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研究に用いたナノ構造の熱伝導計測用光学システムと測定原理

東京大学生産技術研究所は2017年5月19日、シリコン薄膜にナノ構造を形成することで熱を特定の方向に流し、一点に集めることに成功したと発表した。半導体チップなどの放熱問題の解決につながる可能性がある。

半導体チップにとって、発生する熱をいかに制御するかは大きな問題だ。しかし、熱は固体中を四方八方に拡散、特定の方向により多く流すこともできず、熱の特性は材料だけで決まっていた。本来固体中の熱は、振動を粒子とみなしたフォノンによって運ばれ、熱特性はフォノン同士の衝突頻度に左右される。そのため、フォノン同士の衝突以前にフォノンの平均自由行程程度のナノ構造に衝突させれば、物理的な構造により熱伝導を制御できると考えられた。そこで最近、個体のナノ構造化によって熱伝導を制御しようとする試みが始まってきた。

 

詳しくは:https://engineer.fabcross.jp/archeive/170522_heat_guiding.html

 

温度(temperature)は,一つの物質の系において,あるいは複 数の系の間で熱平衡が実現しているか否かの判定の指標になる.
一 つの系のある部分の温度が他のすべての部分の温度と等しければ, その系は熱平衡の状態にあり,等しくなければ,高温の部分から低 温の部分に熱エネルギーが移動する.

一つの系と他の系の間の関係 についても同様である. 国際単位系 SIにおける温度は,熱力学温度(thermodynamic
temperature,K) で あ る.SIで は,水 の 三 重 点(triplet
point)の熱力学的温度を 273.16K(=0.01℃)とし,理想気体の 状態式に基づいて,その温度の 1/273.16を温度差 1Kであると定 める.国際温度目盛(International Temperature Scale,ITS90)は SIに依拠してできる限り熱力学的温度に一致する温度値を 与え,また,温度が適切に校正できる(トレーサブルである)よう に温度を定めるものである.

 

伝熱 温度差に起因した熱エネルギーの移動現象を称して伝熱(heat transfer)という.温度が一様な平衡状態にある系の状態変化に伴 う熱や仕事の出入りを議論する熱力学と異なり,伝熱(伝熱工学) では温度の空間分布や熱の移動速度が議論の対象となる.伝熱には ふつう,濃度差に起因した物質移動(mass transfer)に付随して 生じる熱の移動現象(熱と物質の移動,heat and mass transfer) も含まれる.熱は摩擦などの力学的仕事やジュール加熱などの電気 的作用によっても生じるが,伝熱ではエネルギーの変換過程は扱わ ず,あくまで熱の形のエネルギーのみを議論の対象とする.

 

分子,原子,電子が保有するエネルギーは温度に よって異なる.物体内に温度の違いがあると,その保有エネルギー の違いが隣接する部分に次々に伝ぱする.これが熱伝導(heat
conduction)と呼ばれるものであり,巨視的に見た場合,熱輸送 量は(フーリエの式,Fourier’s equation)で表現される.

なお,気体が希薄になると連続媒体としての扱いができなくな り,フーリエの式が適用できない.また,極めて短い時間,あるいは極 めて高い熱流束条件下では波動的な性質を考慮に入れる必要がある (非フーリエ効果,non-Fourier effects).

固体や気体塊はその温度に応じて電磁波(光) の形でエネルギーを放射,吸収,反射する.これを熱ふく射(熱放 射,thermal radiation)という.
温度に違いのある固体間,固体 と気体間では熱エネルギーの授受が生じる(ふく射伝熱,radiation heat transfer).

熱ふく射では一般に吸収,反射,透過が生じ るが,金属などの固体面では表面のごく薄い範囲でこれが生じるた め,表面現象として扱ってよい場合が多い.
水のような液体でも, 赤外部の熱ふく射に対しては,これに近い取扱いができる.一方, 気体にあっては透過と吸収が重要になる. 熱ふく射では理想的なふく射体,吸収体として黒体なるものを考 える.黒体は到来するすべての熱ふく射のエネルギーを完全に吸収 すると同時に,最もよく熱ふく射エネルギーを放射する物体であ り,黒体面から放射される熱ふく射のエネルギーはステファ ン・ボルツマンの式(Stefan-Boltzmann’s equation)で与えられ る.

実際の物体面は黒体ではなく,また面の粗さや酸化 などの面性状が関係して複雑である.
熱ふく射は 物体の温度が絶対零度でない限り生じ,真空中でも生起する.
物体面の形状や大きさ,配置などの幾何学的性質も関係して定まる.

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