セラミ クスや金属によるセラミックスや金属によるナノ構造を用いた赤外線素子ナノ構造を用いた赤外線素子

物質・材料研究機構物質 材料研究機構

国際ナノアーキテクトニクス研究拠点

構築ナノシステム構築ユニット

氏名 長尾 忠昭

1

氏名 長尾 忠昭

赤外線の吸収・輻射材料の用途

・窓用遮熱材料

赤 線 吸 輻 料

・赤外線検知器 株式会社チノー ＨＰより

・非接触温度計、

サ モグラフィサーモグラフィ

・暗視カメラ暗視カメラ

・ヒーター

⇒波長選択性を持つ材料による

新しいニ ズの開拓2

新しいニーズの開拓Panasonic HPより

本技術の概要本技術の概要

本技術はナノ構造を持つ金属や導電性セラミ クス材料を用いて光を熱に 熱を赤外線にミックス材料を用いて光を熱に、熱を赤外線に変換する技術に関するものです。変換する技術に関するものです。

特定の波長の赤外線のみをほぼ100%吸収し

熱に変換する材料、逆に、特定波長の赤外線のみを放出できる材料を開発しましたのみを放出できる材料を開発しました。

安価な製法により、高機能、大面積な光検出材安価な製法 り、高機能、大面積な光検出材料や光熱変換材料の制作が可能となります。

3

従来技術の問題点従来技術の問題点

これまでの波長選択赤外線素子には高価な誘電体の積層膜が用いられてきましたが誘電体の積層膜が用いられてきましたが、、

①厚さがマイクロスケールで厚い①厚さがマイクロスケ ルで厚い

②平たいマクロな積層構造。集積化されたマイ②平 ク な積層構造。集積化され イクロデバイスなどへの適用には不適。

③光 射方向 よ 吸収波長が変わる③光の入射方向によって吸収波長が変わる

④高温（８００℃以上）の使用に耐えない④高温（８００℃以上）の使用に耐えない

などの欠点がありました。

4

などの欠点がありました。

新技術 特徴 従来技術と 比較新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術では難しかった、赤外波長選択素子のブサブミクロン化、微細化を実現しました。

微細な(μmスケ ル)赤外線検知器に波長選択• 微細な(μmスケール)赤外線検知器に波長選択

性を付与することが可能となり、分光型の赤外性を付与する 可能 なり、分光 赤外線カメラなどの可能性が生まれます。

高融点金 金 窒 物などを 高 安• 高融点金属、金属窒化物などを用いて高温で安定 かつ高強度な赤外線源を実現しました セ定、かつ高強度な赤外線源を実現しました。センサーや高効率ヒータへの応用が期待できます。

5

プラズモン現象の利用

利点Ⅰ: 2次元パターニングによるスペクトルの制御性

波長 数 ～１ ０μmの中外光を１μｍ前後の構造へ閉じ込め可能。

Length L= 0.8 - 1.3µm, Diameter D =100 nm

前後の構造へ閉じ込め可能。

N=3

6

N=1

赤外プラズモン素子の利点

利点Ⅱ: 微細素子ごとに異なる波長応答性を持たせつつ、集積化が可能。利点Ⅱ: 微細素子ごとに異なる波長応答性を持たせつつ、集積化が可能。

従来材料 新材料従来材料 新材料

λ2 λ3 λ4

誘電体積層型赤外フィルター：① 厚い（ ） ベタ膜

λ4

λ5 λ6 λ7

① 厚い（μm）、ベタ膜② マクロ光学素子（全面単一機能）

赤外プラズモン構造：① 薄い（２次元ナノパターニング）

7

② マイクロ素子アレイ場所ごとに異なる吸収、集積化可能

Ⅰ. プラズモンフィルタ型赤外温度センサー

冷却不足温度異常：危険

非接触温度センシングのニーズ

ＩＴ●ＩＴ基盤施設（データセンター）の

空調のエネルギー消費を抑えつつ温度異常などの状態を監視

過冷却：むだＩＴ<100℃

温度異常などの状態を監視

一部屋、サーバ100ラック規模で：空調の設定温度を18℃から22℃に上げると

アズビル株式会社HPより

データセンター、サーバールームの冷却、温度管理と異常検知

空調の設定温度を18℃から22℃に上げると⇒

43.8万kWh（591万円/年＠13.5円/kWh）削減可 サーバ3000ラック規模だと年間1億7千7百30万円の削減 （KDDI）FA

< 300℃

●フ クトリオ トメ シ ン

8

●ファクトリオートメーション（食品加工、塗装、硝子加工etc.）

開発するデバイスに求められる性能

技術目標

温度計測（絶対値）の精度： ±± 0 10 1 ℃℃ @@室温室温温度計測（絶対値）の精度： ±± 0.1 0.1 ℃℃ @@室温室温±± 0.6 0.6 ℃℃ @100@100℃℃300℃以下

赤外線輻射

① 波長選択素子① 波長選択素子 ←波長分解能 ⊿λ < 0. 8μm共鳴周波数 3.5 - 4.7μm

② 検知器部② 検知器部 ← 信号精度 0.1% 電圧～1 mV/nW0.1-10 msec 応答

① デ① デ① 波長選択素子 ⇒ ディスクアレイ、ホールアレイ

② 検知器部 ⇒ 焦電、熱電、スピン流

① 波長選択素子 ⇒ ディスクアレイ、ホールアレイ

② 検知器部 ⇒ 焦電、熱電、スピン流

9

② 検知器部 ⇒ 焦電、熱電、スピン流② 検知器部 ⇒ 焦電、熱電、スピン流

ディスクアレイ型赤外完全吸収体の設計(計算)

光を積層構造内に閉じ込める 完全吸収の実現光を積層構造内に閉じ込める 完全吸収の実現光を積層構造内に閉じ込める、完全吸収の実現光を積層構造内に閉じ込める、完全吸収の実現

11

赤外完全吸収体の製作プロセスの確立

Sputtering depositionPolystyrene sphere

self-assemblyO2 plasma dry etchingy y g

BCl /Cl dryBCl3/Cl2 dry etching of Al

・赤外光学応答の大きく、光・熱変換の見込める安価なベースメタルＡｌを採用。・製作が簡便・安価な積層型構造採用。 (写真のサンプルで材料代 36円/枚)

12物材機構特許 特願2014-176247

100100

高い波長制御性、熱線吸収特性、熱放射特性

60

80

S3aS3b

Sim.

ce [%

] 計算

10080

60[%]

高いスペクトル制御性

20

40

S3b S3c S3d

Ref

lect

an 40

20反射

率

4 5 6 7 8 9 10 11 120

Wavelength[m] 実験80

100

%] Meas.

100

80

%]

40

60 S3a S3b S3c S3d

efle

ctan

ce [% 60

40

反射

率[%

4 5 6 7 8 9 10 11 120

20Re

W l th[ ]

20反

4 6 8 10 12Wavelength[m]

150℃

100℃度

[a.u

.]

放射スペクトル（ < 150℃）

Scale bar: 5 µm

200℃程度以下の物体の

100℃

50℃

放射

輝度

（ < 150℃）

13

熱放射波長帯域に一致4 6 8 10 12

25℃

波長 [um]

放

波長選択型赤外マイクロセンサーの開発

焦電効果計測システム焦電体 ＋ プラズモン赤外フィルタ焦電体 ＋ プラズモン赤外フィルタ

t

P

tV

tV

tV

IRIR Pre-amplifier

Lock-in amplifier Oscilloscope

波長選択焦電素子

AmplAmpl

ChopperChopper

Lock in AmplLock in Ampl

PIRPIR

Lock-in Ampl.Lock-in Ampl.

14

①’ プラズモン赤外フィルタ＋村田製作所焦電材料(IRS‐B345T03‐R1) ①’ プラズモン赤外フィルタ＋村田製作所焦電材料(IRS‐B345T03‐R1) 

市販焦電センサIRS-B345T03-R1

AlMS

Si window

Al

AlNIM

16

Si-windowIRS‐B345T03‐R1

121416

Al MIM on IRS-B345ST03-R1

[V]80

100 Al MIM on IRS-B345ST03-R1

%]

ON ON ON ON ON ON

68

10 Al film Al-MIM@5.7 m Al-MIM@6.4 m Al-MIM-Cu@5.2 mt v

olta

ge [

40

60

ctan

ce [%

246

Out

put

20

40

Ref

lec

@6.4 m @5.7m OFF OFF OFF OFF OFF

0 50 100 150 2000

Time [second]3 4 5 6 7 8 9 10

0

Wavelength [m]16

② 焦電体を内包したプラズモン赤外フィルタ（ホールアレイ）② 焦電体を内包したプラズモン赤外フィルタ（ホールアレイ）

大きな変換シグナル大きな変換シグナル 分光感度曲線分光感度曲線高い波長応答特性高い波長応答特性

Tunable IR laser121416

V]

ON ON ON ON ON ON80

100

%]

Preamplifier: Gain 10^2

Band pass filter: 10Hz 1kHz68

10

ut v

olta

ge [

OFF OFF OFF OFF OFF

ON ON ON ON ON ON

60

ctan

ce [%

Band-pass filter: 10Hz-1kHz

Lock-in amplifier024

Out

pu

20

40

Ref

le

0 50 100 150 2000

T im e [second]1.21.41.6

mW

]

Au 0 60.81.0

sivi

ty [V

/m

Au

PtZnO

0.20.40.6

Res

pons

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.00.0

Wavelength [m] 17

波長選択型赤外マイクロセンサーの開発

複数の方式で動作を確認済み。

① 焦電体方式 電 検知 良好な波 応答性① 焦電体方式⇒ロックイン、電圧検知、良好な波長応答性

② 熱起電力方式⇒直流 電圧検知 波長応答性を確認② 熱起電力方式⇒直流、電圧検知、波長応答性を確認

③ スピン流検知方式⇒直流 電圧検知 良好な波長応答性③ スピン流検知方式⇒直流、電圧検知、良好な波長応答性

④ ボロメーター方式⇒直流、電流検知、波長応答性を確認中

今後： 熱絶縁性の高いメンブレン構造と合わせたデバイスを試作高感度化を 指すし高感度化を目指す。

18MANA Foundry 生田目・大井・大木氏 共同

波長選択型赤外光源の開発

熱輻射における

キルヒホ フの法則キルヒホッフの法則

近赤外光源などへの応用

Paint drying in car industry

Food industryFood industry

波長選択型赤外光源の開発

100

低強度発光用 ⇒ 安価なアルミ低強度発光用 ⇒ 安価なアルミ

60

80

S3aS3be

[%] Meas.

20

40

S3b S3c S3d

Ref

lect

ance

4 5 6 7 8 9 10 11 120

20R

1.0

Wavelength[m]

0.6

0.8

a.u.

]

S3a

2 4 6 8 10 12 14Wavelengthm]

0.4

0.6

Em

issi

on [ S3b

S3c S3d

4 5 6 7 8 9 10 11 120.0

0.2E

熱輻射におけるキルヒホッフの法則 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Wavelength[m] 熱輻射におけるキルヒホッフの法則

放射率 ＝ 吸収率 ＝ １－反射率

波長選択型赤外光源の開発

高強度発光用 ⇒ 高融点金属高強度発光用 ⇒ 高融点金属 800℃ で⻑時間安定動作 (Mo/Al2O3/Mo)⾚外光 17mW/Φ9.3mm @ 150mm

＝ 2 2mW/1mm2 @ 50mm＝ 2.2mW/1mm @ 50mm可視光 6.0 μW/mm2

広⾓度照射 ±60°(3 4Ａ 8Ｖ 28 8 Wの電⼒を投⼊)(3.4Ａ，8Ｖ＝28.8 Wの電⼒を投⼊)

反射

性能⽐較⾚外LED： 〜1mW量⼦カスケードレーザ:反射

発光

量⼦カスケ ドレ ザ:〜50mW

暗視カメラ光源など発光 暗視カメラ光源など

広角照射

21

波長選択型赤外光源の開発さら 高強度発光 金属 クさら 高強度発光 金属 ク

Plasmonic Ceramic TiN

さらに高強度発光用 ⇒ 金属セラミックスさらに高強度発光用 ⇒ 金属セラミックス

100 1.0@200oC

Plasmonic Ceramic TiN

60

80 Emis.-TiN-01 Emis.-TiN-02ce

[%]

0.6

0.8

[a.u

.]

2 4 6 8 10 12 1440

Ref

lect

anc

0.4

Em

issi

on

6 8 0Wavelengthm]

0

20 Refl.-TiN-01 Refl.-TiN-02

0.0

0.2

2 4 6 8 10 12 14Wavelength [m]

2 4 6 8 10 12 14

Blue：AbsorptoinBlue：Absorptoin

Red： IR emitter

動作温度・断熱性能・発光面積の向上による高強度ヒーターへ応用

想定される用途想定される用途

• 波長選択型の無偏光、赤外完全吸収体。

放射率に精度が左右されな 温度計測• 放射率に精度が左右されない、温度計測。

• 分光型赤外カメラの素子材料• 分光型赤外カメラの素子材料。

• 非接触な物質センサーや各種検査装置。非接触な物質センサ や各種検査装置。

• 高強度な赤外光源。

• 大面積、安価な赤外線ヒーター。

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実用化に向けた課題開発中の波長選択赤外センサー

• 断熱性の高い中空（メンブレン）構造に搭載したマイクロセンサーを開発中発中。

• 分光型の赤外カメラ開発のために 断熱用中空構造光 赤は素子の微細化と集積化が必要。

のSEM写真

• 赤外光源における断熱性能の向上• 赤外光源における断熱性能の向上。

24試作中の熱検知器部

共同研究への期待共同研究への期待

波長選択型の赤外線検知素子 発光（ヒ• 波長選択型の赤外線検知素子、発光（ヒーター）素子の実証を行いました。

• 半導体微細加工、電子回路、ソフトウエア技術を持 パ 協力があれば さらなる高を持つパートナーの協力があれば、さらなる高性能化と多彩なニーズ開拓が見込まれます。性能化と多彩なニ ズ開拓が見込まれます。

• 効果的なニーズ・応用先として、ロボット用環境センサー、各種状態センサー、温度品質管理、加熱加工・乾燥分野が考えられます加熱加工・乾燥分野が考えられます。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：電磁波吸収及び輻射材料発明の名称 ：電磁波吸収及び輻射材料

及びその製造方法及びそ 製造方法

• 出願番号 ：特願2014-176247• 出願人 ：物質・材料研究機構

• 発明者 ：長尾忠昭、T.D. Dao、横山喬大、石井智

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お問い合わせ先

国立研究開発法人 物質・材料研究機構

外部連携部門 研究連携室 技術移転チ ム外部連携部門 研究連携室 技術移転チーム

ＴＥＬ：０２９－８５９－２６００

ＦＡＸ ０２９ ８５９ ２５００ＦＡＸ：０２９－８５９－２５００

e-mail： technology-transfer@nims.go.jpe mail technology transfer@nims.go.jp

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