JP2011133233A

JP2011133233A - 黒体放射光源及びその製造方法

Info

Publication number: JP2011133233A
Application number: JP2009290140A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 貴裕松本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP5536436B2

Abstract

【課題】放射率が1に近い理想的な黒体放射スペクトルを実現できなかった。
【解決手段】黒体放射材料としてのグラファイト基板の表面にナノオーダの凹凸構造を加工する（ステップ２０１）。
【選択図】図２

Description

本発明は黒体放射光源及びその製造方法に関する。

黒体放射光源はプランクの黒体放射則に近似した温度放射特性を有する光源であり、たとえば光を利用した種々の測定機器における分光感度校正用光源、自然な色彩を再現可能な照明用光源、果物の糖度等の農業計測用光源、酸素濃度測定等の医療計測用光源、あるいは高輝度放射が要求される光源たとえば自動車のヘッドライトとして用いられる。

第１の従来の黒体放射光源として、国際照明委員会（CIE）の標準光源である相関色温度2,855.5Kのタングステン電球よりなる標準光源A（たとえば、ウシオ電機株式会社製JPD100V-500WCS）、標準光源Aに規定の光学的フィルタを組合わせた相関色温度6,774Kの標準光源Cがある。

また、第２の従来の黒体放射光源として、日本電気計器検定所（JEMIC）でスペクトルが校正されたハロゲン電球（たとえば、定格100V,500Wのウシオ電機株式会社製分光放射照度標準電球）がある。

さらに、第３の従来の黒体放射光源として、黒体炉がある（参照：特許文献１）。

さらにまた、第４の従来の黒体放射光源として、0.2-200μmの広帯域の波長に亘って低反射率を有する良放熱性、耐熱性、耐薬品性、低価格性等のカーボンナノチューブ（CNT）がある（参照：非特許文献１）。

実公平５−３９５６号公報

Kohei Mizuno et al., "A black body absorber from vertically aligned single-walled carbon nanotubes", PNAS, Vol. 106, No. 15, pp. 6044-6047, April 14, 2009 西川兼康"機械工学基礎講座伝熱学"理工学社 1982年2月5日 Robert E. Nelson, "Temperature measurement of high performance radiant emitters", AIP Conf. Proc., Volume 401, pp. 189-202, March 20, 1997

しかしながら、上述の第１、第２の従来の黒体放射光源においては、タングステン電球、ハロゲン電球のフィラメントにタングステン金属を用いているので、金属面の放射率は低温側で0.03程度、高温側で0.35程度と低く（参照：非特許文献２のp.302の表11.3(a)のタングステン長期間使用フィラメント）、また、放射スペクトルが長波長側で大きく変調を受ける（参照：非特許文献３）。この結果、放射スペクトルはプランクの黒体放射則より大きく異なり理想的な黒体放射スペクトルとならないという課題がある。また、放射率は低温度側で低く、高温度側で大きく、つまり、温度に大きく依存するので、この黒体放射光源を用いてスペクトル校正を行う場合には、温度つまり入力パワーを一定にして予め既知の分光放射強度を日本電気計器検定所（JEMIC）の基で測定しなければならないという課題もある。

また、上述の第３の従来の黒体放射光源においては、黒体炉に用いられる黒鉛材料の放射率は高くとも0.9程度である。放射率を１に近い理想的な黒体放射スペクトルを実現するためには、黒鉛材料に組合わせて球型、円錐型、円筒型等の炉を形成しなければならず、この結果、黒体放射光源が大型化、高価格化するという課題がある。

さらにまた、上述の第４の従来の黒体放射光源においては、CNTの黒体放射材料を形成するためには、シリコン基板上に蒸着法により鉄微粒子等の金属微粒子を形成し、次いで、この金属微粒子を触媒としてエチレンガス等を700-800℃に加熱してシリコン基板上に吹き付けて金属微粒子を核としてCNTをシリコン基板上に成長させるという熱化学的気相成長（CVD）法によりCNTを選択成長させる。この場合、CNTの脆弱性及び疎水性からシリコン基板とCNTとの間の密着性が低いという課題がある。また、銅、タングステン等の金属基板上にCNTを分散液等に混ぜてコーティングする場合には、金属基板とCNTとの密着性が悪く、CNTが直ぐに剥がれてしまい、あるいは、剥がれなくとも、金属基板とCNTとは原子レベルで結合しているのではないので、黒体放射光源の劣化を招くという課題がある。尚、金属基板とCNTとの間にペーストを挿入してCNTの剥がれを防止できるが、ペースト自身が3000℃以上の高温耐熱性が悪いので、やはり、黒体放射光源の劣化を招く。さらに、CNTが空気中において400℃以上あるいは真空中において1000℃以上に加熱されると、爆発的な燃焼が起こるという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る黒体放射光源は、表面にナノオーダの凹凸構造を形成した炭素系基板を黒体放射材料として具備する。これにより、可視光を含む領域の波長0.3-2μmの反射率を低くすると共に、遠赤外領域の例えば波長2-50μmの反射率も低くする。

また、本発明に係る黒体放射光源の製造方法は、黒体放射材料としての炭素系基板の表面にナノオーダの凹凸構造を加工する工程を具備する。

本発明によれば、可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率が低くなるので、100〜200℃の温度領域に亘って理想的な黒体放射スペクトルを実現できる。また、1000℃以上の空気中においても、不燃性であり、CNTのように爆発的燃焼は生じない。融解及び熱伝導の悪化はほとんどなく、さらに、CNTを用いた場合のような爆発的な燃焼もない。

室温（300K）における黒体放射スペクトルを示すグラフである。本発明に係る黒体放射材料のグラファイト基板のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。図２のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。図２のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の波長0.3-2μmの反射率を示すグラフである。図２のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の波長2-15μmの反射率を示すグラフである。図２のフローの変更例を示すフローチャートである。図２もしくは図７のフローチャートにより形成された炭素系基板を用いた本発明に係る黒体放射光源の実施の形態を示す図である。

本発明に係る黒体放射材料の動作原理は完全黒体効果を利用したプランクの黒体放射則を利用する。すなわち、黒体の単位表面積から単位時間に放射される全エネルギーつまり全放射能E_Bはその温度のみに依存し、黒体の単色放射能E_Bλは（１）式で与えられる（参照：非特許文献２のp.292）。
E_Bλ = C₁/{λ⁵・(e^C2/λT-1)} （１）
ここで、 C₁ = 2πc₀ ²h
C₂ = c₀h/k
但し、 c₀は真空中の光速度
hはプランク定数
kはボルツマン定数
である。つまり、
C₁ = 3.74041×10^-16Wm²
= 0.3216×10^-15kcalm²/h
C₂ = 1.43868×10^-2mK
である。

ところで、実在の黒体放射材料は完全黒体放射材料と異なり、上述の（１）式に放射率ε_λを乗算した黒体放射スペクトルを有する。また、放射率ε_λは、熱放射のキルヒホッフの法則を利用すると、熱平衡状態において、各波長λに対して（２）式で与えられる。
ε_λ = α_λ
= 1 - R_λ （２）
但し、 α_λは波長λにおける吸収率、
R_λは波長λにおける反射率

図１は室温（300K）における黒体放射スペクトルを示すグラフである。すなわち、図１に示すように、光の平均反射率RがR=R1(50%)のときには、灰色体材料が吸収したエネルギーは灰色体放射スペクトルI1で外部に放射散逸する。また、光の平均反射率RがR=R2（1％）と低いときには、黒体放射材料が吸収したエネルギーは遠赤外領域の黒体放射スペクトルI2で外部に放射散逸する。従って、放射率を高めることにより、つまり、反射率を低めることにより、効率のよい完全黒体スペクトルを得ることができることが分かる。

従って、理想的には、黒体放射材料としてたとえば波長0.3-50μmの反射率Rができるだけ0に近いものを用いればよい。

図２は本発明に係る黒体放射材料のグラファイト基板のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。

図２のステップ２０１において、図３の（Ａ）に示す鏡面状表面を有するグラファイト基板を水素ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングして図３の（Ｂ）に示すナノオーダの凹凸構造のグラファイト基板を得る。このプラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：100-1000W
圧力：133-13300Pa (1-100Torr)
水素流量：5-500sccm
エッチング時間：1-100分

尚、図２のステップ２０１でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、H₂ガス以外のArガス、N₂ガス、O₂ガス、CF₄ガス等のいずれでもよい。

従って、図４に示すように、可視光を含む領域の波長0.3-2μmの平均反射率はプラズマエッチング前の20-30％からプラズマエッチング後の1.5％以下と低くなる。この結果、可視光を含む領域の吸収は最高となる。しかも、図５に示すように、遠赤外領域のたとえば波長2-15μmの平均反射率もプラズマエッチング前の50％からプラズマエッチング後の2％以下と低くなる。従って、図１の理想的な反射特性R2に近づく。この結果、このプラズマエッチングされたグラファイト基板をそのまま黒体放射材料として用いることができる。

図６は図２のフローの変更例を示し、図２のプラズマエッチングステップ２０１の前にステップ６０１において、サンドブラスト等の機械的表面研磨による不規則的周期のミクロン（サブミクロン）機械的凹凸構造加工を行う。また、図２のプラズマエッチングステップ２０１の後にステップ６０２において、CO₂レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨による不規則的周期のミクロン（サブミクロン）レーザ照射凹凸構造加工を行う。尚、ステップ６０１、６０２は両方を行ってもよいが、いずれか一方のみを行えばよい。この場合、小さいナノオーダの凹凸のほうが壊れやすいためにステップ６０１を行うことが好ましい。これにより、不規則的周期のたとえばミクロンオーダ、サブミクロンオーダの凹凸構造を形成する。従って、グラファイト基板の表面積が増大して放射率が高くなる。

尚、図６の不規則的周期のミクロン（サブミクロン）機械的凹凸構造加工ステップ６０１において、グラファイト基板の表面に不規則的周期のミクロンオーダもしくはサブミクロンオーダの凹みを多数形成して表面積を増大させてもよい。たとえば、レジスト層を塗布し、次いで、不規則的周期パターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト層のパターンを形成し、このレジスト層のパターンを用いてグラファイト基板をH₂ガス及びO₂ガスを用いたプラズマエッチングたとえばRIEを行い、その後、レジスト層のパターンを除去する。また、機械的ルーリングエンジン等を用いた切削方法によって不規則的周期のミクロンオーダあるいはサブミクロンオーダの剣山型凹凸構造を形成して表面積を増大させることもできる。この剣山型凹凸構造はエッチングで逆剣山型の金型を形成し、これに液体状のグラファイト材料、例えばカーボンブラック等を流し込んでも形成できる。

ここで、規則的周期のミクロンオーダあるいはサブミクロンオーダの凹凸構造は２次元フォトニック結晶的効果を起こし、放射強度分布並びに放射波長分布が干渉により、強い角度依存性を示すので、黒体放射光源としては、好ましくない。

また、図４における波長0.3-2μmの反射率の測定はBaSO₄粒子等を内面にコートした積分球を有する分光光度計によって行われ、他方、図５におけるたとえば波長2-15μmの反射率の測定は遠赤外反射光をすべて集光するために金を内面にコートした積分球を有するフーリエ変換赤外（FTIR）分光器によって行われる。

尚、上述のグラファイト基板に金属を混ぜて稠密グラファイト基板とすることができる。これにより、稠密グラファイト基板の靭性は大きいので、黒体放射材料としての加工性、発熱部品との密着性が向上し、発熱部品と黒体放射材料との間の空隙がなくなる。また、発熱部品と黒体放射材料との間で絶縁性が要求される場合には、黒体放射材料として絶縁性グラファイトまたはグラファイトと絶縁性セラミックスとの複合材料を用いる。

また、上述の実施の形態では、グラファイト基板を用いたが、グラファイト基板以外の炭素系基板たとえば、ダイヤモンド基板表面をプラズマエッチングして反射率を低減させた基板を用いてもよい。

図７は図２もしくは図６のフローチャートにより加工された炭素系基板を黒体放射材料として用いた本発明に係る黒体放射光源の実施の形態を示す図である。図７の黒体放射光源においては、口金７０１にセラミックヒータ７０２を固定し、このセラミックヒータ７０２を上述のごとく形成された炭素系基板７０３、７０４によって挟み込むように構造している。セラミックヒータ７０２及び炭素系基板７０３、７０４は封止ガラス７０５によって約10^-4Pa程度の真空封止されている。封止ガラス７０５は石英よりなるカバー部７０５ａ及び可視領域から10μmの赤外領域でほぼ平坦な透過特性を有するBaF₂、CaF₂、KCl等よりなる窓部７０５ｂよりなり、完全な黒体放射スペクトルを損なわないようにする。尚、窓部７０５ｂは封止ガラス７０５の一部もしくは全部に設けることができる。

なお、本発明においてナノオーダとは10〜500nm、サブミクロンオーダとは0.2μ〜1μm程度を想定している。

２０１：ナノ凹凸構造加工ステップ
６０１：不規則的周期のミクロン（サブミクロン）機械的凹凸構造加工ステップ
６０２：不規則的周期のミクロン（サブミクロン）レーザ照射凹凸構造加工ステップ
７０１：口金
７０２：セラミックヒータ
７０３、７０４：炭素系基板
７０５：封止ガラス
７０５ａ：カバー部
７０５ｂ：窓部

Claims

表面にナノオーダの第１の凹凸構造を形成した炭素系基板を黒体放射材料として具備する黒体放射光源。
前記第１の凹凸構造は、該第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造上に形成されている請求項１に記載の黒体放射光源。
前記第２の凹凸構造のサイズがサブミクロンのメートルのオーダ以上である請求項２に記載の黒体放射光源。
前記第２の凹凸構造が前記炭素系基板の表面に設けられた剣山構造である請求項２に記載の黒体放射光源。
さらに、
前記炭素系基板を加熱するためのヒータと、
該炭素系基板及び前記ヒータを真空封止するための封止ガラスと
を具備する請求項１に記載の黒体放射光源。
黒体放射材料としての炭素系基板の表面をナノオーダの第１の凹凸構造に加工する工程を具備する黒体放射光源の製造方法。
さらに、前記第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を前記炭素系基板の表面に加工する工程を具備する請求項６に記載の黒体放射光源の製造方法。
前記第２の凹凸構造のサイズがサブミクロンオーダ以上である請求項７に記載の黒体放射光源の製造方法。
前記第１の凹凸構造加工工程がプラズマエッチング工程である請求項６に記載の黒体放射光源の製造方法。
前記第２の凹凸構造加工工程が、
前記不規則的周期のパターンを有するフォトレジスト層を形成するフォトリソグラフィ工程と、
該フォトレジスト層を用いて前記炭素系基板の表面に前記凹みを形成するエッチング工程と、
該凹みの形成後に前記フォトレジスト層を除去する工程と
を具備する請求項７に記載の黒体放射光源の製造方法。
前記第２の凹凸構造が前記炭素系基板の表面に設けられた剣山構造である請求項７に記載の黒体放射光源の製造方法。