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技術 2次元のメタマテリアル窓

出願人 バッテルメモリアルインスティチュート
発明者 アルヴァイン,カイル・ジェイバーナッキ,ブルース・イー
出願日 2013年6月20日 (6年7ヶ月経過) 出願番号 2015-518575
公開日 2015年10月29日 (4年3ヶ月経過) 公開番号 2015-531077
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 位置合わせ方向 多角形体 ナノキューブ ナノワイア ゾルゲル前駆体 ナノテンプレート 指向体 非結晶材料
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

導電性ナノシェルは、波長に応じて入射放射を再指向させるように配向される。ナノシェルは、ナノスフェアまたは格子などのテンプレート上に形成して、エラストマ層内に埋め込むことができる。いくつかの例では、導電性のナノシェルは、温度に応じて座屈しなかったり座屈したりするように構成された層に結合され、その結果、1つまたは複数の波長範囲内放射は、異なる温度で異なる形態で指向される。建物の窓は、暖かい日には赤外放射反射し、涼しい日には建物の中へ指向させるような層を含むことができる。そのような層はまた、入射する可視放射を部屋の天井へ指向させて室内の採光強化することができる。

概要

背景

住宅用および産業用の構造向けの従来の窓は、快適な照明を提供するために可視放射入射を可能にしなければならない。窓からの熱損失を回避するために、2重のガラス板隔置され、間の空間は不活性ガス充填される。この構造により、窓を通る熱の伝達が低減される。また、一部の窓は、赤外放射が窓を通って効率的に結合されないように、赤外放射を反射するいわゆる低放射率コーティングを含む。不活性ガスによる絶縁および低放射率コーティングを使用する窓は、コーティングのない単板の窓より優れている。しかし残念ながら、そのような窓は、可視または赤外放射を有用なほどに建物の中へ指向させることができず、むしろ単に放射を反射または透過するだけである。たとえば、従来の窓へ指向された可視放射は不都合な角度で建物に入ることがあり、その結果、入射を阻止してまぶしさを回避するために、光を遮るものが必要とされる。したがって、有用な可視放射が無駄になり、建物の動作コストおよび人工の照明に対する需要が増大する。加えて、低放射率コーティングは、赤外を反射しながら、状況によっては熱効率を高めるが、そのようなコーティングは、室内または外部の温度に基づいて赤外放射の入射を受け入れたり遮断したりすることはできない。したがって、室内空間を暖めるために受け入れることができるはずの赤外放射も遮断される。従来の不活性ガスに基づく窓の上記その他の欠陥を回避するために放射を再指向させることができる窓および窓を作製する方法が、本明細書に開示される。

概要

導電性ナノシェルは、波長に応じて入射放射を再指向させるように配向される。ナノシェルは、ナノスフェアまたは格子などのテンプレート上に形成して、エラストマ層内に埋め込むことができる。いくつかの例では、導電性のナノシェルは、温度に応じて座屈しなかったり座屈したりするように構成された層に結合され、その結果、1つまたは複数の波長範囲内の放射は、異なる温度で異なる形態で指向される。建物の窓は、暖かい日には赤外放射を反射し、涼しい日には建物の中へ指向させるような層を含むことができる。そのような層はまた、入射する可視放射を部屋の天井へ指向させて室内の採光強化することができる。

目的

住宅用および産業用の構造向けの従来の窓は、快適な照明を提供する

効果

実績

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請求項1

光デバイスであって、第1の主表面および第2の主表面を有する基板と、前記基板に結合され、軸に沿って配向された複数のナノ放射体であり、該ナノ放射体の各々が、隣接するナノ放射体に関連する影の近傍に配置される、前記ナノ放射体と、を備える光デバイス。

請求項2

請求項1に記載の光デバイスにおいて、さらに前記複数のナノ放射体が前記第1の主表面に固定される、光デバイス。

請求項3

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記複数のナノ放射体が前記第1の主表面と前記第2の主表面との間に配置される、光デバイス。

請求項4

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記第1の主表面および前記第2の主表面が非平面の表面である、光デバイス。

請求項5

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記基板が可撓性の基板である、光デバイス。

請求項6

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が導電性シェルである、光デバイス。

請求項7

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記導電性のシェルが、球、円柱角錐、または立方体の一部分に対応する表面を含む、光デバイス。

請求項8

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が、前記第1の主表面上の突起上に配置された導電層として画定される、光デバイス。

請求項9

請求項8に記載の光デバイスにおいて、前記突起が周期的な表面の突条である、光デバイス。

請求項10

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が、少なくとも1つの誘電体層によって分離された少なくとも2つの導電層を有する導電性のシェルを備え、前記導電層がそれぞれ、金、銀、アルミニウム、または他の1つもしくは複数の金属の1つもしくは複数、またはこれらの組合せから形成される、光デバイス。

請求項11

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体が、前記基板の延長または圧縮応答して選択的に位置合わせすることができるように前記基板に結合される、光デバイス。

請求項12

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記基板が、異なる熱膨張係数を有する第1の層および第2の層を含み、前記第1の層および前記第2の層が、前記第1の層の熱膨張が前記第2の層の座屈をもたらすように構成され、さらに前記複数のナノ放射体が、前記第2の層に結合される、光デバイス。

請求項13

請求項1に記載の光デバイスにおいて、前記ナノ放射体は、前記第1の層が熱膨張すると実質上位置合わせされるように前記第2の層に結合される、光デバイス。

請求項14

光デバイスであって、複数の導電性のナノシェルを備える放射指向層と、少なくとも1つの透過層とを備え、前記放射指向層および前記少なくとも1つの透過層は、第1の方向に入射する放射が、前記導電性のナノシェルの配向方向に基づいて、前記第1の方向とは異なる第2の方向に沿って伝搬するように指向されるように配置され、前記導電性のナノシェルがそれぞれ、前記配向方向に基づいて、隣接するナノシェルの影に隣接し、または前記影の中に入るように配置される、光デバイス。

請求項15

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、複数のテンプレートを含み、前記導電性のナノシェルが、それぞれのテンプレート上に配置される、光デバイス。

請求項16

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記複数のテンプレートが、少なくとも2つの寸法のテンプレートを含み、前記テンプレートは、前記第1の方向に入射する第1の波長範囲内の放射が、前記第2の方向に沿って伝搬するように指向され、前記第1の方向に入射する第2の波長範囲内の放射が、前記第2の方向とは異なる第3の方向に沿って伝搬するように指向されるように構成される、光デバイス。

請求項17

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記導電性のナノシェルが第1の配向方向および第2の配向方向に関連する、光デバイス。

請求項18

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記複数のテンプレートが前記放射指向層内に配置される、光デバイス。

請求項19

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記複数のテンプレートが前記放射指向層の表面に配置される、光デバイス。

請求項20

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記透過層および前記放射指向層が、異なる熱膨張係数を有し、前記放射指向層が第1の温度で座屈するが第2の温度で座屈しないように構成される、光デバイス。

請求項21

請求項20に記載の光デバイスにおいて、前記第1の温度および前記第2の温度が0℃〜100℃である、光デバイス。

請求項22

請求項21に記載の光デバイスにおいて、前記第1の温度および前記第2の温度が10℃〜50℃である、光デバイス。

請求項23

請求項20に記載の光デバイスにおいて、前記ナノシェルが、前記放射指向層が座屈したときに実質上位置合わせされないように構成され、その結果、前記第1の方向に入射する放射が、前記第2の軸へ再指向されることなく前記光デバイスを通って伝搬する、光デバイス。

請求項24

請求項20に記載の光デバイスにおいて、前記少なくとも1つの透過層が、第1のガラス窓および第2のガラス窓を含み、前記放射指向層が、前記第1のガラス層と前記第2のガラス層との間に配置される、光デバイス。

請求項25

請求項24に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層は、前記第1の方向に入射する可視放射が、前記第2の方向に沿って前記第1のガラス窓および前記第2のガラス窓を通って伝搬するように指向され、赤外放射反射されるように構成される、光デバイス。

請求項26

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、入射する可視放射を前記第2の軸に沿って透過し、入射する赤外放射を前記第1の軸および前記第2の軸とは異なる第3の軸に沿って反射するように構成される、光デバイス。

請求項27

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、赤外放射を選択的に透過または反射するように構成される、光デバイス。

請求項28

請求項27に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、周囲温度に基づいて、反射された赤外放射を選択的に透過または反射するように構成される、光デバイス。

請求項29

請求項27に記載の光デバイスにおいて、前記放射指向層が、前記少なくとも1つの透過層または前記放射指向層の温度に基づいて、反射された赤外放射を選択的に透過または反射するように構成される、光デバイス。

請求項30

請求項14に記載の光デバイスにおいて、前記放射再指向層が、少なくとも2つの配向および寸法を有する導電性のナノシェルを含み、その結果、前記第1の方向に入射する第1の波長範囲内の放射が、前記第2の方向に沿って伝搬するように指向され、前記第1の方向に入射する第2の波長範囲内の放射が、前記第2の方向とは異なる第3の方向に沿って伝搬するように指向される、光デバイス。

請求項31

光デバイスであって、第1の主表面および第2の主表面を有する基板と、前記基板内の凹部内に配置され、軸に沿って配向された導電性のシェルとして画定された複数のナノ放射体とを備え、前記ナノ放射体が、前記基板によって画定された絶縁領域によって分離される、光デバイス。

請求項32

請求項31に記載の光デバイスにおいて、前記凹部が、円形多角形長円形、または楕円形横断面を有する、光デバイス。

請求項33

請求項32に記載の光デバイスにおいて、前記凹部が、前記第1の主表面から前記第2の主表面まで延びる、光デバイス。

請求項34

請求項33に記載の光デバイスにおいて、前記導電性のシェルが前記凹部内で前記第1の主表面から前記第2の主表面まで延びる、光デバイス。

請求項35

請求項31に記載の光デバイスにおいて、前記基板が、異なる熱膨張係数を有する第1の層および第2の層を含み、前記第1の層および前記第2の層が、前記第1の層の熱膨張が前記第2の層の座屈をもたらすように構成され、さらに前記複数のナノ放射体は、前記第1の層が座屈しないときは実質上位置合わせされるように、前記第1の層が座屈したときは位置合わせされないように、前記第2の層に結合される、光デバイス。

請求項36

複数のテンプレートを基板に配置するステップと、前記導体が前記基板上でテンプレート間に堆積することなく前記テンプレート表面の一部分上に堆積するように、前記テンプレート上に導体を指向性堆積させるステップとを含む方法。

請求項37

請求項36に記載の方法において、前記複数のテンプレートが、前記基板の表面内に形成された複数の突条を含む、方法。

請求項38

請求項37に記載の方法において、前記突条が前記基板の前記表面上に周期的に隔置される、方法。

請求項39

請求項36に記載の方法において、前記テンプレートが前記基板の表面上に設けられる、方法。

請求項40

請求項37に記載の方法において、テンプレートがナノスフェアである、方法。

請求項41

請求項37に記載の方法において、前記導体を指向性堆積させる前に、テンプレート寸法を低減させるステップをさらに含む、方法。

請求項42

請求項36に記載の方法において、前記テンプレート上に堆積させた前記導体、前記テンプレート、または前記基板の前記表面の少なくとも1つに封入層を施すステップと、少なくとも前記テンプレート上に堆積させた導体部分が前記封入層に固定されるように、前記封入層と前記基板を分離するステップとをさらに含む、方法。

請求項43

請求項42に記載の方法において、前記封入層および前記基板は、前記テンプレート上に堆積させた前記導体および前記テンプレートが前記封入層に固定されたままになるように分離される、方法。

請求項44

請求項36に記載の方法において、前記テンプレート上に2つの異なる角度で導体を指向性堆積させるステップを含む、方法。

請求項45

請求項36に記載の方法において、少なくとも前記堆積させた導体を、第2の層上に配置された第1の層に固定するステップをさらに含み、前記第1の層および前記第2の層が、異なる熱膨張係数を有し、その結果、少なくとも1つの温度で前記第1の層が座屈して、前記堆積させた導体の位置合わせを変える、方法。

請求項46

請求項45に記載の方法において、前記第1の層および第2の層が、標準的な室温に対して高い温度で互いに固定され、その結果、冷却されると、前記第1の層が標準的な室温で座屈する、方法。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、2012年6月20日出願の米国仮特許出願第61/662,275号の利益を主張するものである。

0002

本開示は、光学窓のためのメタメリズム材料に関する。
政府支援通知
本発明は、政府の支援により、米国エネルギー省によって認められたDE−AC05−76RL01830の下でなされたものである。政府は、本発明に特定の権利を有する。

背景技術

0003

住宅用および産業用の構造向けの従来の窓は、快適な照明を提供するために可視放射入射を可能にしなければならない。窓からの熱損失を回避するために、2重のガラス板隔置され、間の空間は不活性ガス充填される。この構造により、窓を通る熱の伝達が低減される。また、一部の窓は、赤外放射が窓を通って効率的に結合されないように、赤外放射を反射するいわゆる低放射率コーティングを含む。不活性ガスによる絶縁および低放射率コーティングを使用する窓は、コーティングのない単板の窓より優れている。しかし残念ながら、そのような窓は、可視または赤外放射を有用なほどに建物の中へ指向させることができず、むしろ単に放射を反射または透過するだけである。たとえば、従来の窓へ指向された可視放射は不都合な角度で建物に入ることがあり、その結果、入射を阻止してまぶしさを回避するために、光を遮るものが必要とされる。したがって、有用な可視放射が無駄になり、建物の動作コストおよび人工の照明に対する需要が増大する。加えて、低放射率コーティングは、赤外を反射しながら、状況によっては熱効率を高めるが、そのようなコーティングは、室内または外部の温度に基づいて赤外放射の入射を受け入れたり遮断したりすることはできない。したがって、室内空間を暖めるために受け入れることができるはずの赤外放射も遮断される。従来の不活性ガスに基づく窓の上記その他の欠陥を回避するために放射を再指向させることができる窓および窓を作製する方法が、本明細書に開示される。

課題を解決するための手段

0004

窓は、第1の主表面および第2の主表面を有する基板と、基板に結合され、軸に沿って配向された複数のナノ放射体とを含む。いくつかの例では、複数のナノ放射体は、第1の主表面に固定され、または第1の主表面と第2の主表面との間に配置される。ナノ放射体は、基板内の凹部内に配置された導電性シェルとして画定することができ、凹部は、円形多角形長円形楕円形、または他の横断面を有する。凹部は、第1の主表面から第2の主表面まで延びることができ、導電性のシェルは、凹部内で第1の主表面から第2の主表面まで延びることができる。いくつかの例では、基板は、エラストマまたはポリマー層などの可撓性の基板である。代表的な例では、導電性のシェルは、球、円柱角錐、または立方体の一部分に対応する表面を含む。導電性のシェルは、第1の主表面に位置する突起上に配置された導電層として好都合に画定することができる。これらの突起は、たとえば、周期的な表面の突条など、周期的または非周期的な突起とすることができる。ナノ放射体は、金、銀、アルミニウム、または他の金属などの導体から作られる。いくつかの実施形態では、ナノ放射体は、基板の延長または圧縮応答して選択的に位置合わせすることができるように基板に結合される。典型的な例では、基板は、異なる熱膨張係数を有する第1の層および第2の層を含み、第1の層および第2の層は、第1の層の熱膨張が第2の層の座屈をもたらすように構成され、さらに複数のナノ放射体は、第2の層に結合される。いくつかの例では、ナノ放射体は、第1の層が熱膨張すると実質上位置合わせされるように第2の層に結合される。

0005

代替実施形態では、窓は、複数の導電性のナノシェルを備える放射指向層と、少なくとも1つの透過層とを含む。放射指向層および少なくとも1つの透過層は、第1の方向に入射する放射が、導電性のナノシェルの配向方向に基づいて、第1の層とは異なる第2の方向に沿って伝搬するように指向されるように配置される。典型的な例では、放射指向層は複数のテンプレートを含み、導電性のナノシェルは、それぞれのテンプレート上に配置される。さらなる例では、複数のテンプレートは、少なくとも2つの寸法のテンプレートを含み、これらのテンプレートは、第1の方向に入射する第1の波長範囲内の放射が、第2の方向に沿って伝搬するように指向され、第1の方向に入射する第2の波長範囲内の放射が、第2の方向とは異なる第3の方向に沿って伝搬するように指向されるように構成される。他の例では、導電性のナノシェルは、第1の配向方向および第2の配向方向に関連する。さらに他の例では、複数のテンプレートは、放射指向層内または放射指向層の表面に配置される。いくつかの例によれば、透過層および放射指向層は、異なる熱膨張係数を有し、放射指向層が第1の温度で座屈するが第2の温度で座屈しないように構成され、第1の温度および第2の温度は、0℃〜100℃または10℃〜50℃である。典型的な実施形態では、ナノシェルは、放射指向層が座屈したときに実質上位置合わせされないように構成され、その結果、第1の方向に入射する放射が第2の方向へ再指向されることなく窓を通って伝搬する。他の代替形態では、放射指向層は、第1のガラス層と第2のガラス層との間に配置される。一例では、放射指向層は、第1のガラス窓と第2のガラス窓との間に配置され、第1の方向に入射する可視放射が第2の方向に沿って第1のガラス窓および第2のガラス窓を通って伝搬するように指向され、赤外放射が反射されるように構成される。追加の実施形態では、放射指向層は、入射する可視放射を第2の軸に沿って透過し、入射する赤外放射を第1の軸および第2の軸とは異なる第3の軸に沿って反射するように構成される。他の実施形態では、複数のテンプレートは、少なくとも2つの寸法のテンプレートを含み、これらのテンプレートは、第1の方向に入射する第1の波長範囲内の放射が、第2の方向に沿って伝搬するように指向され、第1の方向に入射する第2の波長範囲内の放射が、第2の方向とは異なる第3の方向に沿って伝搬するように指向されるように構成される。

0006

方法は、複数のナノ構造を設けるステップと、ナノ構造の一部分へ導体を指向性堆積させるステップとを含む。いくつかの例では、方法は、少なくとも1つのテンプレートを基板に配置するステップと、導体がテンプレート表面の一部分上に堆積するように、少なくとも1つのテンプレート上に導体を指向性堆積させるステップとを含む。さらなる例では、少なくとも1つのテンプレートは、周期的または非周期的な窪みまたは突条として、基板内で基板の表面またはその付近に形成される。典型的な例では、少なくとも1つのテンプレートは、複数のナノスフェアを含み、テンプレートの寸法は、導体を指向性堆積させる前に、エッチングまたは他の処理によって低減される。追加の例では、テンプレート上に堆積させた導体、少なくとも1つのテンプレート、または基板の表面の少なくとも1つに、封入層が施される。封入層および基板は、少なくともテンプレート上に堆積させた導体が封入層に固定されるように分離される。さらなる例では、封入層および基板は、テンプレート上に堆積させた導体および少なくとも1つのテンプレートが封入層に固定されたままになるように分離される。基板上に堆積させたあらゆる導体は、基板に位置するままである。いくつかの例によれば、導体は、少なくとも1つのテンプレート上に2つの異なる角度で堆積させられる。さらに他の代替形態では、少なくとも堆積させた導体は、第2の層上に配置された第1の層に固定され、第1の層および第2の層は、異なる熱膨張係数を有し、その結果、少なくとも1つの温度で第1の層が座屈して、堆積させた導体の位置合わせを変える。特定の例では、第1の層および第2の層は、15℃〜30℃の標準的な室温より高い温度で互いに固定され、その結果、標準的な室温まで冷却されると、第1の層は座屈する。いくつかの例では、剛性ポリマーまたは金属層が使用される。

0007

開示される技術の上記およびその他の特徴および態様について、添付の図面を参照しながら以下でさらに説明する。

図面の簡単な説明

0008

基板表面上に配置された球形のナノ粒子テンプレート上に形成された導電性のナノシェルを含む代表的な窓の横断面図である。
図2Aは、基板内に埋め込まれた導電性のナノシェルおよび関連するテンプレートを示す図である。図2Bは、関連するテンプレートなしで基板内に埋め込まれた導電性のナノシェルを示す図である。
立方体のテンプレート上に形成された代表的な導電性のナノシェルを示す図である。
角錐のテンプレート上に形成された代表的な導電性のナノシェルを示す図である。
円錐形のテンプレート上に形成された代表的な導電性のナノシェルを示す図である。
円柱形の孔またはウェル内に形成された代表的な導電性のナノシェルを示す図である。
円錐形の孔またはウェル内に形成された代表的な導電性のナノシェルを示す図である。
突条に沿って形成された代表的な導電性のナノシェルを示す図である。
図9Aは、熱的に引き起こされた座屈に応答して導電性のナノシェルの配向を変える層を含む建物の窓を示す図である。図9Bは、熱的に引き起こされた座屈に応答して導電性のナノシェルの配向を変える層を含む建物の窓を示す図である。図9Cは、熱的に引き起こされた座屈に応答して導電性のナノシェルの配向を変える層を含む建物の窓を示す図である。
図10Aは、座屈していない表面に対して配置されたナノシェルを示す図である。図10Bは、座屈した表面に対して配置されたナノシェルを示す図である。
図11Aは、基板内へエンボス加工された円柱形の突条上に配置され、屈折率整合層で覆われたナノシェルを示す図である。図11Bは、図11Aに概略的に示すものなどのナノシェルおよび円柱形の突条の代表的な横断面図である。
図12Aは、再指向された相対的なパワーを、ナノシェルの幅の関数として計算して示す図である。図12Bは、再指向された相対的なパワーを、金のナノシェルの場合のナノシェルの厚さの関数として計算して示す図である。図12Cは、再指向された相対的なパワーを、ナノシェルの導体材料(金、銀、アルミニウム)の関数として計算して示す図である。
基板内へエンボス加工された円柱形の突条の異なる部分上に配置され、屈折率整合層で覆われた、異なるナノシェルを示す図である。
周期的な方形の突条上にナノシェルを形成する堆積方向を示す図である。
図14などの構造からの代表的な透過データを、法線方向に入射する偏光していない光の波長の関数として示す図である。
図15などの構造に対する透過スペクトルを、5nm刻みで15nm〜35nmの導体の厚さに対する波長の関数として計算して示し、導体の厚さの増大がより短い波長へのシフトに関連することを示す図である。
放射指向窓を含む建物の一部分を示す図である。
指向性放射層を作製する代表的な方法のブロック図である。
テンプレート間の導体の堆積を回避するためのテンプレート配置および堆積方向を示す図である。
指向性アンテナに基づく導電性のナノシェルを示す図である。
計算された放射パターンを示し、導電性のナノシェルの配向された層に関連する放射の再指向を示す図である。
導電性のナノシェルの多層アセンブリを示す図である。
導電性のナノシェルの多層のアセンブリを形成する代表的な方法を示す図である。
球形のテンプレート上に形成された交互の導体/誘電体層を備えるナノシェルを示す図である。
粗くした表面上に配置された導電性のシェルを示す図である。

実施例

0009

本出願および特許請求の範囲で用いられているように、文脈別途明示しない限り、単数形の「a」、「an」、および「the」は複数形を含む。加えて、「含む(include)」という用語は、「備える、含む(comprise)」を意味する。

0010

本明細書に記載されているシステム、装置、および方法は、いかなる形でも限定すると解釈されるべきではない。代わりに、本開示は、単独で、また互いに対する様々な組合せおよびより小さい組合せで、開示されている様々な実施形態のすべての新規かつ非自明な特徴および態様を対象とする。開示されているシステム、方法、および装置は、いかなる特有の態様もしくは特徴またはこれらの組合せにも限定されるものではなく、開示されているシステム、方法、および装置は、いかなる1つもしくは複数の特有の利点が存在することも、または問題が解決されることも必要とするものではない。

0011

説明の便宜上、開示されているいくつかの方法の動作について特定の順序で説明するが、後述する特有の言語によって特定の順序付けが必要とされない限り、この説明方法は並べ替え包含することを理解されたい。たとえば、場合によっては、順次説明する動作を並べ替えることができ、または同時に実行することができる。さらに、話を簡単にするために、添付の図は、開示されているシステム、方法、および装置を他のシステム、方法、および装置とともに使用することができる様々な形態を示さないことがある。加えて、本説明では、開示されている方法について説明するために、「もたらす、作製する(produce)」および「提供する、設ける(provide)」のような用語を使用することがある。これらの用語は、実行される実際の動作を高いレベル抽象化したものである。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装形態に応じて変わり、当業者には容易に認識することができる。

0012

本開示の装置または方法を参照しながら本明細書に示す動作理論、科学原理、または他の理論上の説明は、さらなる理解の目的で提供されるものであり、範囲を限定しようとするものではない。添付の特許請求の範囲内の装置および方法は、そのような動作理論によって説明された形態で機能する装置および方法に限定されるものではない。

0013

開示されている例では、ナノスケールの導体が、入射放射を波長に応じて選択された角度へ再指向させるように構成される。住宅用、産業用、および他の建物の窓に適用される可視放射および赤外放射の再指向を参照して、例について説明する。典型的には、ナノスケールの導体要素は、放射波長に基づいて選択された入射放射の伝搬方向に対してほぼ直角の平面内に少なくとも1つの寸法を有する。いくつかの例では、ナノスケールの導体要素は、1つの寸法でナノスケールの寸法を有し、別の寸法でさらに大きい寸法を有する。たとえば、ナノスケールの導体要素は、非導電性の基板上の溝もしくは突条上の導電性のシェル、または非導電性の棒もしくは管上の導電性のシェルとして形成することができる。可視および赤外の適用分野では、適したナノスケールの寸法は、約25nm〜1μm、50nm〜約750nm、または100nm〜約500nmの範囲である。ナノスケールの導体の厚さは、約500nm、100nm、50nm、または25nm未満とすることができる。より長い波長またはより短い波長の放射の場合、ナノスケールの寸法は概して、それぞれより大きく、またはより小さい。厚さは、特定の波長または波長範囲の導体の吸収係数に基づいて選択することができる。

0014

ナノシェル導体の配置を含む放射指向層とともに使用するための基板は、硬質、剛性、可撓性の、比較的厚いまたは薄い基板とすることができ、湾曲した表面または平坦な表面を有することができ、可視、赤外、または他の波長範囲内の光放射に対して透過性または反射性を有することができる。例示的な基板には、ポリマー、エラストマ、ガラス、または他の材料が含まれる。放射指向層は、他の硬質または可撓性の層上に形成することができ、またはこの層に固定することができ、この層は、湾曲した層または平坦な層とすることができる。上記の材料に加えて、金属などの導体を使用することもできる。

0015

適したナノスケールの導体要素の形成は、ナノスケールのテンプレート上で指向性の導体堆積により、好都合に行うことができる。そのような処理および関連するナノスケールの導体要素については後述するが、他の処理およびナノスケールの導体要素の形状を使用することもできる。テンプレートの寸法は、典型的には、約1nm〜1μm、2nm〜500nm、または5nm〜300nmである。

0016

開示されている光材料は、メタマテリアルと呼ぶことができる。そのような材料は、金属などの適した導電性材料から作られた個々の要素の周期的な配置または他の配置に基づいている。そのような材料の光学特性は、単に要素の組成だけではなく、要素およびその配置に基づいている。好ましい場合、要素の寸法、形状、配向、および組成を使用して、1つまたは複数の波長帯域の放射を再指向させることができる。少なくとも1つの方向に沿った要素の寸法は、典型的には、メタマテリアルが使用される放射の波長より実質上小さい。

0017

代表的なメタマテリアル窓および光再指向層
図1の断面図を参照すると、代表的な放射再指向層100は、基板108の第1の主表面106上に配置された複数のナノスフェア102、103、104を含む。基板108の第2の主表面110と第1の主表面106は平行である。いくつかの例では、第1の主表面106および第2の主表面108は、局所的に平行であるが湾曲しており、その結果、基板は、球形のシェル、円柱形のシェル、または他の形状とすることができる。加えて、さらなる他の例では、ナノスフェア102、103、104などのナノスフェアは、球、円柱、または多角形体の表面などの湾曲した他の表面に結合することができ、平行な主表面は必要とされない。建物の窓を対象とする実装形態では、平行な主表面を有する薄いシートなど、従来の窓ガラスに類似のフォームファクタが好ましい。図1の例では、球形のテンプレート上にナノ導体のシェルが形成されているが、他の例では、円柱形の支柱などの他の表面の突起または円柱形のウェルなどの表面の凹みを使用することもできる。いくつかの代表的な例を以下に示す。

0018

それぞれのナノスフェア102、103、104上に、部分的な導電性のシェル112、113、114が設けられ、それぞれの軸122、123、124に沿って位置合わせされる。図1の例では、部分的な導電性のシェル112、113、114は、実質上平行な軸122、123、124についてほぼ対称である。他の例では、導電性のシェルは、複数の異なる方向に沿って位置合わせされる。区域131、132など、ナノスフェア間の基板区域は、概して非導電性であり、シェル102、103、104を形成するために使用されるいかなる導電性材料も存在しない。3つのナノスフェアのみを図1に示すが、より少ないまたはより多い(典型的にははるかに多い)ナノスフェアを使用することもできる。部分的な導電性のシェル112、113、114は、概して、金の指向性スパッタリングなど、導体の指向性堆積によって設けられる。ナノスフェア102、103、104は、1次元または2次元のアレイ無作為に隔置または配置するなど、不均一または均一に隔置することができる。ナノスフェア102、103、104は、概して、導電性のシェルの堆積方向および位置合わせ方向に基づいて、隣接するナノスフェアの影に入るように配置される。こうして影を付けることは、図19により詳細に後述する。導電性のナノシェルが、基板まで延び、次いで隣接するナノシェルまで延びる連続する導体層の一部である場合、ナノシェルの光再指向特性は低減され、損なわれ、または消滅する。

0019

図2Aに示すように、代替層構成200は、それぞれのナノスフェア202、203、204上に設けられた部分的な導電性のシェル212、213、214を含み、シェル212、213、214は、基板208内に埋め込まれ、または部分的に埋め込まれている。図2Bに示すものなどのさらに他の例では、放射再指向層228は、たとえばナノスフェアによって画定された表面を有する部分的な導電性のシェル232〜234を含むが、構築に使用されたあらゆるナノスフェアは除去されている。典型的には、部分的な導電性のシェルは、いくぶん半球形の形状になる傾向があり、図2Aに示す形状は、便宜的な例示を目的とする。また、4分の1の球、2分の1および4分の1の円柱、ならびに他の形状を使用することもできる。

0020

図1〜2Bの例では、部分的な導電性のシェルは、ナノスフェアの選択された表面部分に施される導電性のコーティングに基づいて設けられる。他の例では、導電性のシェルは、円柱形、多角形、角錐、または他の表面の一部分に対応する表面を有する。代表的な例を、図3〜7に示す。図3に示すように、ナノキューブ302は、立方体の面306、307、308上に配置された導電層304を含む。導電層304は軸310に関連しており、軸310は、導電性材料が導電層304を形成するようにナノキューブ302へ指向される軸に対応することができる。図4は、軸410に関連する角錐402の表面によって画定された導電層404を示す。図5は、導体堆積軸510に関連するナノコーン502の円錐形の表面によって画定された導電層504を示す。

0021

導体はまた、表面の窪みまたは凹みなど、ナノ空胴または凹面の表面特徴に基づいて構成することもできる。図6は、基板600内に画定された円柱形の凹部602を示す。円柱形の凹部602の壁の一部分を覆うように、共形の導体層604が配置される。図6では、円柱形の凹部602が基板600を貫通するように示されているが、他の例では、そのような凹部は、基板を部分的にのみ通って延び、円柱形のウェルを形成することができる。方形、卵形、長円形、多角形など、円形以外の横断面を有する凹部またはウェルを、同様に使用することもできる。図7は、基板702内に画定された円錐形の凹部704を示し、凹部704は、円錐形の凹部の内面の一部分を覆うように配置された導電層706を有する。円錐形の凹部704は、基板702を貫通するように示されている。他の例では、円錐形の凹部は、基板を部分的にのみ通って延び、または基板の外部に位置する円錐形の頂点の方へ指向される先細りした凹部を提供するように構成される。先細りした凹部は、方形、卵形、長円形、または多角形などの他の横断面を同様に有することもでき、円錐に関連するなど、直線の先細り以外の先細り構成を使用することもできる。

0022

さらに別の例示的な構造を、図8に示す。基板802は、軸801に対して平行に延びる突条804を含む。突条の表面804A、804Bには、金属または他の導電性のコーティング806が施されているが、突条804に隣接する基板表面808には、いかなる金属または他の導電性のコーティングも実質上存在しない。図8は、単一の突条804を示すが、複数の突条を設けることもでき、そのような突条は、無作為に、不規則に、周期的に、または他の形態で隔置することができる。他の例では、1つもしくは複数の湾曲した突条もしくはトレンチが使用され、または数組の突条もしくはトレンチが、1つもしくは複数の異なる軸に沿って延びるように構成される。

0023

図24に示すように、多層の構造を構築することができる。多層のアセンブリ2400は導電層2412、2414、2416を含み、誘電体層2413、2415が挟み込まれている。層の形状を画定するためにテンプレート2410が使用され、すべての層は軸2420に対して画定される。層2412〜2416はそれぞれ、同じ厚さまたは異なる厚さを有することができ、各層に対して、異なるまたは同じ誘電体および導体を選択することができる。より少ないまたはより多い層を設けることもでき、いくつかの層は、異なる軸に対して画定することができる。

0024

別の代替形態では、機械化学、もしくはレーザアブレーション、またはエッチング処理によって、ガラスまたは他の基板層を粗くすることができる。このようにして形成される表面特徴は、導電性のナノシェルを形成するために、比較的斜めの角度で指向性コーティングすることができる。表面を粗くすることによる光の散乱は、屈折率整合層を施すことによって低減させることができる。図25を参照すると、基板2502は、複数の山および谷を画定する粗くした表面2503を有する。指向性の導電性のシェル2504〜2511は、表面の山上への指向性堆積によって画定され、屈折率整合層2514は、導電性のシェル2504〜251および表面2503の残りのコーティングされていない部分を覆う。表面2503の特徴は、表面253がどのように作製されるかに基づいて、規則的または不規則に配置することができる。図25に示すように、表面のすべての山/谷が同じ寸法を有する必要はないが、概して、山の高さおよび離隔距離は、指向性堆積において影を付けることを可能にすることが好ましい。そのような基板上に形成された導電性のシェルは、以下に論じる動的な窓で使用することができ、かつ/または基板2502からリフトオフされて追加の支持層内で保持することもできる。

0025

動的なメタマテリアル窓および光再指向層
ナノシェルまたは他の放射指向ナノ構造は、1つまたは複数の異なる角度に沿って入射放射を再指向させることができる(またはできない)ように再配向可能に構成することができる。図9Aを参照すると、窓900は基板902を含み、基板902は、ナノシェル904A〜904Gなど、複数の配向された導電性のナノシェルを含む。基板902は、少なくとも1つの座屈させられた(または座屈可能な)表面914を有するように構成され、ナノシェル904A〜904Gは、座屈させられた表面908に結合される。基板902の第1の端部911は、上枠912に固定され、第2の端部916は、可動下枠920に固定される。下枠920は、コントローラ922によって指示されて基板902を引き伸ばすように構成された並進機構に結合され、またはそのような並進機構を含む。

0026

図9B〜9Cは、図9Aの基板902を、それぞれ引き伸ばされていない構成および引き伸ばされた構成で示す。図9Bでは、ナノシェル904A〜904Gは様々な配向で配置され、すなわち、ナノシェル軸924A〜924Gは概して互いに対して平行ではなく、表面914の座屈が明らかである。図9Cの引き伸ばされた構成では、表面914の座屈が低減され、軸924A〜924Gは同様に配向される傾向がある。図9Cの構成では、ナノシェル924A〜924Gは、ほぼ共通のナノシェルの配向および放射の入射角に基づいて、入射する光束を指向させる傾向がある。

0027

コントローラ922は、使用者(その部屋の居住者など)によって起動されるように配置することができ、または窓に対する太陽の位置に基づいて窓900が制御されるように、タイマもしくは他のセンサに結合することができる。加えて、現在の気象条件を使用して、たとえば、屋外の温度が比較的高いときは赤外放射を選択的に遮断し、屋外の温度が比較的低いときは赤外放射を受け入れることもできる。また、赤外放射の制御の代わりに、または赤外放射の制御に加えて、所望の室内照明に基づいて制御を行うこともできる。

0028

多くの適用分野では、図9A〜9Cに提供したものなどのナノシェル配向の外部制御は、過度に複雑で高価である。窓の中で使用するための受動的切り換えられる層を、図10A〜10Bに示す。第1の基板1002と第2の基板1004が、典型的には高温で、ともに接合される。第1の基板は、第2の基板より低い熱膨張係数(CTE)を有する。たとえば、第1の基板は、8.5*10−6/℃のCTEを有するガラスとすることができ、第2の基板は、約70*10−6/℃のCTEを有するポリマー基板とすることができる。高温から冷却されるとき、第2の基板1004の表面1006は、図10Bに示すように座屈させられる。

0029

それぞれのテンプレート1009A〜1009D(図10A〜10Bにナノスフェアとして示す)上に配置された複数の配向されたナノシェル1008A〜1008Dが、第2の基板1004内に、第2の基板1004上に、または第2の基板1004によって別の形態で保持され、その結果、ナノシェルの配向は、第2の基板1004の表面1006の局所的な配向に依存する。たとえば、ナノシェル1008A〜1008Dは概して、図10Aに示すように、より暖かい温度では、軸1010に対して比較的平行に配向されるが、図10Bに示すように、表面1006が座屈される、より涼しい温度では、概して実質的な配向を欠く

0030

ナノシェルの寸法、形状、および配向は、選択された波長の放射が層1002、1004を透過して選択された軸に沿って伝搬するように選択することができる。たとえば、銀のナノシェルをエラストマ層内に配置することができ、その結果、エラストマが座屈させられてナノシェルが位置合わせされていない場合、エラストマ層に入射する赤外放射は建物の中へ指向される。エラストマ層が座屈させられている場合、銀のナノシェルは、赤外放射が反射されるように配置される。場合によっては、ナノシェルの1つもしくは複数の層、ならびに/または異なる寸法、形状、配向、および組成のナノシェルを、異なる層または共通の層の中で使用することができる。ナノシェルは、関連するテンプレートを備えても備えなくてもよく、1つまたは複数の波長帯域を選択することができ、ナノシェルは、対応する軸に沿って透過または反射するように構成される。赤外放射が再指向される適用分野では、100nm〜200nmのナノシェルの寸法が典型的には好ましい。

0031

表面の座屈は概して、金属または剛性のポリマー層などの少なくとも1つの剛性の膜または他の剛性の層と、比較的柔らかい支持層、典型的にはエラストマまたはポリマーとを組み合わせることによって提供される。このより柔らかい膜は、剛性の膜より厚くすることができる。たとえば、上から金属−エラストマ−ガラスまたはポリマー−エラストマ−ガラスを使用することができる。圧縮応力により、薄い剛性の膜は座屈し、それによって、エラストマ/薄膜境界付近で、エラストマ内のナノシェルの順序が乱れる。上記のように、圧縮応力は、CTEの不整合によって、または機械的にもたらすことができる。

0032

図11Aを参照すると、刻印された基板1102は、複数の刻印された特徴1104、1106、1108、1110を含み、特徴1104、1106、1108、1110は、それぞれ導電性のナノシェル1114、1116、1118、1120を備える。刻印された特徴を充填し、ナノシェル1114、1116、1118、1120を覆うように、保護または屈折率整合層1103が配置される。図11Aに示すように、刻印された特徴1104、1106、1108、1110は、刻印された基板1102の表面1111の1次元の正弦曲線である。他の例では、球形または他の突起またはウェルを刻印することができ、そのような突起またはウェルは、異方性をもって配置された導電性のシェルを備えることができる。

0033

図11Bは、図11Aのものに類似の刻印された特徴上に配置された導電性のナノシェル1150の横断面を示す。厚さ最高約25〜30nmの導電性の金の層が、幅約125nmのポリマーの突起11152の片側を部分的に覆う。

0034

図12A〜12Cは、再指向された相対的なパワーを、それぞれナノシェルの幅、金のナノシェルの場合のナノシェルの厚さ、およびナノシェルの導体材料(金、銀、アルミニウム)の関数として計算して示す。

0035

追加の例
図13に示す別の例では、ナノシェル1302、1304および1303、1305が、約10nm〜約500nmの範囲の幅および高さを有する突起1306、1307上にそれぞれ配置される。突起は、基板1302から延び、ナノシェル1302〜1305および突起1306〜1307は、屈折率整合層1310で覆われる。ナノシェル1302、1304は、寸法、形状、組成、または厚さに関して、ナノシェル1303、1305と異なっても、同じでもよい。ナノシェル1302、1304および1303、1305は、それぞれ軸1322、1323に沿って指向性スパッタリングによって形成される。図14に示すさらに別の例では、ナノシェル1402、1404は、基板1402内で、それぞれの方形の突起1406、1408上に配置される。突起1406、1408は、典型的には、約10nm〜約500nmの範囲の幅および高さを有し、屈折率整合層1410で覆うことができる。

0036

ナノシェルの形成のための突起、凹み、または他のテンプレートは、スタンピングおよび熱エンボス加工または紫外硬化によってポリマー材料上にパターンが複製されるナノインプリントリソグラフィ(NIL)を使用して作製することができるが、他の方法を使用することもできる。ナノシェルは、テンプレート構造上への指向性スパッタリングによって形成することができる。NIL用のテンプレートは、たとえば、分子量97,000g/モルおよび多分散指数1.05を有する4.2質量%のポリスチレントルエン中に分散させた溶液などのポリマー膜を、前清浄した融解石英上にスピンコーティングすることによって形成することができる。テンプレートは、熱エンボス加工を介して、方形の横断面の線を有する硬質のシリコン型で刻印することによって形成することができる。代表的な例では、これらの方形の線は、137nmのピッチ、1のデューティーサイクル、および50nmの線の高さを有する。型は、型の解放を容易にするように、フッ化シラン蒸気で前清浄して処理することができる。線−空間のパターンは、たとえば、これらの線に対して法線方向にこれらの線を横切る表面から測定すると60度などの適したスパッタ角度で、約25nmの金または他の導体により指向性スパッタコーティングされる。スパッタリング角度およびテンプレート寸法は、連続する導体膜の形成を回避するように選択される。スパッタコーティングされた線−空間のパターンには、ポリジメチルシロキサン)(PDMS)の保護屈折率整合層または他の屈折率整合層を施すこともできる。

0037

図15は、図14などの構造からの代表的な透過データ(曲線1502)を、法線方向に入射する偏光されていない光の波長の関数として示す。同じ基板のパターンのない区域からの透過スペクトル(曲線1504)が、比較のために示されている。また、パターン付きの基板区域(曲線1506)およびパターンのない区域(曲線1508)に対して、一定のオフセットが適用されたモデリングデータが示されている。最小の透過に関連する波長は、導電性コーティングの厚さに基づいて選択することができる。金のコーティングに関して、5nm刻みで15nm(曲線1602)〜35nm(曲線1604)の導体の厚さに対する波長を関数とする透過スペクトルが、図16に示されている。厚さの増大は、より短い波長へのシフトに関連する。

0038

図17を参照すると、複数の配向されたナノシェルを有する層を含む窓1702が、軸1704に沿って直射日光受け取り、軸1706、1707に沿って拡散光を受け取るように配置されている。窓1702は、直射光を軸1708に沿って天井1710へ指向させ、拡散光を軸1712に沿って天井1710へ指向させる。配向されたナノシェルがない場合、直射放射と拡散放射はどちらも、軸1704、1706、1708をたどって床1712に届くはずである。他の例では、拡散光または直射光は、他の方向に沿って指向され、一部の波長範囲は、窓1702によって反射することができ、他の波長範囲は、1つまたは複数の異なる角度で透過される。たとえば、赤外放射を反射しながら、可視放射を天井1710へ指向させることができ、または直射光もしくは拡散光のいずれかの一部分は、軸1720に沿って床1712へ伝搬させることができる。

0039

可視波長で使用されるための窓およびナノシェルは、建築に関する適用分野で特に重要であるが、他の波長範囲内の放射も、同様に選択的に反射および/または透過することができ、基板、エラストマ、および他の材料を、他の波長で使用するために選択することができる。たとえば、シリコンゲルマニウム砒化ガリウム、ガラス、融解石英、ポリマー、プラスチック、ならびに他の結晶および非結晶材料などの基板を使用することができる。ナノシェルは、金もしくは銀などの金属または他の導電性材料の指向性の導体堆積によって形成することができる。ナノシェルの寸法は、所望の光学特性に基づいて決定することができる。場合によっては、突条状のテンプレートを使用するナノシェルなどのナノシェルは、直線の軸に沿って延びる。そのように延ばしたナノシェルの特徴の場合、ナノラインの長さに沿って偏光させられた放射は概して、これらのナノシェルに関連する光学共鳴に関連せず、したがって異なる偏光を異なる形態で指向させることができる。

0040

代表的な製作方法
図18を参照すると、代表的な方法は、1802で基板を清浄にするステップと、1804でナノテンプレート確立するステップとを含む。基板は、犠牲的または非犠牲的になるように選択することができる。犠牲基板は、概して、エッチングまたは他の処理によってナノテンプレートから簡単に除去されるように選択される。シリコンは、犠牲基板の好都合な例である。他の適した基板には、ガラス、融解石英、またはプラスチックが含まれる。多くの適用分野では、非犠牲的な基板は、光透過性を有することが好ましい。しかし、放射の再指向で透過を必要としない適用分野では、非透過性の基板を使用することができる。いくつかの例では、ナノテンプレートは、ナノスフェア、ナノワイアナノチューブ、ナノキューブ、ナノロッド、または他のナノスケールの構造などのナノ粒子を基板表面に施すことによって確立される。たとえば、ポリスチレンのナノスフェアを使用することができるが、他のポリマー、金属酸化物、または石英などのセラミック酸化物などの他の材料のテンプレートを使用することもできる。概して、そのようなテンプレートの単一の層が使用されるが、複数の層を使用することもでき、異なる寸法、形状、および配向のテンプレートを1つの層の中で使用することができ、または異なる層が異なるテンプレートおよびその組合せを含むことができる。

0041

テンプレートは、連続する導体層の形成を回避するために隔置される。1つの方法では、テンプレートの高密度集積された層が基板上に形成され、次いでこのテンプレート層は、テンプレートが隔置されるようにエッチングされる。エッチングは、反応性イオンエッチングRIE)、酸素もしくはアルゴンによるエッチング、または湿式エッチングで行うことができる。別の手法では、ナノ粒子などのテンプレート構造は、液体膨張させることによって拡大され、その結果、液体を除去することによって、ナノ粒子の寸法を基板表面上で低減させることができる。さらに別の手法では、テンプレートは、隔置されるように帯電させることができる。別法として、テンプレートは、除去可能なコーティングで上塗りすることができる。テンプレートが高密度に集積されるように基板表面上に分散させた後、上塗りを除去することができ、その結果、テンプレートは隔置される。

0042

他の例では、ナノスケールのエンボス加工または印刷で、テンプレートの特徴を有するポリマー膜、硬化性樹脂、またはゾルゲル前駆体を提供する。線/空間の格子などのパターンを使用することができ、または支柱、球、もしくは他の形状の配置を使用することができる。加えて、格子パターンを使用することもできる。いくつかの例では、単一の形状、寸法、または配向のテンプレートが使用されるが、形状、寸法、および配向の組合せを使用することもできる。テンプレートの高さの変動を使用して、複数の波長範囲で選択された光学特性を提供することができる。上記で論じたように、基板から外側へ延びるテンプレートの代わりに、またはそのようなテンプレートに加えて、テンプレートを凹みまたは空隙として基板内に形成することができる。他の方法では、ポリマー膜などの膜のディウェッティングを使用して、テンプレートとして働くことができるポリマーの島を作製することができる。テンプレートはまた、低圧スパッタリングによって形成することができ、または噴霧によってもたらされるナノ液滴に基づいて形成することができる。さらに別の手法では、ブロック共重合体を使用して、凝固時に相分離を呈する共有結合ポリマーに基づく膜を使用してテンプレートの特徴を作製することができる。球、円柱、または他の特徴などのテンプレートの特徴を作製することもでき、膨張および/またはエッチングを使用して、適した特徴の寸法および間隔を提供することができる。

0043

1806で、ナノテンプレート上に導体材料が指向性堆積される。様々な金属または他の導体を使用することができる。AlおよびAgは、短い可視波長の放射を再指向させる際に使用するのに適当な導体となることができ、AuおよびAgは、赤外で使用するのに適当な導体となることができる。Pt、Ni、Cr、Cu、およびPdなどの他の金属を使用することもできる。マグネトロンスパッタリングを使用して、角度を付けてサンプルを取り付けることによって、またはスパッタ標的を傾斜させることによって、表面の法線に対して0〜90度の選択された角度で金属を堆積させることができる。高い指向性を確保するには、視準が必要とされることもあれば、必要とされないこともある。高い導電性を確保するために、サンプルは概してわずかに加熱され、高いスパッタ速度が使用される。指向性堆積はまた、蒸発に基づいて行うこともできる。場合によっては、金属導体酸化を防止し、または低減させるために、誘電体のコーティングが堆積直後に導体に施される。いくつかの適用分野では、広い面積のコーティングが必要とされるため(住宅用の窓など)、コーティングすべきサンプルは直線の並進ステージに固定され、複数のスパッタヘッドに対して動かされる。それらのスパッタヘッドは、それぞれの区域をコーティングするように配置される。別法として、基板全体にわたって共通のスパッタリング方向を保つために、スパッタ標的が適当な形で回転および傾斜している状態で、基板が回転させられる(所望する場合)。加えて、基板およびスパッタ標的の一方または両方の並進および回転に基づいて、ナノシェルの配向を変動させることができる。

0044

導体の堆積は、概して、適したテンプレートが部分的にコーティングされ、テンプレート間の表面がコーティングされないように構成される。図19を参照すると、ナノスフェア1904、1906、1908、1910は、基板1902の表面1903に配置される。スパッタリング源から軸1913に沿って導電性のコーティングが施され、その結果、テンプレート間の区域1920、1922、1924は、対応するテンプレートの影に入り、または部分的に影に入り、その結果、テンプレート間の区域1920、1922、1924はコーティングされないままである。

0045

導体の堆積時に基板を使用することができるが、場合によっては、いくつかのテンプレート間の区域が導体を受け取っており、テンプレート間の区域の導体部分は、使用前に除去される。たとえば、図18を再び参照すると、導体でコーティングされたナノテンプレートは、1808で、エラストマまたは他の層の中に埋め込まれる。典型的には、テンプレート間の区域内に配置された導体部分は基板に付着し、1810で、コーティングされたテンプレートは、エラストマ層とともに除去することができる。いくつかの例では、ナノテンプレートは、エッチングまたは他の処理によって除去される。さらなる例では、埋め込まれてコーティングされたナノテンプレート(またはナノシェルのみ)を有するエラストマ層は、高温で支持層に結合され、その結果、冷却されると、エラストマ層は座屈させられる。

0046

指向性スパッタリング、蒸発、または他のコーティング処理を使用して、ナノシェルまたは他の配向可能な導電性のナノ構造を形成することができるが、金属のナノ粒子のエッチングまたはジブロックポリマー構造内へのナノ粒子の取込みなどの他の処理も適している。

0047

開示されている方法および装置は、建物の窓に特に適用可能であるが、放射指向材料は、他の適用分野にも同様に使用することもできる。図20を参照すると、軸2010に沿って入力される放射束を受け取り、その束を軸2012に沿って指向させるように、放射再指向体2000が配置される。再指向体2000は、座標系2003のXY平面に対して平行な平面内に配置されたナノシェルのアレイ2001、2004、2005、2006を含む。所望される場合、各列のナノシェルは、独立して配向することができる。アレイの間隔は、約1/4もしくは1/2の波長などの放射波長または他の値に基づいて決めることができる。たとえば、アレイ2001、2004、2005、2006の1つまたは複数は、いわゆる指向体または反射体として、八木宇田アンテナ構成で隔置することができる。そのような構成では、アレイの間隔は、放射の波長に基づいて決められ、典型的には、1/4および1/2の波長とはいくぶん異なる。アレイ2001、2004、2005、2006の1つまたは複数は、上記で論じたように、電気的または機械的に切換可能とすることができる。

0048

代表的な再指向性能
放射再指向体の効率は、選択された方向に再指向された放射と再指向された全放射との比に対応する性能示数(FOM)で定量化することができる。ほとんどの適用分野では、スペクトル範囲において少なくとも0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、または0.7のFOM値が好ましい。たとえば、窓の適用分野では、可視放射の帯域幅において少なくとも0.3のFOM値が好ましい。

0049

放射の再指向について、図21にさらに示す。軸2102に沿って入力される放射は、軸2104、2106に沿って透過され、軸2108に沿って反射される。図21に示すように、軸2102は、約30度の入射角に対応する。

0050

多層構造
図22を参照すると、多層の光再指向アセンブリ2200が、第1の組の部分的に導電性コーティングされたテンプレート2202、2203、2204を含み、テンプレート2202、2203、2204は、基板2202上に配置され、軸2208に沿って位置合わせされる。コーティングされたテンプレート2202、2203、2204を封入するために、層2206が設けられる。軸2218に沿って位置合わせされた第2の組の部分的に導電性コーティングされたテンプレート2212、2213、2214が、層2216によって封入される。軸2208、2218は、平行であっても平行でなくてもよく、導電性のシェルは、テンプレートを備えても備えなくてもよい。層ごとの封入を行うことができると好都合であるが、必ずしも必要ではない。1つまたは複数の層において、異なるテンプレートの形状、寸法、材料、および間隔、ならびに異なる導電性のシェルの形状、寸法、および材料を使用することができる。基板は必ずしも必要ではなく、そのような多層構造は、硬質または可撓性の構造とすることができ、1つまたは複数の層の中に熱的に引き起こされた座屈を提供することができる。

0051

図23は、導電性のシェルの多層スタックを形成する方法2300を示す。2302で、配向された導電性のシェルが形成される。2304で、SiO2、ポリマー、または他の誘電体材料などの透過性の誘電体コーティングが、導電性のシェル上に堆積される。2306で、より多くの導電性のシェルが所望されるかどうかが判定される。より多くの導電性のシェルが所望される場合、2302で、追加の配向された導電性のシェルが形成される。そうでない場合、2306で、シェルの形成は停止される。

0052

開示される本発明の原理を適用することができる多くの可能な実施形態を考慮すると、図示の実施形態は本発明の好ましい例にすぎないことが理解されるはずであり、本発明の範囲を限定すると見なされるべきではない。むしろ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。したがって本発明者らは、これらの特許請求の範囲の範囲および精神の範囲内に入るものすべてを本発明として主張する。

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