JPH10312778A

JPH10312778A - 炭素材料からなる熱放射体、その製造方法およびその放射体を備えた熱放射光源

Info

Publication number: JPH10312778A
Application number: JP9124438A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kurachi; 敏明倉地; Shigeru Horii; 堀井　　滋; Tomizo Matsuoka; 富造松岡; Naomi Nishiki; 直巳西木; Tsutomu Kawashima; 川島　　勉; Takao Inoue; 孝夫井上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 1998-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】高温でも表面の微細構造が維持されるような
構造とすることにより発光効率の高い熱放射体を提供す
る。【解決手段】ポリイミドフィルムの表面にエキシマレ
ーザにより微細な貫通孔を規則的に形成し、これを黒鉛
化して熱放射体とした。貫通孔の直径は、レーザ出射側
の表面において約０．８μｍであった。この熱放射体を
内部を高真空状態に保持した透明バルブ内に固定し、電
源端子を介して外部電源と接続して熱放射光源とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱放射体、その製造
方法および熱放射光源に関するものである。さらに詳し
くは、高温でも発光効率が高い状態で使用し得る熱放射
体、このような熱放射体に好適に適用し得る製造方法お
よびこのような熱放射体を好適に利用し得る熱放射光源
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱放射光源は、演色性に優れた光源とし
て広く用いられているが、一般に熱放射光源から放射さ
れる電磁波は、人間の目に光として感じられない赤外光
が多く含まれるため、可視光発光効率が悪い。例えば、
１００Ｗの白熱電球の発光効率は１５ｌｍ／Ｗ程度であ
って、４０Ｗの蛍光灯の発光効率（１００ｌｍ／Ｗ程
度）と比較すると非常に小さな値となっている。

【０００３】熱放射光源の発光効率を向上させるべく、
米国特許第５０７９４７３号公報には、熱放射体となる
金属に微細な表面構造を構成して赤外抑制手段とするこ
とにより、発光効率を向上させた光源デバイスが開示さ
れている。同公報に開示されている微細な凸凹構造は、
カットオフ波長が可視光域と赤外域との境界となる大き
さの微細導波管として作用する微細孔で構成されてい
る。この微細孔からは、基本的にカットオフ以上の波長
が放射されないため、赤外光の放射が抑制される。具体
的には、タングステンの表面に幅０．３５μｍ深さ７μ
ｍの井戸状の穴を間隔０．１５μｍで格子状に並べた構
成が示されている。

【０００４】また、このような微細孔を表面に形成した
金属の熱放射体の製造方法は、特開平６−２１６７号公
報や特開平６−５２６３号公報に開示されている。これ
らの方法は、陽極酸化を含む工程により、金属の表面に
微細孔を形成する方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、表面に
微細加工を施したタングステンなどの金属からなる熱放
射体は、高温まで安定して用いることができないという
課題があった。例えば、照明学会公開研究会ＬＳ−９４
−１７（１９９４年）では、表面に凸凹周期構造を施し
たタングステン熱放射体を１４００Ｋ程度にまで加熱す
ると、加工した表面構造が崩れてしまうことが報告され
ている。発光効率の向上のためには、フィラメントの温
度が高いことが好ましく、さらに効率を向上させるとい
う観点からも、高温で使用し得る熱放射体は強く望まれ
ているところである。

【０００６】本発明は、高温でも安定して高い発光効率
を保持し得る熱放射体、その製造方法およびその熱放射
体を備えた熱放射光源を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の熱放射体は、熱エネルギーを電磁波として
放射する熱放射体であって、表面に微細孔を有する炭素
材料からなることを特徴とする。この熱放射体は、微細
孔の形状が高温まで保持され、高温でも高い発光効率を
発揮し得るものである。

【０００８】前記熱放射体においては、微細孔により表
面に凸凹周期構造が形成されていることが好ましい。表
面が凸凹周期構造を有することにより発光効率の向上が
顕著となるからである。

【０００９】前記熱放射体における炭素材料は、適度な
導電性と優れた熱伝導性を有していることなどの理由か
ら、黒鉛型結晶構造を有することが好ましい。黒鉛型結
晶構造を有する炭素材料は、代表的には、グラファイト
である。この場合、微細孔は、黒鉛型結晶構造を構成す
る炭素六員環に対して略垂直に形成されていることが好
ましい。各種特性に異方性が存在する層状構造を有する
黒鉛型結晶構造においては、表面と平行に層状構造が発
達していることが好ましいからである。

【００１０】前記熱放射体においては、微細孔が微細導
波管として作用することにより、赤外発光効率が低下す
るとともに可視光発光効率が向上している。また、内部
温度が１５００Ｋに至っても、微細孔の形状を維持しな
がら発光し得るため、内部温度が高くなる状態でも発光
効率の高い熱放射体として利用できる。なお、後述の実
施例では、内部温度が２０００Ｋに至っても、微細孔の
形状が維持されることが確認された。

【００１１】本発明の熱放射体の製造方法であって、表
面に微細孔を有する熱放射体の製造に好適な方法は、有
機ポリマーの表面に微細孔を形成する工程と、この有機
ポリマーを加熱して炭素化する工程とを含むことを特徴
とする。この方法によれば、前述の熱放射体を効率よく
合理的に製造することができる。

【００１２】また、本発明の熱放射光源であって、熱放
射体の特性を応用し得る熱放射光源は、内部が非酸化雰
囲気に保持された透光性バルブと、この透光性バルブ内
に固定された表面に微細孔を有する炭素材料からなる熱
放射体と、この熱放射体へのエネルギー印加手段とを具
備することを特徴とする。この熱放射光源によれば、内
部が非酸化雰囲気に保持されているため、熱放射体を構
成するグラファイトなどの炭素材料の酸化を防止しなが
ら、高温で、発光効率が高い電磁波放射を行うことがで
きる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の熱放射光源の一実施態様
を図面に基づいて説明する。

【００１４】図１において、表面に微細孔を有する炭素
材料からなる熱放射体１は、透明バルブ２の内部に固定
され、透明バルブ２の内部は、減圧されているか、不活
性ガスなどの非酸化ガスで満たされているか、またはそ
の双方であり、高温に至った炭素材料の酸化が防止され
るようになっている。熱放射体１の両端には端子３が接
続され、各端子３は、外部電源４に接続されている。一
方、図２は、コイル５により発生する磁界により誘起さ
れる誘導電流により熱放射体１を加熱する態様の熱放射
光源を示したものであって、この場合の電源としては、
高周波電源６が用いられる。

【００１５】透明バルブ２内を減圧する場合には、１×
１０^-4Ｐａ以下の高真空とすることが好ましい。なお、
透明バルブとしては、特に制限はないが、シリケートガ
ラスなどの各種透明ガラス、アクリル樹脂など各種透明
樹脂を用いることができる。

【００１６】熱放射体１の原料としては、高温で処理す
ると黒鉛化する固体有機ポリマー（固体高分子有機化合
物）を用いることが好ましい。このような固体有機ポリ
マーとしては、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキ
サゾール、各種ポリイミド、各種ポリアミド、ポリパラ
フェニレンビニレン、ポリアクリロニトリルなどを用い
ることができるが、ポリイミドが好ましく、芳香族ポリ
イミドがさらに好ましい。ポリイミド（特に芳香族ポリ
イミド）を黒鉛化すると、黒鉛層面が表面に平行して発
達した配向性の高い黒鉛型構造を得ることができるから
である。ただし、ポリイミドフィルムに取り扱いを容易
にするためにフィラーとして混入されることがあるシリ
コン系の粉末のような不純物は、含まないことが好まし
い。

【００１７】熱放射体１は、このような固体有機ポリマ
ーの表面に、エキシマレーザなどを用いて微細な凸凹を
設け、高温で処理して炭素化し、好ましくはさらに黒鉛
化することにより得ることができる。ポリマー表面の微
細加工の方法としては、エキシマレーザの他に、ＣＯ₂
レーザなどの各種レーザ、集束イオンビーム、乾式また
は湿式のエッチングなどを用いることができる。

【００１８】ポリマーを炭素化、さらには黒鉛化する温
度は、用いるポリマーに応じて適宜選択すればよいが、
１５００℃以上で微細孔構造が維持できるようにするた
め、２０００℃以上、好ましくは２９００℃以上で処理
することが好ましい。また、、高温処理は、不活性雰囲
気中で実施することが好ましく、さらには、加圧しない
で処理することが好ましい。

【００１９】熱放射体１の表面の微細孔の形状は、孔部
の断面が円形であっても矩形であってもよく、孔部が貫
通して貫通孔となっていても貫通せずに井戸状となって
いてもよい。微細孔の孔径は、発光効率向上の観点か
ら、０．３〜２μｍであることが好ましく、０．３５〜
１μｍであることがさらに好ましく、孔部断面が円形で
ある場合には４５０ｎｍ程度、孔部断面が矩形である場
合に長辺が３５０ｎｍ程度であることが最も好ましい。
微細孔の好ましい孔深さは、孔径によって異なるが１μ
ｍ以上あれば十分に発光効率を向上させることができ
る。また、前述のように、微細孔が規則的に形成され、
表面が周期的な凸凹構造を有することが好ましい。

【００２０】熱放射体１は、液体有機ポリマー（液体高
分子有機化合物）を、表面に微細な凸凹を有する型に流
し込み、固化し、型と分離した後に、前記と同様の高温
処理により炭素化、黒鉛化してもよい。この場合の液体
有機ポリマーとしては、熱硬化樹脂、紫外線硬化樹脂、
Ｘ線硬化樹脂などを用いることができる。また、液体有
機ポリマーを、好ましくは２０００Ｋ以上で蒸発する金
属材料で構成した柱状の周期構造を有する型に流し込
み、２０００Ｋ以上の高温処理により柱を蒸発させると
同時に炭素化、黒鉛化することとしてもよい。

【００２１】このように、本発明の製造方法における有
機ポリマーの表面に微細孔を形成する工程は、用いるポ
リマーの相状態などに応じて、適宜選択することができ
る。すなわち、固体ポリマーであれば、微細孔は、レー
ザー加工、エッチングなどにより形成されるが、液体ポ
リマーであれば、固化させる際の型形状を利用して微細
孔を表面に付与することができる。

【００２２】なお、表面加工性を向上するために、熱放
射体１とする材料の形状は、棒状などであってもよい
が、シート状、フィルム状とすることが好ましい。これ
らの形状で表面加工を施した後に、必要に応じて切断し
て熱放射体として用いてもよい。

【００２３】また、前記に例示したような工業的に合成
される有機ポリマーの代わりに粉砕して固めた天然のグ
ラファイトを用いることとしてもよい。

【００２４】

【実施例】以下、グラファイトを炭素材料とする場合の
実施例について説明するが、炭素材料はグラファイトに
限られるものではなく、各種炭素繊維、フラーレン、カ
ーボンナノチューブなどであってもよい。

【００２５】厚さ７．５μｍのポリイミドフィルムの表
面にエキシマレーザを用いて多数のすり鉢状の貫通孔を
一定の間隔を有するように形成した。このフィルムを、
一次焼成１０００℃、二次焼成２９００℃、アルゴンガ
ス雰囲気で、圧力をかけずに加熱し、黒鉛化した。この
ようにして得た厚さ３．０μｍの黒鉛フィルムを、長さ
２６．５ｍｍ、幅２．６ｍｍの短冊状に切断した。

【００２６】貫通孔を加工した直後のポリイミドフィル
ムと、これを加熱処理して得た前記黒鉛フィルムの電子
顕微鏡写真をそれぞれ図３〜図６に示す。なお、貫通孔
の方向は、穴の深さ方向がｃ軸方向（黒鉛層状構造にお
ける層断面方向）に相当し、黒鉛フィルムにおいて、貫
通孔の直径は、レーザ出射面において約０．８μｍ、レ
ーザ出射側の貫通穴の直径から計算した穴の開口率は約
２％であった。

【００２７】図１に示した装置と同様の装置を用いて、
この黒鉛フィルムを熱放射体として、圧力１×１０^-4Ｐ
ａ以下に保持した真空中で、フィルム温度が２０００Ｋ
となるように直流定電流を通電して加熱し、４０時間発
光させた。

【００２８】このときの黒鉛フィルムの両端の電圧変化
を図５に示す。グラファイトが昇華すると、熱放射体有
効断面積の減少のために抵抗値が増加して電圧が上昇す
るはずであるが、黒鉛フィルムの両端の電圧はほぼ一定
となった。この黒鉛フィルムは、２０００Ｋで昇華せず
安定して用い得ることが確認された。また、電子顕微鏡
で観察した結果、加熱後も加熱前と同様に周期的な凸凹
構造が保たれていることが確認された。

【００２９】比較のため、貫通孔を加工せず、その他は
前記と同様にして黒鉛フィルムを製造し、また、前記と
同じ装置を用いて同一の温度に加熱した場合に得られる
熱放射の放射強度を測定した。貫通孔を加工したフィル
ムと加工しないフィルムとの放射強度比の波長依存性を
図６に示す。前述の表面加工により、可視光域における
放射強度が向上していることがわかる。なお、貫通孔を
加工したフィルムの放射強度は、エキシマレーザの出射
面側から測定したものである。

【００３０】この貫通孔が導波管として作用した場合の
カットオフ波長は、貫通孔の直径から約１．４μｍと見
込まれる。この実施例では、開口率が低く、貫通孔の形
状が先細りのすり鉢状であったため、導波管のカットオ
フ特性を明確に確認することはできなかったものの、炭
素材料を用いると、２０００Ｋ程度の高温においても、
周期的な表面の微細構造により長波長の放射を抑制でき
ることは確認できた。なお、孔の形状を円筒形に近づけ
れば、さらに長波長の放射を抑制することが可能であ
り、孔の直径を小さくすれば、さらに可視光の放射を増
加させて赤外放射を効果的に抑制することができると考
えられるため、表面加工の段階で、孔の大きさや形状を
必要に応じて適正化することが好ましい。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、熱放射
体を表面に微細孔を有する炭素材料とすることにより、
熱放射体の内部温度が高温に至っても微細構造が維持さ
れ、高温において発光効率が高い熱放射を実施すること
ができる。

【００３２】また、有機ポリマーの表面に微細孔を形成
する工程と、この有機ポリマーを加熱して炭素化する工
程とを含む製造方法とすることにより、前記熱放射体を
効率よく製造することができ、さらに、内部が非酸化雰
囲気に維持された透光性バルブと、この透光性バルブ内
に固定された表面に微細孔を有する炭素材料からなる熱
放射体と、この熱放射体へのエネルギー印加手段とを具
備する熱放射光源とすることにより、前記熱放射体の特
性を生かした発光効率が高い熱放射光源を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の熱放射光源の構造を模
式的に示す図である。

【図２】本発明の別の実施形態の熱放射光源の構造を
模式的に示す図である。

【図３】実施例において貫通孔を加工したポリイミド
フィルムをレーザ入射側から観察した電子顕微鏡写真
（４５００倍）である。

【図４】実施例において貫通孔を加工したポリイミド
フィルムをレーザ出射側から観察した電子顕微鏡写真
（４５００倍）である。

【図５】実施例において黒鉛化した後のポリイミドフ
ィルムをレーザ入射側から観察した電子顕微鏡写真（４
５００倍）である。

【図６】実施例において黒鉛化した後のポリイミドフ
ィルムをレーザ出射側から観察した電子顕微鏡写真（４
５００倍）である。

【図７】実施例において測定した熱放射体両端にかか
る電圧の時間変化を示す図である。

【図８】実施例において測定した貫通孔加工を施した
黒鉛フィルムと加工を施していない黒鉛フィルムの２０
００Ｋにおける放射強度比の波長依存性を示す図であ
る。

【図９】実施例により製造した貫通孔を有する黒鉛フ
ィルムの模式的な斜視図である。

【符号の説明】

１熱放射体２透光性バルブ３電流端子４外部電源５コイル６高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西木直巳大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者川島勉大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者井上孝夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱エネルギーを電磁波として放射する熱
放射体であって、表面に微細孔を有する炭素材料からな
ることを特徴とする熱放射体。
【請求項２】微細孔により表面に凸凹周期構造が形成
されている請求項１に記載の熱放射体。
【請求項３】炭素材料が黒鉛型結晶構造を有する請求
項１または２に記載の熱放射体。
【請求項４】微細孔が黒鉛型結晶構造の炭素六員環に
対して略垂直に形成されている請求項３に記載の熱放射
体。
【請求項５】微細孔により可視光発光効率が向上して
いる請求項１〜４のいずれかに記載の熱放射体。
【請求項６】内部温度が１５００Ｋに至っても、微細
孔の形状を維持しながら発光し得る請求項１〜５のいず
れかに記載の熱放射体。
【請求項７】有機ポリマーの表面に微細孔を形成する
工程と、この有機ポリマーを加熱して炭素化する工程と
を含むことを特徴とする表面に微細孔を有する熱放射体
の製造方法。
【請求項８】内部が非酸化雰囲気に維持された透光性
バルブと、この透光性バルブ内に固定された表面に微細
孔を有する炭素材料からなる熱放射体と、この熱放射体
へのエネルギー印加手段とを具備することを特徴とする
熱放射光源。