JP2014067544A - 光源 - Google Patents

Abstract

【課題】遠赤外光を放射可能であるとともに、高速動作が可能な光源を提供すること。
【解決手段】ＣＮＴ又はグラファイト薄膜から成るフィラメント３と、前記フィラメント３に電気的に接続した一対の電流端子５、７と、前記フィラメント５、７が放射する光を反射する反射部材９と、を備えることを特徴とする光源１。前記フィラメント３を収容するとともに、前記光を透過させる窓１５を有する収容部材１０を備えることが好ましい。前記収容部材１０内は、例えば、真空とすることができる。また、前記収容部材１０内に、例えば、不活性ガスが充填することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、遠赤外領域の光を放射可能な光源に関する。

従来、遠赤外光源として、抵抗発熱体式の光源、キセノンランプ、ハロゲンランプ等が知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−０５４３６９号公報

従来の遠赤外光源は、ＯＮ／ＯＦＦを高速に切り替えること（高速動作）が困難であった。本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、遠赤外光を放射可能であるとともに、高速動作が可能な光源を提供することを目的とする。

本発明の光源は、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）又はグラフェンから成るフィラメントと、フィラメントに電気的に接続した一対の電流端子と、フィラメントが放射する光を反射する反射部材とを備えることを特徴とする。本発明の光源は、遠赤外光を放射可能であるとともに、高速動作が可能である。

本発明の光源は、フィラメントを収容するとともに、光を透過させる窓を有する収容部材を備えることが好ましい。この場合、フィラメントが破損し難くなる。
また、収容部材内は、例えば、真空とすることができる。この場合、フィラメントが高温になっても、その劣化を低減できる。また、フィラメントにより音波が発生することを防止できる。なお、真空とは、例えば、圧力が１０Ｐａ以下である状態を意味する。

また、収容部材内に、例えば、不活性ガスを充填することができる。この場合、フィラメントが高温になっても、その劣化を低減できる。また、収容部材の内面を、反射部材と同様に赤外線を反射するように加工することができる。この場合、光量が一層大きくなる。

前記フィラメントは、例えば、ＣＮＴシートを複数積層したものとすることができる。この場合、単層のＣＮＴシートから成るフィラメントに比べて、光量が大きくなる。

光源１の構成を表す説明図である。 ２Ａ、２Ｂは、ＣＮＴシートの製造方法を表す説明図である。 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、ＣＮＴシートの製造方法を表す説明図である。 ＣＮＴシートを製造している状態を表す写真である。 光源１の評価結果を表すグラフである。 光源１の構成を表す説明図である。 ７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、フィラメント３を取り付ける方法を表す説明図である。 光源１の構成を表す説明図である。 ９Ａ〜９Ｆは、フィラメント３を製造し、取り付ける方法を表す説明図である。

本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞
１．光源１の構成
光源１の構成を図１に基づいて説明する。光源１は、フィラメント３、一対の電流端子５、７、反射板９、及び収容部材１０を備える。なお、反射板９は反射部材の一実施形態である。

フィラメント３は、ＣＮＴシート（ＣＮＴから成るシート）である。フィラメント３の詳しい構成は後述する。電流端子５、７は、金メッキから成る導電性の部材である。電流端子５の上端部５Ａはフィラメント３における一方の端部３Ａに電気的に接続し、電流端子７の上端部７Ａはフィラメント３における他方の端部３Ｂに電気的に接続している。

反射板９は、図１においてフィラメント３の下側に位置する板状の部材である。反射板９は、その両端が中央部に比べて上側にせり上がった曲面形状を有し、その上面９Ａが鏡面となっている。

収容部材１０は、フィラメント３、電流端子５の上端部５Ａ、電流端子７の上端部７Ａ、及び反射板９をその内部に収容する中空の部材である。収容部材１０の内部は、外部に対し密閉されており、真空となっている。

収容部材１０は、ステム１１、キャップ１３、及び窓１５から成る。ステム１１は、収容部材１０の底面を構成する平板状の部材である。ステム１１は金属から成り、電流端子５の下端部５Ｂ、及び電流端子７の下端部７Ｂを外部に導出する孔１１Ａ、１１Ｂが設けられている。孔１１Ａ、１１Ｂにおいて、ステム１１と電流端子５、７との間にはガラス１７が封入され、ステム１１と電流端子５、７とは電気的に絶縁されている。

キャップ１３は銅から成る部材であり、収容部材１０の側面、及び上面（窓１５が設けられた部分を除く）を構成している。窓１５は、収容部材１０の上面における中央部に設けられており、サファイアから成る板状部材である。なお、サファイアは、赤外領域の光を透過させる性質を有する。窓１５の材質は、赤外領域の光を透過させる性質を有する他の材質（例えば、ＫＢｒ、Ｓｉ、Ｇｅ等）であってもよい。

２．光源１の製造方法
（１）ＣＮＴシートの製造
まず、厚さ６５０μｍである矩形のＰ型シリコン基板を熱酸化して、その表面に厚さ１００ｎｍの酸化膜を形成した。酸化膜の厚みは、走査型電子顕微鏡を用いて測定した。

次に、スパッタリング装置を用いて、基板の表面（熱酸化膜上）に、Ｆｅ−Ａｌ（合金）から成る金属触媒層を形成した。スパッタリングによる金属触媒層の形成では、Ａｌのターゲットの上にＦｅのターゲットを乗せ、それらの面積比を変えることにより、Ｆｅ／Ａｌの組成比を調整した。

Ｆｅ／Ａｌの組成比、及び金属触媒層の膜厚は、以下のように算出する。まず、厚み既知のＦｅ層の蛍光Ｘ線測定を行い、Ｆｅ固有のピーク面積強度を求める。これを、複数種類の厚みのＦｅ層についてそれぞれ行い、Ｆｅ膜厚と、Ｆｅ固有のピーク面積強度との検量線を作成しておく。同様に、Ａｌ層についても、Ａｌ膜厚と、蛍光Ｘ線測定スペクトルにおけるＡｌ固有のピーク面積強度との検量線を作成しておく。

次に、基板上に形成した金属触媒層の蛍光Ｘ線測定を行う。その測定スペクトルにおいて、Ｆｅ固有のピーク面積強度と、Ａｌ固有のピーク面積強度とをそれぞれ求める。そして、このＦｅ固有のピーク面積強度を、先に作成しておいたＦｅの検量線に当てはめて、金属触媒層のＦｅ換算での膜厚（以下、Ｍ１とする）を算出する。また、Ａｌ固有のピーク面積強度を、先に作成しておいたＡｌの検量線に当てはめて、金属触媒層のＡｌ換算での膜厚（以下、Ｍ２とする）を算出する。このＭ１とＭ２との和を、金属触媒層の膜厚とする。また、Ｍ１／Ｍ２を、金属触媒層の組成比Ｆｅ／Ａｌとする。本実施形態では、金属触媒層の膜厚を１．８ｎｍとし、組成比Ｆｅ／Ａｌを０．５３とした。

次に、金属触媒層を形成した基板上にＣＮＴを合成した。具体的には、以下のようにした。基板を電気炉に挿入し、電気炉内に、水蒸気、アルゴン、及び水素を流した。アルゴンの流量は３００ｃｃ／ｍｉｎとし、水素の流量は５０ｃｃ／ｍｉｎとし、水蒸気の流量は、電気炉から出たＡｒガス中に占める水蒸気濃度が６０ｐｐｍとなる量とした。

その状態で電気炉内を昇温してゆき、ＣＮＴ合成温度（７００℃）に達した後、電気炉内にエチレンガスを１０ｃｃ／ｍｉｎの流量で流し、基板上にＣＮＴを合成した。合成時間は１０分間とした。

合成終了後、電子顕微鏡で基板上を観察したところ、基板上でＣＮＴが合成され、ＣＮＴの垂直配向膜が形成されていた。合成されたＣＮＴは、その一端が基板に固定されており、基板に対して垂直方向に均一に配向していた。また、個々のＣＮＴの直径は５〜３０ｎｍ程度であり、ＣＮＴの長さは約１００〜４００μmであった。

次に、図２Ａに示すように、ＣＮＴの垂直配向膜が形成された基板１０１における一方の端部１０１Ａに粘着テープ１０３を貼り付ける。基板１０１のうち、粘着テープ１０３を貼り付ける面１０１Ｂは、ＣＮＴの垂直配向膜が形成されている面である。粘着テープ１０３は、端部１０１Ａの幅方向において、所定の長さを有する。粘着テープ１０３を貼り付けた部分において、ＣＮＴは粘着テープ１０３に接着される。

次に、図２Ｂに示すように、粘着テープ１０３を、面１０１Ｂと平行な方向であり、且つ基板１０１から遠ざかる方向（図２Ｂにおける右方向）へ移動させる。このとき、図３Ａに示すように、粘着テープ１０３によって端部１０１Ａ側のＣＮＴが引き出されると、次に、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、隣接するＣＮＴが次々につながって引き出される。その結果、ＣＮＴシートが得られる。なお、図４は、上記の方法でＣＮＴシートを製造している状態を表す写真である。
（２）ＣＮＴシートの取り付け
製造したＣＮＴシート（フィラメント３）を、図１に示すように、上端部５Ａ、上端部７Ａの上に載せる。そして、ＣＮＴシートのうち、上端部５Ａの上方に位置する端部３Ａと、上端部７Ａの上方に位置する端部３Ｂとに、アルコールを滴下する。滴下したアルコールが気化すると、ＣＮＴシートは、上端部５Ａ、上端部７Ａに固定される。

３．光源１の評価
収容部材１０を取り外した状態で、電流端子５、７を交流電源に接続し、フィラメント３において生じる音波の音圧レベルを測定した。交流電源の周波数は、１００Ｈｚから２０ｋＨｚまで変化させた。その結果を図５に示す。音圧レベルは、全ての周波数において高かった。

この評価結果から、以下のことが分かる。フィラメント３において生じる音波は、フィラメント３が交流電源の周波数において周囲の空気を周期的に熱することで生じるものである（熱音響効果）。１００Ｈｚから２０ｋＨｚまでの周波数において、音波が検出されたということは、その範囲の周波数に対し、フィラメント３が応答している（交流電源の周波数でフィラメント３の温度が周期的に変化している）ことを示している。

また、交流電源の周波数が３０Ｈｚであるときのフィラメント３の平均表面温度をサーモビュアにて測定したところ１５０℃であった。ヴィーンの変位則より、このときのフィラメント３は、３０Ｈｚに変調した波長が７ミクロン程度の遠赤外光を放射していることになる。

以上の結果から、光源１は、高速で動作する（高速でＯＮ−ＯＦＦを切り替える）ことが可能であり、遠赤外光を放射することが確認できた。
なお、フィラメント３の大きさとＣＮＴの密度とから、フィラメント３の熱容量はおおよそ１×１０^-7Ｊ／Ｋと算出される。

４．光源１が奏する効果
（１）光源１は、上述したとおり、高速で動作する（高速でＯＮ−ＯＦＦを切り替える）ことが可能であり、遠赤外光を放射することができる。また、供給する電力値を変化させるなどの方法でフィラメント３の温度を変えることで、放射する光の波長を調整することができる。

（２）光源１において、フィラメント３は、内部が真空である収容部材１０に収容されているので、フィラメント３が高温になった場合でも劣化し難い。また、フィラメント３により音波が発生することを防止できる。

（３）光源１において、フィラメント３は、収容部材１０に収容されているので、フィラメント３が破損し難い。
５．変形例
収容部材１０の内部は、真空ではなく、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン等）が充填されていてもよい。この場合も、フィラメント３の劣化を低減できる。

また、収容部材１０の内部は、大気圧の空気が存在してもよい。また、キャップ１３や窓１５が存在せず、フィラメント３が開放されていてもよい。
また、ステム１１の内側面（フィラメント３と対向する面）を鏡面とすることで、ステム１１を反射部材としてもよい。この場合、反射板９はなくてもよい。

また、収容部材１０の全体が、赤外領域の光を透過させる性質を有する材質から成っていてもよい。
＜第２の実施形態＞
１．光源１の構成
光源１の構成を図６に基づいて説明する。本実施形態の光源１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、フィラメント３が、３枚のＣＮＴシート１９、２１、２３を積層したものである点で相違する。

２．光源１の製造方法
（１）ＣＮＴシートの製造
個々のＣＮＴシート１９、２１、２３は、前記第１の実施形態と同様に製造することができる。
（２）ＣＮＴシートの取り付け
図７Ａに示すように、上端部５Ａ、上端部７Ａの上に、ＣＮＴシート１９を載せる。そして、ＣＮＴシート１９のうち、上端部５Ａの上方に位置する端部１９Ａと、上端部７Ａの上方に位置する端部１９Ｂとに、アルコールを滴下する。

滴下したアルコールが気化してから、図７Ｂに示すように、ＣＮＴシート１９の上に、ＣＮＴシート２１を載せる。そして、ＣＮＴシート２１のうち、上端部５Ａの上方に位置する端部２１Ａと、上端部７Ａの上方に位置する端部２１Ｂとに、アルコールを滴下する。

滴下したアルコールが気化してから、図７Ｃに示すように、ＣＮＴシート２１の上に、ＣＮＴシート２３を載せる。そして、ＣＮＴシート２３のうち、上端部５Ａの上方に位置する端部２３Ａと、上端部７Ａの上方に位置する端部２３Ｂとに、アルコールを滴下する。

この滴下したアルコールが気化すると、ＣＮＴシート１９、２１、２３は、上端部５Ａ、上端部７Ａに対し固定される。
なお、フィラメント３以外の点は、前記第１の実施形態と同様にして、本実施形態の光源１を製造することができる。

３．光源１が奏する効果
（１）本実施形態の光源１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。
（２）本実施形態の光源１では、フィラメント３が、３枚のＣＮＴシート１９、２１、２３を積層したものであるので、単層のＣＮＴシートから成るフィラメントに比べて、光量が大きくなる。

４．変形例
収容部材１０の内部は、真空ではなく、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン等）が充填されていてもよい。この場合も、フィラメント３の劣化を低減できる。また、収容部材１０の内部は、大気圧の空気が存在してもよい。また、キャップ１３や窓１５が存在せず、フィラメント３が開放されていてもよい。

また、ＣＮＴシートの枚数は、３枚以外の複数（例えば、２枚、４枚、５枚、６枚・・・）であってもよい。また、ＣＮＴシート１９、２１、２３の取り付けにおいて、アルコールの代わりに他の有機溶媒を用いてもよい。

また、ステム１１の内側面（フィラメント３と対向する面）を鏡面とすることで、ステム１１を反射部材としてもよい。この場合、反射板９はなくてもよい。
また、収容部材１０の全体が、赤外領域の光を透過させる性質を有する材質から成っていてもよい。
＜第３の実施形態＞
１．光源１の構成
光源１の構成を図８に基づいて説明する。本実施形態の光源１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、フィラメント３が、グラフェン層から成り、フィラメント３の上側に紙層２５が設けられている点で相違する。

２．光源１の製造方法
まず、図９Ａに示すようにニッケル基板２６上に、ＣＶＤ（化学気相成長法）により、薄いグラファイト（グラファイト薄膜）から成るフィラメント３を形成する。薄いグラファイトの層数は、１〜１００層である。ＣＶＤにおいて使用するガスはメタンであり、基板としてニッケル基板２６を用い、８００〜１０００℃の温度にて１〜１０分間メタンガスと反応させることで多層グラフェンをニッケル基板２６上に形成する。

次に、図９Ｂに示すように、フィラメント３の上に、スピンコートにより、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）層２７を形成する。ＰＭＭＡ層２７の膜厚は１〜５μｍである。

次に、図９Ｃに示すように、エッチングにより、ニッケル基板２６を除去する。
次に、図９Ｄに示すように、フィラメント３のうち、ＰＭＭＡ層２７とは反対側の面に、紙層２５を接着する。

次に、図９Ｅに示すように、ＰＭＭＡ層２７を有機溶剤で溶解することで除去する。
次に、図９Ｆに示すように、上端部５Ａ、上端部７Ａの上に、フィラメント３を載せる。そして、前記第２の実施形態と同様に、アルコールを滴下する方法もしくは銀ペーストなどの導電性接着剤を用いる方法で、上端部５Ａ、上端部７Ａの上に、フィラメント３を取り付ける。

なお、フィラメント３以外の点は、前記第１の実施形態と同様にして、本実施形態の光源１を製造することができる。
３．光源１が奏する効果
本実施形態の光源１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。

４．変形例
収容部材１０の内部は、真空ではなく、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン等）が充填されていてもよい。この場合も、フィラメント３の劣化を低減できる。また、収容部材１０の内部は、大気圧の空気が存在してもよい。また、キャップ１３や窓１５が存在せず、フィラメント３が開放されていてもよい。

また、ステム１１の内側面（フィラメント３と対向する面）を鏡面とすることで、ステム１１を反射部材としてもよい。この場合、反射板９はなくてもよい。
また、収容部材１０の全体が、赤外領域の光を透過させる性質を有する材質から成っていてもよい。
＜第４の実施形態＞
１．光源１の構成
前記第３の実施形態において紙層２５を用いず、図９Ｃの状態から直接上端部５Ａ及び上端部７Ａにフィラメント３を接着し、その後アセトンにてＰＭＭＡ層２７を溶解除去する。なお、フィラメント３以外の点は、前記第１の実施形態と同様にして、本実施形態の光源１を製造することができる。

２．光源１が奏する効果
本実施形態の光源１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。
３．変形例
収容部材１０の内部は、真空ではなく、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン等）が充填されていてもよい。この場合も、フィラメント３の劣化を低減できる。また、収容部材１０の内部は、大気圧の空気が存在してもよい。また、キャップ１３や窓１５が存在せず、フィラメント３が開放されていてもよい。

また、ステム１１の内側面（フィラメント３と対向する面）を鏡面とすることで、ステム１１を反射部材としてもよい。この場合、反射板９はなくてもよい。
また、収容部材１０の全体が、赤外領域の光を透過させる性質を有する材質から成っていてもよい。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記第１〜第４の実施形態に記載された構成を適宜組み合わせても良い。また、電流端子５、７の材質は、導電性を有する材質の中から適宜選択できる。また、反射部材の材質、形状、位置等は適宜設定できる。

１・・・光源、３・・・フィラメント、３Ａ、３Ｂ・・・端部、
５、７・・・電流端子、５Ａ、７Ａ・・・上端部、５Ｂ、７Ｂ・・・下端部、
９・・・反射板、９Ａ・・・上面、１０・・・収容部材、１１・・・ステム、
１１Ａ・・・孔、１３・・・キャップ、１５・・・窓、１７・・・ガラス、
１９、２１、２３・・・ＣＮＴシート、
１９Ａ、１９Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ・・・端部、
２５・・・紙層、２６・・・銅基板、２７・・・ＰＭＭＡ層、
１０１・・・基板、１０１Ａ・・・端部、１０３・・・粘着テープ

Claims (6)

1. ＣＮＴ又はグラファイト薄膜から成るフィラメントと、
   前記フィラメントに電気的に接続した一対の電流端子と、
   前記フィラメントが放射する光を反射する反射部材と、
   を備えることを特徴とする光源。
2. 前記フィラメントを収容するとともに、前記光を透過させる窓を有する収容部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の光源。
3. 前記収容部材内が真空であることを特徴とする請求項２に記載の光源。
4. 前記収容部材内に不活性ガスが充填されていることを特徴とする請求項２に記載の光源。
5. 前記フィラメントは、ＣＮＴシートを複数積層したものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源。
6. 前記フィラメントは、層数が１〜１００層のグラファイトであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源。