JP7339349B2 - 熱制御材料 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１９年２月２２日に出願された米国仮出願第６２／８０９２５０号の優先権を主張し、その主題は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、光学および熱システム、より詳細には、熱制御材料に関する。

太陽照明を変化させると、例えば１５０ケルビン～４００ケルビンなどの大きな温度変化が発生し、対流がないために放射放出が唯一の冷却機構となる宇宙などの環境では、熱制御が重要である。機械式シャッターまたは流体充填ヒートパイプなどの機械可動部品に基づくアプローチを含む、様々なシステムが温度揺らぎを緩和するために使用されてきたが、それらは、かさばる傾向があり、電力を必要する。

寒いときよりも暑いときの方がはるかに多く放出するラジエーターは、太陽照明の変化および機内での音の発生から生じる温度揺らぎを抑えるように設計することができる。マイクロパターン化された熱ラジエーターの高度な設計により、１付近の赤外線（ＩＲ）放射率および受動的な定常状態の放射冷却を実現することが可能になった。しかしながら、温度調節を提供するために、加熱時により強い熱放射放出を有し、かつ冷却時により弱い熱放射放出を有するように熱ラジエーターを設計できるように、切り替え可能な放射率が必要である。

一例では、システムは、温度感受性物体と、温度感受性物体と熱的に連絡している熱制御材料と、を含む。熱制御材料は、温度の関数として変動する放射率を有し、フォトニック結晶、メタマテリアル、メタ表面、および多層膜のうちの１つを含む第１の表面を備える基板と、表面と接触する固体相変化材料と、基板の第２の表面、固体相変化材料の表面で、および光共振器の基板と反対側上のうちの１つにおける反射性薄膜材料と、を含む。

別の例では、方法は、対象の波長範囲内で高い放射率を有する熱制御材料を提供する。フォトニック結晶、メタマテリアル、メタ表面、多層膜のうちの１つが、基板の第１の表面上に製作される。固体相変化材料の層は、基板の第１の表面に適用される。反射材料の層は、基板の第２の表面、固体相変化材料の表面、および光共振器の基板と反対側のうちの１つに位置付けられる。

別の例では、熱制御材料は、マイクロコーンのアレイを形成するために第１の表面上にパターン化された基板、マイクロコーンのアレイに適用された固体相変化材料の層、および基板の第２の表面に適用された反射材料の層を含む。

熱恒常性は、温血動物が一定の体温を維持するために使用するプロセスを説明する生物学的用語である。有限温度のすべての物質は、熱的に誘発された電荷の運動のために電磁放射線を放出する。放射電力のスペクトル特徴は、表面の放射率および電磁エネルギー密度プロファイルによって定義される。材料の放射率スペクトルは、典型的には、温度によってわずかに変動するだけであるが、受動的なフィードバックによる放射熱制御は、温度の関数として放射率を変調することで実現することができる。既存の放射熱制御スキームは、流体充填ヒートパイプ、機械可動部品、または動力付き固体アプローチを含む外部動力を使用する必要がある。

本明細書に記載のシステムおよび方法は、相変化材料を利用して、切り替え可能な熱放出に基づく効率的な固体代替物を設計し、外部電力なしでそれらの温度を調節する人工材料を提供する。一実施態様では、この効果は、二酸化バナジウム可変放射率表面、シリコン基板、および背面反射器としての金薄膜から構成される多層構造を使用して実現される。二酸化バナジウムの熱作動性で可逆的な金属－絶縁体相転移は、外部の熱揺らぎに応じて熱放射状態間の受動的な切り替えを提供する。その結果が、相転移温度を超えると放射放出が増加し（高温での冷却が増加）、この温度を下回ると放射放出が減少する（低温での保温性が増加）表面である。したがって、本明細書に記載のシステムおよび方法は、性能低下に対して脆弱であるか、またはピーク性能のために安定した動作温度を必要とする動的熱負荷下のシステムのための熱制御戦略を実証している。

図１は、温度の関数として変動する放射率を有する熱制御材料１００の例を図示している。熱制御材料１００は、第１の表面および第２の表面を有する基板１０２を含む。基板の第１の表面は、フォトニック結晶、メタマテリアル、多層膜、およびメタ表面のうちの１つを形成するように構成することができる。一実施態様では、表面は、マイクロコーンなどの微細構造のアレイを形成するようにパターン化された基板である。基板は、フォトニックメタマテリアルを形成するための任意の適切な材料から形成することができ、図示の例では、両面研磨シリコン基板が使用される。一例では、基板１０２は、１００～５００マイクロメートルの厚さを有することができる。

固体相変化材料１０４の層は、基板１０２の第１の表面に適用される。固体相変化材料１０４の層は、５００ナノメートル未満の厚さを有することができ、一実施態様では、５０～２００ナノメートルである。固体相変化材料１０４は、固体状態の２つの相の間で遷移することができる任意の材料を含むことができる。したがって、固体相変化材料１０４は、二酸化バナジウム、二酸化バナジウムとタングステンのような遷移金属との合金、ニッケル酸サマリウム、ポリ（３－ヘキシルチオフェン）、テルル化ゲルマニウム、ゲルマニウム－アンチモン－テルル、ゲルマニウムと別の第６族元素との合金、または任意の他の適切な相変化材料を含むことができる。実際には、固体相材料１０４は、熱制御材料によって保護された個人または機器に関連する所望の範囲内の相転移温度を有するように選択することができる。

反射層１０６は、基板１０２の第２の表面に固定される。反射層１０６は、基板１０２に機械的に固定することができるか、またはスパッタリング堆積もしくは電子ビーム蒸着などの適切な技術を使用して基板上に積層することができる。反射層１０６は、対象の波長帯域で高い反射率、例えば、対象の波長帯域全体で７０を超える反射率を有するように選択することができる。対象の波長帯域が少なくとも赤外線スペクトルを含む一例では、反射材料は、赤外線スペクトル領域（２マイクロメートル波長～４０マイクロメートル波長）で反射する金、銀、または他の金属であり得る。反射層１０６は、少なくとも１０ナノメートルの厚さを有することができ、一実施態様では、厚さは、５０～１５０ナノメートルである。

図２は、温度の関数として変動する放射率を有する熱制御材料２００の例を図示している。熱制御材料２００は、第１の表面および第２の表面を有する基板２０２を含む。基板の第１の表面は、フォトニック結晶、メタマテリアル、多層膜、およびメタ表面のうちの１つを形成するように構成することができる。一実施態様では、表面は、マイクロコーンなどの微細構造のアレイを形成するようにパターン化された基板である。基板は、フォトニックメタマテリアルを形成するための任意の適切な材料から形成することができ、図示の例では、両面研磨シリコン基板が使用される。

固体相変化材料２０４の層は、基板２０２の第１の表面に適用される。固体相変化材料２０４の層は、５００ナノメートル未満の厚さを有することができ、一実施態様では、５０～２００ナノメートルである。固体相変化材料２０４は、固体状態の２つの相の間で遷移することができる任意の材料を含むことができる。したがって、固体相変化材料２０４は、二酸化バナジウム、二酸化バナジウムと遷移金属との合金、ニッケル酸サマリウム、ポリ（３－ヘキシルチオフェン）、テルル化ゲルマニウム、ゲルマニウム－アンチモン－テルル、ゲルマニウムと別の第６族元素との合金、またはこの目的のための任意の他の適切な材料を含むことができる。実際には、固体相材料２０４は、熱制御材料によって保護された個人または機器に関連する所望の範囲内の相転移温度を有するように選択することができる。

固体相変化材料２０４および反射層２０８によって境界付けられた光共振器２０６は、エアギャップまたはセレン化亜鉛などの低誘電性材料として形成することができる。一実施態様では、光共振器２０６は、ミクロンのオーダーの厚さを有することができる。別の実施態様では、光共振器は、圧電または微小電気機械（ＭＥＭＳ）ベースの実施態様で調整可能であるように設計することができる。共振器の長さを調整すると、放出された熱放射に対して適応させたスペクトル制御が可能になる。

反射層２０８は、対象の波長帯域で高い反射率、例えば、対象の波長帯域全体で９０パーセントを超える反射率を有するように選択することができる。対象の波長帯域が少なくとも赤外線スペクトルを含む一例では、反射材料は、金であり得る。反射層２０８は、少なくとも５０ナノメートルの厚さを有することができ、一実施態様では、厚さは、５０～１５０ナノメートルである。一実施態様では、反射層は、固体相変化材料２０４から光共振器を横切って配置された金の裏面反射チップとして実装することができる。

図３は、温度感受性物体３０２が、物体と熱通信する熱制御材料３１０によって保護されるシステム３００を図示している。「熱通信」とは、熱が、伝導または放射のいずれかを介して、物体３０２から熱制御材料に流れることができることを意味する。したがって、図３は、熱制御材料３１０によって完全にカプセル化された温度感受性物体３０２を図示しているが、実際には、熱制御材料３１０は、物体３０２と直接接触して、温度感受性物体を部分的にのみ封入することができるか、または熱伝導性材料を介して物体に連結することができる。温度感受性物体は、極端な温度によって悪影響を受ける任意の生物または非生物であり得ることが理解されよう。一実施態様では、温度感受性物体３０２および熱制御材料３１０のそれぞれが宇宙船上に実装され、熱制御材料は、太陽照明による時変熱流束から温度感受性物体を保護することができるか、または機内の熱負荷を目標の動作温度に保つことができる。

図示の実施態様では、熱制御材料３１０は、図１に記載されたものと同一の様式で実装される。したがって、基板３１２は、フォトニック結晶、メタマテリアル、多層膜、および第１の表面上に積層された固体相変化材料３１４を有するメタ表面のうちの１つとして提供される第１の表面を有する。基板３１２の第２の表面は、対象の波長帯域に好適な反射層３１６に固定される。実際には、対象の波長帯域は、４００ナノメートル～３０ミクロンの範囲であり得るか、または可視スペクトルを除外し、かつ７００ナノメートル～３０ミクロンの範囲であるように構成することができる。他の実施態様では、対象の波長帯域は、近、中、および遠赤外線範囲のうちの１つ以上を含むように選択することができる。別の実施態様では、図２に記載の熱制御材料を、図示の熱制御材料３１０の代わりに使用することができる。

熱制御材料３１０は、システム３００に熱恒常性の状態を提供する。理想的には、熱制御材料３１０は、特定の温度より下ではほぼゼロの熱放射率を有し、その温度より上では１に近い熱放射率を有するであろう。その結果、放射率の変化によって温度の揺らぎが緩和される。物体が冷えすぎると環境への熱損失を防止し、熱くなりすぎると熱損失が大きくなる。この目的のために、固体相変化材料３１４は、熱制御材料３１０が第１の放射率を有する誘電状態と、熱制御材料３１０が第１の放射率よりもはるかに大きい第２の放射率を有する金属状態との間で遷移する材料として選択することができる。一実施態様では、第２の放射率は、第１の放射率を少なくとも２倍超えている。

図４は、パターン化された微細構造を利用する熱制御材料４００の一実施態様を図示している。図示の実施態様では、シリコン基板４１０は、マイクロコーン４１２の正方形アレイを提供するようにパターン化される。マイクロコーンアレイ４１２は、強力な反射防止特性を示し、放射の入射角に対して比較的鈍感である。シリコンマイクロコーン４１２のアレイは、二酸化バナジウム４２０の共形層によって覆われる。マイクロコーン４１２のアレイの反対側の基板４１０の表面は、金４２２で積層されて、赤外線帯域に好適な反射層を提供する。示される構成では、マイクロコーン４１２のアレイは、１０～１００マイクロメートルの高さおよび５～５０マイクロメートルの周期を有することができ、二酸化バナジウム４２０の層は、５００ナノメートル未満の厚さを有することができ、金４２２の層は、５０～１５０ナノメートルの厚さを有することができる。一実施態様では、シリコンマイクロコーン４１２のアレイの高さは、４０マイクロメートルであり得、周期は、２０マイクロメートルであり得、二酸化バナジウムの層の厚さは、最大２００ナノメートルであり得る。この実施態様では、図示の熱制御材料４００は、熱制御材料が１平方メートルあたり１５０ワット～５００ワット／平方メートルで揺らぐ時変照明に供されたときに、２０ケルビン未満しか変動しない温度を維持する。

以下の図５および図６で実行されるモデリングを含む例示的な実施態様では、二酸化バナジウム４２０の層の厚さは、２００ナノメートルであるように選択した。二酸化バナジウム４２０のより薄い層を使用すると、性能の改善が可能になり得る。二酸化バナジウムが絶縁状態にある場合、放射電力は、厚さが増すにつれて増加する。絶縁状態では、二酸化バナジウムは、赤外線範囲で光学的に吸収性である。二酸化バナジウムの量が増加すると、シリコンが透明な波長で放射率が上がる。二酸化バナジウム４２０の層の厚さが１マイクロメートルを超えて増すと、絶縁状態で放射された電力は、急激に上昇し、厚さが増すと金属状態の電力をはるかに超える点まで増加する。したがって、二酸化バナジウム４２０の非常に薄い層は、マイクロコーンアレイ４１２上に共形的にコーティングされたときに、金属状態と絶縁状態との間の最大放射率差を提供するのに十分であり得る。二酸化バナジウムの層でコーティングされた平らなシリコン膜の場合、二酸化バナジウムの層の厚さが３０ナノメートルであるときに、金属状態の放射電力と絶縁状態の放射電力との差が最大になり、同様の値でマイクロコーンアレイの性能が改善し得る。

図示の熱制御材料４００は、宇宙用途に有用な軽量の全固体熱制御機構を提供する。いかなる可動部品もない機械的に静的な構造の使用は、熱放出制御のための既存のＭＥＭＳベースのアプローチに対する補完的な代替手段を提供する。この設計は、標準的な微細加工技術に適している。上記の寸法のシリコンマイクロコーン４１２のアレイは、極低温の誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによって製作することができる。二酸化バナジウム４２０の共形層は、スパッタリング堆積、パルスレーザー堆積、および原子層堆積などの気相反応および堆積を使用して提供することができる。

図５は、二酸化バナジウムの２つの相について図１に図示された熱制御材料の一例の計算された放射率スペクトルの折れ線グラフ５００である。図５の例では、基板１０２は、２００マイクロメートルのシリコン層であり、固体相変化材料１０４は、６２ナノメートルの二酸化バナジウム層であり、反射層１０６は、６３ナノメートルの金層である。縦軸５０２は、放射率を表し、横軸５０４は、マイクロメートル単位の波長を表す。第１のプロットされた線５０６は、二酸化バナジウムがその絶縁状態にあるときの熱制御材料の放射率を表す。対象の波長帯域全体にわたって放射率が低いままであることが理解されよう。第２のプロットされた線５０８は、二酸化バナジウムがその金属状態にあるときの熱制御材料の放射率を表す。金属状態では、放射率は、対象の波長帯域全体で比較的高いままであり、２つの状態間の放射率の差は、対象の波長全体でかなり残っている。

金属状態での放射率が高いほど、誘電率の虚数部の値が高くなる。したがって、熱制御材料は、切り替え可能な熱エミッタとして機能し、絶縁状態と金属状態との間で放出の差がほぼ１０倍になる。放射率の振動機能は、材料の裏側からの反射によるものであり、これはシリコンの吸収が無視できるほど小さいことから生じる。

前述の構造的および機能的特徴を考慮して、例示的な方法は、図６を参照してより良好に認識されるであろう。説明を簡単にする目的で、図６の例示的な方法は、連続的に実行されるように示され、説明されているが、いくつかの動作は、他の例では、異なる順序で、複数回、および／または本明細書に示され、説明されているものと並行して起こり得るので、本例は、図示されている順序によって制限されないことを理解および認識されたい。さらに、方法を実施するために、説明されているすべての動作を実行する必要はない。

図６は、熱制御材料を提供するための方法６００を図示している。６０２において、フォトニック結晶、メタマテリアル、メタ表面、および多層膜のうちの１つが、基板の第１の表面上に製作される。これは、例えば、マイクロコーンのアレイのような微細構造を提供するために基板をエッチングすること、または、例えば、フォトニックメタマテリアルを提供するために、基板上にリソグラフィでパターン化もしくはリソグラフィで成長したフィーチャを製作すること、を含むことができる。一実施態様では、対象の波長範囲は、１０ｎｍ～３０μｍである。別の実施態様では、対象の波長範囲は、７００ｎｍ～１５μｍである。

６０４において、固体相変化材料の層は、フォトニック結晶、メタマテリアル、メタ表面、および多層膜のうちの１つに共形的に適用される。例えば、固体相変化材料は、スパッタリング堆積、パルスレーザー堆積、および原子層堆積などの気相反応および堆積を使用して適用することができる。６０６において、反射材料の層は、基板の第２の表面、固体相変化材料の表面、または光共振器の基板と反対側のいずれかに位置付けられる。例えば、反射材料の層は、スパッタリング堆積、パルスレーザー堆積、および原子層堆積などの気相反応および堆積を使用して適用することができるか、または基板もしくは固体相変化材料に別々にかつ機械的に固定して製作することができる。熱制御材料が提供されると、温度感受性デバイスは、少なくとも部分的に基板に封入されるか、基板と直接接触して設置されるか、または導電性材料を介して接続されて、デバイスを温度の揺らぎから保護することができる。

上で説明したものは、例である。もちろん、構成要素または手法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、多くのさらなる組み合わせおよび順列が可能であることを認識するであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲を含め、本出願の範囲内にあるそのようなすべての変更、修正、および変形を包含することを意図している。本明細書で使用される際、「含む」という用語は、含むが、それに限定されないことを意味し、「含んでいる」という用語は、含んでいるが、それに限定されないことを意味する。「に基づく」という用語は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。さらに、本開示または特許請求の範囲で、「ａ」、「ａｎ」、「第１」、または「別の」要素、またはそれらと同等のものが挙げられる場合、それは、１つ以上のそのような要素を含むと解釈されるべきであり、２つ以上のそのような要素を必要とするものでも、排除するものでもない。

図１は、温度の関数として変動する放射率を有する熱制御材料１００の例を図示している。 図２は、温度の関数として変動する放射率を有する熱制御材料２００の例を図示している。 図３は、温度感受性物体３０２が、物体と熱通信する熱制御材料３１０によって保護されるシステム３００を図示している。 図４は、パターン化された微細構造を利用する熱制御材料４００の一実施態様を図示している。 図５は、二酸化バナジウムの２つの相について図１に図示された熱制御材料の一例の計算された放射率スペクトルの折れ線グラフ５００である。 図６は、熱制御材料を提供するための方法６００を図示している。

Claims (15)

1. システムであって、
   温度感受性物体と、
   前記温度感受性物体と熱連絡し、かつ温度の関数として変動する放射率を有する熱制御材料と、を備え、前記熱制御材料が、
   フォトニック結晶、メタマテリアル、メタ表面、および多層膜のうちの１つを含む第１の表面を備える基板と、
   前記第１の表面と接触する固体相変化材料と、
   反射性薄膜材料と、
   前記固体相変化材料および前記反射性薄膜材料によって境界付けられた光共振器、ここで、前記反射性薄膜材料は、前記光共振器の前記基板と反対側に位置付けられる、とを備える、システム。
2. 前記表面が、マイクロコーンのアレイを形成するようにパターン化された基板である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記固体相変化材料が、二酸化バナジウムおよび二酸化バナジウムと遷移金属との合金のうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記固体相変化材料が、テルル化ゲルマニウムおよびゲルマニウムと別の第６族元素との合金のうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記固体相変化材料が、５００ナノメートル未満の厚さを有する層である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記固体相変化材料が、前記温度感受性物体の所望の動作範囲内の相転移温度を有するように選択される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記表面および前記固体相変化材料のそれぞれが、前記熱制御材料が１平方メートルあたり１５０ワット～１平方メートルあたり５００ワットの時変熱流束に供されたときに、前記温度感受性物体の温度が２０ケルビン未満しか変動しないように構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記温度感受性物体および前記熱制御材料のそれぞれが、宇宙船上に実装され、前記時変熱流束が、太陽照明である、請求項７に記載のシステム。
9. 前記固体相変化材料が、前記熱制御材料が第１の放射率を有する誘電状態と、前記熱制御材料が第２の放射率を有する金属状態との間で遷移することができ、前記第２の放射率が、前記第１の放射率よりも少なくとも２倍大きい、請求項１に記載のシステム。
10. 対象の波長範囲内で高い放射率を有する熱制御材料を提供するための方法であって、
    基板の第１の表面上に、フォトニック結晶、メタマテリアル、メタ表面、および多層膜のうちの１つを製作することと、
    固体相変化材料の層を前記基板の前記第１の表面に適用することと、
    反射材料の層を位置付け、前記固体相変化材料および前記反射材料によって境界付けられた光共振器を提供すること、ここで、前記反射材料は、前記光共振器の前記基板と反対側にある、とを含む、方法。
11. 前記基板中に温度感受性デバイスを少なくとも部分的に封入することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. フォトニック結晶、メタマテリアル、メタ表面、および多層膜のうちの１つを製作することが、前記基板をエッチングすることを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記基板の前記エッチングが、マイクロコーンのアレイを提供する、請求項１２に記載の方法。
14. フォトニック結晶、メタマテリアル、メタ表面、および多層膜のうちの１つを製作することが、前記基板上にリソグラフィでパターン化されたフィーチャおよびリソグラフィで成長したフィーチャのうちの１つを製作することを含む、請求項１０に記載の方法。
15. リソグラフィでパターン化され、かつリソグラフィで成長したフィーチャのうちの１つが、フォトニックメタマテリアルを提供する、請求項１４に記載の方法。