JP2016015260A - フィラメント、それを用いた光源、および、フィラメントの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力を可視光または近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供する。【解決手段】金属により形成された基体３０の表面に、径が所定の範囲で分布した複数の穴がランダムに設けられたフィラメントを提供する。穴の径の分布の範囲は、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含むように設定する。穴は、電気化学エッチングにより形成することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、エネルギー利用効率を改善したフィラメントに関する。

タングステンフィラメント等に電流を流すことにより、フィラメントを加熱し、電球とする白熱電球が広く用いられている。白熱電球は、太陽光に近い演色性に優れた放射スペクトルが得られ、白熱電球の電力から光への変換効率は９５％以上になるが、放射光の波長成分は、図１７に示すように赤外放射光成分が９０％以上である（図１７の３０００Ｋの場合）。このため、白熱電球の電力から可視光への変換効率は、凡そ１５ ｌｍ／Ｗと低い値になる。一方、蛍光灯は、電力から可視光への変換効率が約９０ ｌｍ／Ｗであり、白熱電球よりも大きい。このため、白熱電球は、演色性に優れているが、環境負荷が大きいという問題がある。

白熱電球を高効率化・高輝度化・長寿命化する試みとして、様々な提案がなされている。例えば、特許文献１には、電球内部に不活性ガスやハロゲンガスを封入することにより、蒸発したフィラメント材料をハロゲン化してフィラメントに帰還させ（ハロゲンサイクル）、フィラメント温度をより高くする構成が提案されている。一般的にこのような白熱電球はハロゲンランプと呼ばれている。これにより、可視光への電力変換効率の上昇およびフィラメント寿命の延長の効果が得られる。この構成では、高効率化並びに長寿命化のために、封入ガスの成分並びに圧力の制御が重要となる。

特許文献２には、電球ガラスの表面に赤外線反射コートを施し、フィラメントから放射された赤外光を反射して、フィラメントに戻し、吸収させる構成が開示されている。これにより、赤外光をフィラメントの再加熱に利用し、高効率化を図っている。

特許文献３には、フィラメント自体に微細構造体を作製し、その微細構造体の物理的効果により、赤外放射を抑制し、可視光放射の割合を高めるという構成が提案されている。

特開昭６０−２５３１４６号公報 特開昭５９−５８７５２号公報 特表２００１−５１９０７９号公報

F. Kusunoki et al., Jpn. J. Appl. Phys. 43, 8A, 5253(2004).

しかしながら、特許文献１のようにハロゲンサイクルを利用する技術は、寿命延伸効果を図ることはできるが、変換効率を大きく改善することは困難であり、現状、２０ ｌｍ／Ｗ程度の効率である。

また、特許文献２のように、赤外放射を赤外線反射コートで反射して、フィラメントに再吸収させる技術は、フィラメントによる赤外光の反射率が７０％と高いために再吸収が効率良く起こらない。また、赤外線反射コートで反射された赤外光が、フィラメント以外の他の部分、例えばフィラメント保持部分並びに口金等に吸収され、フィラメントの加熱に利用されない。このため、本技術により、変換効率を大きく改善することは困難である。現状、２０ ｌｍ／Ｗ程度の効率となる。

特許文献３のように微細構造により赤外放射光の抑制効果を図る技術は、非特許文献１のように赤外放射スペクトルの極一部分の波長に対して放射増強並びに抑制効果を示す報告は存在するものの、広範囲な波長域に亘って放射光の抑制を図ることは非常に困難である。また、微細構造作製に際して、電子ビームリソグラフィー等の高度な微細加工技術を利用するため、これを使用した光源は非常に高価なものとなる。

本発明の目的は、電力を可視光または近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のフィラメントは、金属により形成された基体を有し、基体の表面には、径が所定の範囲で分布した複数の穴がランダムに設けられている。穴の径の分布の範囲は、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含む。

本発明によれば、電力を可視光または近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供することができる。

一実施形態のフィラメントの基体３０の断面図。 （ａ）および（ｂ）図１の基体３０の表面の穴４０の断面形状の例を示す説明図。 図１の穴の径が分布していることを示すグラフ。 （ａ）および（ｂ）基体３０の表面を形状維持膜５０で覆った構造を示す説明図。 理想的な反射率の変化を示すグラフ。 実現可能な理想的な反射率の変化を示すグラフ。 （ａ−１）〜（ｅ−１）基体に設けた種々の径の穴を示す説明図、（ａ−２）〜（ｅ−２）基体の反射率の低下を模式的に示すグラフ。 実施形態で用いた電気化学セルを示す説明図。 実施例のエッチング前とエッチング後の試料の表面の顕微鏡写真。 （ａ）実施例のＷ基体の試料の反射率を示すグラフ、（ｂ）実施例のＴａ基体の試料の反射率を示すグラフ。 実施例のＴａ基体の反射率をフィッティングしたグラフと、放射効率の演算結果を示す説明図。 実施例のＷ基体とＴａ基体のエッチング前とエッチング後の試料の写真。 実施例の試料のＡＦＭによる計測結果を示すグラフ。 実施例の試料の穴の半径の分布を示すヒストグラム。 実施例のエッチング後のＴａ基体と、エッチングしていないＷ基体の放射効率を示すグラフ。 実施形態の白熱電球の断面図。 黒体放射スペクトルを示すグラフ。

本発明の一実施形態について説明する。

本実施形態のフィラメントは、図１のように金属により形成された基体３０を有するフィラメントであって、基体３０の表面には、図２（ａ）、（ｂ）のように複数の穴４０がランダムに設けられている。複数の穴４０の径は、図３のように、所定の範囲で分布している。複数の穴４０の径の分布の範囲は、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含む。上記範囲で径が分布した穴４０が形成されたフィラメントは、赤外光領域の反射率が高く、可視光領域および／または近赤外光の反射率が低くなる。これにより、このフィラメントは、放射率が可視光領域で高く、赤外光領域で低くなるため、フィラメントの赤外光放射が抑制され、可視光および／または近赤外光の放射が増大する。よって、電力を可視光や近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供できる。

本発明のフィラメントに設けられた複数の穴４０の径が分布している範囲は、５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲を含むことが望ましい。穴４０の径の分布の範囲としては、穴の径の分布の半値幅を用いることが可能である。複数の穴４０の径の分布は、連続的であることが望ましいが、必ずしも連続的でなくてもよく、所定の範囲内の複数種類の穴の径が、離散的に分布していてもよい。なお、穴４０の形状は、図２（ａ）、（ｂ）のように、穴４０の側面が基体３０の表面に垂直な形状であってもよいし、穴４０の側面が基体３０の表面に傾斜していてもよい。穴４０の側面が、基体３０の表面に傾斜している場合、穴の深さの１／２における径（半値幅）を穴径することも可能である。

基体３０の表面には、図２（ａ）、（ｂ）のように穴４０と穴４０の間には平坦な領域があることが望ましい。

図４(ａ)、（ｂ）のように、穴４０が設けられた基体３０の表面を、可視光および赤外光を透過し、フィラメントの加熱温度以上の融点を有する膜（形状維持膜と呼ぶ）５０によって覆った構成にすることも可能である。膜５０は、穴４０の内壁を覆っているか、または、穴４０を充填していることが望ましい。このように、形状維持膜５０を配置することにより、フィラメントを高温に加熱した場合に、基体３０を構成する金属原子が移動するのを抑制することができ、穴４０の形状を高温でも維持することができる。よって、高温で原子が移動しやすい金属により基体を構成することが可能になるため、基体３０の材料選択の幅が広がる。また、穴４０の形状を維持したままフィラメントを高温まで加熱できるため、可視光および／または近赤外光を放射させることができる。

形状維持膜５０の材質としては、高温耐熱性を有する酸化物系誘電体材料、窒化物系誘電体材料、炭化物系誘電体材料、並びに硼化物系誘電体材料、例えばハフニア（ＨｆＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）イットリア安定化ハフニア（ＹＳＨ：Yttria Stabilized Hafnia）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＨ：Yttria Stabilized Zirconia）、等のいずれか、または、これらのうちの２種以上の混合した材料を用いることができる。

例えば、基体３０は、Ｔａ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｗ，Ｒｕ、Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｒｈ，Ｃ，Ｂ_４Ｃ，ＳｉＣ，ＺｒＣ，ＴａＣ，ＨｆＣ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＴｉＮ，ＬａＢ_６，ＺｒＢ_２，および、ＨｆＢ_２，のうちのいずれかまたはこれらの合金によって形成することができる。

フィラメントの基体３０は、穴４０と穴４０との間の領域の表面粗さが鏡面であることが好ましい。これにより、波長１０００ｎｍ以上の赤外光の反射率を７０％以上にすることが可能になる。例えば、基体３０の表面粗さは、穴４０と穴４０の間の領域において、中心線平均粗さＲａが１μｍ以下、最大高さＲｍａｘが１０μｍ以下、および、十点平均粗さＲｚが１０μｍ以下、のうちの少なくとも１つを満たすことが好ましい。穴４０と穴４０との間の領域を鏡面にする方法としては、例えば、穴４０を形成する工程の前に、基体３０の表面を鏡面研磨し、鏡面研磨した基体３０の表面に複数の穴４０を形成する工程を実施する方法を用いることができる。

また、基体３０は、発光させるために高温加熱した時に結晶粒成長して表面が粗面化並びに不純物堆積しやすく、赤外光波長領域の反射率低下や、基体３０上に形成した穴４０の破壊の原因となり得るので、予め基体３０を高温加熱して結晶粒成長並びに表面純化を完了させ、その結晶粒成長を完了させた基体３０を鏡面研磨した後、穴４０を形成することが好ましい。

穴４０の形成方法としては、例えば、電気化学エッチング法を用いることができる。電気化学エッチング法は、金属からなるフィラメント基体を、陰極および陽極の一方とし、他方の極とともに、溶液中に配置し、フィラメント基体と他方の極との間に電流を流す方法である。これにより、フィラメント基体の表面に、径が所定の範囲で分布した複数の穴をランダムに設けることができる。電気化学エッチング法で形成される穴の径の大きさ並びに深さは、電流を流す時間や、溶液の種類、溶液の濃度、溶液温度、等の条件により決まるため、形成された穴４０の径の分布の範囲が、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含むように、電気化学エッチング工程の条件を制御することが望ましい。

また、穴４０の形成方法としては、電気化学エッチング以外の電子ビームエッチング方法や、プラズマエッチング方法等の他のエッチング方法を用いることも可能である。例えば、電子ビームエッチング方法を用いる場合、例えば電子ビームの集束条件を変化させながら、順次、電子ビームを基体３０の表面に照射していく方法を用いることができる。電子ビームの集束条件等を変化させることにより、集束条件等に応じた径の穴が形成されるため、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲で径が分布した穴をランダムに基体３０の表面に形成することができる。また、プラズマエッチング方法を用いる場合、ガス種、ガス濃度、ガス流量、等を制御することによって、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含む複数の穴をランダムに形成することができる。

（反射率と放射率の関係の原理）
ここで、本実施形態のフィラメントは、赤外光放射が抑制され、可視光および／または近赤外光の放射が増大する原理について説明する。

本実施形態のフィラメントは、赤外光領域の反射率が高く、可視光領域および／または近赤外光の反射率が低い光学特性を有する。理想的には、図５に実線で示したように、波長７００ｎｍ以下の可視光領域で、０％に近い低反射率を有し、赤外光領域で１００％に近い反射率を有することが望ましい。技術的に入手可能な材料を用いて具体的に実現可能な反射曲線としては、図６に示すように、波長５００ｎｍで反射率が４０％以下の低反射率であり、１０００ｎｍ以上の長波長赤外光領域の反射率が７０％以上の高反射率であることが望ましい。また、波長５００ｎｍ〜１０００ｎｍの間の反射率の波長依存性は、図５並びに図６のように短波長側から長波長側に向かって、反射率が単調に増加していることが望ましい。図６のような反射率曲線を有する基体を３０００Ｋに加熱することで、従来実現されていた３０ ｌｍ／Ｗの光束効率を５０ ｌｍ／Ｗを超えるものにすることができる。例えば、図６のような反射率特性を有するタングステンフィラメントの場合、３０００Ｋの加熱温度で、光束効率を従来の３６．７ ｌｍ／Ｗから５１．５ ｌｍ／Ｗまで４０％以上高めることが可能になる。

ここで、図５の理論的反射特性を有するフィラメントが、電流供給等により加熱されることによって高効率に可視光を発する原理を、黒体放射におけるキルヒホッフの法則に基づいて、以下説明する。

自然対流熱伝達の無い条件下（例えば真空中）における材料（ここではフィラメント）の入力エネルギーに対するエネルギー損失は平衡状態では以下の式（１）で与えられる。
（数１）
P(total)=P(conduction)+P(radiation) ・・・(1)
式（１）において、P(total)は、全入力エネルギー、P(conduction)は、フィラメントに電流を供給するリード線を経て損失されるエネルギー、P(radiation)は、フィラメントが、加熱された温度で外部空間に光を放射して損失するエネルギーである。

フィラメントは、その温度が２５００Ｋ以上の高温になると、リード線を経て損失されるエネルギーはわずか５％程度になり、残りの９５％以上のエネルギーは、光放射によって外部にエネルギー損失されるため、入力電力の殆ど全てのエネルギーを光に変換することが出来る。しかしながら、従来の一般的なフィラメントは、放射される放射光の内、可視光成分の割合はわずか１０％程度で、大部分が赤外放射光成分であるため、そのままでは効率の良い可視光源とはならない。

上記式（１）におけるP (radiation)の項は一般的に、下記式（２）で記述することができる。
式（２）においてε(λ)は、各波長における放射率、αλ^−５/(exp(β/λＴ)−１)の項は、プランクの放射則を示す。α＝３．７４７×１０^８ Ｗμｍ^４／ｍ^２、β＝１．４３８７×１０^４ μｍＫ、である。

ε(λ)は、キルヒホッフの法則によって反射率Ｒ(λ)と式（３）の関係にある。

ここで式（２）と式（３）を関連付けて議論すると、仮に反射率が全ての波長に亘って１である材料は、式（３）よりε(λ)＝０となり、ひいては、式（２）における積分値が０となるため、放射による損失が起こらなくなる。この物理的意味は、P (total) = P (conduction)となるため、少量の入力エネルギーでも光放射による損失が無く、フィラメントが非常に高い温度まで達することを意味している。一方、反射率が全ての波長に亘って０である材料は、（３）式よりε(λ)＝１となる。この材料は、完全黒体と呼ばれる。この結果、（２）式における積分値は最大となり、ひいては、放射による損失量が最大となる。通常の材料は、放射率ε(λ)が０＜ε(λ)＜１の間に存在し、かつ、その波長依存性は、劇的に変化することは無い（波長λ、温度Ｔに対する緩慢な依存性は存在する）。そのため、完全黒体の赤外から可視光領域における光放射は、図５の２点鎖線で示すように略可視から赤外領域に亘って均一に起こる。なお、図５では、議論を簡略化するため全波長領域でε(λ)＝１として黒体放射スペクトルをプロットしている。

図５に一点鎖線で示した赤外光領域で略０％の放射率を有し、７００ｎｍ以下の可視光領域で、略１００％の放射率を有する材料を、真空中で加熱した熱放射は、以下の（４）式で表現出来る。
式（４）において、θ(λ−λ_０）は、長波長から可視光のある波長λ_０までは放射率が０であり、ある波長λ_０よりも短波長の領域では放射率が１である階段関数的振る舞いを示す関数である。得られる放射スペクトルは階段関数的な放射率と黒体放射スペクトルを畳み込んだ形状となる。計算の結果は、図５の破線で示すスペクトルとなる。即ち、式（４）の物理的意味は、フィラメントへの入力エネルギーの小さい低温領域では輻射損失が抑えられており、式（４）のP(radiation)の項が0となるため、エネルギー損失がP(conduction)のみとなり、非常に効率良くフィラメント温度が上昇する。一方、フィラメント温度が高温になり、黒体放射スペクトルのピーク波長がλ_０より短くなるような温度領域になると、フィラメントに入力したエネルギーを図５の破線で示したスペクトルのように可視光放射として損失するようになる。

式（４）におけるθ(λ−λ_０）は、上述のように長波長から可視光のある波長λ_０までは放射率が０であり、ある波長λ_０よりも短波長の領域では放射率が１である材料である。このような材料は、式（３）のキルヒホッフの法則により、図５に実線で示したように、波長λ_０以下で反射率が０で、波長λ_０よりも長波長領域で反射率が１となる。そこで本発明は、波長λ_０以下で反射率が０に近く、波長λ_０よりも長波長領域で１に近い反射率を有するフィラメントを作製することにより、赤外光の放射を抑制し、可視光を高効率で放射する。しかしながら、図５に示すように単一の波長λ_０で急激に反射率並びに放射率が落ち込むような設計は理論的には可能であるものの、現状利用可能な高温耐熱材料を用いて光学設計することは困難であるため、より実現可能な設計として、図６に示すように波長λ_Ｓ＝５００ｎｍ以下の反射率が４０％以下の低反射率であり、その波長より反射率が単調に増加し、波長λ_Ｌ＝１０００ｎｍよりも長波長の赤外光領域の反射率が７０％以上の高反射率のフィラメントを本実施形態では理想とする。

（穴径が分布した複数の穴４０により反射率を制御する原理）
本実施形態では、可視光領域から赤外光領域まで高反射率を有する基材の表面に、複数の穴４０をランダムに設け、複数の穴４０の径を、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含む範囲で分布させることにより、可視光領域の反射率を低下させる。これにより、図６に示した理想的な反射率の変化を示すフィラメントを提供する。穴４０の径を分布させることにより、可視光領域の反射率を低下させることができる原理について以下説明する。

基体３０の表面に穴４０がある場合、その穴４０の径が、１／４波長から１波長に相当する波長の光は、穴４０によって吸収される。この理由は、非特許文献１で記載されているように、微細な穴構造を有する構造体の反射率Rは
R∝sin²[(π×a)/λ×sinθ]，
という関係を取ることによる。ここでθは反射方向の角度、λは光の波長、aは穴の直径を示す。上式で示されるように、構造体の大きさaがあまりに大きいと位相変化が緩やかとなり干渉効果を示さない。一方、構造体の大きさがあまりに小さいと位相が激しく変化する関数となり、観測量としては位相変化が打ち消され、平均化された（干渉効果を示さない）反射強度を示す。結局、(π×a)/λ=１程度の大きさの構造体が大きな干渉効果を示し、反射率を大きく低減させることが可能となる。即ち、穴の直径aは、λ/３〜λ/４程度の大きさが最適となる。

よって、図７（ａ−１）のように、ある可視光波長λの１／４波長（＝（１／４）λ）から１波長（＝λ）に相当する径の穴４０を基体３０に形成することにより、図７（ａ−２）のように、その波長λの可視光の反射率を低下させることができる。穴４０の径が１種類の場合には、特定の波長の可視光の反射率が低下するとともに、その波長の周辺に干渉により図７（ａ−２）のように反射率に干渉縞が生じる。

本実施形態では、可視光領域全体の波長範囲にわたって、反射率を低下させる必要があるため、図７（ａ−１）とは異なる複数の径の穴４０を、例えば、図７（ｂ−１）、（ｃ−１）、（ｄ−１）のように基体３０に形成すると、図７（ｂ−２）、（ｃ−２）、（ｄ−２）に示すように、それぞれの径に対応した波長の可視光の反射率を低下させることができる。

よって、これらの複数の種類の径の穴４０を図７（ｅ−１）のように同時に基体３０に形成すると、図７（ｅ−２）のように、可視光領域全体の反射率を低下させることができる。また、反射率の干渉縞は、相互に打ち消し合うことにより低減される。

このように、本実施形態では、赤外光領域で高反射率（７０％以上）の基体３０に対して、径が分布した複数の穴４０を設け、穴の径の分布範囲を可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含むように設定することにより、可視光領域の全体の反射率を低下させることができる。また、赤外光領域の光は穴によって吸収されないため、高反射率のまま維持することができる。よって、本実施形態のフィラメントは、赤外光領域の反射率が高く、可視光領域および／または近赤外光の反射率が低くなるため、フィラメントの赤外光放射が抑制され、可視光および／または近赤外光の放射が増大する。

（実施例）
上述してきた実施形態のフィラメントを製造した。

高温耐熱材料の基材３０を用意し、少なくとも赤外領域（波長２μｍ）まで９０％以上の高反射率を有するように、表面を鏡面研磨した。この基体３０の表面に穴径が５〜２０ｎｍの穴４０をランダムに形成した。

穴４０は、電気化学的エッチング（陽極酸化手法ともいう）により形成した。電気化学的エッチングに用いた電気化学セル３５の構造を図８に示す。基体３０を陽極とし、Ｐｔメッシュを陰極３１とした。Ｈ_２ＳＯ_４溶液１８ ｍｏｌ／ｌを０．０１−１ ｍｏｌ／ｌ 程度の濃度まで純水で薄め、これを電解液３３とした。これらの基体３０、電極（基体（陽極）３０および陰極３１）、電解液３３をフッ素樹脂のセル３５内に配置し、陰極３１と基体（陽極）３０間に電流密度 １０−２０ ｍＡ／ｃｍ^２を通電した。これにより、基体（陽極）３０は、表面の原子がＳＯ_４ ^２−イオンと結合して溶け出し、基体３０の表面がエッチングされて、種々の径の穴４０が形成された。

このエッチング処理を、基体３０として、ＷとＴａの２種類を用意し、通電時間を１秒、３秒、５秒と変化させてそれぞれ行った。図９にＷ基体３０のエッチング前と、３秒エッチング後の電子顕微鏡写真を示す。図９からエッチングにより、基体３０の表面に、特徴的な大きさが５０−１００ ｎｍの微細な凹凸構造が形成されていることがわかる。

また、ＷとＴａの基体３０のエッチング前と、通電時間を１秒、３秒、５秒でそれぞれエッチングした後の反射率スペクトルを図１０（ａ）、（ｂ）に示す。図１０（ａ）、（ｂ）から明らかなように、基体３０のエッチング後の反射率は、エッチング前の基体３０の反射率と比較して大きく変化しており、可視光領域から近赤外光領域で大きく低下していることがわかる。特に、図１０（ａ）、（ｂ）からわかるように、Ｔａ基体３０に１秒の電気化学的エッチング処理を施した表面は、その反射率特性が、図６に示した理想的な反射率曲線をほぼ実現できている。

１秒の電気化学的エッチング処理を施したＴａ基体３０をフィラメントとして用いた場合の放射効率を、図１１のように反射率をフィッティングして演算により求めたところ、従来のＷフィラメント（３０００ Ｋで２０ ｌｍ／Ｗ）と比較して３倍以上の効率を有し、３０００Ｋにて約７６ ｌｍ／Ｗの効率を有する高効率光源が得られることがわかる。

また、ＷとＴａの基体３０のエッチング前と、上述の条件で通電時間を１秒、３秒、５秒にしてそれぞれエッチングした後の試料の表面の写真と、目視で確認した表面の色を図１２に示す。Ｗ基体３０は、エッチング処理前は、鏡面のため光沢のある金属色であるが、１秒エッチングした後は、紺色を示し、３秒エッチングした後は、薄青色、５秒エッチングした後は、薄黄色を示していた。すなわち、エッチング時間が長くなるにつれて、吸収領域（反射が低い領域）が長波長側にシフトしていることが目視で確認できた。また、Ｔａ基体３０は、エッチング処理前は、鏡面のため光沢のある金属色であるが、１秒エッチングした後は、濃紺色を示し、３秒エッチングした後は、青色、５秒エッチングした後は、黄色を示していた。すなわち、エッチング時間が長くなるにつれて、吸収領域（反射が低い領域）が長波長側にシフトしていることが目視で確認できた。

また、図１２のエッチングの各試料の色は、鮮明であり、しかも試料の表面をどの方向から見ても同じ色に見えた。このことから、本実施例の試料の色は、等方向的な干渉により生じたものであることが確認できた。よって、各試料の色は、薄膜の様に見る方向によって反射スペクトルが変化する一方向性の干渉ではなく、エッチングにて形成された微細な穴（構造）による等方向的な干渉（構造反射色）であると考えられる。

さらに、図１２の各試料の吸収領域（低反射領域）の長波長側へのシフトは、図１０（ａ）、（ｂ）の反射スペクトルの長波長側へのシフトと一致していることから、各試料の低反射領域の長波長側へのシフトは、エッチングにて形成された穴の大きさが、エッチングが進展するにつれて大きくなる効果によるものと考えることが出来る。

さらに、Ｗ基体３０を３秒エッチングした試料の表面形状をＡＦＭで計測した計測結果を図１３に示す。図１３のように、基体３０の表面には、種々の形状の穴が形成されていることが確認できる。また、穴が形成されていない領域は、ほぼ平坦であることも確認できる。

また、Ｗ基体３０の３秒エッチング後の試料の図１３のＡＦＭの計測結果から穴の径を計測し、その分布をヒストグラムとして図１４に示す。穴の径の計測は、ＡＦＭの計測結果の穴の開口径を計測することにより行った。図１４から明らかなように、穴の径は、分布しており、種々の径の穴が、本実施例の電気化学エッチングにより形成されていることが確認できる。また、穴の径の分布は、半径７５ｎｍにピークを有し、ヒストグラムの半値幅は、２５ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の範囲であることがわかる。

実施形態で作成したＴａ基体（エッチング時間１秒）を加熱して、可視光光束効率を求めた。結果を図１５に示す。Ｔａ基体は、図１０（ｂ）および図１１に示したように、図６の反射率に近い理想的な反射率特性を有するため、エッチング処理をしていないＷ基材（黒点）と比較して２−３倍の光束効率を実現できることが確認できた。なお、エッチング処理したＴａ基体は、３０００Ｋを超える耐熱性を有し、加熱後も表面の穴構造が保持されていた。加熱前と比較して、加熱後は、表面の色が多少黒味を帯びるようになったが、これは表面が若干酸化並びに炭化されたことによるものと思われる。酸化並びに炭化を抑制することによって、加熱後も濃紺色を示す光束効率の高い基材を構成することが出来る。

本実施例で製造される表面に穴を備えたフィラメントは、エッチング時間は１秒から５秒と短く、その時間内に表面反射率は急激な変化を示すので、所望のエッチング時間が経過したならば、エッチングを停止するように制御することが望ましい。例えば、エッチング処理中に分光器で基体３０の表面のスペクトルを計測し、所望のスペクトル形状が得られたらエッチングが停止するように、コンピューター等で自動制御する構成にすることが可能である。

また、本実施例のように電気化学エッチングで金属基体３０の表面に形成した穴は、一般的な電子線リソグラフィ等により形成したナノ構造と比較して機械的強度が強い。このため、基体３０に接触等しても穴構造の破壊が起こりにくいというメリットがある。また、電気化学的エッチングにより短時間で安価に、可視光放射効率の高いフィラメントを製造することが出来るため、実用に適している。

なお、エッチング処理後のＷ基体を加熱すると、１６００ Ｋ程度の加熱温度で表面の穴構造が消失してしまうが、表面の穴構造の内壁を高温耐熱性誘電体膜等の形状維持膜５０で覆うことにより、高温まで穴構造を維持することができる。

本実施形態のフィラメントは、白熱電球等の光源に好適に用いることができる。図１６に、白熱電球の断面図を示す。白熱電球は、透光性気密容器２と、透光性気密容器２の内部に配置されたフィラメント３と、フィラメント３の両端に電気的に接続される一対のリード線４、５と、フィラメント３を支持するアンカ６とを備えて構成される。リード線４、５とアンカ６は、透光性気密容器２内に配置された絶縁性のマウント７により支持されている。マウント７の基部は、透光性気密容器２の封止部８によって支持されている。封止部８には、封止金属（金属箔）１４、１５とリード棒１６、１７が配置されている。透光性気密容器２は、例えばガラスバルブにより構成される。

透光性気密容器２の内部は、１０^−３〜１０^＋７Ｐａの圧力状態に設定する。実施形態のフィラメントは、１０^−３Ｐａ以下の高真空状態では、作製した穴構造が昇華する場合もあるので、その場合には、Ａｒ等の不活性ガスを１０^＋３〜１０^＋７Ｐａ程度の高圧力状態で封入して膜の昇華を抑えるようにすることが望ましい。なお、Ａｒ等の不活性ガスに替えて、適宜、不活性ガスに数％程度の酸素ガス、窒素ガス、ハロゲンガス、炭素系ガス、またはこれらの混合ガスを利用することによっても膜の昇華を抑え、長寿命を図ることも可能でなる。

フィラメント３は、実施形態のフィラメントであり、図１６では、線材形状のフィラメントをらせん状に巻き回した構造である。フィラメント３は、実施形態で述べたように、基体３０の表面に径が分布した穴を備え、赤外波長領域の反射率が高く、可視光領域の反射率が低い。この構成により、高い可視光放射効率（光束効率）を実現できる。

よって、本発明では、フィラメントの表面に径が分布した穴を備えるという簡単な構成で、赤外域の放射を抑制することができ、結果的に入力電力に対する可視光の可視光変換効率を高めることができる。これにより、安価で効率のよい省エネ型照明用電球を提供することができる。

なお、上述の実施形態は、穴を形成する前の基体３０を研磨加工により反射率を向上させることについて説明したが、機械的な研磨加工に限らず、フィラメント表面の反射率を向上させることができれば他の方法を用いることももちろん可能である。例えば、湿式や乾式のエッチングや、線引き時や鍛造や圧延時に滑らかな型に接触させる方法等を採用できる。

また、本実施形態の基体３０は、白熱電球以外に用いることも可能である。例えば、近赤外ヒーター光源として好適に用いることができる。また、基体３０に形成する穴の径を大きくして赤外光を高効率で放射するようにすることも可能である。この場合、フィラメントをヒーター用電線として用いることができる。

２…透光性気密容器、３…フィラメント、４…リード線、５…リード線、６…アンカ、１１…中心電極、８…封止部、３０…基体、４０…穴、５０…形状維持膜

Claims (9)

1. 金属により形成された基体を有し、
   前記基体の表面には、複数の穴がランダムに設けられ、前記複数の穴の径は、所定の範囲で分布しており、
   前記穴の径の分布の前記範囲は、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含むことを特徴とするフィラメント。
2. 請求項１に記載のフィラメントにおいて、
   前記穴の径の分布の前記範囲は、５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることを特徴とするフィラメント。
3. 請求項１または２に記載のフィラメントにおいて、前記穴の径の分布の前記範囲は、前記穴の径の分布の半値幅の範囲であることを特徴とするフィラメント。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記複数の穴の径は、前記所定の範囲で連続的に分布していることを特徴とするフィラメント。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記基体の表面は、前記穴と穴の間に平坦な領域を有することを特徴とするフィラメント。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記穴が設けられた前記基体の表面は、可視光および赤外光を透過し、前記フィラメントの加熱温度以上の融点を有する膜によっておおわれていることを特徴とするフィラメント。
7. 請求項６に記載のフィラメントにおいて、前記膜の材質は、２０００Ｋ以上の融点を有する、酸化物系誘電体材料、窒化物系誘電体材料、炭化物系誘電体材料、および硼化物系誘電体材料、のうちの１種類以上を含む材質であることを特徴とするフィラメント。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のフィラメントを用いた光源。
9. 金属からなるフィラメント基体を、陰極および陽極の一方とし、他方の極とともに、溶液中に配置し、前記フィラメント基体と他方の極との間に電流を流すことにより、前記フィラメント基体の表面に、径が所定の範囲で分布した複数の穴をランダムに設ける、電気化学エッチング工程を有し、
   前記穴の径の分布の前記範囲を、可視光波長帯域に対応する数値範囲全体を１／４倍した範囲を含むように、前記電気化学エッチング工程の条件を制御することを特徴とするフィラメントの製造方法。