特許 7034294 輻射デバイスおよび放射冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-03

(45)【発行日】2022-03-11

(54)【発明の名称】輻射デバイスおよび放射冷却装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/20 20060101AFI20220304BHJP

   G02B 5/22 20060101ALI20220304BHJP

   F25B 23/00 20060101ALI20220304BHJP

   F25D 31/00 20060101ALI20220304BHJP

【ＦＩ】

G02B5/20

G02B5/22

F25B23/00

F25D31/00

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020533941

(86)(22)【出願日】2018-07-31

(86)【国際出願番号】 JP2018028674

(87)【国際公開番号】W WO2020026345

(87)【国際公開日】2020-02-06

【審査請求日】2021-02-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100136722

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】井上 武

(72)【発明者】

【氏名】金森 弘雄

(72)【発明者】

【氏名】大塚 節文

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼原 淳一

(72)【発明者】

【氏名】君野 和也

【審査官】▲うし▼田 真悟

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－９６５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０３１５４７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６７７２７０６（ＣＮ，Ａ）

【文献】Tianji Liu,etc.，Metasurface-based three dimensional sky radiator and auxiliary heat mirror，２０１６年＜第７７回＞応用物理学会秋季学術講演会[講演予稿集]，公益社団法人応用物理学会，2016年09月01日，０３－３７５

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／２０

Ｈ０５Ｋ ９／００

Ｈ０５Ｂ ３／１０

Ｆ２４Ｄ １９／００

Ｆ２５Ｂ ２３／００

Ｆ２５Ｄ ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に沿って互いに対向するよう配置された第１下面と第１上面を有する導電体層と、
前記導電体層の前記第１上面上に設けられた半導体層であって、前記第１上面に対面する第２下面と前記第２下面に対向する第２上面とを有する半導体層と、
互いに離間した状態で前記半導体層の前記第２上面上に設けられた複数の導電体ディスクと、
を備え、
前記複数の導電体ディスクは、前記第２上面上に設定された、同一面積および同一形状を有する複数の単位構成領域それぞれに同じ配置パターンが構成されるよう配置され、
前記複数の単位構成領域それぞれは、一辺が４．５μｍ以上かつ５．５μｍ以下の長さを有する矩形形状を有し、前記第２上面上で規定される互いに直交する第２および第３方向のそれぞれに沿って隣接する単位構成領域同士が共通する辺を有するよう、前記複数の単位構成領域を配置することにより、前記第２および第３方向のそれぞれに沿って周期性を有する前記配置パターンの二次元周期構造が構成され、
前記配置パターンは、前記矩形形状の第１辺に沿って３個の要素が並ぶとともに前記第１辺と直交する第２辺に沿って３個の要素が並ぶ３×３のマトリクスに対応するよう配置された９個の導電体ディスクにより構成され、
前記９個の導電体ディスクは、前記第２上面上において規定される直径が互いに異なる４種類以上の導電体ディスクを含む、
ことを特徴とする輻射デバイス。

【請求項2】

前記第１方向に沿って規定される、前記複数の導電体ディスクそれぞれの厚みは、前記導電体層の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の輻射デバイス。

【請求項3】

前記複数の導電体ディスクぞれぞれは、Ａｌからなることを特徴とする請求項１または２に記載の輻射デバイス。

【請求項4】

前記第１方向に沿って規定される、前記複数の導電体ディスクそれぞれの厚みは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の輻射デバイス。

【請求項5】

前記導電体層は、Ａｌからなることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の輻射デバイス。

【請求項6】

前記第１方向に沿って規定される、前記導電体層の厚みは、１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の輻射デバイス。

【請求項7】

前記９個の導電体ディスクは、最小直径を有する３個の導電体ディスクを含む一方、直径が互いに異なる７種以下の導電体ディスクを含むことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の輻射デバイス。

【請求項8】

前記矩形形状は、正方形状であることを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の輻射デバイス。

【請求項9】

請求項１～８の何れか一項に記載の輻射デバイスを含む放射冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、輻射デバイスおよびそれを含む放射冷却装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電磁波による熱エネルギーの輸送を「熱輻射」あるいは単に「輻射」と言い、熱エネルギーが蓄積された物質は、輻射によりプランクの法則で決まる波長の電磁波を放出している。また、金属と誘電体界面では、電子の集団的振動であるプラズモンが発生する。なお、光を含む電磁波に対して、元々の物質にはない振る舞いをする人工的なナノ・マイクロオーダーの微細構造を有するデバイスをメタマテリアルと言う。特に、メタマテリアルのうち、プラズモンが介在するデバイスをプラズモニックメタマテリアルと呼ぶ。

【0003】

上述のプラズモニックメタマテリアルにより輻射スペクトルを制御し、選択された波長を輻射する輻射デバイスが構成できることが知られている。このようなプラズモンを利用した輻射デバイスの典型的な構造として、金属層と、該金属層の上に形成された誘電体層と、該誘電体層の上に配置された所定の形状等を有する金属パターンを含む金属層と、で構成された積層構造が知られている。

【0004】

輻射デバイスの例としては、例えば特許文献１に開示されたように、貴金属－誘電体－貴金属の積層型メタマテリアルをベースに、特定の波長付近の光、電磁波を高効率で吸収する材料を製作することができる。また、特許文献１には、金属層１２と、金属層１２の上に形成された導電体層１４と、導電体層の上に形成された金属ディスク層１６を備え、金属ディスク層１６は、複数の円形導電体ディスク１６ａを含む、電磁波吸収および輻射デバイスの構造が開示されている。なお、特許文献１には、複数の円形導電体ディスク１６ａの直径によって吸収波長が変わることが記載されており、金属ディスク層１６に含まれる複数の導電体ディスク１６ａの直径を等しくすることにより、単一波長で輻射や吸収のピークを有する狭帯域の電磁波吸収および輻射デバイスが開示されている。

【0005】

また、プラズモニックメタマテリアルではないが、特許文献２には、輻射デバイスの応用例として、放射冷却装置が開示されている。この放射冷却装置は、大気の影響が小さく電磁波の透過率が高い波長域である、いわゆる「大気の窓」のうち８～１３μｍの波長域において高い吸収特性および輻射特性を有する輻射デバイスを利用し、波長８～１３μｍの電磁波に変換された熱を大気圏外に放射する。なお、「大気の窓」とは、大気の影響が小さく、光の透過率が高い波長域を意味し、０．２～１．２μｍ、１．６～１．８μｍ、２～２．５μｍ、３．４～４．２μｍ、４．４～５．５μｍ（４．５～５．５μｍ）、８～１４μｍ（８～１３μｍ）の各波長域が知られている。

【0006】

更に、非特許文献１には、放射冷却用途を目的として、銅層と、該銅層の上に形成されたアモルファスシリコン層と、該アモルファスシリコン層の上に形成されたディスク形状のパターンを含む銅層を備えた輻射デバイスが開示されている。ディスク形状の銅層には、輻射帯域を広げるため、直径の異なる８種類のディスク（直径８００～１３６０ｎｍ）が利用され、周期８μｍの単位領域に、５個×５個の合計２５個のディスクが並べられている。解析結果では、８～１３μｍの波長域で高い輻射特性が得られる旨記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】国際公開ＷＯ／２０１６／０３１５４７号公報

【文献】米国特許公開ＵＳ２０１５／０３３８１７５公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】T. Liu他、“Metasurface-based three dimensional sky radiator and auxiliary heat mirror” 第77回応用物理学会秋季学術講演会、講演番号15p-B4-13(2016)

【発明の概要】

【0009】

本開示の輻射デバイスは、導電体層と、半導体層と、複数の導電体ディスクを少なくとも備える。導電体層は、第１方向に沿って互いに対向するよう配置された第１下面と第１上面を有する。半導体層は、導電体層の第１上面上に設けられ、第１上面に対面する第２下面と該第２下面に対向する第２上面とを有する。導電体ディスクは、互いに離間した状態で半導体層の第２上面上に設けられる。また、複数の導電体ディスクは、第２上面上に設定された、同一面積および同一形状を有する複数の単位構成領域それぞれに同じ配置パターンが構成されるよう配置される。なお、複数の単位構成領域それぞれは、一辺が４．５μｍ以上かつ５．５μｍ以下の長さを有する矩形形状を有する。このような構造を有する複数の単位構成領域を、第２上面上で規定される互いに直交する第２および第３方向のそれぞれに沿って隣接する単位構成領域同士が共通する辺を有するよう配置することにより、第２および第３方向のそれぞれに沿って周期性を有する配置パターンの二次元周期構造（プラズモン周期構造）が第２上面上に構成される。配置パターンは、矩形形状の第１辺に沿って３個の要素が並ぶとともに該第１辺と直交する第２辺に沿って３個の要素が並ぶ３×３のマトリクスに対応するよう配置された９個の導電体ディスクにより構成される。更に、９個の導電体ディスクは、第２上面上で規定される直径が互いに異なる４種類以上の導電体ディスクを含む。

【0010】

また、本開示の放射冷却装置は、上述のような構造を有する輻射デバイスを含み、一例として、比較的熱伝導効率が高く、平滑な表面の形成が可能な材料からなる基板層上に、本実施形態に係る輻射デバイスが搭載される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本実施形態に係る放射冷却装置の概略構成を説明するための図である。

【図2】図２は、本実施形態に係る放射冷却装置のうち図１中に示された領域Ａの断面構造を示す図である。

【図3】図３は、半導体層上に設けられた導電体ディスクの配置パターンの二次元周期構造を説明するための平面図である。

【図4】図４は、単位構成領域Ｒにおける導電体ディスクの配置パターンを説明するための平面図である。

【図5】図５は、本実施形態に係る輻射デバイスの断面構造を示す図である。

【図6】図６は、導電体ディスクの基準配置パターンを有する輻射デバイスの吸収スペクトルである。

【図7】図７は、周期ピッチＰ（一辺の長さに一致）の異なるタイプＡ～Ｃの単位構成領域Ｒを示す図である。

【図8】図８は、図７に示されたタイプＡ～Ｃの単位構成領域Ｒに基づいて導電体ディスクの配置パターンの二次元周期構造がそれぞれ構成された輻射デバイスの複数サンプルの吸収スペクトルである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［本開示が解決しようとする課題］
本発明者らは、従来の輻射デバイスおよび放射冷却装置について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記非特許文献１では、プラズモンの効果を利用して大気圏外へ熱を放射する放射冷却装置を目指しているが、「大気の窓」のうち波長８～１３μｍの波長域のみ積極的に利用している。そのため、他の波長域に相当するエネルギーは輻射デバイス内にとどまってしまう。また、「大気の窓」以外の波長帯での輻射は、大気に吸収される。この場合、大気の再輻射を吸収することになり、冷却効率が悪化する原因となる。

【0013】

また、金属ディスク層を利用したメタマテリアルでは、吸収波長が導電体ディスクの直径に依存することが知られている。しかしながら、所望の吸収波長特性から複数の導電体ディスクの最適な直径と配置を逆算するのは難しく、通常は、ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain：有限差分時間領域法）法などに代表される電磁場解析を繰り返し行い、試行錯誤的によりよい設計値が求められる。そのため、８～１３μｍの波長域と他の「大気の窓」の双方の波長域に吸収特性を有する複数の導電体ディスクの直径と配置を求めることは困難であった。

【0014】

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、従来使用されていた「大気の窓」に相当する波長域に加え、別の「大気の窓」に相当する波長域の電磁波に熱エネルギーを選択的に変換可能な輻射デバイスおよび放射冷却装置を提供することを目的としている。

【0015】

［本開示の効果］
本開示によれば、「大気の窓」に相当する８～１３μｍの波長域と４．５～５．５μｍの波長域の双方の高精度の利用が可能になり、熱エネルギー放射効率が向上し得る。すなわち、当該輻射デバイスの積層構造内に閉じ込められたプラズモンの効果による共振モードが、８～１３μｍの波長域に相当する「大気の窓」の電磁波として、プラズモン周期構造により選択的に放出される。一方、プラズモン周期構造の周期（単位構成領域の一辺の長さで規定される導電体ディスクの周期ピッチ）が、互いに直交する２方向それぞれに沿って４．５～５．５μｍに調節される。そのため、当該プラズモン周期構造による回折の吸収ピークの利用（回折による吸収増強効果の利用）が可能になり、４．５～５．５μｍの波長域に相当する「大気の窓」の電磁波が選択的に放出され得る。

【0016】

[本開示の実施形態の説明]
本開示の輻射デバイスは、ナノ・マイクロオーダーの微細構造を持つ金属等を用いて、熱を電磁波（光）に変換するプラズモニックメタマテリアルであって、上記微細構造に周期構造（プラズモン周期構造）を与えるとともに該周期構造の周期を制御することにより、「大気の窓」における複数波長域の効率的な利用を可能にする。すなわち、本実施形態に係る輻射デバイスは、プラズモン周期構造による回折モードと、プラズモンに起因する共振モードとの双方を利用することにより、従来から利用されてきた８～１３μｍの波長域に加え、４．５～５．５μｍの波長域の電磁波に変換された熱も大気圏外に放射することを可能にする輻射デバイスである。最初に本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

【0017】

（１） 本実施形態に係る輻射デバイスは、導電体層と、半導体層と、複数の導電体ディスクを備える。導電体層は、第１方向に沿って互いに対向するよう配置された第１下面と第１上面を有する。半導体層は、導電体層の第１上面上に設けられ、第１上面に対面する第２下面と該第２下面に対向する第２上面とを有する。導電体ディスクは、互いに離間した状態で半導体層の第２上面上に設けられる。また、複数の導電体ディスクは、第２上面上に設定された、同一面積および同一形状を有する複数の単位構成領域それぞれが同じ配置パターンを有するよう配置される。なお、複数の単位構成領域それぞれは、一辺が４．５μｍ以上かつ５．５μｍ以下の長さを有する矩形形状を有する。このような構造を有する複数の単位構成領域を、第２上面上で規定される互いに直交する第２および第３方向のそれぞれに沿って隣接する単位構成領域同士が共通する辺を有するよう配置することにより、第２および第３方向のそれぞれに沿って周期性を有する配置パターンの二次元周期構造（プラズモン周期構造）が第２上面上に構成される。配置パターンは、矩形形状を構成する辺のうち互いに直交する一方の辺（第１辺）に沿って３個の要素が並ぶとともに他方の辺（第２辺）に沿って３個の要素が並ぶ３×３のマトリクスを構成するよう配置された９個の導電体ディスクにより構成される。更に、９個の導電体ディスクは、第２上面上で規定される直径が互いに異なる４種類以上の導電体ディスクを含む。なお、本明細書において、「矩形」とは、４つの内角が全て等しい、正方形を含む四角形を意味する。

【0018】

上述のように、本実施形態によれば、第２上面上で規定される互いに直交する第２および第３方向のそれぞれに沿って隙間なく複数の単位構成領域が第２上面上に配置される。これにより、該矩形を規定する４辺のうち１つの内角（直角）を挟んで隣接する２辺（上記第１および第２辺に相当）それぞれの長さに一致した周期ピッチを有する二次元周期構造、すなわち複数の導電体ディスクの配置パターンの二次元周期構造が得られる。なお、本明細書において「二次元周期構造」とは、互いに直交する２つの方向のそれぞれに沿って周期性を有する構造を意味する。つまり、単位構成領域の平面形状として１つの内角を挟んで隣接する辺の長さが異なる四角形が採用された場合、互いに直交する第２および第３方向のそれぞれに沿って異なる周期ピッチを有する二次元周期構造が第２上面上に形成されることになる。本実施形態は、このような二次元周期構造による回折モードと、プラズモンの効果による共振モードとの双方を利用し、波長８～１３μｍの大気の窓に相当する波長域の電磁波に加え、少なくとも波長４．５～５．５μｍの大気の窓に相当する波長域の電磁波の双方に対して、高い輻射率を有する輻射デバイスが得られる。特に、１つの内角を挟んで隣接する２辺の長さが異なる場合であっても、該隣接する２辺の長さが何れも４．５～５．５μｍの範囲内に収まる場合には、波長４．５～５．５μｍの大気の窓を有効に利用することが可能になる。また、本実施形態では、導電体層と導電体ディスクとの間に、誘電体層ではなく８μｍよりも短い波長域での吸収が少ない半導体層が配置される。これにより、大気の窓の波長域である中赤外域波長域での熱―電磁波変換特性が向上する。

【0019】

（２）本実施形態の一態様として、複数の導電体ディスクぞれぞれは、Ａｌからなるのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、導電体層は、Ａｌからなるのが好ましい。何れの場合も、層構成材料としてＡｌを利用すれば、当該輻射デバイスの製造コストを抑制することが可能になる。特に、複数の導電体ディスクと導電体層の双方がＡｌからなる場合、準備する層構成材料の種類を少なくできるため、当該輻射デバイスの製造コストを更に抑制することができる。

【0020】

（３）本実施形態の一態様として、上記第１方向に沿って規定される、複数の導電体ディスクそれぞれの厚みは、導電体層の厚みよりも薄いのが好ましい。具体的に、本実施形態の一態様として、複数の導電体ディスクそれぞれの厚みは、導電体ディスクそれぞれの形状の制御性を向上させるため、１００ｎｍ以下であるのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、第１方向に沿って規定される、導電体層の厚みは、電磁波の透過を防止するため、１００ｎｍ以上であるのが好ましい。

【0021】

（４）本実施形態の一態様として、１つの単位構成領域内に配置される９個の導電体ディスクは、最小直径を有する３個の導電体ディスクを含む一方、直径が互いに異なる７種以下の導電体ディスクを含むのが好ましい。この場合、単に直径の異なる４種類以上の導電体ディスクを含む場合と比較して、所望の輻射波長域における短波長側の輻射率を向上させることが可能になる。

【0022】

（５）本実施形態の一態様として、１つの内角を挟んで隣接する２辺の長さは互いに異なってもよい。これら隣接する２辺の長さが何れも４．５～５．５μｍの場合（２辺の長さの差が１μｍ以下）、波長４．５～５．５μｍの大気の窓を有効に利用することが可能になる。また、本実施形態の一態様として、単位構成領域の平面形状は、１つの内角を挟んで隣接する２辺の長さが等しい正方形状であってもよい。このように単位構成領域の平面形状が正方形状に設定された場合、当該輻射デバイスの偏波依存性を小さくすることが可能になる。

【0023】

（６）本実施形態に係る放射冷却装置は、上述のような構造を有する輻射デバイスを含む。当該放射冷却装置は、その一態様として、比較的熱伝導効率が高く、平滑な表面の形成が可能な材料からなる基板層上に、本実施形態に係る輻射デバイスが搭載される。また、輻射デバイスの半導体層表面は、複数の導電体ディスクの保護および外部光の反射を目的として、複数の導電体ディスクを覆うように表面保護層（反射膜）が設けられるのが好ましい。

【0024】

以上、この[本開示の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

【0025】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本実施形態に係る輻射デバイスおよび冷却装置の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0026】

図１は、本実施形態に係る放射冷却装置の概略構成を説明するための図であり、図２は、本実施形態に係る放射冷却装置のうち図１中に示された領域Ａの断面構造を示す図である。なお、各図はＸＹＺ直交座標系により表現されるものとする。

【0027】

図１に示されたように、本実施形態に係る放射冷却装置１００は、大気の窓波長帯に輻射率の高いスペクトルを有する輻射パネル等である。当該放射冷却装置１００は、基板層１１０上に輻射デバイス１００Ａ（本実施形態に係る輻射デバイス）が搭載された構造を有する。また、放射冷却装置１００は、特定波長域の電磁波を放出する装置表面（輻射デバイス１００Ａ側）が建物２００の外側に向けられる一方、装置裏面（基板層１１０側）が建物２００内において熱源２１０により温められた空気に直接的または間接的に接するよう、配置される。

【0028】

放射冷却装置１００は、建物２００内で温められた空気を吸収し、大気の窓波長域の電磁波２３０に変換して建物２００の外部へ放出する。大気の窓波長域を通じて宇宙との熱平衡を行うため、放射冷却装置１００は、熱エネルギーを失い温度が下がる。建物２００内の温められた空気は上述のように放射冷却装置１００の裏面に接しているため、該温められた空気は、一端蓄えた熱エネルギーを放射冷却装置１００へ移すことで冷却される。冷却された空気は建物２００内の自然対流２２０もしくは強制循環により屋内に還流されるため、本実施形態に係る放射冷却装置１００は冷房として機能し得る。

【0029】

具体的に、放射冷却装置１００は、図２に示されたように、Ｚ軸（第１の方向）に沿って互いに対向するよう配置された下面１１０ａおよび上面１１０ｂを有する基板層１１０と、該基板層１１０の上面１１０ｂ上に設けられた輻射デバイス１００Ａを備える。なお、基板層１１０の下面１１０ａは、装置裏面に相当する。基板層１１０は、比較的熱伝導効率が高く、平滑な表面の形成が可能な材料からなる。輻射デバイス１００Ａは、導電体層１２０と、半導体層１３０と、複数の導電体ディスク１５０を含む表面保護層１４０と、を備える。導電体層１２０は、基板層１１０の上面１１０ｂ上に設けられ、上面１１０ｂに対面する下面１２０ａと、該下面１２０ａに対向する上面１２０ｂと、を有する。半導体層１３０は、導電体層１２０の上面１２０ｂ上に設けられ、上面１２０ｂに対面する下面１３０ａと、該下面１３０ａに対向する上面１３０ｂと、を有する。複数の導電体ディスク１５０は、互いに離間した状態で、半導体層１３０の上面１３０ｂ上に配置されている。また、半導体層１３０の上面１３０ｂ上には、複数の導電体ディスク１５０の保護と装置外部からの光入射等を防止するため、該複数の導電体ディスク１５０を覆うように表面保護層（反射膜）１４０が設けられている。

【0030】

次に、半導体層１３０の上面１３０ｂ上に設けられる複数の導電体ディスク１５０の配置について、図３および図４を用いて説明する。なお、図３は、複数の導電体ディスク１５０の配置パターンの二次元周期構造を説明するための平面図であり、図４は、単位構成領域Ｒにおける導電体ディスク１５０の配置パターンを説明するための平面図である。

【0031】

図３に示されたように、複数の導電体ディスク１５０は、半導体層１３０の上面１３０ｂ面上に設定された、同一面積および同一形状を有する複数の単位構成領域Ｒそれぞれが同じ配置パターンを有するよう配置される。また、複数の単位構成領域Ｒそれぞれの平面形状には、１つの内角を挟んで隣接する２辺それぞれが４．５μｍ以上かつ５．５μｍ以下の長さを有する一方、該隣接する２辺の長さが互いに異なる矩形形状、または、該２辺の長さが等しい矩形形状（正方形状）が採用される。なお、以下の説明では、矩形形状の一例として、各単位構成領域Ｒが正方形状を有する場合について説明する。すなわち、図３の例では、複数の単位構成領域Ｒそれぞれは、一辺が４．５μｍ以上かつ５．５μｍ以下の長さを有する正方形状を有する。このような構造を有する複数の単位構成領域Ｒが、互いに隣接する単位構成領域同士が共通する辺を有するよう、すなわち、図３中に示された互いに直交するＸ軸とＹ軸の双方に沿って接触するよう、隙間なく上面１３０ｂ上に配置される。これにより、該上面１３０ｂ上に、複数の導電体ディスク１５０の配置パターンの二次元周期構造が構成される。この二次元周期構造は、中赤外波長域の電磁波を発生させる赤外プラズモン周期構造であり、単位構成領域Ｒの一辺の長さがこの二次元周期構造の周期ピッチＰに相当する。図３の例では、各単位構成領域Ｒにおける配置パターンは、正方形状を構成する辺のうち互いに直交する一方の辺に沿って３個の要素が並ぶとともに他方の辺に沿って３個の要素が並ぶ３×３のマトリクスを構成するよう配置された９個の導電体ディスクにより構成される。すなわち、Ｘ軸に平行に等間隔に設定された線ａ１～ａ３と、Ｙ軸に平行に等間隔に設定された線ｂ１～ｂ３との交点（格子点）Ｏそれぞれに、その中心が一致するよう対応する導電体ディスク１５０が配置される。

【0032】

また、１つの単位構成領域Ｒ内に配置された９個の導電体ディスクは、Ｙ軸またはＸ軸に沿った方向（第２の方向）で規定される直径が互いに異なる４種類以上の導電体ディスクを含む。図４の例では、単位構成領域Ｒ内に、９個の導電体ディスク１５０ａ～１５０ｉが、線ａ１～ａ３と線ｂ１～ｂ３の交点Ｏ上に互いに離間した状態で配置される。第１導電体ディスク１５０ａの直径は、０．９μｍである。第２導電体ディスク１５０ｂの直径は、１．１μｍである。第３導電体ディスク１５０ｃの直径は、０．９μｍである。第４導電体ディスク１５０ｄの直径は、１．４μｍである。第５導電体ディスク１５０ｅの直径は、１．５μｍである。第６導電体ディスク１５０ｆの直径は、１．２μｍである。第７導電体ディスク１５０ｇの直径は、０．９μｍである。第８導電体ディスク１５０ｈの直径は、１．３μｍである。第９導電体ディスク１５０ｉの直径は、１．０μｍである。すなわち、図４の例では、１つの単位構成領域Ｒ内に配置された９個の導電体ディスクは、最小直径（０．９μｍ）を有する３個の導電体ディスク１５０ａ、１５０ｃ、１５０ｇを含むとともに、直径が互いに異なる７種（０．９μｍ、１．０μｍ、１．１μｍ、１．２μｍ、１．３μｍ、１．４μｍ、１．５μｍ）の導電体ディスクを含む。なお、図４の例では、互いに隣接する導電体ディスクの中心間隔（すなわち、交点Ｏの間隔）は、１．７μｍであり、周期ピッチＰに相当する単位構成領域Ｒの一辺の長さは、５．１μｍに設定される。

【0033】

発明者らは、上記非特許文献１に開示されたように複数のディスクパターン（配置パターン）の組み合わせを周期的に並べると、その周期に依存した波長の電磁波の回折も起こることに着目した。通常回折が起こる波長と配置パターンの周期は概ね等しくなる。そのため、本実施形態では、周期を４．５～５．５μｍに設定することにより、従来から利用されている波長８～１３μｍの「大気の窓」とは異なる波長域４．５～５．５μｍの輻射も利用される。また、波長８～１３μｍでプラズモンの効果による輻射を発生させるには、上記非特許文献１に記載されているように、ディスク径は概ね１±０．５μｍ（０．５～１．５μｍ）の範囲に収まる。隣接するディスク間のスペースなども考慮すると、周期を４．５～５．５μｍの範囲内に設定する場合、１つの配置パターン（１つの単位構成領域当たり）が、３個×３個の合計９個のディスクで構成されるのが適当である。そこで、本実施形態に係る輻射デバイス１００Ａは、１つの配置パターンを構成する９個の導電性ディスク１５０ａ～１５０ｉの配置と直径の組み合わせで得られるプラズモンの共振モードにより、波長８～１３μｍの「大気の窓」での輻射特性を有する。更に、当該輻射デバイス１００Ａは、配置パターンの周期ピッチＰ（単位構成領域Ｒの一辺の長さに対応）を４．５～５．５μｍに設定することにより、回折モードに起因した波長４．５～５．５μｍの「大気の窓」でも輻射特性を有する。なお、輻射デバイスでは、吸収率が輻射率と等しくなるため、波長特性を示す場合にグラフの縦軸を吸収率（Absorptivity）で表す場合と、輻射率（Emissivity）で表す場合とがある。

【0034】

図５は、本実施形態に係る輻射デバイス１００Ａの断面構造を示す図である。具体的に、図５の断面構造は、図４中のＩ－Ｉ線で示された輻射デバイス１００Ａの断面に相当する。

【0035】

本実施形態に係る輻射デバイス１００Ａは、上述のように、例えばＳｉからなる基板層１１０の上面１１０ｂ上に搭載される。なお、実際に放射冷却装置１００として使用される場合は、図１に示されたように、基板層１１０（Ｓｉ基板）の下方に熱源２１０が設置されることになる。当該輻射デバイス１００Ａは、一例として、導電体層１２０に相当するＡｌ層と、該半導体層１３０に相当するＳｉ層と、表面保護層１４０に含まれる導電体ディスク１５０（１５０ｆ、１５０ｉ）に相当するＡｌディスク（Ａｌからなる導電体ディスク）と、を備える。

【0036】

Ｚ軸に沿って規定される導電体ディスク１５０（Ａｌディスク）の厚みＷ１は、形状の制御性をよくするため、３０～１００ｎｍ程度の薄さが好ましく、製造コストも抑制され得る。なお、厚みＷ１が変化すると輻射特性も若干変化するが、この範囲であれば波長８～１３μｍの波長域で十分な輻射率が得られる。また、Ｚ軸方向に沿って規定される導電体層１２０（Ａｌ層）の厚みＷ２は、１００～２００ｎｍ程度であるのが好ましい。Ａｌ層が薄すぎると、電磁波が透過してしまうためである。したがって、本実施形態において、厚みＷ２は、厚みＷ１よりも厚くなるよう設定されている。

【0037】

Ｚ軸に沿って２つのＡｌ層で挟まれている半導体層１３０（Ｓｉ層）に適用される材料としては、中赤外波長域において８μｍより短い波長域で吸収の少ないＳｉ、Ｇｅなどが好ましい。

【0038】

なお、導電体層１２０や導電体ディスク１５０（１５０ａ～１５０ｉ）の構成材料は、Ａｌの他、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕなども適用可能である。最下層に位置する基板層１１０の構成材料は、比較的熱伝導率が高く、平滑な表面を形成できる素材が適しており、例えば、Ｓｉ、ダイヤモンド、Ａｌなどが好ましい。導電体ディスク１５０ａ～１５０ｉそれぞれの直径は、０．８～１．５μｍの範囲でＦＤＴＤ法による解析を繰り返し、８～１３μｍの波長域で高い輻射率が得られる直径が選択される。

【0039】

上述のような構造を備えた輻射デバイス１００Ａは、以下のように製造される。すなわち、シリコン基板（基板層１１０）上に、厚さ１００ｎｍのＡｌ層と厚さ５００ｎｍのＳｉ層がスパッタリング法により連続製膜される。次に、リソグラフィ技術により厚さ１５０ｎｍのレジストパターンがＳｉ層上に形成された後、厚さ５０ｎｍのＡｌ層がスパッタリング法により製膜される。導電体ディスク１５０ａ～１５０ｉの形成寄与しない、Ａｌ層とレジストは、Ｎ－メチルピロリドンを用いたリフトオフ法により除去される。

【0040】

（輻射特性）
次に、ＦＤＴＤ法により形成された輻射特性について説明する。この輻射特性の計算は、単位構成領域Ｒを無限遠領域に敷き詰めた状態で、該無限遠領域の垂直上方から平面波を入射させる構成について実施された。なお、基板層１１０（Ｓｉ層）は本質的に影響を与えないため省略されている。

【0041】

図６は、導電体ディスクの基準配置パターンを有する輻射デバイスの吸収スペクトルである。なお、図６の吸収スペクトルにおいて、横軸は波長（μｍ）を示し、縦軸は、基準周期ピッチでの吸収率を示す。なお、縦軸の吸収率の値は、最大値を１として正規化されている。

【0042】

用意された単位構成領域Ｒの一辺（周期ピッチＰ）は、５．１μｍに設定されている。また、単位構成領域Ｒ内に配置される９個の導電体ディスクの直径は、全て１．２μｍに統一され、導電体ディスク間の中心間隔が１．７μｍに設定されている。

【0043】

図６から分かるように、周期ピッチＰに略一致した波長５μｍ付近で、０．７以上の吸収率が得られる帯域が約１μｍ確保できている。重ね合わせにより、８～１３μｍの波長域に相当する「大気の窓」での吸収率を得ることを考慮すると、直径の異なる４種類以上の導電体ディスクの組み合わせが好ましい。更に、複数の導電体ディスクのうち、直径の小さいディスクは入射光に対する有効面積も小さくなるため、複数の最小直径を有する導電体ディスクが単位構成領域Ｒ内に配置されるのが好ましい。例えば、図４の例では、最小直径０．９μｍを有す３個の導電体ディスク１５０ａ、１５０ｃ、１５０ｇが配置されている。

【0044】

図７は、周期ピッチＰ（一辺の長さに一致）の異なるタイプＡ～Ｃの単位構成領域Ｒを示す図である。タイプＡの単位構成領域Ｒでは、半導体層１３０上に構成される二次元周期構造の周期ピッチＰに相当する一辺が４．５μｍ、導電体ディスク間の中心間隔が１．５μｍに設定されている。タイプＢの単位構成領域Ｒでは、半導体層１３０上に構成される二次元周期構造の周期ピッチＰに相当する一辺が５．１μｍ、導電体ディスクの中心間隔が１．７μｍに設定されている。タイプＣの単位構成領域Ｒでは、半導体層１３０上に構成される二次元周期構造の周期ピッチＰに相当する一辺が５．５μｍ、導電体ディスクの中心間隔が１．８３３μｍに設定されている。また、タイプＡ～Ｃの単位構成領域Ｒの何れにも、図４に示された導電体ディスク１５０ａ～１５０ｉにそれぞれ対応する９個の導電体ディスクが配置されている。すなわち、タイプＡ～Ｃの単位構成領域Ｒの何れにも、直径が互いに異なる７種（０．９μｍ、１．０μｍ、１．１μｍ、１．２μｍ、１．３μｍ、１．４μｍ、１．５μｍ）の導電体ディスクを含み、そのうち３個の導電体ディスクが最小直径０．９μｍを有する。なお、図７中の各単位構成領域Ｒ内に示された数字が、各導電体ディスクの直径を示している。

【0045】

図８は、図７に示されたタイプＡ～Ｃの単位構成領域Ｒに基づいて導電体ディスク１５０の配置パターンの二次元周期構造がそれぞれ構成された輻射デバイスの複数サンプルの吸収スペクトルである。図８の吸収スペクトルにおいて、横軸は波長（μｍ）を示し、縦軸は、４．５μｍ（図７のタイプＡ）、５．１μｍ（図７のタイプＢ）、５．５μｍ（図７のタイプＣ）の周期ピッチＰそれぞれの吸収率を示す。なお、縦軸の各周期ピッチＰの吸収率の値は、最大値を１として正規化されている。この輻射特性の計算も、上述のように、単位構成領域Ｒを無限遠領域に敷き詰めた状態で、該無限遠領域の垂直上方から平面波を入射させる構成について実施された。なお、基板層１１０（Ｓｉ層）は本質的に影響を与えないため省略されている。

【0046】

図８中、破線で囲まれた領域Ｂ１は、「大気の窓」のうち４．５～５．５μｍの波長域を示し、領域Ｂ２は、「大気の窓」のうち８～１３μｍの波長域を示す。この図８から分かるように、タイプＡ～Ｃの何れが適用されたサンプルにおいても、領域Ｂ２に相当する８～１３μｍの波長域で大きい吸収率が得られる。同様に、領域Ｂ１に相当する４．５～５．５μｍの波長域においても、大きい吸収率が得られる。特に、領域Ｂ１では、周期ピッチＰの変化に伴い、回折による吸収ピークが変化している。このことから、周期ピッチＰ（単位構成領域Ｒの一辺の長さ）を制御することにより、４．５～５．５μｍの波長域に相当する「大気の窓」付近で大きな吸収を得ることが可能になる。

【符号の説明】

【0047】

１００…放射冷却装置（輻射パネル）、１００Ａ…輻射デバイス、１１０…基板層、１２０…導電体層、１３０…半導体層、１４０…表面保護層、１５０、１５０ａ～１５０ｉ…導電体ディスク。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】