JP6985161B2 - 熱放射構造体 - Google Patents

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Description

本開示は、主に、熱を放射可能な熱放射構造体に関する。
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排出削減など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では、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質で対象物の温度を制御することを特徴とする熱制御装置が開示されている。当該熱制御装置は人工衛星や宇宙船等の対象物上に設けられる。当該熱制御装置において、対象物の温度が上昇し、相変化物質の相転移温度以上になると、相変化物質の熱放射率が上昇し、外部環境への放熱量が増加する。その結果、対象物の温度が低下する。逆に、対象物の温度が下降し、相変化物質の相転移温度以下になると、相変化物質の熱放射率が低下し、放熱量が減少する。その結果、対象物の温度が上昇する。したがって、当該熱制御装置により対象物の温度を相転移温度付近に自動的に制御することができる。また、特許文献１では、「高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質」の例として、ペロブスカイトＭｎ酸化物又はコランダムバナジウム酸化物などが挙げられている。
特許文献２には、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する相変化物質に、高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせて構成された複合材料により、対象物の温度を制御することを特徴とする熱制御装置が開示されている。特許文献２の発明は、上述の特許文献１の発明の改良発明に相当し、特許文献１の発明と同様に、対象物が高温の場合、外部環境への放熱量を大きくすることができ、対象物が低温の場合、外部環境への放熱量を小さくすることができる。
また、特許文献３には、相転移を起こす遷移温度より高い温度範囲では赤外輻射率が低く、前記遷移温度より低い温度範囲では赤外輻射率が高い相転移物質を搭載機器と輻射熱交換するヒートシンクの表面に配置したことを特徴とする人工衛星の熱制御装置が開示されている。特許文献３の熱制御装置において、相転移物質としては二酸化バナジウムが用いられる。当該熱制御装置は、温度制御が必要な搭載機器とヒートシンクとの間に配置され、太陽光等の外部熱入力により高温になったヒートシンクから熱が搭載機器へ移動することを防ぐ。すなわち、ヒートシンクへの太陽光入射がなく、熱制御装置の温度が二酸化バナジウムの遷移温度より低い場合は、搭載機器からの熱は高い効率でヒートシンクに導かれ、ヒートシンクから宇宙空間に放熱される。一方、ヒートシンクへ太陽光が入射し、その加熱により熱制御装置の温度が二酸化バナジウムの遷移温度より高くなった場合は、ヒートシンクからの搭載機器への熱移動が抑制され、搭載機器の加熱が防止される。
特開平１１−２１７５６２号公報 特開２００２−１２０７９９号公報 特開平１−２１２６９９号公報
K. Ito, K. Nishikawa, H. Iizuka, H. Toshiyoshi, "Experimental investigation of radiative thermal rectifier using vanadium dioxide," Applied Physics Letters 105, No. 25, 253503 (2014). M. Kats, R. Blanchard, S. Zhang, P. Genevet, C. Ko, S. Ramanathan, and F. Capasso. "Vanadium dioxide as a natural disordered metamaterial: perfect thermal emission and large broadband negative differential thermal emittance." Physical Review X 3, No. 4, 041004 (2013).
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、例えば特許文献１又は２の発明のように、対象物の温度が上昇した場合に外部環境への放熱量を増加させ、対象物の温度が低下した場合に外部環境への放熱量を減少させる熱制御装置においては、使用される相転移材料としては、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であることが求められる。換言すると、熱制御装置の特性として、高温の場合に熱を放出し易く、低温の場合に熱を放出し難いことが求められる場合、使用される相転移材料としては、必然的に、高温相では熱を放出し易く（熱放出率が大きい）、低温相では熱を放出し難い（熱放出率が小さい）ことが求められる。
また、例えば特許文献３の発明のように、外部熱入力により高温になったヒートシンクからの対象物内への熱移動を抑制し、該ヒートシンクの温度が低い場合は対象物内の熱が効率的にヒートシンクに導かれる熱制御装置においては、使用される相転移材料としては「相転移を起こす遷移温度より高い温度範囲では赤外輻射率が低く、前記遷移温度より低い温度範囲では赤外輻射率が高い相転移物質」であることが求められる。換言すると、熱制御装置の特性として、高温の場合に熱を放出し難く、低温の場合に熱を放出し易いことが求められる場合、使用される相転移材料としては、必然的に、高温相では熱を放出し難く（熱放出率が小さい）、低温相では熱を放出し易い（熱放出率が大きい）ことが求められる。
このように、熱制御装置の熱放出特性と使用される相転移材料の熱放出特性とは対応関係にあり、求められる熱制御装置の特性に応じて、使用される相転移材料も必然的に決まってくる。
ここで、仮に、熱制御装置の構造によって使用される相転移材料の熱放出特性を変化させることができた場合、相転移材料として選択できる材料の種類が広がり、非常に有益である。
つまり、相転移材料はそれぞれの材料組成に応じて固有の相転移温度又は固有の熱放射特性を有するが、求められる相転移温度及び求められる熱放射特性を同時に兼ね備える相転移材料には制限がある。具体的な例として、例えば、非特許文献１及び２では、二酸化バナジウムの相転移を利用することにより、高いコントラストで輻射熱流を制御できることが示されている。そこで、各種機器の温度を一定に保つために、二酸化バナジウムを対象物に貼りつけて対象物からの放熱を制御することが考えられる。しかし、対象物となる機器に、低温の場合は放熱し難く、高温の場合は放熱し易い特性を付与することが求められる場合、二酸化バナジウムは、低温相で放熱し易く、高温相で放熱し難くいため、要求される特性と逆の特性を機器に与える結果となってしまう。そのため、使用される相転移材料の熱放出特性を構造により反転させることができるならば、相転移材料として選択できる材料の幅が広がるため、そのような技術開発のニーズがある。
そこで、本開示は、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熱放射構造体を提供することを目的とする。
本実施形態の態様は、以下の通りに表すことができる。
（１） 熱放射可能な熱放射構造体であって、第１の導体層と、前記第１の導体層の上に誘電体層と、前記誘電体層の上に、周期構造を有する第２の導体層と、を含み、前記第１の導体層及び第２の導体層のうち少なくとも一方が、高温相と低温相とで導電性が変化する相転移材料から構成される、熱放射構造体。
（２） 前記第１の導体層が非相転移材料から構成され、前記第２の導体層が前記相転移材料から構成される、（１）に記載の熱放射構造体。
（３） 前記第１の導体層が前記相転移材料から構成され、前記第２の導体層が非相転移材料から構成される、（１）に記載の熱放射構造体。
（４） 前記第１の導体層及び前記第２の導体層の両方が前記相転移材料から構成される、（１）に記載の熱放射構造体。
（５） 前記相転移材料が、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材料である、（１）〜（４）のいずれか１つに記載の熱放射構造体。
（６） 前記相転移材料が、バナジウム酸化物である、（５）に記載の熱放射構造体。
（７） 前記相転移材料が、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材料である、（１）〜（４）のいずれか１つに記載の熱放射構造体。
（８） 前記相転移材料が、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物である、（７）に記載の熱放射構造体。
（９） 温度によって熱放射率が変化する、（１）〜（８）のいずれかに記載の熱放射構造体。
（１０） 熱を発生させる発熱体と、前記熱を放射する熱放射装置としての（１）〜（９）のいずれか１つに記載の熱放射構造体と、を含むヒーター。
（１１） 対象物と、該対象物における熱を制御する熱制御装置としての（１）〜（９）のいずれか１つに記載の熱放射構造体と、を含む熱制御システム。
（１２） （１）〜（９）のいずれか１つに記載の熱放射構造体を対象物内又は外に設けることにより、対象物における熱を制御する方法。
本開示によれば、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熱放射構造体を提供することができる。
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１の熱放射構造体の模式的斜視図である。 図１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４の熱放射構造体の模式的斜視図である。 図４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。 本実施形態７のヒーター１０００の構成を説明するための模式的断面図である。 本実施形態８の熱制御装置を含む熱制御システム２０００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１００の放射特性について、実施例１で行ったシミュレーション結果を示すグラフである。 熱放射構造体１１０の放射特性について、実施例２で行ったシミュレーション結果を示すグラフである。 熱放射構造体１２０の放射特性について、実施例３で行ったシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例４におけるシミュレーション結果（吸収スペクトル）を示すグラフである。 実施例５で作製した熱放射構造体１００のＳＥＭ画像である。 実施例５で作製した熱放射構造体１００について吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフである。 図１６に示すシミュレーションにより得られた吸収スペクトルと図１８に示す実際に作製した熱放射構造体１００から得られた吸収スペクトルとを示すグラフである。 実施例６におけるシミュレーション結果（吸収スペクトル）を示すグラフである。 実施例７で作製した熱放射構造体１００のＳＥＭ画像である。 実施例７で作製した熱放射構造体１００について吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフである。 図２０に示すシミュレーションにより得られた吸収スペクトルと図２２に示す実際に作製した熱放射構造体１００から得られた吸収スペクトルとを示すグラフである。
本実施形態は、上述の通り、熱放射可能な熱放射構造体であって、第１の導体層と、前記第１の導体層の上に誘電体層と、前記誘電体層の上に、周期構造を有する第２の導体層と、を含み、前記第１の導体層及び第２の導体層のうち少なくとも一方が、高温相と低温相とで導電性が変化する相転移材料から構成される、熱放射構造体である。
本実施形態によれば、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。すなわち、使用する相転移材料の熱放出特性が、高温相では熱を放出し難く、低温相では熱を放出し易い場合（すなわち、高温相での熱放出率が小さく、低温相での熱放出率が大きい場合）、本実施形態の熱放射構造体の熱放出特性は、高温では熱を放出し易く、低温では熱を放出し難くなる（すなわち、高温での熱放出率が大きく、低温相での熱放出率が小さくなる）。また一方で、使用する相転移材料の熱放出特性が、高温相では熱を放出し易く、低温相では熱を放出し難い場合（すなわち、高温相での熱放出率が大きく、低温相での熱放出率が小さい場合）、本実施形態の熱放射構造体の熱放出特性は、高温では熱を放出し難く、低温では熱を放出し易くなる（すなわち、高温での熱放出率が小さく、低温相での熱放出率が大きくなる）。
本実施形態により、新規な構成を有する熱を放射又は制御可能な構造体を提供することができ、当該構成により、使用可能な相転移材料の選択の幅を広げることができる。
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、本実施形態の熱放射構造体の構成を説明するための模式的断面図である。図２は、図１の熱放射構造体の模式的斜視図である。図３は、図１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１は、図２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２又は３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高温相と低温相とで導電性が変化する相転移材料である。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１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制御装置や、対象物を加熱するヒーターに用いられる熱を放射する熱放射装置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）、又はタンタル（Ｔａ）などが挙げられる。
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）、又はシリカ（ＳｉＯ2）などが挙げられる。
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。
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。
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）などが挙げられる。
本実施形態において、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、高温相と低温相とで導電性が変化する相転移材料から構成される。相転移材料としては、高温相と低温相とで導電性が変化する材料であれば、特に制限されずに用いることができる。
相転移材料としては、例えば、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（より具体的には、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材料）を用いることができる。このような相転移材料としては、例えば、バナジウム酸化物が挙げられる。バナジウム酸化物としては、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などの遷移金属）に置換された酸化物などが挙げられる。なお、二酸化バナジウムは、一般的に、７０℃（３４３Ｋ）付近に相転移温度を有する。
また、相転移材料としては、例えば、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（より具体的には、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し、かつ、高温相での熱放射率が大きく、低温相での熱放射率が小さい材料）も用いることができる。このような相転移材料としては、例えば、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物などが挙げられる。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。
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１〜３においては、直方形型の個別導体層が開示されているが、本発明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、十字型又は円盤型など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１参照）。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、及び周期構造など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１〜３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４〜６に示す。図４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５は、図４の熱放射構造体の模式的斜視図であり、図６は、図４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、さらに具体的な実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（実施形態１）
実施形態１について、図７を参照しつつ説明する。
実施形態１では、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１００について説明する。
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７（Ａ）では、平板状である誘電体層１０３が示されているが、図７（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。
ここで、本実施形態に係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）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、本実施形態に係る熱放射構造体が、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１３に、熱放射構造体１００の放射特性について、実施例１で行ったシミュレーション結果を示す。図１３（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１３（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１３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、本実施形態の熱放射構造体において、第１の導体層１０１（例えば金属）が基板側からの熱輻射を反射し、第２の導体層側への熱輻射の透過を防ぐことができ、その結果、高い輻射率コントラストを得ることができる。より効果的に基板側からの熱輻射を反射させる観点から、第１の導体層１０１はベタ膜であることが好ましい。
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、支持基板（不図示）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。なお、支持基板は、例えば、温度を制御する対象となる対象物の一部であってもよい。また、支持基板は、例えば、熱を放射して加熱するためのヒーターの一部であってもよい。また、支持基板を含めて、本実施形態の熱制御装置又は熱放射装置としてもよい。
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。
また、支持基板（Ｓｉ基板）の表面に、スパッタリングにより、第１の導体層１０１、誘電体層１０３及び第２の導体層１０２の積層構造を形成した後、所定のレジストパターンを第２の導体層１０２上に形成し、反応性イオンエイッチングを施して第２の導体層１０２をパターニングすることにより、熱放射構造体１００を作製してもよい。
（実施形態２）
実施形態２について、図８を参照しつつ説明する。
実施形態２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である。すなわち、図８において、第１の導体層１２１が相転移材料（例えば二酸化バナジウム）から構成され、第２の導体層１２２が非相転移材料から構成される。
実施形態１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。
（実施形態３）
実施形態３について、図９を参照しつつ説明する。
実施形態３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である。すなわち、図９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。
実施形態１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。
（実施形態４）
実施形態４について、図１０を参照しつつ説明する。
実施形態４では、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１０（Ａ）では、平板状である誘電体層が示されているが、図１０（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。
（実施形態５）
実施形態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。実施形態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。
（実施形態６）
実施形態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。実施形態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。
（実施形態７：ヒーター）
次に、実施形態１に記載の熱放射構造体１００を、熱放射により加熱するためのヒーター（具体的には赤外線ヒーター）における熱放射装置として応用した形態について、図１１を用いて説明する。
図１１は、本実施形態の赤外線ヒーター１０００の構成を説明するための模式的断面図である。赤外線ヒーター１０００は、ヒーター本体と、熱放射構造体１００と、ケーシング（不図示）とを備えている。熱放射構造体１００が、発熱体１００１で発生した熱を放射する熱放射装置として機能する。この赤外線ヒーター１０００は、上方に配置された不図示の対象物に向けて、所定波長の赤外線を放射することができる。
ヒーター本体は、いわゆる面状ヒーターとして構成されており、熱を発生させる発熱体１００１と、発熱体１００１に接触して発熱体１００１の周囲を覆う絶縁体である保護部材１００２とを備えている。発熱体１００１は、例えばジグザグに湾曲させた形状とすることができる。発熱体１００１の材料としては、特に制限されるものではなく、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金及びＮｉ−Ｃｒ合金などが挙げられる。保護部材１００２の材料としては、例えば、ポリイミドなどの絶縁性の樹脂やセラミックス等が挙げられる。ヒーター本体は、ケーシングの内部に配置される。発熱体１００１の両端は、ケーシングに取り付けられた一対の入力端子（不図示）にそれぞれ接続される。この一対の入力端子を介して、発熱体１００１に外部から電力が供給される。なお、ヒーター本体は、絶縁体にリボン状の発熱体を巻き付けた構成の面状ヒーターとしてもよい。なお、面状ヒーターの外形は、例えば被処理物の形状に応じて適宜設計することができ、例えば矩形ないし円形であっても良い。
保護部材１００２の上に、支持基板１００３が配置されている。また、該支持基板１００３の上に熱放射構造体１００が配置されている。支持基板１００３と第１の導体層の間には接着層を設けてもよい。
支持基板１００３は、接着層を介して第１の導体層１０１に接合することができる。支持基板１００３は、ケーシングの内部に固定具（不図示）などにより固定されており、熱放射構造体１００を支持する。支持基板１００３の材料としては、好ましくは、Ｓｉ、ガラスなどの、平滑面が維持しやすく、耐熱性が高く、熱反りが低い素材が挙げられる。なお、支持基板１００３とヒーター本体とは、接触せずに空間を介して上下に離間して配設されていてもよい。
ケーシングの形状は、例えば、内部に空間を有し且つ底面が開放された略直方体が挙げられる。このケーシング内部の空間に、ヒーター本体及び熱放射構造体１００を配置することができる。ケーシングは、発熱体１００１から放出される赤外線を反射するように金属（例えばＳＵＳやアルミニウム）で形成してもよい。
発熱体１００１で発生した熱は熱伝導などによって熱放射構造体１００まで移動し、熱放射構造体１００の放射面から加熱する対象物に対して特定の波長領域の赤外線（最大ピーク付近の波長領域の赤外線）を選択的に放射することができる。そのため、この最大ピーク付近の波長領域の赤外線吸収率が比較的高い対象物に対して、効率よく赤外線を放射して加熱などを行うことができる。
また、ヒーターには、起動時に運転温度にできるだけ早く昇温することが求められるが、本実施形態の熱放射構造体は、昇温中（低温時）は熱輻射を抑えて早く昇温することができるという利点を有する。
（実施形態８：熱制御装置）
次に、実施形態１に記載の熱放射構造体１００を、対象物の熱（より具体的には温度）を制御可能な熱制御装置として応用した形態について、図１２を用いて説明する。
図１２は、熱を制御する対象物２００１の上に、熱制御装置としての熱放射構造体１００を配置した構成を示す模式的断面図である。
上述の説明の通り、熱放射構造体１００が有する熱放出特性から、対象物２００１が低温の場合には、対象物２００１上に配置された熱放射構造体１００の熱放射率は小さいため、対象物２００１から外部環境への放熱量を少なくすることができる。その結果、対象物２００１の温度低下を抑えることができる。一方、対象物２００１が高温の場合には、熱放射構造体１００の熱放射率は大きいため、対象物２００１から外部環境への放熱量を多くすることができる。その結果、対象物２００１の温度上昇を抑えることができる。対象物としては、特に制限されるものではなく、例えば、電子機器を挙げることができる。
本実施形態の熱制御装置は、対象物の内部に配置してもよく、または外部に配置してもよい。本実施形態の熱制御装置は熱放射により熱を放射することから、熱制御装置は外部に配置されることが好ましく、対象物上に配置されることが好ましい。
本実施形態の熱制御装置は、熱放射構造体に加え、他の構成要素を含んでもよく、例えば、上述の支持基板を備えてもよい。
なお、本実施形態は、対象物と、該対象物における熱を制御する熱制御装置としての本開示の熱放射構造体と、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、本開示の熱放射構造体を対象物内又は外に設けることにより、対象物における熱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、本発明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）
上述した実施形態１の熱放射構造体１００（図７（Ａ）参照）の熱放射特性を検証するため、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。
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。
Figure 0006985161
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。
Figure 0006985161
図１３に、シミュレーション結果を示す。図１３（Ａ）は、第２の導体層１０２（二酸化バナジウム）が高温相（３４５Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１００の放射特性を解析した結果を示す。図１３（Ｂ）は、第２の導体層１０２（二酸化バナジウム）が低温相（３３５Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１００の放射特性について解析した結果を示す。なお、図１３（Ａ）及び（Ｂ）には、参考のため、それぞれの温度での黒体の放射スペクトルも示す。図１３より、低温時の熱放射構造体１００の熱放射率が高温時の熱放射構造体１００の熱放射率よりも小さくなっていることがわかる。
また、図１３より、熱放射構造体１００が波長約１０μｍで最も共鳴することがわかる。上述のように、この共鳴波長は、所望の目的に応じて調整することができる。
（実施例２：シミュレーションを用いた検証２）
実施例１と同様に、上述した熱放射構造体１１０（誘電体層が第１の導体層に追従して周期構造を有する形態、図７（Ｂ）参照）の熱放射特性を検証した。
解析した熱放射構造体１１０の構成について、実施例１と同様に、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。熱放射構造体１１０の構成の寸法も、実施例１と同様に設定した（表１参照）。なお、誘電体層１０３は第１の導体層に追従しているため、その縦幅Ｌ、横幅Ｗ、縦方向のピッチＰＬ及び横方向のピッチＰＷは、第１の導体層と同じである。熱放射構造体１１０を構成する各材料の誘電率としても、実施例１と同様に、表２に示す定義式を参照した。
図１４に、シミュレーション結果を示す。図１４（Ａ）は、第２の導体層１０２（二酸化バナジウム）が高温相（３４５Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１１０の放射特性を解析した結果を示す。図１４（Ｂ）は、第２の導体層１０２（二酸化バナジウム）が低温相（３３５Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１１０の放射特性について解析した結果を示す。なお、図１４（Ａ）及び（Ｂ）には、参考のため、それぞれの温度での黒体の放射スペクトルも示す。図１４より、低温時の熱放射構造体１１０の熱放射率が高温時の熱放射構造体１１０の熱放射率よりも小さくなっていることがわかる。
（実施例３：シミュレーションを用いた検証３）
上述した実施形態２の熱放射構造体１２０（図８参照）の熱放射特性を検証するため、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。
解析した熱放射構造体１２０の構成について、第１の導体層１２１として二酸化バナジウム（ＶＯ２）を用い、第２の導体層１２２としてタングステン（Ｗ）を用い、誘電体層１２３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１２０の構成の寸法を表３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。
Figure 0006985161
二酸化バナジウム及びアモルファスシリコンの誘電率として、実施例１と同様に、表２に示す定義式を参照した。また、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。
図１５に、シミュレーション結果を示す。図１５（Ａ）は、第１の導体層１２１（二酸化バナジウム）が高温相（３４５Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１２０の放射特性を解析した結果を示す。図１５（Ｂ）は、第１の導体層１２１（二酸化バナジウム）が低温相（３３５Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１２０の放射特性について解析した結果を示す。なお、図１５（Ａ）及び（Ｂ）には、参考のため、それぞれの温度での黒体の放射スペクトルも示す。図１５より、低温時の熱放射構造体１２０の熱放射率が高温時の熱放射構造体１２０の熱放射率よりも小さくなっていることがわかる。
（実施例４：シミュレーションを用いた検証４）
上述した熱放射構造体１００の熱放射特性を検証するため、第１の導体層１０１としてアルミニウムの代わりにタングステンを用い、かつ下記表４の構成寸法としたこと以外は、実施例１と同様にして、シミュレーションを行った。
Figure 0006985161
なお、実施例１と同様に、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。
二酸化バナジウム及びアモルファスシリコンの誘電率として、実施例１と同様に、表２に示す定義式を参照した。また、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。
図１６に、シミュレーション結果（吸収スペクトル）を示す。図１６は、第２の導体層１０２（二酸化バナジウム）が高温相（３７０Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１００の放射特性を解析した結果、及び第２の導体層１０２（二酸化バナジウム）が低温相（３０５Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１００の放射特性について解析した結果を示す。図１６より、低温時の熱放射構造体１００の熱放射率が高温時の熱放射構造体１００の熱放射率よりも小さくなっていることがわかる。
（実施例５）
以下の方法により、実施例４でシミュレーションにより検証した熱放射構造体１００を実際に作製した。
まず、支持基板（Ｓｉ基板）の表面に、スパッタリングにより第１の導体層１０１としてタングステン（Ｗ）を配置した。次に、第１の導体層１０１の表面にスパッタリングにより誘電体層１０３としてアモルファスシリコンを配置した。続いて、誘電体層１０３の表面にスパッタリング法により第２の導体層１０２として二酸化バナジウムを配置した。そして、所定のレジストパターンを形成し、反応性イオンエイッチングを施すことにより、熱放射構造体１００を作製した。
図１７に、作製した熱放射構造体１００のＳＥＭ画像を示す。図１７のＳＥＭ画像に示される通り、第２の導体層１０２としての二酸化バナジウムが周期構造を有するようにパターニングされている。
作製した熱放射構造体１００について、３０５Ｋ及び３７０Ｋの温度における吸収スペクトルを赤外分光光度計（製品名：Nicolet is50、Thermo Fisher社製）により測定した。なお、キルヒホッフの法則から吸収率及び放射率（輻射率）は等しいことが理解される。得られた吸収スペクトルを図１８に示す。図１８より、低温時の熱放射構造体１００の熱放射率が高温時の熱放射構造体１００の熱放射率よりも小さくなっていることがわかる。
また、図１９に、図１６に示すシミュレーションにより得られた吸収スペクトルと図１８に示す実際に作製した熱放射構造体１００から得られた吸収スペクトルとの両方を示す。図１９に示されるように、シミュレーション結果と実測結果はほぼ一致していることが確認された。
（実施例６：シミュレーションを用いた検証５）
上述した熱放射構造体１００の熱放射特性を検証するため、第１の導体層１０１としてタングステンを用い、誘電体層１０３としてアモルファスシリコンの代わりにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を用い、かつ下記表５の構成寸法としたこと以外は、実施例１と同様にして、シミュレーションを行った。
Figure 0006985161
なお、実施例１と同様に、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。
二酸化バナジウムの誘電率として、実施例１と同様に、表２に示す定義式を参照した。また、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。また、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２０に、シミュレーション結果（吸収スペクトル）を示す。図２０は、第２の導体層１０２（二酸化バナジウム）が高温相（３７０Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１００の放射特性を解析した結果、及び第２の導体層１０２（二酸化バナジウム）が低温相（３０５Ｋ）である場合の誘電率を用いて、熱放射構造体１００の放射特性について解析した結果を示す。図２０より、低温時の熱放射構造体１００の熱放射率が高温時の熱放射構造体１００の熱放射率よりも小さくなっていることがわかる。
（実施例７）
以下の方法により、実施例６でシミュレーションにより検証した熱放射構造体１００を実際に作製した。
まず、支持基板（Ｓｉ基板）の表面に、スパッタリングにより第１の導体層１０１としてタングステン（Ｗ）を配置した。次に、第１の導体層１０１の表面にスパッタリングにより誘電体層１０３としてアルミナを配置した。続いて、誘電体層１０３の表面にスパッタリング法により第２の導体層１０２として二酸化バナジウムを配置した。そして、所定のレジストパターンを形成し、反応性イオンエイッチングを施すことにより、熱放射構造体１００を作製した。
図２１に、作製した熱放射構造体１００のＳＥＭ画像を示す。図２１のＳＥＭ画像に示される通り、第２の導体層１０２としての二酸化バナジウムが周期構造を有するようにパターニングされている。
作製した熱放射構造体１００について、３０５Ｋ及び３７０Ｋの温度における吸収スペクトルを赤外分光光度計（製品名：Nicolet is50、Thermo Fisher社製）により測定した。得られた吸収スペクトルを図２２に示す。図２２より、低温時の熱放射構造体１００の熱放射率が高温時の熱放射構造体１００の熱放射率よりも小さくなっていることがわかる。
また、図２３に、図２０に示すシミュレーションにより得られた吸収スペクトルと図２２に示す実際に作製した熱放射構造体１００から得られた吸収スペクトルとの両方を示す。図２３に示されるように、シミュレーション結果と実測結果はほぼ一致していることが確認された。
以上、本発明の実施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。
１ 第１の導体層
２ 第２の導体層
３ 誘電体層
１０ 熱放射構造体
１００ 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
１２３ 誘電体層
１３０ 熱放射構造体
１３１ 第１の導体層
１３２ 第２の導体層
１３３ 誘電体層
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
２１０ 熱放射構造体
１０００ ヒーター
１００１ 発熱体
１００２ 保護部材
１００３ 支持基板
２０００ 熱制御システム
２００１ 対象物

Claims (12)

  1. 熱放射可能な熱放射構造体であって、
    第１の導体層と、
    前記第１の導体層の上に誘電体層と、
    前記誘電体層の上に、周期構造を有する第２の導体層と、
    を含み、
    前記第１の導体層及び第２の導体層のうち少なくとも一方が、高温相と低温相とで導電性が変化する相転移材料から構成され、
    前記相転移材料は、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であるか、あるいは、前記相転移材料は、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であり、
    前記周期構造は、第２の導体層が複数の個別導体層を備え、前記個別導体層が放射面に沿った方向に互いに離間して配置された構造である、熱放射構造体。
  2. 前記第１の導体層が非相転移材料から構成され、前記第２の導体層が前記相転移材料から構成される、請求項１に記載の熱放射構造体。
  3. 前記第１の導体層が前記相転移材料から構成され、前記第２の導体層が非相転移材料から構成される、請求項１に記載の熱放射構造体。
  4. 前記第１の導体層及び前記第２の導体層の両方が前記相転移材料から構成される、請求項１に記載の熱放射構造体。
  5. 前記相転移材料が、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材料である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱放射構造体。
  6. 前記相転移材料が、バナジウム酸化物である、請求項５に記載の熱放射構造体。
  7. 前記相転移材料が、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材料である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱放射構造体。
  8. 前記相転移材料が、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物である、請求項７に記載の熱放射構造体。
  9. 温度によって熱放射率が変化する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱放射構造体。
  10. 熱を発生させる発熱体と、前記熱を放射する熱放射装置としての請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱放射構造体と、を含むヒーター。
  11. 対象物と、該対象物における熱を制御する熱制御装置としての請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱放射構造体と、を含む熱制御システム。
  12. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱放射構造体を対象物内又は外に設けることにより、対象物における熱を制御する方法。
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