メタサーフェスを用いた極低温用放射デバイスに関する研究

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K21049
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 太刀川 純孝 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (90470070)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 櫻井 篤 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (20529614)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2022-03-31
• Keywords: 極低温 / 放射率 / メタサーフェス / MIM構造 / ふく射

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、赤外天文衛星等に適用する「極低温用ラジエータ」の開発を目的とする。具体的には、MIM（Metal-Insulator-Metal）構造を用いて、30K程度の黒体ふく射のピーク波長である100um付近を中心に、広い波長域にわたって大きな放射率を備える材料を開発する。現在のところ、極低温で高放射率を示す適切な材料は存在しない。極低温域における赤外放射の波長は長く、従来の材料を使って放射率を高めるためには、材料を厚くする必要がある。しかし、この方法では、質量増加、コンタミ増加、熱抵抗増加などを招くため、適切な方法とは言えない。そこで、MIM構造と呼ばれる人工的な共振構造を作り、厚さが薄くても長波長の電磁波に対する吸収（＝放射）が大きくなる材料を開発する。方法としては、電磁波解析コードを用いてMIM構造を設計、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を使って試料を作成し、FTIR（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）を使って反射スペクトルを測定することによって性能の評価を行う。
研究提案時においては、30um付近に共振波長をもつMIM構造の設計・製作を行い、反射スペクトルの測定結果から、設計どおりの波長で反射率が低下、すなわち、吸収率（＝放射率）が大きくなっていることが確認できた。
2020年度は、共振波長の広帯域化を目指し、研究を進めた。具体的には、MIM構造の周期構造の大きさを単一ではなく、複数の共振点を持つように大きさを変化させた。設計完了の後、実際にMIM構造を製作し、その反射スペクトルを測定したところ、40～70umの広い波長域で反射率が低下、すなわち、吸収率（＝放射率）が大きくなっていることが確認できた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定どおり、面内方向に共振波長の異なる数種類の周期構造を配置することにより、単一の周期構造を配置した場合に比べて、共振波長の帯域を広くすることができた。また、設計時の反射スペクトルと実測の反射スペクトルは、ほぼ合致する結果となった。

Strategy for Future Research Activity

MIM構造の周期構造を大きさを変化させることにより、帯域を広くすることに成功した。しかし、面内方向に共振波長が異なる周期構造を配置するだけの方法だけでは、その広帯域化には限界があると考えている。そこで、さらなる広帯域化を目指し、面内方向の他、面外方向にも共振波長が異なる周期構造を配置したMIMIM構造を設計し、製作を行う予定である。