって系外で放出される。赤外線放射エネルギーは赤外分光計を用いて測定した。

表１ の結果から明らかなように、図５ａまたは図５ｂの構造に基づき作製した試料（Ｎｏ．１〜７）は、いずれも放射特性を示すものであった。この中で、基体１と発熱部材１１との間に接着層９を形成した試料（試料Ｎｏ．４、５および７）においても、接着層９を設けなかった試料（試料Ｎｏ．１〜３および６）と同様の輻射エネルギーの半値幅が得られた。

これらの結果から、作製した基体１は発熱する物体からの熱を特定の波長の光に変換して照射する機能を示すものであることが認められた。このことから地上のビルディングやアスファルト道路に敷き詰めることによって放熱作用を示すものになると考えられる。

なお、試料Ｎｏ．１の構造について、基体１の表層部１ａが多孔質でなく緻密質の試料を作製したが、この場合、試料Ｎｏ．１に比較して、基体１からの放熱量が大きくなり、放熱量に対する輻射エネルギーの比が３５％ほど小さかった。

Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ・・・熱光変換素子
１・・・・・・・・・・・・・基体
１ａ・・・・・・・・・・・・表層部
１Ａ・・・・・・・・・・・・第１金属層
１Ｂ・・・・・・・・・・・・誘電体層
１Ｃ・・・・・・・・・・・・第２金属層
３・・・・・・・・・・・・・凹凸パターン
３ａ・・・・・・・・・・・・凹部
３ｂ・・・・・・・・・・・・凸部
７・・・・・・・・・・・・・吸熱部材
９・・・・・・・・・・・・・接着層
１１・・・・・・・・・・・・発熱部材
１１ａ・・・・・・・・・・・発熱体
１１ｂ・・・・・・・・・・・外部端子

Claims (7)

1. 金属、またはセラミックス、あるいはこれらを組み合わせた複合体を基体とし、該基体に、凹部と凸部とを有する複数の凹凸パターンを２μｍ以下のピッチで配置させているとともに、前記基体はその表層部が多孔質であることを特徴とする熱光変換素子。
2. 前記基体が複数のキャビティを有することを特徴とする請求項１に記載の熱光変換素子。
3. 前記基体が、第１金属層−誘電体層−第２金属層の３層構造体であり、該第２金属層が前記凸部を成し、前記第２金属層間が前記凹部であることを特徴とする請求項１に記載の熱光変換素子。
4. 前記基体の前記凹凸パターンを有する面とは反対の面に吸熱部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の熱光変換素子。
5. 前記基体と前記吸熱部材とが接着層を介して接着されていることを特徴とする請求項４に記載の熱光変換素子。
6. 前記基体の前記凹凸パターンを有する面とは反対の面に発熱部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の熱光変換素子。
7. 前記基体は、ピッチの異なる複数の凹凸パターンを有していることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の熱光変換素子。