| Project/Area Number |
22K04688
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
安田 敬 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (40220149)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 熱輻射制御 / 溶液プロセス / 乾燥クラック / 対流 / 光学 / 光学薄膜 / 熱輻射 / クラック |
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| Outline of Research at the Start |
熱輻射による加熱は古くから産業の主要工程のひとつであり，加熱対象が吸収しやすい波長領域に合わせてヒータの輻射スペクトルを設計できれば，加熱効率が高まり大きな省エネルギー効果が期待できる。本研究の最終目標は，ヒータの輻射スペクトルを制御する光学薄膜を溶液塗布プロセスで実現することである。その達成のため，溶液プロセスの本質的課題である塗布膜のひび割れや対流による凹凸を研究対象とし，実験と理論モデルとの比較によってこれらの欠陥の発生機構を明らかにする。さらにその成果をもとに赤外線領域で動作する光学薄膜を溶液プロセスで形成し，特異な熱輻射特性の発現を実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱輻射による加熱は産業の主要プロセスのひとつであり，そのスペクトルを制御できれば加熱効率が高まり大きな省エネルギー効果が得られる。その実用化には，発熱体の表面にナノスケールの構造を低コスト・大面積で形成する必要があり，溶液プロセスを用いた成膜が有望である。本研究では，溶液プロセスの主要課題のひとつとして知られる，塗膜の乾燥収縮によるひび割れ（クラック）と溶液塗布時に発生する凹凸パターンの抑制に取り組み，さらに熱輻射制御コーティングの実証を行った。
令和4年度の研究では，クラックの発生と薄膜の乾燥収縮による引張応力との関係を明らかにした。令和5年度の研究では応力以外の要因を明らかにする観点から，昇温条件および溶媒種の検討を行った。その結果，乾燥工程中の毛管力の関与を支持する複数の実験的知見が得られ，その応用によってクラックを抑制する成膜条件を見出すことができた。これは厚膜作製を可能にする応用上の成果とともに，これまで経験的に知られていたクラック抑制方法について動作機構を提案する点で学術的にも意義がある。
凹凸パターンを生じる塗膜中の対流現象については，従来法より簡便に抑制する成膜条件を見出し，光学的に平坦な薄膜が実現できた。
熱輻射制御の実証については，上記成膜技術の進捗に合わせ，従来より大きな光学効果をめざしたコーティングを設計・製作し，平板電熱ヒータからの輻射スペクトルの制御を試みた。令和5年度時点で波長領域は近赤外にとどまっているが，輻射スペクトルを実用レベルまで大きく変化させることができた。今後，さらに薄膜の欠陥抑制を進めて動作波長を実用領域に高めることをめざす。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画では以下の３つの目的： ①ゾル・ゲル法で作製した酸化チタン薄膜の乾燥クラックの発生要因の解明とその抑制方法の開発，②スピンコートにおける対流の発生機構の理解とその抑制，③酸化チタン／二酸化ケイ素の多層膜による輻射スペクトル制御の実証 を掲げた。それぞれに対する進捗は以下の通りである。
①令和4年度の研究では，クラックの発生は薄膜の乾燥収縮による引張応力だけでは説明できないことが明らかになっていた。令和5年度の研究では乾燥時の毛管力の影響をみるため，昇温条件および溶媒種の検討を行った。毛管力は時間的・空間的に限定されて発生するため，毛管力そのものの定量評価は現状では困難だが，毛管力の関与を支持する複数の実験的知見が得られ，その応用によって毛管力の影響を低減する成膜条件を見出すことができた。以上は酸化チタンおよび二酸化ケイ素それぞれの単層膜に関する知見だったが，今後，これら2物質の積層膜におけるクラックまたはハガレの発生機構についても明らかにして③の応用につなげる。
②凹凸パターンを生じる塗膜中の対流現象については，その発生原因を簡便に抑制する方法を令和4年度中に見出しており，この目的は達成できたと考えている。
③上の①の進捗に合わせ，作製可能な膜厚の範囲で光学薄膜を設計・製作し，約800℃の平板ヒータの輻射スペクトル制御を試みた。令和4年度は，基本的な光学設計法や測定システムの構築を完了し，まず酸化チタン／二酸化ケイ素の3層膜で理論的予想と一致する輻射スペクトル制御を実証した。令和5年度は7層構造でバンドパス型とロングパス（防眩）型を試作し，放射率を約20％～100％の範囲で波長選択的に制御できることを実証した。最終年度は，より輻射エネルギーが大きい波長領域に応用範囲を広げる段階にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
計画は当初の予定通り進んでいることから，引き続き欠陥のない光学薄膜の作製方法の開発と輻射制御の実証を進め，学会発表・論文発表等を通じて，成果の広報や同分野の研究者との情報交換を図る。
さらに，計画の実施によって新たに明らかになった以下の２つの課題についても並行して研究を進める。
①酸化チタンおよび二酸化ケイ素を交互に積層した場合には膜のハガレが生じやすいことが明らかになった。そこで，積層膜での熱膨張による応力，異種薄膜の間の付着力等を評価項目に加え，ハガレの原因を特定する。これらは現有の設備で評価可能である。
②熱輻射応用では薄膜は1000 ℃近い温度に長時間耐える必要があるが，100時間レベルの焼成テストにおいて，酸化チタンの粒成長が進行して透過率が低下することが明らかになった。研究期間内では，他元素ドープによる結晶成長の制御に焦点を当て，高温耐久性の向上を図る。最終年度であり進捗速度を高める目的で，院生による研究補助や外部の分析サービスも積極的に活用する。
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