JPH06194518A

JPH06194518A - 放射冷却膜

Info

Publication number: JPH06194518A
Application number: JP34666692A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Hyakumura; 和司百村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】多層膜化によって放射冷却能力を高めた放射
冷却膜を安価で提供し得るようにする。【構成】放射冷却膜１は、Ａｌを基板としてＳｉ層お
よびＳｉ酸化物を具える多層膜であり、Ａｌ基板上に大
気側より膜厚ｄ２＝７９．６ｎｍのＳｉＯ₂ の第１層お
よび、膜厚ｄ１＝６８４．４ｎｍのＳｉの第２層を設け
て成る。この放射冷却膜は、ＳｉＯ₂ の第１層を膜厚３
０〜１８０ｎｍの範囲の値とし、Ｓｉの第２層を膜厚６
２０〜７４０ｎｍの範囲の値としているので、薄膜の性
能指数ηが良好な値（η＝２．２１０）になった。ま
た、第１層にＳｉＯ₂ を用いているため、良好な耐候性
を示した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放射冷却を行うことが
できる放射冷却膜に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】C.G.Granqvist 等は、Appl.Phys.Lett.,
36(2),139 'Surface for radiativecooling:Silicon mo
noxide films on aluminium'（以下、文献１）および、
J.Appl.Phys.,52(6),4205 'Radiative cooling to low
temperatures: Generalconsiderations and applicatio
n to selectiveiy emitting SiO films' （以下、文献
２）において、理想的な表面を構成した場合１００Ｗ／
ｍ² の冷却能力を有する放射冷却膜が得られることを明
らかにしている。また、周囲温度よりも４０℃程度低い
温度への冷却を実現することができる放射冷却膜とし
て、ＳｉＯ膜を提案している。このような放射冷却膜
は、エネルギーの得難い場所（砂漠、山岳地帯等）での
冷却や、砂漠等での造水への応用が考えられる他、屋根
材に使用して自然エネルギーを利用した冷房システムを
構成する応用が考えられる。

【０００３】上記２つの文献によれば、放射冷却膜が効
率的に放射冷却を行うためには、大気の熱輻射の強度が
小さくなる波長８〜１３μｍ（波数１２５０〜７６９ｃ
ｍ^-1）の領域（大気の窓領域）において反射率が小さ
く、それ以外の領域では反射率が大きくなるような薄膜
特性を有することが要求される。したがって、そのよう
な特性を放射冷却膜が有する場合には、この大気の窓領
域において物体からの熱輻射の放出が特に効果的に行わ
れる結果、大気から薄膜に入ってくる熱輻射よりも薄膜
から放出される熱輻射の方が大きくなり、大気の窓領域
を用いる効率的な放射冷却が可能になる。

【０００４】このような放射冷却膜の従来例としては、
例えば、前記文献１、２に記載されているように、Ａｌ
上に膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ膜を設けたものがある。
一般に、Ａｌは、図８（ａ）に示すようにその反射率は
赤外領域で非常に高いことから放射熱の断熱のための素
材として広く用いられているが、放射冷却を行うために
はさらに、波長８〜１３μｍ（波数１２５０〜７６９ｃ
ｍ^-1）の領域での反射率を小さくする必要があり、上記
のＳｉＯ膜はこれを実現するために提案されているもの
である。

【０００５】ＳｉＯ膜は、図８（ｃ）に示すように上記
大気の窓領域で高い吸収を有するため、それを利用して
反射防止を行うことができる。すなわち、通常の誘電体
膜の場合Ａｌからの反射光の強度が強いので、薄膜の干
渉作用によってそれを有効に打ち消すことは困難である
が、ＳｉＯ膜の場合は、ＳｉＯ膜を通過する際に光が減
衰するため、ＳｉＯ膜の空気接触面との干渉作用を利用
することにより反射防止が可能となる。ＳｉＯは、波長
９μｍ（波数１１００ｃｍ^-1）以上の波長域において吸
収を示し、波長１０μｍ（波数１０００ｃｍ^-1）で最大
の吸収となる。このようなＳｉＯが有する吸収特性と薄
膜の干渉特性とを組み合わせることにより、図９（ａ）
〜（ｃ）の特性を実現している。これらの図で（ａ），
（ｂ），（ｃ）は夫々入射角が２４．０９°、４５°、
６５．９°の場合を示し、ＲｐはＰ成分の反射率、Ｒｓ
はＳ成分の反射率である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、Ｓ
ｉＯが有する吸収特性を利用して放射冷却膜としての特
性を実現しているが、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように
大気の窓領域を越える波長１３〜１８μｍ（波数７６９
〜５５５ｃｍ^-1）の領域でＳｉＯの吸収特性のために反
射率を十分高くすることができず、十分な放射冷却効果
が得られない。

【０００７】本発明は、多層膜化によって放射冷却能力
を高めた放射冷却膜を安価で提供し得るようにすること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的のため、本発明
の放射冷却膜は、Ａｌを基板とし、Ｓｉ層およびＳｉ酸
化物を具えて成ることを特徴とし、その放射冷却膜は、
例えば、前記基板上に大気側より膜厚３０〜２２０ｎｍ
のＳｉＯ₂ の第１層および、膜厚６２０〜７５０ｎｍの
Ｓｉの第２層を具えるものであったり、前記基板上に大
気側より膜厚２３０〜４８０ｎｍのＳｉの第１層およ
び、膜厚２７０〜６７０ｎｍのＳｉＯの第２層を具える
ものであったり、前記基板上に大気側より膜厚３０〜１
８０ｎｍのＳｉＯ₂ の第１層および、膜厚５７０〜６８
０ｎｍのａ‐Ｓｉの第２層を具えるものであったり、前
記基板上に大気側より膜厚３０〜３２０ｎｍのＳｉＯの
第１層および、膜厚５４０〜７１０ｎｍのａ‐Ｓｉ（ア
モルファスシリコン）第２層を具えるものであったりす
る。

【０００９】

【作用】本発明の放射冷却膜は、Ａｌを基板としてＳｉ
層およびＳｉ酸化物を具える上記各放射冷却膜の多層膜
の構成により、後に詳述する図２（ａ）〜（ｄ）の特性
図に示すような高い放射冷却能力が安価で得られる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。図１（ａ）は本発明の放射冷却膜の第１実施
例の設計例を示す断面図である。本実施例の放射冷却膜
１は、Ａｌ基板上に大気側より膜厚ｄ２＝７９．６ｎｍ
のＳｉＯ₂ の第１層および、膜厚ｄ１＝６８４．４ｎｍ
のＳｉの第２層を設けて成る。一般に、Ｓｉ、ＳｉＯ₂
は夫々、赤外領域で３．４３程度、１．６〜２．７程度
の屈折率を有し、波長１０μｍ（波数１０００ｃｍ^-1）
の近傍の領域で吸収特性を示す。

【００１１】本実施例において、薄膜の素材をＳｉおよ
びＳｉＯ₂ に選定した理由は、安定な物質で薄膜を構成
することにより製造工程を簡略化することができ、放射
冷却膜のコストダウンの効果が期待できるからである。
また、上記両素材は共に安定な物質であることから良好
な耐候性を示すことも期待できる。ただし、Ｓｉおよび
ＳｉＯ₂ は単層膜では放射冷却膜としての良好な特性が
得られないが、多層膜として構成することにより、後述
のような放射冷却効果が得られる。

【００１２】放射冷却膜の設計に際しては、前記文献
１、２にも記載されているように、放射冷却の角度特性
を考慮する必要がある。すなわち、大気の窓の特性は、
鉛直（垂直）方向の放射（熱輻射）に対しては冷却効果
が高くなるが、鉛直方向から角度がずれるにつれて冷却
効果が低下する現象を示す。この現象に対処する方法の
１つとして、例えば図３に示すように、非結像光学系集
光ミラーを用いて鉛直方向（およびその近傍）の領域の
放射のみが選択放射面に入射するようにしたものがあ
り、その場合、鉛直方向の大気放射のみを用いることに
よって十分な放射冷却効果が期待できる。しかし、ミラ
ー面での反射により、選択放射面には入射角度の大きい
放射が入射するようになることから、鉛直方向の入射に
対する特性を考慮するだけでは不十分であり、選択放射
面から半球方向への放射特性をも考慮する必要がある。

【００１３】上述のような観点から、まず鉛直方向の入
射に対する特性を考慮して薄膜の概略構成を決定し、次
に斜め入射光に対する特性を考慮して、例えば所定のパ
ラメータ（膜厚、反射率等）に基づく評価関数を有する
図示しない評価プログラムの実行によって、目標値に近
づくように各値を自動補正することにより、図１（ａ）
の構成の放射冷却膜を設計した。

【００１４】次に、薄膜の性能評価について説明する。
なお、薄膜の設計および評価においては、ＳｉＯの光学
定数として前記文献１、２中のグラフから求めた光学定
数を用い、Ｓｉ、ＳｉＯ₂ 、Ａｌの光学定数について
は、Edward D.Paric(ed,) のHandBook of Optical Cons
tants of Solids,1985のデータを用いた。また、薄膜の
評価は、図８（ａ）〜（ｅ）に各物質（Ａｌ、Ｓｉ、Ｓ
ｉＯ、ＳｉＯ₂ 、ａ‐Ｓｉ）毎の屈折率ｎおよび吸収係
数ｋの特性を示すように、波長５〜３０μｍ（波数２０
００〜３３３ｃｍ^-1）の領域で実施した。

【００１５】前記文献２には、放射冷却膜の放射冷却能
力の評価指標として次式の分光放射率が定義されてい
る。

【数１】ｅ_s（θ，λ）＝１−Ｒ（θ，λ）・・（１）ここで、Ｒ（θ，λ）は面の波長λ、入射角θにおける
反射率である。この場合、放射率は次式で表わされる。

【数２】ここで、Taは周囲温度、Ｗ（λ，Ta）は黒体の輻射を表
わすプランクの式である。この場合、半球方向の平均放
射率ｅ_s ^Hは次式で表わされる。

【数３】以上の各式から面の全波長領域での平均放射率を計算す
ることができる。

【００１６】さらに、以上の定義において波長域を８〜
１３μｍ（１２５０〜７６９ｃｍ^-1）とした半球方向の
平均放射率をｅ_s2 ^Hとして、ｅ_s ^Hとｅ_s2 ^Hとの比をη
と定義する。すなわち、

【数４】η＝ｅ_s2 ^H／ｅ_s ^H ・・（４）ここで、ηは表面の全波長領域の放射率に対する大気の
窓領域での放射率の比を表わしており、薄膜の性能指数
として用いられる（文献２参照のこと）。この数値が大
きいほど低温側への冷却が可能となる（冷却能力が高く
なる）。

【００１７】上記（１）〜（４）式を用いて上記大気の
窓領域での薄膜の冷却能力を評価すると、前記文献記載
の薄膜はη＝１．９１程度であるのに対し、本発明の薄
膜は、η＝２．１０〜２．２１程度となり、特性が改善
されていることが分かる。なお、上記評価は、周囲温度
２９４Ｋ、波長域５〜３０μｍ（波数２０００〜３３３
ｃｍ^-1）を前提としており、入射角０〜９０°を２０区
間に分割して各々の区間のη（θ）を求め、それらから
ηを求めた。

【００１８】次に、上記第１実施例の放射冷却膜の性能
評価について説明する。図１（ａ）の構成の放射冷却膜
は、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°について
波数とＲｐ（Ｐ成分の反射率）、Ｒｓ（Ｓ成分の反射
率）との間の関係を示す、図４（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うな良好な特性が得られた。また、第１層、第２層の膜
厚ｄ２，ｄ１をパラメータとして第１層をＸ軸、第２層
をＹ軸として性能指数ηを表わすと、図２（ａ）に示す
ような特性が得られた。この特性は、パラメータとして
第１層、第２層の膜厚ｄ２，ｄ１を用いてηの値を等高
線で表わしたものであり、膜厚の広い範囲（ＳｉＯ₂ の
第１層の膜厚が３０〜２２０ｎｍで、Ｓｉの第２層の膜
厚が６２０〜７５０ｎｍの範囲）について良好なηの値
を示している（この範囲は、請求項２記載の範囲を完全
にカバーしている）。そして、ｄ２＝７９．６ｎｍ、ｄ
１＝６８４．４ｎｍの第１実施例の構成はη＝２．２１
０の良好な値を示した。

【００１９】また、上記従来技術で用いているＳｉＯ
は、蒸着速度、圧力によって屈折率が大きく変化する特
性があるため、高度な工程管理が必要となり、放射冷却
膜のコストアップを招くが、本実施例の製膜条件では厳
密な膜厚の管理は要求されず、コストダウンになる。さ
らに、放射冷却膜として上記従来技術で用いているＳｉ
ＯはＳｉの化合物としては安定しておらず、野外利用等
によって酸化されてＳｉＯ₂ になり易い傾向があるた
め、耐候性の点で有利な材料とは言えないが、本実施例
では最外層にＳｉＯ₂ 層を有しているため、経年劣化に
よってＳｉＯ₂ 層が酸化されて厚くなった場合でも良好
な熱放射特性を維持することができ、耐候性が優れてい
る。

【００２０】図１（ｂ）は本発明の放射冷却膜の第２実
施例の設計例を示す断面図である。本実施例の放射冷却
膜２は、Ａｌ基板上に大気側より膜厚ｄ２＝３４０．０
ｎｍのＳｉの第１層および、膜厚ｄ１＝４６０．０ｎｍ
のＳｉＯの第２層を設けて成る。本実施例において薄膜
の素材をＳｉおよびＳｉＯに選定した理由は、上記第１
実施例よりもＳｉＯの使用によって製造条件が厳しくな
るが、膜厚の広い範囲において後述するように良好な放
射冷却能力が得られ、かつ第１層にＳｉを用いているの
で従来例よりも耐候性の高い放射冷却膜が得られるから
である。

【００２１】次に、上記第２実施例の放射冷却膜の性能
評価について説明する。図１（ｂ）の構成の放射冷却膜
は、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°について
波数とＲｐ（Ｐ成分の反射率）、Ｒｓ（Ｓ成分の反射
率）との間の関係を示す、図５（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うな良好な特性が得られた。また、第１層、第２層の膜
厚ｄ２，ｄ１をパラメータとして第１層をＸ軸、第２層
をＹ軸として性能指数ηを表わすと、図２（ｂ）に示す
ような特性が得られた。この特性は、パラメータとして
第１層、第２層の膜厚ｄ２，ｄ１を用いてηの値を等高
線で表わしたものであり、Ｓｉの第１層の膜厚が２３０
〜４８０ｎｍで、ＳｉＯの第２層の膜厚が２７０〜６７
０ｎｍの範囲について良好なηの値を示している（この
範囲は、請求項３記載の範囲を完全にカバーしてい
る）。そして、ｄ２＝３４０．０ｎｍ、ｄ１＝４６０．
０ｎｍの第２実施例の構成はη＝２．２０６の良好な値
を示した。さらに、本実施例では最外層にＳｉ層を有し
ているため、優れた耐候性を有している。

【００２２】図１（ｃ）は本発明の放射冷却膜の第３実
施例の設計例を示す断面図である。本実施例の放射冷却
膜３は、第１実施例の第２層の結晶Ｓｉをａ‐Ｓｉ（ア
モルフォスシリコン）に置き換えたものであり、Ａｌ基
板上に大気側より膜厚ｄ２＝８０．０ｎｍのＳｉＯ₂ の
第１層および、膜厚ｄ１＝６２０．０ｎｍのａ‐Ｓｉの
第２層を設けて成る。本実施例において薄膜の素材をＳ
ｉＯ₂ およびａ‐Ｓｉに選定した理由は、上記第１実施
例と同様に、安定な物質で薄膜を構成することにより製
造工程を簡略化することができ、放射冷却膜のコストダ
ウンの効果が期待できるからである。また、上記両素材
は共に安定な物質であることから良好な耐候性を示すこ
とも期待できる。

【００２３】次に、上記第３実施例の放射冷却膜の性能
評価について説明する。図１（ｃ）の構成の放射冷却膜
は、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°について
波数とＲｐ（Ｐ成分の反射率）、Ｒｓ（Ｓ成分の反射
率）との間の関係を示す、図６（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うな良好な特性が得られた。また、第１層、第２層の膜
厚ｄ２，ｄ１をパラメータとして第１層をＸ軸、第２層
をＹ軸として性能指数ηを表わすと、図２（ｃ）に示す
ような特性が得られた。この特性は、パラメータとして
第１層、第２層の膜厚ｄ２，ｄ１を用いてηの値を等高
線で表わしたものであり、ＳｉＯ₂ の第１層の膜厚が３
０〜１８０ｎｍで、ａ‐Ｓｉの第２層の膜厚が５７０〜
６８０ｎｍの範囲について良好なηの値を示している
（この範囲は、請求項４記載の範囲を完全にカバーして
いる）。そして、ｄ２＝８０．０ｎｍ、ｄ１＝６２０．
０ｎｍの第３実施例の構成はη＝２．２０９の良好な値
を示した。

【００２４】また、本実施例の製膜条件では、膜厚の許
容範囲が第１実施例よりもやや狭いもののａ‐Ｓｉの方
が製造し易い利点がある上に、第１実施例とほぼ同等の
特性および作用効果が得られる。

【００２５】図１（ｄ）は本発明の放射冷却膜の第４実
施例の設計例を示す断面図である。本実施例の放射冷却
膜４は、Ａｌ基板上に大気側より膜厚ｄ２＝１２０．０
ｎｍのＳｉＯの第１層および、膜厚ｄ１＝６３０．０ｎ
ｍのａ‐Ｓｉの第２層を設けて成る。本実施例において
薄膜の素材をＳｉおよびＳｉＯに選定した理由は、膜厚
の広い範囲において良好な放射冷却能力が得られるから
である。なお、この第４実施例は、第１層にＳｉＯを用
いているので、耐候性に関しては上記従来例と同等程度
である。

【００２６】次に、上記第４実施例の放射冷却膜の性能
評価について説明する。図１（ｄ）の構成の放射冷却膜
は、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°について
波数とＲｐ（Ｐ成分の反射率）、Ｒｓ（Ｓ成分の反射
率）との間の関係を示す、図７（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うな良好な特性が得られた。また、第１層、第２層の膜
厚ｄ２，ｄ１をパラメータとして第１層をＸ軸、第２層
をＹ軸として性能指数ηを表わすと、図２（ｄ）に示す
ような特性が得られた。この特性は、パラメータとして
第１層、第２層の膜厚ｄ２，ｄ１を用いてηの値を等高
線で表わしたものであり、ＳｉＯの第１層の膜厚が３０
〜３２０ｎｍで、ａ‐Ｓｉの第２層の膜厚が５４０〜７
１０ｎｍの範囲について良好なηの値を示している（こ
の範囲は、請求項５記載の範囲を完全にカバーしてい
る）。そして、ｄ２＝１２０．０ｎｍ、ｄ１＝６３０．
０ｎｍの第２実施例の構成はη＝２．２４８という最も
良好な値を示した。

【００２７】なお、図４、５、６、７（ａ）〜（ｃ）に
示す上記各実施例では、図９（ａ）〜（ｃ）の従来技術
の設計例の入射角度の増加につれて３３３〜８００（ｃ
ｍ^-1）の近傍の領域の反射率が低下する傾向が著しく改
善されていることから、斜入射光に対しても高い効果が
得られることになる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ａ
ｌを基板としてＳｉ層およびＳｉ酸化物を具える上記各
放射冷却膜の多層膜の構成により、図２（ａ）〜（ｄ）
の特性図に示すような高い放射冷却能力が安価で得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は夫々、本発明の放射冷却膜の
第１〜４実施例の設計例を示す断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は夫々、上記第１〜４実施例に
おいて第１層、第２層の膜厚をパラメータとして性能指
数を等高線で表わした特性図である。

【図３】第１実施例に用いる非結像光学系集光ミラーを
例示する図である。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は夫々、上記第１実施例におい
て、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°について
波数とＰ成分の反射率、Ｓ成分の反射率との間の関係を
示す特性図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は夫々、上記第１実施例におい
て、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°について
波数とＰ成分の反射率、Ｓ成分の反射率との間の関係を
示す特性図である。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は夫々、上記第１実施例におい
て、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°について
波数とＰ成分の反射率、Ｓ成分の反射率との間の関係を
示す特性図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は夫々、上記第１実施例におい
て、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°について
波数とＰ成分の反射率、Ｓ成分の反射率との間の関係を
示す特性図である。

【図８】（ａ）〜（ｅ）は夫々、波長５〜３０μｍ（波
数２０００〜３３３ｃｍ^-1）の領域においてＡｌ、Ｓ
ｉ、ＳｉＯ、ＳｉＯ₂ 、ａ‐Ｓｉ毎の屈折率および吸収
係数の特性を示す特性図である。

【図９】（ａ）〜（ｃ）は夫々、ＳｉＯを用いる従来技
術において、入射角２４．０９°、４５°、６５．９°
について波数とＰ成分の反射率、Ｓ成分の反射率との間
の関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１放射冷却膜２放射冷却膜３放射冷却膜４放射冷却膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌを基板とし、Ｓｉ層およびＳｉ酸化
物を具えて成ることを特徴とする放射冷却膜。
【請求項２】前記基板上に大気側より膜厚３０〜２２
０ｎｍのＳｉＯ₂ の第１層および、膜厚６２０〜７５０
ｎｍのＳｉの第２層を具えて成ることを特徴とする、請
求項１記載の放射冷却膜。
【請求項３】前記基板上に大気側より膜厚２３０〜４
８０ｎｍのＳｉの第１層および、膜厚２７０〜６７０ｎ
ｍのＳｉＯの第２層を具えて成ることを特徴とする、請
求項１記載の放射冷却膜。
【請求項４】前記基板上に大気側より膜厚３０〜１８
０ｎｍのＳｉＯ₂ の第１層および、膜厚５７０〜６８０
ｎｍのａ‐Ｓｉの第２層を具えて成ることを特徴とす
る、請求項１記載の放射冷却膜。
【請求項５】前記基板上に大気側より膜厚３０〜３２
０ｎｍのＳｉＯの第１層および、膜厚５４０〜７１０ｎ
ｍのａ‐Ｓｉの第２層を具えて成ることを特徴とする、
請求項１記載の放射冷却膜。