東北大、可視光や5G/6G通信電波は透過可能な遮熱メタマテリアルを開発

東北大学は10月16日、ナノメートルサイズの周期構造で構成される「アルミ製遮熱メタマテリアル」を開発し、熱となる近赤外波長は反射するが、可視光や5G/6G通信帯の電波は透過する、透明な遮熱窓用の基材を作製することに成功したと発表した。

同成果は、東北大大学院工学研究科の金森義明教授らの研究チームによるもの。詳細は、米国光学会が刊行する光学およびフォトニクスに関する全般を扱う学術誌「Applied Optics」に掲載された。

開発された透明遮熱窓の利用イメージ。遮熱メタマテリアルは、可視波長を透過し、熱となる近赤外波長を反射する特性を持つため、遮熱機能を持ちながら5G/6G通信帯の電波は透過する窓に応用できる(出所:東北大プレスリリースPDF)

太陽光のエネルギーが窓を通過することで室内や車内温度が上昇するが、太陽光は一般に波長800～1400nmの近赤外領域のエネルギーが大きいため、近赤外領域の波長を選択的に反射する遮熱窓を開発できれば、エアコンなどの消費電力量を削減することが可能だ。ただし、現在、一般的に普及している遮熱ガラスは5G/6G通信帯の電波を遮断してしまうという課題があり、それをクリアする必要もある。

(左)遮熱メタマテリアルの走査電子顕微鏡画像。(右)単位構造の原子間力顕微鏡画像(出所:東北大プレスリリースPDF)

従来の金属薄膜や透明導電膜を使った遮熱窓は、中赤外線～遠赤外線の波長を強く反射することは可能だが、熱となる近赤外線に対しては反射率が低かったほか、5G/6G通信の電波も反射して遮断してしまっていたとする。また金属微粒子を使った遮熱窓もあり、こちらは近赤外線を選択的に反射(最大反射率50%程度)できるが、より高い反射率特性が求められていた。

(左)遮熱メタマテリアルの可視波長～近赤外波長領域における反射率特性。(右)6G通信帯における透過率特性(出所:東北大プレスリリースPDF)

この近赤外波長は反射するが5G/6G通信帯の電波(可視波長)は透過する透明な遮熱窓の基材を作製するため、研究チームは今回メタマテリアルを用いてガラスなどの窓表面に形成することを試みることにしたという。

今回の研究で開発されたアルミ製遮熱メタマテリアルは、石英ガラス基板上にアルミからなる十字パターンのメタマテリアル単位構造が周期460nmで二次元周期状に形成されたものだ(平面型のメタマテリアルは、「メタサーフェス」とも呼ばれる)。顕微鏡により、3.3cm×4.0cmの領域内に、均一にメタマテリアル構造が形成されていることが観察された。

遮熱メタマテリアルは、近赤外波長(約1.1μm、周波数約273THz)において、反射率80%超が得られ、ある領域では最大反射率86.1%が得られたという。この数値は、調査した中では最高値だったとした。

テラヘルツ波領域における透過率特性については、テラヘルツ時間領域分光法により測定した結果、6G通信での利用が期待されている0.2～0.3THz付近の周波数において、80%程度の高い透過率が得られ、有限要素法に基づく電磁界の数値計算結果ともよく一致していることが確認された。さらに、5G通信に割り当てられている28GHz帯の周波数において、80%程度の高い透過率が得られることも計測により確認されたとする。以上のことから、大気の温度を高める近赤外の周波数(約273THz)は反射して通さず、5G通信帯(28GHz帯)/6G通信帯(0.2～0.3THz)の電波は通す特性が得られたとした。