JP2015041580A - フィラメントおよび光源 - Google Patents

Abstract

【課題】電力を可視光や近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供する。
【解決手段】バンドギャップを有する材料で少なくとも一部が構成されたフィラメントが提供される。バンドギャップを有する材料は、バンドギャップ未満のエネルギー領域の放射率がほぼゼロになるため、供給されたエネルギーをバンドギャップ以上のエネルギー領域において放射することができる。これを利用して、可視光や近赤外光の放射効率の高いフィラメントが得られる。フィラメント材料は、半導体、電気伝導性を生じる構造が導入された誘電体、ならびに、カーボンナノチューブ等を好適に用いることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、エネルギー利用効率を改善した光源用フィラメントに関する。

タングステンフィラメント等に電流を流すことにより、フィラメントを加熱し、電球とする白熱電球が広く用いられている。白熱電球は、太陽光に近い演色性に優れた放射スペクトルが得られ、白熱電球の電力から光への変換効率は８０％以上になるが、放射光の波長成分は、図１に示すように赤外放射光成分が９０％以上である（図１の３０００Ｋの場合）。このため、白熱電球の電力から可視光への変換効率は、凡そ１５ ｌｍ／Ｗと低い値になる。一方、蛍光灯は、電力から可視光への変換効率が約９０ ｌｍ／Ｗであり、白熱電球よりも大きい。このため、白熱電球は、演色性に優れているが、環境負荷が大きいという問題がある。

白熱電球を高効率化・高輝度化・長寿命化する試みとして，様々な提案がなされている。例えば、特許文献１および２には、電球内部に不活性ガスやハロゲンガスを封入することにより、蒸発したフィラメント材料をハロゲン化してフィラメントに帰還させ（ハロゲンサイクル）、フィラメント温度をより高くする構成が提案されている。一般的にこれらはハロゲンランプと呼ばれている。これにより、可視光への電力変換効率の上昇およびフィラメント寿命の延長の効果が得られる。この構成では、高効率化並びに長寿命化のために、封入ガスの成分並びに圧力の制御が重要となる。

特許文献３−５には、電球ガラスの表面に赤外線反射コートを施し、フィラメントから放射された赤外光を反射して、フィラメントに戻し、吸収させる構成が開示されている。これにより、赤外光をフィラメントの再加熱に利用し、高効率化を図っている。

特許文献６−９には、フィラメント自体に微細構造体を作製し，その微細構造体の物理的効果により，赤外放射を抑制し，可視光放射の割合を高めるという構成が提案されている。

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

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

しかしながら，特許文献１，２のようにハロゲンサイクルを利用する技術は、寿命延伸効果を図ることはできるが、変換効率を大きく改善することは困難であり、現状，２０ ｌｍ／Ｗ程度の効率である。

また，特許文献３−５のように、赤外放射を赤外線反射コートで反射して、フィラメントに再吸収させる技術は、フィラメントによる赤外光の反射率が７０％と高いために再吸収が効率良く起こらない。また，赤外線反射コートで反射された赤外光が、フィラメント以外の他の部分，例えばフィラメント保持部分並びに口金等に吸収され，フィラメントの加熱に利用されない。このため，本技術により、変換効率を大きく改善することは困難である。現状，２０ ｌｍ／Ｗ程度の効率となる。

特許文献６−９のように微細構造により赤外放射光の抑制効果を図る技術は、赤外放射スペクトルの極一部分の波長に対して放射増強並びに抑制効果を示す報告は存在するが（非特許文献１）、広範囲な赤外光全体に亘って赤外放射光の抑制を図ることは非常に困難である。これは、ある波長が抑制されると，別の波長は増強される性質のためである。このため、本技術を利用して大幅な効率改善を図ることは難しいと考えられている。また，微細構造作製に際して，電子ビームリソグラフィー等の高度な微細加工技術を利用するため，これを使用した光源は非常に高価なものとなる。更に，高温耐熱部材であるＷ基体上に微細構造を作り込んでも１０００℃程度の加熱温度で微細構造部分が溶融並びに破壊してしまうと言う問題も存在する。

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

上記目的を達成するために、本発明によればバンドギャップを有する材料で少なくとも一部が構成されたフィラメントが提供される。

本発明では、バンドギャップを有する材料のバンドギャップ未満のエネルギー領域の放射率がほぼゼロになることを利用して、赤外波長領域の放射率が低く、可視光や近赤外光の放射率の高いフィラメントが得られる。

従来のタングステンフィラメントの放射エネルギーの波長依存性を示すグラフ。 本発明のフィラメントの反射率と放射率と放射スペクトルとの関係を示すグラフ。 本実施形態のフィラメントの一例の斜視図。 実施形態１のＳｉフィラメントの反射率、放射率、得られる放射スペクトル並びに分光光度（放射スペクトル×視感度曲線）の波長依存性を示すグラフ。 実施形態２のＧａＡｓフィラメントの反射率、放射率、得られる放射スペクトル並びに分光光度（放射スペクトル×視感度曲線）の波長依存性を示すグラフ。 実施形態３のＧａＮフィラメントの反射率、放射率、得られる放射スペクトル並びに分光光度（放射スペクトル×視感度曲線）の波長依存性を示すグラフ。 実施形態４のカーボンナノチューブフィラメントの反射率、放射率、得られる放射スペクトル並びに分光光度（放射スペクトル×視感度曲線）の波長依存性を示すグラフ。 実施形態５のダイヤモンド半導体フィラメントの反射率、放射率、得られる放射スペクトル並びに分光光度（放射スペクトル×視感度曲線）の波長依存性を示すグラフ。 実施形態６のレーザー共振器構造としたフィラメントの斜視図。 実施形態７の光源の切り欠き断面図。

本発明のフィラメントの原理について図面を用いて説明する。

本発明では、バンドギャップを有する材料で少なくとも一部が構成されたフィラメントが提供される。バンドギャップを有する材料は、バンドギャップ未満のエネルギー領域の放射率がほぼゼロになるため、供給されたエネルギーをバンドギャップ以上のエネルギー領域において放射することができる。これを利用して、可視光や近赤外光（波長１２００ｎｍ以下）の放射効率の高いフィラメントが得られる。

フィラメントの材料は、バンドギャップエネルギーが、可視から赤外波長領域にあることが望ましい。特に、可視から近赤外波長領域（１２００ｎｍ以下）にあることが望ましい。例えば、バンドギャップエネルギーが、波長７００ｎｍ付近にあることが望ましい。

フィラメントの材料は、反射率と透過率の和が、可視波長領域より赤外波長領域で高いことが望ましい。

フィラメント材料は、半導体、電気伝導性を生じる構造が導入された誘電体、ならびに、カーボンナノチューブやグラフェン等のナノ構造のカーボンを好適に用いることができる。例えば、Ｓｉ（バンドギャップエネルギー：１．１ｅＶ），ＧａＡｓ（同：１．４ｅＶ），β−ＳｉＣ（同：２．２ｅＶ），ＧａＮ（同：３ｅＶ），カーボンナノチューブ（直径２ｎｍの場合バンドギャップエネルギー：０．５ｅＶ、直径０．５ｎｍの場合：１．５ｅＶ）を用いることができる。（なお、カーボンナノチューブのバンドギャップエネルギーの直径依存については、非特許文献 Kataura,et al.,Synthetic Metals,103,2555(1999）参照．）

また、半導体、または、電気導電性を生じる構造が導入された誘電体をフィラメント材料として用いる場合には、フィラメントの表面を鏡面研磨することが望ましい。鏡面研磨後の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下、最大高さ（Ｒｍａｘ）１０μｍ以下、および、十点平均粗さ（Ｒｚ）１０μｍ以下の少なくとも一つを満たすことが望ましい。

半導体をフィラメント材料として用いる場合、半導体には不純物がドープされていることが望ましい。この不純物により、半導体の反射率と透過率が制御され、同時に電気伝導性を備えることができる。

上記フィラメント材料は、１５００Ｋ以上においても耐えられるものが望ましい。

また、半導体を材料とするフィラメントは、両端に電極が備えられ、外周には可視光反射膜が配置された構造にすることも可能である。この場合、可視光反射膜は、フィラメント内部で発生した可視光を共振させる共振器を構成することができるため、レーザー光を出射することが可能になる。

上記フィラメントを気密容器内に配置し、フィラメントに電流を供給するための電極をフィラメントに接続することによりフィラメントを加熱励起し、可視光や近赤外光（波長１２００ｎｍ以下）を出射する光源を構成することができる。気密容器内には、１０^５Ｐａから１０^７Ｐａの圧力で不活性ガスが封入されていることが好ましい。

フィラメント励起部は、電流供給手法の他に、マイクロ波励起部，ＲＦ波励起部，放電励起部，伝導励起部，等，様々な物理的励起手法を採用することが出来る。特に，電気伝導性が低いフィラメントの場合，マイクロ波励起並びにＲＦ波励起等のフィラメント加熱励起手法が有効となる。

本発明のフィラメントを構成する半導体並びに誘電体材料としては，上述してきた材料の他に，融点が１５００Ｋ以上である半導体ならびに誘電体材料を用いることが出来る。例えば、融点が１５００Ｋ以上である材料であって、禁制帯幅（バンドギャップ）が広く、絶縁特性を有する誘電体材料に，広義な意味での不純物を添加し、放射制御特性並びに電気伝導性を持たせた材料をフィラメントに用いることも可能である。具体的には、ダイヤモンド半導体のように、窒素ドープによる不純物準位形成方法や，イオン注入による欠陥準位形成方法、または、電子線照射による結晶欠陥生成方法等により誘電体に伝導特性を形成した材料によりフィラメントを形成することができる。

また、ダイヤモンド以外にも、誘電体材料としては、酸化物であるＣａＯ，ＣｅＯ_２，Ｃｒ_２Ｏ_３，ＣｏＯ，Ｄｙ_２Ｏ_３，Ｇｄ_２Ｏ_３，Ｇａ_２Ｏ_３，ＨｆＯ_２，ＨｏＯ_３，ＳｎＯ_２，Ｆｅ_２Ｏ_３，Ｌａ_２Ｏ_３，ＭｇＡｌ_２Ｏ_４，ＭｇＯ，Ｎｄ_２Ｏ_３，ＮｂＯ，Ｎｂ_２Ｏ_３，Ｏｓ_２Ｏ_３，ＲｅＯ_３，Ｓｍ_２Ｏ_３，Ｓｃ_２Ｏ_３，ＳｉＯ，ＳｉＯ_２，ＳｒＯ，Ｔａ_２Ｏ_５，Ｔｂ_２Ｏ_３，ＴｈＯ_２，ＴｉＯ，Ｔｉ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２，ＵＯ_２，ＶＯ_２，Ｙｂ_２Ｏ_３，Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２，Ｙ_２Ｏ_３，ＺｎＯ，ＺｒＯ_２，ＺｒＳｉＯ_４等，また，窒化物であるＡｌＮ，ＢＮ，ＨｆＮ，ＮｂＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＴａＮ，ＴｉＮ，ＶＮ，ＺｒＮ等，炭化物材料であるＢｅ_２Ｃ，Ｂ_４Ｃ，グラフェン，ダイヤモンドライクカーボン，Ｃｒ_３Ｃ_２，Ｍｏ_２Ｃ，ＮｂＣ，４Ｈ−ＳｉＣ，６Ｈ−ＳｉＣ，ＴｈＣ_２，ＴｉＣ，Ｗ_２Ｃ，ＵＣ_２，ＶＣ，ＺｒＣ等、硫化物であるＣｄＳ，ＴｈＳ_２，ＵＳ，ＺｎＳ等、ホウ化物であるＣｒＢ，ＭｏＢ_２，ＨｆＢ_２，ＮｂＢ_２，ＴａＢ_２，ＴｉＢ_２，ＷＢ_２，ＶＢ_２，ＺｒＢ_２等，ケイ素化物，および、リン化物ＧａＰ，ＶＳｉ_２，ＺｒＳｉ_２等を用いることが可能である。

また、本発明では、フィラメントの全体が半導体並びに誘電体で構成されたものに限定されるものではなく、高温耐熱性を有する導電性基材の表面に半導体や誘電体を配置した構成にすることも可能である。この場合，導電性基材としては、Ｔａ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｗ，Ｒｕ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｒｈ，Ｃ，Ｂ_４Ｃ，ＺｒＣ，ＴａＣ，ＨｆＣ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＴｉＮ，ＬａＢ_６，ＺｒＢ_２，ＨｆＢ_２等を用いることができる。

つぎに、本発明のフィラメントが、バンドギャップ以上のエネルギー領域（可視光や近赤外光（波長１２００ｎｍ以下））の光を効率よく出射する原理について説明する。

自然対流熱伝達の無い条件下（例えば真空中）における材料（ここではフィラメント）の入力エネルギーに対するエネルギー損失は平衡状態では以下の式（１）で与えられる。
（数１）
P(total)=P(conduction)+P(radiation) ・・・(1)

ここで，P(total)は、全入力エネルギー，P(conduction)は、フィラメントに電流を供給するリード線を経て損失されるエネルギー，P(radiation)は、フィラメントが、加熱された温度で外部空間に光を放射して損失するエネルギーである。フィラメントは、その温度が２５００Ｋ以上の高温になると，リード線を経て損失されるエネルギーはわずか５％程度になり，残りの９５％以上のエネルギーは、光放射によって外部にエネルギー損失されるため，入力電力の殆ど全てのエネルギーを光に代えることが出来る。しかしながら，従来の一般的なフィラメントから放射される放射光の内，可視光成分の割合はわずか１０％程度で，大部分が赤外放射光成分であるため，そのままでは効率の良い可視光源とはならない。

上記式（１）におけるP(radiation)の項は一般的に、下記式（２）で記述することができる。

式（２）においては、ε(λ)は、各波長における放射率，αλ^-5/(exp(β/λＴ)−１)の項は、プランクの放射則を示す。α＝３．７４７×１０^８ Ｗμｍ^４／ｍ^２，β＝１．４３８７×１０^４ μｍＫ，である。また，ε(λ)は、キルヒホッフの法則によって、半導体の透過率τ（λ）および反射率Ｒ(λ)と式（３）の関係にある。
（数３）
ε(λ)＝１−τ(λ)−Ｒ(λ) ・・・(3)

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

一方、図２に一点鎖線で示すように赤外光領域で略０％の放射率を有し，７００ｎｍ以下の可視光領域で，略１００％の放射率を有する材料を，真空中で加熱した熱放射は、以下の（４）式で表現出来る。

式（４）において、θ(λ−λ_０） は、長波長から可視光のある波長λ_０までは放射率が０であり，ある波長λ_０よりも短波長の領域では放射率が１である階段関数的振る舞いを示す関数である。得られる放射スペクトルは階段関数的な放射率と黒体放射スペクトルを畳み込んだ形状となり，計算の結果は、図２の破線で示すスペクトルとなる。即ち，式（４）の物理的意味は，フィラメントへの入力エネルギーの小さい低温領域では輻射損失が抑えられており，式（４）のP (radiation)の項が0となるため，エネルギー損失がP (conduction)のみとなり，非常に効率良くフィラメント温度が上昇する。一方、フィラメント温度が高温になり，黒体放射スペクトルのピーク波長がλ_０より短くなるような温度領域になると，フィラメントに入力したエネルギーを図２の破線で示したスペクトルのように可視光放射として損失するようになる。

式（４）におけるθ(λ−λ_０）は、上述のように長波長から可視光のある波長λ_０までは放射率が０であり，ある波長λ_０よりも短波長の領域では放射率が１である材料である。このような材料は、式（３）のキルヒホッフの法則により、図２に実線で示したように、波長λ_０以下で反射率と透過率の和が０で、波長λ_０よりも長波長領域で反射率と透過率の和が１となる。

そこで本発明は、波長λ_０以下の可視光域の反射率と透過率の和が０に近く、波長λ_０よりも長波長領域で反射率と透過率の和が１に近い値を有するフィラメントとして、バンドギャップを有する材料で構成されたフィラメントを提供する。このフィラメントは、バンドギャップ未満のエネルギー領域（例えば、７００ｎｍ以上の赤外光）の放射率がほぼゼロになる。

（実施形態１）
実施形態１として、Ｓｉ半導体を材料とするフィラメントについて説明する。このフィラメントは、１７００ Ｋの温度でも赤外領域の放射率がほぼゼロ（すなわち、透過率と反射率の和がほぼ１）の放射特性を示す。

まず、Ｓｉ半導体を材料とするフィラメントの製造方法について説明する。Ｐ型またはＮ型で、比抵抗０．０１Ωｃｍ程度の面方位（１００）のＳｉ基板を用意する。Ｓｉ基板は、ＦＺ（フローティングゾーン）法等で成長させたものが望ましい。ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法で成長させたＳｉ基板は、酸素を大量に含み０．１ｅＶから０．５ｅＶに亘って多数の不純物準位が形成されている（例えば，半導体デバイス，Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ，産業図書出版Ｐ．２２参照）ため、加熱すると、不純物準位内の束縛電子が励起され自由電子となり，これに起因した長波長赤外放射が出現する（赤外放射抑制効果の劣化）。このため、不純物に起因する赤外線放射をなるべく少なく抑制したＳｉ基板を用意することが望ましい。

用意したＳｉ基板を、図３に示すように、直方体や円柱状等の棒状やコイル形状等所望のフィラメント形状に加工する。棒状に加工する場合、サイズとしては、例えば０．１×０．１×１０（ｍｍ^３）〜０．５×０．５×２０ （ｍｍ^３）程度に加工することができる。棒状に加工する際には、劈開、ダイシング、レーザースクライビング等のＳｉ基板の加工に用いられる周知のプロセスを用いる。劈開により加工する場合、劈開の容易さから結晶面が面方位（１００）のＳｉ基板を準備することが好ましい。レーザースクライビング等の加工プロセスを用いる場合は，フィラメントの加工が面方位に影響を受けないので，他の面方位，例えば（１１０），（１１１），等の基板を用いることをできる。コイル形状等、他の所望の形状にＳｉ基板を加工する場合には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の加工プロセス等を用いることができる。

形成した所望の形状のＳｉフィラメントの表面を鏡面研磨することが望ましい。これにより、表面粗さが大きな半導体表面に生じる表面準位を抑制できるため、表面準位が加熱時に放射する赤外放射を防止できる。よって、フィラメントの赤外光の放射抑制の作用をより高めることができる。鏡面研磨後の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下，最大高さ（Ｒｍａｘ）１０μｍ以下、および，十点平均粗さ（Ｒｚ）１０μｍ以下のうち少なくとも一つを満たすことが望ましい。

加工並びに研磨によって生じた歪が、Ｓｉフィラメントに種々の欠陥・表面準位を形成し、赤外光を放射する恐れがあるため、フィラメント作製後，バッファードＨＦ等を用いて酸化被膜除去並びに表面洗浄を行い，その後，フィラメントを加熱して，結晶欠陥の回復作業等を施すことが望ましい。さらに，このような結晶欠陥の回復作業を施したフィラメントの表面に、Ｓｉ半導体をホモエピタキシャル成長させることも可能である。これにより、結晶欠陥・表面準位の発生をさらに抑えることができるため、より高品質なフィラメントを形成すること出来る。

すでに述べたように、形成したフィラメントは、比抵抗０．０１Ωｃｍ程度であることが好ましい。これにより、Ｓｉフィラメントに低電圧（１０Ｖ程度）である程度の電流（１〜１０Ａオーダー）を流して加熱することができるためである。ただし、必ずしも比抵抗は０．０１Ωｃｍ以下でなくてもよい。フィラメントが短い場合や、フィラメントが薄膜形状である場合には、比抵抗が大きくても，以下の（５）式に示すように，フィラメント長さＬの3乗に反比例し、フィラメント電圧Ｖの２乗に比例する空間電化制限電流Ｊを流して加熱することができる。
（数５）
Ｊ ∝ Ｖ^２／Ｌ^３ ・・・（５）

一般的には，比抵抗の大きい半導体材料の方が，不純物準位が少なく，加熱による自由電子の生成，延いてはこれによる長波長赤外放射生成の影響を受け難いより良好な赤外光の放射抑制の効果を期待することが出来る。

半導体材料の不純物特性は、Ｐ型であってもＮ型であってもよい。

上記工程により製造されたＳｉフィラメントを、１７００Ｋに加熱することによって，図４に示すような放射特性を得ることが出来る。図４から明らかなように、Ｓｉフィラメントは、波長１０００ｎｍ以上において、反射率と透過率の和がほぼ１で，放射率は０になっており，波長１０００ｎｍ以上の赤外放射が抑制され、比較的低温の１７００Ｋの加熱温度においても可視光が２８．３ ｌｍ／Ｗという高効率で放射されている。因みに一般的に電球で使用されているタングステン材料を１７００Ｋに加熱した際に得られる光束効率は高々１．５ ｌｍ／Ｗであり，Ｓｉ半導体材料を用いることによってタングステン材料の略２０倍の光束効率を実現出来る。

（実施形態２）
実施形態１と同様の製造工程により、ＧａＡｓからなるフィラメントを製造した。図５に、ＧａＡｓフィラメントを１５００Ｋに加熱した場合の放射特性を示す。図５から明らかなようにＧａＡｓフィラメントは、波長９００ｎｍ以上において反射率と透過率の和がほぼ１であり，放射率が０になっており，波長９００ｎｍ以上の赤外放射が抑制され、比較的低温の１５００Ｋの加熱温度においても可視光が２９．３ ｌｍ／Ｗという高効率で放射されている。因みに一般的に電球で使用されているタングステン材料を１５００Ｋに加熱した際に得られる光束効率は高々０．４ ｌｍ／Ｗであり，ＧａＡｓ半導体材料を用いることによってタングステン材料の略７０倍の光束効率を実現出来る。

（実施形態３）
実施形態１と同様の製造工程により、ＧａＮからなるフィラメントを製造した。図６に、ＧａＮフィラメントを２５００Ｋに加熱した場合の放射特性を示す。図６から明らかなようにＧａＮフィラメントは、波長７００ｎｍ以上において反射率と透過率の和がほぼ１であり，放射率が０になっており，波長７００ｎｍ以上の赤外放射が抑制され、２５００Ｋの加熱温度において可視光が２０８．１ ｌｍ／Ｗという高効率で放射されている。因みに一般的に電球で使用されているタングステン材料を２５００Ｋに加熱した際に得られる光束効率は高々１７ ｌｍ／Ｗであり，ＧａＮ半導体材料を用いることによってタングステン材料の略１２倍の光束効率を実現出来る。

（実施形態４）
図７に直径１ｎｍのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）をフィラメントとし、３０００Ｋに加熱した場合の放射特性を示す。図７から明らかなようにＣＮＴフィラメントは、波長１２００ｎｍ以上において反射率と透過率の和がほぼ１であり，放射率が０になっており，波長１２００ｎｍ以上の赤外放射が抑制され、３０００Ｋの加熱温度において可視光が７１．６ ｌｍ／Ｗという高効率で放射されている。因みに一般的に電球で使用されているタングステン材料を３０００Ｋに加熱した際に得られる光束効率は高々３６．７ ｌｍ／Ｗであり，ＣＮＴ材料を用いることによってタングステン材料の略２倍の光束効率を実現出来る。

ＣＮＴフィラメント等に代表されるナノ構造カーボン材料は，１０^５Ｐａにおける昇華温度が凡そ３８００Ｋと高いので，優れた放射特性を示すことが出来る。

（実施形態５）
ダイヤモンド半導体をフィラメントとし、２５００Ｋに加熱した場合の放射特性を図８に示す。このダイヤモンド半導体は、窒素ドープによる不純物準位形成方法や，イオン注入による欠陥準位形成方法、または、電子線照射による結晶欠陥生成方法等により、ダイヤモンドに放射制御性及び伝導特性を形成した材料である。図８から明らかなようにダイヤモンドフィラメントは、波長１０００ｎｍ以上において反射率と透過率の和がほぼ１であり，放射率が０になっており，波長１２００ｎｍ以上の赤外放射が抑制され、２５００Ｋの加熱温度において可視光が６７．７ ｌｍ／Ｗという高効率で放射されている。因みに一般的に電球で使用されているタングステン材料を２５００Ｋに加熱した際に得られる光束効率は高々１７ ｌｍ／Ｗであり，ダイヤモンド材料を用いることによってタングステン材料の略４倍の光束効率を実現出来る。

（実施形態６）
半導体で構成されたフィラメントをレーザー共振器構造とした実施形態について図９を用いて説明する。

図９のように、直方体形状の半導体材料のフィラメントの両端には、電極１１が備えられ、４つの側面は、可視光反射膜１２で覆われている。４つの側面のうち３面の可視光反射膜１２の反射率は、９９．９％以上であり、１面（前面）の可視光反射膜１２ａの反射率は、９０％である。可視光反射膜１２は、フィラメント内部で発生した可視光を共振させる共振器を構成し、レーザー光が、前面の可視光反射膜１２ａを透過して、出射される。これにより、半導体にＰＮ接合を形成しなくても，フィラメントからコヒーレンスの高い光を出射させることができる。

可視光反射膜１２としては、一般的に利用されている誘電体多層膜ミラー等の公知の薄膜ミラーを用いることができる。また、可視光反射膜１２に代えてフォトニック結晶構造をフィラメントに形成して共振器を形成することも可能である。

（実施形態７）
実施形態７として、本発明のフィラメントを用いた光源を図１０を用いて説明する。光源１は、気密容器２と、気密容器２内に配置されたフィラメント３と、フィラメント３に電流を供給するための電極（リード線）４，５とを有する。気密容器２は、可視光または近赤外光（波長１２００ｎｍ以下）を透過する材料、例えばガラスにより構成される。リード線４，５は、フィラメント３の両端に電気的に接続されると共にフィラメント３を支持している。

フィラメント３は、上述してきた本発明のフィラメントであり、バンドギャップを有する材料（半導体、誘電体、カーボンナノ材料等）により構成されている。フィラメント３を構成する材料が、半導体並びにカーボンナノ構造材料である場合には、金属と比較して融点・沸点が低いので，気密容器２内に不活性ガスを例えば１０気圧程度に加圧した環境下において使用することが好ましい。

気密容器２の封止部には、口金９が接合されている。口金９は、側面電極６と、中心電極７と、側面電極６と中心電極７とを絶縁する絶縁部８とを備える。リード線４の端部は、側面電極６に電気的に接続され、リード線５の端部は、中心電極７に電気的に接続されている。

フィラメント３は、図１０の例では、線材形状のフィラメントをらせん状に巻き回した構造であるが、上述してきたように棒状や他の形状のものを用いることができる。

本実施形態のフィラメントは、赤外光の放射が抑制され、可視光や近赤外光（波長１２００ｎｍ以下）を高効率で放射することができるため、図１０の光源は、エネルギー変換効率のよい光源となる。

本発明のフィラメントを用いた光源は、照明用光源，自動車用照明光源，プロジェクター用光源，液晶バックライト光源等の各種光源として、用いることが可能である。また、近赤外光の加熱効果を利用して、コピー機やプリンターのトナーを定着させる加熱装置等の加熱装置として用いることができる。

１…光源、２…気密容器、３…フィラメント、４…リード線、５…リード線、６…側面電極、７…中心電極、８…絶縁部、９…口金、１１…電極、１２…可視光

Claims (11)

1. バンドギャップを有する材料で少なくとも一部が構成されていることを特徴とするフィラメント。
2. 請求項１に記載のフィラメントにおいて、前記材料は、バンドギャップエネルギーが、可視波長領域から赤外波長領域にあることを特徴とするフィラメント。
3. 請求項１に記載のフィラメントにおいて、前記材料は、反射率と透過率の和が、可視波長領域より赤外波長領域で高いことを特徴とするフィラメント。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記材料は、半導体であることを特徴とするフィラメント。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記材料は、電気伝導性を生じる構造が導入された誘電体であることを特徴とするフィラメント。
6. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記材料は、ナノ構造炭素材料であることを特徴とするフィラメント。
7. 請求項４または５に記載のフィラメントにおいて、フィラメントの表面粗さは、中心線平均粗さが１μｍ以下、最大高さ１０μｍ以下、および、十点平均粗さ１０μｍ以下の少なくとも一つを満たすことを特徴とするフィラメント。
8. 請求項４に記載のフィラメントにおいて、前記半導体には、不純物がドープされ，その不純物により反射率と透過率が制御され、同時に電気伝導性を備えることを特徴とするフィラメント。
9. 請求項４または８に記載のフィラメントにおいて、前記半導体は、両端に電極が備えられ、外周には可視光反射膜が配置され、前記可視光反射膜は、内部で発生した可視光を共振させる共振器を構成していることを特徴とするフィラメント。
10. 気密容器と、前記気密容器内に配置されたフィラメントと、前記フィラメントに電流を供給するための電極とを有する光源であって、
    前記フィラメントは、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする光源。
11. 請求項９に記載の光源において，前記気密容器内には、１０^５Ｐａから１０^７Ｐａの圧力で不活性ガスが封入されていることを特徴とする光源。

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