JP2023005106A - 熱輻射素子、熱輻射素子モジュール、及び熱輻射光源 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の熱輻射素子と比較して、エネルギー効率を高めること。【解決手段】熱輻射素子（１）は、基板（１４）と、基板（１４）の一方の主面を覆う第１の導体層（導体層１３）と、絶縁体層（１２）と、第２の導体層（導体層１１）と、がこの順番で積層されたプラズモニック完全吸収体（１０）と、を備え、第１の導体層（導体層１３）には、第１の導体層（１３）の主面の面内方向に電流を流す電極（電極パッド１３２，１３３）が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、熱輻射素子に関する。また、本発明は、熱輻射素子を備えた熱輻射素子モジュール及び熱輻射光源にも関する。

近年、材料表面へ微細構造を形成することで、材料に依存しない光学特性を得る技術が広く研究されている。微細構造の１つにプラズモニック構造体があり、プラズモニック構造体の１つとして、プラズモニック完全吸収体が報告されている。プラズモニック完全吸収体は、プラズモニック構造体のうち特定の波長帯域で高い吸収率を有するものである。プラズモニック完全吸収体は、導体－絶縁体－導体が積層された共振器構造であり、ＭＩＭ（metal-insulator-metal）構造とも呼ばれる。

キルヒホッフの法則によれば、不透明な媒体において放射率は吸収率に等しい。そのため、ＭＩＭ構造を用いて、材料表面における放射率を制御できることも報告されている。放射率とは、実在面と黒体面との放射強度の比により表される。プランクの法則より、黒体面における熱放射が定められ、これに放射率を乗じたものが、実在面における熱放射である。なお、熱放射は、黒体やＭＩＭ構造などの物体の温度に応じて、物体の熱エネルギーが電磁波として放出される現象である。以下において、特に断りなく放射という場合、熱放射を意味する。

放射率制御に関する先行技術文献として、例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１には、ＭＩＭ構造を用いた放射率の波長制御により、狭帯域な赤外線の熱放射を行う技術である。

また、特許文献２に記載されているように、ＭＩＭ構造を用いた放射率制御の技術を適用した熱放射光源が知られている。特許文献２は、表層に酸化を抑制する層を用いることで、大気中で動作させた場合に生じ得るＭＩＭ構造の酸化を抑制する技術である。

ところで、特許文献１の図１の（ｂ）及び特許文献２の図１に示されているように、ＭＩＭ構造は、基板（特許文献１においては下地）上に積層されている。以下において、基板と、基板上に積層されたＭＩＭ構造とをまとめて熱輻射素子と称する。

このような熱輻射素子を用いて熱放射を利用するためには、ＭＩＭ構造を所定の動作温度へ加熱することが必須である。動作温度が高いほど、熱放射の強度は高くなる上、短波長側の輻射を放射する。温度とは熱エネルギーの収支である。熱エネルギーの損失量に対して投入量が多くなるほど、温度が高くなる。同じ材料が同じエネルギーを保有する時、温度上昇量は体積によって異なる。物体の温度を１℃上げるのに必要な熱エネルギーは、熱容量Ｃ［Ｊ／℃］、比熱ｃ［Ｊ／ｋｇ・℃］、密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］、及び体積Ｖ［ｍ^３］として式（１）の通りに定義される。
Ｃ＝ｃ×ρ×Ｖ ・・・（１）

特開２０１８－１３６５７６号公報 特開２０２０－６４８２０号公報

上述した特許文献２には、熱輻射光源においてＭＩＭ構造を加熱する方法として、基板に通電することにより基板を自己発熱させる方法と、外部加熱部（例えばヒーター）を用いて基板及びＭＩＭ構造を外部加熱する方法とが記載されている。これらのいずれの方法においても、ＭＩＭ構造を加熱する場合の伝熱経路は、基板を経由する。このように、ＭＩＭ構造からみた場合、基板が熱源として機能する。したがって、ＭＩＭ構造の温度を上述した動作温度に到達させるためには、熱源である基板の温度を動作温度以上に保つ必要がある。

基板は、ＭＩＭ構造と比較して、厚みが厚いので必然的に体積が大きくならざるを得ない。すなわち、基板の熱容量Ｃは、ＭＩＭ構造の熱容量Ｃよりも大きくならざるを得ない。そのため、熱源である基板を用いてＭＩＭ構造の全体を加熱する従来の方法（例えば特許文献２に記載の方法）には、エネルギー効率を高める余地がある。

本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、従来の熱輻射素子である特許文献２の熱輻射素子と比較して、エネルギー効率を高めることを目的とする。また、本発明の一態様は、従来よりもエネルギー効率が高い熱輻射素子を備えた熱輻射素子モジュール及び熱輻射光源を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱輻射素子は、一対の主面を有する絶縁体製の基板と、前記基板の一方の主面の少なくとも一部を覆う第１の導体層と、絶縁体層と、第２の導体層と、がこの順番で積層されたプラズモニック完全吸収体と、を備えている。本熱輻射素子においては、前記第１の導体層には、当該第１の導体層の主面の面内方向に電流を流す電極が設けられている、構成が採用されている。

また、上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱輻射素子モジュールは、本発明の一態様に係る熱輻射素子と、前記熱輻射素子を収容するキャビティ、及び、前記電極に電力を供給する電力端子が設けられた筐体と、を備えている。本熱輻射素子モジュールにおいては、前記キャビティの内部において、前記基板の少なくとも一部は、前記キャビティに対して接合部材を用いて固定されている、構成が採用されている。

また、上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱輻射光源は、本発明の一態様に係る熱輻射素子モジュールを備えている。

本発明の一態様によれば、従来の熱輻射素子である特許文献２の熱輻射素子と比較して、エネルギー効率を高めることができる。また、本発明の一態様によれば、従来よりもエネルギー効率が高い熱輻射素子を備えた熱輻射素子モジュール及び熱輻射光源を提供することができる。

上図は、本発明の一実施形態に係る熱輻射素子モジュールの平面図であり、下図は、同じ熱輻射素子モジュールの断面図である。 図１に示した熱輻射素子モジュールが備えている熱輻射素子の断面図である。 図２に示した熱輻射素子が備えているプラズモニック完全吸収体の一部を拡大した拡大斜視図である。 図２に示した熱輻射素子の第１の変形例の断面図である。 図２に示した熱輻射素子の第２の変形例の断面図である。

本発明の一実施形態に係る熱輻射素子モジュールＭについて、図１～図３を参照して説明する。図１の上図は、熱輻射素子モジュールＭの平面図であり、図１の下図は、熱輻射素子モジュールＭの断面図である。熱輻射素子モジュールＭの平面図は、筐体２０に設けられたキャビティＣの開口部ＡＰ_Ｃを、光学窓２３の主面の法線方向から平面視した場合に得られたものである。熱輻射素子モジュールＭの断面図は、光学窓２３の主面の法線方向に沿い、且つ、熱輻射素子１を含む断面において得られたものである。図２は、熱輻射素子１の断面図であり、図１における熱輻射素子１の部分を拡大したものである。なお、図２においては、各構成要素の厚み方向を拡大して図示している。図３は、熱輻射素子１が備えているプラズモニック完全吸収体１０の一部を拡大した拡大斜視図である。

〔熱輻射素子モジュールの構成〕
熱輻射素子モジュールＭは、図１の上図及び下図に示すように、プラズモニック完全吸収体１０と、基板１４と、筐体２０と、光学窓２３と、接合部材２４と、接合部材３１と、金属線３２と、電力端子４１，４２と、を備えている。

熱輻射素子モジュールＭの構成のうち、基板１４と、プラズモニック完全吸収体１０とは、本発明の一態様である熱輻射素子１を構成する。

また、熱輻射素子モジュールＭは、電力端子４１，４２を用いてプラズモニック完全吸収体１０の一部を構成する導体層１３に通電することによって、熱放射に起因する電磁波（具体的には、可視光、近赤外光、中赤外光、及び遠赤外光のうち少なくとも何れか）を放出する。このように、熱輻射素子モジュールＭは、可視光、近赤外光、中赤外光、及び遠赤外光のうち少なくとも何れかの電磁波を出射する熱輻射光源として機能する。すなわち、熱輻射素子モジュールＭを用いた熱輻射光源も本発明の範疇に含まれる。なお、熱輻射光源は、熱輻射素子モジュールＭと、電力端子４１，４２を介して熱輻射素子モジュールＭに電力を供給する電源モジュールと、を備えていてもよい。

熱輻射素子モジュールＭは、電力端子４１，４２を用いて、導体層１３の面内方向に電流を流すように構成されている。導体層１３の面内方向に流れる電流は、ジュール熱を発生させる。したがって、熱輻射素子モジュールＭにおいては、その熱エネルギーを用いて熱輻射素子１を所定の動作温度まで加熱することによって、上述した電磁波を放出する。熱輻射素子１の動作温度は、プラズモニック完全吸収体１０における共晶反応が進まない温度範囲内において適宜定めることができる。プラズモニック完全吸収体１０が放出する光は、動作温度を高めれば高めるほどその強度が高まる。本実施形態で説明する熱輻射素子１においては、動作温度として３００℃以上１２００℃以下を想定している。

＜基板＞
基板１４は、一対の主面１４ａ，１４ｂを有する絶縁体製の板状部材である。図２に示した状態では、主面１４ａが上側に位置し、主面１４ｂが下側に位置する。基板１４の形状は、適宜定めることができるが、長方形状又は正方形状であることが好ましい。本実施形態においては、基板１４の形状として正方形を採用している。

本実施形態においては、基板１４を構成する材料として、ガラスの一例である石英ガラスを採用している。ただし、基板１４を構成するガラスは、石英ガラスに限定されない。基板１４を構成するガラスは、ＳｉＯ_２を主成分とすることが好ましい。なお、本実施形態において、主成分とは、含有量が最も多い成分を意味する。

また、基板１４を構成する材料は、酸化物製又は窒化物製のセラミックであってもよい。このようなセラミックの一例としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とするセラミック、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）製のセラミック、酸化ジルコン（ＺｒＯ_２）製のセラミック、及び、ケイ酸カルシウムとリチウムアルミノケイ酸塩との混合物からなるセラミックが挙げられる。ケイ酸カルシウムとリチウムアルミノケイ酸塩との混合物からなるセラミックは、アドセラム（登録商標）とも呼ばれる。

基板１４を構成する材料は、上述した材料の中から融点や熱伝導率やコストなどに鑑みて適宜選択することができる。高い動作温度において生じ得る共晶反応を抑制するためには、融点が高いことが好ましい。また、後述するプラズモニック完全吸収体１０の導体層１３において生じたジュール熱を用いてプラズモニック完全吸収体１０を加熱するときのエネルギー効率を高めるためには、基板１４の熱伝導率は、後述する導体層１３を構成する導体の導電率よりも低いことが好ましい。また、熱輻射素子１の製造コストを抑制するためには、基板１４のコストが安いことが好ましい。

また、基板１４の厚みｔ_Ｓ（図２参照）は、１００μｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。

以下では、説明の便宜上、基板１４を短冊状の３つの領域であって、各々が平行な３つの領域に分割する。中央領域Ｒ_Ｃは、基板１４の中央を含む主要な領域であって、３つの領域のなかで最も幅（図１及び図２における左右方向の長さ）が最も広い領域である。一対のエッジ領域Ｒ_Ｅは、中央領域Ｒ_Ｃを挟み込む２つの領域である。本実施形態において、中央領域Ｒ_Ｃ及び一対のエッジ領域Ｒ_Ｅの輪郭（平面視した場合の形状）は、何れも長方形である。ただし、中央領域Ｒ_Ｃ及び一対のエッジ領域Ｒ_Ｅの輪郭は、これに限定されず、適宜定めることができる。

＜プラズモニック完全吸収体＞
熱輻射素子１が備えているプラズモニック完全吸収体１０は、図３に示すように、導体層１１と、絶縁体層１２と、導体層１３とを備えている。導体層１１は、第２の導体層の一例であり、導体層１３は、第１の導体層の一例である。基板１４の主面１４ａ上には、導体層１３、絶縁体層１２、及び導体層１１がこの順番で積層されている。

（第１の導体膜）
導体層１３は、基板１４の一方の主面（図２においては上側の主面）である主面１４ａ上に、主面１４ａを覆うように形成された導体製の膜である。すなわち、導体層１３は、中央領域Ｒ_Ｃ及び一対のエッジ領域Ｒ_Ｅの全てに亘って形成されている。

本実施形態においては、導体層１３を構成する導体として窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を採用している。ただし、導体層１３を構成する導体は、ＨｆＮに限定されるものではなく、金属的な導電特性を有する材料であればよい。使用時に高温になることが想定される基材の表面上にプラズモニック完全吸収体１０を形成する場合、導体層１３を構成する材料は、ＨｆＮのように融点が高い材料であることが好ましい。ＨｆＮの典型的な融点は、３３３０℃である。

なお、主面１４ａのうち導体層１３を形成する領域は、主面１４ａの全部であってもよく、基材の表面の一部であってもよく、適宜定めることができる。本実施形態では、主面１４ａの全面に導体層１３を形成している。

本実施形態においては、導体層１３の厚みｔ_１３（図２参照）として１００ｎｍを採用している。ただし、厚みｔ_１３は、１００ｎｍに限定されるものではなく、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内において適宜定めることができる。なお、厚みｔ_１３は、特許請求の範囲に記載の厚みｔ_１の一例である。

（絶縁体膜）
絶縁体層１２は、導体層１３の主面のうち基板１４と逆側の主面（図２においては上側の主面）である主面１３ａ上に、少なくとも主面１３ａの一部を覆うように形成された絶縁体製の膜である。本実施形態において、絶縁体層１２は、図２に示すように、中央領域Ｒ_Ｃを覆うように、導体層１３の上に積層されている。本実施形態において、中央領域Ｒ_Ｃの輪郭が長方形であるため、導体層１３の輪郭も長方形である。

なお、本実施形態においては、中央領域Ｒ_Ｃの全領域を覆うように、厚みが均一なベタ膜である絶縁体層１２が形成されている。ただし、絶縁体層１２は、中央領域Ｒ_Ｃのうち複数の導体パターン１１１が形成される領域にのみ形成されていてもよい。すなわち、絶縁体層１２は、導体層１１と同様に、周期的に配置された複数の導体パターンであって、各々が円形状又は正多角形状である複数の絶縁体パターンにより構成されていてもよい。

本実施形態においては、絶縁体層１２を構成する材料としてＳｉＯ_２を採用している。ただし、絶縁体層１２を構成する材料は、絶縁体であればよく、ＳｉＯ_２に限定されるものではない。このような材料の例としては、絶縁性の酸化物が挙げられる。なお、使用時に高温になることが想定される基板１４の主面１４ａ上にプラズモニック完全吸収体１０を形成する場合、絶縁体層１２を構成する材料は、ＳｉＯ_２、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物の何れかであることが好ましい。

本実施形態においては、絶縁体層１２の厚みｔ_１２（図２参照）として１８０ｎｍを採用している。ただし、厚みｔ_１２は、１８０ｎｍに限定されるものではなく、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内において適宜定めることができる。

（第２の導体層）
導体層１１は、絶縁体層１２の主面のうち絶縁体層１２と逆側の主面（図２においては上側の主面）である主面１２ａ上に形成されている。導体層１１は、絶縁体層１２と同様に中央領域Ｒ_Ｃにのみ積層されている。したがって、プラズモニック完全吸収体１０においては、中央領域Ｒ_Ｃのみに絶縁体層１２及び導体層１１が積層されている。

導体層１１は、各々が円形状である複数（図３においては９個）の導体パターン１１１からなる。ただし、各導体パターン１１１の形状は、円形状に限定されるものではなく、正多角形状であってもよい。当該正多角形状の好ましい例としては、正六角形状が挙げられる。

なお、符号１１１は、複数の導体パターン１１１のうち１つの導体パターン１１１のみに付している。図３に示すように、複数の導体パターン１１１は、主面１２ａ上に、２次元的に、且つ、周期的に配置されている。本実施形態においては、図３に示すように、導体パターン１１１の周期的な２次元配置として正方配置を採用している。ただし、この周期的な２次元配置は、正方配置に限定されるものではなく、例えば、六方配置であってもよい。

なお、図２に示した断面図においては、導体層１１を構成する複数の導体パターン１１１の図示を省略している。実際には、複数の導体パターン１１１により構成された周期的な２次元構造が主面１２ａの全面に形成されている。

本実施形態においては、導体層１１の各導体パターン１１１を構成する導体として窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を採用している。ただし、各導体パターン１１１を構成する導体は、ＨｆＮに限定されるものではなく、金属的な導電特性を有する材料であればよい。この点について、各導体パターン１１１を構成する導体は、導体層１３を構成する導体と同じである。

また、本実施形態においては、導体層１１の厚みｔ_１１（図２参照、すなわち各導体パターン１１１の厚み）として１００ｎｍを採用している。ただし、厚みｔ_１３は、４０ｎｍに限定されるものではなく、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内において適宜定めることができる。なお、厚みｔ_１１は、特許請求の範囲に記載の厚みｔ_２の一例である。

また、導体層１３の厚みｔ_１３、及び、絶縁体層１２の厚みｔ_１１は、ｔ_１３＞１．５×ｔ_１１の関係を満たす、ことが好ましい。

（一対の電極パッド）
図１及び図２に示すように、一方（図２に示した状態において左側）のエッジ領域Ｒ_Ｅには、導体層１３の上に、下地層１３１と、電極パッド１３２と、がこの順番で積層されている。また、他方（図２に示した状態において右側）のエッジ領域Ｒ_Ｅには、導体層１３の上に、下地層１３１と、電極パッド１３３と、がこの順番で積層されている。

一対の下地層１３１と、一対の電極パッド１３２及び１３３の各々とは、エッジ領域Ｒ_Ｅに沿うように帯状に設けられている。一対の下地層１３１と、一対の電極パッド１３２及び１３３は、特許請求の範囲に記載の一対の電極の一例である。

電極パッド１３２及び１３３の各々に、それぞれ極性が異なる配線を接続し電力を供給することによって、電極パッド１３２及び１３３の何れか一方から他方に向かって電流が流れる。すなわち、導体層１３には、主面１３ａの面内方向に電流が流れる。したがって、導体層１３の主面１３ａ上に設けられた一対の下地層１３１及び電極パッド１３２，１３３は、導体層１３の主面の面内方向に電流を流す電極の一例である。

本実施形態においては、帯状に細長い一対の下地層１３１及び電極パッド１３２，１３３の各々が、中央領域Ｒ_Ｃを挟み込むように設けられている。すなわち、一対の下地層１３１及び電極パッド１３２，１３３の各々は、それぞれ、長方形状（本実施形態においては正方形）である中央領域Ｒ_Ｃにおいて、一対の対辺の各々に沿って設けられている。

なお、本実施形態においては、電極パッド１３２及び１３３を構成する材料として金を採用している。ただし、この材料は、金に限定されるものではなく、導電率の高さや、反応性の低さや、融点の高さなどを考慮して適宜定めることができる。

また、本実施形態においては、一対の下地層１３１として、クロム（Ｃｒ）とプラチナ（Ｐｔ）とをこの順番で積層したＣｒ／Ｐｔの二層膜を用いる。Ｃｒ及びＰｔの厚みは限定されないが、本実施形態では、何れも５０ｎｍとする。ただし、一対の下地層１３１の構成は、単層膜であってもよし、３層以上の多層膜であってもよい。また、一対の下地層１３１を構成する各膜の材料も適宜選択することができる。なお、基板１４を構成する材料と、電極パッド１３２及び１３３を構成する材料との相性や反応性に鑑み、場合によっては一対の下地層１３１を省略することもできる。

＜筐体＞
筐体２０は、直方体状のブロックである。本実施形態において、筐体２０を構成する材料は、金属の一例であるアルミニウムである。ただし、筐体２０を構成する金属は、アルミニウムに限定されるものではなく、適宜選択することができる。また、筐体２０を構成する材料は、金属に限定されるものではなく、合金であってもいし、セラミックなどの無機化合物であってもよいし、樹脂などの有機化合物であってもよい。ただし、筐体２０を構成する材料は、熱輻射素子１の動作温度を１５０℃以上に設定する場合、金属、合金、及びセラミックの何れかであることが好ましい。

筐体２０の一対の主面のうち、図１に示した状態において上側に位置する主面を主面２０ａと称し、図１に示した状態において下側に位置する主面を主面２０ｂと称する。主面２０ａには、キャビティＣが形成されている。キャビティＣの深さは、筐体２０の厚みよりも薄い。したがって、キャビティＣは、主面２０ｂまでは貫通していない。

キャビティＣは、２つのサブキャビティＣ１，Ｃ２により構成されている。

サブキャビティＣ１は、主面２０ａに近い領域（すなわち浅い領域）に形成されている。サブキャビティＣ２は、サブキャビティＣ１と比較して、主面２０ａから遠い領域（すなわち深い領域）に形成されている。サブキャビティＣ１の開口部ＡＰ_Ｃは、平面視した場合に、熱輻射素子１を包含することができるように、そのサイズを定められている。なお、図１の上図には符号ＡＰ_Ｃを明記しているが、図１の下図ではＡＰ_Ｃの図示を省略している。

一方、サブキャビティＣ２の開口部であって、サブキャビティＣ１の底面に形成された開口部は、平面視した場合に、熱輻射素子１により包含されるように、そのサイズを定められている。このように構成されたキャビティＣは、階段状に形成されている。

キャビティＣのうちサブキャビティＣ１には、熱輻射素子１が収容されている。熱輻射素子１を構成する基板１４のエッジ領域Ｒ_Ｅのうち少なくとも一部は、接合部材３１を用いてサブキャビティＣ１の底壁に固定されている。本実施形態では、接合部材３１として焼結させた銀（Ａｇ）を採用している。このように焼結された銀は、熱輻射素子１の動作温度（例えば３００℃以上１２００℃以下の何れかの温度）に耐える耐熱性をもっているので、接合部材３１として好ましい。

このように、熱輻射素子１は動作温度が高いので、エネルギー効率を高めるためには、熱輻射素子１から筐体２０へ熱が伝導することにより散逸する熱エネルギーを抑制することが好ましい。熱輻射素子モジュールＭにおいては、サブキャビティＣ１に加えてサブキャビティＣ２が筐体２０に形成されていることによって、熱輻射素子１と筐体２０との間に生じ得る熱伝導のパスを限定することができる。

サブキャビティＣ１の底壁には、電極パッド１３２及び１３３と並走するように、電極パッド２１及び２２が設けられている。電極パッド２１と電極パッド１３２とは、金属線３２により導通している（図１の下図参照）。同様に、電極パッド２２と電極パッド１３３とは、符号を省略している金属製により導通されている（図１の下図参照）。

なお、本実施形態においては、電極パッド２１及び２２も電極パッド１３２及び１３３と同様に、帯状に延伸されている。電極パッド２１及び２２、並びに、電極パッド１３２及び１３３が何れも帯状に延伸されていることによって、電極間を導通させるために複数の金属線３２を用いることができる。したがって、電極パッド２１と電極パッド１３２との間、及び、電極パッド２２と電極パッド１３３との間に生じ得る抵抗値を低減でき、且つ、電極パッド間を導通させる場合に冗長性を確保することができる。

図１の下図に示すように、筐体２０には、電力端子４１，４２が設けられている。電力端子４１は、筐体２０の外部から内部へ引き込まれている。そのうえで、電力端子４１の先端は、電極パッド２１に導通している。同様に、電力端子４２は、筐体２０の外部から内部へ引き込まれている。そのうえで、電力端子４２の先端は、電極パッド２２に導通している。なお、電力端子４１，４２の各々を筐体２０の内部に卑近でいる部分は、密閉性を保つように封止されている。

図１の上図及び下図に示すように、開口部ＡＰ_Ｃは、光学窓２３により覆われている。光学窓２３を構成する材料は、透光性を有し、且つ、熱輻射素子１の動作温度（例えば３００℃以上１２００℃以下の何れかの温度）に耐える耐熱性をもっていることが好ましく、本実施形態では、石英ガラス製の板状部材を採用している。

光学窓２３は、接合部材２４を用いて筐体２０の主面２０ａに接合されている。本実施形態では、接合部材２４として金（Ａｕ）錫（Ｓｎ）はんだを用いている。

また、熱輻射素子モジュールＭにおいては、キャビティＣの内部の圧力がキャビティＣの外部の圧力（例えば大気圧）よりも低くなるように構成されている。この構成は、例えば、大気圧よりも減圧された減圧環境下においてキャビティＣを封止することによって実現できる。キャビティＣの内部の圧力は、限定されないが、１×１０^３Ｐａ以下であることが好ましい。キャビティＣの内部の圧力が低ければ低いほど、キャビティＣの断熱性を高めることができる。

〔まとめ〕
本発明の一態様である熱輻射素子１は、絶縁体製の基板１４と、主面１４ａの少なくとも一部（本実施形態では全部）を覆う導体層１３（第１の導体層）と、絶縁体層１２と、導体層１１（第２の導体層）と、がこの順番で積層されたプラズモニック完全吸収体１０と、を備えている。プラズモニック完全吸収体１０において、導体層１３には、主面１３ａの面内方向に電流を流す電極である下地層１３１及び電極パッド１３２，１３３が設けられている。

この構成によれば、プラズモニック完全吸収体１０からみた場合に、導体層１３を熱源として用いる。すなわち、プラズモニック完全吸収体１０からみた場合に、プラズモニック完全吸収体１０よりも体積が大きな基板１４は、熱源ではない。したがって、プラズモニック完全吸収体１０を動作温度に加熱する場合に、大きな体積を有する基板１４を動作温度以上に加熱しなくて済むので、熱輻射素子１は、従来の熱輻射素子である特許文献２の熱輻射素子と比較して、エネルギー効率を高めることができる。

また、熱輻射素子１においては、基板１４を構成する絶縁体の熱伝導率は、導体層１３を構成する導体の熱伝導率よりも低い、構成が採用されている。

この構成によれば、熱源である導体層１３により生成された熱エネルギーが基板１４に逃げることを抑制することができるので、エネルギー効率を更に高めることができる。

また、熱輻射素子１においては、導体層１１は、２次元的に、且つ、周期的に配置された複数の導体パターン１１１であって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターン１１１からなる、構成が採用されている。

この構成によれば、複数の導体パターン１１１の大きさ及び周期的な配置を調整することによって、プラズモニック完全吸収体１０から放出される光の波長域を調整することができる。

また、熱輻射素子１においては、導体層１３の厚みｔ_１３（第１の導体層の厚みｔ１）、及び、導体層１１の厚みｔ_１１（第２の導体層の厚みｔ２）は、ｔ_１３＞１．５×ｔ_１１（ｔ１＞１．５×ｔ２）の関係を満たす、構成が採用されている。

この構成によれば、導体層１３の抵抗値が適度に低くなるため、導体層１３に大きな電流を流しやすくなる。したがって、導体層１３において生じる熱エネルギーを大きくすることができる。

また、熱輻射素子１においては、基板１４の厚みｔ_Ｓは、１００μｍ以上１０ｍｍ以下である、構成が採用されている。

この構成によれば、プラズモニック完全吸収体１０を支持する基板１４の強度を実用十分な強度に高めることができる。このように、基板１４に十分な強度を持たせるためには、厚みｔ_Ｓがプラズモニック完全吸収体１０の合計の厚みよりも大幅に厚くなる。したがって、熱輻射素子１は、従来の熱輻射素子よりも確実にエネルギー効率を高めることができる。

また、熱輻射素子１においては、ｔ_１３（第１の導体層の厚みｔ１）、絶縁体層１２の厚みｔ_１２（絶縁体層の厚みｔｄ）、及び、ｔ_１１（第２の導体層の厚みｔ２）は、何れも、１０ｎｍ以上１０μｍ以下である、構成が採用されている。

この構成によれば、プラズモニック完全吸収体１０の合計の厚みが無闇に厚くなることを防ぎ、プラズモニック完全吸収体１０の合計の厚みが厚みｔ_Ｓよりも厚くなることを防ぐことができる。したがって、熱輻射素子１は、従来の熱輻射素子よりも確実にエネルギー効率を高めることができる。

また、熱輻射素子１においては、導体層１３（第１の導体層）が形成されている領域（中央領域Ｒ_Ｃ）は、長方形状（本実施形態では正方形）であり、前記電極は、一対の電極である一対の下地層１３１と、一対の電極パッド１３２，１３３とにより構成されている。熱輻射素子１においては、前記一対の電極の各々は、それぞれ、前記長方形状である領域（中央領域Ｒ_Ｃ）において、一対の対辺の各々に設けられている、構成が採用されている。

この構成によれば、導体層１３の主面１３ａの面内方向に流れる電流の電流分布を均一に近づけることができる。したがって、導体層１３において生じるジュール熱の分布を均一に近づけることができるので、主面１３ａにおける温度分布を均一に近づけることができる。

また、熱輻射素子１においては、基板１４は、ガラス又はセラミックにより構成されている、構成が採用されている。

この構成によれば、基板１４を構成する絶縁体の熱伝導率を、導体層１３を構成する導体の熱伝導率よりも確実に低くすることができるので、導体層１３により生成された熱エネルギーが基板１４に逃げることを確実に抑制することができる。したがって、エネルギー効率を確実に高めることができる。

また、熱輻射素子１においては、導体層１３（第１の導体層）及び導体層１１（第２の導体層）は、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）により構成されている。

この構成によれば、ＨｆＮは、融点が高いため、基板１４を構成する絶縁体及び絶縁体層１２を構成する絶縁体の少なくとも何れかとの間において進み得る共晶反応を抑制することができる。したがって、熱輻射素子１の動作温度を高めることができる。

熱輻射素子１においては、絶縁体層１２は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＡｌＮのうち少なくとも何れかにより構成されている、構成が採用されている。

この構成によれば、高い絶縁性を有する絶縁体層１２を容易に形成することができる。

本発明の一態様である熱輻射素子モジュールＭは、熱輻射素子１と、熱輻射素子１を収容するキャビティＣ、及び、電極である一対の下地層１３１及び一対の電極パッド１３２，１３３に電力を供給する電力端子４１，４２が設けられた筐体２０と、を備えている。熱輻射素子モジュールＭにおいては、キャビティＣの内部において、基板１４の少なくとも一部は、キャビティＣに対して接合部材３１を用いて固定されている、構成が採用されている。

熱輻射素子モジュールＭは、熱輻射素子１と同様の効果を奏する。また、熱輻射素子モジュールＭを構成する熱輻射素子は、熱輻射素子１に限定されず、図４に図示する熱輻射素子１Ａであってもよいし、図５に図示する熱輻射素子１Ｂであってもよい。熱輻射素子１Ａ，１Ｂについては、後述する。

熱輻射素子モジュールＭにおいては、キャビティＣの開口部ＡＰ_Ｃを平面視した場合（図１の上図参照）に、開口部ＡＰ_Ｃは、熱輻射素子１を包含しており、開口部ＡＰ_Ｃは、透光性を有する光学窓２３により封止されており、キャビティＣの内部の圧力は、キャビティＣの外部の圧力よりも低い、構成が採用されている。

この構成によれば、キャビティＣの内部の圧力が外部の圧力以上である場合と比較して、キャビティＣの断熱性を高めることができるので、導体層１３により生じた熱エネルギーがキャビティＣの外部へ散逸するのを低減することができる。したがって、熱輻射素子モジュールＭ全体としてもエネルギー効率を高めることができる。

また、熱輻射素子モジュールＭにおいては、その熱エネルギーを用いて熱輻射素子１を所定の動作温度まで加熱することによって、熱放射に起因する電磁波（具体的には、可視光、近赤外光、中赤外光、及び遠赤外光のうち少なくとも何れか）を放出する。このように、熱輻射素子モジュールＭは、可視光、近赤外光、中赤外光、及び遠赤外光のうち少なくとも何れかの電磁波を出射する熱輻射光源として機能する。すなわち、熱輻射素子モジュールＭを備えた熱輻射光源も本発明の範疇に含まれる。

なお、ここでは、図１及び図２に図示した熱輻射素子１を用いて本願発明の一態様が奏する効果を説明した。ただし、上述した熱輻射素子１の効果は、後述する熱輻射素子１Ａ，１Ｂにおいても同様に得られる。

〔第１の変形例〕
熱輻射素子１の第１の変形例である熱輻射素子１Ａについて、図４を参照して説明する。図４は、熱輻射素子１における図２に対応する断面図であって、熱輻射素子１Ａの断面図である。

熱輻射素子１Ａは、熱輻射素子１が備えている一対の下地層１３１及び電極パッド１３２，１３３を、一対の下地層１３１Ａ及び電極パッド１３２Ａ，１３３Ａに置換することによって得られる。したがって、本変形例では、一対の下地層１３１Ａ及び電極パッド１３２Ａ，１３３Ａについて説明する。

熱輻射素子１において、電極パッド１３２，１３３の幅（図２において左右方向の長さ）は、環状であるエッジ領域Ｒ_Ｅの幅よりも狭い。そのため、図２に示すように、熱輻射素子１の一断面において、電極パッド１３２，１３３は、エッジ領域Ｒ_Ｅの一部を覆うように形成されている。

一方、熱輻射素子１Ａにおいて、一対の下地層１３１Ａ及び電極パッド１３２Ａ，１３３Ａの幅（図４において左右方向の長さ）は、環状であるエッジ領域Ｒ_Ｅの幅と等しい。そのため、図４に示すように、熱輻射素子１Ａの一断面において、一対の下地層１３１Ａ及び電極パッド１３２Ａ，１３３Ａは、エッジ領域Ｒ_Ｅを全て覆うように形成されている。

電極パッド１３２，１３３及び電極パッド１３２Ａ，１３３Ａから明らかなように、導体層１３に電流を流すための一対の電極パッドの幅は、適宜定めることができ、導体層１３に加えて導体層１１の一部にも導通していてもよい。一対の下地層１３１Ａも同様である。なお、熱輻射素子１Ａにおいて、電極パッド１３２Ａ，１３３Ａの上端近傍の一部は、導体層１１の外縁部分に重なっていてもよい。

〔第２の変形例〕
熱輻射素子１の第２の変形例である熱輻射素子１Ｂについて、図５を参照して説明する。図５は、熱輻射素子１における図２に対応する断面図であって、熱輻射素子１Ｂの断面図である。

熱輻射素子１Ｂは、熱輻射素子１が備えている絶縁体層１２、導体層１１、一対の下地層１３１、及び電極パッド１３２，１３３の各々を、それぞれ、絶縁体層１２Ｂ、導体層１１Ｂ、一対の下地層１３１Ｂ、及び電極パッド１３２Ｂ，１３３Ｂに置換することによって得られる。したがって、本変形例では、絶縁体層１２Ｂ、導体層１１Ｂ、一対の下地層１３１Ｂ、及び電極パッド１３２Ｂ，１３３Ｂについて説明する。

熱輻射素子１において、絶縁体層１２及び導体層１１は、導体層１３の主面１３ａのうち中央領域Ｒ_Ｃを覆うように形成されている。

一方、熱輻射素子１Ｂにおいて、絶縁体層１２Ｂ及び導体層１１Ｂは、主面１３ａの全面を覆うように形成されている。

そのうえで、一対の下地層１３１Ｂ及び電極パッド１３２Ｂ，１３３Ｂは、図５に示すように、熱輻射素子１Ｂの一断面において、基板１４、導体層１３、絶縁体層１２Ｂ、及び導体層１１Ｂの側面（すなわち熱輻射素子１Ｂの側面）を覆うように形成されている。一方の下地層１３１Ｂと、電極パッド１３２Ｂとは、熱輻射素子１Ｂの一側面（図５において左側の側面）にこの順番で積層されており、他方の下地層１３１Ｂと、電極パッド１３３Ｂとは、上述した一側面に対向する側面（図５において右側の側面）にこの順番で積層されている。

なお、熱輻射素子１Ｂにおいて、一対の下地層１３１Ｂ及び電極パッド１３２Ｂ，１３３Ｂの下端近傍の一部は、基板１４の下側の主面である主面１４ｂのエッジ近傍の領域にも形成されている。熱輻射素子１Ｂにおいては、主面１４ｂのエッジ近傍の領域に形成された一対の下地層１３１Ｂ及び電極パッド１３２Ｂ，１３３Ｂと、電極パッド２１，２２とを接合部材３１（図１の下図参照）を用いて接合する。このように、本変形例において、接合部材３１は、キャビティＣの内部において、熱輻射素子１ＢをサブキャビティＣ１の底壁に固定するとともに、電極パッド１３２Ｂ，１３３Ｂと電極パッド２１，２２との導通を確保する。

なお、一対の下地層１３１Ｂは、一対の下地層１３１及び一対の下地層１３１Ａと同様に、単層膜であってもよいし、二層膜であってもよいし、３層以上の多層膜であってもよい。また、一対の下地層１３１Ｂを構成する各膜は、一対の下地層１３１及び一対の下地層１３１Ａを構成する各膜と同様に構成することができる。

〔第１の実施例〕
本発明の第１の実施例である熱輻射素子モジュールＭについて以下に説明する。本実施例では、熱輻射素子として、図４に示した熱輻射素子１Ａの構成を採用し、各構成要素を以下の通り設計した。本実施例の熱輻射素子モジュールＭにおいては、熱輻射素子１Ａの動作温度の一例として５００℃を採用した場合に、１．０μｍ以上２．０μｍ以下の近赤外光を安定して放出することを確認した。すなわち、本実施例の熱輻射素子モジュールＭは、動作温度として５００℃を採用した場合に、１．０μｍ以上２．０μｍ以下の近赤外光を安定して放出する熱輻射光源として好適に利用できる。

＜基板＞
基板１４として、石英ガラス製であり、厚みｔ_Ｓが５００μｍであり、１辺の長さが５ｍｍの正方形である板状部材を採用した。

＜プラズモニック完全吸収体＞
導体層１３として、厚みｔ_１３が１００ｎｍであるＨｆＮ膜を採用した。

絶縁体層１２として、厚みｔ_１２が１８０ｎｍであるＳｉＯ_２膜を採用した。

導体層１１として、厚みｔ_１１が４０ｎｍであるＨｆＮ膜を採用した。また、導体層１１を構成する複数の導体パターン１１１の形状として、直径が４００ｎｍである円形状を採用した。また、複数の導体パターン１１１の周期的な配置として、周期が６５０ｎｍである正方配置を採用した。

一対の下地層１３１Ａとして、Ｃｒ／Ｐｔの二層膜を採用した。Ｃｒ及びＰｔの各々厚みとして、何れも５０ｎｍを採用した。

電極パッド１３２Ａ，１３３Ａとして、厚みが４００ｎｍであり、幅（図４における左右方向の長さ）が２００μｍであり、長さ（図４における奥行き方向の長さ）が５ｍｍである、帯状の金膜を採用した。

本実施例で採用したＨｆＮの電気抵抗率は、約１×１０^－３（Ω・ｍｍ）であり、本実施例で採用したＳｉＯ_２の電気抵抗率は、約１×１０^１５（Ω・ｍｍ）である。また、本実施例の熱輻射素子１Ａにおいて、プラズモニック完全吸収体１０Ａの厚みは、合計で２２０ｎｍである。

＜熱輻射素子モジュール＞
電極パッド２１と電極パッド１３２とを導通させる金属線３２、及び、電極パッド２２と電極パッド１３３とを導通させる金属線（図１の下図参照）として、直径φが２５μｍである金線を採用した。

キャビティＣの内部の圧力として、１×１０^０Ｐａを採用した。

〔第２の実施例〕
本発明の第２の実施例である熱輻射素子モジュールＭについて以下に説明する。本実施例では、熱輻射素子として、図５に示した熱輻射素子１Ｂの構成を採用し、各構成要素を以下の通り設計した。本実施例の熱輻射素子モジュールＭにおいては、熱輻射素子１Ｂの動作温度の一例として７００℃を採用した場合に、１．０μｍ以上２．０以下の近赤外光を安定して放出することを確認した。すなわち、本実施例の熱輻射素子モジュールＭは、動作温度が７００℃であり、１．０μｍ以上２．０μｍ以下の近赤外光を安定して放出する熱輻射光源として好適に利用できる。

＜基板＞
基板１４として、石英ガラス製であり、厚みｔ_Ｓが５００μｍであり、１辺の長さが１０ｍｍの正方形である板状部材を採用した。

＜プラズモニック完全吸収体＞
導体層１３として、厚みｔ_１３が２００ｎｍであるＨｆＮ膜を採用した。

絶縁体層１２として、厚みｔ_１２が３２０ｎｍであるＳｉＯ_２膜を採用した。

導体層１１として、厚みｔ_１１が４０ｎｍであるＨｆＮ膜を採用した。また、導体層１１を構成する複数の導体パターン１１１の形状は、第１の実施例において採用した複数の導体パターン１１１の形状と同じとした。

一対の下地層１３１Ｂとして、Ｃｒ／Ｐｔの二層膜を採用した。Ｃｒの厚みとして１００ｎｍを採用し、Ｐｔの厚みとして２００ｎｍを採用した。

電極パッド１３２Ｂ，１３３Ｂとして、厚み（図５における左右方向の長さ）が５００ｎｍである金膜を採用した。基板１４及びプラズモニック完全吸収体１０Ｂの一側面には、その全面に一方の下地層１３１Ｂと電極パッド１３２Ｂとをこの順番で積層し、この一側面に対向する側面には、その全面に他方の下地層１３１Ｂと電極パッド１３３Ｂとをこの順番で積層した。

本実施例で採用したＨｆＮの電気抵抗率は、約１×１０^－３（Ω・ｍｍ）であり、本実施例で採用したＳｉＯ_２の電気抵抗率は、約１×１０^１５（Ω・ｍｍ）である。また、本実施例の熱輻射素子１Ｂにおいて、プラズモニック完全吸収体１０Ｂの厚みは、合計で５８０ｎｍである。

＜熱輻射素子モジュール＞
本実施例では、一方の下地層１３１Ｂ及び電極パッド１３２Ｂの一部（図５に示した状態における下端近傍の一部）と、電極パッド２１と、を接合するとともに導通させる接合部材３１、及び、他方の下地層１３１Ｂ及び電極パッド１３３Ｂの一部（図５に示した状態における下端近傍の一部）と、電極パッド２２と、を接合するとともに導通させる接合部材３１として、焼結させた銀を採用した。

キャビティＣの内部の圧力として、１×１０^０Ｐａを採用した。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

Ｍ 熱輻射素子モジュール（熱輻射光源の一部）
１ 熱輻射素子
１０ プラズモニック完全吸収体
１１ 導体層（第２の導体層）
１１１ 導体パターン
１２ 絶縁体層
１３ 導体層（第１の導体層）
１３１ 下地層（電極パッド１３２，１３３とともに電極を構成）
１３２，１３３ 電極パッド（下地層１３１とともに電極を構成）
１４ 基板
１４ａ，１４ｂ 主面（一対の主面）
Ｒ_Ｃ 中央領域（第１の導体層が形成されている領域）
Ｒ_Ｅ エッジ領域
２０ 筐体
２３ 光学窓
Ｃ キャビティ
ＡＰ_Ｃ 開口部
４１，４２ 電力端子
３１ 接合部材

Claims (13)

1. 一対の主面を有する絶縁体製の基板と、
   前記基板の一方の主面の少なくとも一部を覆う第１の導体層と、絶縁体層と、第２の導体層と、がこの順番で積層されたプラズモニック完全吸収体と、を備え、
   前記第１の導体層には、当該第１の導体層の主面の面内方向に電流を流す電極が設けられている、
   熱輻射素子。
2. 前記基板を構成する前記絶縁体の熱伝導率は、前記第１の導体層を構成する導体の熱伝導率よりも低い、
   請求項１に記載の熱輻射素子。
3. 前記第２の導体層は、２次元的に、且つ、周期的に配置された複数の導体パターンであって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターンからなる、
   請求項１又は２に記載の熱輻射素子。
4. 前記第１の導体層の厚みｔ１、及び、前記第２の導体層の厚みｔ２は、ｔ１＞１．５×ｔ２の関係を満たす、
   請求項１～３の何れか１項に記載の熱輻射素子。
5. 前記基板の厚みは、１００μｍ以上１０ｍｍ以下である、
   請求項１～４の何れか１項に記載の熱輻射素子。
6. 前記第１の導体層の厚みｔ１、前記絶縁体層の厚みｔｄ、及び、前記第２の導体層の厚みｔ２は、何れも、１０ｎｍ以上１０μｍ以下である、
   請求項１～５の何れか１項に記載の熱輻射素子。
7. 前記第１の導体層が形成されている領域は、長方形状であり、
   前記電極は、一対の電極により構成されており、
   前記一対の電極の各々は、それぞれ、前記長方形状である領域において、一対の対辺の各々に設けられている、
   請求項１～６の何れか１項に記載の熱輻射素子。
8. 前記基板は、ガラス又はセラミックにより構成されている、
   請求項１～７の何れか１項に記載の熱輻射素子。
9. 前記第１の導体層及び前記第２の導体層は、ＨｆＮにより構成されている、
   請求項１～８の何れか１項に記載の熱輻射素子。
10. 前記絶縁体層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＡｌＮのうち少なくとも何れかにより構成されている、
    請求項１～９の何れか１項に記載の熱輻射素子。
11. 請求項１～１０の何れか１項に記載の熱輻射素子と、
    前記熱輻射素子を収容するキャビティ、及び、前記電極に電力を供給する電力端子が設けられた筐体と、を備え、
    前記キャビティの内部において、前記基板の少なくとも一部は、前記キャビティに対して接合部材を用いて固定されている、
    熱輻射素子モジュール。
12. 前記キャビティの開口部を平面視した場合に、前記開口部は、前記熱輻射素子を包含しており、
    前記開口部は、透光性を有する光学窓により封止されており、
    前記キャビティの内部の圧力は、当該キャビティの外部の圧力よりも低い、
    請求項１１に記載の熱輻射素子モジュール。
13. 請求項１１又は１２に記載の熱輻射素子モジュールを備えている、
    熱輻射光源。

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