JP2022508193A - 調整可能なスペクトル特性を備えた複合材料 - Google Patents

Abstract

赤外反射マイクロドメインが赤外透過エラストマーマトリクスの上を覆っている、赤外放射の透過特性を変化させられる、スペクトル特性が可変な複合材料およびその作製手法について述べる。赤外放射（熱を含む）の透過特性を制御できるシステム及びその赤外放射透過（熱放射を含む）を制御できるシステムに付いて述べる。

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載

本発明は次の政府支援の元行われた。グラントDE-AR0000534: 米国エネルギー省エネルギー高等研究計画局、グラントFA2386-14-1-3026: 空軍科学研究局、協同合意D19AC00003: アメリカ国防高等研究計画局。政府は本発明に関して一定の権利を有する。

本発明は可変スペクトル特性をもつ複合材料の製造方法及び、温度調節機能を含む使用方法に関するものである。

熱伝導の効率的な制御は、電気回路 (非特許文献1)、航空機や宇宙船の材料(非特許文献2)、医療機器（非特許文献3）、発動機 (非特許文献4)、輸送及びコンテナ技術(非特許文献5)、特殊生地 (非特許文献6)、環境システムの構築 (非特許文献7) をはじめとする多くの新しいユビキタス技術を可能にする。現実、ビルの冷暖房に世界のエネルギーの約14% が使用されている (非特許文献8) 事実からも、新たな温度調節機能材料の開発は重要かつ大きな可能性を秘めている。

[非特許文献1] Moore, A. L., et al. Emerging challenges and materials for thermal management of electronics. Mater. Today 17, 163-174 (2014)
[非特許文献2] Ahlers, M. F. Aircraft Thermal Management, John Wiley & Sons, 2011
[非特許文3] John, M., et al. Peri-operative warming devices: performance and clinical application. Anaesthesia 69, 623-638 (2014)
[非特許文献4] Kikuchi, Y., et al. Distributed cogeneration of power and heat within an energy management strategy for mitigating fossil fuel consumption. J. Ind. Ecol. 20, 289-303 (2016),
[非特許文献5] Singh, S. P., et al. Performance comparison of thermal insulated packaging boxes, bags and refrigerants for single-parcel shipments. Packag. Technol. Sci. 21, 25-35 (2008)
[非特許文献6] Stoppa, M., et al. Wearable electronics and smart textiles: a critical review. Sensors. 14, 11957-11992 (2014)
[非特許文献 7] Urge-Vorsatz, D., et al. Heating and cooling energy trends and drivers in buildings. Renew. Sustain. Energy Rev. 41, 85-98 (2015)
[非特許文献8] International Energy Agency, “Energy Technology Perspectives 2017” (2017)

現代において、室内室外問わず提唱されている様々な温度管理方法は大きく分けて主に2つに分類される: 「パッシブ」と「アクティブ」だ。パッシブ温度管理は構成材料の物理特性を利用して熱伝導、対流、熱放射をコントロールすることで熱の伝わり方を調整する
[非特許文献9]。したがって、これらのシステムは基本的に安価に作製が可能で、エネルギー効率が高く、組み込みが容易だが特性が不変であり周りの環境に応答性をもたせることができない。パッシブ暖房技術の具体例として様々な詰め物、住宅用断熱材、エアロゲル、織物、熱反射シートが挙げられる。これらは、材料の低い熱伝導性あるいは高い赤外線反射特性を利用して温度を管理している。一方、アクティブ温度管理システムはエネルギー変換を用いた熱交換を行うことで温度を管理している (非特許文献10-12)。これらのシステムはユーザー側で温度を制御することが可能でより正確な温度管理が可能になるが、比較的高価であり、エネルギー効率が悪く、導入が複雑になる。アクティブ暖房技術の具体例としては電気熱量効果を用いたデバイス、熱電効果を用いたデバイス、電熱生地、ヒートポンプ、埋込み型暖房/換気/空調システムが挙げられる。これらは熱エネルギーを電気的あるいは機械的入力に応じて変換することで温度を管理している。
[非特許文献9] U.S. Department of Energy Advanced Research Projects Agency, “DELTA Program Overview” (2014) and Kakac, S., et al. Microscale Heat Transfer - Fundamentals and Applications (Springer, 2005)
[非特許文献10] Tong, X. C. Advanced Materials for Thermal Management of Electronic Packaging (Springer, New York, 2011)
[非特許文献 11] Gupta, N., et al. Review of passive heating/cooling systems of buildings. Energy Sci. Eng. 4, 305-333 (2016)
[非特許文献 12] Wang, Y., et al. A state of art review on methodologies for heat transfer and energy flow characteristics of the active building envelopes. Renew. Sustain. Energy Rev. 78, 1102-1116 (2017)

可変スペクトル特性を得るために様々な実施例が行われた。例えば:
赤外透過性および柔軟性を持ち、弾性率を持つ伸縮性材料で構成される、エラストマーの厚みによって特徴づけられる伸縮性マトリクス;
複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている;
複数のマイクロドメインを隔てる複数のスペーサー。このスペーサーは赤外反射素材で覆われていない伸縮性マトリクスで構成される;
複数のマイクロドメインを伸縮性マトリクスに固定している複数のナノ構造体。複数のナノ構造体はその高さによって特徴づけられ、この高さはマイクロドメインの厚みには含まれない;
ここで、マイクロドメイン間の間隔は伸縮性マトリクスの機械的制御によって調整可能である。

多くの実施例に置いてエラストマーの厚みは300 ミクロン未満である。

これらの実施例に置いて、弾性率は < 10² MPa である。

これらの実施例に置いて、柔軟性及び伸縮性を持つ赤外透過材料は次のグループの中から選ばれた: ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、またはスチレン-イソプレン-スチレンやスチレン-ブチレン-スチレンといったポリスチレンを含む共重合体。一部実施例では柔軟性及び伸縮性を持つ赤外透過材料としてスチレン-エチレン-ブチレン-スチレンブロック共重合体を用いた。

これらの実施例に置いて赤外反射材料は次のグループの中から選ばれた: 金属、金属酸化物あるいは非金属酸化物、セラミック、これらの合金、またはこれらの組み合わせ。一部実施例では赤外反射材料として次の材料を含むグループを用いた: Cu, Al, TiO₂, SiO₂、またはこれらの組み合わせ。

これらの実施例に置いてマイクロドメイン厚さは2から100 nm。多くのジッs例に置いて厚さは20 nm であった。

これらの実施例に置いてナノ構造体の高さは 1 ミクロン未満であった。一部実施例では高さは約 90 nm であった。

様々な実施例に置いて次を含むスペクトル特性可変の複合材料が作製された:
その厚みにより特徴づけられ、弾性率により特徴づけられる柔軟性および伸縮性を持った赤外透過材料により構成されるエラストマーマトリクス;
そのエラストマーマトリクスを覆うその厚みにより特徴づけられる、赤外反射材料により構成される複数のマイクロドメイン;
赤外反射素材に覆われていないエラストマーマトリクスにより構成され、複数のマイクロドメインを隔てる複数のスペーサー;
この複数のスペーサー間隔はエラストマーマトリクスの機械的操作により調整可能である。

多くの実施例において、複数のマイクロドメインは高さによって特徴づけられるナノ構造体によってエラストマーマトリクスに固定されている。このナノ構造体の高さはエラストマーマトリクスの厚さには含まれない。

また多くの実施例において柔軟性および伸縮性をもつ赤外透過材料は赤外反射材料を結びつける化学物質郡によって駆動される。

他に次を含む様々な実施例においてスペクトル特性を変化させられる複合材料の作製手法を示す。:
サポート基盤を用意する;
サポート基盤上に赤外反射材料を1層目、2層目の2段階に分けて作製する; ここで、
1層目は基盤に接する形で作製され、その膜厚によって特徴づけられる赤外反射可能な均一膜である、また
2層目は1層目に接しており、その構造の高さによって特徴づけられる複数のナノ構造体によって構成される;
その厚みによって特徴づけられる、弾性率によって特徴づけられる赤外透過材料により構成されるエラストマー素材を成膜し、複数のナノ構造体がこの赤外透過エラストマー膜内に埋まるようにすることで赤外透過エラストマーマトリクス内に赤外反射材料が隠された複合材料を作製する;
この複合材料に力を加えてこの複合材料をサポート基盤から剥離することで1層目にむき出しの赤外透過エラストマーマトリクスによって隔てられた複数の赤外反射ナノ構造体を持つ自立したスペクトル可変複合材料膜が作製される。

多くの実施例において、赤外透過エラストマーマトリクスは剥離前に熱硬化あるいは時間を置くことによって硬化させられる。

また多くの実施例において、赤外反射材料はサポート基盤上に物理的あるいは化学的な蒸着によって成膜される。その多くの実施例において、赤外反射材料はサポート基盤上に電子ビーム蒸着によって成膜された。

また多くの実施例においてサポート基盤材料は次のグループの中から選ばれた: シリコンウェーハ、アルミホイル、ポリマー素材、あるいはガラス。

また多くの実施例に置いて均一膜の厚さは2から100 nmである。その多くの実施例においては、均一膜の厚みは20 nmである。

多くの実施例において複数のナノ構造体による配列は次のいずれかの構造を取る: 縦あるいは横に傾いた円柱構造、ジグザグ構造、螺旋構造、刃物状、高さの異なる積み重ね構造、あるいはこれらの組み合わせ。

また、多くの実施例に置いてナノ構造体の高さは1ミクロン未満である。さらにそれらの多くの実施例に置いてはナノ構造体の高さは約 90 nmである。

また多くの実施例において赤外反射材料は次のグループのいずれかで構成される: 金属、金属酸化物または非金属酸化物、セラミック、これらの合金、あるいはこれらの組み合わせ。この一部実施例においては赤外反射素材に次を用いた: Cu, Al, TiO₂, SiO₂またはこれらの組み合わせ。

多くの実施例において赤外透過素材は次のグループのいずれかの手法で作製された: スピンコーティング、スプレーコーティング、スロットコーティング、オフセット印刷、ブレードコーティング、メルトブロー法、印刷、押出成形、グラビア塗布、ラミネート加工、あるいはこれらの組み合わせ。

また様々な実施例においてサポート基盤にはアルミホイルを用い赤外透過エラストマーマトリクスはスプレーコーティングによって成膜された。

また多くの実施例においてエラストマーの厚みは300 ミクロン未満であった。

多くの実施例において、弾性率は < 10² MPa である。

また多くの実施例において赤外透過エラストマーマトリクスは次のグループの材料から構成される: ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、スチレン-イソプレン-スチレンやスチレン-ブチレン-スチレンといったポリスチレンを含む共重合体、またはそれらの組み合わせ。一部実施例では柔軟性及び伸縮性を持つ赤外透過材料としてスチレン-エチレン-ブチレン-スチレンブロック共重合体を用いた。

様々な他の実施例においては次の手法でスペクトル可変の複合材料を作製した:
サポート基盤を用意する;
サポート基盤上のすぐ上に1層目の、その全体の膜厚によって特徴づけられる赤外反射材料による層を作製することで、赤外線放射に対して反射可能な材料がサポート基盤に接する形で均一な膜を形成するようにする;
弾性率によって特徴づけられる赤外透過エラストマー材料を赤外反射材料の上に成膜することで赤外反射材料と赤外透過エラストマーマトリクスによる複合材料を作製する;
赤外反射材料と赤外透過エラストマーマトリクスをくっつける;
力を加え複合材料をサポート基盤から剥離することで1層目の赤外反射材料が複数の赤外透過エラストマーマトリクスによって隔てられるよう砕き、
スペクトル特性が調整可能な自立した複合材料膜を作製する。

多くの実施例において次の手法を含む:
赤外反射材料を2層目として1層目作製直後、赤外透過エラストマー材料の成膜の前に作製することで、2層目がその高さによって特徴づけられる複数のナノ構造体を有し、そのうえに赤外透過エラストマー材料を成膜することで複数のナノ構造体がエラストマーマトリクスの中に埋もれた状態にする。これにより1層目が赤外透過エラストマーマトリクスに固定され、赤外反射材料が赤外透過エラストマーマトリクスに組み込まれた複合材料が形成される。

また、他の様々な実施例において、他の物質や生体からの赤外線放射を制御する手法として次を含む:
赤外線を出す物質あるいは生体を次により構成されるスペクトル特性可変の複合材料で包む:
複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている、
複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている、
複数のマイクロドメインを隔てる複数のスペーサー。このスペーサーは赤外反射素材で覆われていない伸縮性マトリクスで構成される、さらに
複数のマイクロドメインを伸縮性マトリクスに固定している複数のナノ構造体。複数のナノ構造体はその高さによって特徴づけられ、この高さはマイクロドメインの厚みには含まれない、
ここで、マイクロドメイン間の間隔は伸縮性マトリクスの機械的制御によって調整可能である; また
機械的にエラストマーマトリクスを操作することで複数のマイクロドメイン間のスペーサー間隔を調整し物質あるいは生体から発せられる赤外線を外に放射あるいは中に蓄える。

多くの実施例に置いて赤外線放射は熱である。

多くの実施例において機械的操作は次グループのいずれかの手法によって実現される: ひずみを加える、せん断、圧力、屈曲、ねじり、あるいはこれらを組み合わせた力を加える。

他の実施例及び機能は本明細書の次の章に記載され、当業者が仕様を吟味するか、本開示に従い実施することで理解される。本開示のさらなる原理および利点は、本開示の章を構成している、残りの仕様を図を参考にすることで理解される。

本開示のさらなる原理および利点は、次の詳細な仕様説明を、図およびデータと共に参考にすることで理解される。
図 1A は先行研究によるポリエチレンテレフタレート上にアルミフィルムを成膜した (右図) 、赤外反射特性を持つ“スペースブランケット”を前腕に装着した様子 (左図) の平面図及び側面図である。図 1B はイカの色素細胞を含んだ表皮の様子と (左図)と、先行研究による筋肉の収縮が色素細胞の大きさを変えて光の反射/透過特性が変わる様子を示した平面図及び側面図である (右図)。図1C. はスペクトル特性が可変な複合材料を前腕に装着した様子 (左図) と、本発明の開示による赤外反射マイクロドメインが組み込まれた赤外透過エラストマーマトリクスの平面図及び側面図である (右図)。 図 2 は本発明の開示による、スペクトル特性が可変な複合材料に様々な機械的伸張 (0 %, 30 %, 50 %) を加えることで赤外放射を制御する仕組みの概略図である。 図 3A および 3Bは本発明の開示による、スペクトル特性可変の複合材料作製の概略図、特に図 3B は大面積に作製する際の概略図である。 図. 4A-4Cは本発明の開示による、様々な条件で作製した円柱状赤外反射材料 (銅) の様々な角度からの走査型電子顕微鏡の写真である。 図 5A-5D本発明の開示による複合材料の機械的および光学的特性を示したものである; ここで: 図. 5A. は複合材料の公称応力-公称ひずみ線図をプロットした機械的特性と、この線形弾性域を拡大した図 (複合材料の弾性率を計算するのに用いる) である; 図. 5B1複合材料を様々な値で駆動した (0 %、30 %、50 % 応力) 際の様子をデジタルカメラ及び走査型電子顕微鏡で撮影したものである; 図 5B2 及び 5B3は更に様々な条件で作製した複合材料の様々な値で駆動した (0 %、30 %、50 % 応力) 際の走査型電子顕微鏡の写真である; 図 5C1 及び 5C2 shows the infrared reflectance and transmittance spectra for the composite materials comprising tiled and vertical column nanostructures, correspondingly, at various stages of actuation (at 0 %, 30 %, and 50 % strain), as well as corresponding plots of the average reflectance and average transmittance as a function of the applied strain for the same materialsはタイル型またコラム型のナノ構造体を有する複合材料の赤外反射スペクトル及び透過スペクトルを様々な値で駆動 (0 %、30 %、50 % 応力) したときそれぞれに対応する形でプロットしたもの、さらに同じ材料の平均反射率及び平均透過率を加えた応力に対応する形でプロットしたものである; 図 5C3 及び 5C4 様々な条件で作製した複合材料の平均反射率及び平均透過率を示したものである; 図 5D 複合材料を繰り返し機械的に駆動した際の耐久性を示した図である。 図 6A-6D は本発明の開示による複合材料の温度調節可能なウェアラブルデバイスとしての汎用性を示したものである: 図 6A は複合材料を様々な値で駆動した際の保温機能を一般的な衣類に用いられる生地のそれと比較したものである; 図 6B schematically illustrates the model used to compare the thermoregulating performance of the materials fromは図. 6Aの材料による保温原理の違いを示した概略図であり, 図. 6C 及び6D は様々な条件で作製された複合材料の目標温度を計算したものである。 図 7A-7C は本発明の開示による複合材料の保温機能を測定する様子 (図 7A) 及び概略図 (図 7B)、またを様々な条件で駆動したときそれぞれの保温機能およびそれに対応する光学特性を示したものである。 図 8A-8C は本発明の開示による複合材料を用いた調整スリーブを人体に装着した際の保温機能を示しており、図 8Aは実験の様子、図 8Bおよび8Cは被験体の赤外線カメラ画像及び実験データを示している。 図 9 本発明の開示によるスペクトル特性可変複合材料を用いた保温スリーブの作製手順を示している。

開示の詳細
これより赤外放射を制御可能なスペクトル可変な複合材料の概略図、写真、データ、及び作製手法、これを用いた赤外放射特性を制御可能なシステムの構成、赤外放射特性の制御方法について説明する。本発明の実施例は、本開示から実施例以外の実施態様を除外する、または適用範囲を実施例に限定するものではない。むしろ、ここで詳細を述べる実施例は当業者が本発明を実施できるように選ばれた。

伝熱制御は、ビルの断熱 (非特許文献13) や断熱窓 (非特許文献14) 、宇宙船の部品 (非特許文献15)、電磁シールド (非特許文献16)、梱包材 (非特許文献17)、機能性衣料 (非特許文献18) に及ぶまで多くの定着した技術の性能を大きく制約する。しかし、現時点で存在する伝熱制御システムは、安価かつ容易に組み込みが可能なパッシブシステムと動的に制御可能なアクティブシステムの間でトレードオフが存在する。すなわち、両システムの利点である最小のコスト、組み込みの容易性、ゼロか限りなくそれに近い消費エネルギーで制御可能な「理想的」な熱制御システムの実現は困難ながら望ましい。
[非特許文献 13] I. Hernandez-Perez et al., Thermal performance of reflective materials applied to exterior building components-A review. Energy Build. 80, 81-105 (2014)
[非特許文献 14] U.S. Department of Energy, Energy-Efficient Windows, https://energy.gov/energysaver/energy-efficient-windows
[非特許文献 15] NASA, A Shining Example of Space Benefits (2007), https://www.nasa.gov/vision/earth/technologies/silver_insulation.html
[非特許文献 16] S. Geetha, et al., EMI shielding: Methods and materials-A review. J. Appl. Polym. Sci. 112, 2073-2086 (2009)
[非特許文献 17] S. P. Singh, et al., Performance comparison of thermal insulated packaging boxes, bags and refrigerants for single-parcel shipments. Packag. Technol. Sci. 21, 25-35 (2008)
[非特許文献18] J. F. Sacadura, Radiative heat transfer in fire safety science. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 93, 5-24 (2005)

パッシブシステムの中でもNASAが1960年代に宇宙空間での激しい寒暖の差を軽減するために開発した「スペースブランケット」は今日おいて最も功績の大きい伝熱管理技術である(図1A)（非特許文献19）。スペースブランケットの基本的に透明なプラスチックシートを金属薄膜で覆うことで実現する (図1A、 挿入図および右図)。この構造は熱を含む赤外放射に対して効果が大きい。スペースブランケットはさらに軽量で小型、さらに作製が容易なことから、食品の梱包や緊急シェルター、医療用保温材、防護服、ビル用断熱材、太陽光集光器をはじめ様々な応用が発明されている。そのため、この温度調節機構は宇宙開発ほか、様々な条件下で人命救助や、食料の保存、世界のエネルギー消費量の削減に役立っている (非特許文献20-22)。ただし、スペースブランケットはいわゆる「ON/OFF」型の技術であり、状況に合わせて動的に特性を変えることができない (図1A 右)。これだけ普及したスペースブランケットだが驚くことに、そのパッシブな温度管理技術はこの50年間、その使われ方変えてこなかった。
[非特許文献19] NASA, Reflecting on space benefits: a shining example. Spinoff 2006, 56-61 (2006)
[非特許文献20] Meyer, R. X. Elements of Space Technology (Elsevier, 1999)
[非特許文献21] Skrabec, Q. R. Aluminum in America: A History (Mcfarland & Company, Inc., 2017)
[非特許文献22] Watkins, S. M., et al. Functional Clothing Design: From Sportswear to Spacesuits (Fairchild Books, New York, 2015)
温度管理用アクティブシステムにおいて、近年人々はスイッチング可能なデバイスの開発に注力してきた。これらのデバイスでは、金属酸化物薄膜や低圧ガス、導電性ポリマーフィルムのような刺激応答型材料に間隔をあけたり接続部分をもたせたりすることで熱の伝導、対流、放射を操ろうとしている (非特許文献23-25)。このような設計において熱の伝搬は、機械的圧力や電圧、磁場のような熱エネルギー以外の入力によって制御される。これら熱スイッチは冷蔵や熱回収、電子回路の熱設計、エネルギーの貯蔵/放出、航空機における温度管理といった分野で利用されてきた。しかし、これらスイッチがより広い範囲で応用されるには、大面積に作製が可能なことや駆動方法が簡単であること、ヒステリシス無しで特性の再現性が良く調整が可能なこと、繰り返し使えること、柔らかく柔軟性をもたせられること、早い応答、高いON/OFF比、低い動作温度といった厳しい性能基準を満たさなければならない。今日にいたるまで、これらすべての性能を同時に満たす熱スイッチ技術は一つも存在してこなかった。
[非特許文献23] Li, N. et al. Phononics: manipulating heat flow with electronic analogs and beyond. Rev. Mod. Phys. 84, 1045-1066 (2012)
[非特許文献24] Wehmeyer, G., et al. Thermal diodes, regulators, and switches: physical mechanisms and potential applications. Appl. Phys. Rev. 4, 041304 (2017)
[非特許文献25] DiPirro, M. J., et al. Heat switches for ADRs. Cryogenics 62, 172-176 (2014)
それにひきかえ、自然界には状況に合わせて材料の特性を効率的に変化させる手法が存在する。例えば、頭足類鞘形亜綱の持つ体の色を変える能力は可変熱制御システムのアイディアの元となっている（図1B）(非特許文献26-28)。
[非特許文献26] Mathger, L. M., et al. Mechanisms and behavioural functions of structural coloration in cephalopods. J. R. Soc. Interface 6, S149-S163 (2009)
[非特許文献27] Kreit, E. et al. Biological versus electronic adaptive coloration: how can one inform the other? J. R. Soc. Interface 10, 1-13 (2012)
[非特許文献28] Phan, L. et al. Dynamic materials inspired by cephalopods. Chem. Mater. 28, 6804-6816 (2016)

具体的には、イカ表皮の透明な真皮層には赤色、黄色または茶色の色素胞が密に配列パターンで並んでおりその周りを神経細胞が支配する筋細胞囲んでいる(図1B挿図)(非特許文献29-32)。この高度に発展した自然の仕組みにおいては、筋細胞が動的に（1個1個独立にあるいは2個対で）色素細胞を点型や平型に切り替えることで局所的に色を変えつつ皮膚の透過度を変化させている(図1B右)。このイカにのみ見られる皮膚の仕組みはバイオミメティクスにおける柔らかいアクティブ表皮(非特許文献33)や電子光学迷彩（非特許文献34）、機械・電子・化学的応答性エラストマー（非特許文献35）、伸縮性電子発光材料（非特許文献36）、可変赤外反射システム（非特許文献37）をはじめ様々な人工的に色および見た目を変化させるシステムの元となっている。さらに、自然界のイカ表皮を構成する要素は、先に述べた熱スイッチに要求される性能基準をほぼ満たすため、革新的温度制御系のモデルとして大変有用である。
[非特許文献29] Messenger, J. B. Cephalopod chromatophores: neurobiology and natural history. Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 76, 473-528 (2001)
[非特許文献30] Kirkwood, K. M., et al. Mechanics of the cephalopod chromatophore layer: structural characterization of cephalopod chromatophores. In ASME 2011 Summer Bioengineering Conference 2011, 427-428 (2011)
[非特許文献31] Suzuki, M., et al. Chromatophore activity during natural pattern expression by the squid Sepioteuthis lessoniana: contributions of miniature oscillation. PLoS One 6, e18244 (2011)
[非特許文献32] Bell, G. R. R. et al. Chromatophore radial muscle fibers anchor in flexible squid skin. Invertebr. Biol. 132, 120-132 (2013)
[非特許文献33] Rossiter, J., et al. Biomimetic chromatophores for camouflage and soft active surfaces. Bioinspir. Biomim. 7, 036009 (2012)
[非特許文献34] Yu, C. et al. Adaptive optoelectronic camouflage systems with designs inspired by cephalopod skins. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 12998-13003 (2014)
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[非特許文献36] Larson, C. et al. Highly stretchable electroluminescent skin for optical signaling and tactile sensing. Science 351, 1071-1074 (2016)
[非特許文献37] Xu, C., et al. Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods. Science 359

本開示は熱を含む赤外放射を制御できるスペクトル特性可変な完全人工型複合材料の作製方法およびその運用方法の実施例に関するものである。多くの実施例において、本開示の複合材料 (図1C) は赤外反射スペースブランケット技術 (図1A) の単純さ、安定性と色を変化させられるイカ表皮 (図1B) の洗練された、かつ動的な部分、両方を念頭に置いている。したがって、多くの実施例においてこの複合材料はスペースブランケットの利点、例えば作製の容易性やエネルギー消費の少なさ、およびイカ表皮の利点、例えば使用者によって必要に応じて制御可能である点、の両方を兼ね備えている。多くの実施例においてスペクトル特性可変な複合材料は熱放射を調整するよう熱制御システムとして用いられた。一部実施例において、この複合材料を用いた熱制御システムはウェアラブルシステムである。多くの実施例において、この複合材料を用いた熱制御システムはスリーブやパネルと言った服や服の一部として機能する。

多くの実施例において、このスペクトル特性可変な複合材料は 伸縮性を有した赤外透過マトリクスを赤外反射材料のマイクロドメイン上に被せた構造をしている。これら多くの実施例において、赤外反射マイクロドメイン達は、これに覆われていないマトリクス材料部分によって引き離すことが可能である。より具体的には、多くの実施例において、伸縮性マトリクスを機械的に駆動、すなわち伸張したりもとに戻したりすることで赤外反射マイクロドメイン周りの面積/大きさを動的に変化 させ、複合材料内のマイクロドメインが離れた状態（「開放」）にすることで赤外放射を促進し、マイクロドメインが凝集した状態（「閉鎖」）にすることで赤外放射を抑制することが可能になる。多くの実施例において、エラストマーマトリクスとそれに覆いかぶさる赤外反射マイクロドメインの接着部分には、複合材料に対する全ての駆動（伸張、ねじり等）に対してマイクロドメインの配置と間隔のみが変化し（マイクロドメインが剥離する等して）他部分が壊れないよう、細心の注意が払われた。そのため、多くの実施例に置いてマイクロドメインはナノ構造体を用いてマトリクスに固定されている。多くの実施例において、固定用ナノ構造体には円柱の形状をしたナノ構造体が用いられた。一部実施例において、この固定用ナノ構造体は表面粗さを有する。一方、一部実施例においては、適切な材料を用いることでナノ構造体による固定なしでも十分な接着が可能である。 例えば、ある実施例においては赤外反射マイクロドメインに金属あるいは無機物を用い、エラストマー材料にこれら材料と接合する化学物質郡を用いることで適切な接着が行われた。例えば、金属の銅にはカテコール基含有マトリクスを用いた。多くの実施例において、赤外反射マイクロドメインと赤外透過エラストマーマトリクスが丈夫に接着できるよう、物理的（ナノ構造体）あるいは化学的接合が用いられた。

多くの実施例においてエラストマーマトリクスは柔らかく柔軟性を持つ赤外透過ポリマーを用いた。多くの実施例において、これらマトリクスに用いられる赤外透過エラストマーは低い弾性率を有する。多くの実施例にエラストマーマトリクスの弾性率は< 10² MPaである一部実施例においては、弾性率は2 MPaだった。多くの実施例において、赤外透過マトリクスはストレッチャブルかつ赤外透過性を有する次の材料の中から選ばれた:ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、スチレン-イソプレン-スチレン (SIS) やスチレン-ブチレン-スチレン (SBS)といったポリスチレンを含むブロック共重合体、スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン (SEBS) ブロック共重合体、あるいはこれの組み合わせ。多くの実施例において、エラストマーマトリクスの厚さは複合材料全体の耐久性を保ちつつ、マトリクスの赤外透過性を確保できるよう選ばれた。多くの実施例において、エラストマーマトリクスの厚みは 300 ミクロン未満である。多くのSEBSブロック共重合体を用いたマトリクスを含む実施例において、マトリクスの厚みは約 30ミクロンだった。

多くの実施例において、本開示の複合材料における赤外反射材料は次の中から選ばれた:金属、金属酸化物あるいは非金属酸化物、セラミック、合金をふくむこれらの材料の組み合わせ。 一部実施例では赤外反射材料として次の材料を含むグループを用いた: Cu, Al, TiO₂, SiO₂、またはこれらの組み合わせあるいは合金。多くの実施例において、赤外反射層は均一膜ではなくマイクロドメインに凝集している。ここで個々のマイクロドメインはヒビ割れによって囲まれており、このヒビがエラストマー伸長したときと同様、エラストマーマトリクス（このマトリクスにマイクロドメインは接着している）の幅として機能する。赤外反射材料とエラストマーマトリクスがナノ構造体によって固定されている一部実施例においてマイクロドメインは次の隣り合った層によって構成される: 表層側に面している均一な赤外反射膜とエラストマーマトリクスに固定するためのナノ構造体層。多くの実施例において、この赤外反射均一膜の厚さは、複合材料の最適な特性と耐久性を得るために 2-100 nmの範囲に入っている。多くの実施例において、赤外反射均一膜の厚みは20 nmであった。多くの実施例において、固定用ナノ構造体層が存在する場合その厚みは 1ミクロン未満である。一部実施例において、固定用ナノ構造体層を省くことは複合材料の作製手順を簡略化するが、複合材料の使用耐久性が代償とする。

多くの実施例において、複合材料のスペクトル特性は機械的駆動によって調整される (図2)。多くの実施例において機械的駆動とは次のいずれかを指す: ひずみ、せん断、圧力、屈曲、ねじり、あるいはこれらの組み合わせを加える。多くの実施例において、本開示における複合材料は弛緩状態に（ひずみが0 %） においては、例えば複数の様々な形をした赤外反射マイクロドメインが、ナノ構造体によって固定された赤外透過マトリクス上に凝集する (図2 左)。この状態で実施例における複合材料は放射される赤外線ほとんどを反射する。一方で、機械的に駆動したとき、このマトリクスに固定された実施例における赤外反射マイクロドメインは下のエラストマー層が伸張することで開かれ離れたた状態になる (図2 真ん中、右)。この「開放」状態で赤外透過マトリクスは赤外反射マイクロドメインと、全体として赤外線の多くを透過させる実施例の複合材料の両方が赤外放射を受ける。したがって、多くの実施例において、スペクトル特性可変複合材料は駆動と緩和を制御することで、柔らかく伸縮性を持つ赤外透過マトリクスが伸張と弛緩し複合材料中の赤外反射マイクロドメイン間の赤外反射材料が覆っていない領域を変化させること動作している。 特に、これらの実施例の駆動方法は、野生のイカ表皮中に含まれる光反射部分 (色素胞) の面積がそれ自身の駆動によって変化するそれとは異なる。一部実施例においては、複合材料の赤外放射は熱によって制御される。

多くの実施例において、スペクトル可変複合材料は図3A及び3Bに示される手順で作製された。多くの実施例において、まず赤外反射材料がサポート基盤上に物理的あるいは化学的な成膜方法を使って作製される。多くの実施例において、赤外反射材料は電子ビーム蒸着法を使って成膜された。多くの実施例において、赤外反射材料は1層、または異なる構造の2層に分けて、その場で成膜された。ここで1層目は赤外反射材料の均一膜の層で、必要に応じて作製される2層目はナノ構造体になるよう成膜される (図3A、左より2番目)。多くの実施例において、この赤外反射材料の均一（「平面」）膜は蒸気流に対し垂直に置かれたサポート基盤上に成膜される。多くの実施例において、この均一膜の厚みは2-100 nmである。この均一膜の厚みが2 nm未満あるいは100 nmを超える場合、サポート基盤から適切に剥離せず（はがれず）、これに続く複合材料の作製手順および使用に、均一性および耐久性の面から適さないことがわかった。 また、100 nm 以上赤外反射膜を成膜すると、その厚みゆえ赤外反射マイクロドメインが適切な大きさにならず、結果最終的な複合材料の性能が要求水準以下となる。多くの実施例において、赤外反射均一膜の厚さは20 nmである。

多くの実施例において、次にエラストマーマトリクスに固定する用のナノ構造体を先の赤外反射均一・平面層の上に成膜される (図3A)。多くの実施例において、ナノ構造体は様々な厚みの斜め円柱配列である（図4A）。例として、一部実施例において、斜め円柱配列は蒸気流に対しサポート基盤を89°傾けた斜め蒸着法 (非特許文献38) を用いて均一膜上に成膜された (図4B)。一部実施例においては、円柱の角度 (α) がα = 81°, 83°, 85°, or 87°と89°未満であった(図 4C)。一部実施例において、αは蒸着される赤外反射材料に合わせて選ばれた。例えば、ある実施例において赤外反射材料として銅を用いたが、このときの適切なαは75°より大きい。特に、ナノ構造体の角度は適切に選ばないと薄膜の空隙率に影響が出ることがわかった。ここでナノ構造体が密になりすぎたり、逆に隙間が空きすぎたりすると複合材料の作製（剥離の段階）に悪影響があり、最終的に複合材料の耐久性にも影響があると思われる。
[非特許文献38] Barranco, A., et al. Perspectives on oblique angle deposition of thin films: from fundamentals to devices. Prog. Mater. Sci. 76, 59-153 (2016)

一部実施例において、ナノ構造体は垂直あるいは斜めのジグザグ構造や螺旋構造、刃物状、厚みの違う多層構造、またはこれらを組み合わせた配列の形を取る。多くの実施例において、ナノ構造体の高さ（すなわちナノ構造体層の厚み）あるいはナノ構造体自身の幅、あるいはその両方は赤外反射マイクロドメインがマトリクスに最も強固に固定されるよう調整あるいは様々な値を取らせた。ここで、本開示において「ナノ構造体の高さ」や「ナノ構造体高」は、斜め円柱型のナノ構造体それぞれの長さや、様々な円柱の長さまたは鉛直方向の円柱の高さではなく、ナノ構造体層の平均的厚さのことを指す。 これら多くの実施例において、固定用ナノ構造体の高さは1ミクロン未満である。一部実施例において、ナノ構造体の高さ（層の厚さ）は約 90 nm である。 多くの実施例に置いて赤外反射材料は次の中から選ばれる: 金属、金属酸化物あるいは非金属酸化物、セラミック、合金をふくむこれらの材料の組み合わせ。 これらの実施例では赤外反射材料として次の材料を用いた: Cu, Al, TiO₂, SiO₂、またはこれらの組み合わせ。多くの実施例において、成膜用のサポート基盤は次のいずれかである: シリコンウェーハ、アルミホイル、ポリマー、ガラス。

多くの実施例において、スペクトル特性可変複合材料の作製は続けて赤外透過エラストマーを直接、赤外反射材料層の上に成膜し、ナノ構造体層のナノ構造物はエラストマー内に埋め込まれる（固定される）(図3A 真ん中)することで行われる。多くの実施例において赤外透過エラストマーは次のいずれかの手法を用いて赤外反射材料層の上に成膜される: スピンコーティング、スプレーコーティング、スロットコーティング、オフセット印刷、ブレードコーティング、メルトブロー法、印刷、押出成形、グラビア塗布、ラミネート加工、あるいはこれらの組み合わせ。ここで述べたエラストマーの成膜方法は小さいスケールで本開示の複合材料を作製する上ではどれも有用だが、大規模かつ工業用に生産する際はスプレーコーティングが、特にアルミホイルサポート基盤と組わせると有用である (図3B)。

多くの実施例において、エラストマー材料は赤外透過かつ弾性率が10² MPa未満と小さい。一部実施例では、弾性率が2 MPaである。多くの実施例においてエラストマー材料は次のいずれかである: ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、スチレン-イソプレン-スチレン (SIS) やスチレン-ブチレン-スチレン (SBS)といったポリスチレンを含むブロック共重合体、あるいはこれの組み合わせ。多くの実施例において、エラストマーはスチレン-エチレン-ブチレン-スチレン (SEBS)ブロック共重合体である。 多くの実施例において、エラストマーは 300ミクロン未満の厚さで成膜される。多くの実施例において、SEBSブロック共重合体を用いたマトリクスは、マトリクスの厚みが約 30ミクロンである。これらの実施例では、1ミクロン未満のエラストマーは本開示の複合材料として脆すぎて機能しない。一方、エラストマーの厚さを極端に厚くすると赤外透過性が減少し複合材料実施例の性能に悪影響が出てしまう。一部実施例においては、赤外反射層の上に赤外透過エラストマーを作製した後、接合を強固にするため熱処理を行った。

多くの実施例において、スペクトル可変複合材料は最終的に赤外反射材料部分をサポート基盤から剥離（取り除く）することで自立フィルム得た (図3A 右)。多くの実施例において、この剥離工程で赤外反射材料にヒビが入ることで、表面を覆われていない赤外透過エラストマーに隔てられた赤外反射マイクロドメインになる。ここで赤外反射マイクロドメインはエラストマーに固定（あるいは直接接合）している。多くの実施例において、全体の作製プロセスは簡単にスケール可能で、均一かつ小あるいは大面積に高い歩留まりでスペクトル可変複合材料を作製可能である。一部実施例においては、本開示中に示した実験室での大面積工程で180 cm²あるいは900 cm² またはそれ以上の大きさの自立フィルムを作製可能である。一方、他の実施例においては既存の工業用作製方法を用いて商品として必要な大きさに合わせたスペクトル可変複合材料が作製可能である。 これらの実施例において最も一般的な作製手法はアルミホイルをサポート基盤に用い、スプレーコーティングでエラストマーを成膜する方法である。さらに、多くの実施例においては様々な接合方法、例えば化学結合や表面粗面化など、を用いることで赤外反射材料とエラストマーマトリクス間の固定用ナノ構造層を省き大面積/工業用生産に寄与している。

スペクトル可変複合材料の特性
図5Aから5Dには銅とSEBSエラストマーを用いた実施例における複合材料の機械的、光学的、スペクトル特性を示している。すなわち、これらの図は複合材料の引張特性及び、ひずみを加えた（つまり機械的に駆動した）ときのミクロ構造および赤外透過性の変化を表している。まず、図5Aの公称応力にたいする公称ひずみの変化から実施例における複合材料が柔らかく強いエラストマーの性質を持っていて、Cu-SEBS複合材料の例の場合弾性率が～ 2 MPaで最低でも ～700 %.の伸張で壊れることを示している。さらには、多くの実施例において、緩和状態でこの複合材料は不透明で反射率が高いことが肉眼/カメラの写真 (図5B1 左上)から分かり、走査型電子顕微鏡の画像から表面をいびつな形の隣接した赤外反射材料が下のエラストマーマトリクスを完全に覆っていることが分かる (図5B1, 左真ん中及び左下、図5B2 上列、図5B3 上列)。一方、応力ひずみを加えると（30 % ひずみを加えたときの様子が図5B1、5B2、5B3） 実施例の複合材料一部の透過度が上がり反射率が下がる様子が肉眼/デジタルカメラから確認でき（図5B1、真ん中上）、走査型電子顕微鏡の画像から赤外反射マイクロドメインのドメイン同士が、近くにいながら、間隔が開き下層のエラストマーマトリクスを露出させていることが分かる (図5B1 中段真ん中および下段真ん中、図5B2 中段、図5B3 中段)。さらにひずみを加えると (図5B1、5B2、5B3は50% ひずみ加えた様子)、実施例における複合材料の透過度が更に上がり反射率が下がることが肉眼/デジタルカメラから確認でき (図5B1 右上)、走査型電子顕微鏡の画像から赤外反射マイクロドメイン同士の間隔が更に開き、より赤外透過マトリクスの露出量が増えていることが分かる。重要なのは、この機械的駆動実験から本実施例における複合材料が外観的にも表面のミクロ構造的にも1 s以内に負荷状態/無負荷状態に完全可逆的に変化できることが確認されたことである (図5B1、5B2、5B3)。さらに、実験から本実施例における複合材料は繰り返し機械的駆動に対して劣化が見られないことが確認された。さらに、実施例におけるCu-SEBS複合材料は野生のイカと同等の性能指標を示した - すなわち 同様の弾性率 (～ 2 MPa (図5A) に対し イカの色素胞を含む真皮の ～0.5 から ～3 MPa)、近い応答時間 (ともに1 s未満)、極端な伸張で壊れない耐久性 (～700 % (図5A)に対し 半径方向への14倍伸張に耐えるイカの色素細胞)。つまり、実施例における複合材料は、短い応答時間や柔らかさおよび柔軟性を持つ形状、簡単な駆動原理といったイカの表皮に見られる熱スイッチにとって有用な特性を有している。

図5C1 から 5C4 は実施例における複合材料が加えられた駆動（ここでは単軸引張）に対して赤外反射特性と透過特性がどう変化するかを表している。ここで、実施例における複合材料の機械的駆動と緩和に対する構造的変化（前述）と相関関係がみられ、緩和状態において銅とSEBS エラストマーを用いた複合材料は高い平均全反射率 ～ 100 % (図5C1、5C2 上段左の上線 図5C1、5C2 左下図)及び低い平均全透過率 ～ 1 % (図5C1、 5C2 右上図の下線、図5C1 5C2 右下図)を示した。次に、30 %ひずみを加えると同一の複合材料における平均全反射率は 77 % (図5C1、5C2 左上図 真ん中の線、図5C1、5C2 下図)まで落ち、平均全透過率は17 % (図5C1、5C2 右上図 真ん中の線、図5C1、 5C2 右下図)まで上昇する。 さらに、引き伸ばした複合材料の赤外透過スペクトルからは新たに露出したエラストマーマトリクス材料の振動準位及びグループ振動由来のピークが見られる (図5C1、5C2 右上図)。例えばSEBSを用いた複合材料の実施例における～ 6.3 μm (～ 1600 cm^-1), ～ 6.9 μm (～1450 cm^-1), ～ 12.6 μm (797 cm^-1), and ～ 14.5 μm (692 cm^-1)の信号はそれぞれ、ベンゼン環の伸縮振動、SEBS中のエチレン-ブチレン基に含まれるCH₂基による変角振動、SEBS内の芳香族化合物中にあるCH基の変角振動、SEBS芳香族化合物中CH基の外変角振動であり、これら5つの水素及び炭素は同じ位相で振動している (図5C1、5C2 右上図) (非特許文献39-40)。さらに、複合材料のひずみを50%まで増やすと平均全反射率は更に67 % (図5C1、5C2 左上図 真ん中の線 図5C1、5C2 左下図)まで落ち、 平均全透過率が27%まで増加し(図5C1、5C2, 右上図 真ん中の線 図5C1、5C2, 右下図)、またエラストマー由来の信号も強くなる(図5C1、5C2 右上図)。よって、実施例における複合材料に対する機械的駆動実験から、赤外反射特性および赤外透過特性ともに歪に対し非線形特性を持つことが分かる。 例えば、銅とSEBSをもちいたある実施例において、（初期状態に対し）30 %, 50 %, および100 % ひずみを繰り返し加えることで赤外反射率はそれぞれ～ 25 ± 1 %, ～ 34 ± 1 %、～ 46 ± 2 %まで低下し、赤外透過率はそれぞれ～ 16 ± 1 %, ～25 ± 1 %, and ～ 40 ± 2 %まで上昇する (図5C1、5C2 左下図 右下図)。さらに、図5C3 及び5C4には様々な条件下で作製された複合材料のひずみに対する平均反射率と平均透過率の関係を示す。
[非特許文献39] Munteanu, S. B., et al. Spectral and thermal characterization of styrene-butadiene co-polymers with different architectures. J. Optoelectron. Adv. Mater. 7, 3135-3148 (2005)
[非特許文献 40] Allen, N. S. et al. Degradation and stabilisation of styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) block co-polymer. Polym. Degrad. Stab. 71, 113-122 (2001)

最後に、実施例における複合材料は赤外反射率および赤外透過率は機械的駆動に対して可逆であり、10⁴回の引張・緩和繰り返し試験に対しほとんど機能劣化の見られない耐久性を示した (図5D)。さらに、ひずみに対する透過率の変化を見ると、実施例における機械的に駆動する複合材料のON/OFF比は、現在報告のある熱放射スイッチを1桁上回る、> 30であった。 したがって、繰り返しになるが実施例における複合材料は、可逆性、耐久性、高いON/OFF比を含む熱スイッチに求められる多くの性能を満たしている。

多くの実施例において、複合材料は様々な一般的材料や生地の赤外特性を模倣できる、マルチモーダルな切り替え特性がある。例えば、図 6Aには実施例におけるCu-SEBS複合材料をウェアラブル端末として用いたときの駆動温度範囲を、先に測定した赤外制御性能および図6Bに表した伝熱モデルを元に測定した様子を表している。ここで、図6Aはモデル化された複合材料の性能と、それに似た服に使われる材料/生地の性能（いわゆる 「静的」なウェアラブル温度管理システム）を比較したものである。さらに、図6Bは皮膚から熱（ここで言う熱は人体が自然に発するものである）が（皮膚と比べ）温度の低い周りへ伝わる基本的モデルを表したものである（非特許文献41）。実施例の複合材料は機械的駆動する場合としない場合を想定している。このモデルに置いて雰囲気の目標温度は(図6Aのy軸)はウェアラブルデバイスを着ている被験者が快適な温度、すなわち皮膚温度が一定で出ていく熱流が「外」あるいは「雰囲気」の温度によらないものを想定している。

[非特許文献41] Cai, L. et al. Warming up human body by nanoporous metallized polyethylene textile. Nat. Commun. 8, 496 (2017); and Tong, J. K. et al. Infrared-transparent visible-opaque fabrics for wearable personal thermal management. ACS Photonics 2, 769-778 (2015)
よって、実施例における複合材料の赤外制御実験データにこのモデルを適用すると、Cu-SEBSを用いた複合材料は、緩和した状態で温度設定が～ 14.5 ℃になる (図6A 三角形のデータ点) ことがわかった。これは同じ手法で、おそらく最も安価な完全反射材料に近い、スペースブランケットを計算したときの温度設定～ 14.3 ℃に近い (図6A ひし形のデータ点)。これはすなわち、人が～14.5 ℃の雰囲気下ではスペースブランケットと同じ材料か実施例における緩和状態複合材料を用いた服/外装をまとえば快適に過ごすことが可能であることを示している。一方で、Cu-SEBSを用いた実施例の複合材料に30 %のひずみを加えた場合、目標温度は～ 19.6 ℃(図6A 三角形のデータ点) と、オムニヒートフリース素材の～ 18.9 ℃ (図6A ひし形のデータ点)に近いことがわかった。前述の例によると、ある人が～14.5 to 18.9 ℃の温度上昇のもとで快適に過ごし続けるには、初めの選択によって、スペースブランケット外装からオムニヒートフリースに着替えるか実施例の複合材料のひずみ量を着たまま変えるかのどちらかを行う必要がある。さらに、Cu-SEBSを用いた実施例の複合材料に50 %のひずみを加えると、目標温度は～ 21.0 ℃(図6A 三角形のデータ点)と、ウール素材の～ 20.5 ℃(図6A ひし形のデータ点)と近い値になる。さらに、このCu-SEBSを用いた実施例の複合材料に100 %のひずみを加えると目標温度は～ 22.7 ℃ (図6A ひし形のデータ点)になり、綿素材の～ 22.8 ℃ (図6A ひし形のデータ点)と近い値になる。 したがって 図6Aに示したとおり、様々な実施例においてこの複合材料は機械的に～ 8.2 ℃ の範囲 (赤外透過マトリクスを増やしてより大きなひずみを与えることで拡大可能)で調整ができ、幅広い防寒用材料および生地の多機能代替材料になりうることが分かる。ここで、図6C及び6Dに、様々な条件下で作製された複合材料に対して計算された目標温度を掲載する。

さらに、多くの実施例において、本開示の複合材料はより効率的に皮膚からの熱の伝導を制御できる。例えば、 図7Aから7C にはCu-SEBSを用いた実施例の複合材料を、人間の皮膚を模した表面材料上に適用した実験の様子を表している。ここで、複合材料は独自に作製した発汗ガード付きホットプレート上でひずみをかけられるホルダー(図7A)に取り付け、機械的駆動の有無による温度調節機能を試した。これらの実験では、Cu-SEBSを用いた実施例の複合材料は緩和状態で平均 ～ 248 W/m² の熱流束(図7C 下のプロット線) を維持するようだった。一方で、Cu-SEBSを用いた複合材料に 30 %のひずみを加えると熱流束は平均で～ 291 W/m² (図 7C, 真ん中のプロット線)と高くなり、これは50 %ひずみでさらに～ 307 W/m²と高くなる(図7C, 上部プロット線)。
全体として、多くの実施例において、Cu-SEBSを用いた複合材料は30 % と50 %のひずみに対し、熱流束をそれぞれ～36 ± 8 W/m² と ～ 51 ± 8 W/m²まで変化させることができた。したがって、多くの実施例に置いて、この複合材料は、座位安静時の人ひとりの代謝によって皮膚より生成される熱量 ～ 73 W/m²の最低でも四分の一を動的に管理できることが分かる。 多くの実施例において、より多くのひずみと透過度の高いマトリクスを用いることでより高い性能を引き出すことも可能である。ここで、多くの実施例において、この複合材料は一回の機械的ひずみ量の切り替えに～ 3 W/m² 相当の入力しか必要無いうえ、継続的にエネルギーを消費しない。その結果、多くの実施例において、このスペクトル特性可変複合材料を駆動するのに必要なエネルギー量は、現存する動的などの熱管理プラットフォームと比べて極めて少ない。結果、多くの実施例において、この複合材料は、エネルギー効率の高さや駆動の簡易性、使用者に合わせる汎用性という静的と動的温度管理システムの重要な利点を併せ持つ。

多くの実施例において、スペクトル特性可変複合材料は被験者の局所体温を動的に切り替わることで管理するウェアラブルデバイスの一部として機能する。多くの実施例において、この複合材料は温度調節衣類あるいはその部品として用いられた。 例えば、図8Aから8CはCu-SEBSを用いた実施例の複合材料から作られたスリーブ (図9) の動作方法および熱管理機能を、スペースブランケット材料から作られた従来のスリーブと比較したものである。 First, a sleeve comprising the composite material was designed to allow for the application of strain via a straightforward fastener mechanism according to some embodiments (FIG. 9). まず、一部実施例に従いファスナー機構を用いて複合材料に対して簡単にひずみを加えられるスリーブが設計された(図9)。次に、設計者によって実施例の複合材料を用いて「調整可能」なスリーブと比較用のスペースブランケット材料からスリーブが作られ、被験者の前腕にどちらかに装着された(図8A、9)。最後に、スリーブによって覆われた被験者の前腕部から放射される熱流束とその温度が可視化・測定され、むきだしの前腕から取られた基準データと比較された(図8A-8C)。

図8B及び8Cに示したこれらの実験結果によると、スペースブランケット材料から作られたスリーブは覆った前腕部から放射される熱のほとんど（全て反射して）閉じ込め (図8B, 左腕)、むき出しの前腕部と比較して～ 1.0 ± 0.1 ℃温度が上昇した (図8C)。同様に、多くの実施例における複合材料から作られた緩和状態のスリーブも皮膚から放射される熱を閉じ込め (図8B, 左腕) 、スペースブランケットスリーブと同様にむき出しのものと比べ前腕部の温度が
0.9 ± 0.1 ℃上昇した(図8C)。一方、多くの実施例における複合材料から作られたスリーブに30 %のひずみを加えた場合、前腕部から放射される熱の一部しか閉じ込めず (図8B, 左腕)、むき出しの前腕部と比べて温度は ～ 0.3 ± 0.1 ℃しか上昇しない(図8C)。これはスペースブランケットの場合と比べ > 2倍の温度上昇抑制である。さらに、多くの実施例において複合材料から作られたスリーブに50 %のひずみを加えると、スリーブに覆われた前腕部の微量の熱のみを閉じ込めるようになり(図8B, 左腕)、前腕部の温度をむき出し部分と比べ～ 0.1 ± 0.1 ℃しか上昇させず(図8C)、スペースブランケットと比較して ～ 10倍の温度上昇抑制につながった。

したがって、多くの実施例において、複合材料から作られるスリーブや他の衣類は即時に機械的制御によって着用者から雰囲気への熱流束を調整できる。これら多くの実施例において、機械的駆動による温度変化は1桁近い (図8C)。ここで、多くの実施例における機械的駆動による温度変化は人間が近くできるとされる温度変化 ( < 0.1 ℃) (非特許文献42)の ～ 2 から～ 5倍大きい。したがって、多くの実施例における本開示の複合材料を様々な条件で駆動したときの温度調節はすぐに使用者に知覚される。多くの実施例において、本開示の複合材料は、使用者の体の一部の温度を調整できるような服装に用いられた。
[非特許文献42] Stevens, J. C., et al. Temperature sensitivity of the body surface over the life span. Somatosens. Mot. Res. 15, 13-28 (1998)

例示的実施例
ここで述べる例は当業者が本発明を実施するための開示および説明であり、本発明の請求範囲を限定するものでもなく、また後述の実験が実施された全ての実験で他の実験が行われていないわけでもない。数値 (量、温度等)の正確性には細心の注意を払っているが、不確かさや偏差は考慮される必要がある。特に記載がない場合、部は重量部、分子量は平均分子量、温度は摂氏、気圧は大気圧のことである。一部標準的な略語は説明無く使われる。例えばs または secは秒; minは分; h または hrは時間など。

例1 - 複合材料の作製
複合材料は一般的微細加工技術を用いて作られた。 赤外反射膜は6インチ径のシリコンウェーハ（大学ウェーハ）上に～ 20 nmの均一な銅薄膜 (Kurt J. Lesker)と ～ 90 nm の斜め円柱配列をAngstrom Engineering EvoVac のシステムを使った電子ビーム蒸着方によって成膜された。次にナノ構造体を赤外透過エラストマー内に埋め込むため、市販のスチレン-エチレン-ブチレン-スチレンブロック共重合体 (G1645 SEBS, Kraton Polymers LLC) を用いてナノ構造体修飾された基盤上に～ 30 μm厚の膜を直接スピンコートした。最後にこの複合材料をホットプレート上で60 ℃、10分間硬化させた後、Mylarフレームと感圧テープを用いて基盤から剥離された。 この手順で作製された複合材料は必要に応じて物理的、機械的、光学的、赤外特性を測る実験で用いられた。

例2 - 大面積での複合材料作製
大面積の複合材料は一般的微細加工技術を用いて作られた。まず赤外反射膜がアルミホイルで覆った12インチ径のシリコンウェーハ上に～ 20 nmの均一な銅薄膜 (Kurt J. Lesker)と ～ 90 nm の斜め円柱配列をAngstrom Engineering EvoVac のシステムを使った電子ビーム蒸着方によって成膜された。 次にナノ構造体を赤外透過エラストマー内に埋め込むため、市販のスチレン-エチレン-ブチレン-スチレンブロック共重合体 (G1645 SEBS, Kraton Polymers LLC) をトルエン溶媒に溶かして、ナノ構造体修飾された基盤上に～ 20-30 μm厚の膜を直接スプレーコートした。最後にこの複合材料をホットプレート上で60 ℃、10分間硬化させるか、室温で溶媒が蒸発するまで置いておいた後、Mylarフレームと感圧テープを用いて基盤から剥離された。この手順で作製された複合材料は必要に応じて物理的、機械的、光学的、赤外特性を測る実験で用いられた。

例 3 - 複合材料を用いたウェアラブルスリーブの作製
複合材料と生地ベースの駆動部品を用いたウェアラブルな可変伝熱制御スリーブは研究室内で編み出された手法を用いて設計作製された (図9A&9B)。複合材料部品を作るため、4つの ～ 6 インチ径サンプルから長辺 ～ 5.5インチ短辺 ～ 2.5の長方形を切り出した。4つの長方形部品は接着テープを用いて長辺～ 10 インチ、短辺 ～ 5.5 インチの大きい長方形になるよう組み合わされた。この大面積デバイスは次に、生地ベース部品への取り付けと様々なひずみを加えるために、外縁にフックファスナ（市販のフック型ループファスナ）を取り付けられた。 生地ベースの駆動部品を作るため、四角形をしたストレッチの織物サンプルをスリーブの形に裁断した。これによって作られた素材見本に、予め複合材料部品に0 %, 10 %, 30 %, 50 %のひずみをかけられるよう決められた場所にループファスナ（市販のフック型ループファスナ） を取り付けた。この素材見本は次に、腕への装着の助けと複合材料部品が直接皮膚を覆わないようレールとして、バンドを取り付けられた。 ウェアラブル可変電熱制御スリーブを完成させるために、生地ベースの駆動部品をまず人間の前腕に取り付け、その上に複合材料をフック型ループファスナを介して取り付けた。

例 4 - 複合材料の性能測定
作製後の複合材料に対する走査型電子顕微鏡観察 複合材料のモフォロジーはMagellan 400 XHR SEM (FEI) の走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。ナノ構造体層の画像を得るためにサンプルの表面には他の修飾を行っていない。複合材料内部の断面図を得る際は、エラストマーの一部をHitachi IM4000 Plus Ion Milling System.を用いて取り除いた。様々なひずみをかけた状態での赤外反射マイクロドメインの様子を撮影する際は、サンプルに適切なひずみをかけた状態でエポキシ樹脂 (Ted Pella) によって固定して、～ 2 nmの白金/パラジウムをLeica ACE200 Vacuum Coaterを使いスパッタ蒸着した。これらの観測は作製手順及びテストの品質と一貫性を保証する。
複合材料の元素マッピング. 複合材料表面の化学構成はMagellan 400 XHR SEMにOxford Instruments X-Max Silicon Drift Detectorを装備しエネルギー分散分光測定によって分析した。 測定の際はサンプルに適切なひずみをかけた状態でエポキシ樹脂によって固定して、～ 2 nmの白金/パラジウムをスパッタ蒸着した。これによって得られる赤外反射材料の元素マッピング は ImageJ (NIH) ソフトウェアパッケージを用いて解析され、SEM実験の結果と一致することが確認された。これらの分析にエラストマー表面を赤外反射マイクロドメインの化学物質は更に確認された。

複合材料及び生地/布地の赤外スペクトル特性 複合材料及び様々な生地/布地の赤外特性はPike Technologies Mid-infrared Integrating Sphere を装備したPerkinElmer Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectrometer を用いた赤外分光法によって測定された。測定によって（拡散反射と鏡面反射の合計である）全反射率及び透過率（非特許文献43） が得られ、必要に応じてPike Technologies Diffuse Gold Standardと照会した。実験中サンプルは、必要に応じて機械的に駆動、すなわち様々な単軸ひずみを加えられるよう、全て自家製の大きさを変えられるステージ上で測定された。テストしたサンプルはレーヨン、コットン、リネン、シルク、ポリエステル、コットンフランネル、アクリル繊維、ウールフェルト、Columbia オムニヒートフリース、スペースブランケット、実施例の複合材料である。テストしたサンプルは測定器の～ 2.1 cm径ポートを機械的駆動前でも後でも覆い隠せる十分な大きさだった。全透過スペクトルは通常の入射角で、全反射スペクトルは入射角12°で測定された。測定で得たスペクトルはSpectrum (PerkinElmer) と Igor Pro (Wavemetrics)ソフトウェアパッケージを用いて解析され、平均値は全て波長4.5 と 16.5 μmで計算された。この実験は10を超える異なるサンプルに対して行われた。
[非特許文献43] Hanssen, L. M., et al. Infrared Optical Properties of Materials. NIST Spec. Publ. 250, (2015)
複合材料の熱特性測定 複合材料の熱特性は標準プロトコル (非特許文献44)に従い温度と湿度をコントロールしたチャンバー内でThermetrics SGHP-8.2 Sweating Guarded Hot Plateを用いて測定された。実験中、全てのサンプルはホットプレート上で様々な単軸ひずみを加えた状態を保てるよう、独自に設計したホルダーに固定されていた。測定によってホットプレートが温度を保つために必要な熱流束及び測定されているサンプルの熱抵抗が得られた。測定の際はホットプレートを絆創膏 (Trimaco) で覆い、温度を人間に近い35 ℃設定した;チャンバー内の雰囲気中は温度19.5 ℃、相対湿度50 %に保たれた;サンプルは空気による1 m/sの層流下に置かれた。平均熱流束は、ひずみを加えた状態とそうでない状態両方において、30分間隔で複数回、独立して測定された値から計算している。集計されたデータはIgor Pro (Wavemetrics) ソフトウェアパッケージを用いて解析された。実験は3つ以上の異なるサンプルに対して行われた。
[非特許文献44] ASTM Standard F1868: Standard Test Method for Thermal and Evaporative Resistance of Clothing Materials Using a Sweating Hot Plate. ASTM Int. (2017)

複合材料の引張試験. 複合材料の引張試験はInstron 3365 Universal Testing Systemを使い標準プロトコル (非特許文献45) に従い行われた。実験中、長さ3インチ、幅0.5インチ、厚さ30 μmのサンプルは測定器についている1インチ間隔のグリップに固定された。測定によって得られる引張強さと均一伸びから公称応力と公称ひずみの関係が計算できる。 公称応力 (σ)は次の式を用いて計算された:
σ = F/A
ここでFは引張強さでAサンプル面積である。公称ひずみは次の式を用いて計算された:
ε = ΔL/L
ここで ΔL はサンプルの変形長で L がサンプルの力を加える前の長さである. ヤング率 (E)は公称応力に対して公称ひずみが線形の領域（応力が小さい領域）から次の式を用いて計算された:
E = σ/ε
ここで E は線形領域の傾きである(図5A)。実験は10を超える異なるサンプルに対して行われた。

[非特許文献45] ASTM Standard D882: Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting. ASTM Int. (2012),
複合材料の耐久試験. 複合材料の機械的耐久性はMARK-10 ESM303 Tension/Compression Test StandとPike Technologies Mid-infrared Integrating Sphereを装備したPerkinElmer FTIR Spectrometerを組みわせて測定した。まず、単軸ひずみ0 %, 30 %, 50 %におけるサンプルの赤外全反射率と全透過率を前述の通り測定した。次にサンプルに0 % から 50 % ひずみを1000回以上繰り返し加えた。次に、単軸ひずみ0 %, 30 %, 50 % におけるサンプルの赤外全反射率と透過率を前述に従って再度測定した。Subsequently, the samples are cycled another nine thousand times between applied strains of 0 % and 50 %.続いてサンプルに再び0 % から 50 % ひずみを1000回以上繰り返し加える。 最後に単軸ひずみ0 %, 30 %, 50 % におけるサンプルの赤外全反射率と透過率を再度測定した。実験は5つ以上の異なるサンプルに対して行われた。

ここで、q_rad,s 皮膚からの熱放射、ε_s 皮膚の熱放射率、q_rad,i布内側からの熱放射、ρ_i 布内側の反射率、τ_c 布の透過率、q_rad,eが環境からの熱放射である。
上述のシステム全体の伝熱に関する3つの式（皮膚のエネルギー収支(式1)、布のエネルギー収支（式2）、布外側の温度（式３））より目標温度(T_e) が計算された。 今回は空気層の厚み(t_a) が5 mmあるゆったりとした外装を想定した。 対流熱伝達率 (h) は 7.3 W/m²と求められた。これらの計算において雰囲気は放射率 ε = 1の黒体放射、皮膚は放射率ε = 0.98の灰色放射体と仮定した。ここで、快適とは生成される熱と逃げていく熱が均等であることと定義し、温度設定は人が快適でいられる温度（すなわち皮膚温度が35℃で 73 W/m²の熱を生成しつづける）と定義した。その高い反射率からスペースブランケットを複合材料および生地/布地（Pike Technologies Diffuse Gold Standard内に設置）の全反射率と全透過率の基準とした。よって、温度設定(T_e)は上記計算式郡から、ひずみ0 %, 10 %, 30 %, 40 %, 50 %, 70 %, 100 %における複合材料の平均反射率および透過率をもちいて計算された。 加えて, 目標温度はレーヨン(平均透過率 7.4% 平均反射率11.7%)、コットン(平均透過率7.8% 平均反射率 13.1%)、リネン(平均透過率4.3% 平均反射率 13.0%), シルク(平均透過率 4.8% 平均反射率 13.8%), ポリエステル(平均透過率 2.8% 平均反射率16.9%), フランネル(平均透過率 1.2% 平均反射率 14.4%), アクリル繊維 (平均透過率 4.3% 平均反射率 13.0%), ウール(平均透過率 1.2% 平均反射率9.8%), オムニヒートフリース (平均透過率 0.7% 内側の平均反射率41.3% 外側の平均反射率 20.9%), スペースブランケット (平均透過率 of 0.6 % 内側の平均反射率99.4% 外側の平均反射率 52.5%)について計算された。計算によってひずみ0 %, 10 %, 30 %, 40 %, 50 %, 70 %, 100 %,の複合材料の目標温度はそれぞれ14.5 ℃, 16.4 ℃, 19.6 ℃, 20.2 ℃, 21.0 ℃, 21.8 ℃, 22.7 ℃ であり、レーヨン、コットンリネン、シルク、ポリエステル、フランネル、アクリル繊維、オムニヒートフリース、スペースブランケットの目標温度はそれぞれ23.0 ℃, 22.8 ℃, 22.6 ℃, 22.6 ℃, 22.0 ℃, 21.9 ℃, 20.7 ℃, 20.5 ℃, 18.9 ℃, 14.3 ℃ であることがわかった。

駆動中における消費エネルギーの分析. 複合材料の駆動に要するエネルギーは標準的手法を用いて計算された。 まずエネルギー密度 (U) は材料の応力とひずみの関係から次の式を用いて計算された:

ここでσは応力、 ε_i がはじめのひずみ、ε_f がひずみ 30%における伸びである。次に消費エネルギー (P) は次の式から計算された:

ここでt は駆動に要したじかんである。

複合材料及びスペースブランケットのスリーブによる人を対象とした実験 複合材料を用いたスリーブの人を対象とした温度調節昨日はFLIR C2 Infrared Cameraを用いて観測された。まず、被検体の前腕を露出した状態で環境と定常状態になるのを待ってから撮影し、初期の温度を記録した。 次に、複合材料を用い、ループファスナをひずみ無しの位置に固定したスリーブを片方の前腕に装着し、 両腕が定常状態になるまで１０分待った。次に複合材料を用いたスリーブを前腕から外し、両腕の画像を撮影し最終的温度を記録した。最後に、同様の手順でループファスナを歪み～ 10 %, ～ 30 %, ～ 50 %の位置に固定した複合材料スリーブを用いて実験を繰り返した。露出した前腕の温度を基準として、スリーブを装着した腕の温度の差を(ΔT) 次の式を用いて計算した:

ここでΔT_covered は装着した前腕の平均温度変化、ΔT_bare装着していない前腕の平均温度変化、T_{covered,final} は装着した前腕の最終的平均温度、T_{covered,initial}は装着した前腕の初めの平均温度、T_bare,final は装着していない前腕の最終的平均温度、T_bare,initialは装着していない前腕の初めの平均温度である。本書では被験者は24歳の男性、部屋の環境温度は～ 17.5 から～ 18.5 ℃の間に保たれた。前腕の平均温度は撮影された動画および画像からFLIR Tools+ (FLIR)とImageJ (NIH) ソフトウェアパッケージを用いて直接計算された。スペースブランケットの温度調節機能もほぼ同じ手順で測定された。すべての種類の実験において７つ別のスリーブを用いて実験を行った。

まとめると、実施例におけるスペクトル特性可変複合材料の特性は温度調節ウェアラブルデバイスや衣類をはじめとした赤外制御プラットフォームになり得ることを示している。多くの実施例において、複合材料は機械的に赤外領域の電磁波特性を可逆的に変えることができる。多くの実施例において、この複合材料はスペースブランケット、オムニヒート繊維、アクリル繊維、コットンといった一般的ウェアラブル材料の温度調節機能を可逆的に再現できることがわかった。多くの実施例において、この複合材料は機械的駆動熱放射スイッチとして機能し、大面積への作製可能性、簡単な駆動、ヒステリシスと無縁な可逆的性能変化、繰り返し耐久性、柔らかく柔軟な様式、早い応答速度、高いON/OFF日、低い動作温度といった、高い需要のある性能を満たしている。多くの実施例において、この複合材料は安静時の人が発する熱流束の四分の一を閉じ込める能力があり、かつ温度調節機能の変更に微小のエネルギーしか必要としない。多くの実施例において、複合材料は広い目標温度が選択でき、ウェアラブルデバイスとして使用した場合、使用者は必要とする温度範囲に正確に制御することが可能となる。多くの実施例に置いて、スペクトル特性可変複合材料はスケーラブルな作製方法を用いて、安価に小さい単位で作製された。

ここで、本書で述べた複合材料は温度調節衣類や衣類材料に限らず赤外放射を制御する様々なプラットフォームに対して有用性があることを明記しておく。例えば、多くの実施例における複合材料は、暗視迷彩、航空/宇宙部品、医療用デバイス、輸送/保管用梱包材、フレキシブル/ストレッチャブルデバイス、着用感の良い電子スキン、アンテザードなソフトロボティクスに関連した応用がかのうである。より一般的に、実施例における複合材料は赤外反射特性を変えたいあらゆるアプリケーションに適用が可能で、本発明は温度調節ウェアラブルデバイスに限定されるものではない。一般的に、上記からも分かる通り、上記で述べたコンセプトは本発明の実施例を様々な形で組み込むことが可能となる。したがって、本書では特定の用途に絞って本発明を解説したが、号業者には材料の変更を含む様々な変更を加えた複合材料の実施が可能である。したがって、本発明はここで述べたものとは違った形で実施される可能性があることを理解しなければならない。したがって、本発明の実施例は限定的ではなく実例として捉えなければならない。

均等論
本文は発明の描写及び説明のために掲載した。本発明の適用範囲を本文で述べたものに限定するものではなく、上述の説明に対して様々な軽度の変更が可能である。実施例は本発明の原理及び一般的な応用方法を説明するために選ばれた。本説明により当業者はその使用用途に応じて様々な変更を加えた実施例を実施することが可能となる。本発明における請求の範囲は次の請求項に従う。

Claims (37)

1. 赤外線放射を制御する手法として次を含む:
   複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている、;
   複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている;
   複数のマイクロドメインを隔てる複数のスペーサー。このスペーサーは赤外反射素材で覆われていない伸縮性マトリクスで構成される;
   複数のマイクロドメインを伸縮性マトリクスに固定している複数のナノ構造体。複数のナノ構造体はその高さによって特徴づけられ、この高さはマイクロドメインの厚みには含まれない、
   ここで、マイクロドメイン間の間隔は伸縮性マトリクスの機械的制御によって調整可能である。
2. エラストマーの厚さが300 ミクロン未満である請求１の複合材料。
3. 弾性率が<10² MPaな請求1の複合材料。
4. 請求項1の複合材料で、赤外透過、柔軟かつストレッチャブル材料を次のグループの中から選んだもの: ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、スチレン-イソプレン-スチレンやスチレン-ブチレン-スチレンといったポリスチレンを含む共重合体、またはそれらの組み合わせ。
5. 請求項1の複合材料のうち、赤外透過、フレキシブル、ストレッチャブル材料にスチレン-エチレン-ブチレン-スチレンブロック共重合体を用いたもの。
6. 請求1の複合材料のうち、赤外反射材料を次のグループのいずれかで構成されるもの: 金属、金属酸化物または非金属酸化物、セラミック、これらの合金、あるいはこれらの組み合わせ。
7. 請求6の複合材料のうち、赤外反射素材に次を用いた: Cu, Al, TiO₂, SiO₂またはこれらの組み合わせ。
8. 請求1の複合材料のうち、マイクロドメインの厚さは2 から 100 nmである。
9. 請求１の複合材料のうち、マイクロドメインの厚みが20 nmのもの。
10. 請求1の複合材料のうち、ナノ構造体の高さが1ミクロン未満のもの。
11. 請求10の複合材料のうち、ナノ構造体の高さが約 90 nm のもの。
12. 赤外線放射を制御する手法として次を含む:
    複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている;
    複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている;
    複数のマイクロドメインを隔てる複数のスペーサー。このスペーサーは赤外反射素材で覆われていない伸縮性マトリクスで構成される;
    この複数のスペーサー間隔はエラストマーマトリクスの機械的操作により調整可能である。
13. 請求12のうち、複数のマイクロドメインがエラストマーマトリクスにマイクロドメインの厚みに含まれないナノ構造体によって固定されているもの。
14. 請求12の複合材料のうち、赤外透過、フレキシブル、ストレッチャブル材料が赤外反射材料と化学的に結合するもの。
15. 次を含むスペクトル可変複合材料を作製する手法:
    サポート基盤を用意する;
    サポート基盤上に赤外反射材料を1層目、2層目の2段階に分けて作製する; ここで、
    1層目は基盤に接する形で作製され、その膜厚によって特徴づけられる赤外反射可能な均一膜である、また
    2層目は1層目に接しており、その構造の高さによって特徴づけられる複数のナノ構造体によって構成される;
    その厚みによって特徴づけられる、弾性率によって特徴づけられる赤外透過材料により構成されるエラストマー素材を成膜し、複数のナノ構造体がこの赤外透過エラストマー膜内に埋まるようにすることで赤外透過エラストマーマトリクス内に赤外反射材料が隠された複合材料を作製する;
    この複合材料に力を加えてこの複合材料をサポート基盤から剥離することで1層目にむき出しの赤外透過エラストマーマトリクスによって隔てられた複数の赤外反射ナノ構造体を持つ自立したスペクトル可変複合材料膜が作製される。
16. 請求15の手法のうち、赤外透過エラストマーが熱硬化あるいは時間処理をかけて剥離されるもの。
17. 請求15の手法のうち、赤外反射材料がサポート基盤上に物理あるいは化学蒸着法にによって成膜されるもの。
18. 請求17の手法のうち、赤外反射材料をサポート基盤上に電子ビーム蒸着によって成膜されるもの。
19. 請求15のうち、基盤材料を次のグループの中から選んだもの: シリコンウェーハ、アルミホイル、ポリマー素材、あるいはガラス。
20. 請求15の手法のうち、均一膜の厚さが2から100 nmのもの。
21. 請求20の手法で均一膜の厚みが20 nmのもの。
22. 請求15の手法で、次の形のいずれかの複数のナノ構造体配列を持つもの: 縦あるいは横に傾いた円柱構造、ジグザグ構造、螺旋構造、刃物状、高さの異なる積み重ね構造、あるいはこれらの組み合わせ。
23. 請求15の手法でナノ構造体の高さが1ミクロン以下のもの。
24. 請求23の手法で, ナノ構造体の高さが約 90 nmのもの。
25. 請求15の手法で, 外反射材料を次のグループのいずれかで構成するもの: 金属、金属酸化物または非金属酸化物、セラミック、これらの合金、あるいはこれらの組み合わせ。
26. 請求25の手法で、赤外反射素材に次を用: Cu, Al, TiO₂, SiO₂またはこれらの組み合わせ。
27. 請求15の手法で,赤外透過エラストマーマトリクスが次のいずれかの手法で作製されるもの: ピンコーティング、スプレーコーティング、スロットコーティング、オフセット印刷、ブレードコーティング、メルトブロー法、印刷、押出成形、グラビア塗布、ラミネート加工、あるいはこれらの組み合わせ。
28. 請求15の手法で, サポート基盤にアルミホイルを用い赤外透過エラストマーマトリクスをスプレーコーティングによって成膜するもの。
29. 請求15の手法で, エラストマーの厚みは300 ミクロン未満のもの。
30. 請求15の手法で、弾性率が < 10² MPaのもの。
31. 請求15の手法で、赤外透過エラストマーマトリクスを次のグループの材料から構成されるもの: ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、スチレン-イソプレン-スチレンやスチレン-ブチレン-スチレンといったポリスチレンを含む共重合体、またはそれらの組み合わせ。
32. 請求31の手法で、赤外透過材料としてスチレン-エチレン-ブチレン-スチレンブロック共重合体を用いるもの。
33. スペクトル特性可変の複合材料を作製する以下の手法:
    サポート基盤を用意する;
    サポート基盤上のすぐ上に1層目の、その全体の膜厚によって特徴づけられる赤外反射材料による層を作製することで、赤外線放射に対して反射可能な材料がサポート基盤に接する形で均一な膜を形成するようにする;
    弾性率によって特徴づけられる赤外透過エラストマー材料を赤外反射材料の上に成膜することで赤外反射材料と赤外透過エラストマーマトリクスによる複合材料を作製する;
    赤外反射材料と赤外透過エラストマーマトリクスをくっつける;
    力を加え複合材料をサポート基盤から剥離することで1層目の赤外反射材料が複数の赤外透過エラストマーマトリクスによって隔てられるよう砕き、
    スペクトル特性が調整可能な自立した複合材料膜を作製する。
34. 請求33の手法で、さらに:
    赤外反射材料を2層目として1層目作製直後、赤外透過エラストマー材料の成膜の前に作製することで、2層目がその高さによって特徴づけられる複数のナノ構造体を有し、そのうえに赤外透過エラストマー材料を成膜することで複数のナノ構造体がエラストマーマトリクスの中に埋もれた状態にする。これにより1層目が赤外透過エラストマーマトリクスに固定され、赤外反射材料が赤外透過エラストマーマトリクスに組み込まれた複合材料が形成される。
35. 他の物質や生体からの赤外線放射を制御する手法として次を含む:
    赤外線を出す物質あるいは生体を次により構成されるスペクトル特性可変の複合材料で包む:
    複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている、
    複数のマイクロドメインに覆われた伸縮性マトリクス。このマイクロドメインはその厚みによって特徴づけられ赤外反射特性を持つ材料で構成されている、
    複数のマイクロドメインを隔てる複数のスペーサー。このスペーサーは赤外反射素材で覆われていない伸縮性マトリクスで構成される、さらに
    複数のマイクロドメインを伸縮性マトリクスに固定している複数のナノ構造体。複数のナノ構造体はその高さによって特徴づけられ、この高さはマイクロドメインの厚みには含まれない、
    ここで、マイクロドメイン間の間隔は伸縮性マトリクスの機械的制御によって調整可能である; また
    機械的にエラストマーマトリクスを操作することで複数のマイクロドメイン間のスペーサー間隔を調整し物質あるいは生体から発せられる赤外線を外に放射あるいは中に蓄える。
36. 請求35の手法のうち、赤外放射が熱のもの。
37. 請求35の手法のうち、機械的操作が次グループのいずれかの手法によって実現されるもの: ひずみを加える、せん断、圧力、屈曲、ねじり、あるいはこれらを組み合わせた力を加える。
    

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