JP6519103B2 - Light emitting structure and thermophotovoltaic power generation system using the same, visible light lighting device, gas detection device - Google Patents

Light emitting structure and thermophotovoltaic power generation system using the same, visible light lighting device, gas detection device Download PDF

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Description

本発明は光放射構造体に関し、特に熱光起電力発電用の近赤外線エミッタ、可視光照明用フィラメント、ガス検知用の中赤外線光源等に用いることができる光放射構造体に関する。   The present invention relates to a light emitting structure, and more particularly to a light emitting structure that can be used as a near infrared light emitter for thermal photovoltaic power generation, a filament for visible light illumination, a mid infrared light source for gas detection, and the like.

高融点金属やセラミックなどの材料からなるエミッタを1000℃以上の温度に加熱すると、強い赤外線が得られる。熱光起電力(Thermo-Photo-Voltaic)発電(以下TPVと呼ぶ)では、エミッタから放射される赤外光をPV(Photo-Voltaic)セルと呼ばれる光電変換素子で受けて電気に変換して発電する。非特許文献1には「熱放射スペクトル制御技術の熱光起電力発電への応用」と題して、熱光起電力発電について紹介されている。熱光起電力発電は、種々の熱源を利用可能であり、太陽光だけでなく液体あるいは気体の燃料を用いることができる。熱光起電力発電は、機械的なエンジン発電より静かでかつ運搬が容易なため、今後広く用いられる可能性がある。しかしながら、小型の機械エンジン発電では15%程度の発電効率が得られているのに対し、非特許文献2の熱光起電力発電の効率は12%程度しか得られていない。今後、熱光起電力発電を普及させるためには、効率と出力の向上が必要である。そのために高出力かつ高効率のエミッタの開発が期待されている。   When an emitter made of a material such as refractory metal or ceramic is heated to a temperature of 1000 ° C. or more, a strong infrared ray is obtained. In thermo-photo-voltaic power generation (hereinafter referred to as TPV), infrared light emitted from the emitter is received by a photoelectric conversion element called a PV (photo-voltaic) cell and converted into electricity for power generation Do. Non-Patent Document 1 introduces thermal photovoltaic power generation under the title “Application of Thermal Radiation Spectrum Control Technology to Thermal Photovoltaic Power Generation”. Thermophotovoltaic power generation can use various heat sources, and can use not only sunlight but also liquid or gaseous fuel. Thermophotovoltaic power generation may be widely used in the future because it is quieter and easier to transport than mechanical engine power generation. However, while the power generation efficiency of about 15% is obtained in the small mechanical engine power generation, the efficiency of the thermal photovoltaic power generation of Non-Patent Document 2 is only about 12%. In order to spread thermal photovoltaic power generation in the future, it is necessary to improve efficiency and output. Therefore, development of high output and high efficiency emitters is expected.

ステファンボルツマンの法則によれば、物体から放射される単位面積あたりの光強度は、物体の温度の4乗に比例することが知られている。よって発電出力を上げるには、エミッタの温度を高めることが有効である。   According to Stefan-Boltzmann's law, it is known that the light intensity per unit area emitted from an object is proportional to the fourth power of the temperature of the object. Therefore, to raise the power generation output, it is effective to raise the temperature of the emitter.

放射エネルギーが最も大きいのは黒体である。プランクの法則により、黒体放射の波長スペクトルは温度のみによって決まる。黒体放射の波長スペクトルは、数μmの波長幅があり、長波長側に長い裾を引いている。ウィ−ンの法則によれば、温度T(K)の黒体放射のピ−ク波長λBは2900/Tで与えられる。例えば、1400Kの場合λB=2.07μmになる。1.4μm以下の波長帯域の放射強度は小さい。エミッタが耐えられる温度には限界があるため、通常TPV用には感度帯域が1.5μm〜2.5μmのPV素子が用いられる。非特許文献3は、GaSb材料を用いたPVセルの報告であり、30%以上の光電変換効率が報告されている。図36に非特許文献3に記載されているPドーピング形状の異なるGaSb-PV素子の外部量子効率の波長依存性を示す。GaSb-PV素子は波長0.6μm〜1.8μmに感度帯域があり、波長帯域1.5μm〜1.7μmの光電変換効率が高い。GaSb結晶の室温のバンドギャップ波長は1.7μmであるが、GaSbへド−ピングすることにより受光限界波長は1.8μmまで増大している。熱光起電力発電の効率を高めるには、PV素子が発電可能な波長帯域にエミッタの放射スペクトルを制御しなければならない。   It is the black body that the radiant energy is the largest. Due to Plank's law, the wavelength spectrum of black body radiation is determined solely by temperature. The wavelength spectrum of black body radiation has a wavelength width of several μm and has a long tail on the long wavelength side. According to Wien's law, the peak wavelength λB of blackbody radiation at temperature T (K) is given by 2900 / T. For example, in the case of 1400 K, λB = 2.07 μm. The radiation intensity in the wavelength band of 1.4 μm or less is small. Since there is a limit to the temperature that the emitter can withstand, a PV element with a sensitivity band of 1.5 μm to 2.5 μm is usually used for TPV. Non-Patent Document 3 is a report of a PV cell using a GaSb material, and a photoelectric conversion efficiency of 30% or more is reported. FIG. 36 shows the wavelength dependence of the external quantum efficiency of GaSb-PV elements having different P doping shapes described in Non-Patent Document 3. The GaSb-PV element has a sensitivity band at a wavelength of 0.6 μm to 1.8 μm, and has high photoelectric conversion efficiency at a wavelength band of 1.5 μm to 1.7 μm. The room temperature band gap wavelength of the GaSb crystal is 1.7 μm, but the light reception limit wavelength is increased to 1.8 μm by doping to GaSb. In order to enhance the efficiency of thermal photovoltaic power generation, it is necessary to control the emission spectrum of the emitter in a wavelength band in which the PV device can generate power.

放射スペクトルを制御するには、エミッタの放射率を制御しなければならない。放射率とは、加熱された物体からの放射強度を同じ温度の黒体の放射強度で割って得られる値であり、波長に依存する。キルヒホッフの法則によれば、局所熱平衡状態では、放射率と吸収率は等しい。また金属などの不透明な物体の場合は透過率がゼロなので、反射率と吸収率の和は1である。よって金属などの物体であれば、ある温度での反射率スペクトルが得られれば、放射率スペクトルを求めることができる。放射スペクトルは、放射率スペクトルに黒体放射スペクトルを掛けることで得られる。   To control the emission spectrum, the emissivity of the emitter must be controlled. Emissivity is a value obtained by dividing the radiation intensity from a heated object by the radiation intensity of a black body at the same temperature, and depends on the wavelength. According to Kirchhoff's law, emissivity and absorptivity are equal at local thermal equilibrium. In the case of an opaque object such as metal, the transmittance is zero, so the sum of reflectance and absorptivity is 1. Therefore, in the case of an object such as metal, an emissivity spectrum can be obtained if a reflectance spectrum at a certain temperature can be obtained. The emission spectrum is obtained by multiplying the emissivity spectrum by the black body emission spectrum.

高い変換効率を得るには、エミッタからの熱放射スペクトルのピ−ク波長をPV素子の受光感度が高い1.5μm〜1.7μmの波長帯域(GaSb-PVセルの場合)に制御し、かつピーク波長での放射率をできるだけ1に近くし、かつ波長スペクトル幅をできるだけ小さくすることが望ましい。   In order to obtain high conversion efficiency, the peak wavelength of the thermal emission spectrum from the emitter is controlled to a wavelength band of 1.5 μm to 1.7 μm (in the case of GaSb-PV cell) where the light receiving sensitivity of the PV device is high, and the peak wavelength It is desirable to make the emissivity at as close to 1 as possible, and to make the wavelength spectrum width as small as possible.

高い出力を得るにはエミッタ温度が高い方が有利であるため、エミッタ材料には1000℃以上の高温に耐えるタングステン(元素記号W)などの高融点金属が用いられてきた。しかしエミッタにタングステンの平板を用いた場合、光の放射率が小さく、スペクトルのピ−ク波長を制御できない問題があった。また光放射スペクトルは1μm以上の波長領域に長い裾を引く形状を有するので、高い変換効率が得られない問題があった。エミッタが高温で放射強度が強い状態で、波長スペクトル幅が広いと、PVセルが受光できない長波長成分を吸収して、セルの温度が上昇するために、光電変換効率が著しく低下してしまう。   Since it is advantageous for the emitter temperature to be high in order to obtain a high output, a refractory metal such as tungsten (element symbol W) resistant to high temperatures of 1000 ° C. or higher has been used as the emitter material. However, when a flat plate of tungsten is used as the emitter, there is a problem that the emissivity of light is small and the peak wavelength of the spectrum can not be controlled. In addition, since the light emission spectrum has a long-tailed shape in a wavelength region of 1 μm or more, there is a problem that high conversion efficiency can not be obtained. When the emitter has a high temperature and a strong radiation intensity, and the wavelength spectrum width is wide, the long wavelength component which the PV cell can not receive is absorbed to raise the temperature of the cell, and the photoelectric conversion efficiency is significantly reduced.

非特許文献4には「TPV発電システムの現状と選択エミッタ材料技術」と題して、熱光起電力発電とそれに用いられる波長選択エミッタ技術が紹介されている。波長選択エミッタは放射スペクトルの幅を黒体より狭くしたエミッタである。そこに記載されているYbやErなどの希土類元素を含む酸化物エミッタは、狭い放射スペクトルを有する。しかしピーク波長は、Ybの1.1μmかErの1.5μmの放射波長に固定され、既存のGaSb-PVセルと変換波長が適合しない問題がある。またYbの1.1μmを強く発光させるためにはエミッタ温度を1700℃以上に上げる必要があり、エミッタの信頼性や装置の放熱制御が難しい。エミッタ温度を下げると1.1μm帯の発光強度が極めて小さくなり、実用的な出力が得られないという問題があった。   Non-Patent Document 4 is entitled “The present status of TPV power generation system and selective emitter material technology”, and introduces thermal photovoltaic power generation and wavelength selective emitter technology used therefor. The wavelength selective emitter is an emitter whose emission spectrum is narrower than the black body. An oxide emitter comprising a rare earth element such as Yb or Er described therein has a narrow emission spectrum. However, the peak wavelength is fixed to the emission wavelength of 1.1 μm of Yb or 1.5 μm of Er, and there is a problem that the conversion wavelength does not match the existing GaSb-PV cell. In addition, in order to cause 1.1 μm of Yb to emit light strongly, it is necessary to raise the emitter temperature to 1700 ° C. or higher, which makes it difficult to control the reliability of the emitter and the heat radiation of the device. When the emitter temperature is lowered, the light emission intensity in the 1.1 μm band becomes extremely small, and there is a problem that a practical output can not be obtained.

このような問題を解決する第一の解決法は、PVセルで発電できない波長の赤外光を光学フィルタで反射してエミッタに戻す方法がある。しかしながら1.8μmから10μm以上の広い波長範囲に及ぶ赤外光のみを反射し、高温のエミッタの傍に設置できる耐熱性を有するフィルタを製造することは容易ではない。   The first solution to solve such a problem is to reflect infrared light of a wavelength that can not be generated by the PV cell by an optical filter and return it to the emitter. However, it is not easy to produce a heat-resistant filter that reflects only infrared light ranging from a wide wavelength range of 1.8 μm to 10 μm or more and can be placed beside a high temperature emitter.

第二の解決法は、タングステン表面に酸化膜や半導体層を形成する方法がある。特許文献1「赤外光源」では、タングステンの酸化を防ぐ技術として、タングステン平板の表面にMgO+Wサーメット層902を形成する記述がある。しかしこのサーメット層902はWを保護する酸化膜であり、光を透過する。またサーメット膜902の膜厚を制御して放射率を向上させることも記載されていない。   The second solution is a method of forming an oxide film or a semiconductor layer on the surface of tungsten. Patent Document 1 "Infrared Light Source" describes that a MgO + W cermet layer 902 is formed on the surface of a tungsten flat plate as a technique for preventing oxidation of tungsten. However, the cermet layer 902 is an oxide film that protects W and transmits light. In addition, controlling the film thickness of the cermet film 902 to improve the emissivity is also not described.

また特許文献2「反射防止膜及び熱光起電力発電用エミッタ」では、タングステン平板の表面に屈折率が4以上であるβ-FeSi半導体層をFe基板上に形成し、さらに金属表面で反射した光の位相が薄膜表面で反射した光の位相と反転するように薄膜の屈折率、膜厚を調整することで、エミッタ表面での反射を防止できるとしている。(0012段落、図1)。   Further, in Patent Document 2 “Antireflection film and emitter for thermal photovoltaic power generation”, a β-FeSi semiconductor layer having a refractive index of 4 or more is formed on an Fe substrate on the surface of a tungsten flat plate, and is further reflected on the metal surface. By adjusting the refractive index and the film thickness of the thin film so that the phase of the light is reversed to the phase of the light reflected by the thin film surface, it is possible to prevent the reflection on the emitter surface. (Paragraph 0012, FIG. 1).

しかしこの文献では、位相反転するよう、適切な屈折率を持つ材料を選びしかも膜厚を調整する必要がある。   However, in this document, it is necessary to select a material having an appropriate refractive index and to adjust the film thickness so as to perform phase inversion.

特開2011-222211号公報JP, 2011-222211, A 特開2011-96770号公報JP, 2011-96770, A 特許第3472838号Patent No. 3472838 特開2005-276556号公報JP 2005-276556 A 再公表特許WO2005/091335Re-issued patent WO2005 / 091335 特開2007-234362号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-234362 特開2013-131467号公報JP, 2013-131467, A

応用物理第73巻第7号P952(2004)Applied Physics 73: 7 P 952 (2004) Fraas,L.M.;Avery,J.E.;Minkin,L.;Huang,H.X.,Photovoltaic Specialists Conference (PVSC),2011 37th IEEE, Page:002050−002055 JX Crystal社Fraas, L. M .; Avery, J. E .; Minkin, L .; Huang, H. X., Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2011 37th IEEE, Page: 002050-002055 JX Crystal, Inc. O.V.Sulima, A.W.Bett/Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) 533-540O. V. Sulima, A. W. Bett / Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) 533-540 応用物理第76巻第3号P281(2007)Applied Physics Vol. 76, No. 3 P 281 (2007) Hitoshi Sai and Hiroo Yugami, Appl.Phys.Lett., Vol.85, No.16, 18 October 2004 p3399 [1「Thermophotovoltaic generation with selective radiators based on tungsten surface gratings」「タングステン表面回折格子に基づく波長選択放射を伴う熱光起電力発電」Hitoshi Sai and Hiroo Yugami, Appl. Phys. Lett., Vol. 85, No. 16, 18 October 2004 p3399 [1 "Thermophotovoltaic generation with selective radiators based on tungsten surface gratings" "wavelength selective radiation based on tungsten surface gratings Associated photovoltaic photovoltaic generation " M.U.Pralle,et.al. Appl.Phys.Lett., Vol.81, No.25, 16 December 2002 P4685「Photonic crystal enhanced narrow-band infrared emitters」Siホールにメタルカバ−「光結晶増強された狭帯域赤外エミッタ」MU Pralle, et. Al. Appl. Phys. Lett., Vol. 81, No. 25, 16 December 2002 P4685 "Photonic crystal enhanced narrow-band infrared emitters" Metal cover in Si hole-"Photo crystal enhanced narrow band red Outer emitter "

エミッタの放射スペクトル制御における第三の解決法は、非特許文献5の「タングステン表面回折格子に基づく波長選択放射を伴う熱光起電力発電」なる学術論文に記載されている方法である。これは、タングステン平板に矩形の微細孔を1μm程度の周期で多数配列した光放射構造体を形成して放射スペクトルを狭幅化する方法である。この非特許文献5ではこの光放射構造体をタングステン表面回折格子と呼んでいる。特許文献3「波長選択性太陽光吸収材料及びその製造方法」には、タングステン表面回折格子の太陽光の吸収材料としての利用法とその製造方法が記載されている。それらの内容は非特許文献1にも分かりやすく紹介されている。   The third solution in controlling the emission spectrum of the emitter is the method described in the article "Thermal Photovoltaic Power Generation with Wavelength Selective Radiation Based on Tungsten Surface Grating", NPL 5 This is a method of narrowing the radiation spectrum by forming a light emitting structure in which a large number of rectangular micropores are arranged at intervals of about 1 μm in a tungsten flat plate. In this Non-Patent Document 5, this light emitting structure is called a tungsten surface diffraction grating. Patent Document 3 "Wavelength-Selective Sunlight Absorbent Material and Method of Manufacturing the Same" describes a method of using a tungsten surface diffraction grating as a solar light absorbing material and a method of manufacturing the same. Their contents are also introduced to Non-Patent Document 1 in an easy-to-understand manner.

図37に非特許文献5のタングステン表面回折格子の表面部の外観と断面を示す。このタングステン表面回折格子は、単結晶タングステン1に矩形微細孔2が正方格子状に周期的に形成されている。この表面回折格子に光を照射した場合、波長λ0より短波長の光は微細孔の内部で吸収され、波長λ0より長波長の光は反射される。キルヒホッフの法則により、この表面回折格子を加熱した場合、波長λ0より短波長の光が放出され、波長λ0より長波長の光の放出は抑制される。これは電磁波に対する金属のマイクロキャビティ効果により、波長スペクトルを狭窄している。これによって、放射スペクトルのピーク波長を制御し、ピーク強度を高め、同時に波長幅を狭くできる。非特許文献5では表面回折格子の材料としてタングステンとモリブデンに関する記載があるが、それ以外の材料の記載はない。   FIG. 37 shows the appearance and the cross section of the surface portion of the tungsten surface diffraction grating of Non-Patent Document 5. As shown in FIG. In the tungsten surface diffraction grating, rectangular fine holes 2 are periodically formed in a single crystal tungsten 1 in a square lattice shape. When the surface diffraction grating is irradiated with light, light having a wavelength shorter than the wavelength λ0 is absorbed inside the fine holes, and light having a wavelength longer than the wavelength λ0 is reflected. According to Kirchhoff's law, when the surface diffraction grating is heated, light having a wavelength shorter than the wavelength λ0 is emitted, and emission of light having a wavelength longer than the wavelength λ0 is suppressed. This narrows the wavelength spectrum due to the metal microcavity effect on electromagnetic waves. As a result, the peak wavelength of the radiation spectrum can be controlled to increase the peak intensity and at the same time narrow the wavelength width. Although Non-Patent Document 5 describes tungsten and molybdenum as materials of surface diffraction gratings, there is no description of other materials.

図38に非特許文献1に記載されているタングステン基板上に形成された3種類の異なる構造を有する表面回折格子からの1400Kでの熱放射率スペクトルを示す。図中に試料の走査型電子顕微鏡写真が挿入されている。微細孔2の周期をΛ、正方形開口部の一辺の長さをa、孔の深さをdとすると、a/Λが0.7〜0.8、d/aが1程度の時に、波長1〜2μm帯の熱放射率が高まることが記載されている。   FIG. 38 shows a thermal emissivity spectrum at 1400 K from a surface diffraction grating having three different structures formed on a tungsten substrate described in Non-Patent Document 1. As shown in FIG. The scanning electron micrograph of the sample is inserted in the figure. Assuming that the period of the fine holes 2 is Λ, the length of one side of the square opening is a, and the depth of the holes is d, when a / 1〜2 is 0.7 to 0.8 and d / a is 1, the wavelength is 1 to 2 μm It is stated that the thermal emissivity of

しかしながら、タングステンの回折格子エミッタを用いても十分なスペクトル狭窄は得られていない。波長2μmで放射率は0.4と高く、波長4μm以上でも放射率0.2以上の裾引きが見られる。特に、放射スペクトルの2μm〜4μmの波長領域は1000℃程度の黒体放射の強い領域であり、高い変換効率を実現するには、この波長領域の放射スペクトルの強度をできるだけ低減しなければならない。   However, sufficient spectral narrowing has not been obtained using tungsten grating emitters. The emissivity is as high as 0.4 at a wavelength of 2 μm, and even at a wavelength of 4 μm or more, a tailing with an emissivity of 0.2 or more is observed. In particular, the 2 μm to 4 μm wavelength region of the radiation spectrum is a strong region of about 1000 ° C. of black body radiation, and in order to realize high conversion efficiency, the intensity of the radiation spectrum in this wavelength region must be reduced as much as possible.

特許文献5(再公表特許WO2005/091335)には、熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体で、表面の少なくとも一部の領域には複数のマイクロキャビティが形成されており、マイクロキャビティ2の表面が、炭素と結合したタングステン(炭化タングステン)を含有する層から形成されたものが記載されている。しかし炭化タングステンは放射率が低く、エミッタからの放射スペクトルの狭幅化には適していない。   Patent Document 5 (republished patent WO 2005/091335) is a radiator that converts heat into electromagnetic waves and radiates from the surface, and a plurality of microcavities are formed in at least a partial region of the surface; It is described that the surface of No. 2 is formed of a layer containing tungsten (tungsten carbide) bonded to carbon. However, tungsten carbide has a low emissivity and is not suitable for narrowing the emission spectrum from the emitter.

また特許文献6(特開2007-234362)には、表面に複数のマイクロキャビティ構造を持つ白熱電球であって、マイクロキャビティは高融点材料からなるフィラメント基材とその
表面に同じく高融点材料を被着させた構造を持つものが記載されている。被着材には基材と同質または異質の薄膜を形成する。(0014)段落には「フィラメント基材と被着材は同質の高融点材料を用いるのが好ましいが、所望により異なる材質の高融点材料を用いることもできる。」とある。被着材はマイクロキャビティの開口部を狭めるためのものであり、基材と被着材が異なる材料である必要はなく、異なる材料の例も示されていない。
Further, in Patent Document 6 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-234362), an incandescent lamp having a plurality of microcavity structures on its surface, the microcavity is a filament base made of a high melting point material and the same high melting point material on the surface. The ones with a worn structure are described. The adherend is formed with a thin film of the same or different quality as the substrate. [0014] The paragraph "It is preferable to use the same high-melting point material of the same quality as the filament substrate and the adherend, but it is possible to use high-melting point materials of different materials if desired." The adherend is for narrowing the opening of the microcavity, and it is not necessary for the substrate and adherend to be different materials, and examples of different materials are not shown.

さらに特許文献7(特開2013-131467)には、白熱電球で、フィラメントが第1の金属材料(タングステン等)の基体と、基体より低融点の第2の金属材料(タンタル等)で被覆することが記載されている。この発明は電力から可視光への変換効率の高いフィラメントを得るために、基材より低融点の金属膜の制動放射により大きなエネルギーの可視光を放射するものである。この特許文献7ではマイクロキャビティ構造は形成されていない。   Furthermore, according to Patent Document 7 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-131467), an incandescent lamp is coated with a substrate of a first metal material (eg, tungsten) and a second metal material (eg, tantalum) having a melting point lower than that of the substrate. It is described. In the present invention, in order to obtain a filament with high conversion efficiency from electric power to visible light, high energy visible light is emitted by bremsstrahlung of a metal film having a melting point lower than that of the substrate. In Patent Document 7, the microcavity structure is not formed.

この特許文献(0022)段落には、「本発明では、基体よりも低融点の金属材料で構成した金属膜で基体を被覆することにより、基体と同じ温度でありながら、低融点の金属膜を軟化状態(溶融状態または液体状態)に近い状態にする。」と記載されている。従ってこの発明をマイクロキャビティ構造に適用すると、高温時に第2の金属材料が溶融状態または液体状態になりマイクロキャビティを塞いでしまい、波長選択性が得られなくなる。また気化した第2の金属材料が電球内面に付着した後に、再び離脱してマイクロキャビティに付着してマイクロキャビティを塞ぐことも考えられる。   In this patent document (0022), “in the present invention, by covering the substrate with a metal film composed of a metal material having a melting point lower than that of the substrate, a metal film having a low melting point is obtained at the same temperature as the substrate. "Making it close to a softened state (melted state or liquid state)." Therefore, when the present invention is applied to a microcavity structure, the second metal material becomes molten or liquid at high temperature to block the microcavity, and wavelength selectivity can not be obtained. It is also conceivable that, after the vaporized second metal material adheres to the inner surface of the bulb, it detaches again and adheres to the microcavity to close the microcavity.

本発明の目的は、熱放射スペクトルの波長スペクトル幅を狭くし、熱光起電力発電の効率と出力を向上できる光放射構造体を提供することである。   An object of the present invention is to provide a light emitting structure capable of narrowing the wavelength spectrum width of a thermal radiation spectrum and improving the efficiency and output of thermal photovoltaic power generation.

本発明は、複数の微細孔を持つ光放射構造体であって、前記微細孔が第1の金属元素を含む第1の材料を備え、前記微細孔以外の表面の少なくとも一部に前記第1の金属元素とは異なる第2の金属元素を含む第2の材料を備え、前記光放射構造体が発する熱放射スペクトルのピーク波長より大きい波長の光において前記第1の材料の放射率が前記第2の材料の放射率より大きいことを特徴とする光放射構造体である。   The present invention is a light emitting structure having a plurality of micropores, wherein the micropores comprise a first material containing a first metal element, and at least a portion of the surface other than the micropores is provided with the first material. A second material containing a second metal element different from the metal element of the first metal element, and the emissivity of the first material is the light of a wavelength larger than the peak wavelength of the thermal radiation spectrum emitted by the light emitting structure It is a light emitting structure characterized by being larger than the emissivity of the material of 2.

本発明によれば、熱放射スペクトルの波長スペクトル幅を狭くし、熱光起電力発電の効率と出力を向上できる光放射構造体を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a light emitting structure capable of narrowing the wavelength spectrum width of the thermal radiation spectrum and improving the efficiency and output of thermal photovoltaic power generation.

本発明の第1の実施例である光放射構造体の表面部の外観とその断面を示す図である、It is a figure which shows the external appearance of the surface part of the light emission structure which is 1st Example of this invention, and its cross section. 本発明の第1の実施例のTPV発電システムを説明する斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a perspective view explaining the TPV electric power generation system of 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例のエミッタ部の断面図である。It is sectional drawing of the emitter part of 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の光放射構造体を1400Kに加熱した時の熱放射スペクトルを示す図である。It is a figure which shows a thermal radiation spectrum when the light-emitting structure of 1st Example of this invention is heated to 1400K. W平板とTa平板の放射率スペクトルを示す図である。Iritsu spectrum release of W flat and Ta flat is a diagram showing a. 本発明のエミッタの加工工程の第1の説明図である。It is 1st explanatory drawing of the manufacturing process of the emitter of this invention. 本発明のエミッタの加工工程の第2の説明図である。It is 2nd explanatory drawing of the manufacturing process of the emitter of this invention. 本発明のエミッタの加工工程の第3の説明図である。It is 3rd explanatory drawing of the manufacturing process of the emitter of this invention. 本発明のエミッタの加工工程の第4の説明図である。It is 4th explanatory drawing of the manufacturing process of the emitter of this invention. 本発明のエミッタの加工工程の第5の説明図である。It is 5th explanatory drawing of the manufacturing process of the emitter of this invention. 本発明のエミッタの加工工程の第6の説明図である。It is 6th explanatory drawing of the processing process of the emitter of this invention. 本発明の第2の実施例である光放射構造体の表面部の外観とその断面を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of the surface part of the light emission structure which is the 2nd Example of this invention, and its cross section. 本発明の第2の実施例のTPV発電装置の外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of the TPV electric power generating apparatus of the 2nd Example of this invention. 本発明の第2の実施例のTPV発電装置の断面図である。It is sectional drawing of the TPV electric power generating apparatus of the 2nd Example of this invention. 本発明の第2の実施例のTPV発電装置の上面図である。It is a top view of the TPV electric power generating apparatus of 2nd Example of this invention. 本発明の第2の実施例のエミッタ接合部の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the emitter junction part of 2nd Example of this invention. TaとCrの平板の放射率スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emissivity spectrum of the flat plate of Ta and Cr. 本発明の第2の実施例の光放射構造体の熱放射スペクトル(1400K)を示す図である。It is a figure which shows the thermal radiation spectrum (1400K) of the light emission structure of the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例の光放射構造体を示す図である。It is a figure which shows the light emission structure of 3rd Example of this invention. Cr、Zr、V、Wの平板の放射率スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emissivity spectrum of the flat plate of Cr, Zr, V, W. FIG. W、Mo、Nb、Taの平板の放射率スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emissivity spectrum of the flat plate of W, Mo, Nb, and Ta. 本発明に用いた酸化物のエリンガム図である。It is an Elingham chart of the oxide used for this invention. 本発明の第4の実施例の光放射構造体を示す図である。It is a figure which shows the light emission structure of the 4th Example of this invention. 本発明の第5の実施例の光放射構造体を示す図である。It is a figure which shows the light emission structure of the 5th Example of this invention. 本発明の第5の実施例の光放射構造体の加工工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of the light emission structure of the 5th Example of this invention. 本発明の第6の実施例の光放射構造体を示す図である。It is a figure which shows the light emission structure of the 6th Example of this invention. 本発明の第7の実施例の光放射構造体を示す図である。It is a figure which shows the light emission structure of the 7th Example of this invention. 本発明の第8の実施例の光放射構造体を示す図である。Figure 8 shows a light emitting structure according to an eighth embodiment of the invention; 本発明の第8の実施例の赤外線ガス検出器の断面図である。It is sectional drawing of the infrared gas detector of the 8th Example of this invention. 本発明の第8の実施例の光放射構造体の熱放射スペクトル(600K)を示す図である。It is a figure which shows the thermal radiation spectrum (600 K) of the light emission structure of the 8th Example of this invention. 本発明の第9の実施例の光放射構造体を示す図である。FIG. 10 is a view showing a light emitting structure according to a ninth embodiment of the present invention. 本発明の第9の実施例の白熱電球の断面図である。It is sectional drawing of the incandescent lamp of 9th Example of this invention. 本発明の第9の実施例の光放射構造体の熱放射スペクトル(2500℃)を示す図である。It is a figure which shows the thermal radiation spectrum (2500 degreeC) of the light emission structure of the 9th Example of this invention. 非特許文献5と本発明の光放射構造体の9種類の実施例の材料と構造と用途を説明する図である。It is a figure explaining the material of 9 types of Examples of a nonpatent literature 5 and the light emission structure of this invention, a structure, and use. 本発明の光放射構造体のその他の実施例の材料と構造を示す図である。FIG. 7 shows the materials and structure of another embodiment of the light emitting structure of the present invention. Pドーピング形状の異なるGaSb−PV素子の外部量子効率の波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence of the external quantum efficiency of GaSb-PV element from which P doping shape differs. 非特許文献5のタングステン表面回折格子の表面部の外観と断面を示す図である。It is a figure which shows the external appearance and the cross section of the surface part of the tungsten surface diffraction grating of a nonpatent literature 5. FIG. タングステン基板上に形成された3種類の異なる構造を有する表面回折格子からの1400Kでの熱放射率スペクトルである。FIG. 7 is a thermal emissivity spectrum at 1400 K from a surface grating having three different structures formed on a tungsten substrate. Cr、Zr、V、W平板の放射率スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emissivity spectrum of Cr, Zr, V, W flat plate.

本発明の実施例について図面を参照して以下、詳細に説明する。
[第1の実施例]
[構造の説明]
本発明の第1の実施例である光放射構造体は長さ5cm、幅2cm、厚さ6mmの板状であり、表面に微細孔が正方格子状に周期的に形成されている。図1に本実施例である光放射構造体の表面部の外観とその断面を示す。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
First Embodiment
[Description of structure]
The light emitting structure according to the first embodiment of the present invention is a plate having a length of 5 cm, a width of 2 cm, and a thickness of 6 mm, and micropores are periodically formed on the surface in a square lattice shape. FIG. 1 shows the appearance of the surface portion of the light emitting structure according to the present embodiment and the cross section thereof.

第1の実施例の光放射構造体11は、単結晶タングステンの光放射構造体12とその表面に形成されたタンタルキャップ層13からなり、表面に微細孔14が周期的に形成されている。キャップ層の厚さt_capは0.30μmである。微細孔の周期Λ15は0.96μmである。微細孔14の開口形状は正方形で、正方形の1辺の長さL16は0.8μm、孔の深さtは1.42μmである。Λ/L比(=0.96/0.8)は1.2、t/L比(=1.42/0.8)は1.78である。t_cap/t比(=0.30/1.42)は0.21である。   The light emitting structure 11 of the first embodiment comprises a light emitting structure 12 of single crystal tungsten and a tantalum cap layer 13 formed on the surface thereof, and micropores 14 are periodically formed on the surface. The thickness t_cap of the cap layer is 0.30 μm. The period の 15 of the micropores is 0.96 μm. The aperture shape of the fine holes 14 is a square, and the length L16 of one side of the square is 0.8 μm, and the depth t of the holes is 1.42 μm. The Λ / L ratio (= 0.96 / 0.8) is 1.2, and the t / L ratio (= 1.42 / 0.8) is 1.78. The t_cap / t ratio (= 0.30 / 1.42) is 0.21.

W本体に5w%のRe(レニウム)を加えることで延性が増加し、加工しやすくなる。あるいは多結晶Wを本体に用いる場合には、WにK(カリウム)やSi、あるいはAl、La、Ceの酸化物を加えることで、再結晶温度が上がるので、高温での形状安定性が増す。本実施例の光放射構造体の光放射構造体とキャップ層の材料には、融点が1000℃以上の高融点材料を用いると良い。   By adding 5 w% of Re (rhenium) to the W body, the ductility is increased and it becomes easy to process. Alternatively, when polycrystalline W is used as the main body, the addition of K (potassium), Si, or Al, La, Ce oxides to W raises the recrystallization temperature, thereby increasing the shape stability at high temperatures. . It is preferable to use a high melting point material having a melting point of 1000 ° C. or more as the material of the light emitting structure and the cap layer of the light emitting structure of the present embodiment.

図2は第1の実施例のTPV発電システムを示す斜視図である。第1の実施例のTPV発電システムは、支持台71、ガス導入管72、ガスバーナ73、火炎口74、光放射構造体(右)75、スペ−サ76、光放射構造体(左)77、断熱支持体78、微小孔アレイ79、支持板80、PV素子81、放熱板82、支持板83、PV素子84、放熱板85を備えている。   FIG. 2 is a perspective view showing the TPV power generation system of the first embodiment. The TPV power generation system of the first embodiment includes a support base 71, a gas introduction pipe 72, a gas burner 73, a flame port 74, a light emitting structure (right) 75, a spacer 76, a light emitting structure (left) 77, The heat insulating support 78, the minute hole array 79, the support plate 80, the PV element 81, the heat dissipation plate 82, the support plate 83, the PV element 84, and the heat dissipation plate 85 are provided.

支持台71上にガス導入管72を立てて貫通させ、その上にガスバーナ73を設ける。ガスバーナ73の上端に火炎口74が開口している。火炎口74の上方に光放射構造体(左)77と光放射構造体(右)75を、微小孔アレイ79が反対向きになるように、一対の断熱支持体78で支えて設置する。光放射構造体75、77は2つのスペーサ76で間隔を開けて設置する。さらに光放射構造体75、77の微小孔アレイ79に対向する位置に、PV素子81、84を備えた放熱板82、85を支持板80、83で支えて設ける。   A gas introduction pipe 72 is erected and penetrated on a support 71, and a gas burner 73 is provided thereon. A flame port 74 is opened at the upper end of the gas burner 73. A light emitting structure (left) 77 and a light emitting structure (right) 75 are supported by a pair of heat insulating supports 78 above the flame port 74 so that the micropore array 79 is in the opposite direction. The light emitting structures 75, 77 are spaced apart by two spacers 76. Furthermore, the heat sinks 82 and 85 provided with the PV elements 81 and 84 are supported by the support plates 80 and 83 at positions facing the minute hole array 79 of the light emission structures 75 and 77.

2つのPV素子81、84はいずれもGaSb系の光電変換素子である。放熱板82、85は銅やアルミ材料を凸凹形状に加工したヒ−トシンクを用いている。光放射構造体(右)75と光放射構造体(左)77は、第1の実施例の光放射構造体である。光放射構造体とスペ−サ76の接合の方法は溶接法でもよいが、はめ込み法を用いた。   The two PV elements 81 and 84 are both GaSb-based photoelectric conversion elements. The heat sinks 82 and 85 use a heat sink obtained by processing a copper or aluminum material into a concavo-convex shape. The light emitting structure (right) 75 and the light emitting structure (left) 77 are the light emitting structures of the first embodiment. The method of joining the light emitting structure and the spacer 76 may be a welding method, but the inset method was used.

図3に第1の実施例のエミッタ部の断面図を示す。光放射構造体(右)75と76は、微小孔アレイ79の形成面を外側にして、スペ−サ76を介して背中合わせにはめ込み接合86で接合されている。これは、接合するもの同志に切込みを入れ、オスメスのはめ合わせにより接合する手法である。断熱支持体78は、熱伝導率の小さい耐熱セラミックであり、エミッタを支持している。断熱支持体78はスペ−サ76から出ている棒状の突起によりはめ込み接合87でスペ−サ76に接合されている。スペ−サ76は光放射構造体の裏面の材料と同じである。   FIG. 3 shows a cross-sectional view of the emitter portion of the first embodiment. The light emitting structures (right) 75 and 76 are joined back-to-back with a bonding joint 86 via a spacer 76 with the forming surface of the micropore array 79 on the outside. This is a method of cutting the parts to be joined together and joining them by male and female fitting. The heat insulating support 78 is a heat-resistant ceramic with low thermal conductivity and supports the emitter. The heat insulating support 78 is joined to the spacer 76 by a fitting joint 87 by means of a bar-like projection coming out of the spacer 76. The spacer 76 is the same as the material of the back surface of the light emitting structure.

図2に示されるように、ガス導入管72で導入された空気とガスは、ガスバーナ73で混合され、火炎口74で燃焼する。点火手段は火炎口の近くに設置する。燃焼温度は空気とガスの混合比などで制御できる。ガスバーナ73は光放射構造体75と77の裏面を加熱し、それらの温度を1400K程度にできる。このように光放射構造体の裏面だけを加熱する構成により、不完全燃焼により発生した煤が光放射構造体75と77の表面に付着して、微小孔アレイを埋めることを防止できる。加熱された光放射構造体75と77から両側に放射される近赤外光をPV素子81とPV素子84で受けて変換し、直流電流を取り出して発電する。
[効果の説明]
図4に第1の実施例の光放射構造体を1400Kに加熱した時の熱放射スペクトルを実線で示す。合わせて同温度の黒体の熱放射スペクトル、キャップ層がないW光放射構造体とTa光放射構造体の熱放射スペクトルをそれぞれ破線と点線で示した。黒体の熱放射スペクトルBBは理論値である。1400Kでは黒体から1μm以下のエネルギーの高い波長光は殆ど放出されない。正方形の1辺の長さLを0.8μmにしたとき、放射スペクトルのピ−ク波長λpは1.6μmとなった。Wの熱膨張率は5×10−6(1/K)程度であり、1000℃の温度上昇により、正方形の1辺の長さLは熱膨張で0.5%程度増大するが、ピ−ク波長に対する影響は小さい。本実施例のTaキャップ層のW光放射構造体の放射スペクトルの1/e全幅は0.6μmであった。ピーク放射率はほぼ1である。キャップ層がないタングステンの光放射構造体の場合は、スペクトルの1/e全幅は0.8μmであった。Taキャップ層を用いたことで、スペクトル幅が25%低減した。ちなみにキャップ層がないTaだけからなる光放射構造体の場合は、放射強度は半減した。本実施例の光放射構造体において、光電変換波長1.8μm以上の領域での放射強度は、キャップ層がないTaのみの光放射構造体のものと一致した。
As shown in FIG. 2, the air and gas introduced by the gas introduction pipe 72 are mixed by the gas burner 73 and burnt by the flame port 74. The ignition means is installed near the flame opening. The combustion temperature can be controlled by the mixing ratio of air and gas. The gas burner 73 can heat the back surfaces of the light emitting structures 75 and 77 so that their temperature can be about 1400K. Thus, by the structure which heats only the back surface of a light emission structure, the soot which generate | occur | produced by incomplete combustion adheres to the surface of the light emission structures 75 and 77, and it can prevent filling a micropore array. The near infrared light radiated to both sides from the heated light emitting structures 75 and 77 is received by the PV device 81 and the PV device 84 and converted, and a direct current is taken out to generate power.
[Description of effect]
The heat radiation spectrum when the light emitting structure of the first embodiment is heated to 1400 K is shown by a solid line in FIG. In addition, the thermal emission spectrum of the black body at the same temperature, the thermal emission spectrum of the W light emission structure without the cap layer and the thermal emission spectrum of the Ta light emission structure are shown by a broken line and a dotted line, respectively. The thermal radiation spectrum BB of the black body is a theoretical value. At 1400 K, high wavelength light of energy less than 1 μm is hardly emitted from the black body. When the length L of one side of the square is 0.8 μm, the peak wavelength λp of the emission spectrum is 1.6 μm. The thermal expansion coefficient of W is about 5 × 10 −6 (1 / K), and the temperature L of 1000 ° C. increases the length L of one side of the square by about 0.5% due to thermal expansion. The effect on the wavelength is small. The 1 / e full width of the emission spectrum of the W light emitting structure of the Ta cap layer of this example was 0.6 μm. The peak emissivity is approximately one. For tungsten light emitting structures without a cap layer, the 1 / e full width of the spectrum was 0.8 μm. The use of the Ta cap layer reduced the spectral width by 25%. By the way, in the case of a light emitting structure consisting only of Ta without a cap layer, the radiation intensity was halved. In the light emitting structure of this example, the radiation intensity in the region of the photoelectric conversion wavelength of 1.8 μm or more matched that of the light emitting structure of Ta only without the cap layer.

光電変換素子の発電限界波長λ0に対して、微細孔の開口直径Dをλ0/2程度にすると、温度T(600℃≦T≦1700℃)に加熱された光放射構造体から放出されるスペクトル1/e値幅δの熱放射光スペクトルのピ−ク波長λpが、λ0−δ≦λp≦λ0となる。光放射構造体の微細孔の開口円の直径Dを、所望の熱放射スペクトルピーク波長λpの1/2程度にすることで、光電変換素子の有効波長域内にピ−ク波長λpを設定できる。光電変換素子の受光範囲(λ0-Δ<λ<λ0)と熱放射光スペクトルの重なりが最大になるときに効率が最も高くなる。スぺクトル幅δは温度Tの影響も少し受ける。   The spectrum emitted from a light emitting structure heated to a temperature T (600 ° C. ≦ T ≦ 1700 ° C.) when the aperture diameter D of the micropores is about λ0 / 2 with respect to the power generation limit wavelength λ0 of the photoelectric conversion element The peak wavelength λp of the thermal radiation spectrum of the 1 / e value width δ is λ0−δ ≦ λp ≦ λ0. The peak wavelength λp can be set within the effective wavelength range of the photoelectric conversion element by setting the diameter D of the aperture circle of the micropores of the light emitting structure to about half of the desired thermal radiation spectrum peak wavelength λp. The efficiency is highest when the overlap of the light receiving range (λ0−Δ <λ <λ0) of the photoelectric conversion element and the thermal radiation light spectrum is maximized. The spectrum width δ is also somewhat affected by the temperature T.

図5にW平板とTa平板の放射率スペクトルを示す。W平板の放射率は2.2μm以上の波長領域において低いのに対し、Ta平板の放射率は1.4μm以上の波長領域においてさらに低い。ピーク波長1.6μm近傍においてWはTaより放射率が高い。一般化した表現で言えば、光放射構造体が発する熱放射スペクトルのピーク波長より大きい波長の光において第1の材料の放射率は第2の材料の放射率より大きい。
It shows the Iritsu spectrum release of W flat and Ta flat in FIG. Iritsu release of W flat whereas low in the above wavelength region 2.2 .mu.m, Iritsu release of Ta flat even lower in the above wavelength range 1.4 [mu] m. In the vicinity of the peak wavelength of 1.6 μm, W has a higher emissivity than Ta. In general terms, the emissivity of the first material is greater than the emissivity of the second material at light of a wavelength greater than the peak wavelength of the thermal emission spectrum emitted by the light emitting structure.

以上の結果から得られた本実施例の光放射構造体のスペクトル狭窄のメカニズムを示す。基本的には光に対する金属のマイクロキャビティ効果を用いているが、本体に放射率の高いW、キャップ層に放射率の低いTaを用いることで波長スペクトルの狭窄効果を高めている。本実施例の光放射構造体の正方形の開口幅0.8μmは、放射スペクトルのピ−ク波長λpの半分の大きさであるため、波長1.6μm以下の光は、微細孔内部の空間に定在波を形成できる。その波長1.6μm以下の定在波は、微細孔の表面近傍のタングステンによく吸収される。これは、波長1.6μm以下の光は微細孔の壁表面近傍のタングステンから外部へ放出されることを意味する。一方、波長が1.6μmより大きい光は、微細孔内に定在波を形成できないので、微細孔から外部に放出されず、微細孔以外のTaキャップ層表面から外部に放出される。図5に示されるように、波長1.6μm以上でのタンタルの放射率はタングステンの放射率より低いため、波長が1.6μmより大きい光の放射が抑制される。従って本実施例の光放射構造体では、波長1.6μm近傍の光が強く放射されると同時に、波長が1.6μmより大きい光の放射が抑制されるために、放射スペクトルが狭くなったと考えられる。   The mechanism of the spectral constriction of the light emission structure of the present Example obtained from the above result is shown. Basically, the microcavity effect of metal to light is used, but the narrowing effect of the wavelength spectrum is enhanced by using W with high emissivity for the main body and Ta with low emissivity for the cap layer. The square aperture width 0.8 μm of the light emitting structure of the present embodiment is half the size of the peak wavelength λp of the radiation spectrum, so light with a wavelength of 1.6 μm or less stands in the space inside the micropores. It can form waves. The standing wave having a wavelength of 1.6 μm or less is well absorbed by tungsten in the vicinity of the surface of the micropore. This means that light with a wavelength of 1.6 μm or less is emitted to the outside from tungsten near the wall surface of the micropore. On the other hand, light having a wavelength of more than 1.6 μm can not form a standing wave in the micropores, so it is not emitted from the micropores to the outside, but emitted from the surface of the Ta cap layer other than the micropores to the outside. As shown in FIG. 5, since the emissivity of tantalum at a wavelength of 1.6 μm or more is lower than that of tungsten, the emission of light with a wavelength of more than 1.6 μm is suppressed. Therefore, in the light emitting structure of the present embodiment, it is considered that the emission spectrum is narrowed because the light near the wavelength of 1.6 μm is strongly emitted and the radiation of the light having the wavelength larger than 1.6 μm is suppressed.

放射率を高めるには、微細孔は比較的高密度に配置されていることが望ましい。微細孔の配置は、製造上周期的な方が作成しやすいが、必ずしも周期的でなくともよい。   In order to increase the emissivity, it is desirable that the pores be arranged at a relatively high density. The arrangement of the micropores is easier to create in terms of manufacture, but may not be periodic.

得られた光強度は1W/cm2程度であり、これは太陽光の光強度より1桁高い。そのためPV素子の光電変換効率は32%以上になる。光放射構造体75のスペクトル効率は75%であった。つまり1400Kでの光放射構造体75から放射される光の75%がPV素子で電流に変換された。よって本実施例のTPV発電システムの熱電変換効率として24%(=32%×75%)の値が得られた。ガスバーナが光放射構造体76を加熱する燃焼効率は65%である。従って、本実施例のTPV発電システムの発電効率は15.6%であった。これは機械式エンジンの発電効率に相当する。燃焼装置に供給する空気を燃焼後の高温排ガスで予熱する装置を付加した場合は、燃焼効率は83%になると予想される。その場合、TPV発電システムの発電効率は20%になり、機械式エンジンの発電効率を上回る。この装置では面積は両側で20cm2なので、得られた光強度は20Wであった。光放射構造体76とPV素子の面積を増大させることで、必要に応じて出力を増大させることができる。
[製造方法の説明]
Taなどの高融点金属は通常の蒸着法が難しかったが、近年は電子線蒸着法やスパッタリング法が開発され、Ta薄膜が比較的簡単に得られるようになった。スパッタリング成膜法には、2極スパッタリング法、高周波スパッタリング法、マグネトロン法、反応性スパッタリング法などがあり、基本的にはいずれを用いてもよい。スパッタリング成膜法は成膜プロセスが安定していて、緻密で強い膜が高精度に均一な膜厚で作製できる。複数種の金属タ−ゲットを用いて所望の組成の合金膜を形成できる。2極スパッタリング法では、ターゲットを陰極、薄膜形成する基材・基板を陽極として電圧を加え、ガスイオン原子でターゲット表面を叩き、飛び出したターゲット材料物質の粒子(原子・分子)が基板に堆積する。マグネトロン法では、ターゲットの裏面に磁石を設置して磁界を発生させ、ガスイオン原子がターゲット表面に衝突し、叩きだされる二次電子をローレンツ力で捕らえてサイクロトロン運動で不活性ガスのイオン化を促進する。負イオンや二次電子を磁界で捕らえられるため、基材・基板温度の上昇が抑えられ、捕えた電子でガスイオン化が促進され、成膜速度を高速にできるため、スパッタリングによる成膜技術の主流になっている。高周波スパッタリング法は金属以外の成膜もできる。Arガスに加えて、酸素や窒素などの反応性ガスを導入する反応性スパッタリングでは、酸化物や窒化物の成膜ができる。
The obtained light intensity is about 1 W / cm 2, which is one digit higher than the light intensity of sunlight. Therefore, the photoelectric conversion efficiency of the PV device is 32% or more. The spectral efficiency of the light emitting structure 75 was 75%. That is, 75% of the light emitted from the light emitting structure 75 at 1400 K was converted to current by the PV element. Therefore, a value of 24% (= 32% x 75%) was obtained as the thermoelectric conversion efficiency of the TPV power generation system of this example. The combustion efficiency at which the gas burner heats the light emitting structure 76 is 65%. Therefore, the power generation efficiency of the TPV power generation system of this example was 15.6%. This corresponds to the power generation efficiency of the mechanical engine. The combustion efficiency is expected to be 83% when a device for preheating the air supplied to the combustion device with the high temperature exhaust gas after combustion is added. In that case, the power generation efficiency of the TPV power generation system is 20%, which exceeds the power generation efficiency of the mechanical engine. In this device the area was 20 cm 2 on both sides, so the light intensity obtained was 20 W. By increasing the area of the light emitting structure 76 and the PV element, the output can be increased as needed.
[Description of manufacturing method]
Although high-melting metals such as Ta have been difficult to use in general vapor deposition, in recent years electron beam vapor deposition and sputtering have been developed, and Ta thin films have become relatively easy to obtain. The sputtering film forming method includes a two-pole sputtering method, a high frequency sputtering method, a magnetron method, a reactive sputtering method and the like, and any of them may be basically used. In the sputtering film formation method, the film formation process is stable, and a dense and strong film can be produced with high accuracy and uniform film thickness. A plurality of metal targets can be used to form an alloy film of a desired composition. In the bipolar sputtering method, a voltage is applied with the target as a cathode and a thin film-forming substrate / substrate as an anode, and gas ion atoms strike the surface of the target, and particles (atoms and molecules) of the target material are ejected onto the substrate. . In the magnetron method, a magnet is placed on the back of the target to generate a magnetic field, gas ion atoms collide with the surface of the target, and secondary electrons ejected are captured by Lorentz force, and ionization of inert gas is performed by cyclotron motion. Facilitate. Since negative ions and secondary electrons can be captured by a magnetic field, the temperature rise of the substrate and substrate can be suppressed, gas ionization can be promoted by the trapped electrons, and the deposition rate can be increased, so the mainstream of deposition techniques by sputtering It has become. The high frequency sputtering method can also form a film other than metal. In reactive sputtering in which a reactive gas such as oxygen or nitrogen is introduced in addition to the Ar gas, an oxide or nitride film can be formed.

板状形状の鏡面研磨されたタングステン単結晶基板91を用意し、硫酸系エッチャントとHF系エッチャントで表面の酸化膜を除去した。背圧1×10-6Torrのマグネトロンスパッタ装置に入れ、基板温度300℃で、W結晶基板にスパッタリングでTa薄膜を0.3μm厚蒸着した。スパッタカソードはACダブルカソードを採用し、ターゲットは145×640×8mmtサイズの高純度Taを使用した。成膜圧力は0.15Pa程度とし、スパッタ室からのAr流量を150sccm、Taスパッタパワ−を10kWとした。成膜速度は0.4μm/分であった。   A plate-shaped mirror-polished tungsten single crystal substrate 91 was prepared, and the oxide film on the surface was removed with a sulfuric acid type etchant and an HF type etchant. In a magnetron sputtering apparatus with a back pressure of 1.times.10@-6 Torr, a thin Ta film was deposited to a thickness of 0.3 .mu.m by sputtering on a W crystal substrate at a substrate temperature of 300.degree. The sputtering cathode employed an AC double cathode, and the target used high purity Ta of 145 × 640 × 8 mm t size. The deposition pressure was about 0.15 Pa, the Ar flow rate from the sputtering chamber was 150 sccm, and the Ta sputtering power was 10 kW. The deposition rate was 0.4 μm / min.

図6から図11に本実施例のエミッタの加工工程の説明図を示す。図6に本実施例のエミッタの加工工程の第1の説明図を示す。タングステン単結晶基板91上にタンタル薄膜92を形成し、タンタル薄膜92表面にフォトレジスト93をスピンコートし、その上に蒸着装置を用いてアルミニウム薄膜94を蒸着した後、さらにその上に電子線露光用レジスト95を0.4μ厚スピンコートし、乾燥させた。フォトレジスト93はOFRPを用い、電子線露光用レジスト95にはZEP520A(日本ゼオン)を用いた。Al薄膜94の代わりにCr薄膜を用いてもよい。   FIG. 6 to FIG. 11 show explanatory views of the processing steps of the emitter of this embodiment. FIG. 6 shows a first explanatory view of the processing step of the emitter of this embodiment. A tantalum thin film 92 is formed on a tungsten single crystal substrate 91, a photoresist 93 is spin coated on the surface of the tantalum thin film 92, an aluminum thin film 94 is deposited thereon using a deposition apparatus, and electron beam exposure is further applied thereon. Resist 95 was spin-coated with a thickness of 0.4 .mu.m and dried. As the photoresist 93, OFRP was used, and as the resist 95 for electron beam exposure, ZEP520A (Nippon Zeon) was used. Instead of the Al thin film 94, a Cr thin film may be used.

図7に本実施例のエミッタの加工工程の第2の説明図を示す。上記のウエハに対して、電子線リソグラフイ装置(F5112+VD01、アドバンテスト)を用い、パターンニングと現像を行い、周期0.96μm、1辺0.8μmの正方形の枠形状の電子線レジストマスク96を形成した。   FIG. 7 shows a second explanatory view of the processing step of the emitter of this embodiment. The above wafer is patterned and developed using an electron beam lithography apparatus (F511 2 + VD 01, ADVANTE TEST) to form an electron beam resist mask 96 having a square frame shape with a period of 0.96 μm and a side of 0.8 μm. did.

図8に本実施例のエミッタの加工工程の第3の説明図を示す。SF6ガスを用いたドライエッチング(原子線ビームエッチング)を短時間行い、開口部に露出したアルミニウム膜を除去し、アルミニウムマスク97を形成した。図9に本実施例のエミッタの加工工程の第4の説明図を示す。Alマスクを形成した後、エッチングガスを酸素に切り換え、有機物であるフォトレジストを選択的にエッチングして、アスペクト比の高いフォトレジストマスク98を得た。図10に本実施例のエミッタの加工工程の第5の説明図を示す。再びエッチングガスをSF6に切り換え、マスクの上からドライエッチングで、開口部のTaとWをエッチングし、深さ1.4μmの正方形の開口をパターンニングし、Taキャップ層92’とタングステン光放射構造体99を形成した。図11に本実施例のエミッタの加工工程の第6の説明図を示す。再び、エッチングガスを酸素に切り換え、試料表面に残存するレジストを除去した。以上の工程により微小孔アレイを形成した第1の実施例である光放射構造体を製造した。   FIG. 8 shows a third explanatory view of the processing step of the emitter of this embodiment. Dry etching (atomic beam etching) using SF 6 gas was performed for a short time to remove the aluminum film exposed in the opening, and an aluminum mask 97 was formed. FIG. 9 shows a fourth explanatory view of the processing step of the emitter of this embodiment. After forming the Al mask, the etching gas is switched to oxygen, and the organic photoresist is selectively etched to obtain a photoresist mask 98 with a high aspect ratio. FIG. 10 shows a fifth explanatory view of the processing step of the emitter of this embodiment. The etching gas is again switched to SF 6, and the Ta and W in the openings are etched by dry etching from above the mask to pattern a square opening with a depth of 1.4 μm, the Ta cap layer 92 ′ and the tungsten light emitting structure Formed 99. FIG. 11 shows a sixth explanatory view of the processing step of the emitter of this embodiment. Again, the etching gas was switched to oxygen to remove the resist remaining on the sample surface. The light emitting structure according to the first embodiment in which the micropore array is formed is manufactured by the above-described steps.

微細孔の間隔が1μm以下の場合は、電子ビ−ム露光法を用いたが、微細孔の間隔が1μmより大きい場合は、水銀g線などを用いた通常の光学露光法でも本実施例の光放射構造体を形成することができる。得られた光放射構造体を真空中で800℃以上に焼鈍すると、内部に含まれた水素を除去することができ、寿命を高めることができる。
[第2の実施例]
[構造の説明]
本発明の第2の実施例である光放射構造体は単結晶Cr(クロム)本体とTaキャップ層とTa2O5酸化膜を有する。本実施例の光放射構造体を有するエミッタは、長さ25cm、幅5cm、厚さ5mmの板状エミッタである。本実施例の光放射構造体を適用したTPV装置は、前記の板状エミッタを8角形に組み合わせた8角柱形状のエミッタを有する。8角柱の外側の表面には本実施例の光放射構造体の微細孔が正方格子状に周期的に形成されている。本実施例を適用したTPV装置では、メタンガスを燃料とする携帯型非常用発電装置であり、波長フィルタを使わない簡単な装置構成で、1400Kのエミッタ温度で、出力1kW、発電効率15%の値が得られた。
When the micropore distance is 1 μm or less, the electron beam exposure method is used, but when the micropore distance is larger than 1 μm, the ordinary optical exposure method using mercury g-line etc. A light emitting structure can be formed. By annealing the obtained light emitting structure to 800 ° C. or higher in a vacuum, the hydrogen contained therein can be removed, and the life can be increased.
Second Embodiment
[Description of structure]
A light emitting structure according to a second embodiment of the present invention has a single crystal Cr (chromium) body, a Ta cap layer and a Ta2 O5 oxide film. The emitter having the light emitting structure of this embodiment is a plate-like emitter having a length of 25 cm, a width of 5 cm, and a thickness of 5 mm. The TPV device to which the light emitting structure of the present embodiment is applied has an octagonal shaped emitter in which the above plate shaped emitters are combined into an octagonal shape. The micropores of the light emitting structure of this embodiment are periodically formed in a square grid shape on the outer surface of the octagonal prism. The TPV system to which this embodiment is applied is a portable emergency power generation system using methane gas as a fuel, a simple system configuration that does not use a wavelength filter, an output temperature of 1 kW, and a power generation efficiency of 15% at an emitter temperature of 1400K. was gotten.

図12に第2の実施例である光放射構造体の表面部の外観とその断面を示す。第2の実施例の光放射構造体100は、単結晶Crの光放射構造体101とその表面に形成されたTaキャップ層102からなり、表面に微細孔103が正方格子形状に周期的に形成されている。光放射構造体101の表面にはTa2O5酸化膜108、微細孔103の側壁部にはCr2O3酸化膜109が形成されている。キャップ層の厚さt_capは0.30μmである。微細孔の周期Λx104と周期Λy105はともに1.2μmである。微細孔103の開口形状は円形で、開口円の直径D106は0.9μm、孔の深さt107は1.5μmである。Λ/D比(=1.2/0.9)は1.33、t/D比(=1.5/0.9)は1.67である。t_cap/t比(=0.30/1.5)は0.20である。Ta2O5の融点は1468℃であり、WO3の融点1473℃と同程度である。Cr2O3の融点は2435℃と高い。Ta2O5酸化膜108とCr2O3酸化膜109は、赤外光に対して透明なため、加熱時に得られる放射スペクトル形状に影響を与えない。   FIG. 12 shows the appearance of the surface portion of the light emitting structure according to the second embodiment and the cross section thereof. The light emitting structure 100 of the second embodiment comprises a light emitting structure 101 of single crystal Cr and a Ta cap layer 102 formed on the surface thereof, and micropores 103 are periodically formed on the surface in a square lattice shape. It is done. A Ta 2 O 5 oxide film 108 is formed on the surface of the light emitting structure 101, and a Cr 2 O 3 oxide film 109 is formed on the side wall of the fine hole 103. The thickness t_cap of the cap layer is 0.30 μm. The period Λx104 of the micropores and the period 微細 y105 are both 1.2 μm. The aperture shape of the fine hole 103 is circular, the diameter D106 of the open circle is 0.9 μm, and the depth t107 of the hole is 1.5 μm. The Λ / D ratio (= 1.2 / 0.9) is 1.33, and the t / D ratio (= 1.5 / 0.9) is 1.67. The t_cap / t ratio (= 0.30 / 1.5) is 0.20. The melting point of Ta 2 O 5 is 1468 ° C., which is comparable to the melting point 1473 ° C. of WO 3. The melting point of Cr 2 O 3 is as high as 2435 ° C. The Ta2O5 oxide film 108 and the Cr2O3 oxide film 109 are transparent to infrared light, and therefore do not affect the shape of the radiation spectrum obtained at the time of heating.

ここで、微細孔の周期Λ、微細孔の深さt、開口径D、キャップ層厚sの関係について述べる。   Here, the relationship between the period 微細 of the micropores, the depth t of the micropores, the opening diameter D, and the cap layer thickness s will be described.

周期Λに関しては、周期Λが2Dを超えると(Λ/Dが2を越えると)孔の占める面積の割合が減って放射率のピ−ク強度が低下する。   Regarding the period Λ, when the period Λ exceeds 2D (Λ / D exceeds 2), the ratio of the area occupied by the holes decreases and the peak intensity of the emissivity decreases.

微細孔の深さtに関しては、開口径D以上が望ましく、通常の金属を用いた光放射構造体101であれば2D〜3D以内で十分効果が得られる。効果が得られる深さtの限度は特にないが、アスペクト比(t/D)が20以上の孔を開けるのは加工技術上困難で、上限を20程度にするのが実際的である。   With regard to the depth t of the micropores, the aperture diameter D or more is desirable, and in the case of the light emitting structure 101 using an ordinary metal, sufficient effects can be obtained within 2D to 3D. There is no particular limitation on the depth t at which the effect can be obtained, but it is difficult in terms of processing technology to make a hole having an aspect ratio (t / D) of 20 or more, and it is practical to set the upper limit to about 20.

キャップ層をピーク波長域で放射率の高い材料(本実施例2ではTa)とし、1.08≦Λ/D≦2かつ1≦t/D≦20に設定すると、放射率スペクトルのピーク強度を0.9以上にできる。放射率スペクトルは放射率の波長依存性であり、0〜1の値を取る。放射率スペクトルのピ−ク強度を0.9以上に設定できるとは、最大が1である放射率において、ピーク強度を0.9以上に設定できるという意味である。 The peak intensity of the emissivity spectrum is 0.9 or more when the cap layer is made of a material having a high emissivity in the peak wavelength region ( Ta in this embodiment 2) and 1.08 ≦ Λ / D ≦ 2 and 1 ≦ t / D ≦ 20. You can The emissivity spectrum is wavelength dependent of the emissivity, and takes a value of 0-1. The fact that the peak intensity of the emissivity spectrum can be set to 0.9 or more means that the peak intensity can be set to 0.9 or more at an emissivity at which the maximum is 1.

キャップ層をピーク波長域で放射率の高い材料とし、微細孔の深さtに対してキャップ層の厚さsが1/20≦s/t≦1/2に設定すると、スペクトル幅を狭幅化できる。例えば、λp=1.6μmのとき、エミッタ温度1400Kで熱放射スペクトルの1/e波長全幅δを0.6μmの狭幅にできる。キャップ層がないCr単体の光放射構造体の1400Kでの熱放射スペクトルの波長全幅は3μmなので、Taキャップ層によりスペクトル幅を1/5に狭幅化できる。光電変換素子の光電変換効率は、適合波長から短波側に離れるに従って低減し、適合波長より大きな波長ではゼロになる。   If the cap layer is made of a material with a high emissivity in the peak wavelength range and the thickness s of the cap layer is set to 1/20 s s / t 1/2 1⁄2 with respect to the depth t of the micropores, the spectral width is narrow Can be For example, when λp = 1.6 μm, the 1 / e wavelength full width δ of the thermal emission spectrum can be narrowed to 0.6 μm at an emitter temperature of 1400 K. Since the total wavelength width of the thermal emission spectrum at 1400 K of the light emitting structure of Cr alone without a cap layer is 3 μm, the spectrum width can be narrowed to 1⁄5 by the Ta cap layer. The photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element decreases with distance from the compatible wavelength toward the short wave side, and becomes zero at a wavelength larger than the compatible wavelength.

キャップ層厚sに関しては、0.2μm以上で高い波長狭窄の効果が得られるが、sが0.1μm(s=t/20=2μm/20=0.1μm)でも効果は生じる。sの上限に関しては、sが微細孔の深さの半分より大きくなると、逆に放射率が低下するので半分以下に収めておくことが望ましい。ちなみに、波長2μmの光が金属に侵入する深さは最大0.1μm程度であるが、微細孔の縁は侵入しやすいので、キャップ層は0.1μmより厚くするとよい。光が侵入する範囲は、光吸収の極めて小さいキャップ層で覆うとよい。   With regard to the cap layer thickness s, the effect of high wavelength narrowing is obtained at 0.2 μm or more, but the effect occurs even if s is 0.1 μm (s = t / 20 = 2 μm / 20 = 0.1 μm). With respect to the upper limit of s, it is desirable that the upper limit of s be kept smaller than or equal to half because the emissivity is lowered when s is larger than half of the depth of the micropores. The maximum depth at which light with a wavelength of 2 μm penetrates the metal is about 0.1 μm at the maximum, but the edge of the micropores is likely to penetrate, so the cap layer should be thicker than 0.1 μm. The area where light penetrates may be covered with a cap layer with very low light absorption.

図13に第2の実施例のTPV発電装置の外観、図14に第2の実施例のTPV発電装置の断面図、図15に第2の実施例のTPV発電装置の上面図を示す。第2の実施例のTPV発電装置は、支持台110、メタン導入管111、空気導入管112、支持脚113、混合気導入管114、放熱フィン115、PV素子116、8角形エミッタ117、バ−ナ−118、火炎口119、断熱板120、通気口121などからなる。8角形エミッタ117は、8枚の光放射構造体101が形成されたエミッタ板を組み合わせて形成される。   FIG. 13 shows the appearance of the TPV power generator of the second embodiment, FIG. 14 is a cross-sectional view of the TPV power generator of the second embodiment, and FIG. 15 is a top view of the TPV power generator of the second embodiment. The TPV power generation apparatus of the second embodiment includes a support 110, a methane introduction pipe 111, an air introduction pipe 112, a support leg 113, an air-fuel mixture introduction pipe 114, a radiation fin 115, a PV element 116, an octagonal emitter 117, and a bar. And the flame vent 119, the heat insulating plate 120, the vent 121 and the like. The octagonal emitter 117 is formed by combining an emitter plate on which eight light emitting structures 101 are formed.

図16に第2の実施例のエミッタ接合部の断面を示す。光放射構造体100が外側に形成されたメスのクロム板123とオスのクロム板124をはめ込み接合部122ではめ込むことで強固に接合されている。8角形エミッタ117は断熱板120とステンレスの支持脚113と支持台101によって支持されている。断熱板120は8角形エミッタ117の熱をPV素子116に伝えないために設置されている。断熱板120には小さな通気口121が開いており、下部から取り入れた外気を用いて8角形エミッタ117とPV素子116の間にある温められた空気を上部に追い出す働きをする。PV素子116は8角形エミッタ117に対向して設置されているGaSb系の光電変換素子である。放熱フィン115はアルミ製である。   FIG. 16 shows a cross section of the emitter junction of the second embodiment. The light emitting structure 100 is firmly joined by inserting a female chromium plate 123 and a male chromium plate 124 which are formed on the outer side into each other at a joint portion 122. The octagonal emitter 117 is supported by the heat insulating plate 120, the support leg 113 of stainless steel and the support base 101. The heat insulating plate 120 is installed so as not to transfer the heat of the octagonal emitter 117 to the PV element 116. A small air vent 121 is opened in the heat insulating plate 120 and functions to expel the heated air between the octagonal emitter 117 and the PV element 116 to the upper part by using the outside air taken in from the lower part. The PV element 116 is a GaSb-based photoelectric conversion element disposed opposite to the octagonal emitter 117. The radiation fin 115 is made of aluminum.

第2の実施例のTPV発電装置の動作方法について述べる。メタン導入管111と空気導入管112を通してメタンと空気を所定の混合比で供給し、混合気導入管114を通してバ−ナ−118に供給し、火炎口119で燃焼させる。点火装置は火炎口の傍に設置されている。高温の火炎と排ガスが8角形エミッタ117を内側から加熱する。CO2と水蒸気からなる排ガスは8角形エミッタ117の上部から外部に放出される。8角形エミッタ117から放射される赤外光を周囲のPV素子116で受けて発電する。PV素子の電気抵抗により発生する熱は背面の放熱フィン115から放射される。PV素子の加熱を防ぐために、必要に応じて外部からファンで放熱フィンを空気冷却して動作させる。   The operation method of the TPV power generator of the second embodiment will be described. Methane and air are supplied at a predetermined mixing ratio through the methane introducing pipe 111 and the air introducing pipe 112, are supplied to the burner 118 through the mixture introducing pipe 114, and are burned at the flame port 119. The igniter is installed beside the flame opening. A high temperature flame and exhaust gas heat the octagonal emitter 117 from the inside. An exhaust gas consisting of CO 2 and water vapor is emitted from the top of the octagonal emitter 117 to the outside. The infrared light emitted from the octagonal emitter 117 is received by the surrounding PV element 116 to generate electric power. The heat generated by the electrical resistance of the PV element is radiated from the heat radiation fin 115 on the back side. In order to prevent the heating of the PV element, the radiator fins are air-cooled and operated by a fan from the outside as needed.

[効果の説明]
図17にTaとCrの平板の放射率スペクトルを示す。Crは安価で加工しやすいが、放射率スペクトルが広い。Crの平板の放射率は波長2.5μmまで放射率約0.45の一定値を示している。一方Taは波長1.3μm以上で放射率0.05以下の小さな値である。これらを組み合わせることで、狭幅の熱放射スペクトルが得られる。
[Description of effect]
FIG. 17 shows emissivity spectra of Ta and Cr flat plates. Cr is inexpensive and easy to process, but has a wide emissivity spectrum. The emissivity of the Cr flat plate shows a constant value of emissivity of about 0.45 up to a wavelength of 2.5 μm. On the other hand, Ta is a small value of emissivity 0.05 or less at a wavelength of 1.3 μm or more. By combining these, a narrow heat radiation spectrum is obtained.

図18に第2の実施例の光放射構造体の熱放射スペクトル(1400K)を示す。放射強度の強い順番に、黒体放射(B.B.)、Crのみの光放射構造体、Taキャップ層100nmの光放射構造体、Taキャップ層300nmの光放射構造体、Taのみの光放射構造体の1400Kでの熱放射スペクトルを示した。本実施例の微細孔の直径Dは0.9μmであり、得られた熱放射スペクトルのピーク波長は1.6μm(<2・D)であった。波長1.6μm以下の光は、微細孔内部の空間に定在波を形成できる。波長1.6μm以下の定在波は、微細孔の表面近傍のCrによく吸収される。これは、波長1.6μm以下の光は微細孔の壁表面近傍のCrから外部へ放出されることを意味する。一方、波長が1.6μmより大きい光は、微細孔内に定在波を形成できないので、微細孔から外部に放出されず、微細孔以外のTaキャップ層表面から外部に放出される。図17に示されるように、波長1.6μm以上でのTaの放射率はCrの放射率より低いため、波長が1.6μmより大きい光の放射が大幅に抑制される。   FIG. 18 shows the thermal radiation spectrum (1400 K) of the light emitting structure of the second embodiment. Black-body radiation (BB), Cr-only light emission structure, Ta cap layer 100 nm light emission structure, Ta cap layer 300 nm light emission structure, Ta-only light emission structure The thermal emission spectrum at 1400 K is shown. The diameter D of the micropores of this example was 0.9 μm, and the peak wavelength of the obtained thermal emission spectrum was 1.6 μm (<2 · D). Light having a wavelength of 1.6 μm or less can form a standing wave in the space inside the fine hole. Standing waves with a wavelength of 1.6 μm or less are well absorbed by Cr in the vicinity of the surface of the micropores. This means that light with a wavelength of 1.6 μm or less is emitted to the outside from Cr near the wall surface of the fine pore. On the other hand, light having a wavelength of more than 1.6 μm can not form a standing wave in the micropores, so it is not emitted from the micropores to the outside, but emitted from the surface of the Ta cap layer other than the micropores to the outside. As shown in FIG. 17, since the emissivity of Ta at a wavelength of 1.6 μm or more is lower than that of Cr, the emission of light having a wavelength of more than 1.6 μm is significantly suppressed.

従って本実施例の光放射構造体では、波長1.6μm近傍の光が強く放射されると同時に、波長が1.6μmより大きい光の放射が抑制されるために、放射スペクトルが狭くなったと考えられる。   Therefore, in the light emitting structure of the present embodiment, it is considered that the emission spectrum is narrowed because the light near the wavelength of 1.6 μm is strongly emitted and the radiation of the light having the wavelength larger than 1.6 μm is suppressed.

Crのみの光放射構造体の熱放射スペクトルは1/e幅が3μm以上あるのに対し、本実施例のTaキャップ層300nmの光放射構造体では幅0.7μmの狭い熱放射スペクトルが得られた。Taキャップ層を100nmから300nmに厚くすることで、ピ−ク出力を下げずに、放射スペクトル幅をより小さくできた。これはTaキャップ層の厚さを0.3μm以上にすることで、Crからの熱放射が外部に放射されるのを防ぐことができたためと考えられる。   While the thermal emission spectrum of the Cr-only light emission structure has a 1 / e width of 3 μm or more, a narrow thermal emission spectrum of 0.7 μm in width was obtained in the 300 nm light emission structure of the Ta cap layer of this example. . By thickening the Ta cap layer from 100 nm to 300 nm, the emission spectrum width can be made smaller without lowering the peak power. This is considered to be because the thermal radiation from Cr could be prevented from being emitted to the outside by setting the thickness of the Ta cap layer to 0.3 μm or more.

得られた出力は1.05kWであった。素子面積が1000cm2なので、単位面積当りの出力は1.05W/cm2であった。素子効率は32%から求めた放射エネルギーは黒体放射のエネルギーの15%であった。燃焼効率65%、スペクトル効率72%、PV素子効率32%より、全効率は15%であった。これは機械エンジンの効率に相当する。燃焼効率を85%、ピーク波長を調整してスペクトル効率を85%に向上させると23%の発電効率が得られることが予想される。   The obtained output was 1.05 kW. Since the element area was 1000 cm 2, the output per unit area was 1.05 W / cm 2. The radiant energy calculated from 32% of the device efficiency was 15% of the energy of black body radiation. The overall efficiency was 15% from the combustion efficiency of 65%, the spectral efficiency of 72%, and the PV element efficiency of 32%. This corresponds to the efficiency of the machine engine. It is expected that a power generation efficiency of 23% can be obtained by improving the spectral efficiency to 85% by adjusting the combustion efficiency to 85% and the peak wavelength.

本実施例では、単結晶のCr板を用いたが、通常の多結晶のCr板を加工しても本実施例の効果は得られる。タングステン結晶より安価な多結晶のCr板を用いても本実施例の光放射構造体とTPV発電装置が得られる。   Although a single crystal Cr plate is used in the present embodiment, the effect of the present embodiment can be obtained even if a normal polycrystalline Cr plate is processed. The light emitting structure and the TPV power generator of this embodiment can be obtained by using a polycrystalline Cr plate cheaper than tungsten crystal.

大気中の感熱により形成されるCr2O3酸化膜はWO3酸化膜より高温での酸化耐性に優れている。またCr2O3酸化膜のために、多結晶のCr板に形成された光放射構造体の微細構造が高温でも維持できる。そのため高出力かつ長寿命のエミッタが得られる。光放射構造体本体のCrに対して、少量のNiやCoなどを添加して、エミッタを機械的な衝撃に対して粘り強くすることもできる。   The Cr2O3 oxide film formed by heat sensing in the air is superior in oxidation resistance at high temperature than the WO3 oxide film. Also, because of the Cr2O3 oxide film, the fine structure of the light emitting structure formed on the polycrystalline Cr plate can be maintained even at high temperature. Therefore, a high output and long life emitter can be obtained. A small amount of Ni, Co, or the like may be added to Cr of the light emitting structure main body to make the emitter tenacious to mechanical impact.

背景技術の図37で示した非特許文献5のタングステン表面回折格子をTPV発電等に適用するには、耐酸化性の高いタングステン単結晶を用いなければならない。大きな出力を得るには大面積のタングステン単結晶が必要となるが、それは高価である。またタングステン単結晶は非常に固いため、その表面に微細孔を精度よく広範囲に加工するのにコストがかかる。非特許文献5ではWやMoなどの高価で硬い金属を用いているが、加工がし易く安価なCr(クロム)、V(バナジウム)、Zr(ジルコニウム)といった比較的高融点の金属をエミッタに利用できることが望ましい。図39に本発明者が実験で求めたCr、Zr、V、W平板の放射率スペクトルを示す。CrとZrは0.3μmから3μm以上の広い範囲に渡って、放射率が高い。特に1.7μm以上の波長帯域において、Cr、V、Zrの放射率はWの放射率より顕著に高い。したがってこれらの安価な金属を用いた場合は、平板エミッタでも回折格子エミッタでも、放射スペクトル幅が広くなるために、熱光起電力の発電効率が低下してしまう問題が生じる。
In order to apply the tungsten surface diffraction grating of Non-Patent Document 5 shown in FIG. 37 of the background art to TPV power generation etc., it is necessary to use a tungsten single crystal having high oxidation resistance. A large area tungsten single crystal is required to obtain a large output, but it is expensive. Further, since tungsten single crystal is very hard, it is costly to precisely process a wide range of fine holes on its surface in a wide range. Although non-patent document 5 uses expensive and hard metals such as W and Mo, emitters having relatively high melting points such as easy-to-process and inexpensive Cr (chromium), V (vanadium) and Zr (zirconium) can be used as an emitter It is desirable to be able to use it. FIG. 39 shows emissivity spectra of Cr, Zr, V, W flat plates obtained by the present inventors by experiments. Cr and Zr have high emissivity over a wide range of 0.3 μm to 3 μm or more. Particularly in the wavelength band of 1.7 μm or more, the emissivity of Cr, V, and Zr is significantly higher than the emissivity of W. Therefore, when these inexpensive metals are used, the emission spectrum width of both flat plate emitters and diffraction grating emitters becomes wide, which causes a problem that the power generation efficiency of the thermal photovoltage is lowered.

この問題に関連する技術として、非特許文献6の「光結晶増強された狭帯域赤外エミッタ」なる論文では、微細加工が容易なシリコンを用いたエミッタに関する記載がある。具体的には、これは、シリコン半導体ウエハ表面に金薄膜を蒸着し、円形の微細孔を正方形配置で周期的に形成した赤外線エミッタである。325℃で4μm帯の光放射が得られている。非特許文献6のエミッタの波長スペクトルの狭窄原理は、円形の微細孔を周期的に形成した金の薄膜の表面プラズモン効果によるものである。   As a technology related to this problem, the article "Photo Crystal-Enhanced Narrow-Band Infrared Emitter" in Non-Patent Document 6 describes an emitter using silicon which is easily microfabricated. Specifically, this is an infrared emitter in which a gold thin film is deposited on the surface of a silicon semiconductor wafer, and circular fine holes are periodically formed in a square arrangement. Optical radiation in the 4 μm band at 325 ° C. is obtained. The narrowing principle of the wavelength spectrum of the emitter of Non-Patent Document 6 is due to the surface plasmon effect of a gold thin film in which circular fine holes are periodically formed.

一方、非特許文献5のタングステンの回折格子は電磁波に対する金属のマイクロキャビティ効果を利用しており、両者の波長スペクトルの狭窄原理は全く異なる。Wは可視光と赤外光を強く放射するが、Siの放射率は主に0.8μm以下の可視光領域で大きく、1.1μm以上の赤外光は全く放射しない。つまりSiウエハは金薄膜を保持し、微細孔を提供する役割のみを果たしている。実際SiをWなどの金属に置き換えると、Au薄膜の表面プラズモン効果は失われる。また表面プラズモン効果の大きい薄膜はAuやAgなどに限られる。Auの融点は1064℃、Agの融点は962℃であり、TPV発電で用いられる1000℃以上の温度には耐えられない。またシリコンも実用的には1000℃程度の温度が限界である。またシリコン半導体と金との間には熱膨張係数の差があり、高温では金が剥離する問題がある。これによって寿命や出力が制限されてしまう。したがって非特許文献6のエミッタは300℃程度の温度で使用する分光用の中赤外光光源にしか使えない。
On the other hand, the tungsten diffraction grating of Non-Patent Document 5 utilizes the microcavity effect of metal to electromagnetic waves, and the narrowing principle of the wavelength spectra of the two is completely different. W strongly emits visible light and infrared light, but the emissivity of Si is large mainly in the visible light region of 0.8 μm or less, and infrared light of 1.1 μm or more is not emitted at all. In other words, the Si wafer holds the gold thin film and plays only the role of providing fine pores. In fact, if Si is replaced with a metal such as W, the surface plasmon effect of the Au thin film is lost. In addition, thin films with large surface plasmon effects are limited to Au, Ag, and the like. The melting point of Au is 1064 ° C., the melting point of Ag is 962 ° C., and can not withstand the temperature of 1000 ° C. or more used in TPV power generation. Also for silicon, a temperature of about 1000 ° C. is a practical limit. Further, there is a difference in thermal expansion coefficient between the silicon semiconductor and gold, and there is a problem that the gold peels off at high temperature. This limits the life and output. Therefore, the emitter of Non-Patent Document 6 can only be used as a mid-infrared light source for spectroscopy used at a temperature of about 300.degree.

反応性スパッタリング装置で直接Ta2O5酸化膜を形成する方法もある。表面に酸化物の保護膜を形成するには、RFあるいは反応性スパッタ装置において、流量50〜200sccm のO2を加えることで、Taと酸素プラズマにより、Ta表面にTa2O5層をあらかじめ成膜する。Ta2O5層のドライエッチングのエッチングガスとしては、CF4とO2との混合ガス(O2ガスの混合比10%〜40%)を用いることができる。エッチング条件は、例えばCF4:40sccm、O2:10sccm、圧力:400mTorr、高周波電力:300Wである。O2ガスの混合比20%で酸化タンタルのエッチング速度は0.3μm/分である。   There is also a method of forming a Ta2O5 oxide film directly with a reactive sputtering apparatus. In order to form an oxide protective film on the surface, a Ta2 O5 layer is formed in advance on the Ta surface by Ta and oxygen plasma by adding O2 at a flow rate of 50 to 200 sccm in an RF or reactive sputtering apparatus. As an etching gas for dry etching of the Ta2O5 layer, a mixed gas of CF4 and O2 (mixture ratio of O2 gas of 10% to 40%) can be used. The etching conditions are, for example, CF 4: 40 sccm, O 2: 10 sccm, pressure: 400 mTorr, and high frequency power: 300 W. The etching rate of tantalum oxide is 0.3 μm / min at a mixing ratio of 20% of O 2 gas.

Ta2O5層中のTaは、フッ素と反応してフッ化物となり、Ta2O5層中の酸素は炭素と反応してCOやCO2となり効果的にエッチングされる。レジスト表面では炭素を主成分とする重合物の堆積反応がエッチングを抑制するためエッチング速度が低くなるので、酸化タンタルのレジストに対する選択比が向上する。O2ガスの混合比を下げるほどレジストとの選択比が向上した。
[第3の実施例]
[構造の説明]
本発明の第3の実施例は、酸化膜保護層と中間層を有する三角格子周期で円形開口の光放射構造体であり、第2の実施の例のTPV装置のエミッタに用いられる。図19に第3の実施例の光放射構造体を示す。第3の実施例の光放射構造体は、光放射構造体130、Cr本体131、Cr2Ta中間層132、Taキャップ層133、Cr2O3保護層134、円形微細孔135、三角格子周期Λ136からなる。Cr2Ta中間層132は100nm厚、Taキャップ層133は0.3μm厚である。これらの合計の厚さt_capは0.40μmである。Cr2O3保護層134は100nm厚である。Taキャップ層133には、1w%〜20w%のCrを含ませてもよい。Taキャップ層の放射率の増加を抑制するために、Crの含有率は20w%以下が望ましい。さらに緻密な熱酸化膜を得るために1w%〜5w%のB(ホウ素)を添加してもよい。TaにCrを入れることで、大気中での加熱により、Cr:Taキャップ層の表面と開口部の断面にも緻密なCr2O3膜が形成される。微細孔表面の本体のCrにもCr2O3などの熱酸化膜が形成される。Cr2O3の融点は2435℃、Crの融点は1863℃、Taの融点は3020℃、Cr:Taの融点は2000℃以上であるので、1600℃までの加熱に耐える。
Ta in the Ta2O5 layer reacts with fluorine to become fluoride, and oxygen in the Ta2O5 layer reacts with carbon to become CO and CO2, and is effectively etched. Since the deposition reaction of the polymer mainly composed of carbon suppresses the etching on the resist surface, the etching rate is lowered, so that the selectivity of tantalum oxide to the resist is improved. As the mixing ratio of O 2 gas was lowered, the selectivity to the resist was improved.
Third Embodiment
[Description of structure]
The third embodiment of the present invention is a triangular grating periodic circular aperture light emitting structure having an oxide protection layer and an intermediate layer, and is used for the emitter of the TPV device of the second embodiment. FIG. 19 shows the light emitting structure of the third embodiment. The light emitting structure according to the third embodiment comprises a light emitting structure 130, a Cr main body 131, a Cr2Ta intermediate layer 132, a Ta cap layer 133, a Cr2O3 protective layer 134, circular fine holes 135, and a triangular lattice period Λ136. The Cr 2 Ta intermediate layer 132 is 100 nm thick, and the Ta cap layer 133 is 0.3 μm thick. The total thickness t_cap of these is 0.40 μm. The Cr 2 O 3 protective layer 134 is 100 nm thick. The Ta cap layer 133 may contain 1 w% to 20 w% of Cr. In order to suppress the increase in the emissivity of the Ta cap layer, the content of Cr is preferably 20 w% or less. Furthermore, 1 w% to 5 w% of B (boron) may be added to obtain a dense thermal oxide film. By adding Cr to Ta, a dense Cr2O3 film is formed on the surface of the Cr: Ta cap layer and the cross section of the opening by heating in the atmosphere. A thermal oxide film such as Cr2O3 is also formed on Cr of the main body of the fine pore surface. The melting point of Cr2O3 is 2435 ° C., the melting point of Cr is 1863 ° C., the melting point of Ta is 3020 ° C., and the melting point of Cr: Ta is 2000 ° C. or more, so it can withstand heating to 1600 ° C.

微細孔の三角格子周期は1.2μmである。微細孔135の開口形状は円形で、円の直径Dは0.9μm、孔の深さtは1.6μmである。Λ/D比(=1.2/0.9)は1.33、t/D比(=1.6/0.9)は1.78である。t_cap/t比(=0.40/1.6)は0.25である。円形開口の半径rとすると、周期Λの三角格子の場合、平面表面に対する開口部の面積の割合は、次の式1で与えられる。
(2π(D/2) ) / (√3×Λ ) (式1)
本実施例の場合、開口部の面積の割合は51%である。正方格子の場合、開口部の面積の割合は、次の式2
π(D/2) /Λ (式2)
であり、同じ半径と周期の場合、開口部の面積の割合は44.2%である。三角格子の場合、正方格子の場合より開口部の面積の割合が15%程大きい。三角格子の場合、正方格子の場合と同様の放射スペクトル形状と狭窄効果が得られ、孔の密度が高いためにピーク放射率がやや向上する。
The triangular lattice period of the micropores is 1.2 μm. The aperture shape of the fine holes 135 is circular, and the diameter D of the circle is 0.9 μm, and the depth t of the holes is 1.6 μm. The Λ / D ratio (= 1.2 / 0.9) is 1.33, and the t / D ratio (= 1.6 / 0.9) is 1.78. The t_cap / t ratio (= 0.40 / 1.6) is 0.25. Assuming that the radius r of the circular opening, in the case of a triangular lattice of period 割 合, the ratio of the area of the opening to the plane surface is given by the following equation 1 .
(2π (D / 2) 2 ) / (√3 × Λ 2 ) (Equation 1)
In the case of the present embodiment, the ratio of the area of the opening is 51%. In the case of a square grid, the ratio of the area of the opening is given by the following equation 2
π (D / 2) 2 / Λ 2 (equation 2)
For the same radius and period, the percentage of the area of the opening is 44.2%. In the case of the triangular lattice, the ratio of the area of the opening is about 15% larger than in the case of the square lattice. In the case of a triangular lattice, the same radiation spectrum shape and narrowing effect as in the case of a square lattice are obtained, and the peak emissivity is slightly improved due to the high density of the holes.

本発明の構造の材料に関して説明する。第1〜3の実施例では、光放射構造体の本体の材料に含まれる金属元素AとしてWやCrを用いた。しかしながら、本発明の光放射構造体の本体として用いる金属元素Aとしては、Zr、V、TiあるいはMo、Nb、Hfを用いてもよい。あるいは金属元素Aに、融点が1000℃以下にならない範囲で、Fe、Ni、Co、Cu、Al、Siなどを加えて、耐熱性、耐酸化性、加工性、曲げ強度などを向上させた合金を用いてもよい。あるいは金属元素Aに微量のRe、Os、Ir、Pt、Auなどを加えて、加工性などを改善させてもよい。   The material of the structure of the present invention will be described. In the first to third examples, W or Cr was used as the metal element A contained in the material of the main body of the light emitting structure. However, as the metal element A used as the main body of the light emitting structure of the present invention, Zr, V, Ti or Mo, Nb, Hf may be used. Alternatively, an alloy that has improved heat resistance, oxidation resistance, workability, flexural strength, etc. by adding Fe, Ni, Co, Cu, Al, Si, etc. to the metallic element A within the range that the melting point does not fall below 1000 ° C. May be used. Alternatively, a small amount of Re, Os, Ir, Pt, Au or the like may be added to the metal element A to improve the processability and the like.

図20にCr、Zr、V、Wの平板の放射率スペクトルを示す。これらは1860℃以上の高い融点を有し、Cr、Zr(ジルコニウム)は波長0.2〜3μmの広い範囲で0.3〜0.4の高い放射率を有する。あるいはV(バナジウム)は1.6μm〜1.7μmにおいてWと同等の放射率0.2を有する。これらの材料を本体に用いることで、マイクロキャビティ効果により微細孔内部の表面からの強い熱放射が得られる。材料として、これらの高融点金属の合金を用いることもできる。例えばMoキャップ層に5(原子%)のTaを含ませることで、酸化耐性が顕著に改善される。TaMoの融点は1820℃以上あり、TaMoはTaより粘りがあり、温度変化による熱衝撃にも強い。   FIG. 20 shows emissivity spectra of Cr, Zr, V and W flat plates. They have high melting points of 1860 ° C. or higher, and Cr and Zr (zirconium) have high emissivity of 0.3 to 0.4 in a wide range of wavelengths of 0.2 to 3 μm. Alternatively, V (vanadium) has an emissivity 0.2 equal to W at 1.6 μm to 1.7 μm. By using these materials for the main body, strong heat radiation from the surface inside micropores can be obtained by the microcavity effect. An alloy of these refractory metals can also be used as a material. For example, the inclusion of 5 (atomic%) Ta in the Mo cap layer significantly improves the oxidation resistance. The melting point of TaMo is 1820 ° C. or more, and TaMo is thicker than Ta and is resistant to thermal shock due to temperature change.

また第1〜3の実施例では、キャップ層の材料2に含まれる金属元素BとしてTaを用いたが、金属元素BにW、Mo、Nb、Hfを用いてもよい。図21にW、Mo、Nb、Taの平板の放射率スペクトルを示す。Mo、Nb、Taは光電変換波長近傍の1.6μm以上で放射率が0.1より小さくなる。   In the first to third embodiments, Ta is used as the metal element B contained in the material 2 of the cap layer, but W, Mo, Nb, or Hf may be used as the metal element B. FIG. 21 shows emissivity spectra of W, Mo, Nb, and Ta flat plates. The emissivity of Mo, Nb and Ta is smaller than 0.1 at 1.6 μm or more near the photoelectric conversion wavelength.

光放射構造体の本体に変換波長近傍において高放射率の金属、キャップ層に低放射率の金属を用いることで、放射スペクトルの狭窄効果が得られる。これらは高融点の金属なので、高温での使用が可能になり、強い熱放射が得られる。   By using a high emissivity metal near the conversion wavelength for the main body of the light emitting structure and a low emissivity metal for the cap layer, a narrowing effect of the emission spectrum can be obtained. These are high melting point metals which allow them to be used at high temperatures and provide strong thermal radiation.

またキャップ層の材料として、金属元素Bに加えてCr、Si、Al、V、Zr、Ca、Mg、Agなどの元素Cを1w%〜20w%の範囲の濃度で加えた材料を用いてもよい。これらの元素Cを1w%以上加えると、下記に示すように、大気中の加熱時にキャップ層の表面に酸化膜が形成される。元素Cを5w%〜10w%加えると緻密な酸化膜が得られる。これらの元素Cを加えると、キャップ層の融点が下がり、キャップ層の放射率が上昇するので、元素Cの濃度は20w%に制限した。
[効果の説明]
図22に第3の実施例に用いた酸化物のエリンガム図を示す。エリンガム図(Ellingham diagram)は、様々な酸化物について、各温度における酸化反応の標準生成ギブズエネルギーを表示した図である。標準生成ギブスエネルギーとは、酸素分子1molあたりの酸化反応によるギブスの自由エネルギーの変化量である。組成式に含まれる酸素数が異なる物質同士でも比較できる利点がある。
In addition to the metal element B, a material obtained by adding an element C such as Cr, Si, Al, V, Zr, Ca, Mg, or Ag at a concentration of 1 w% to 20 w% as the material of the cap layer is used. Good. When 1 w% or more of these elements C is added, an oxide film is formed on the surface of the cap layer at the time of heating in the atmosphere, as described below. A dense oxide film can be obtained by adding 5 w% to 10 w% of the element C. The addition of the element C lowers the melting point of the cap layer and increases the emissivity of the cap layer, so the concentration of the element C is limited to 20 w%.
[Description of effect]
FIG. 22 shows an Ellingham diagram of the oxide used in the third embodiment. Ellingham diagram (Ellingham diagram) is the figure which displayed the standard formation Gibb's energy of the oxidation reaction in each temperature with respect to various oxide. The standard Gibbs energy of formation is the change amount of Gibbs free energy by the oxidation reaction per 1 mol of oxygen molecule. There is an advantage that materials having different numbers of oxygen contained in the composition formula can be compared with each other.

この図から、金属酸化物を金属に還元するための還元剤と還元温度、あるいは金属が酸化されずに存在できる酸素分圧などを知ることができる。グラフは右肩上がりであることから、温度が上昇すると金属は酸化されやすくなることが分かる。SiCやWCなどの炭化物は、温度依存性が小さ。WCより WO3の方が安定である。一般に炭化物より酸化物の方が安定である。また酸化物の融点は2000℃以上と高い。従って金属の保護膜には酸化物が適している。しかしWO3やMoO2は、H2OやCO2のグラフと600℃以上で交わることから、高温ではこれらの気体と反応することが分かる。   From this figure, it is possible to know the reducing agent for reducing the metal oxide to metal and the reduction temperature, or the oxygen partial pressure which can be present without the metal being oxidized. Since the graph is on the upper right, it can be understood that the metal is easily oxidized as the temperature rises. Carbides such as SiC and WC have small temperature dependence. WO3 is more stable than WC. In general, oxides are more stable than carbides. The melting point of the oxide is as high as 2000 ° C. or higher. Therefore, an oxide is suitable for the protective film of metal. However, since WO3 and MoO2 intersect with the H2O and CO2 graphs at 600 ° C. or higher, it is understood that they react with these gases at high temperatures.

酸化物を安定な順序に列挙すると、CaO、MgO、Al2O3のグル−プが最も安定で、次にSiO2、V2O3、Ta2O5、NbO2、Ti3O5、Cr2O3のグル−プ、次にWO3、MoO2、FeOのグル−プ、最後にIrO3となる。CaO、MgOは膜質が良ければ、最も安定な保護膜となる。実際に非特許文献5のWやMoの材料に生じるWO3やMoO2の酸化膜は、大気中で500℃以上に加熱すると酸化が進行するので、それらの厚さが増大する。Ta2O5やNbO2も大気中で300℃以上に加熱すると酸化が進行する場合がある。従って非常に高温で使用する場合TaやNbやHfにも保護膜が必要となる場合がある。酸化の進行は酸化膜の緻密さにも依存する。従って、酸化耐性は必ずしもエリンガム図だけで決まらない。緻密な酸化膜が得られやすいのは、SiO2とCr2O3とAl2O3である。VO2やZrO2も強度のある膜を形成する。本実施例では、こうした耐酸化性のある酸化物をTaやNbやHfのキャップ層の表面に形成して保護する。あるいは本実施例では、Taに数%のCrを含むCr:Taキャップ層を形成し、大気中で加熱して、表面に緻密なCr2O3保護膜を形成する。Cr2O3の融点は2435℃であり、例えば融点が1660℃のCr3O4もより、酸化耐性が高い。Cr2O3保護膜は酸化耐性が高いため、大気中での加熱時にTaキャップ層を酸化から保護する働きをする。Cr2O3保護膜はバンドギャップが大きく透明なので、表面の放射率はTaで決まる。Taキャップ層により波長1.3μm以上の領域の放射率を抑制できるため、本実施例においても同様の放射スペクトル狭窄効果が得られる。   The oxides are listed in a stable order: CaO, MgO, Al2O3 groups are the most stable, then SiO2, V2O3, Ta2O5, NbO2, Ti3O5, Cr2O3 groups, then WO3, MoO2, FeO Finally, the group is IrO3. CaO and MgO are most stable protective films if the film quality is good. In fact, the oxide film of WO3 or MoO2 formed in the materials of W and Mo in Non-Patent Document 5 is oxidized when it is heated to 500 ° C. or higher in the atmosphere, so that the thickness thereof increases. If Ta2O5 or NbO2 is also heated to 300 ° C. or more in the air, oxidation may proceed. Therefore, when used at a very high temperature, a protective film may be necessary for Ta, Nb and Hf. The progress of oxidation also depends on the compactness of the oxide film. Therefore, oxidation resistance is not necessarily determined only by Ellingham diagram. It is SiO2, Cr2O3 and Al2O3 that a dense oxide film is easily obtained. VO2 and ZrO2 also form a strong film. In this embodiment, such an oxidation resistant oxide is formed on the surface of the cap layer of Ta, Nb or Hf to be protected. Alternatively, in this embodiment, a Cr: Ta cap layer containing several percent of Cr in Ta is formed and heated in the air to form a dense Cr2O3 protective film on the surface. The melting point of Cr 2 O 3 is 2435 ° C., for example, Cr 3 O 4 having a melting point of 1660 ° C. has higher oxidation resistance. The Cr2O3 protective film has high oxidation resistance, and thus functions to protect the Ta cap layer from oxidation when heated in the air. Since the Cr2O3 protective film has a large band gap and is transparent, the emissivity of the surface is determined by Ta. Since the Ta cap layer can suppress the emissivity in the wavelength region of 1.3 μm or more, the same radiation spectrum narrowing effect can be obtained also in this embodiment.

中間層に用いたCr2Taの融点は2020℃で、Crの融点1863℃より高い。そのため高温でのTa原子とCr原子の相互拡散を抑制する効果を有する。Cr2Ta中間層132はCrの組成がそれより上がると融点は1760℃になるが、比較的高い融点を保つ。Crの熱膨張係数(1/K)は、温度に依存し、7〜12×10−6(100℃〜1250℃)である。Taの熱膨張係数(1/K)は、6.5〜7.3×10−6(100℃〜1200℃)である。CrとTaの熱膨張係数はほぼ同程度であるが、高温時にはCrとTaの界面に応力が生じる。Taの熱膨張率よりCrの熱膨張率の方が大きいので、Taに圧縮応力がかかるが、Taは圧縮応力には強いので、Taキャップ層は剥れない。Cr2Ta中間層は、CrとTaの中間の熱膨張率を有するので、TaとCrの熱膨張率の差や応力を緩和する効果がある。Cr2Ta中間層はCr本体とTaキャップ層の密着性を高める効果も有する。本実施例の中間層には、基本的に本体の材料とキャップ層の材料からなる合金を用いる。これらの保護層と中間層の効果により、光放射構造体の寿命が高められる。その結果、本実施例の光放射構造体をエミッタに適用することにより、安価で長寿命なTPV発電装置を提供できる。
[製造方法の説明]
第3の実施例の光放射構造体は、開口のパタ−ニングを三角格子周期で円形開口の設定に変更し、第2の実施例の光放射構造体と同様の製造方法で製造できる。中間層に用いたCr2TaはCrターゲットとTaターゲットの両方を用いて、スパッタリング時間や強度を変えて組成を制御しながら形成した。Ta表面にCr2O3保護膜を形成するには、反応性スパッタ装置において、流量50〜200sccm のO2を加え、Crと酸素プラズマにより、Ta表面にCr2O3層を成膜する。Cr2O3層のドライエッチングのエッチングガスとしては、CF4とO2との混合ガス(O2ガスの混合比10%〜40%)を用いることができる。エッチング条件は、例えばCF4:40sccm、O2:10sccm、圧力:400mTorr、高周波電力:300Wである。O2ガスの混合比20%で酸化クロムのエッチング速度は0.4μm/分である。
The melting point of Cr 2 Ta used in the intermediate layer is 2020 ° C., which is higher than the melting point 1863 ° C. of Cr. Therefore, it has the effect of suppressing the mutual diffusion of Ta atoms and Cr atoms at high temperatures. The Cr2Ta intermediate layer 132 has a melting point of 1760 ° C. when the composition of Cr is higher than that, but maintains a relatively high melting point. The thermal expansion coefficient (1 / K) of Cr depends on temperature and is 7 to 12 × 10 −6 (100 ° C. to 1250 ° C.). The thermal expansion coefficient (1 / K) of Ta is 6.5 to 7.3 × 10 −6 (100 ° C. to 1200 ° C.). Although the thermal expansion coefficients of Cr and Ta are approximately the same, stress occurs at the interface of Cr and Ta at high temperatures. Since the thermal expansion coefficient of Cr is larger than the thermal expansion coefficient of Ta, compressive stress is applied to Ta, but because Ta is strong against compressive stress, the Ta cap layer does not peel off. Since the Cr2Ta intermediate layer has a thermal expansion coefficient intermediate between Cr and Ta, it has an effect of relieving the difference between the thermal expansion coefficients of Ta and Cr and the stress. The Cr2Ta intermediate layer also has the effect of enhancing the adhesion between the Cr main body and the Ta cap layer. For the intermediate layer of this embodiment, an alloy consisting essentially of the material of the main body and the material of the cap layer is used. The effects of these protective layers and interlayers increase the lifetime of the light emitting structure. As a result, by applying the light emitting structure of this embodiment to the emitter, it is possible to provide an inexpensive and long-life TPV power generator.
[Description of manufacturing method]
The light emitting structure of the third embodiment can be manufactured by the same manufacturing method as that of the light emitting structure of the second embodiment, except that the pattern of the openings is changed to the setting of a circular opening with a triangular grating period. Cr2Ta used for the intermediate layer was formed using both a Cr target and a Ta target while controlling the composition by changing the sputtering time and the intensity. To form a Cr2O3 protective film on the Ta surface, O2 is added at a flow rate of 50 to 200 sccm in a reactive sputtering apparatus, and a Cr2O3 layer is formed on the Ta surface with Cr and oxygen plasma. As an etching gas for dry etching of the Cr2O3 layer, a mixed gas of CF4 and O2 (mixture ratio of O2 gas of 10% to 40%) can be used. The etching conditions are, for example, CF 4: 40 sccm, O 2: 10 sccm, pressure: 400 mTorr, and high frequency power: 300 W. The etching rate of chromium oxide is 0.4 μm / min at a mixing ratio of 20% of O 2 gas.

Cr2O3層中のCrは、フッ素と反応してフッ化物となり離脱し、Cr2O3層中の酸素は炭素と反応してCOやCO2となり効果的にエッチングされる。レジスト表面では炭素を主成分とする重合物の堆積反応がエッチングを抑制するためエッチング速度が低くなるので、酸化クロムのレジストに対する選択比が向上する。
[第4の実施例]
[構造の説明]
図23に本発明の第4の実施例の光放射構造体を示す。第4の実施例の光放射構造体は、酸化膜保護層と中間層を有する正方格子周期で円形開口の光放射構造体であり、第2の実施の例のTPV装置のエミッタに用いられる。第4の実施例の大きな特徴は、微細孔が正方格子周期であること、光放射構造体の本体にMoSi2なるシリコンと金属の化合物を用いていること、保護膜にSiO2を用いていることである。
The Cr in the Cr2O3 layer reacts with the fluorine to form fluorides, and the oxygen in the Cr2O3 layer reacts with the carbon to form CO or CO2, which is effectively etched. Since the deposition reaction of the polymer mainly composed of carbon suppresses the etching on the resist surface, the etching rate is lowered, so that the selectivity of chromium oxide to the resist is improved.
Fourth Embodiment
[Description of structure]
FIG. 23 shows a light emitting structure according to a fourth embodiment of the present invention. The light emitting structure of the fourth embodiment is a square grating periodic circular opening light emitting structure having an oxide film protective layer and an intermediate layer, and is used for the emitter of the TPV device of the second embodiment. The major features of the fourth embodiment are that the micropores have a tetragonal lattice period, that a compound of silicon and metal such as MoSi2 is used for the main body of the light emitting structure, and SiO2 is used for the protective film. is there.

第4の実施例の光放射構造体は、光放射構造体140、MoSi2本体141、TaMoSi2中間層142、Taキャップ層143、SiO2保護層144、円形微細孔145、正方格子周期Λ146からなる。TaMoSi2中間層142は50nm厚、Taキャップ層143は0.6μm厚、SiO2保護層144は50nm厚で、微細孔の正方格子周期は1.2μmである。微細孔145の開口形状は円形で、円の直径Dは0.9μm、微細孔の深さtは2.7μmである。Λ/D比(=1.2/0.9)は1.33、t/D比(=2.7/0.9)は3.0である。t_cap/t比(=0.6/2.7)は0.22である。Taキャップ層にSiを5w%入れることで、Si:Taキャップ層表面にSiO2の熱酸化膜を形成する方法もある。WSi2(融点:2130℃、CTE:7.9×10-6)を固溶させる、あるいはBを添加することで、MoSi2の融点や機械的強度を上げることができる。SiO2の融点は1700℃、熱膨張率(CTE)は0.55×10-6(1/K)である。MoSi2は高温での耐酸化性が高く、炉のヒ−タ材などに使用される材料である。MoSi2の融点は2290℃である。MoSi2はそれよりSi濃度が増えると融点が1400℃に低下するので、Mo濃度をやや高く設定する。本体に融点が2020℃と高いMo3Siを用いてもよい。   The light emitting structure of the fourth embodiment comprises a light emitting structure 140, a MoSi2 main body 141, a TaMoSi2 intermediate layer 142, a Ta cap layer 143, an SiO2 protective layer 144, circular micro holes 145, and a square lattice period Λ146. The TaMoSi2 intermediate layer 142 has a thickness of 50 nm, the Ta cap layer 143 has a thickness of 0.6 μm, the SiO 2 protective layer 144 has a thickness of 50 nm, and the square lattice period of the micropores is 1.2 μm. The aperture shape of the micropores 145 is circular, the diameter D of the circle is 0.9 μm, and the depth t of the micropores is 2.7 μm. The Λ / D ratio (= 1.2 / 0.9) is 1.33, and the t / D ratio (= 2.7 / 0.9) is 3.0. The t_cap / t ratio (= 0.6 / 2.7) is 0.22. There is also a method of forming a thermal oxide film of SiO 2 on the surface of the Si: Ta cap layer by putting 5 w% of Si in the Ta cap layer. By melting WSi2 (melting point: 2130 ° C., CTE: 7.9 × 10 -6) or adding B, the melting point and mechanical strength of MoSi 2 can be increased. The melting point of SiO 2 is 1700 ° C., and the thermal expansion coefficient (CTE) is 0.55 × 10 −6 (1 / K). MoSi2 is highly resistant to oxidation at high temperatures, and is a material used as a heater material for furnaces and the like. The melting point of MoSi2 is 2290 ° C. Since the melting point lowers to 1400 ° C. when the Si concentration further increases in MoSi 2, the Mo concentration is set to be slightly higher. Mo3Si having a high melting point of 2020 ° C. may be used for the main body.

第4の実施例では、光放射構造体の本体にMoSi2を用いたが、光放射構造体の本体として、WSi2、TaSi、MoSi2、NbSi2、HfSi2、CrSi2、ZrSi2、VSi2、TiSi2なる金属シリコン化合物を用いることができる。あるいは、TaB2、W2B5、MoB2、NbB2、HfB2、CrB2、ZrB2、VB2、TiB2なる金属ホウ化物、あるいはTaC、WC、MoC、NbC、CrC、ZrC、VC、TiCなる炭化物、あるいはTaN、WN、MoN、NbN、CrN、ZrN、VN、TiNなる金属窒化物を用いることができる。TiN平板は波長1.6μmでW平板と同等の放射率0.2を有するので、本実施例の光放射構造体の本体に用いることができる。高融点なTiB2、ZrB2、HfB2などのホウ化物材料は導電性が高く、赤外の放射率が高いため、本実施例の光放射構造体の本体に用いることができる。   In the fourth embodiment, MoSi2 is used for the main body of the light emitting structure, but as the main body of the light emitting structure, a metal silicon compound such as WSi2, TaSi, MoSi2, NbSi2, HfSi2, CrSi2, ZrSi2, VSi2, TiSi2 is used. It can be used. Alternatively, metal borides of TaB2, W2B5, MoB2, NbB2, HfB2, CrB2, ZrB2, VB2, TiB2, or carbides of TaC, WC, MoC, NbC, CrC, ZrC, VC, TiC, or TaN, WN, MoN, Metal nitrides such as NbN, CrN, ZrN, VN, and TiN can be used. The TiN flat plate has a wavelength of 1.6 μm and an emissivity of 0.2 equivalent to that of the W flat plate, so that it can be used for the main body of the light emitting structure of this embodiment. The high melting point boride materials such as TiB2, ZrB2 and HfB2 can be used for the main body of the light emitting structure of this embodiment because they have high conductivity and high infrared emissivity.

光放射構造体の本体に実施例1〜3のような金属あるいは本実施例4のような金属のシリコン化合物、ホウ化物、炭化物、窒化物あるいは酸化物を用い、それらにAl2O3、SiO2、Cr2O3などの熱酸化物の保護膜を形成することで、本体の微細孔の酸化耐性を向上させるkことができる。
[効果の説明]
MoO3の融点は795℃であり、蒸気圧が高い。そのため大気中でMoSi2を1000℃〜1200℃に加熱すると、MoO3の形でMoが離脱し、MoSi2の表面に緻密なSiO2被膜が形成される。室温に戻すとSiO2膜には圧縮応力がかかるが、SiO2膜は圧縮応力に耐える。MoSi2の電気伝導度は4.6×106(1/Ωm)であり、Crの電気伝導度6.5×106(1/Ωm)と同程度である。電気伝導に寄与する自由電子は光を反射、吸収する働きをする。このためMoSi2は高融点かつCrと同様の高い放射率を有するので、本実施例の光放射構造体の本体に適用できる。MoSi2の融点は2030℃で、熱膨張係数は8.2×10-6(1/K)である。これはTaの熱膨張係数よりやや大きいのでTaに圧縮応力がかかる。Mo5Si3の融点は2150℃で、熱膨張係数は6.7×10-6(1/K)であり、Taの熱膨張率とほぼ等しい。
TaMoSi2中間層はMoSi2本体とTaキャップ層との熱膨張差に起因する応力を緩和するために、Taキャップ層の剥れを抑制する。微細孔の深さtと、Taキャップ層の厚さが大きいので、仮にTaキャップ層の酸化が徐々に進行しても、Ta層がなくなりにくいので、寿命が大きくなる。
[製造方法の説明]
MoSi2は高融点材料であるため、一般的溶融法でバルク材を製造することは難しい。MoSi2はアーク溶解法、反応焼結法、真空プラズマスプレー法、拡散反応法、ホットプレス、HIP等を用いて製造される。製造過程は無酸素状態で行う。酸素の混入があるとSiO2ガラス相が粒界に偏析し、高温度域で軟化するためにクリープ特性が劣化する。入手したMoSi2板を鏡面研磨し、硫酸系エッチャントとHF系エッチャントで表面の酸化膜を除去した。背圧1×10-6Torrのマグネトロンスパッタ装置に入れ、基板温度300℃で、MoSi2板にスパッタリングでTa薄膜を0.65μm厚蒸着した。さらにプラズマCVD装置でSiO2層を50nm厚形成し、拡散炉を用い、窒素中1200℃で1時間、加熱してTaを拡散させ、50nm厚のTaMoSi2中間層を形成した。
As the main body of the light emitting structure, a metal such as in Examples 1 to 3 or a silicon compound of a metal as in this Example 4, a boride, a carbide, a nitride or an oxide is used, and Al2O3, SiO2, Cr2O3, etc. By forming a thermal oxide protective film, the oxidation resistance of the micropores of the main body can be improved.
[Description of effect]
The melting point of MoO 3 is 795 ° C., and the vapor pressure is high. Therefore, when MoSi 2 is heated to 1000 ° C. to 1200 ° C. in the atmosphere, Mo is released in the form of MoO 3 to form a dense SiO 2 film on the surface of MoSi 2. When the temperature is returned to room temperature, compressive stress is applied to the SiO 2 film, but the SiO 2 film withstands the compressive stress. The electrical conductivity of MoSi2 is 4.6.times.10@6 (1 / .OMEGA.m), which is comparable to that of Cr 6.5.times.10@6 (1 / .OMEGA.m). Free electrons that contribute to electrical conduction function to reflect and absorb light. Therefore, MoSi2 has a high melting point and a high emissivity similar to that of Cr, so that it can be applied to the main body of the light emitting structure of this embodiment. The melting point of MoSi 2 is 2030 ° C., and the thermal expansion coefficient is 8.2 × 10 −6 (1 / K). Since this is slightly larger than the thermal expansion coefficient of Ta, compressive stress is applied to Ta. The melting point of Mo 5 Si 3 is 2150 ° C., and the thermal expansion coefficient is 6.7 × 10 −6 (1 / K), which is almost equal to the thermal expansion coefficient of Ta.
The TaMoSi2 intermediate layer suppresses peeling of the Ta cap layer in order to relieve the stress caused by the thermal expansion difference between the MoSi2 main body and the Ta cap layer. Since the depth t of the micropores and the thickness of the Ta cap layer are large, even if the oxidation of the Ta cap layer proceeds gradually, the Ta layer is difficult to disappear, and the life becomes long.
[Description of manufacturing method]
Since MoSi2 is a high melting point material, it is difficult to produce a bulk material by a general melting method. MoSi2 is manufactured using an arc melting method, a reaction sintering method, a vacuum plasma spray method, a diffusion reaction method, a hot press, HIP or the like. The production process is anoxic. When oxygen is mixed, the SiO 2 glass phase segregates at grain boundaries and softens in a high temperature range to deteriorate creep characteristics. The obtained MoSi2 plate was mirror-polished, and the oxide film on the surface was removed with a sulfuric acid type etchant and an HF type etchant. In a magnetron sputtering apparatus with a back pressure of 1 × 10 -6 Torr, a Ta thin film was deposited to a thickness of 0.65 μm by sputtering on a MoSi 2 plate at a substrate temperature of 300 ° C. Further, a 50 nm thick SiO 2 layer was formed by a plasma CVD apparatus, and heating was performed in nitrogen at 1200 ° C. for 1 hour using a diffusion furnace to diffuse Ta, thereby forming a 50 nm thick TaMoSi 2 intermediate layer.

そのあとCrマスクを用い、正方格子周期で直径0.9μmの円形開口のパタ−ニングを行い、ドライエッチングでSiO2層/Ta層/MoSi2板に深さ2.7μmの微細孔を形成した。ドライエッチングのエッチングガスとしては、CF4とO2との混合ガス(O2ガスの混合比10%〜40%)を用いた。エッチング条件は、CF4:40sccm、O2:10sccm、圧力:400mTorr、高周波電力:300Wである。O2ガスの混合比20%でSiO2層のエッチング速度は0.3μm/分である。   After that, circular openings with a diameter of 0.9 μm were patterned in a square lattice cycle using a Cr mask, and micro holes with a depth of 2.7 μm were formed in the SiO 2 layer / Ta layer / MoSi 2 plate by dry etching. As an etching gas for dry etching, a mixed gas of CF 4 and O 2 (mixing ratio of O 2 gas: 10% to 40%) was used. The etching conditions are CF 4: 40 sccm, O 2: 10 sccm, pressure: 400 mTorr, and high frequency power: 300 W. The etching rate of the SiO 2 layer is 0.3 μm / min at a mixing ratio of 20% of O 2 gas.

SiO2層のSiは、フッ素と反応してフッ化物となり離脱し、SiO2層中の酸素は炭素と反応してCOやCO2となりエッチングされる。MoSi2中のMoはMoFとなり離脱し、酸素はCOやCO2となりエッチングされる。
[第5の実施例]
[構造の説明]
第5の実施例の光放射構造体は、Al2O3 (サファイア)基材とCr/Tiコ−ト層とTaキャップ層とAl2O3保護層を有する正方格子周期で円形開口の光放射構造体であり、第2の実施例のTPV装置のエミッタに用いられる。第5の実施例の大きな特徴は、金属ではない基材と金属コ−ト層を組み合わせて用いていることである。図24に本発明の第5の実施例の光放射構造体を示す。
The Si in the SiO 2 layer reacts with fluorine to become fluoride and is released, and the oxygen in the SiO 2 layer reacts with carbon to be etched as CO and CO 2. Mo in MoSi2 becomes MoF and separates, and oxygen becomes CO and CO2 and is etched.
Fifth Embodiment
[Description of structure]
The light emitting structure of the fifth embodiment is a light emitting structure having a square lattice period and a circular opening with an Al2O3 (sapphire) substrate, a Cr / Ti coated layer, a Ta cap layer, and an Al2O3 protective layer, It is used for the emitter of the TPV device of the second embodiment. A major feature of the fifth embodiment is that a non-metal substrate and a metal coating layer are used in combination. FIG. 24 shows a light emitting structure according to a fifth embodiment of the present invention.

第5の実施例の光放射構造体は、光放射構造体150、Al2O3基材151、Cr/Tiコ−ト層152、Taキャップ層153、Al2O3保護層154、円形微細孔155、正方格子周期Λ156からなる。Cr/Tiコ−ト層152に関しては、基材に密着するTiの厚さは50nm、光放出層であるCrの厚さは1μmである。Taキャップ層153は0.5μm厚、Al2O3保護層154は0.1μm厚で、微細孔の正方格子周期は1.2μmである。微細孔155の開口形状は円形で、円の直径Dは0.9μm、微細孔の深さtは2.5μmである。Λ/D比(=1.2/0.9)は1.33、t/D比(=2.5/0.9)は2.78である。t_cap/t比(=0.5/2.5)は0.20である。Al2O3の融点は2070℃、熱膨張率(CTE)は7.1×10-6(1/K)であり、Taの熱膨張率6.5〜7.3×10-6(1/K)やCrの熱膨張率7.0〜12×10-6(1/K)に比較的近いため、構造が高温に耐える。Taキャップ層に5w%のAlを含ませることにより、Al2O3熱酸化膜をAl:Taキャップ層表面に形成することもできる。本実施例の基材としては、Al2O3に限らず、SiC、SiO2、CaO、MgO、BNなどのセラミックを用いることができる。
[効果の説明]
Al2O3基材を用いたため、耐酸化性の高いエミッタが得られる。透明なAl2O3基材を用いた場合、Cr/Tiコ−ト層を施すことで、Crから熱放射が放出される。Al2O3とCrとTaの熱膨張係数が近いので、金属層の剥れがなく長寿命である。スペクトル狭窄効果は、上記の実施例と同様に得られる。
[製造方法の説明]
図25に第5の実施例の光放射構造体の加工工程の説明図を示す。Al2O3基材151の表面にCr/Tiコ−ト層152とTaキャップ層153とAl2O3保護層154を反応性スパッタリング法で形成する。第1の実施例と同様の方法で、フォトレジストマスク157などを用いて、1.2μm正方格子周期の0.9μm直径の円形開口のパタ−ニングを行い、ドライエッチングで深さ2.5μm微小孔を形成した。Al2O3基材151への微小孔の形成に関しては、誘導結合型プラズマエッチング装置を用いた。反応室の下部電極の上にウエハを載置し、反応室内の空気を排出して、反応室内の圧力を2×10-3Paとした。
The light emitting structure according to the fifth embodiment includes a light emitting structure 150, an Al2O3 substrate 151, a Cr / Ti coated layer 152, a Ta cap layer 153, an Al2O3 protective layer 154, circular micro holes 155, and a square lattice period. It consists of Λ 156. Regarding the Cr / Ti coating layer 152, the thickness of Ti in close contact with the substrate is 50 nm, and the thickness of Cr which is a light emitting layer is 1 μm. The Ta cap layer 153 is 0.5 μm thick, the Al 2 O 3 protective layer 154 is 0.1 μm thick, and the square lattice period of the micropores is 1.2 μm. The aperture shape of the micropores 155 is circular, and the diameter D of the circle is 0.9 μm, and the depth t of the micropores is 2.5 μm. The Λ / D ratio (= 1.2 / 0.9) is 1.33, and the t / D ratio (= 2.5 / 0.9) is 2.78. The t_cap / t ratio (= 0.5 / 2.5) is 0.20. The melting point of Al 2 O 3 is 2070 ° C., the coefficient of thermal expansion (CTE) is 7.1 × 10 −6 (1 / K), and the coefficient of thermal expansion of Ta is 6.5 to 7.3 × 10 −6 (1 / K) or that of Cr The structure withstands high temperatures because it is relatively close to 7.0-12 x 10 -6 (1 / K). The Al 2 O 3 thermal oxide film can also be formed on the surface of the Al: Ta cap layer by including 5 w% of Al in the Ta cap layer. As a base material of a present Example, not only Al2O3 but ceramics, such as SiC, SiO2, CaO, MgO, BN, can be used.
[Description of effect]
Since an Al2O3 substrate is used, an emitter with high oxidation resistance can be obtained. When a transparent Al2O3 substrate is used, the application of a Cr / Ti coating layer emits thermal radiation from Cr. Since the thermal expansion coefficients of Al 2 O 3, Cr and Ta are close, there is no peeling of the metal layer and the life is long. The spectral narrowing effect is obtained as in the previous example.
[Description of manufacturing method]
FIG. 25 is an explanatory view of a processing step of the light emitting structure of the fifth embodiment. A Cr / Ti coated layer 152, a Ta cap layer 153, and an Al2O3 protective layer 154 are formed on the surface of the Al2O3 base material 151 by reactive sputtering. In the same manner as in the first embodiment, a 0.9 μm diameter circular opening of 1.2 μm square lattice period is patterned using a photoresist mask 157 or the like, and a 2.5 μm deep micro hole is formed by dry etching. did. An inductively coupled plasma etching apparatus was used to form micropores in the Al 2 O 3 substrate 151. The wafer was placed on the lower electrode of the reaction chamber, the air in the reaction chamber was exhausted, and the pressure in the reaction chamber was adjusted to 2 × 10 −3 Pa.

その後、反応室にCl2ガス、CH2Cl2ガス及びArガスをそれぞれ50sccm、5sccm及び20sccmの流量で供給し、反応室内のガス圧力を0.6Paとした。CH2Cl2ガスの代わりにBCl3ガスを用いてもよい。励起コイルに200Wの高周波電力を供給し、下部電極に電力面密度が1.0W/cm2の高周波電力を供給することにより、反応ガスのプラズマを生成させた。   Thereafter, Cl 2 gas, CH 2 Cl 2 gas and Ar gas were supplied to the reaction chamber at flow rates of 50 sccm, 5 sccm and 20 sccm respectively, and the gas pressure in the reaction chamber was set to 0.6 Pa. Instead of CH 2 Cl 2 gas, BCl 3 gas may be used. A plasma of a reaction gas was generated by supplying high frequency power of 200 W to the excitation coil and supplying high frequency power of 1.0 W / cm 2 to the lower electrode.

このプラズマによりエッチングを行った結果、Al2O3基材については20nm/分のエッチング速度が得られた。2μmの深さまでエッチングするのに100分を要した。さらにTi/Crを、反応性スパッタリング法を用いて供給し、微小孔の底部と側壁部にCr/Ti層158を形成する。次にフォトレジスト154とその上のCr/Tiリフトオフ層159を有機洗浄で除去した。この工程によって、第5の実施例の光放射構造体が得られた。
[第6の実施例]
[構造の説明]
第6の実施例の光放射構造体は、黒色アルミナとTi中間層とTaキャップ層とAl2O3保護層を有する正方格子周期で円形開口の光放射構造体であり、第2の実施例のTPV装置のエミッタに用いられる。第6の実施例の特徴は、光放射構造体の本体に赤外波長の放射率がある黒色アルミナを用いていることである。
As a result of etching by this plasma, an etching rate of 20 nm / min was obtained for the Al2O3 substrate. It took 100 minutes to etch to a depth of 2 μm. Further, Ti / Cr is supplied by reactive sputtering to form a Cr / Ti layer 158 on the bottom and side wall of the micropore. The photoresist 154 and the overlying Cr / Ti lift-off layer 159 were then removed by organic cleaning. By this process, the light emitting structure of the fifth example was obtained.
Sixth Embodiment
[Description of structure]
The light emitting structure according to the sixth embodiment is a light emitting structure with a square lattice period and a circular opening with black alumina, a Ti intermediate layer, a Ta cap layer, and an Al2O3 protective layer, and the TPV device according to the second embodiment. Used for the emitter of The feature of the sixth embodiment is that the main body of the light emitting structure uses black alumina having an emissivity of infrared wavelength.

図26に本発明の第6の実施例の光放射構造体を示す。第6の実施例の光放射構造体は、光放射構造体160、黒色アルミナ本体161、Ti中間層162、Taキャップ層163、Al2O3保護層164、円形微細孔165、正方格子周期Λ166からなる。Ti中間層162は50nm厚、Taキャップ層163は0.5μm厚、Al2O3保護層164は50nm厚で、微細孔の正方格子周期は1.2μmである。微細孔165の開口形状は円形で、円の直径Dは0.9μm、微細孔の深さtは1.5μmである。Λ/D比(=1.2/0.9)は1.33、t/D比(=2.0./0.9)は2.22である。t_cap/t比(=0.5/2.0)は0.25である。   FIG. 26 shows a light emitting structure according to the sixth embodiment of the present invention. The light emitting structure of the sixth embodiment comprises a light emitting structure 160, a black alumina main body 161, a Ti intermediate layer 162, a Ta cap layer 163, an Al2O3 protective layer 164, circular fine holes 165, and a square lattice period Λ166. The Ti intermediate layer 162 has a thickness of 50 nm, the Ta cap layer 163 has a thickness of 0.5 μm, the Al 2 O 3 protective layer 164 has a thickness of 50 nm, and the square lattice period of fine pores is 1.2 μm. The aperture shape of the fine holes 165 is circular, the diameter D of the circle is 0.9 μm, and the depth t of the fine holes is 1.5 μm. The Λ / D ratio (= 1.2 / 0.9) is 1.33, and the t / D ratio (= 2.0. / 0.9) is 2.22. The t_cap / t ratio (= 0.5 / 2.0) is 0.25.

アルミナはICチップ等を搭載し保護するための容器に用いられており、黒色アルミナは金属配線が見やすい利点がある。本実施例の黒色アルミナは90%程度のアルミナにCo、Cr、Fe、Mn、Ni、iなどの金属不純物を含んだものである。具体的には、その黒色アルミナはCo-Cr-Fe系やCo-Mn-Fe系などのスピネル系の固溶体である黒色セラミック顔料を含んでいる。   Alumina is used in a container for mounting and protecting IC chips and the like, and black alumina has an advantage that the metal wiring is easy to see. The black alumina of the present embodiment contains about 90% of alumina and metal impurities such as Co, Cr, Fe, Mn, Ni and i. Specifically, the black alumina contains a black ceramic pigment which is a spinel solid solution such as Co-Cr-Fe or Co-Mn-Fe.

本実施例の黒色アルミナとしては、炭素を含ませたアルミナ(C:A1203)も適用できる。黒色アルミナ(C:A1203)は炭素含有耐火物として用いられている。高温ではアルミナと炭素は反応し、固体のAl4C3と気体のCOを生成する。通常の加熱時には、0.1MPa程度のCO分圧があり、2000℃までアルミナと炭素は反応しないので、黒色アルミナをTPV発電装置のエミッタに適用できる。   As the black alumina of the present embodiment, alumina containing carbon (C: A1203) can also be applied. Black alumina (C: A1203) is used as a carbon-containing refractory. At high temperatures, alumina and carbon react to form solid Al 4 C 3 and gaseous CO. Black alumina can be applied to the emitter of a TPV power generator because CO has a partial pressure of about 0.1 MPa during normal heating and alumina and carbon do not react up to 2000 ° C.

アルミナの代わりに、ジルコン(ZrSiO4)など、Al、Ga、Si、Zr、V、Ge、Ca、Mgなどを含む酸化物材料に黒色顔料を添加した酸化物を用いてもよい。
[効果の説明]
本実施例の黒色アルミナにはCo-Cr-Fe系やCo-Mn-Fe系などのスピネル系の固溶体である黒色セラミック顔料が含まれているために、赤外波長域に放射率0.3〜0.4を有する。Taキャップ層があるので、これまでの実施例のものと同様の波長狭窄効果が得られる。
Instead of alumina, an oxide obtained by adding a black pigment to an oxide material containing zircon (ZrSiO4), Al, Ga, Si, Zr, V, Ge, Ca, Mg and the like may be used.
[Description of effect]
Since the black alumina of this example contains a black ceramic pigment which is a spinel solid solution such as Co-Cr-Fe or Co-Mn-Fe, emissivity in the infrared wavelength range is 0.3 to 0.4. Have. Since there is a Ta cap layer, the same wavelength narrowing effect as in the previous embodiments can be obtained.

本実施例の黒色アルミナは高温での酸化耐性に強く、大気中で1400℃まで加熱して使用することができる。黒色アルミナの熱膨張係数は6.8×10-6(1/K)であり、Taキャップ層の熱膨張係数とほぼ等しい。そのため1300℃の高温までエミッタを加熱できるので、出力が向上でき、エミッタの寿命が高まる。
[製造方法の説明]
本実施例の製造方法は前記の実施例と同様に、黒色アルミナ板状にTi中間層、Taキャップ層、アルミナ保護膜を反応性スパッタリング装置で形成し、パタ−ニング後、誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて、金属層とアルミナに微細孔を形成する。
[第7の実施例]
[構造の説明]
第7の実施例の光放射構造体は、Er3Al5O12本体とTi中間層とTaキャップ層とAl2O3保護層を有する正方格子周期で円形開口の光放射構造体であり、第2の実施例のTPV装置のエミッタに用いられる。第7の実施例の特徴は、光放射構造体の本体に希土類Erを含むスピネル酸化物Er3Al5O12を用いていることである。
The black alumina of this example is resistant to oxidation at high temperatures and can be used by heating to 1400 ° C. in the atmosphere. The thermal expansion coefficient of black alumina is 6.8 × 10 −6 (1 / K), which is approximately equal to the thermal expansion coefficient of the Ta cap layer. Therefore, since the emitter can be heated to a high temperature of 1300 ° C., the output can be improved and the lifetime of the emitter can be increased.
[Description of manufacturing method]
In the manufacturing method of this embodiment, a Ti intermediate layer, a Ta cap layer, and an alumina protective film are formed in a black alumina plate shape by a reactive sputtering apparatus as in the above-mentioned embodiment, and after patterning, inductively coupled plasma etching is performed. The apparatus is used to form micropores in the metal layer and the alumina.
Seventh Embodiment
[Description of structure]
The light emitting structure according to the seventh embodiment is a light emitting structure having a square lattice period and a circular opening with an Er3Al5O12 main body, a Ti intermediate layer, a Ta cap layer, and an Al2O3 protective layer, and the TPV device according to the second embodiment. Used for the emitter of A feature of the seventh embodiment is that a spinel oxide Er3Al5O12 containing rare earth Er is used for the main body of the light emitting structure.

図27に本発明の第7の実施例の光放射構造体を示す。第7の実施例の光放射構造体は、光放射構造体170、Er3Al5O12本体171、Ti中間層172、Taキャップ層173、Al2O3保護層174、円形微細孔175、正方格子周期Λ176からなる。Ti中間層172は50nm厚、Taキャップ層173は0.5μm厚、Al2O3保護層174は50nm厚で、微細孔の正方格子周期は1.2μmである。微細孔175の開口形状は円形で、円の直径Dは0.9μm、微細孔の深さtは1.5μmである。Λ/D比(=1.2/0.9)は1.33、t/D比(=2.0./0.9)は2.22である。t_cap/t比(=0.5/2.0)は0.25である。   FIG. 27 shows a light emitting structure according to a seventh embodiment of the present invention. The light emitting structure according to the seventh embodiment comprises a light emitting structure 170, an Er3Al5O12 main body 171, a Ti intermediate layer 172, a Ta cap layer 173, an Al2O3 protective layer 174, circular fine holes 175, and a square lattice period Λ176. The Ti intermediate layer 172 has a thickness of 50 nm, the Ta cap layer 173 has a thickness of 0.5 μm, the Al 2 O 3 protective layer 174 has a thickness of 50 nm, and the square lattice period of fine pores is 1.2 μm. The aperture shape of the fine holes 175 is circular, the diameter D of the circle is 0.9 μm, and the depth t of the fine holes is 1.5 μm. The Λ / D ratio (= 1.2 / 0.9) is 1.33, and the t / D ratio (= 2.0. / 0.9) is 2.22. The t_cap / t ratio (= 0.5 / 2.0) is 0.25.

本実施例では希土類Erを含むスピネル酸化物としてEr3Al5O12を用いたが、Er3Ga5O12やEr3(Al,Ga)5O12を用いてもよい。TPV装置の放電変換素子に変換波長が1μmのSi製PVセルを用いた場合には、波長1μm帯に放射帯域を有する希土類としてYbを用いることができる。Ybを含む酸化物としては、Yb3Al5O12、Yb3Ga5O12やYb3(Al,Ga)5O12などがある。光放射構造体の開口部の直径を0.65μm、微細孔の深さを1.3μm程度に変更すれば、波長1μm帯の熱放射が得られ、1.1μm以上の熱放射が抑制される。
Although Er3Al5O12 is used as a spinel oxide containing rare earth Er in this embodiment, Er3Ga5O12 or Er3 ( Al, Ga ) 5O12 may be used. When using a Si PV cell with a conversion wavelength of 1 μm as the discharge conversion element of the TPV device, Yb can be used as a rare earth having a radiation band in the 1 μm wavelength band. Examples of the oxide containing Yb include Yb3Al5O12, Yb3Ga5O12, Yb3 ( Al, Ga ) 5O12, and the like. By changing the diameter of the opening of the light emitting structure to 0.65 μm and the depth of the fine holes to about 1.3 μm, thermal radiation in the 1 μm wavelength band can be obtained, and thermal radiation of 1.1 μm or more can be suppressed. .

酸化物はYb、Erなどの希土類を含む、Al、Ga、Si、Ge、Ca、Mgなどを含む酸化物材料が適用できる。ErやYbからの発光は酸化物の構造に依らないので、酸化物はスピネルに限らない。
[効果の説明]
Er3Al5O12板を加熱すると、Er2+イオンのf軌道の電子遷移による1.5〜1.6μm帯の狭幅の熱放射が得られる。
For the oxide, an oxide material containing Al, Ga, Si, Ge, Ca, Mg, and the like including a rare earth such as Yb and Er can be applied. The oxide is not limited to spinel because the emission from Er and Yb does not depend on the structure of the oxide.
[Description of effect]
When the Er3Al5O12 plate is heated, narrow thermal radiation of 1.5 to 1.6 μm band is obtained due to the electron transition of the f orbital of the Er 2+ ion.

しかしながら、Er3Al5O12板には1.6μmより長波長側で放射スペクトルに裾がある。これはEr3Al5O12に含まれる金属不純物やSiO2やMgOやY2O3などの焼結補助剤などによると考えられる。本実施例では、Er3Al5O12板にTaキャップ層を形成して光放射構造体を形成するので、1.6μmより長波長側の波長の熱放射を抑制できる。光放射構造体の開口を0.9μmとすることで、Er3Al5O12板からのErからの波長1.5〜1.6μm帯の熱放射を可能にする。その結果、これまでの実施例と同様にエミッタの熱放射スペクトルの狭窄効果が得られる。   However, the Er3Al5O12 plate has a tail in the emission spectrum at wavelengths longer than 1.6 μm. This is considered to be due to metal impurities contained in Er3Al5O12 and sintering aids such as SiO2, MgO and Y2O3. In this embodiment, since the Ta cap layer is formed on the Er3Al5O12 plate to form the light emitting structure, it is possible to suppress thermal radiation of wavelengths longer than 1.6 [mu] m. By setting the aperture of the light emitting structure to 0.9 μm, thermal radiation of wavelength 1.5 to 1.6 μm band from Er from the Er 3 Al 5 O 12 plate is enabled. As a result, the narrowing effect of the thermal radiation spectrum of the emitter can be obtained as in the previous embodiments.

本実施例に用いたEr3Al5O12は2100℃の融点を有し、高温での酸化耐性に強く、大気中で1400℃まで加熱して使用することができる。黒色アルミナの熱膨張係数は7.4×10-6(1/K)であり、Taキャップ層の熱膨張係数に近い。そのため1300℃の高温までエミッタを加熱できるので、出力が向上でき、寿命が長くなる。
[製造方法の説明]
スピネル酸化物Er3Al5O12板は、Er2O3とAl2O3の紛体を数μm粒径に粉砕し混ぜ合わせた後に加圧成型して、大気中、温度1600℃で3時間、加熱炉で焼結することで得られる。必要に応じて少量の焼結補助剤を用いる。
Er 3 Al 5 O 12 used in this example has a melting point of 2100 ° C., is resistant to oxidation at high temperatures, and can be used by heating to 1400 ° C. in the air. The thermal expansion coefficient of black alumina is 7.4 × 10 −6 (1 / K), which is close to the thermal expansion coefficient of the Ta cap layer. Therefore, since the emitter can be heated to a high temperature of 1300 ° C., the output can be improved and the life can be extended.
[Description of manufacturing method]
The spinel oxide Er3Al5O12 plate is obtained by crushing powders of Er2O3 and Al2O3 to a particle diameter of several micrometers, combining them, pressing and molding, and sintering in a heating furnace at a temperature of 1600 ° C. for 3 hours in the air. . If necessary, use a small amount of a sintering aid.

本実施例の製造方法は前記の実施例と同様に、表面を研磨したスピネル酸化物Er3Al5O12板上にTi中間層、Taキャップ層、アルミナ保護膜を反応性スパッタリング装置で形成する。パタ−ニング後、誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて、金属層とアルミナに微小孔を形成して製造する。
[第8の実施例]
[構造の説明]
第8の実施例の光放射構造体は、波長2μm〜10μmの中赤外波長帯域の光放射構造体であり、中赤外に吸収波長を有するガスを検出するガス検出装置の光源に用いられる。図28に本発明の第8の実施例の光放射構造体を示す。
In the manufacturing method of this embodiment, a Ti intermediate layer, a Ta cap layer, and an alumina protective film are formed on a spinel oxide Er3Al5O12 plate whose surface has been polished by a reactive sputtering apparatus as in the above embodiment. After patterning, micropores are formed in the metal layer and the alumina by using an inductively coupled plasma etching apparatus.
Eighth Embodiment
[Description of structure]
The light emitting structure according to the eighth embodiment is a light emitting structure of a mid-infrared wavelength band of 2 μm to 10 μm and is used as a light source of a gas detection device for detecting a gas having an absorption wavelength in mid-infrared. . FIG. 28 shows the light emitting structure of the eighth embodiment of the present invention.

本実施例の光放射構造体は、光放射構造体180、Cr本体181、CrNb中間層182、Si:Nbキャップ層183、SiO2保護層184、円形微細孔185、正方格子周期Λ186からなる。CrNb中間層182は50nm厚、Si:Nb キャップ層183は0.7μm厚、SiO2保護層184は20nm厚で、微細孔の正方格子周期は2.8μmである。微細孔185の開口形状は円形で、円の直径Dは2.6μm、微細孔の深さtは3.0μmである。Λ/D比(=2.8/2.6)は1.08、t/D比(=3.0/2.6)は1.15である。t_cap/t比(=0.7/3.0)は0.23である。Nbキャップ層にSiを5w%入れることで、Si:Taキャップ層表面にSiO2の緻密な熱酸化膜を形成した。Nbの融点は2469℃、Crの融点は1860℃である。CrNb中間層162の融点は1650℃〜1770℃とやや低いが、本実施例の光放射構造体は300℃〜700℃程度の比較的低い温度で使用するため、CrNb中間層が使える。より高温で使用する場合の中間層にはNbWなどが適している。   The light emitting structure of this embodiment comprises a light emitting structure 180, a Cr main body 181, a CrNb intermediate layer 182, a Si: Nb cap layer 183, an SiO2 protective layer 184, circular fine holes 185, and a square lattice period Λ186. The CrNb intermediate layer 182 is 50 nm thick, the Si: Nb cap layer 183 is 0.7 μm thick, the SiO 2 protective layer 184 is 20 nm thick, and the micropores have a square lattice period of 2.8 μm. The aperture shape of the micropores 185 is circular, the diameter D of the circle is 2.6 μm, and the depth t of the micropores is 3.0 μm. The Λ / D ratio (= 2.8 / 2.6) is 1.08, and the t / D ratio (= 3.0 / 2.6) is 1.15. The t_cap / t ratio (= 0.7 / 3.0) is 0.23. By putting 5 w% of Si in the Nb cap layer, a dense thermal oxide film of SiO 2 was formed on the surface of the Si: Ta cap layer. The melting point of Nb is 2469 ° C., and the melting point of Cr is 1860 ° C. Although the melting point of the CrNb intermediate layer 162 is slightly low at 1650 ° C. to 1770 ° C., since the light emitting structure of this embodiment is used at a relatively low temperature of about 300 ° C. to 700 ° C., the CrNb intermediate layer can be used. NbW is suitable for the intermediate layer when used at higher temperatures.

図29に第8の実施例の赤外線ガス検出器の断面図を示す。本実施例の赤外線ガス検出器は赤外線光源部190、回転チョッパ−198、測定セル部196、検出器部197を備えている。   FIG. 29 shows a cross-sectional view of the infrared gas detector of the eighth embodiment. The infrared gas detector of this embodiment includes an infrared light source unit 190, a rotary chopper 198, a measurement cell unit 196, and a detector unit 197.

赤外線光源部190はヒ−タ部192とこれに電力を供給する電線191、ヒータ部上に設けた光放射構造体193、光放射構造体193を挟んで回転チョッパ−198と反対側に設けたミラ−194及び光放射構造体193と測定セル部196の間に設けた波長選択フィルタ195を備える。回転チョッパ−198は赤外線光源部190と測定セル部196の間に位置し、同期モータ199で回転させる。測定セル部196は検出ガス導入部203、光路205及び検出ガス排出部204を備える。また検出器部197は前室200、後室201を有し、熱流量センサ202を持つ。   The infrared light source unit 190 is provided on the opposite side of the heating chopper 192 and the electric wire 191 for supplying electric power thereto, the light emitting structure 193 provided on the heater, and the rotating chopper 198 with the light emitting structure 193 interposed therebetween. A mirror 194 and a wavelength selection filter 195 provided between the light emitting structure 193 and the measurement cell unit 196 are provided. The rotary chopper 198 is located between the infrared light source unit 190 and the measurement cell unit 196 and is rotated by the synchronous motor 199. The measurement cell unit 196 includes a detection gas introduction unit 203, an optical path 205, and a detection gas discharge unit 204. The detector unit 197 has a front chamber 200 and a rear chamber 201, and has a heat flow sensor 202.

赤外線光源部190内部を減圧にすると、波長選択フィルタ195の寿命が高まる。検出ガスは、測定セル部196の検出ガス導入部203から導入され、検出ガス排出部204から排出される。本検出器は、赤外線光源部190を加熱して、波長選択フィルタ195で所望の波長の赤外光を発生させ、測定セル部196の測定ガスで吸収されて減衰した赤外光の強度を熱流量センサ202の抵抗変化から求めて、測定ガス濃度を算出する装置である。本実施例の装置の測定原理は非分散形赤外線吸収法(NDIR)であり、プロセス用のガス濃度分析計として用いられている。   When the inside of the infrared light source unit 190 is decompressed, the life of the wavelength selection filter 195 is increased. The detection gas is introduced from the detection gas introduction unit 203 of the measurement cell unit 196 and discharged from the detection gas discharge unit 204. The detector heats the infrared light source unit 190 to generate infrared light of a desired wavelength by the wavelength selection filter 195, and heats the intensity of the infrared light absorbed and attenuated by the measurement gas of the measurement cell unit 196. It is an apparatus which calculates | requires from the resistance change of the flow sensor 202, and calculates measurement gas concentration. The measurement principle of the apparatus of this embodiment is non-dispersive infrared absorption (NDIR), which is used as a gas concentration analyzer for a process.

以下に装置の動作原理を具体的に説明する。ヒ−タ部192で電気加熱された光放射構造体193から放出される赤外光は、波長選択フィルタ195で検出波長光が選択され、回転チョッパ−198によって、一定周期で断続される。その後、測定セル部196中の光路205を通過し、測定セル内に流す被測定ガスによりその一部を吸収され、検出器部197に到達する。検出器197は、前室200および後室201からなり、測定成分ガスと同じガスが封入されている。両室は、細い通路で結ばれ、その中間に熱流量センサ202が設置されている。検出器に到達した赤外線は、最初に前室でその一部を吸収された後、後室で残りを吸収される。前室・後室の封入ガスは、吸収量に比例して体積が膨張するので、両室で圧力上昇が生じる。その圧力差により両室を結ぶ通路に生じる微小なガスの流れを熱流量センサ202の抵抗変化で検出し、光の減衰量から媒質の吸光係数が分かるランベルト・ベーアの式により測定ガス濃度を算出する。
[効果の説明]
図30に本発明の第8の実施例の光放射構造体の熱放射スペクトル(600K)を示す。黒体放射は600Kでの計算値である。光放射構造体の放射強度はSiCの放射率で補正した。Nbキャップ層がないCrだけの同直径開口の光放射構造体の熱放射スペクトルはピーク波長が5μmでスペクトル幅が広い。本実施例の熱放射スペクトルは波長4.3μm付近に強いピークを有する半値幅4μmのスペクトルであった。
The operating principle of the device will be specifically described below. The infrared light emitted from the light emitting structure 193 electrically heated by the heater portion 192 is selected by the wavelength selection filter 195 and detected by the wavelength selection filter 195, and is interrupted at a constant cycle by the rotary chopper 198. Thereafter, the light passes through the optical path 205 in the measurement cell portion 196, is partially absorbed by the measurement gas flowing into the measurement cell, and reaches the detector portion 197. The detector 197 includes a front chamber 200 and a rear chamber 201, in which the same gas as the measurement component gas is enclosed. Both chambers are connected by a thin passage, and a heat flow sensor 202 is installed between them. The infrared rays reaching the detector are first absorbed in part in the antechamber, and then absorbed in the rear chamber. The volume of the enclosed gas in the front and rear chambers expands in proportion to the amount of absorption, so a pressure increase occurs in both chambers. The flow of minute gas generated in the passage connecting the two chambers by the pressure difference is detected by the resistance change of the heat flow sensor 202, and the measurement gas concentration is calculated by the Lambert-Beer equation in which the light absorption coefficient of the medium is known from the attenuation amount of light. Do.
[Description of effect]
The thermal radiation spectrum (600 K) of the light-emitting structure of the eighth embodiment of the present invention is shown in FIG. Blackbody radiation is a calculated value at 600K. The radiation intensity of the light emitting structure was corrected by the emissivity of SiC. The thermal emission spectrum of the light emitting structure of the same diameter aperture of Cr only without the Nb cap layer has a peak wavelength of 5 μm and a broad spectrum width. The thermal radiation spectrum of this example was a spectrum with a half width of 4 μm having a strong peak around a wavelength of 4.3 μm.

異種原子からなる分子は赤外線領域(2〜15μm波長帯)で、固有の波長の赤外線を吸収する性質を持っている。一酸化炭素(CO)は、4.7μm付近で、二酸化炭素(CO2)は、4.3μm付近に最も吸収の強い波長がある。本装置は波長選択フィルタを用い、4μm帯のガスの吸収波長の選択ができる。   Molecules composed of hetero atoms have the property of absorbing infrared rays of specific wavelengths in the infrared region (2 to 15 μm wavelength band). Carbon monoxide (CO) has a wavelength of the strongest absorption near 4.7 μm and carbon dioxide (CO 2) near 4.3 μm. This device uses a wavelength selection filter to select the absorption wavelength of 4 μm band gas.

本実施例の波長狭窄効果により、検出に有効な波長光を効率よく発生し、本実施例の赤外線ガス検出器でCO2やCOガスの数ppmの濃度を高感度で検出できる効果がある。本実施例により、中赤外の高価なレ−ザ素子を使わずに、安価な中赤外光源を提供できる。本実施例の熱放射構造体は、融雪効果の高い3〜4μm帯の光を放出するので、融雪装置の光源としても使える。キャップ層のNbは高融点金属の中では産出量が多い金属であり、量産により低コストにできる利点がある。   Due to the wavelength narrowing effect of the present embodiment, wavelength light effective for detection is efficiently generated, and the infrared gas detector of the present embodiment has the effect of being able to detect the concentration of several ppm of CO 2 or CO gas with high sensitivity. According to this embodiment, an inexpensive mid-infrared light source can be provided without using a mid-infrared expensive laser element. The heat radiation structure of this embodiment emits light in the 3 to 4 μm band, which has a high snow melting effect, and thus can be used as a light source for a snow melting apparatus. Nb in the cap layer is a metal with a large amount of production among high melting point metals, and there is an advantage that mass production can lower the cost.

波長3μm〜10μmの中赤外領域は、指紋波長領域と呼ばれ、官能基の吸収によりガスや分子を同定できる波長領域である。しかし中赤外領域には安価な光源がない。実際、半導体レ-ザ、LED発光素子の発光波長の多くは2.5μm以下であり、Er-YAG固体レ−ザの発光波長は2.9μm、炭酸ガスレ−ザの波長は10.6μmである。   The mid-infrared region with a wavelength of 3 μm to 10 μm is referred to as a fingerprint wavelength region, and is a wavelength region where a gas or a molecule can be identified by absorption of a functional group. However, there is no inexpensive light source in the mid-infrared region. In fact, most of the emission wavelengths of the semiconductor laser and the LED light emitting element are 2.5 μm or less, the emission wavelength of the Er-YAG solid laser is 2.9 μm, and the wavelength of the carbon dioxide gas laser is 10.6 μm.

量子カスケ−ドレ−ザ素子は中赤外領域に発振波長を有するが、高価な光源である。またスペクトル幅が非常に狭いため、発振波長をガス分子の吸収波長に合わせるのが難しい。結晶の非線形光学効果を用いた場合には、装置が大型化し、効率が著しく低下する問題がある。またタングステン回折格子エミッタは波長3μm以上の放射スペクトルが小さいため、中赤外光源として使えない。他の金属をエミッタとして用いた場合でも、ガス検知や分子同定のために中赤外領域だけを効率的に発光させることができないという問題があった。しかし本実施例によれば中赤外領域の光源を安価に提供することができる。
[製造方法の説明]
第8の実施例の光放射構造体は、第3の実施例の光放射構造体と同様の方法で製造できる。
[第9の実施例]
[構造の説明]
第9の実施例の光放射構造体は、波長0.4μm〜0.7μmの可視光波長帯域の光放射構造体であり、照明用のフィラメントに用いられる。図31に本発明の第9の実施例の光放射構造体を示す。第9の実施例の光放射構造体は、光放射構造体210、W結晶本体211、AgWキャップ層212、円形微細孔213、正方格子周期Λ214からなる。AgWキャップ層212のAgは20原子%〜30原子%濃度、層厚は0.2μmである。円形微細213の周期Λは0.36μm、開口形状は円形で、円の直径Dは0.24μm、微細孔の深さtは0.6μmである。Λ/D比(=0.36/0.24)は1.5、t/D比(=0.6/0.24)は2.5である。t_cap/t比(=0.2/0.6)は0.33である。キャップ層212の材料にはAgW代わりに、近赤外での放射率がより小さいAgTaを用いることもできる。
Quantum cascade laser devices have an oscillation wavelength in the mid-infrared region, but are expensive light sources. In addition, since the spectrum width is very narrow, it is difficult to adjust the oscillation wavelength to the absorption wavelength of gas molecules. When the non-linear optical effect of a crystal is used, there is a problem that the apparatus becomes large and the efficiency is significantly reduced. In addition, a tungsten diffraction grating emitter can not be used as a mid-infrared light source because its radiation spectrum with a wavelength of 3 μm or more is small. Even when other metals are used as the emitter, there is a problem that only the mid-infrared region can not be efficiently emitted for gas detection or molecular identification. However, according to this embodiment, the light source in the mid-infrared region can be provided inexpensively.
[Description of manufacturing method]
The light emitting structure of the eighth embodiment can be manufactured in the same manner as the light emitting structure of the third embodiment.
[The ninth embodiment]
[Description of structure]
The light emitting structure of the ninth embodiment is a light emitting structure of visible light wavelength band of wavelength 0.4 μm to 0.7 μm and is used for a filament for illumination. FIG. 31 shows the light emitting structure of the ninth embodiment of the present invention. The light emitting structure of the ninth embodiment comprises a light emitting structure 210, a W crystal main body 211, an AgW cap layer 212, circular fine holes 213, and a square lattice period Λ 214. Ag of the AgW cap layer 212 has a concentration of 20 atomic% to 30 atomic%, and the layer thickness is 0.2 μm. The period Λ of the circular fines 213 is 0.36 μm, the opening shape is circular, the diameter D of the circle is 0.24 μm, and the depth t of the fine holes is 0.6 μm. The Λ / D ratio (= 0.36 / 0.24) is 1.5, and the t / D ratio (= 0.6 / 0.24) is 2.5. The t_cap / t ratio (= 0.2 / 0.6) is 0.33. Instead of AgW, it is also possible to use AgTa having a smaller emissivity in the near infrared as the material of the cap layer 212.

図32に第9の実施例の白熱電球の断面図を示す。第9の実施例の白熱電球は、中心電極220、外部導入線221、口金222、マウント223、バルブ224、内部導入線225、光放射構造体フィラメント226、不活性ガス227、絶縁材228から成る。   FIG. 32 shows a cross sectional view of the incandescent lamp of the ninth embodiment. The incandescent lamp of the ninth embodiment comprises a center electrode 220, an external lead wire 221, a base 222, a mount 223, a bulb 224, an internal lead wire 225, a light emitting structure filament 226, an inert gas 227 and an insulating material 228. .

光放射構造体フィラメント226のサイズは長さ10mm、幅4mm、奥行き幅1.5mmである。光放射構造体フィラメント226の表面には、第9の実施例の光放射構造体210が形成されている。バルブ224内部にArやKrやXeなどの不活性ガス227が封入されているために、通電によりフィラメントを2500℃程度に加熱した際にも、光放射構造体は酸化されない。なおバルブ224内に不活性ガスを封入せず真空にしてもよい。
[効果の説明]
波長0.7μmでの放射率はW板で0.5、AgW板で0.2、AgTa板で0.1以下である。AgWやAgTaをキャップ層に用いることで、波長0.7μm以上の赤外光の放射率を0.3以下に抑制できる。Wは可視域で0.5以上の高い放射率があるので、加熱時に光放射構造体フィラメントに形成された微小開口から強い可視光放射が得られる。Agを添加することで可視域での反射率を更に上げることができ、白色電球のフィラメントが得られる。
The size of the light emitting structure filament 226 is 10 mm long, 4 mm wide, and 1.5 mm deep. The light emitting structure 210 of the ninth embodiment is formed on the surface of the light emitting structure filament 226. Since the inert gas 227 such as Ar, Kr or Xe is enclosed inside the bulb 224, the light emitting structure is not oxidized even when the filament is heated to about 2500 ° C. by energization. The inert gas may not be sealed in the valve 224 and vacuum may be applied.
[Description of effect]
The emissivity at a wavelength of 0.7 μm is 0.5 for the W plate, 0.2 for the AgW plate, and 0.1 or less for the AgTa plate. By using AgW or AgTa for the cap layer, the emissivity of infrared light having a wavelength of 0.7 μm or more can be suppressed to 0.3 or less. Since W has a high emissivity of 0.5 or more in the visible region, strong visible light radiation can be obtained from the minute apertures formed in the light emitting structure filament upon heating. By adding Ag, the reflectance in the visible region can be further increased, and a filament of a white light bulb can be obtained.

図33に第9の実施例の光放射構造体の熱放射スペクトル(2500℃)を示す。ピーク波長は0.6μmで、その波長での放射率は0.95であった。本実施例の電球の波長0.4〜0.75μmの可視光の放射エネルギーは、全体の72%であった。これまで難しかった1μm以上の波長光の放射を効果的に抑制できた。本実施例の白熱電球では105ルーメン/Wのランプ効率が得られた。この効率は、白熱電球の15ルーメン/Wの7倍、蛍光灯やLED電球と同程度の値に相当する。本実施例の白熱電球は、蛍光灯やLED電球とは異なり、波長成分が連続的であるため、照明に適した自然な光である。赤成分が強いのでオフィス用よりは家庭用や飲食業務用の照明に適している。   FIG. 33 shows the thermal emission spectrum (2500 ° C.) of the light emitting structure of the ninth example. The peak wavelength was 0.6 μm and the emissivity at that wavelength was 0.95. The radiant energy of visible light with a wavelength of 0.4 to 0.75 μm of the light bulb of this example was 72% of the total. It was possible to effectively suppress the radiation of wavelength light of 1 μm or more, which was difficult until now. The incandescent lamp of this example provided a lamp efficiency of 105 lumens / W. This efficiency corresponds to 7 times 15 lumens / W of incandescent light bulbs, a value similar to that of fluorescent lights and LED light bulbs. Unlike the fluorescent lamp and the LED bulb, the incandescent lamp of the present embodiment is a natural light suitable for illumination since the wavelength component is continuous. Because the red component is strong, it is more suitable for lighting for home use and food service than for office use.

特許文献4「白熱電球およびフィラメント」には、表面に多数の微細孔を形成したタングステンをフィラメントに用いた白熱電球が記載されている。このフィラメントは通電時の電気抵抗により加熱される。真空封止されているために、フィラメントの酸化は防止できる。これにより波長1.4μm以上の赤外光の放射を抑制できるので、白熱電球の効率が向上するという。さらなる照明の効率向上のためには、波長0.7μm以上の赤外光の放射を抑制できることが望ましい。しかし図39から分かるようにタングステン単体では波長0.7〜1.4μmの赤外光の放射を抑制することはできないという問題があった。本実施例では前述のように波長0.7μm以上の赤外光の放射率を抑制できる。
[製造方法の説明]
AgWはW結晶基板の両面にスパッタリングで形成する。これまでと同様の方法で、開口直径0.24μmのパタ-ニングを行い、ドライエッチングで光放射構造体を表面に形成する。裏面にも同様のプロセスで光放射構造体を表面に形成する。光放射構造体ウエハをフィラメントに用いる上記のサイズに切断してカットして内部に接続用の孔を開け、内部導入端子に接続してフィラメントを形成する。得られたフィラメントを白熱電球の中に設置し、不活性ガスで封止して本実施例の白熱電球を製造する。
Patent Document 4 "Incandescent Light Bulbs and Filaments" describes an incandescent light bulb that uses tungsten having a large number of fine holes formed on its surface as a filament. This filament is heated by the electrical resistance at the time of energization. The vacuum sealing prevents oxidation of the filament. As a result, radiation of infrared light with a wavelength of 1.4 μm or more can be suppressed, and the efficiency of the incandescent lamp is said to be improved. In order to further improve the efficiency of illumination, it is desirable to be able to suppress the emission of infrared light having a wavelength of 0.7 μm or more. However, as can be seen from FIG. 39, there is a problem that the radiation of infrared light with a wavelength of 0.7 to 1.4 μm can not be suppressed with tungsten alone. In the present embodiment, as described above, the emissivity of infrared light having a wavelength of 0.7 μm or more can be suppressed.
[Description of manufacturing method]
AgW is formed on both sides of the W crystal substrate by sputtering. In the same manner as above, patterning is performed with an opening diameter of 0.24 μm, and a light emitting structure is formed on the surface by dry etching. The light emitting structure is formed on the front surface by the same process as the back surface. The light emitting structure wafer is cut into the above-mentioned size used for the filament and cut to open a connecting hole inside, and connected to the internal introduction terminal to form the filament. The resulting filament is placed in an incandescent lamp and sealed with an inert gas to produce the incandescent lamp of this example.

以上の実施例の基本構造と材料について整理した。図34に非特許文献5と本発明の光放射構造体の9種類の実施例の材料と構造と用途を示す。材料に関しては、光放射構造体の本体、中間層、キャップ層、保護膜の材料について記載した。構造に関しては、光放射構造体の周期構造と周期について記載した。スペクトルは光放射構造体を1100℃の温度に加熱した時の放射スペクトルのピ−ク波長を記載した。主な用途としてはTPV装置とガス検知器と白熱電球を記載した。
[その他の実施例]
図35に本発明の光放射構造体のその他の実施例の材料と構造を示す。これらの光放射構造体はTPV装置用途で1.6μm帯の放射スペクトルを有する、光放射構造体の本体、中間層、キャップ層、保護膜の材料の組み合わせの例である。熱膨張係数の調整によるキャップ層の剥れ防止のために、中間層は本体とキャップ層の材料から成ることが多い。実施例においては、中間層の融点が本体より低下しないように、本体とキャップ層の組み合わせを選択した。本実施例の光放射構造体は安定な酸化膜に覆われているので、多くは大気中で1100℃以上の高温に耐える。酸化膜は赤外で透明なため本実施例の放射スペクトルの狭窄効果を妨げない。あるいは本体が高融点金属である場合、その高融点金属にRe、Os、Ir、Pt、Auなどを微小量添加することで、延性や強度を上げてもよい。これらの実施例の光放射構造体は、安価な材料で長寿命なTPV発電用のエミッタを提供できる。また同じ材料でも構造を変えることで、他の波長帯の放射が得られる。以下にその他の実施例について述べる。
The basic structure and materials of the above embodiments are organized. FIG. 34 shows the materials, structures and uses of non-patent document 5 and nine examples of the light emitting structure of the present invention. With respect to the materials, the materials of the main body of the light emitting structure, the intermediate layer, the cap layer and the protective film have been described. Regarding the structure, the periodic structure and the period of the light emitting structure are described. The spectrum describes the peak wavelength of the emission spectrum when the light emitting structure is heated to a temperature of 1100 ° C. The main applications are TPV devices, gas detectors and incandescent bulbs.
[Other embodiments]
FIG. 35 shows the material and structure of another embodiment of the light emitting structure of the present invention. These light emitting structures are an example of a combination of materials of the main body, the intermediate layer, the cap layer, and the protective film of the light emitting structure having a 1.6 μm band emission spectrum for TPV device application. In order to prevent peeling of the cap layer by adjusting the thermal expansion coefficient, the intermediate layer often consists of the material of the body and the cap layer. In the examples, the combination of the main body and the cap layer was selected so that the melting point of the intermediate layer was not lower than that of the main body. Since the light emitting structure of this embodiment is covered with a stable oxide film, many withstand high temperatures of 1100 ° C. or more in the atmosphere. Since the oxide film is transparent in the infrared, it does not interfere with the narrowing effect of the radiation spectrum of this embodiment. Alternatively, when the main body is a high melting point metal, the ductility and the strength may be increased by adding a small amount of Re, Os, Ir, Pt, Au or the like to the high melting point metal. The light emitting structure of these embodiments can provide an inexpensive material and a long-lived emitter for TPV power generation. Also, by changing the structure of the same material, radiation of other wavelength bands can be obtained. Other embodiments will be described below.

実施例10は、Ni:Cr本体、Cr2Ta中間層、Si:Taキャップ層、SiO2保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。Ni:Cr本体はCrに5(原子%)のNi(ニッケル)を加えたものであり、本体の粘り強さを高める。Ni以外にFe、Co、Cuなどの元素を加えてもよい。Cr2Ta中間層は本体とキャップ層の剥れを抑制する機能がある。Si:Taキャップ層はTaに6(原子%)のSiを含ませることで、SiO2の熱酸化膜が形成される。Ni:Cr本体にはCr2O3の熱酸化膜が形成される。   Example 10 is a light emitting structure having micropores of circular openings arranged in a triangular lattice having a Ni: Cr main body, a Cr2Ta intermediate layer, a Si: Ta cap layer, and a SiO2 protective layer. Ni: Cr main body is Cr (Ni (nickel) added with 5 (at%)) to increase the toughness of the main body. In addition to Ni, an element such as Fe, Co, or Cu may be added. The Cr2Ta intermediate layer has a function to suppress peeling between the main body and the cap layer. The Si: Ta cap layer contains Si of 6 (atomic%) in Ta, thereby forming a thermal oxide film of SiO2. A thermal oxide film of Cr2O3 is formed on the Ni: Cr main body.

実施例11は、Ni:Cr本体、CrW中間層、Al:Wキャップ層、Al2O3保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。中間層の材料であるCrWの融点はCrの融点1860℃とWの融点3420℃の中間の2640℃になる。CrWの融点はCr組成の上昇とともにほぼ線形に増大するため、使い易い中間層である。
Al:Wキャップ層はWに5%のAlを含む。12%以上のAlを含むとAlWの融点は1650℃に急激に低下するので、Al濃度は10%以内に制御する。
Example 11 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a Ni: Cr main body, a CrW intermediate layer, an Al: W cap layer, and an Al2O3 protective layer. The melting point of CrW, which is the material of the intermediate layer, is 2640 ° C., which is intermediate between the melting point 1860 ° C. of Cr and the melting point 3420 ° C. of W. Since the melting point of CrW increases almost linearly with the increase of the Cr composition, it is an easy-to-use intermediate layer.
Al: W cap layer contains 5% Al in W. Since the melting point of AlW drops sharply to 1650 ° C. when it contains 12% or more of Al, the Al concentration is controlled to within 10%.

実施例12は、Cr本体、CrMo中間層、Si:Moキャップ層、SiO2保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。高融点金属であるMo(融点1623℃)は波長1.6μm以上で放射率が0.1より小さくなるので、本実施例の光放射構造体のキャップ層にMoを用いることで、放射スペクトルの狭窄効果が得られる。中間層に用いられるCrMoの融点は2000℃であり、Crの融点1863℃より高い。CrMo中間層は高温時のCrとMoの相互拡散を抑制する効果がある。中間層の材料であるCrMoはCr濃度10(原子%)で融点が40℃ほど低下するが、Cr濃度がそれ以上に増えるにつれて、CrMoの融点は増大する。Moの熱膨張係数は、5.2〜6.0×10−6(1/K)(100℃〜1200℃)であり、Crの熱膨張係数の半分程度である。高温時にはCrとMoの界面に応力が生じるが、CrMo中間層はCrとMoの応力を緩和して、Si:Moキャップ層の剥れを防止する効果がある。   Example 12 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a triangular lattice shape having a Cr main body, a CrMo intermediate layer, a Si: Mo cap layer, and a SiO 2 protective layer. Since Mo (melting point 1623 ° C.), which is a high melting point metal, has an emissivity smaller than 0.1 at a wavelength of 1.6 μm or more, the use of Mo for the cap layer of the light emitting structure of this example results in a narrowing effect of the emission spectrum. can get. The melting point of CrMo used in the intermediate layer is 2000 ° C., which is higher than the melting point 1863 ° C. of Cr. The CrMo intermediate layer has the effect of suppressing the interdiffusion of Cr and Mo at high temperatures. The material of the intermediate layer, CrMo, has a melting point lowered by 40 ° C. at a Cr concentration of 10 (atomic%), but as the Cr concentration is further increased, the melting point of CrMo increases. The thermal expansion coefficient of Mo is 5.2 to 6.0 × 10 −6 (1 / K) (100 ° C. to 1200 ° C.), which is about half the thermal expansion coefficient of Cr. Although a stress is generated at the interface of Cr and Mo at high temperature, the CrMo intermediate layer has an effect of alleviating the stress of Cr and Mo to prevent the peeling of the Si: Mo cap layer.

実施例13は、Cr本体、CrNb中間層、Cr:Nbキャップ層、Cr2O3保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。Nbの平板の放射率スペクトルはTaについで小さい。高融点金属であるNbは波長1.3μm以上で放射率が0.1以下になるので、本実施例の光放射構造体のキャップ層にNbを用いることで、放射スペクトルの狭窄効果が得られる。Nbの熱膨張係数は、7.0〜9.2×10−6(1/K)(100℃〜1200℃)であり、Crの熱膨張率7.0〜12×10−6(1/K)(100℃〜1200℃)に近い。従って高温時のNbキャップ層とCr本体と間にかかる応力が比較的小さいため、Nbキャップ層が剥れにくい。Nbは他の高融点金属より地中存在比が1桁高いため、量産によるコスト低減が可能な高融点金属である。CrNbの融点は1620℃であり、Cr(1863℃)より融点が低いため、使用温度が1500℃以下に制限される。中間層にWを用いると、WとNb、あるいはWとCrは相互拡散による融点降下が生じない。   Example 13 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a Cr main body, a CrNb intermediate layer, a Cr: Nb cap layer, and a Cr2O3 protective layer. The emissivity spectrum of the Nb flat plate is next to Ta. The emissivity of Nb, which is a refractory metal, becomes 1.3 or less at a wavelength of 1.3 μm or more, the use of Nb in the cap layer of the light emitting structure of this embodiment provides a narrowing effect of the radiation spectrum. The thermal expansion coefficient of Nb is 7.0 to 9.2 × 10 −6 (1 / K) (100 ° C. to 1200 ° C.), and the thermal expansion coefficient of Cr is 7.0 to 12 × 10 −6 (1 / K) (100 ° C. to Close to 1200 ° C). Therefore, since the stress applied between the Nb cap layer and the Cr main body at a high temperature is relatively small, the Nb cap layer is hardly peeled off. Nb is a refractory metal whose cost can be reduced by mass production because Nb is higher in ground presence ratio by one digit than other refractory metals. The melting point of CrNb is 1620 ° C., which is lower than that of Cr (1863 ° C.), so the use temperature is limited to 1500 ° C. or less. When W is used in the intermediate layer, melting point depression does not occur due to mutual diffusion between W and Nb, or W and Cr.

実施例14は、Cr:V本体、TaV中間層、V:Taキャップ層、V2O3保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。Cr:V本体はV(バナジウム)に6w%のCrを加えたものである。Vの融点は1916℃と高い。Vは1.6μm〜1.7μmにおいてWと同等の放射率を有する。V本体とTaキャップ層により、放射スペクトルの狭窄効果が得られる。VはWより安価で加工しやすい。TaとVは相互拡散で融点降下を生じないので、TaV中間層は安定である。Taの熱膨張係数は、6.5〜7.3×10−6(1/K)(100℃〜1200℃)であり、Vの熱膨張係数8.4〜9.2×10−6(1/K)(100℃〜1200℃)よりやや小さい。高温でTaキャップ層に弱い引っ張り応力がかかる。TaV中間層は中間の熱膨張係数を有するので、応力を緩和し、Taの密着性を高める効果がある。V:Taキャップ層はTaに5%のVを加えたものであり、加熱時にV2O3層を形成する。V2O3保護層は安定で粘り強い酸化膜である特徴を有する。Vの放射率はCrに較べると小さいので、V本体に形成する微小孔の深さはCr本体の場合より大きくする。   Example 14 is a light emitting structure having micropores of circular openings arranged in a triangular lattice having a Cr: V body, a TaV intermediate layer, a V: Ta cap layer, and a V2O3 protective layer. Cr: V body is V (vanadium) plus 6 w% of Cr. The melting point of V is as high as 1916 ° C. V has an emissivity equivalent to W at 1.6 μm to 1.7 μm. The V body and the Ta cap layer provide a narrowing effect on the emission spectrum. V is cheaper than W and easier to process. The TaV intermediate layer is stable because Ta and V do not cause melting point depression due to mutual diffusion. The thermal expansion coefficient of Ta is 6.5 to 7.3 × 10 −6 (1 / K) (100 ° C. to 1200 ° C.), and the thermal expansion coefficient of V is 8.4 to 9.2 × 10 −6 (1 / K) (100 ° C. to Slightly less than 1200 ° C). Weak tensile stress is applied to the Ta cap layer at high temperature. Since the TaV intermediate layer has an intermediate thermal expansion coefficient, it has the effect of relieving stress and enhancing the adhesion of Ta. V: Ta cap layer is Ta plus 5% V, and forms a V2O3 layer when heated. The V2O3 protective layer is characterized by being a stable and tenacious oxide film. Since the emissivity of V is smaller than that of Cr, the depth of the micropores formed in the V body is made larger than that of the Cr body.

実施例15は、V本体、VNb中間層、Cr:Nbキャップ層、Cr2O3保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。Nbの熱膨張係数7.0〜9.2×10−6はVの熱膨張係数8.4〜9.2×10−6と同程度であるため、Cr:Nbキャップ層が剥れにくい利点がある。V濃度30w%のVNbの融点は1860℃であり、V(融点1910℃)より小さい。V濃度50w%以上のVNbの融点はVの融点より大きい。Cr:Nbキャップ層はNbに5w%のCrを加えたものである。加熱時にCr:Nbキャップ層の表面にCr2O3保護層が形成される。   Example 15 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a V body, a VNb intermediate layer, a Cr: Nb cap layer, and a Cr2O3 protective layer. Since the thermal expansion coefficient of Nb 7.0 to 9.2 × 10 -6 is approximately the same as the thermal expansion coefficient of V 8.4 to 9.2 × 10 -6, there is an advantage that the Cr: Nb cap layer is difficult to peel off. The melting point of VN concentration 30 w% of VNb is 1860 ° C., which is smaller than V (melting point 1910 ° C.). The melting point of VN 50 wt% or more of VNb is greater than the melting point of V. Cr: Nb cap layer is Nb plus 5 w% Cr. When heated, a Cr2O3 protective layer is formed on the surface of the Cr: Nb cap layer.

実施例16は、V本体、VMo中間層、Moキャップ層、MgO保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。VMo中間層の融点は2100℃である。VMoの融点はMo濃度にほぼ比例して増大する。Moの熱膨張係数5.2〜6.0×10−6はVの熱膨張係数8.4〜9.2×10−6に較べて小さいので、VMo中間層をやや厚めに形成すると、Moキャップ層が剥れにくい。MgOは融点が2850℃と高く、緻密に形成できると酸化耐性が高い優れた保護膜となる。   Example 16 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a triangular lattice having a V body, a VMo intermediate layer, an Mo cap layer, and an MgO protective layer. The melting point of the VMo interlayer is 2100 ° C. The melting point of VMo increases almost in proportion to the Mo concentration. The thermal expansion coefficient of Mo of 5.2 to 6.0 × 10 -6 is smaller than the thermal expansion coefficient of V of 8.4 to 9.2 × 10 -6. Therefore, when the VMo intermediate layer is formed to be slightly thick, the Mo cap layer is not easily peeled off. MgO has a high melting point of 2850 ° C., and if it can be formed densely, it becomes an excellent protective film with high oxidation resistance.

実施例17は、Cr:Zr本体、TaZr中間層、Cr:Taキャップ層、Cr2O3保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。実施例17はZr本体とTaキャップ層を用い、Cr2O3で保護した構成である。Cr:Zr本体はZrにCrを4w%加えたものであり、加熱時にCr2O3熱酸化膜を形成する。Zrの熱膨張係数は5.7〜7×10−6であり、Ta の熱膨張係数6.5〜7.3×10−6とほぼ等しい。Zrの融点は1855℃、Taの融点は3020℃であるが、Zrが10%入るとTaZrの融点2000℃に低下する。10w%以上のZr濃度のTaZrの融点はZrの融点に等しくなる。高温で使う場合は、TaZr中間層のZr濃度を5w%程度にして密着性を保持する。Cr:Taキャップ層はCrを5w%含むTaである。   Example 17 is a light emitting structure having circular apertures micropores arranged in a square lattice shape having a Cr: Zr main body, a TaZr intermediate layer, a Cr: Ta cap layer, and a Cr2O3 protective layer. Example 17 is the structure protected by Cr2O3 using a Zr main body and a Ta cap layer. The Cr: Zr main body is obtained by adding 4 w% of Cr to Zr, and forms a Cr2 O3 thermal oxide film upon heating. The thermal expansion coefficient of Zr is 5.7 to 7.times.10@-6, which is approximately equal to the thermal expansion coefficient of Ta of 6.5 to 7.3.times.10@-6. The melting point of Zr is 1855 ° C., and the melting point of Ta is 3020 ° C. However, when 10% of Zr is contained, the melting point of TaZr falls to 2000 ° C. The melting point of TaZr having a Zr concentration of 10 w% or more is equal to the melting point of Zr. When used at high temperature, the Zr concentration of the TaZr intermediate layer is set to about 5 w% to maintain adhesion. Cr: Ta The cap layer is Ta containing 5 w% of Cr.

実施例18は、Zr本体、TaZr中間層、Zr:Taキャップ層、ZrO2保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。実施例18はZr本体とTaキャップ層を用い、緻密な膜質のZrO2で保護した構成である。ZrとTaだけで形成できる利点がある。   Example 18 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a triangular lattice shape having a Zr main body, a TaZr intermediate layer, a Zr: Ta cap layer, and a ZrO2 protective layer. Example 18 is a configuration in which a Zr body and a Ta cap layer are used and protected by a dense film of ZrO2. There is an advantage that it can be formed only by Zr and Ta.

実施例19は、Zr本体、ZrNb中間層、Ca:Nbキャップ層、CaO保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。実施例18はZr本体とNbキャップ層を用い、CaO保護層を用いた。   Example 19 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a Zr body, a ZrNb intermediate layer, a Ca: Nb cap layer, and a CaO protective layer. Example 18 used a CaO protective layer, using a Zr main body and an Nb cap layer.

Zrの熱膨張係数は5.7〜7×10−6であり、Nbの熱膨張係数7.0〜9.2×10−6より小さい。Nbキャップ層には圧縮歪がかかるため、ZrNb中間層を入れることで、高温でもキャップ層が剥れない。ZrNbはNb濃度が20w%で1740℃に低下するが、Nb濃度が50w%のZrNbはZr(1655℃)と同等の融点を持つので、相互拡散を抑制できる。CaOは融点が2570℃と高く、緻密に形成できると酸化耐性が高い優れた保護膜となる。   The thermal expansion coefficient of Zr is 5.7 to 7 × 10 -6, and the thermal expansion coefficient of Nb is smaller than 7.0 to 9.2 × 10 -6. Since a compressive strain is applied to the Nb cap layer, the cap layer can not be peeled even at high temperature by adding the ZrNb intermediate layer. ZrNb decreases to 1740 ° C. at an Nb concentration of 20 w%, but since ZrNb having a Nb concentration of 50 w% has a melting point equivalent to that of Zr (1655 ° C.), mutual diffusion can be suppressed. CaO has a high melting point of 2570 ° C., and if it can be densely formed, it becomes an excellent protective film having high oxidation resistance.

実施例20は、Hf本体、ZrHf中間層、Mg:Zrキャップ層、MgO保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。Hfは比較的高価な金属であるが、融点が2230℃と高く、熱放射率が大きい特徴があるので、本実施例の光放射構造体の本体に用いることができる。ZrHfは、融点降下がなく、Zr濃度に対して線形に融点が上昇する。Mg:Zrキャップ層はMgを5%加えたZrであり、加熱時にMgO保護層を形成する。Hf本体は加熱時に耐食性のHf2O5酸化膜を形成する。キャップ層にはZrの他にTaやWが使え、TaHfやWHfの中間層に融点降下がない。   Example 20 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a triangular lattice having an Hf body, a ZrHf intermediate layer, an Mg: Zr cap layer, and an MgO protective layer. Although Hf is a relatively expensive metal, it has a high melting point of 2230 ° C. and a large thermal emissivity, so it can be used for the main body of the light emitting structure of this embodiment. There is no melting point depression in ZrHf, and the melting point rises linearly with the Zr concentration. The Mg: Zr cap layer is Zr to which 5% of Mg is added, and forms a MgO protective layer upon heating. The Hf body forms a corrosion resistant Hf2O5 oxide film when heated. In addition to Zr, Ta and W can be used for the cap layer, and there is no melting point drop in the intermediate layer of TaHf and WHf.

実施例21は、MoSi2本体、Mo3Si中間層、MoTaキャップ層、SiO2保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。MoSi2の電気伝導度は4.6×106(1/Ωm)であり、Vに近い。MoSi2は赤外波長での熱放射を有するために光放射構造体に用いることができる。MoSi2の融点は2293℃で、熱膨張係数は8.2×10-6である。MoTaの熱膨張係数は、6.0〜6.7×10−6(100℃〜1200℃)であり、MoSi2よりやや小さい。MoTaには引っ張り歪が生じる。Mo3Si中間層を挿入することにより、応力を緩和できる。Moの剥れを防ぐために、1200℃以下で使う。Mo3Si中間層の融点は2020℃と高いため、MoTaキャップ層へのSiの拡散を抑制する。   Example 21 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a MoSi2 main body, a Mo3Si intermediate layer, a MoTa cap layer, and a SiO2 protective layer. The electrical conductivity of MoSi 2 is 4.6 × 10 6 (1 / Ωm), close to V. MoSi2 can be used in light emitting structures because it has thermal radiation at infrared wavelengths. The melting point of MoSi 2 is 2293 ° C., and the thermal expansion coefficient is 8.2 × 10 −6. The thermal expansion coefficient of MoTa is 6.0 to 6.7 × 10 −6 (100 ° C. to 1200 ° C.), which is slightly smaller than MoSi 2. Tensile strain occurs in MoTa. The stress can be relaxed by inserting the Mo3Si intermediate layer. Use at 1200 ° C or less to prevent peeling of Mo. Since the melting point of the Mo3Si intermediate layer is as high as 2020 ° C., the diffusion of Si into the MoTa cap layer is suppressed.

実施例22は、ZrSi2本体、MoZrSi2中間層、Si:Moキャップ層、SiO2保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。ZrSi2の電気伝導度は1.3×106(1/Ωm)である。ZrSi2も赤外波長での熱放射を有するために光放射構造体に用いることができる。ZrSi2の融点は1793℃である。ZrSi2は高温で表面にSiO2熱酸化膜を形成するので酸化耐性が高い。Si:Moキャップ層はMoに5w%のSiを加えたものであり、高温で表面にSiO2熱酸化膜を形成する。   Example 22 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a triangular lattice shape having a ZrSi2 main body, a MoZrSi2 intermediate layer, a Si: Mo cap layer, and a SiO2 protective layer. The electrical conductivity of ZrSi 2 is 1.3 × 10 6 (1 / Ωm). ZrSi2 can also be used in light emitting structures as it has thermal radiation at infrared wavelengths. The melting point of ZrSi2 is 1793 ° C. Since ZrSi2 forms a SiO2 thermal oxide film on the surface at high temperature, its oxidation resistance is high. The Si: Mo cap layer is formed by adding 5 w% of Si to Mo, and forms a thermally oxidized SiO2 film on the surface at a high temperature.

実施例23は、本体WSi2体、MoWSi2中間層、Si:Moキャップ層、SiO2保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。WSi2の融点は2430℃である。WSi2の電気伝導度は80×106(1/Ωm)と高く、赤外波長での熱放射率が高いため、光放射構造体の本体に適した材料である。WSi2の硬度はWCの1/3程度なので加工しやすい。WSi2も高温で表面にSiO2熱酸化膜を形成するので酸化耐性が高い。   Example 23 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a main body WSi2 body, a MoWSi2 intermediate layer, a Si: Mo cap layer, and a SiO2 protective layer. The melting point of WSi2 is 2430.degree. The electrical conductivity of WSi2 is as high as 80 × 10 6 (1 / Ωm), and the thermal emissivity at infrared wavelengths is high, so it is a material suitable for the main body of the light emitting structure. The hardness of WSi2 is about 1/3 of WC, so it is easy to process. Since WSi2 also forms a SiO2 thermal oxide film on the surface at high temperature, the oxidation resistance is high.

実施例24は、TiB2本体、Cr2Ta中間層、Taキャップ層、SiO2保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。TiB2の電気伝導度は11.1×106(1/Ωm)と高く、赤外波長での熱放射率が高いため、光放射構造体の本体に適した材料である。TiB2(二ホウ化チタン)はTiCと同程度に硬く、軽い特徴がある。TiB2の融点は3060℃であり、Ta(融点3020℃)と同程度の融点である。TiB2は加熱時に表面にTiO2の緻密な熱酸化膜が形成されるために、耐酸化性が高い。TiB2はTiCより硬い材料であるためTaとの密着性は高い。TiB2の成膜は、TiB2のターゲットを用いてマグネトロン・スパッタリング法で行うことができる。TiB2のターゲットは、焼結したTiB2をモリブデンや銅のバックプレートにインジウムでボンディングして製造される。これによってTiB2が破損しにくくなる。   Example 24 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a triangular lattice shape having a TiB2 main body, a Cr2Ta intermediate layer, a Ta cap layer, and a SiO2 protective layer. The electrical conductivity of TiB2 is as high as 11.1.times.10@6 (1 / .OMEGA.m), and the thermal emissivity at infrared wavelengths is high, so it is a material suitable for the main body of the light emitting structure. TiB2 (titanium diboride) is as hard and light as TiC. The melting point of TiB 2 is 3060 ° C., which is similar to that of Ta (melting point 3020 ° C.). TiB2 has high oxidation resistance because a dense thermal oxide film of TiO2 is formed on the surface when it is heated. Since TiB2 is a harder material than TiC, its adhesion to Ta is high. The film formation of TiB 2 can be performed by a magnetron sputtering method using a TiB 2 target. The target of TiB2 is manufactured by bonding sintered TiB2 to a molybdenum or copper back plate with indium. This makes TiB2 less likely to be damaged.

実施例25は、CrB2本体、Cr2Ta中間層、Cr:Taキャップ層、Cr2O3保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。Cr2O3の融点は2435℃である。CrB2の融点は2470℃であり、Crの融点1863℃より高い。CrB2の電気伝導度は3.3×106(1/Ωm)と高く、赤外波長での熱放射率が高いため、光放射構造体の本体に適した材料である。但しCrB2はTaCより硬いので、切断の加工費がかかる。   Example 25 is a light emitting structure having micropores of circular openings arranged in a square lattice shape having a CrB2 main body, a Cr2Ta intermediate layer, a Cr: Ta cap layer, and a Cr2O3 protective layer. The melting point of Cr 2 O 3 is 2435 ° C. The melting point of CrB2 is 2470 ° C., which is higher than the melting point 1863 ° C. of Cr. The electrical conductivity of CrB2 is as high as 3.3.times.10@6 (1 / .OMEGA.m), and the thermal emissivity at infrared wavelengths is high, making it a material suitable for the main body of the light emitting structure. However, since CrB2 is harder than TaC, processing costs for cutting are high.

実施例26は、ZrB2本体、Cr2Ta中間層、Cr:Taキャップ層、Cr2O3保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。ZrB2の電気伝導度は10.3×106(1/Ωm)と高く、赤外波長での熱放射率が高いため、光放射構造体の本体に適した材料である。ZrB2の融点は3470℃であり、Wと同程度の融点を有する。Cr:Taキャップ層は5w%のCrを含み、加熱時にCr2O3保護層が形成される。ZrB2本体は加熱時にZrO2熱酸化膜が形成される。高融点かつ高い酸化耐性を有する光放射構造体なので、高出力なエミッタが得られる。光放射構造体用のホウ化物としては、TaB2、VB2などが利用可能である。   Example 26 is a light emitting structure having micropores of circular openings arranged in a triangular lattice having a ZrB2 main body, a Cr2Ta intermediate layer, a Cr: Ta cap layer, and a Cr2O3 protective layer. The electrical conductivity of ZrB 2 is as high as 10.3 × 10 6 (1 / Ωm), and the thermal emissivity at infrared wavelengths is high, so it is a material suitable for the main body of the light emitting structure. The melting point of ZrB 2 is 3470 ° C. and has a melting point comparable to that of W. Cr: Ta cap layer contains 5 w% of Cr and forms a Cr2O3 protective layer upon heating. When the ZrB2 body is heated, a ZrO2 thermal oxide film is formed. As a light emitting structure having a high melting point and high oxidation resistance, a high power emitter can be obtained. As borides for light emitting structures, TaB2, VB2, etc. can be used.

実施例27は、CrN/Cr本体、Cr2Ta中間層、Si:Taキャップ層、SiO2保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。CrNはCrの表面を比較的厚く窒化することで得られる。CrNはCrAlNと同様に1100℃まで酸化しない。それ以上の温度では、表面にCr2O3熱酸化膜を形成する。   Example 27 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a CrN / Cr main body, a Cr2Ta intermediate layer, a Si: Ta cap layer, and a SiO2 protective layer. CrN is obtained by relatively thick nitriding the surface of Cr. CrN does not oxidize to 1100 ° C. like CrAlN. At temperatures higher than that, a Cr2O3 thermal oxide film is formed on the surface.

実施例28は、Al:TiN本体、TiNb中間層、Nbキャップ層、Nb2O5保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。Tiの融点は1670℃であるのに対し、TiNの融点は3223℃と高い。TiNは、SiCやSi3N4等と同じく共有結合性物質であり、一般に焼結が難しい。TiNの緻密な焼結体は、金属粉末、あるいはTiO2、Al2O3、Ta2O5、Nb2O5、WO3などの金属酸化物などの焼結助剤を用いる。本実施例のAl:TiN本体は5w%のAlを添加したTiNである。焼結法は、例えば、窒素圧力50MPaにおいて、100℃/分の速さで1700℃まで通電昇温し、30分間保持した後、100℃/分の速さで降温して加圧焼結する。Al:TiNは表面にAl2O3熱酸化膜が形成され、1100℃の温度耐える。Al:TiNは軽量かつ美しい金属光沢を示す。保護層であるNb2O3の融点は1520℃で安定な酸化物であり、熱酸化でも容易に形成できる。Nb2O3の代わりにAl2O3やCr2O3を保護層に用いることもできる。光放射構造体用の窒化化物としては、ZrN、TaN、VN、NbNなどが利用可能である。   Example 28 is a light emitting structure having micropores of circular openings arranged in a triangular lattice having an Al: TiN main body, a TiNb intermediate layer, an Nb cap layer, and an Nb2O5 protective layer. While the melting point of Ti is 1670 ° C., the melting point of TiN is as high as 3223 ° C. TiN is a covalent substance like SiC, Si3N4, etc., and in general it is difficult to sinter. The compact sintered body of TiN uses a metal powder or a sintering aid such as a metal oxide such as TiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, Nb 2 O 5, or WO 3. The Al: TiN main body of this embodiment is TiN added with 5 w% of Al. In the sintering method, for example, the temperature is raised to 1700 ° C. at a rate of 100 ° C./min under a nitrogen pressure of 50 MPa, held for 30 minutes, and then pressure-sintered at a rate of 100 ° C./min. . Al: TiN has a thermally oxidized Al2O3 film formed on the surface and withstands a temperature of 1100.degree. Al: TiN exhibits light weight and beautiful metallic luster. The melting point of Nb 2 O 3, which is a protective layer, is a stable oxide at 1520 ° C., and can be easily formed by thermal oxidation. Instead of Nb2O3, Al2O3 or Cr2O3 can also be used for the protective layer. As nitrides for light emitting structures, ZrN, TaN, VN, NbN and the like can be used.

実施例29は、W/SiC本体、TaW中間層、Taキャップ層、Al2O3保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。SiCは耐火物や発熱体として利用されており、Wより安価な材料である。パワ−デバイス用基板としてSiC単結晶も入手できる。SiCの融点は2730℃で、SiCの室温の熱膨張係数は4.4×10-6でり、Wの熱膨張係数と等しい。SiCは放射率が高く、疑似黒体として用いられるので、光放射構造体の本体に適した材料である。TaWは、融点降下がない材料であり、3200℃の融点を有する。Al2O3保護層はTaキャップ層を酸化から守る働きをする。   Example 29 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a W / SiC body, a TaW intermediate layer, a Ta cap layer, and an Al2O3 protective layer. SiC is used as a refractory or a heating element and is a cheaper material than W. SiC single crystals can also be obtained as substrates for power devices. The melting point of SiC is 2730 ° C., and the thermal expansion coefficient of SiC at room temperature is 4.4 × 10 −6, which is equal to the thermal expansion coefficient of W. Since SiC has a high emissivity and is used as a pseudo black body, it is a suitable material for the main body of the light emitting structure. TaW is a material with no melting point depression and has a melting point of 3200 ° C. The Al2O3 protective layer serves to protect the Ta cap layer from oxidation.

実施例30は、BlackAl2O3本体、Mo/Ti中間層、Si:Moキャップ層、SiO2保護層を有する三角格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。黒色Al2O3本体は第6の実施例で説明した黒色顔料入りのアルミナであり、赤外波長に放射率を有するため、光放射構造体の本体に適した材料である。Mo/Ti中間層は黒色Al2O3本体に薄膜Ti密着層とMo応力緩和層を順次積層して形成される。加熱時にMoTiは合金化される。Si:Moキャップ層は5w%のSiを含むMoからなる。加熱により表面にSiO2保護層が形成される。MoTiと黒色Al2O3の融点は2000℃である。本体が酸化物であるために、熱劣化がなく寿命のながいエミッタが得られる。   Example 30 is a light emitting structure having micro apertures of circular openings arranged in a triangular lattice with a BlackAl2O3 body, Mo / Ti intermediate layer, Si: Mo cap layer, and SiO2 protective layer. The black Al2O3 body is the black pigmented alumina described in the sixth embodiment and is a material suitable for the body of the light emitting structure because it has emissivity at infrared wavelengths. The Mo / Ti intermediate layer is formed by sequentially laminating a thin film Ti adhesion layer and a Mo stress relaxation layer on a black Al2O3 main body. During heating MoTi is alloyed. Si: Mo cap layer is made of Mo containing 5 w% of Si. By heating, a SiO2 protective layer is formed on the surface. The melting point of MoTi and black Al 2 O 3 is 2000 ° C. Since the main body is an oxide, an emitter with a long lifetime without thermal degradation can be obtained.

実施例31は、BlackMgO本体、Ta/Ti中間層、Taキャップ層、MgO保護層を有する正方格子状に配列した円形開口の微小孔を有する光放射構造体である。黒色MgO本体は第6の実施例で説明した黒色顔料入りのMgOであり、赤外波長に放射率を有するため、光放射構造体の本体に適した材料である。他にもCa2O3、BNなどのセラミックを用いることができる。Ta/Ti中間層は黒色MgO本体に薄膜Ti密着層とTa応力緩和層を順次積層して形成される。加熱時にTa/Tiは合金化される。MgOの融点は2850℃である。本体が酸化物であるために、熱劣化がなく、セラミックであるので低コストで長寿命のエミッタが得られる。なお本体として黒色MgO以外に黒色CaOを使うこともできる。   Example 31 is a light emitting structure having micropores of a circular opening arranged in a square lattice shape having a BlackMgO main body, a Ta / Ti intermediate layer, a Ta cap layer, and a MgO protective layer. The black MgO body is the black pigmented MgO described in the sixth embodiment, and is a material suitable for the main body of the light emitting structure since it has an emissivity at infrared wavelengths. Besides, ceramics such as Ca 2 O 3 and BN can be used. The Ta / Ti intermediate layer is formed by sequentially laminating a thin film Ti adhesion layer and a Ta stress relaxation layer on a black MgO body. During heating Ta / Ti is alloyed. The melting point of MgO is 2850 ° C. Since the body is an oxide, there is no thermal degradation, and because it is a ceramic, a low cost and long life emitter can be obtained. In addition to black MgO, black CaO can also be used as the main body.

なお以上説明した実施例では、単体の中間層としてTiとWの例を示したが、他にMo、Nb、Hfでもよい。また微小孔の開口形状は円形及び正方形の例を示したが、正多角形でもかまわない。   Although the examples of Ti and W are shown as the single intermediate layer in the embodiment described above, Mo, Nb and Hf may also be used. In addition, although the examples of the openings of the micro holes are circular and square, they may be regular polygons.

上記の実施例の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)
複数の微細孔を持つ光放射構造体であって、前記微細孔が第1の金属元素を含む第1の材料を備え、前記微細孔以外の表面の少なくとも一部に前記第1の金属元素とは異なる第2の金属元素を含む第2の材料を備え、前記光放射構造体が発する熱放射スペクトルのピーク波長より大きい波長の光において前記第1の材料の放射率が前記第2の材料の放射率より大きいことを特徴とする光放射構造体。
(付記2)
前記複数の微細孔が周期的に配列し、前記微細孔の開口径Dに対して、前記微細孔の配列周期の大きさΛと前記微細孔の深さtが、1.08≦Λ/D≦2かつ1≦t/D≦20であり、前記微細孔の深さtに対して、前記第2の材料の厚さsが1/20≦s/t≦1/2である付記1に記載の光放射構造体。
(付記3)
前記微細孔が三角格子状あるいは正方格子状に周期的に配列し、前記微細孔の開口形状が円または正多角形である付記1または2に記載の光放射構造体。
(付記4)
前記第1の材料または前記第2の材料が1000℃以上の融点を有し、前記第1の材料が金属、合金、それらのシリコン化合物、ホウ化物、炭化物または窒化物であり、前記第2の材料が金属または合金である付記1から3のいずれか1項に記載の光放射構造体。
(付記5)
前記第1の材料の金属元素がCr、Zr、V、Ti、W、Mo、Nb、Hfのいずれか一つであり、前記第2の材料の金属元素が前記第1の材料の金属元素と異なる金属元素でありTa、W、Mo、Nb、Hfのいずれか一つを含む付記1から4のいずれか1項に記載の光放射構造体。
(付記6)
前記第1の材料の金属元素に加えてFe、Ni、Co、Cu、Al、Siの少なくとも一つの元素を含むか、または、Re、Os、Ir、Pt、Auの少なくとも一つの元素を含む付記5に記載の光放射構造体。
(付記7)
前記第1の材料がWSi2、TaSi、MoSi2、NbSi2、HfSi2、CrSi2、ZrSi2、VSi2、TiSi2なるシリコン化合物、TaB2、W2B5、MoB2、NbB2、HfB2、CrB2、ZrB2、VB2、TiB2なるホウ化物、TaC、WC、MoC、NbC、CrC、ZrC、VC、TiCなる炭化物、または、TaN、WN、MoN、NbN、CrN、ZrN、VN、TiNなる窒化物である付記4に記載の光放射構造体。
(付記8)
前記第2の材料にさらにCr、Si、Al、V、Zr、Ca、Mg、Agのうちの少なくとも一つの元素を1w%〜20w%の範囲の濃度で含む付記5から7のいずれか1項に記載の光放射構造体。
(付記9)
前記第2の材料にさらにホウ素を1w%〜5w%の範囲の濃度で含む付記5から8のいずれか1項に記載の光放射構造体。
(付記10)
前記第1の材料または第2の材料の表面が酸化物の保護層で覆われており、前記酸化物は前記第1の材料または第2の材料の熱酸化膜、または、前記第1の材料または第2の材料に加えられたCr、Si、Al、V、Zr、Ca、Mg、Agの少なくとも一つの元素を含む熱酸化膜である付記1から9のいずれか1項に記載の光放射構造体。
(付記11)
前記第1の材料と第2の材料の間に中間層を有し、前記中間層がW、Mo、Nb、Hfであるか、または、前記第1の材料と第2の材料に含まれる金属元素を含む合金である付記1から10のいずれか1項に記載の光放射構造体光放射構造体。
(付記12)
前記第1の材料がセラミック基材に接しているか、または、金属不純物もしくは炭素を含む酸化物材料である付記1から11のいずれか1項に記載の光放射構造体。
(付記13)
前記セラミック基材はSiC、Al2O3、SiO2、CaO、MgOまたはBNであり、前記金属不純物はCo、Cr、Fe、MnまたはNiであり、前記酸化物は希土類を含みAl、Ga、Si、Ge、Ca、Mg 、ZrまたはVを含む酸化物材料である付記12に記載の光放射構造体。
(付記14)
付記1から13のいずれか1項に記載の光放射構造体、前記光放射構造体を加熱する加熱装置及び前記光放射構造体からの光を光電変換する光電変換素子を備えた熱光起電力発電システムであって、光電変換素子の発電限界波長λ0に対して、微細孔の開口直径Dを略λ0/2に制御した熱光起電力発電システム。
(付記15)
前記光放射構造体は温度T(600℃≦T≦1700℃)になるように加熱される請求項14に記載の熱光起電力発電システム。
(付記16)
付記1から13のいずれか1項に記載の光放射構造体を真空または希ガス封止した透明封止体と、前記光放射構造体を通電加熱する通電加熱装置を備えた可視光照明装置。
(付記17)
付記1から13のいずれか1項に記載の光放射構造体を含む赤外線光源部、前記赤外線光源部からの赤外線を通過させ、検知対象のガスが導入される測定セル部、前記測定セル部を通過した赤外線を検出する検出器部を備えたガス検知装置。
(付記18)
前記光放射構造体から放射される赤外線のうち所望の波長を通過させる波長選択フィルタを備えた付記17に記載のガス検知装置。
Some or all of the above embodiments may be described as in the following appendices, but are not limited thereto.
(Supplementary Note 1)
A light emitting structure having a plurality of micropores, wherein the micropores comprise a first material containing a first metal element, and at least a part of the surface other than the micropores is provided with the first metal element Comprises a second material comprising a different second metal element, the emissivity of said first material of light of a wavelength greater than the peak wavelength of the thermal emission spectrum emitted by said light emitting structure A light emitting structure characterized by having a larger emissivity.
(Supplementary Note 2)
The plurality of micropores are periodically arranged, and the size 開口 of the arrangement cycle of the micropores and the depth t of the micropores are 1.08 ≦ Λ / D ≦ 2 with respect to the aperture diameter D of the micropores. And 1 ≦ t / D ≦ 20, and the thickness s of the second material is 1/20 ≦ s / t ≦ 1/2 with respect to the depth t of the micropores. Light emitting structure.
(Supplementary Note 3)
The light emitting structure according to any one of Appendices 1 or 2, wherein the micropores are periodically arranged in a triangular lattice shape or a tetragonal lattice shape, and the aperture shape of the micropores is a circle or a regular polygon.
(Supplementary Note 4)
The first material or the second material has a melting point of 1000 ° C. or more, and the first material is a metal, an alloy, a silicon compound thereof, a boride, a carbide or a nitride thereof, and the second material The light emitting structure according to any one of Appendices 1 to 3, wherein the material is a metal or an alloy.
(Supplementary Note 5)
The metal element of the first material is any one of Cr, Zr, V, Ti, W, Mo, Nb, and Hf, and the metal element of the second material is the metal element of the first material The light emitting structure according to any one of Appendices 1 to 4, which is a different metal element and contains any one of Ta, W, Mo, Nb and Hf.
(Supplementary Note 6)
In addition to the metal element of the first material, it contains at least one element of Fe, Ni, Co, Cu, Al, Si, or contains at least one element of Re, Os, Ir, Pt, Au. 5. The light emitting structure according to 5.
(Appendix 7)
The first material is a silicon compound of WSi2, TaSi, MoSi2, NbSi2, HfSi2, CrSi2, ZrSi2, VSi2, TiSi2, TaB2, W2B5, MoB2, NbB2, HfB2, CrB2, ZrB2, VB2, TiB2, boride, TaC, The light emitting structure according to appendix 4, which is a carbide of WC, MoC, NbC, CrC, ZrC, VC, TiC, or a nitride of TaN, WN, MoN, NbN, CrN, ZrN, VN, TiN.
(Supplementary Note 8)
The at least one element of Cr, Si, Al, V, Zr, Ca, Mg, and Ag is further included in the second material at a concentration of 1 w% to 20 w%. The light emitting structure according to claim 1.
(Appendix 9)
The light emitting structure according to any one of Appendices 5 to 8, further comprising boron in the second material at a concentration in the range of 1 w% to 5 w%.
(Supplementary Note 10)
The surface of the first material or the second material is covered with a protective layer of oxide, and the oxide is a thermal oxide film of the first material or the second material, or the first material The light emission according to any one of Appendices 1 to 9, which is a thermal oxide film containing at least one element of Cr, Si, Al, V, Zr, Ca, Mg, Ag added to the second material Structure.
(Supplementary Note 11)
It has an intermediate layer between the first material and the second material, and the intermediate layer is W, Mo, Nb, Hf, or a metal contained in the first material and the second material A light emitting structure according to any of the preceding claims, which is an alloy comprising an element.
(Supplementary Note 12)
The light emitting structure according to any one of appendices 1 to 11, wherein the first material is in contact with a ceramic substrate or is an oxide material comprising metal impurities or carbon.
(Supplementary Note 13)
The ceramic base material is SiC, Al2O3, SiO2, CaO, MgO or BN, the metal impurity is Co, Cr, Fe, Mn or Ni, and the oxide contains a rare earth, Al, Ga, Si, Ge, The light emitting structure according to appendix 12, which is an oxide material comprising Ca, Mg, Zr or V.
(Supplementary Note 14)
A light emitting structure according to any one of appendices 1 to 13, a heating device for heating the light emitting structure, and a thermophotovoltaic comprising a photoelectric conversion element for photoelectrically converting light from the light emitting structure. A thermal photovoltaic power generation system, which is a power generation system, in which an aperture diameter D of fine holes is controlled to approximately λ0 / 2 with respect to a power generation limit wavelength λ0 of a photoelectric conversion element.
(Supplementary Note 15)
The thermal photovoltaic power generation system according to claim 14, wherein the light emitting structure is heated to a temperature T (600 ° C. ≦ T ≦ 1700 ° C.).
(Supplementary Note 16)
20. A visible light illuminating device comprising: a transparent sealing body obtained by vacuum or rare gas sealing the light emitting structure according to any one of appendices 1 to 13; and a conductive heating device for electrically heating the light emitting structure.
(Supplementary Note 17)
An infrared light source unit including the light emitting structure according to any one of appendices 1 to 13, a measurement cell unit through which an infrared ray from the infrared light source unit is passed and a gas to be detected is introduced, and the measurement cell unit Gas detection device equipped with a detector unit that detects infrared radiation that has passed through.
(Appendix 18)
20. The gas detection device according to appendix 17, further comprising a wavelength selection filter for passing a desired wavelength of infrared rays emitted from the light emitting structure.

本発明は光熱起電力発電方式を用いたTPV発電機といった用途に適用できる。またガス検知器、可視光照明である白熱電球といった用途にも適用可能である。 The present invention can be applied to applications such as a TPV generator using a photoelectromotive power generation system. Moreover, it is applicable also to applications, such as a gas detector and an incandescent lamp which is visible light illumination.

1 単結晶タングステン
2 矩形微細孔
11 光放射構造体
12 単結晶タングステンの光放射構造体
13 タンタルキャップ層
14 微細孔
15 微細孔の周期Λ
16 正方形の1辺の長さL
71 支持台
72 ガス導入管
73 ガスバーナ
74 火炎口
75 光放射構造体(右)
76 スペ−サ
77 光放射構造体(左)
78 断熱支持体
79 微小孔アレイ
80 支持板
81 PV素子
82 放熱板
83 支持板
84 PV素子
85 放熱板
91 タングステン単結晶基板
92 タンタル薄膜
93 フォトレジスト
94 アルミニウム薄膜
95 電子線露光用レジスト
96 電子線レジストマスク
97 アルミニウムマスク
98 フォトレジストマスク
99 タングステン光放射構造体
100 光放射構造体
101 単結晶Crの光放射構造体
102 Taキャップ層
103 微細孔
104 周期Λx
105 周期Λy
106 開口円の直径D
107 孔の深さt
108 Ta2O5酸化膜
109 Cr2O3酸化膜
110 支持台
111 メタン導入管
112 空気導入管
113 支持脚
114 混合気導入管
115 放熱フィン
116 PV素子
117 8角形エミッタ
118 バ−ナ−
119 火炎口
120 断熱板
121 通気口
122 はめ込み接合部
123 メスのクロム板
124 オスのクロム板
130 光放射構造体
131 Cr本体
132 Cr2Ta中間層
133 Taキャップ層
134 Cr2O3保護層
135 円形微細孔
136 三角格子周期Λ
140 光放射構造体
141 MoSi2本体
142 TaMoSi2中間層
143 Taキャップ層
144 SiO2保護層
145 円形微細孔
146 正方格子周期Λ
150 光放射構造体
151 Al2O3基材
152 Cr/Tiコ−ト層
153 Taキャップ層
154 Al2O3保護層
155 円形微細孔
156 正方格子周期Λ
157 フォトレジストマスク
158 Cr/Ti層
159 Cr/Tiリフトオフ層
160 光放射構造体
161 黒色アルミナ本体
162 Ti中間層
163 Taキャップ層
164 Al2O3保護層
165 円形微細孔
166 正方格子周期Λ
170 光放射構造体
171 Er3Al5O12本体
172 Ti中間層
173 Taキャップ層
174 Al2O3保護層
175 円形微細孔
176 正方格子周期Λ
180 光放射構造体
181 Cr本体
182 CrNb中間層
183 Si:Nbキャップ層
184 SiO2保護層
185 円形微細孔
186 正方格子周期Λ
190 赤外線光源部
191 電線
192 ヒ−タ部
193 光放射構造体
194 ミラ−
195 波長選択フィルタ
196 測定セル部
197 検出器部
198 回転チョッパ−
199 同期モータ
200 前室
201 後室
202 熱流量センサ
203 検出ガス導入部
204 検出ガス排出部
205 光路
210 光放射構造体
211 W結晶本体
212 AgWキャップ層
213 円形微細孔
214 正方格子周期Λ
220 中心電極
221 外部導入線
222 口金
223 マウント
224 バルブ
225 内部導入線
226 光放射構造体フィラメント
227 不活性ガス
228 絶縁材
1 Monocrystalline tungsten
2 rectangular micro holes
11 Light emitting structure
12 Light emitting structure of single crystal tungsten
13 Tantalum cap layer
14 fine holes
Period of 15 micropores
Length L of one side of 16 squares
71 Support stand
72 gas inlet pipe
73 Gas Burner
74 flame opening
75 Light emitting structure (right)
76 Spacer
77 Light emitting structure (left)
78 Thermal insulation support
79 micro hole array
80 support plate
81 PV devices
82 Heat sink
83 Support plate
84 PV devices
85 Heat sink
91 Tungsten single crystal substrate
92 tantalum thin film
93 Photo resist
94 Aluminum thin film
95 Resist for Electron Beam Exposure
96 Electron beam resist mask
97 aluminum mask
98 photoresist mask
99 Tungsten light emitting structure
100 light emitting structure
Light emitting structure of single crystal Cr
102 Ta cap layer
103 pores
104 period Λ x
105 cycles Λ y
106 Opening circle diameter D
107 hole depth t
108 Ta2O5 oxide film
109 Cr2O3 oxide film
110 Support stand
111 methane introduction pipe
112 Air inlet tube
113 Support legs
114 Mixture inlet tube
115 radiation fins
116 PV devices
117 octagonal emitters
118 Burner
119 flame opening
120 insulation board
121 vent
122 inset joint
123 Female Chrome Plate
124 male chrome board
130 Light emitting structure
131 Cr main body
132 Cr2Ta intermediate layer
133 Ta cap layer
134 Cr2O3 Protective Layer
135 Round micro holes
136 triangular lattice period Λ
140 light emitting structure
141 MoSi2 main body
142 TaMoSi2 interlayer
143 Ta cap layer
144 SiO2 protective layer
145 Round micro holes
146 Square grid period Λ
150 light emitting structure
151 Al2O3 base material
152 Cr / Ti coated layer
153 Ta cap layer
154 Al2O3 protective layer
155 Round micro holes
156 square lattice period Λ
157 photoresist mask
158 Cr / Ti layer
159 Cr / Ti lift-off layer
160 Light emitting structure
161 black alumina body
162 Ti interlayer
163 Ta cap layer
164 Al2O3 protective layer
165 Round micro holes
166 square lattice period Λ
170 light emitting structure
171 Er3Al5O12 body
172 Ti intermediate layer
173 Ta cap layer
174 Al2O3 protective layer
175 Round micro holes
176 square lattice period Λ
180 light emitting structure
181 Cr body
182 CrNb interlayer
183 Si: Nb cap layer
184 SiO 2 protective layer
185 Round micro holes
186 square lattice period Λ
190 Infrared light source unit
191 wire
192 heater
193 Light emitting structure
194 Mira
195 wavelength selective filter
196 Measurement cell
197 Detector
198 Rotating chopper
199 Synchronous motor
200 front room
201 back room
202 Heat flow sensor
203 Detection gas inlet
204 Detection gas discharge unit
205 light path
210 Light emitting structure
211 W crystal body
212 AgW cap layer
213 Round micro holes
214 square lattice period Λ
220 center electrode
221 External lead-in
222 base
223 mount
224 valve
225 Internal lead
226 Light emitting structure filament
227 Inert gas
228 insulation

Claims (7)

複数の円形あるいは正多角形の微細孔を持つ光放射構造体であって、前記微細孔が第1の金属元素を含む第1の材料を備え、前記微細孔以外の表面の少なくとも一部に前記第1の金属元素とは異なる第2の金属元素を含む第2の材料を備え、前記光放射構造体が温度T(300℃≦T≦2500℃)に加熱された際に発する熱放射スペクトルにおいて最も放射強度が大きい波長として定義されるピーク波長よりも大きい波長の光において前記第1の材料の放射率が前記第2の材料の放射率より大きく、前記第1の材料の第1の金属元素がCr、Zr、V、Ti、W、Mo、Nb、Hfのいずれか一つであるか、または、前記第1の材料がWSi 、TaSi、MoSi、NbSi、HfSi、CrSi、ZrSi、VSi、TiSiなるシリコン化合物、TaB、W、MoB、NbB、HfB、CrB、ZrB、VB、TiBなるホウ化物、TaC、WC、MoC、NbC、CrC、ZrC、VC、TiCなる炭化物、または、TaN、WN、MoN、NbN、CrN、ZrN、VN、TiNなる窒化物であり、
前記第2の材料の第2の金属元素が前記第1の材料の金属元素と異なる金属元素でありTa、W、Mo、Nb、Hfのいずれか一つを含む光放射構造体。
A light emitting structure having a plurality of circular or regular polygonal micropores, wherein the micropores comprise a first material containing a first metallic element, and at least a portion of the surface other than the micropores. In a thermal emission spectrum emitted when the light emitting structure is heated to a temperature T (300 ° C. ≦ T ≦ 2500 ° C.), including a second material containing a second metal element different from the first metal element The emissivity of the first material is greater than the emissivity of the second material in light of a wavelength greater than the peak wavelength defined as the wavelength with the highest radiation intensity, and the first metal element of the first material Is any one of Cr, Zr, V, Ti, W, Mo, Nb, Hf, or the first material is WSi 2 , TaSi, MoSi 2 , NbSi 2 , HfSi 2 , CrSi 2 , ZrSi 2 , VSi 2, TiSi 2 made silicon compound, TaB 2, W 2 B 5 , MoB 2, NbB 2, HfB 2, CrB 2, ZrB 2, VB 2, TiB 2 becomes borides, TaC, WC, MoC, NbC , CrC, A carbide of ZrC, VC, TiC, or a nitride of TaN, WN, MoN, NbN, CrN, ZrN, VN, TiN,
The light emission structure containing the metal element in which the 2nd metal element of said 2nd material is a metal element different from the metal element of said 1st material, and any one of Ta, W, Mo, Nb, and Hf.
前記微細孔は円形であり、正方格子状または三角格子状に周期的に形成されている請求項1に記載の光放射構造体。The light emitting structure according to claim 1, wherein the fine holes are circular and periodically formed in a square lattice shape or a triangular lattice shape. 前記第1の材料または第2の材料の表面が酸化物の保護層で覆われており、前記酸化物は前記第1の材料または第2の材料の熱酸化膜、または、前記第1の材料または第2の材料に加えられたCr、Si、Al、V、Zr、Ca、Mg、Agの少なくとも一つの元素を含む熱酸化膜である請求項1または2に記載の光放射構造体。 The surface of the first material or the second material is covered with a protective layer of oxide, and the oxide is a thermal oxide film of the first material or the second material, or the first material The light emitting structure according to claim 1 or 2 , which is a thermal oxide film containing at least one element of Cr, Si, Al, V, Zr, Ca, Mg and Ag added to the second material. 前記第1の材料と第2の材料の間に中間層を有し、前記中間層がW、Mo、Nb、Hfであるか、または、前記第1の材料と第2の材料に含まれる金属元素を含む合金である請求項1からのいずれか1項に記載の光放射構造体。 It has an intermediate layer between the first material and the second material, and the intermediate layer is W, Mo, Nb, Hf, or a metal contained in the first material and the second material The light emitting structure according to any one of claims 1 to 3 , which is an alloy containing an element. 請求項1からのいずれか1項に記載の光放射構造体、前記光放射構造体を加熱する加熱装置及び前記光放射構造体からの光を光電変換する光電変換素子を備えた熱光起電力発電システムであって、光電変換素子の発電限界波長λ0に対して、前記微細孔の開口径Dを略λ0/2に制御した熱光起電力発電システム。 A light emitting structure according to any one of claims 1 to 4 , a heating device for heating the light emitting structure, and a thermal photovoltaic device comprising a photoelectric conversion element for photoelectrically converting light from the light emitting structure. A thermal photovoltaic power generation system, which is a power generation system, wherein an aperture diameter D of the fine holes is controlled to approximately λ0 / 2 with respect to a power generation limit wavelength λ0 of a photoelectric conversion element. 請求項1からのいずれか1項に記載の光放射構造体を真空または希ガス封止した透明封止体と、前記光放射構造体を通電加熱する通電加熱装置を備えた可視光照明装置。 A visible light illuminating device comprising: a transparent sealing body obtained by vacuum or rare gas sealing the light emitting structure according to any one of claims 1 to 4 ; and a conductive heating device for electrically heating the light emitting structure. . 請求項1からのいずれか1項に記載の光放射構造体を含む赤外線光源部、前記赤外線光源部からの赤外線を通過させ、検知対象のガスが導入される測定セル部、前記測定セル部を通過した赤外線を検出する検出器部を備えたガス検知装置。 An infrared light source unit including the light emitting structure according to any one of claims 1 to 4 , a measurement cell unit through which an infrared ray from the infrared light source unit is passed and a gas to be detected is introduced, the measurement cell unit Gas detection device equipped with a detector unit that detects infrared radiation that has passed through.
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