WO2017163986A1 - 放射装置及び放射装置を用いた処理装置 - Google Patents

放射装置及び放射装置を用いた処理装置 Download PDF

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良夫 近藤
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Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a radiation device that emits radiation energy of a specific wavelength by using a meta-material structural layer.
  • JP-A-2015-198063 discloses an infrared heater (an example of a radiation device) using a metamaterial structure layer.
  • the infrared heater includes a heating element, and a micro-cavity forming body (an example of a metamaterial structure layer) disposed on the surface side of the heating element.
  • the thermal energy output from the heating element is emitted as radiant energy of a specific wavelength through the microcavity formation.
  • the heat energy output from the heat source can be radiated from the surface on the metamaterial structure layer side as radiation energy of a specific wavelength.
  • the thermal energy flowing out from the surface other than the surface on the metamaterial structural layer side is large, and there is a problem that a large thermal energy loss occurs.
  • the present specification provides a radiation device that can suppress thermal energy loss as compared to conventional radiation devices.
  • the radiation device disclosed herein is a radiation device that emits radiation energy of a specific wavelength range, and is disposed on the heat source and on the surface side of the heat source, and the heat energy input from the heat source is specified.
  • a heat source is disposed between the metamaterial structure layer and the back surface metal layer.
  • the emissivity of the back surface metal layer is made smaller than the emissivity of the metamaterial structure layer. For this reason, the heat energy loss from the back surface metal layer can be reduced, and the heat energy loss can be suppressed as compared with the conventional radiation device.
  • the above-mentioned “average emissivity” means the average emissivity in the entire wavelength region (0.7 ⁇ m to 1 mm) of infrared light. Therefore, even if the emissivity of the back surface metal layer is larger than that of the metamaterial structure layer in some wavelength regions, the average emissivity of the back surface metal layer is the average emissivity of the metamaterial structure layer in all infrared wavelength regions If smaller, it corresponds to the above-mentioned “average emissivity of back surface metal layer is made smaller than average emissivity of metamaterial structure layer”.
  • said "average emissivity” means the “average emissivity” measured when setting a back surface metal layer and a metamaterial structure layer as the same preset temperature. For this reason, when the temperature of the back surface metal layer and the temperature of the metamaterial structure layer differ when operating the radiation device, "average emissivity” is measured with the back surface metal layer as the set temperature, and the metamaterial structure layer is set. The “average emissivity” is measured as the temperature, and the magnitudes are compared by these measured "average emissivity”.
  • the above-mentioned "set temperature” can be, for example, the temperature of the metamaterial structure layer when the radiation device is operated at the rated output, or the temperature of the back surface metal layer.
  • the present specification discloses a novel processing apparatus that processes an object using the above-described radiation apparatus.
  • the processing apparatus disclosed in the present specification includes the above-mentioned radiation device disposed opposite to the object to be treated, a housing portion for housing the object to be treated and the radiation device, and one end thereof attached to the inner wall surface of the housing portion. And the other end is attached to a part of the radiation device, and the holding portion holds the radiation device in the housing.
  • the metamaterial structural layer of the radiation device faces the object to be treated.
  • the back metal layer of the radiation device faces the inner wall surface of the housing. And, a gap is provided between the back surface metal layer and the inner wall surface of the housing portion.
  • the above processing apparatus not only the heat energy loss due to radiation from the back surface metal layer can be suppressed, but also the heat energy loss due to heat conduction from the back surface metal layer can be suppressed. For this reason, processing of the to-be-processed object using a radiation apparatus can be performed efficiently.
  • the longitudinal cross-sectional view of the radiation apparatus of a present Example The principal part enlarged view which shows the structure of a MIM structure layer typically.
  • the figure for demonstrating an example of the heat balance of the radiation apparatus which concerns on an Example The figure for demonstrating an example of the heat balance of the radiation apparatus which concerns on a comparative example.
  • Sectional drawing which shows typically the structure of the processing apparatus using the radiation apparatus of a present Example Sectional drawing which shows typically the structure of the other processing apparatus using the radiation apparatus of a present Example.
  • the metamaterial structural layer may be disposed on the surface of the first support substrate.
  • the back surface metal layer may be disposed on the back surface of the second support substrate.
  • the heat source may be disposed between the first support substrate and the second support substrate.
  • the thermal conductivity of the second support substrate may be smaller than the thermal conductivity of the first support substrate. According to such a configuration, the heat energy flowing from the heat source to the second support substrate can be suppressed low, and the heat energy loss from the back surface metal layer can be suitably suppressed.
  • the first support substrate may be an AlN substrate.
  • the second support substrate may be an Al 2 O 3 substrate.
  • the back surface metal layer may be an Au layer. According to such a configuration, it is possible to preferably suppress the heat loss from the Au layer which is the back surface metal layer.
  • the thickness of the first support substrate may be smaller than the thickness of the second support substrate. According to such a configuration, the heat from the heat source easily flows to the first support substrate which is the substrate on the metamaterial structure layer side, and the heat energy from the heat source can be efficiently used.
  • the space in the storage unit is separated into a first space in which the object to be treated is stored and a second space in which the radiation device is stored.
  • a partition wall may further be provided.
  • the partition wall may transmit radiant energy of a specific wavelength. According to such a configuration, while it is possible to preferably suppress the temperature rise of the object to be treated, it is possible to perform the process of irradiating the object to be treated with radiation energy of a specific wavelength.
  • the drying processing of the object may be performed in the storage unit.
  • the radiation device 10 of the present embodiment is a radiation device (emitter) that emits radiation energy in a specific wavelength range within the entire wavelength range (0.7 ⁇ m to 1 mm) of infrared light.
  • the radiation device 10 has a laminated structure in which a plurality of layers are laminated, and the heat generating layer 16 (an example of a heat generating source) and a first support disposed on the surface side of the heat generating layer 16
  • the heat generating layer 16 is a layer that converts the input power energy into heat energy.
  • Various known heat generating layers can be used as the heat generating layer 16.
  • a heat generating line (conductive material) is formed by pattern printing on the surface of the second support substrate 18, or a carbon sheet heater Can be used.
  • the heat generating layer 16 is connected to an external power supply (not shown), and power energy is supplied from the external power supply. By controlling the amount of power energy supplied from the external power source, the amount of heat energy generated in the heat generating layer 16 is controlled. Since the heat generating layer 16 is disposed between the first support substrate 14 and the second support substrate 18, the heat energy generated in the heat generation layer 16 flows to the first support substrate 14 side and the second support substrate 18 side. It becomes.
  • the first support substrate 14 is in contact with the surface of the heat generating layer 16.
  • the first support substrate 14 can be formed of a material having a high thermal conductivity, and for example, an aluminum nitride (AlN) substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, or the like can be used.
  • AlN aluminum nitride
  • SiC silicon carbide
  • the first support substrate 14 and the heat generating layer 16 may be bonded using an adhesive or may be bonded (so-called pressure contact) by applying pressure between them using a casing or the like. It is also good.
  • a MIM (Metal-Insulator-Metal) structural layer 12 is a type of metamaterial structural layer and is formed on the surface of the first support substrate 14.
  • the MIM structural layer 12 radiates the thermal energy input from the heat generating layer 16 from the surface as radiant energy of a specific wavelength range. That is, the MIM structural layer 12 is configured to emit radiation energy of the peak wavelength and a narrow wavelength region (specific wavelength region) around the peak wavelength, and not to emit radiation energy other than the specific wavelength region. That is, the MIM structural layer 12 has high emissivity (for example, 0.85 to 0.9) at the peak wavelength, and has extremely low emissivity (0.1 or less) in wavelength regions other than the specific wavelength region. doing.
  • the average emissivity of the MIM structural layer 12 in the entire infrared wavelength range is 0.15 to 0.3.
  • a specific wavelength range for example, it may be adjusted to have a peak wavelength (for example, 5 to 7 ⁇ m) in a near infrared wavelength range (for example, 2 to 10 ⁇ m) and a half width of about 1 ⁇ m. it can.
  • the MIM structural layer 12 includes a first metal layer 26 formed on the surface of the first support substrate 14, an insulating layer 24 formed on the surface of the first metal layer 26, and an insulating layer 24.
  • a plurality of convex metal portions 22 formed on the surface are provided.
  • the first metal layer 26 can be formed of a metal such as gold (Au), aluminum (Al), molybdenum (Mo) or the like, and is formed of gold (Au) in this embodiment.
  • the first metal layer 26 is formed on the entire surface of the first support substrate 14.
  • the insulating layer 24 can be formed of an insulating material such as ceramics, and is formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) in this embodiment.
  • the insulating layer 24 is formed on the entire surface of the first metal layer 26.
  • the convex metal portion 22 is formed in a cylindrical shape by a metal such as gold (Au), aluminum (Al), molybdenum (Mo) or the like, and is formed by gold (Au) in this embodiment.
  • the convex metal portion 22 is formed on part of the surface of the insulating layer 24.
  • a plurality of convex metal portions 22 are disposed on the surface of the insulating layer 24 at intervals in the x and y directions.
  • the peak wavelength of the radiation energy emitted from the MIM structural layer 12 can be adjusted by adjusting the dimensions (diameter and height of the cylindrical shape) of the convex metal portion 22.
  • the MIM structural layer 12 described above can be manufactured using known nano-processing techniques.
  • the MIM structural layer 12 is used in the radiation device 10 of the present embodiment, a metamaterial structural layer other than the MIM structural layer may be used.
  • the microcavity structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2015-198063 may be formed on the surface of the first support substrate 14.
  • the second support substrate 18 is in contact with the back surface of the heat generating layer 16.
  • the second support substrate 18 can be formed of a material having a small thermal conductivity as compared to the thermal conductivity of the first support substrate 14.
  • an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) substrate can be used.
  • the second support substrate 18 and the heat generating layer 16 may be bonded using an adhesive or may be bonded (so-called pressure contact) by applying pressure between them using a casing or the like. It is also good.
  • the thickness of the second support substrate 18 is larger than the thickness of the first support substrate 14.
  • the thermal resistance of the second support substrate 18 is made larger than the thermal resistance of the first support substrate 14 by adjusting the thermal conductivity and the thickness. Therefore, the heat energy generated in the heat generating layer 16 flows more to the first support substrate 14 side than to the second support substrate 18 side.
  • the back surface metal layer 20 is disposed on the back surface of the second support substrate 18.
  • the back surface metal layer 20 is formed of a metal material with low emissivity (eg, gold (Au), aluminum (Al), etc.).
  • the back surface metal layer 20 is formed of gold (Au).
  • the average emissivity in the entire wavelength region of infrared rays of the back surface metal layer 20 is about 0.05. Therefore, the average emissivity of the back surface metal layer 20 is smaller than the average emissivity of the MIM structure layer 12.
  • the back surface metal layer 20 can be formed on the entire back surface of the second support substrate 18 using sputtering or the like.
  • the heat generating layer 16 converts the power energy into heat energy, and the heat energy is conducted from the heat generating layer 16 to the first support substrate 14 or the second support substrate 18.
  • the first support substrate 14 has a high thermal conductivity and a small thickness as compared with the second support substrate 18. Therefore, the heat energy conducted from the heat generating layer 16 to the first support substrate 14 is larger than the heat energy conducted from the heat generating layer 16 to the second support substrate 18. Therefore, the temperature of the first support substrate 14 is higher than the temperature of the second support substrate 18.
  • Thermal energy conducted to the first support substrate 14 is conducted (input) to the MIM structural layer 12.
  • the MIM structural layer 12 radiates thermal energy input from the first support substrate 14 from the surface as radiant energy of a specific wavelength range.
  • the heat energy conducted to the second support substrate 18 is conducted to the back surface metal layer 20 and radiated from the back surface of the back surface metal layer 20.
  • the emissivity of the back surface metal layer 20 is lowered, the amount of radiant energy radiated from the back surface metal layer 20 is suppressed.
  • the temperature of the second support substrate 18 becomes lower than the temperature of the first support substrate 14, and as a result, the temperature of the back surface metal layer 20 also becomes lower. Also by this, the amount of thermal energy radiated from the back surface metal layer 20 can be reduced.
  • the heat balance calculation in the case of heating the workpiece W (an example of the object to be processed) using the above-described radiation device 10 will be described with reference to FIG.
  • the radiation device 10 is disposed such that the MIM structural layer 12 faces downward, and the MIM structural layer 12 faces the workpiece W.
  • furnace walls 30a and 30b made of SUS are disposed. Further, air in the furnace is assumed to flow in the direction of the arrow in the space above and below the radiation device 10.
  • the heat balance calculation was performed under the condition that power energy was supplied to the heat generating layer 16 such that the surface temperature of the MIM structural layer 12 was 280 ° C.
  • the radiation device of the comparative example includes the first support substrate 14 and the MIM structural layer 12 as in the radiation device 10, but a ceramic heater 32 is used instead of the heat generating layer 16, and a ceramic heater The difference is that the second support substrate 18 and the back surface metal layer 20 are not disposed on the back side 32 (the upper side in FIG. 4) of 32.
  • the radiation device of the comparative example is also disposed to face the workpiece W, and furnace walls 34 d and 34 e formed of SUS are disposed on the left and right thereof.
  • the heat insulators 34 a, 34 b, 34 c are disposed on the back surface side (upper side in FIG. 4) of the radiation device of the comparative example, and the ceramic heater 32 is thermally insulated. Further, in order to prevent heat conduction from the ceramic heater 32, a space is formed between the ceramic heater 32 and the heat insulating material 34a.
  • the conditions of heat balance calculation were performed on the same conditions as the case of FIG. That is, the process was performed under the condition that power energy was supplied to the ceramic heater 32 so that the surface temperature of the MIM structural layer 12 was 280 ° C.
  • the thermal energy input to the ceramic heater 32 about 10% is radiated to the workpiece W as radiant energy, and about 10% is utilized for heating the workpiece W by convective heat transfer, and the remaining about The heat energy loss was 80%.
  • the breakdown of the heat energy loss was mainly the heat loss due to the heat conduction to the furnace walls 30a and 30b and the heat loss due to the heat conduction to the heat insulating materials 34b and 34c.
  • the processing apparatus shown in FIG. 5 includes a furnace body 40 (an example of a housing portion) and a plurality of radiation devices 10 housed in a space 46 in the furnace body 40.
  • the plurality of radiation devices 10 are arranged side by side at intervals in the transport direction of the work W.
  • the radiation device 10 is arranged such that the MIM structural layer faces downward. Accordingly, the back surface metal layer 20 of the radiation device 10 faces the inner wall surface 40 a of the furnace body 40.
  • the inner wall surface 40a can be formed of a material with high reflectance such as SUS.
  • Each of the plurality of radiation devices 10 is held on the inner wall surface 40 a of the furnace body 40 by holding members 44 a and 44 b (an example of a holding portion).
  • casings 42 a and 42 b are attached to the left and right ends of the radiation device 10.
  • the casings 42 a, 42 b are in contact with the radiation device 10 only at the end of the radiation device 10.
  • the upper end of the holding member 44a is fixed to the inner wall surface 40a, and the lower end of the holding member 44a is fixed to the casing 42a.
  • the upper end of the holding member 44b is fixed to the inner wall surface 40a, and the lower end of the holding member 44b is fixed to the casing 42b.
  • the radiation device 10 is held by the inner wall surface 40 a of the furnace body 40.
  • the back surface metal layer 20 of the radiation device 10 and the inner wall surface 40a are not in direct contact with each other, and a space 49 is formed between them.
  • the workpiece W is transported in the furnace body 40 along the arrow 48. Radiant energy of a specific wavelength range is radiated from each of the plurality of radiation devices 10 to the workpiece W transported in the furnace body 40. Further, the work W is heated by heat conduction by convection of air flowing in the furnace.
  • the end of the radiation device 10 is connected to the furnace body 40 via the casings 42a and 42b and the holding members 44a and 44b. Therefore, it is possible to effectively suppress the heat loss due to the heat conduction from the radiation device 10 to the furnace body 40.
  • the back surface metal layer 20 of the radiation device 10 and the inner wall surface 40 a of the furnace body 40 face each other with the space 49 interposed therebetween, heat loss due to radiation occurs from the back surface metal layer 20.
  • the emissivity of the back surface metal layer 20 is lowered, it is possible to suppress the heat loss due to the radiation from the back surface metal layer 20 to the inner wall surface 40a low.
  • a work W containing a flammable solvent eg, N-methyl-pyrrolidone, methyl isobutyl ketone, butyl acetate, toluene, etc.
  • a substrate having a coating layer the solvent is contained in the coating layer
  • the work W can be dried by evaporating only the solvent while keeping the temperature of the work W low. Since the solvent can be efficiently dried, the drying process can be performed in a short time with low power consumption.
  • the radiation device 10 of this embodiment can also be used in the processing device shown in FIG.
  • the space in the furnace 50 is divided by the muffle plate 58 (an example of a partition plate), and a space 56b for accommodating the radiation device 10 and the work W It differs greatly in that it is divided into the space 56a to be transported.
  • the furnace body 50 includes a main body portion 54 having a space 56 a which the work W transports, and a support beam 52 installed above the main body portion 54. The opening at the upper end of the main body 54 is closed by a muffle plate 58.
  • the muffle plate 58 is formed of a material that transmits the radiation energy of the specific wavelength range emitted from the radiation device 10.
  • the support beam 52 carries a plurality of radiation devices 10.
  • the holding structure for holding the radiation device 10 to the support beam 52 is similar to the holding structure in the processing device shown in FIG.
  • the radiation energy of the specific wavelength region emitted from each of the radiation devices 10 passes through the muffle plate 58 and is irradiated to the work W.
  • the work W is heated by this.
  • the muffle plate 58 is provided between the radiation device 10 and the work W, the transfer of thermal energy other than the radiation energy radiated from the radiation device 10 to the work W can be further suppressed. As a result, the temperature rise of the workpiece W can be further suppressed as compared with the processing apparatus shown in FIG.
  • the radiation device 10 of the present embodiment since the heat loss from the back surface metal layer 20 can be effectively suppressed, the radiation of more specific wavelength regions with less power energy can be performed. It can output energy. For this reason, energy saving and heat treatment (for example, drying treatment of a solvent) of the work W can be performed in a short time.

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Abstract

放射装置は、発熱源と、発熱源の表面側に配置され、発熱源から入力される熱エネルギーを特定の波長領域の放射エネルギーとして放射するメタマテリアル構造層と、発熱源の裏面側に配置された裏面金属層と、を備えている。裏面金属層の平均放射率は、メタマテリアル構造層の平均放射率よりも小さくされている。

Description

放射装置及び放射装置を用いた処理装置
　本明細書が開示する技術は、メタマテリアル（ｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌ）構造層を利用して特定の波長の放射エネルギーを放射する放射装置に関する。
　特開２０１５－１９８０６３号公報に、メタマテリアル構造層を利用した赤外線ヒーター（放射装置の一例）が開示されている。この赤外線ヒーターは、発熱体と、その発熱体の表面側に配置されたマイクロキャビティ形成体（メタマテリアル構造層の一例）を備えている。発熱体から出力される熱エネルギーは、マイクロキャビティ形成体を介することで、特定の波長の放射エネルギーとなって放射される。
　上述したように、メタマテリアル構造を利用した放射装置では、発熱源から出力される熱エネルギーを、特定の波長の放射エネルギーとしてメタマテリアル構造層側の面から放射することができる。しかし、従来の放射装置では、メタマテリアル構造層側の面以外の面から流出する熱エネルギーが大きく、大きな熱エネルギー損失が生じるという問題を有していた。本明細書は、従来の放射装置と比較して、熱エネルギー損失を抑制することができる放射装置を提供する。
　本明細書が開示する放射装置は、特定の波長領域の放射エネルギーを放射する放射装置であり、発熱源と、その発熱源の表面側に配置され、発熱源から入力される熱エネルギーを特定の波長領域の放射エネルギーとして放射するメタマテリアル構造層と、発熱源の裏面側に配置された裏面金属層と、を備えている。裏面金属層の平均放射率は、メタマテリアル構造層の平均放射率より小さくされている。
　上記の放射装置では、メタマテリアル構造層と裏面金属層の間に発熱源が配置されている。そして、裏面金属層の放射率が、メタマテリアル構造層の放射率より小さくされている。このため、裏面金属層からの熱エネルギー損失を小さくでき、従来の放射装置と比較して熱エネルギー損失を抑制することができる。
　ここで、上記の「平均放射率」は、赤外線の全波長領域（０．７μｍ～１ｍｍ）における平均放射率を意味する。したがって、一部の波長領域において裏面金属層の放射率がメタマテリアル構造層の放射率より大きくても、赤外線の全波長領域において、裏面金属層の平均放射率がメタマテリアル構造層の平均放射率よりも小さければ、上記の「裏面金属層の平均放射率は、メタマテリアル構造層の平均放射率よりも小さくされている。」に相当する。
　また、上記の「平均放射率」は、裏面金属層とメタマテリアル構造層を同一の設定温度としたときに計測される「平均放射率」を意味する。このため、放射装置を作動させたときに裏面金属層の温度とメタマテリアル構造層の温度が異なる場合は、裏面金属層を設定温度として「平均放射率」を測定し、メタマテリアル構造層を設定温度として「平均放射率」を測定し、これら測定された「平均放射率」によってその大小を比較することとなる。なお、上記の「設定温度」は、例えば、放射装置を定格出力で運転したときのメタマテリアル構造層の温度、又は、裏面金属層の温度とすることができる。
　また、本明細書は、上記の放射装置を利用して被処理物を処理する新規な処理装置を開示する。本明細書が開示する処理装置は、被処理物と対向して配置される上記の放射装置と、被処理物と放射装置とを収容する収容部と、その一端が収容部の内壁面に取付けられ、その他端が放射装置の一部に取付けられ、放射装置を収容部内で保持する保持部と、を備えている。放射装置のメタマテリアル構造層は被処理物と対向している。放射装置の裏面金属層は収容部の内壁面と対向している。そして、裏面金属層と収容部の内壁面との間には隙間が設けられている。
　上記の処理装置によれば、裏面金属層からの放射による熱エネルギー損失が抑制されるだけでなく、裏面金属層からの熱伝導による熱エネルギー損失も抑制することができる。このため、放射装置を用いた被処理物の処理を効率的に行うことができる。
本実施例の放射装置の縦断面図。 ＭＩＭ構造層の構造を模式的に示す要部拡大図。 実施例に係る放射装置の熱収支の一例を説明するための図。 比較例に係る放射装置の熱収支の一例を説明するための図。 本実施例の放射装置を利用した処理装置の構造を模式的に示す断面図。 本実施例の放射装置を利用した他の処理装置の構造を模式的に示す断面図。
　最初に、以下に説明する実施例の特徴を列記する。なお、ここに列記する特徴は、何れも独立して有効なものである。
（特徴１）　本明細書に開示の放射装置において、メタマテリアル構造層は、第１の支持基板の表面上に配置されていてもよい。裏面金属層は、第２の支持基板の裏面上に配置されていてもよい。発熱源は、第１の支持基板と第２の支持基板の間に配置されていてもよい。そして、第２の支持基板の熱伝導率は、第１の支持基板の熱伝導率よりも小さくてもよい。このような構成によると、発熱源から第２の支持基板に流れる熱エネルギーを低く抑えることができ、裏面金属層からの熱エネルギー損失を好適に抑制することができる。
（特徴２）　本明細書に開示の放射装置において、第１の支持基板は、ＡｌＮ基板であってもよい。第２の支持基板は、Ａｌ２Ｏ３基板であってもよい。裏面金属層は、Ａｕ層であってもよい。このような構成によると、裏面金属層であるＡｕ層からの熱損失を好適に抑制することができる。
（特徴３）　本明細書に開示の放射装置において、第１の支持基板の厚みは、第２の支持基板の厚みよりも小さくてもよい。このような構成によると、メタマテリアル構造層側の基板である第１支持基板に発熱源からの熱が流れ易くなり、発熱源からの熱エネルギーを効率的に利用することができる。
（特徴４）　本明細書に開示の放射装置を利用した処理装置において、収容部内の空間を、被処理物が収容される第１空間と、放射装置が収容される第２空間とに分離する仕切り壁をさらに備えていてもよい。仕切り壁は、特定の波長の放射エネルギーを透過してもよい。このような構成によると、被処理物の温度上昇を好適に抑制することができる一方で、特定の波長の放射エネルギーを被処理物に照射する処理を行うことができる。
（特徴５）　本明細書に開示の放射装置を利用した処理装置においては、収容部内で被処理物の乾燥処理が行われてもよい。
　本実施例の放射装置１０は、赤外線の全波長領域（０．７μｍ～１ｍｍ）内の特定の波長領域の放射エネルギーを放射する放射装置（エミッター）である。図１に示すように放射装置１０は、複数の層が積層された積層構造を有しており、発熱層１６（発熱源の一例）と、発熱層１６の表面側に配置された第１支持基板１４と、第１支持基板１４の表面側に配置されたＭＩＭ構造層１２と、発熱層１６の裏面側に配置された第２支持基板１８と、第２支持基板１８の裏面側に配置された裏面金属層２０と、を備えている。
　発熱層１６は、入力される電力エネルギーを熱エネルギーに変換する層である。発熱層１６としては、公知の種々の発熱層を用いることができ、例えば、発熱線（導電材）を第２支持基板１８の表面にパターン印刷して形成されたものや、あるいは、カーボンシートヒーターを用いることができる。発熱層１６は、図示しない外部電源と接続されており、外部電源から電力エネルギーが供給されるようになっている。外部電源から供給される電力エネルギー量が制御されることで、発熱層１６で発生する熱エネルギー量が制御されるようになっている。発熱層１６は第１支持基板１４と第２支持基板１８の間に配置されているため、発熱層１６で発生する熱エネルギーは、第１支持基板１４側と第２支持基板１８側に流れることとなる。
　第１支持基板１４は、発熱層１６の表面に接触している。第１支持基板１４は、熱伝導率の大きい材料によって形成することができ、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板等を用いることができる。第１支持基板１４と発熱層１６は、接着剤を用いて接着されていてもよいし、あるいは、ケーシング等を用いて両者の間に圧力を作用させることによって接合（いわゆる、圧接）されていてもよい。
　ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）構造層１２は、メタマテリアル構造層の一種であり、第１支持基板１４の表面に形成されている。ＭＩＭ構造層１２は、発熱層１６から入力される熱エネルギーを特定の波長領域の放射エネルギーとしてその表面から放射する。すなわち、ＭＩＭ構造層１２は、ピーク波長とその周辺の狭い波長領域（特定の波長領域）の放射エネルギーを放射し、特定の波長領域以外の放射エネルギーは放射しないように構成されている。すなわち、ＭＩＭ構造層１２は、ピーク波長において高い放射率（例えば、０．８５～０．９）を有し、特定の波長領域以外の波長領域では極めて低い放射率（０．１以下）を有している。このため、ＭＩＭ構造層１２の赤外線の全波長領域（０．７μｍ～１ｍｍ）における平均放射率は０．１５～０．３となっている。特定の波長領域としては、例えば、近赤外線の波長領域（例えば、２～１０μｍ）内にピーク波長（例えば、５～７μｍ）を有し、その半値幅が１μｍ程度となるように調整することができる。
　図２に示すようにＭＩＭ構造層１２は、第１支持基板１４の表面に形成された第１金属層２６と、第１金属層２６の表面に形成された絶縁層２４と、絶縁層２４の表面に形成された複数の凸状金属部２２を備えている。第１金属層２６は、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属によって形成することができ、本実施例では金（Ａｕ）によって形成されている。第１金属層２６は、第１支持基板１４の表面全体に形成されている。絶縁層２４は、セラミックス等の絶縁材料によって形成することができ、本実施例では酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されている。絶縁層２４は、第１金属層２６の表面全体に形成されている。凸状金属部２２は、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属によって円柱状に形成されており、本実施例では金（Ａｕ）によって形成されている。凸状金属部２２は、絶縁層２４の表面の一部に形成されている。凸状金属部２２は、絶縁層２４の表面にｘ方向及びｙ方向に間隔を空けて複数配置されている。凸状金属部２２の寸法（円柱形状の径及び高さ）を調整することで、ＭＩＭ構造層１２から放射される放射エネルギーのピーク波長を調整することができる。また、凸状金属部２２の配置パターン（隣接する凸状金属部２２の間隔等）を調整することで、上述した「特定の波長領域」の広狭等を調整することができる。上述したＭＩＭ構造層１２は、公知のナノ加工技術を用いて製作することができる。
　なお、本実施例の放射装置１０では、ＭＩＭ構造層１２を用いたが、ＭＩＭ構造層以外のメタマテリアル構造層を用いてもよい。例えば、特開２０１５－１９８０６３号公報に開示されているマイクロキャビティ構造を第１支持基板１４の表面に形成してもよい。
　第２支持基板１８は、発熱層１６の裏面に接触している。第２支持基板１８は、第１支持基板１４の熱伝導率と比較して熱伝導率の小さな材料によって形成することができ、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）基板等を用いることができる。第２支持基板１８と発熱層１６は、接着剤を用いて接着されていてもよいし、あるいは、ケーシング等を用いて両者の間に圧力を作用させることによって接合（いわゆる、圧接）されていてもよい。図１から明らかなように、第２支持基板１８の厚みは、第１支持基板１４の厚みよりも大きくされている。熱伝導率と厚みが調整されることで、第２支持基板１８の熱抵抗は、第１支持基板１４の熱抵抗よりも大きくされている。このため、発熱層１６で発生する熱エネルギーは、第２支持基板１８側よりも第１支持基板１４側に多く流れることとなる。
　裏面金属層２０は、第２支持基板１８の裏面に配置されている。裏面金属層２０は、放射率の低い金属材料（例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等）によって形成される。本実施例では、裏面金属層２０は、金（Ａｕ）によって形成されている。このため、裏面金属層２０の赤外線の全波長領域における平均放射率は約０．０５となっている。したがって、裏面金属層２０の平均放射率は、ＭＩＭ構造層１２の平均放射率よりも小さくされている。なお、裏面金属層２０は、第２支持基板１８の裏面全体にスパッタリング等を用いて形成することができる。
　上述した放射装置１０から特定の波長領域の放射エネルギー（赤外線）を放射するには、発熱層１６に電力エネルギーを供給する。これによって、発熱層１６が電力エネルギーを熱エネルギーに変換し、発熱層１６から第１支持基板１４又は第２支持基板１８に熱エネルギーが伝導する。ここで、第１支持基板１４は、第２支持基板１８と比較して、その熱伝導率が高く、また、その厚みが小さい。このため、発熱層１６から第１支持基板１４に伝導される熱エネルギーは、発熱層１６から第２支持基板１８に伝導される熱エネルギーよりも大きくなる。このため、第１支持基板１４の温度は、第２支持基板１８の温度よりも高くなる。
　第１支持基板１４に伝導される熱エネルギーは、ＭＩＭ構造層１２に伝導（入力）される。ＭＩＭ構造層１２は、第１支持基板１４から入力される熱エネルギーを特定の波長領域の放射エネルギーとしてその表面から放射する。一方、第２支持基板１８に伝導される熱エネルギーは、裏面金属層２０に伝導され、裏面金属層２０の裏面から放射される。ここで、裏面金属層２０の放射率は低くされていることから、裏面金属層２０から放射される放射エネルギー量が抑制される。また、上述したように、第２支持基板１８の温度は、第１支持基板１４の温度より低くなり、その結果、裏面金属層２０の温度も低くなる。これによっても、裏面金属層２０から放射される熱エネルギー量を低減することができる。
　ここで、上述した放射装置１０を用いてワークＷ（被処理物の一例）を加熱する場合の熱収支計算について、図３を用いて説明する。図３に示すように、放射装置１０は、ＭＩＭ構造層１２が下側に向くように配置され、ＭＩＭ構造層１２がワークＷと対向している。放射装置１０の左右には、ＳＵＳで形成された炉壁３０ａ，３０ｂが配置されている。また、放射装置１０の上下の空間には、炉内の空気が矢印の方向に流れているものとする。熱収支計算は、ＭＩＭ構造層１２の表面温度が２８０℃となるように発熱層１６に電力エネルギーを供給するという条件のもとで行った。計算の結果、発熱層１６に入力された熱エネルギーのうち、約２０％が放射装置１０から放射エネルギーとしてワークＷに放射され、また、約２０％が放射装置１０から対流伝熱によってワークＷの加熱に利用され、残りの約６０％が熱エネルギー損失となった。熱エネルギー損失の内訳は、放射装置１０から炉壁３０ａ，３０ｂへの熱伝導による熱損失と、放射装置１０の裏面金属層２０からの対流による熱損失が主な熱損失であった。すなわち、裏面金属層２０からの放射による熱損失は殆ど発生しなかった。
　次に、比較例の放射装置を用いてワークＷを加熱する場合の熱収支計算について、図４を用いて説明する。比較例の放射装置は、放射装置１０と同様に、第１支持基板１４及びＭＩＭ構造層１２を有しているが、発熱層１６の替わりにセラミックヒーター３２を用いている点、及び、セラミックヒーター３２の裏側（図４において上側）に第２支持基板１８や裏面金属層２０が配置されていない点が異なる。図４から明らかなように、比較例の放射装置もワークＷと対向して配置され、その左右にはＳＵＳで形成された炉壁３４ｄ，３４ｅが配置される。ただし、比較例の放射装置の裏面側（図４において上側）には、断熱材３４ａ，３４ｂ，３４ｃが配置され、セラミックヒーター３２の断熱が行われている。また、セラミックヒーター３２からの熱伝導を防止するため、セラミックヒーター３２と断熱材３４ａの間には空間が形成されている。熱収支計算の条件は、図３の場合と同一の条件で行った。すなわち、ＭＩＭ構造層１２の表面温度が２８０℃となるようにセラミックヒーター３２に電力エネルギーを供給するという条件のもとで行った。計算の結果、セラミックヒーター３２に入力された熱エネルギーのうち、約１０％が放射エネルギーとしてワークＷに放射され、また、約１０％が対流伝熱によってワークＷの加熱に利用され、残りの約８０％が熱エネルギー損失となった。熱エネルギー損失の内訳は、炉壁３０ａ，３０ｂへの熱伝導による熱損失と、断熱材３４ｂ，３４ｃへの熱伝導による熱損失が主な熱損失であった。
　上述した図３，４の熱収支計算より明らかなように、本実施例の放射装置１０（図３）では、裏面金属層２０からの熱損失が低く抑えられ、少ない電力エネルギーでワークＷを効率的に加熱することができる。一方、比較例の放射装置（図４）では、従来の一般的な考えに基づいて断熱材３４ａ～３４ｃを配置したとしても、その熱損失は大きく、より多くの電力エネルギーを必要とすることが判明した。
　次に、本実施例の放射装置１０を用いてワークを処理する処理装置の一例について、図５を用いて説明する。図５に示す処理装置は、炉体４０（収容部の一例）と、炉体４０内の空間４６に収容された複数の放射装置１０を備えている。複数の放射装置１０は、ワークＷの搬送方向に間隔を空けて並んで配置されている。放射装置１０は、ＭＩＭ構造層が下側を向くように配置されている。したがって、放射装置１０の裏面金属層２０は、炉体４０の内壁面４０ａと対向している。内壁面４０ａは、ＳＵＳ等の高反射率の材料で形成することができる。
　複数の放射装置１０のそれぞれは、保持部材４４ａ，４４ｂ（保持部の一例）で炉体４０の内壁面４０ａに保持されている。具体的には、放射装置１０の左右の両端部にはケーシング４２ａ，４２ｂが取付けられている。ケーシング４２ａ、４２ｂは、放射装置１０の端部でのみ放射装置１０と接触している。保持部材４４ａの上端は内壁面４０ａに固定され、保持部材４４ａの下端はケーシング４２ａに固定されている。同様に、保持部材４４ｂの上端は内壁面４０ａに固定され、保持部材４４ｂの下端はケーシング４２ｂに固定されている。これによって、放射装置１０が炉体４０の内壁面４０ａに保持されている。図５から明らかなように、放射装置１０の裏面金属層２０と内壁面４０ａとが直接接触することはなく、両者の間には空間４９が形成されている。
　上記の処理装置においてワークＷを加熱するためには、ワークＷを矢印４８に沿って炉体４０内を搬送する。炉体４０内を搬送されるワークＷには、複数の放射装置１０のそれぞれから特定の波長領域の放射エネルギーが放射される。また、炉内を流れる空気の対流による熱伝導によってワークＷが加熱される。ここで、放射装置１０は、その端部のみがケーシング４２ａ，４２ｂ及び保持部材４４ａ，４４ｂを介して炉体４０に接続されている。このため、放射装置１０から炉体４０への熱伝導による熱損失を効果的に抑制することができる。また、放射装置１０の裏面金属層２０と炉体４０の内壁面４０ａとは空間４９を挟んで対向するため、裏面金属層２０から放射による熱損失が生じる。しかしながら、裏面金属層２０の放射率は低くされているため、裏面金属層２０から内壁面４０ａへの放射による熱損失を低く抑えることができる。これらによって、図５に示す処理装置では、ワークＷに特定の波長領域の放射エネルギーを効率的に照射することができる。
　なお、ワークＷに特定の波長領域の放射エネルギーのみを照射すると、ワークＷの温度を低く抑えながら、特定の波長領域の放射エネルギーを吸収する物質のみを加熱することができる。例えば、可燃性の溶剤（例えば、Ｎ－メチル－ピロリドン、メチルイソブチルケトン、酢酸ブチル、トルエン等）を含んだワークＷ（例えば、塗布層を有する基板（塗布層に溶剤が含まれる））を乾燥処理する際に、溶剤が吸収する波長領域の放射エネルギーのみをワークＷに放射すれば、ワークＷの温度を低く抑えながら、溶剤のみを蒸発させ、ワークＷを乾燥することができる。溶剤を効率的に乾燥させることができるため、少ない消費電力で、かつ、短時間で乾燥処理を行うことができる。
　また、本実施例の放射装置１０は、図６に示す処理装置に用いることもできる。図６に示す処理装置では、図５に示す処理装置と異なり、炉体５０内の空間がマッフル板５８（仕切り板の一例）によって区切られ、放射装置１０を収容する空間５６ｂと、ワークＷが搬送される空間５６ａに分割されている点で大きく異なる。具体的には、図６に示すように、炉体５０は、ワークＷが搬送する空間５６ａを有する本体部５４と、本体部５４の上方に設置される支持ビーム５２を備えている。本体部５４の上端の開口は、マッフル板５８で塞がれている。マッフル板５８は、放射装置１０から放射される特定の波長領域の放射エネルギーを透過する材料によって形成されている。支持ビーム５２は、複数の放射装置１０を保持している。放射装置１０を支持ビーム５２へ保持する保持構造は、図５に示す処理装置における保持構造と同様となっている。
　図６に示す処理装置においても、各放射装置１０から放射される特定の波長領域の放射エネルギーは、マッフル板５８を透過してワークＷに照射される。これによって、ワークＷの加熱が行われる。また、放射装置１０とワークＷの間にマッフル板５８が設けられるため、放射装置１０から放射される放射エネルギー以外の熱エネルギーがワークＷに伝達されることをより抑制することができる。その結果、図５に示す処理装置と比較して、ワークＷの温度の上昇をより抑制することができる。
　上述した説明から明らかなように、本実施例の放射装置１０では、裏面金属層２０からの熱損失を効果的に抑制することができるため、少ない電力エネルギーでより多くの特定の波長領域の放射エネルギーを出力することができる。このため、省エネルギー、かつ、短時間でワークＷの加熱処理（例えば、溶剤の乾燥処理等）を行うことができる。
　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (7)

  1. 　特定の波長領域の放射エネルギーを放射する放射装置であり、
    　発熱源と、
    　前記発熱源の表面側に配置され、前記発熱源から入力される熱エネルギーを前記特定の波長領域の放射エネルギーとして放射するメタマテリアル構造層と、
    　前記発熱源の裏面側に配置された裏面金属層と、を備えており、
    　前記裏面金属層の平均放射率は、前記メタマテリアル構造層の平均放射率よりも小さくされている、放射装置。
  2. 　前記メタマテリアル構造層は、第１の支持基板の表面上に配置されており、
    　前記裏面金属層は、第２の支持基板の裏面上に配置されており、
    　前記発熱源は、前記第１の支持基板と前記第２の支持基板の間に配置されており、
    　前記第２の支持基板の熱伝導率は、前記第１の支持基板の熱伝導率よりも小さい、請求項１に記載の放射装置。
  3. 　前記第１の支持基板は、ＡｌＮ基板であり、
    　前記第２の支持基板は、Ａｌ２Ｏ３基板であり、
    　前記裏面金属層は、Ａｕ層である、請求項２に記載の放射装置。
  4. 　前記第１の支持基板の厚みは、前記第２の支持基板の厚みよりも小さい、請求項２又は３に記載の放射装置。
  5. 　被処理物を処理する処理装置であり、
    　前記被処理物と対向して配置される請求項１～４のいずれか一項に記載の放射装置と、
    　前記被処理物と前記放射装置とを収容する収容部と、
    　その一端が前記収容部の内壁面に取付けられ、その他端が前記放射装置の一部に取付けられ、前記放射装置を前記収容部内で保持する保持部と、を備えており、
    　前記放射装置の前記メタマテリアル構造層が前記被処理物と対向しており、
    　前記放射装置の前記裏面金属層が前記収容部の前記内壁面と対向しており、
    　前記裏面金属層と前記収容部の前記内壁面との間には隙間が設けられている、処理装置。
  6. 　前記収容部内の空間を、前記被処理物が収容される第１空間と、前記放射装置が収容される第２空間とに分離する仕切り壁をさらに備えており、
    　前記仕切り壁は、前記特定の波長の放射エネルギーを透過する、請求項５に記載の処理装置。
  7. 　前記収容部内で、前記被処理物の乾燥処理が行われる、請求項５又は６に記載の処理装置。
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