JP5689934B2

JP5689934B2 - 光源

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Description

本発明はエミッタを放射源とする光源、たとえば、照明用光源、自動車用ランプ、プロジェクタ用光源等の各種光源として用いられる可視光源（白熱電球とも言う）に関する。

タングステン(W)等のフィラメント（本願明細書においては、エミッタとする）に電流を流すことによりエミッタを加熱して発光源とする可視光源が広く用いられている。

図１は一般的な可視光源の放射光スペクトルを示すグラフである。図１に示すように、たとえばエミッタ温度3000Kにおける赤外放射光成分が90%以上存在するために、エミッタの入力電力の可視光への変換効率は低く、約15 lm/Wと低い値となる。尚、蛍光灯の場合の入力電力から可視光への変換効率は約90 lm/Wである。従って、可視光源は太陽光に近い良演色性の放射スペクトルを有するにも拘らず、環境負荷の点からその使用がなされなくなりつつある。

図１に示すように、エミッタの入力電力から可視光への変換効率を向上させるためには、エミッタ温度を上げればよい。従って、可視光源を高変換効率化、高輝度化、長寿命化する試みとして以下の従来の可視光源がある。

第１の従来の可視光源は、光源内部に不活性ガス及びハロゲンガスを封入した自動車用ランプとして用いられるハロゲン電球である(参照:特許文献１、２)。これにより、エミッタ温度をより高くしてエミッタの入力電力の可視光への変換効率を向上せしめると同時に、エミッタの寿命を伸ばす。この高変換効率化及び長寿命化に際しては、封入ガスの成分及び圧力の制御が重要である。

第２の従来の可視光源においては光源ガラスの表面に赤外線反射層をコーティングし、赤外線反射層により可視光以外の赤外放射光を反射し、再度、この赤外放射光をエミッタに吸収させてエミッタを再加熱する(参照:特許文献３、４、５)。これにより、エミッタ温度をより高くしてエミッタの入力電力の可視光への変換効率を向上せしめる。

第３の従来の可視光源においては、エミッタ自体に微細構造体を形成し、この微細構造体の物理的効果により赤外放射光を抑制する(参照:特許文献６、７、８、９)。これにより、エミッタ温度をより高くしてエミッタの入力電力から可視光への変換効率を向上せしめる。

特開昭６０-２５３１４６号公報特開昭６２-１０８５４号公報特開昭５９-５８７５２号公報特表昭６２-５０１１０９号公報特開２０００-１２３７９５号公報特表２００１-５１９０７９号公報特開平６-５２６３号公報特開平６-２１６７号公報特開２００６-２０５３３２号公報

F.Kusunoki et al., "Narrow-Band Thermal Radiation with Low Directivity by Resonant Modes inside Tungusten Microcavities, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.8A, pp.5253-5258, 2004

しかしながら、上述の第１の従来の可視光源においては、ハロゲンサイクルを利用した寿命延伸効果を図ることができるが、エミッタを用いているので高い変換効率の向上は困難であり、せいぜい30 lm/W程度で蛍光灯の変換効率90 lm/Wに遠く及ばないという課題がある。

また、上述の第２の従来の可視光源においては、エミッタ自体の赤外光反射率が約70%と高く、従って、赤外線反射層による赤外放射光のエミッタへの再吸収量は少ない。しかも、赤外線反射層による赤外放射光の反射光は実際にはエミッタ以外の保持部分、口金等に吸収されてエミッタの加熱に寄与しない。この結果、やはり高い変換効率の向上は困難であり、せいぜい30 lm/W程度で蛍光灯の変換効率90 lm/Wに遠く及ばないという課題がある。

さらに、上述の第３の従来の可視光源においては、微細構造体の物理的効果つまり共振器構造による赤外放射光の抑制効果として赤外放射光スペクトルの極一部分に対してしか放射増強及び抑制効果がない(参照：非特許文献１)。つまり、ある波長が抑制されると、他の波長が増強される。従って、広範囲の赤外光全体に亘る抑制効果は非常に困難である。この結果、やはり、高い変換効率の向上は困難であるという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光源は、加熱基材と、この加熱基材の表面に設けられ、第１の波長領域の光の反射率が低く、第１の波長領域と異なる第２の波長領域の光の反射率が高い構造部とを有するエミッタを具備し、構造部は、規則的周期の第１の凹凸構造と第１の凹凸構造に第１の凹凸構造のサイズより小さいサイズの第２の凹凸構造とが形成されたグラファイト基材である。また、第１の凹凸構造は剣山構造である。さらに、第１の凹凸構造に第１の凹凸構造のサイズより小さくかつ第２の凹凸構造のサイズより大きいサイズの第３の凹凸構造を形成する。たとえば、第１の凹凸構造のサイズがマイクロメートルのオーダであり、第２の凹凸構造のサイズがナノメートルのオーダである。加熱基材は炭素系材料の抵抗体により形成し、この加熱基材の表面に構造部が形成される。この際、構造部は加熱基材表面に一体的に形成することもできる。

本発明によれば、加熱基材と構造部が密着又は一体化されているので、加熱基材により発生した熱は所望の波長領域である第１の波長領域の光として構造部表面から放出することができ、第２の波長領域の光として構造部表面から放出されることは殆どない。従って、入力電力から第１の波長領域の光の変換効率を高くできる。

一般的な可視光源の放射光スペクトルを示すグラフである。本発明に係る可視光源の原理を説明するための全入力電力を示すグラフである。本発明に係る可視光源の原理を説明するための放射光スペクトルを示すグラフである。本発明に係る可視光源の原理を説明するための放射光スペクトルを示すグラフである。本発明に係る可視光源の原理を説明するための放射光スペクトルを示すグラフである。本発明に係る可視光源の色度座標を示す図である。本発明に係るエミッタの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は断面の電子顕微鏡写真、（Ｂ）は反射特性を示すグラフである。図７のエミッタの（Ａ）の放射光スペクトルを示すグラフである。本発明に係るエミッタの第２の実施の形態を示し、(Ａ)は断面図、(Ｂ)は反射特性を示すグラフ、(Ｃ)はサーメット層の光学定数特性を示すグラフである。図９の（Ａ）のエミッタの第１の変更例を示す断面図である。図９の（Ａ）のエミッタの第２の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は反射特性を示すグラフである。本発明の第３の実施の形態に係るグラファイト基材の加工フローを示すフローチャートである。図１２のフローの変更例を示すフローチャートである。図１３の周期的マイクロ凹凸構造のグラファイト基材の表面の一例を示すSEM写真である。図１３の周期的マイクロ凹凸加工後にナノ凹凸加工した後のグラファイト基材の表面の波長0.3-2μmの反射率を示すグラフである。図１３の周期的マイクロ凹凸加工後にナノ凹凸加工した後のグラファイト基材の表面の波長2-15μmの反射率を示すグラフである。図１３の周期的マイクロ凹凸構造のグラファイト基材の表面の他の例を示すSEM写真である。図１７の剣山型の周期的凹凸構造のグラファイト基材にナノ凹凸加工した後のグラファイト基材の表面を示すSEM写真である。図１７の剣山型の周期的凹凸構造上に金粒子層を形成した断面図である。図１７の剣山型の周期的凹凸構造に金メッシュを載置した断面図である。図７、図９のエミッタを用いたあるいは図１２のフローチャートにより加工されたグラファイト基材をエミッタとして用いた可視光源を示す図である。図４の変更例を示す放射光スペクトルを示すグラフである。

図２は本発明に係る可視光源の原理を説明するための全入力電力P_totalを示すグラフである。

熱対流のないたとえば真空中における加熱基材の全入力電力P_totalは、平衡状態で次の式で与えられる。
P_total = P_C + P_R
但し、P_Cはリード線等を介して損失する熱伝達エネルギー、
P_Rは加熱基材が基材温度T_S(=T_a+ΔT)（但し、T_aは雰囲気の絶対温度）で外部空間へ光を放射して損失する放射（輻射）光エネルギーである。

たとえば基材温度T_Sが800K以上つまりΔTが500K以上であれば、表面加工前の加熱基材（灰色体）あるいは本発明に係る可視光源であっても、熱伝達エネルギーP_Cは全入力電力P_totalの10％程度であり、残りの90％以上は放射光によって外部へのエネルギー損失となり、全入力電力P_totalのほとんどが放射光エネルギーに変換される。

しかし、灰色体が示す放射光は赤外成分を多く含むのに対して、本発明における可視光源は、赤外光が抑制され可視光を多く含む光源となる。即ち、90%以上の放射光エネルギーの内、灰色体の加熱基材が含む可視光成分は、10%以下(エネルギー効率は0.9×0.1＝0.09)であるのに対して、本発明における可視光源では、赤外光抑制効果により、50%以上(エネルギー効率は0.9×0.5＝0.45)のエネルギーを可視光成分に持たせることが可能となる。特に、加熱基材が低温度(580K)で加熱されている場合、赤外光の抑制効果は顕著に観測することが出来る。

さらに、上述の灰色体と本発明に係る可視光源について図３の放射光スペクトルで説明すると、灰色体の場合には、放射光のうち0.3〜0.8μmの可視領域の放射光の占める割合は2％程度である。他方、本発明に係る可視光源の場合には、放射光のうち0.3〜0.8μmの可視領域の放射光の占める割合は大きくなる。ここで、灰色体とは、放射率が波長に依らず一定値を取り、放射率が1未満である材料を意味する。例えば、表面加工前の加熱基材として本願明細書中に記述されている金属材料がこれに該当する。

本発明の可視光源の原理をさらに図４を用いて説明する。すなわち、2μm以上の波長領域でほぼ1かつ0.8μm以下の波長領域でほぼ0の反射率R(λ)を有する材料を真空中の加熱基材上に形成し、0.3〜0.8μmの可視領域に放射強度のピークを有するようにする。

黒体または灰色体、たとえばCuあるいはWよりなる加熱基材の放射光エネルギーE_B(λ)はプランクの放射則に従う。つまり、数１で示される。
但し、α = 3.747×10⁸ W・μm⁴/m²
β = 1.4387×10⁴ μm・K

また、放射率ε(λ)はキルヒホッフの法則に従う。つまり、
ε(λ) = 1 - R(λ)

従って、波長λでの放射光エネルギーはε(λ)・E_B (λ)で表わされ、従って、数２で示される。
従って、本発明の可視光源の放射光エネルギーP_Rは図４のε(λ)・E_B (λ)の面積で表わされる。つまり、数３で示される。

数３の式において、仮に、すべての波長λにおいてR(λ)=1つまりε(λ)=0の材料の場合には、P_R=0となり、放射光による損失がない。つまり、P_total=P_Cとなり、少量の入力電力でも、放射光による損失はなく、従って、加熱基材が非常に高温に到達することを意味する。

また、数３の式において、仮に、すべての波長λにおいてR(λ)=0つまりε(λ)=1の材料（完全黒体と呼ばれる）の場合には、
となり、放射光によるエネルギー損失は最大となる。ここで、P_RBは完全黒体が光を放射して損失する輻射エネルギーである。

しかしながら、自然界に存在する材料は0＜ε(λ)＜1であり、かつ、ε(λ)の波長依存性が急変しない。これらを、上述したように灰色体と呼ぶ。ここで注意しなければならない点は黒体及び灰色体のいずれにおいても、放射率に波長依存性を有さないこれらの材料を用いては、ある温度における黒体放射スペクトルの形状は両者で変わらないので、効率の良い可視光源を構成することは不可能となる。これに対し、本発明に係る材料は、上述のごとく、ε(λ)は2μm以上の波長に対して0であり、0.8μm以下の波長に対して1であり、かつ、ε(λ)の波長依存性は0.8〜2μmの波長領域で急変する。つまり、数３の式は、理想的には、数５で示すことができる。
但し、ε₁は定数、
θ(λ-λ₀)はステップ関数であって、
λ≧λ₀のとき、θ(λ-λ₀) = 0
λ＜λ₀のとき、θ(λ-λ₀) = 1
つまり、R(λ)、ε(λ)は、理想的には、λ=λ₀たとえば2μmにおいて急変する。この結果、本発明の可視光源は、上記段落００２７並びに段落００２８で記載した効果を融合した効果を示すようになる。即ち、加熱基材の温度が低い状態においては、2μm以上の波長での放射損失が抑制されているため、少量の入力電力で加熱基材が高温に達する。ところが、加熱基材の温度が上昇して黒体の放射スペクトルＥ_Ｂ（λ）のピーク波長値がλ₀より大きくなると、加熱基材に入力した入力電力を短波長化した可視放射として損失するようになる。つまり、少量の入力電力で加熱基材を室温から高温に達せさせると同時に、高温においては、赤外領域の赤外成分を抑制して短波長化した可視光を放射させて熱平衡状態を保つので、高変換効率を達成できる。

また、図５に示すごとく、加熱基材の反射率R(λ)をλ=λ₀=0.6μmで急変するようにすれば、放射スペクトルの大部分を、図６の矢印６０１に示すように、標準比視感度曲線V(λ)の中に入れ込むことができ、従来にない光束効率ηを有する可視光源を実現できる。この光束効率ηは数６で与えられる。
但し、X(λ)は全放射スペクトルの積分値で規格化した図５に示す放射スペクトル分布の分光密度、
V(λ)は図６の波長555nmにピークを有する標準比視感度曲線、
Kmは波長555nmにおいて放射量と測定量とを関係付ける定数で、683 lm/W
である。図５の分光密度X(λ)を有する可視光源の光束効率ηを数６の式を用いて計算すると、400 lm/W以上の値を得ることができた。これは従来の可視光源の20倍となる。また、図５に示した光源スペクトルの色度座標上の位置は図６の矢印６０１に示す緑色位置であり、従って、相関色温度が9000Kの高温度の光源となった。

次に、CuもしくはWの加熱基材上に上述の反射率R(λ)つまり放射率ε(λ)を制御した薄膜を形成する実施の形態を説明する。尚、加熱基材及び反射率R(λ)つまり放射率ε(λ)を制御した薄膜の組合せは、上述のごとく、エミッタと称することにする。

上述の反射率R(λ)つまり放射率ε(λ)を制御した薄膜は２層の金属酸化物、または酸化物もしくは窒化物の誘電体中に金属もしくは半導体の微粒子を含んだ薄膜いわゆるサーメット膜によって形成される。後者としては、たとえば、Cu、Cr、Co、Au、W等の金属あるいはPbS、CdS等の半導体と、酸化物、窒化物あるいはフッ化物等の誘電体とを同時に、蒸着法、スパッタリング法あるいはイオン注入法によって形成する。

図７は本発明に係るエミッタの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は断面の電子顕微鏡写真、（Ｂ）は反射特性を示すグラフである。

図７の（Ａ）においては、エミッタ７００は、Cu加熱基材７０１上にスパッタリング法等により形成された厚さ約100nmのCrO層７０２及び厚さ約50nmのSnO₂層７０３よりなる。この結果、図７の（Ｂ）に示すような反射特性が得られる。つまり、反射率R(λ)はλ=λ₀=2μm付近で急変する。従って、エミッタ７００を加熱すると、図３の実線に示すごとく、赤外放射光を抑制し、可視放射光を効率よく発生できる。

すなわち、図８に示すように、図７の（Ａ）のエミッタ７００を580K、670K、785K、870K、2800Kと加熱すると、放射光のピーク値P₁、P₂、P₃、P₄、P₅はより短波長に移る。たとえば、0.3〜0.8μmの可視放射光を効率よく発生させるためには、加熱温度T_Sを2800Kとすればよい。

次に、サーメット膜を用いた本発明に係るエミッタを説明する。サーメット膜は、CuあるいはWの加熱基材上に金属もしくは半導体の微粒子と誘電体とを同時にスパッタリングする手法等によって形成される。このとき、金属としてCrもしくはAuを用いると、CrもしくはAuの融点は2000Kもしくは1400Kであるので、エミッタを3000K以上の高温度に加熱すると、熱的に破壊されることがある。このため、サーメット膜の金属としては、W（融点3700K）、Mo（融点2900K）、Re（融点3500K）が好ましく、また、サーメット膜の誘電体としては、MgO（融点3100K）が好ましい。

図９は本発明に係るエミッタの第２の実施の形態を示し、(Ａ)は断面図、(Ｂ)は反射特性を示すグラフ、(Ｃ)はサーメット層の光学定数特性を示すグラフである。

図９の(Ａ)に示すように、エミッタ９００はW加熱基材９０１上にMgO及びW金属を同時にスパッタリングしてMgO+Wサーメット膜９０２を形成する。この結果、図９の(Ｂ)に示すように、反射率Rは可視領域で低く、赤外領域で高くなる。尚、図９の(Ｂ)の反射率R(λ)は、図９の（Ｃ）に示す厚さ800ÅのMgO+Wサーメット膜９０２の光学定数特性(屈折率n、消衰係数k)に基づいて演算される。つまり、光学定数特性(n、k)の波長依存性が反射率R(λ)の波長依存性となる。

図９の（Ａ）に示すサーメット膜９０２をW加熱基材９０１にコーティングしたエミッタ９００を用いて可視光源を構成すると、赤外放射光を抑制することができる。このとき、MgO、W金属の融点は3100K、3700Kと高いので、MgO+Wサーメット膜９０２は3000Kと加熱されても熱的に破損せず、従って、高輝度の可視光源に適している。

図９の(Ａ)におけるMgOに対するWの体積比率は約5〜50%の範囲である。

また、図９の(Ａ)において、W加熱基材９０１とMgO+Wサーメット膜９０２との密着性を上げるために、W金属の体積比率をW加熱基材９０１から外側へ向かうにつれて低くなるように濃度傾斜を有するサーメット膜９０２を構成すればよい。

図１０は、図９の(Ａ)の第１の変更例を示す。

図１０に示すように、W加熱基材９０１とMgO+Wサーメット膜９０２との間に厚さ約1000ÅのMo密着層９０３を挿入する。この場合、Mo金属の融点は2900Kであるので、可視光源を2900K以下たとえば2900Kで点灯させる必要がある。尚、Mo密着層９０３は蒸着等により形成する。さらに、W金属の濃度傾斜のサーメット膜９０２及びMo密着層９０３を併用してW加熱基材９０１とMgO+Wサーメット膜９０２との密着性を上げることもできる。

図１１は図９の（Ａ）のエミッタの第２の変更例を示し、（Ａ）は断面図、(Ｂ)は反射特性を示すグラフである。

図１１の（Ａ）に示すように、MgO+Wサーメット膜９０２上に厚さ約1000ÅのMgF₂の低屈折率層９０４を形成する。たとえば、低屈折率層９０４の屈折率nは1.38であり、サーメット膜９０２の屈折率より小さい。この結果、図１１の（Ｂ）に示すように、反射率R(λ)は短波長赤外領域でさらに低くなる。尚、この反射率R(λ)は、図９の（Ｃ）に示す厚さ約800ÅのW+MgOサーメット膜９０２の光学定数特性(屈折率n、消衰係数k)及び厚さ約1000ÅのMgF₂の低屈折率層９０４の光学定数(n=1.38)に基づいて演算される。やはり、光学定数特性(n、k)の波長依存性が反射率R(λ)の波長依存性となる。

図１１の（Ａ）に示すサーメット膜９０２及び低屈折率層９０４をコーティングしたエミッタを用いて可視光源を構成すると、より効率のよい可視光源を実現できる。

また、図１１の（Ａ）においても、W加熱基材９０１とMgO十Wサーメット膜９０２との密着性を上げるために、W金属の体積比率をW加熱基材９０１から外側へ向かうにつれて低くなるように濃度傾斜を有するサーメット膜９０２を構成することもできる。あるいは、図１０に示すように、W加熱基材９０１とMgO+Wサーメット膜９０２との間に厚さ約1000ÅのMo密着層９０３を挿入することもできる。

尚、第２の実施の形態では、サーメット膜９０２は、W加熱基材９０１に略密着して設けられるものである。また、加熱基材は通常エミッタ等に用いられるＷもしくはＭｏ、Ｔａ等の抵抗体により形成され、この抵抗体に電流を流すことにより、発熱するものである。

尚、上述の第１、第２の実施の形態に加えて、加熱基材上に、反射率を制御した膜として、電気めっき法等によって金属たとえばNi膜等を被覆してもよい。また、Alを陽極酸化して表面上に多孔質ナノ構造を形成し、そのときの孔径及び孔深さを調整してもよい。さらに、金属または半導体表面にフォトニック結晶構造を形成してもよい。

図１２は本発明に係る第３の実施の形態であって、加熱基材にグラファイトを用いその表面を構造部として規則的又は不規則的周期の第１の凹凸構造と該第１の凹凸構造に該第１の凹凸構造のサイズより小さいサイズの第２の凹凸構造とを形成したエミッタの加工フローを示すフローチャートである。本実施形態の場合、加熱基材をグラファイトとしてその表面に第１及び第２の凹凸構造を形成したものとしたが、加熱基材をグラファイトで形成し、構造部として別のグラファイト基材の表面に上述の第１及び第２の凹凸構造を形成し、これらを一体化することも可能である。なお、グラファイト基材の融点は4000Kを超えるので、高変換効率、高輝度、長寿命の可視光源を構成できる。

始めに、ステップ１２０１において、加熱基材となるようグラファイトにより抵抗線を形成し、この表面を有するグラファイト基材に対して、サンドブラスト等の機械的表面加工及び／または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加工により第１の凹凸構造となるサブマイクロメートルオーダのサブマイクロ凹凸加工を行う。これにより、後述のプラズマエッチング後の可視領域の波長0.3-2μmの平均反射率を低くすることができると共に、赤外領域の波長2-15μｍの平均反射率を高くすることができる。

次に、ステップ１２０２において、グラファイト基材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第１の凹凸構造の表面にナノメートルオーダのナノ凹凸加工を行い第２の凹凸構造を形成して構造部を完成し、加熱基材及び構造部を有するグラファイトによるエミッタを得る。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１２のステップ１２０２でのプラズマエッチング法は、マイクロ波プラズマエッチング法、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、可視領域の波長を含む波長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。他方、赤外領域の波長2〜15μmの平均反射率は第１の凹凸構造を形成するサブマイクロ凹凸加工ステップ１２０１によって高くなる。

図１３は図１２のグラファイト基材の加工方法の変更例を示すフローチャートである。

図１３に示すように、図１２のサブマイクロ凹凸加工ステップ１２０１の代りに、周期的マイクロ凹凸加工ステップ１２０１Ａを設け、赤外領域の波長2〜15μmの反射率を高めてある。ステップ１２０１Ａにおいて、加熱基材となるようグラファイトにより抵抗線を形成し、このグラファイト基材の表面に構造部の第１の凹凸構造となる規則的周期のマイクロオーダの凹みを多数形成する。たとえば、図１４に示すような規則的周期のマイクロオーダの凹凸構造を形成する。図１４に示す規則的周期のマイクロオーダの凹凸構造は次のごとく形成できる。つまり、レジスト層を塗布し、次いで、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材を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。尚、ルーリングエンジン等を用いた機械的ミクロ切削方法によっても規則的周期のマイクロオーダの凹凸構造を加工できる。

次に、ステップ１２０２にて、図１２の場合と同様の条件で、プラズマエッチング法によって前記第１の凹凸構造の表面にナノメートルオーダのナノ凹凸構造を形成する。

従って、図１５に示すように、可視領域の波長を含む波長0.3〜2μmの平均反射率は1%以下とさらに低くなる。他方、図１６に示すように、赤外領域の波長3μm程度で反射率Rは立上り、10μmで95%以上となる。つまり、図７の（Ｂ）の反射率R(λ)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材をエミッタとして用いると、入力電力を可視光に効率的に変換できる。

上述の波長2μm以上で反射率が高くなり、吸収を抑制する効果は、規則的周期のマイクロオーダの凹凸構造による２次元フォトニック結晶的効果によるものである。

図１３の規則的周期のマイクロ凹凸加工ステップ１２０１Ａにおいて、たとえば機械的ルーリングエンジン切削方法によって図１７に示すような規則的周期のマイクロオーダの剣山型凹凸構造を形成することもできる。この規則的周期のマイクロオーダの剣山型凹凸構造にステップ１２０２のプラズマエッチングを行うと、図１８に示すように、マイクロオーダの剣山型針(図１８の(Ａ))上にナノメートルオーダの針(図１８の(Ｂ))が多数形成される。これにより、可視領域の波長を含む波長0.3〜2μmの反射率Rを低くするとともに、赤外領域の波長2〜15μmでの反射率Rを高くすることができ、変換効率を高めることができる。尚、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。

また、図１３のフローにおいて、図１２のサブマイクロ凹凸加工ステップ１２０１の代りにステップ１２０１Ａを設けてあるが、図１３のステップ１２０２の前に図１２のサブマイクロ凹凸加工ステップ１２０１を実行してもよい。この場合、グラファイト基材の表面が、規則的周期のマイクロ凹凸加工-サブマイクロ凹凸加工-ナノ凹凸加工の順序で加工される。サブマイクロ凹凸加工の追加により赤外領域の波長2〜15μmの反射率を少し高くできる。

図１９に示すように、剣山型凹凸構造つまり針の先端に金粒子層１９０１を電解めっき等で付加形成し、あるいは、図２０に示すように、剣山型針上に、直径0.5μm程度、間隔が10μm程度の金メッシュ２００１を載置すると、金は短波長赤外領域で光を吸収すると共に赤外領域で反射し、また、金の表面プラズモン効果もあるので、可視領域の波長を含む波長0.3〜2μmでの反射率を損なわず、赤外領域の波長2〜15μmの平均反射率をさらに高くすることができる。尚、図１９においては、先に、フォトリソグラフィ及びエッチング法により金粒子層１９０１のマイクロオーダのパターンをグラファイト基材上に形成し、その後、金粒子層１９０１のマイクロオーダのパターンを用いてグラファイト基材をエッチングしてもよい。また、図２０においては、金メッシュ２００１は剣山型針に完全に密着している必要はなく、単に剣山型針上に載置されて接触していればよく、また、金メッシュ２００１の間隔も剣山型針の間隔に完全に一致している必要はない。

尚、図１５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１６における波長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。

また、上述の第３の実施の形態では、グラファイト基材を用いたが、グラファイト基材以外の炭素系基材を用いてもよい。

また、上述の第1から第3の実施の形態においては、加熱基材上に構造部を形成しエミッタを構成する手法を詳述したが、この他にも、加熱基材と構造部を別々に作製し、後に適当な手法で張り合わせエミッタとすることによっても、同様の効果を得ることが出来る。例えば、第１の実施の形態の変形として、厚さ100-200μmのCu薄板上にスパッタリング法等を用いて、厚さ約100nmのCrO層及び厚さ50nmのSnO₂層を形成することによってCu金属板上に構造部を作製し、これを高温耐熱接着剤、例えば、カーボンペーストまたはセラミック接着剤等を利用して、加熱ヒーターに固定することによっても高効率な可視光源を構成することができる。

図２１は図７、図９のエミッタを用いたあるいは図１２のフローチャートにより加工されたグラファイト基材をエミッタとして用いた可視光源を示す図である。図２１に示すように、エミッタ２１０１を0.3〜2μmの波長の光を通過する封止ガラス２１０２によってたとえば10^-4Pa程度に真空封止し、高変換効率の可視光源を実現する。この場合、エミッタ２１０１はグラスウールあるいは炭酸マグネシア等の断熱材２１０３によって口金２１０４に固定される。すなわち、エミッタを通電加熱すると、加熱初期には、図２に示すごとく、ΔTが小さい低温度領域では、放射損失が抑制されているので、小さな入力電力でもエミッタ２１０１の加熱基材の温度が上昇する。その後、温度上昇に伴って可視領域の放射率ε(λ)が急上昇し、従って、ある温度領域からエミッタ２１０１の温度上昇が抑制される代りに、入力電力のすべてが可視放射に寄与することになる。全入力電力のうち、80％以上が0.3〜2μmの可視光を含む光に変換されていることが分かる。従って、加熱効率が従来に比べて6倍以上高まる。また、発明者による実験によると、変換効率が約120 lm/Wを超える可視光源を作成可能であることが判明した。この変換効率は蛍光灯の変換効率90 lm/Wより大きい。

可視光源以外に図４の本発明の原理はエミッタから単色化された放射光スペクトルを得る光源に応用することができる。たとえば、図２２に示すように、反射率Rが0.5μmの緑色領域のみ低減された膜構造を有するエミッタを構成すると、単色の緑色の0.5μm放射を得ることができる。また、反射率Rが遠赤外領域の所定波長たとえば波長が100μm程度のTHz波の波長のみ低減された膜構造を有するエミッタを構成すると、単色のTHzの放射を得ることができる。

なお、本実施形態において、マイクロオーダとは概ね1μmから900μm、サブマイクロオーダとは概ね0.1μmから0.9μm、ナノメートルオーダとは概ね1nmから90nmの範囲を示すものとしている。また、反射率Rについては、構造部の厚さや材料、形成する条件等により調整が可能である。

７００：エミッタ
７０１：Cu加熱基材
７０２：CrO層
７０３：SnO₂層
９００：エミッタ
９０１:W加熱基材
９０２:MgO+Wサーメット膜
９０３:Mo密着層
９０４ :MgF₂低屈折層
１９０１: 金粒子層
２００１:金メッシュ
２１０１:エミッタ
２１０２:封止ガラス
２１０３:断熱材
２１０４:口金

Claims

加熱基材と、
前記加熱基材の表面に設けられ、第１の波長領域の光の反射率が低く、前記第１の波長領域と異なる第２の波長領域の光の反射率が高い構造部と
を有するエミッタを具備し、
前記構造部は規則的周期の第１の凹凸構造と該第１の凹凸構造に該第１の凹凸構造のサイズより小さいサイズの第２の凹凸構造とが形成されたグラファイト基材であり、
前記第１の凹凸構造は剣山構造である光源。
加熱基材と、
前記加熱基材の表面に設けられ、第１の波長領域の光の反射率が低く、前記第１の波長領域と異なる第２の波長領域の光の反射率が高い構造部と
を有するエミッタを具備し、
前記構造部は規則的周期の第１の凹凸構造と該第１の凹凸構造に該第１の凹凸構造のサイズより小さいサイズの第２の凹凸構造とが形成されたグラファイト基材であり、
前記第１の凹凸構造に該第１の凹凸構造のサイズより小さくかつ前記第２の凹凸構造のサイズより大きいサイズの第３の凹凸構造が形成された光源。
前記第１の凹凸構造のサイズはマイクロメートルのオーダであり、前記第２の凹凸構造のサイズはナノメートルのオーダである請求項１または２に記載の光源。
前記剣山構造の針の先端に金粒子層を形成した請求項１に記載の光源。
前記剣山構造の針の上に金メッシュを載置した請求項１に記載の光源。
前記第３の凹凸構造のサイズはサブマイクロメートルのオーダである請求項２に記載の光源。
前記加熱基材は炭素系材料による抵抗体である請求項１または２に記載の光源。
前記炭素系材料はグラファイトである請求項７に記載の光源。
前記第１の波長領域は可視領域であり、前記第２の波長領域は赤外領域である請求項１または２に記載の光源。