JP5567390B2 - Visible light source - Google Patents
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Description
本発明は照明用光源、自動車用ランプ、プロジェクタ用光源等の各種光源として用いられる可視光源（白熱電球とも言う）に関する。 The present invention relates to a visible light source (also referred to as an incandescent light bulb) used as various light sources such as an illumination light source, an automobile lamp, and a projector light source.
タングステン(W)等のフィラメント（本願明細書においては、エミッタとする）に電流を流すことによりエミッタを加熱して発光源とする可視光源が広く用いられている。 A visible light source is widely used in which a current is passed through a filament (such as an emitter in the present specification) such as tungsten (W) and the emitter is heated to emit light.
図１は一般的な可視光源の放射光スペクトルを示すグラフである。図１に示すように、たとえばエミッタ温度3000Kにおける赤外放射光成分が90%以上存在するために、エミッタの入力電力の可視光への変換効率は低く、約15 lm/Wと低い値となる。尚、蛍光灯の場合の入力電力から可視光への変換効率は約90 lm/Wである。従って、可視光源は太陽光に近い良演色性の放射スペクトルを有するにも拘らず、環境負荷の点からその使用がなされなくなりつつある。 FIG. 1 is a graph showing a radiation spectrum of a general visible light source. As shown in FIG. 1, for example, the infrared radiation component at an emitter temperature of 3000 K is 90% or more, so that the conversion efficiency of the input power of the emitter into visible light is low, which is as low as about 15 lm / W. . In the case of a fluorescent lamp, the conversion efficiency from input power to visible light is about 90 lm / W. Therefore, although a visible light source has a good color rendering radiation spectrum close to that of sunlight, it is not being used from the viewpoint of environmental load.
図１に示すように、エミッタの入力電力から可視光への変換効率を向上させるためには、エミッタ温度を上げればよい。従って、可視光源を高変換効率化、高輝度化、長寿命化する試みとして以下の従来の可視光源がある。 As shown in FIG. 1, in order to improve the conversion efficiency from the input power of the emitter to visible light, the emitter temperature may be increased. Therefore, there are the following conventional visible light sources as an attempt to increase the conversion efficiency, the brightness, and the lifetime of the visible light source.
第１の従来の可視光源は、光源内部に不活性ガス及びハロゲンガスを封入した自動車用ランプとして用いられるハロゲン電球である(参照:特許文献１、２)。これにより、エミッタ温度をより高くしてエミッタの入力電力の可視光への変換効率を向上せしめると同時に、エミッタの寿命を伸ばす。この高変換効率化及び長寿命化に際しては、封入ガスの成分及び圧力の制御が重要である。 The first conventional visible light source is a halogen light bulb used as an automobile lamp in which an inert gas and a halogen gas are sealed inside the light source (refer to Patent Documents 1 and 2). This raises the emitter temperature and improves the conversion efficiency of the input power of the emitter into visible light, while at the same time extending the lifetime of the emitter. In order to increase the conversion efficiency and extend the life, it is important to control the composition and pressure of the sealed gas.
第２の従来の可視光源においては光源ガラスの表面に赤外線反射層をコーティングし、赤外線反射層により可視光以外の赤外放射光を反射し、再度、この赤外放射光をエミッタに吸収させてエミッタを再加熱する(参照:特許文献３、４、５)。これにより、エミッタ温度をより高くしてエミッタの入力電力の可視光への変換効率を向上せしめる。 In the second conventional visible light source, the surface of the light source glass is coated with an infrared reflecting layer, the infrared reflecting layer reflects infrared radiation other than visible light, and the infrared radiation is absorbed again by the emitter. The emitter is reheated (see: Patent Documents 3, 4, and 5). This raises the emitter temperature and improves the conversion efficiency of the input power of the emitter into visible light.
第３の従来の可視光源においては、エミッタ自体に微細構造体を形成し、この微細構造体の物理的効果により赤外放射光を抑制する(参照:特許文献６、７、８、９)。これにより、エミッタ温度をより高くしてエミッタの入力電力から可視光への変換効率を向上せしめる。 In the third conventional visible light source, a fine structure is formed in the emitter itself, and infrared radiation is suppressed by the physical effect of this fine structure (see: Patent Documents 6, 7, 8, and 9). This raises the emitter temperature and improves the conversion efficiency from the input power of the emitter to visible light.
しかしながら、上述の第１の従来の可視光源においては、ハロゲンサイクルを利用した寿命延伸効果を図ることができるが、エミッタを用いているので高い変換効率の向上は困難であり、せいぜい30 lm/W程度で蛍光灯の変換効率90 lm/Wに遠く及ばないという課題がある。 However, in the first conventional visible light source described above, the life extension effect using the halogen cycle can be achieved. However, since the emitter is used, it is difficult to improve the high conversion efficiency, and at most 30 lm / W. There is a problem that the conversion efficiency of fluorescent lamps is far from 90 lm / W.
また、上述の第２の従来の可視光源においては、エミッタ自体の赤外光反射率が約70%と高く、従って、赤外線反射層による赤外放射光のエミッタへの再吸収量は少ない。しかも、赤外線反射層による赤外放射光の反射光は実際にはエミッタ以外の保持部分、口金等に吸収されてエミッタの加熱に寄与しない。この結果、やはり高い変換効率の向上は困難であり、せいぜい30 lm/W程度で蛍光灯の変換効率90 lm/Wに遠く及ばないという課題がある。 Further, in the second conventional visible light source described above, the infrared reflectance of the emitter itself is as high as about 70%, and therefore the amount of reabsorption of infrared radiation by the infrared reflecting layer into the emitter is small. In addition, the reflected light of the infrared radiation from the infrared reflecting layer is actually absorbed by the holding part other than the emitter, the base, etc., and does not contribute to the heating of the emitter. As a result, it is still difficult to improve high conversion efficiency, and there is a problem that the conversion efficiency of fluorescent lamps is not far from 90 lm / W at most.
さらに、上述の第３の従来の可視光源においては、微細構造体の物理的効果つまり共振器構造による赤外放射光の抑制効果として赤外放射光スペクトルの極一部分に対してしか放射増強及び抑制効果がない(参照：非特許文献１)。つまり、ある波長が抑制されると、他の波長が増強される。従って、広範囲の赤外光全体に亘る抑制効果は非常に困難である。この結果、やはり、高い変換効率の向上は困難であるという課題がある。 Furthermore, in the third conventional visible light source described above, the radiation effect is enhanced and suppressed only for a very small part of the infrared radiation spectrum as a physical effect of the fine structure, that is, the infrared radiation suppression effect by the resonator structure. There is no effect (see Non-Patent Document 1). That is, when one wavelength is suppressed, other wavelengths are enhanced. Therefore, the suppression effect over the wide infrared light is very difficult. As a result, there is still a problem that it is difficult to improve high conversion efficiency.
上述の課題を解決するために、本発明に係る可視光源は、エミッタを具備する可視光源において、エミッタは、加熱基材と、この加熱基材の表面に設けられ、CrO層及びSnO 2 層を含む構造部とを有し、エミッタは、可視領域の波長の光の反射率が低く、赤外領域の波長の光の反射率が高い性質を有するものである。
In order to solve the above-described problems, a visible light source according to the present invention is a visible light source including an emitter, and the emitter is provided on a heating base material and a surface of the heating base material, and includes a CrO layer and a SnO 2 layer. The emitter has a property that the reflectance of light having a wavelength in the visible region is low and the reflectance of light having a wavelength in the infrared region is high.
また、上述の構造部は、酸化物並びに窒化物の誘電体中に所定の割合で金属又は／及び半導体を分散させたサーメット膜を採用し、これを加熱基材の表面に形成する。加熱基材は、Cu、W、Mo又はTaの何れかからなる抵抗体により形成する。 Further, the above-described structure portion employs a cermet film in which a metal or / and a semiconductor is dispersed at a predetermined ratio in an oxide and nitride dielectric, and this is formed on the surface of the heating substrate. The heating substrate is formed of a resistor made of Cu, W, Mo, or Ta.
本発明によれば、加熱基材と構造部が密着又は一体化されているので、加熱基材により発生した熱は可視光として構造部表面から放出することができ、赤外光として構造部表面から放出されることは殆どない。従って、入力電力から可視光の変換効率を高くできる。 According to the present invention, since the heating base material and the structure part are in close contact with each other, the heat generated by the heating base material can be emitted from the surface of the structure part as visible light, and as infrared light, the surface of the structure part Is rarely released from. Therefore, the conversion efficiency of visible light from input power can be increased.
図２は本発明に係る可視光源の原理を説明するための全入力電力Ptotalを示すグラフである。 FIG. 2 is a graph showing the total input power P total for explaining the principle of the visible light source according to the present invention.
熱対流のないたとえば真空中における加熱基材の全入力電力Ptotalは、平衡状態で次の式で与えられる。
Ptotal = PC + PR
但し、PCはリード線等を介して損失する熱伝達エネルギー、
PRは加熱基材が基材温度TS(=Ta+ΔT)（但し、Taは雰囲気の絶対温度）で外部空間へ光を放射して損失する放射（輻射）光エネルギーである。
For example, the total input power P total of the heating substrate in a vacuum without heat convection is given by the following equation in an equilibrium state.
P total = P C + P R
However, P C is the heat transfer energy loss through the lead wire or the like,
P R is radiation (radiation) light energy that is lost when the heating substrate emits light to the external space at the substrate temperature T S (= T a + ΔT) (where T a is the absolute temperature of the atmosphere).
たとえば基材温度TSが800K以上つまりΔTが500K以上であれば、表面加工前の加熱基材（灰色体）あるいは本発明に係る可視光源であっても、熱伝達エネルギーPCは全入力電力Ptotalの10％程度であり、残りの90％以上は放射光によって外部へのエネルギー損失となり、全入力電力Ptotalのほとんどが放射光エネルギーに変換される。 If for example the substrate temperature T S is 800K or more words ΔT is 500K or higher, even visible light source according to the surface treatment prior to the heating base (Haiirotai) or the present invention, heat transfer energy P C is the total input power P total is about 10%, and the remaining 90% or more becomes energy loss to the outside due to the radiated light, and most of the total input power P total is converted to radiated light energy.
しかし、灰色体が示す放射光は赤外成分を多く含むのに対して、本発明における可視光源は、赤外光が抑制され可視光を多く含む光源となる。即ち、90%以上の放射光エネルギーの内、灰色体の加熱基材が含む可視光成分は、10%以下(エネルギー効率は0.9×0.1＝0.09)であるのに対して、本発明における可視光源では、赤外光抑制効果により、50%以上(エネルギー効率は0.9×0.5＝0.45)のエネルギーを可視光成分に持たせることが可能となる。特に、加熱基材が低温度(580K)で加熱されている場合、赤外光の抑制効果は顕著に観測することが出来る。 However, the radiant light shown by the gray body contains a large amount of infrared components, whereas the visible light source in the present invention is a light source that suppresses infrared light and contains a lot of visible light. That is, of the 90% or more of the radiant light energy, the visible light component contained in the gray heating base material is 10% or less (energy efficiency is 0.9 × 0.1 = 0.09), whereas the visible light source in the present invention Then, the infrared light suppression effect makes it possible to give the visible light component energy of 50% or more (energy efficiency is 0.9 × 0.5 = 0.45). In particular, when the heating substrate is heated at a low temperature (580 K), the infrared light suppression effect can be observed remarkably.
さらに、上述の灰色体と本発明に係る可視光源について図３の放射光スペクトルで説明すると、灰色体の場合には、放射光のうち0.3〜0.8μmの可視領域の放射光の占める割合は2％程度である。他方、本発明に係る可視光源の場合には、放射光のうち0.3〜0.8μmの可視領域の放射光の占める割合は大きくなる。ここで、灰色体とは、放射率が波長に依らず一定値を取り、放射率が1未満である材料を意味する。例えば、表面加工前の加熱基材として本願明細書中に記述されている金属材料がこれに該当する。 Furthermore, the above-described gray body and the visible light source according to the present invention will be described with reference to the radiation spectrum of FIG. 3. In the case of a gray body, the proportion of the radiation in the visible region of 0.3 to 0.8 μm is 2 %. On the other hand, in the case of the visible light source according to the present invention, the proportion of the radiated light in the visible region of 0.3 to 0.8 μm in the radiated light becomes large. Here, the gray body means a material whose emissivity has a constant value regardless of the wavelength and whose emissivity is less than 1. For example, the metal material described in this specification as a heating base material before surface processing corresponds to this.
本発明の可視光源の原理をさらに図４を用いて説明する。すなわち、2μm以上の波長領域でほぼ1かつ0.8μm以下の波長領域でほぼ0の反射率R(λ)を有する材料を真空中の加熱基材上に形成し、0.3〜0.8μmの可視領域に放射強度のピークを有するようにする。 The principle of the visible light source of the present invention will be further described with reference to FIG. That is, a material having a reflectance R (λ) of approximately 1 in a wavelength region of 2 μm or more and approximately 0 in a wavelength region of 0.8 μm or less is formed on a heating substrate in a vacuum, and in a visible region of 0.3 to 0.8 μm. It has a peak of radiant intensity.
黒体または灰色体、たとえばCuあるいはWよりなる加熱基材の放射光エネルギーEB(λ)はプランクの放射則に従う。つまり、数１で示される。
β = 1.4387×104 μm・K
The radiant light energy E B (λ) of a heating substrate made of a black body or gray body, for example Cu or W, follows Planck's radiation law. That is, it is expressed by the following equation (1).
β = 1.4387 × 10 4 μm ・ K
また、放射率ε(λ)はキルヒホッフの法則に従う。つまり、
ε(λ) = 1 - R(λ)
The emissivity ε (λ) follows Kirchhoff's law. That means
ε (λ) = 1-R (λ)
従って、波長λでの放射光エネルギーはε(λ)・EB (λ)で表わされ、従って、数２で示される。
数３の式において、仮に、すべての波長λにおいてR(λ)=1つまりε(λ)=0の材料の場合には、PR=0となり、放射光による損失がない。つまり、Ptotal=PCとなり、少量の入力電力でも、放射光による損失はなく、従って、加熱基材が非常に高温に到達することを意味する。 In the formula (3), if R (λ) = 1, that is, ε (λ) = 0 at all wavelengths λ, P R = 0, and there is no loss due to radiated light. That, P total = P C becomes even with a small amount of input power, no loss due to synchrotron radiation, therefore, means that the heating substrate is very reach high temperatures.
また、数３の式において、仮に、すべての波長λにおいてR(λ)=0つまりε(λ)=1の材料（完全黒体と呼ばれる）の場合には、
しかしながら、自然界に存在する材料は0＜ε(λ)＜1であり、かつ、ε(λ)の波長依存性が急変しない。これらを、上述したように灰色体と呼ぶ。ここで注意しなければならない点は黒体及び灰色体のいずれにおいても、放射率に波長依存性を有さないこれらの材料を用いては、ある温度における黒体放射スペクトルの形状は両者で変わらないので、効率の良い可視光源を構成することは不可能となる。これに対し、本発明に係る材料は、上述のごとく、ε(λ)は2μm以上の波長に対して0であり、0.8μm以下の波長に対して1であり、かつ、ε(λ)の波長依存性は0.8〜2μmの波長領域で急変する。つまり、数３の式は、理想的には、数５で示すことができる。
θ(λ-λ0)はステップ関数であって、
λ≧λ0のとき、θ(λ-λ0) = 0
λ＜λ0のとき、θ(λ-λ0) = 1
つまり、R(λ)、ε(λ)は、理想的には、λ=λ0たとえば2μmにおいて急変する。この結果、本発明の可視光源は、上記段落００２７並びに段落００２８で記載した効果を融合した効果を示すようになる。即ち、加熱基材の温度が低い状態においては、2μm以上の波長での放射損失が抑制されているため、少量の入力電力で加熱基材が高温に達する。ところが、加熱基材の温度が上昇して黒体の放射スペクトルＥＢ（λ）のピーク波長値がλ0より大きくなると、加熱基材に入力した入力電力を短波長化した可視放射として損失するようになる。つまり、少量の入力電力で加熱基材を室温から高温に達せさせると同時に、高温においては、赤外領域の赤外成分を抑制して短波長化した可視光を放射させて熱平衡状態を保つので、高変換効率を達成できる。
However, the material existing in nature is 0 <ε (λ) <1, and the wavelength dependency of ε (λ) does not change suddenly. These are called gray bodies as described above. The point to be noted here is that the shape of the blackbody radiation spectrum at a certain temperature changes in both the blackbody and the graybody using these materials whose wavelength does not depend on the emissivity. Therefore, it is impossible to construct an efficient visible light source. In contrast, in the material according to the present invention, as described above, ε (λ) is 0 for wavelengths of 2 μm or more, 1 for wavelengths of 0.8 μm or less, and ε (λ) The wavelength dependence changes suddenly in the wavelength region of 0.8-2 μm. That is, the equation of Equation 3 can be expressed by Equation 5 ideally.
θ (λ−λ 0 ) is a step function,
When λ ≧ λ 0, θ (λ -λ 0) = 0
θ (λ-λ 0 ) = 1 when λ <λ 0
That is, R (λ) and ε (λ) ideally change suddenly at λ = λ 0, for example, 2 μm. As a result, the visible light source of the present invention exhibits an effect obtained by combining the effects described in the above paragraphs 0027 and 0028. That is, when the temperature of the heating base material is low, radiation loss at a wavelength of 2 μm or more is suppressed, so that the heating base material reaches a high temperature with a small amount of input power. However, when the temperature of the heating base material rises and the peak wavelength value of the blackbody radiation spectrum E B (λ) becomes larger than λ 0 , the input power input to the heating base material is lost as visible radiation with a reduced wavelength. It becomes like this. In other words, the heating substrate is allowed to reach room temperature from room temperature to a high temperature with a small amount of input power, and at the same time, the infrared component in the infrared region is suppressed to emit visible light having a shorter wavelength, thereby maintaining a thermal equilibrium state. High conversion efficiency can be achieved.
また、図５に示すごとく、加熱基材の反射率R(λ)をλ=λ0=0.6μmで急変するようにすれば、放射スペクトルの大部分を、図６の矢印６０１に示すように、標準比視感度曲線V(λ)の中に入れ込むことができ、従来にない光束効率ηを有する可視光源を実現できる。この光束効率ηは数６で与えられる。
V(λ)は図６の波長555nmにピークを有する標準比視感度曲線、
Kmは波長555nmにおいて放射量と測定量とを関係付ける定数で、683 lm/W
である。図５の分光密度X(λ)を有する可視光源の光束効率ηを数６の式を用いて計算すると、400 lm/W以上の値を得ることができた。これは従来の可視光源の20倍となる。また、図５に示した光源スペクトルの色度座標上の位置は図６の矢印６０１に示す緑色位置であり、従って、相関色温度が9000Kの高温度の光源となった。
Further, as shown in FIG. 5, if the reflectance R (λ) of the heating base material is suddenly changed at λ = λ 0 = 0.6 μm, most of the radiation spectrum is shown by an arrow 601 in FIG. Therefore, it is possible to realize a visible light source that can be included in the standard specific luminous efficiency curve V (λ) and has a luminous flux efficiency η that is not conventional. This luminous flux efficiency η is given by Equation 6.
V (λ) is a standard relative luminous sensitivity curve having a peak at a wavelength of 555 nm in FIG.
Km is a constant that relates the amount of radiation and the amount of measurement at a wavelength of 555 nm, 683 lm / W
It is. When the luminous efficiency η of the visible light source having the spectral density X (λ) in FIG. 5 was calculated using the equation (6), a value of 400 lm / W or more could be obtained. This is 20 times the conventional visible light source. Further, the position on the chromaticity coordinate of the light source spectrum shown in FIG. 5 is the green position indicated by the arrow 601 in FIG. 6, and thus the light source has a high correlated color temperature of 9000K.
次に、CuもしくはWの加熱基材上に上述の反射率R(λ)つまり放射率ε(λ)を制御した薄膜を形成する実施の形態を説明する。尚、加熱基材及び反射率R(λ)つまり放射率ε(λ)を制御した薄膜の組合せは、上述のごとく、エミッタと称することにする。 Next, an embodiment in which a thin film with the above-described reflectance R (λ), that is, emissivity ε (λ) is formed on a heated base material of Cu or W will be described. The combination of the heating base material and the thin film in which the reflectance R (λ), that is, the emissivity ε (λ) is controlled is referred to as an emitter as described above.
上述の反射率R(λ)つまり放射率ε(λ)を制御した薄膜は２層の金属酸化物、または酸化物もしくは窒化物の誘電体中に金属もしくは半導体の微粒子を含んだ薄膜いわゆるサーメット膜によって形成される。後者としては、たとえば、Cu、Cr、Co、Au、W等の金属あるいはPbS、CdS等の半導体と、酸化物、窒化物あるいはフッ化物等の誘電体とを同時に、蒸着法、スパッタリング法あるいはイオン注入法によって形成する。 The above-mentioned thin film with controlled reflectivity R (λ), that is, emissivity ε (λ) is a thin film of two layers of metal oxide or oxide or nitride containing metal or semiconductor fine particles, so-called cermet film Formed by. Examples of the latter include, for example, a metal such as Cu, Cr, Co, Au, and W or a semiconductor such as PbS and CdS and a dielectric such as oxide, nitride, or fluoride at the same time by vapor deposition, sputtering, or ion It is formed by an injection method.
図７は本発明に係るエミッタの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は断面の電子顕微鏡写真、（Ｂ）は反射特性を示すグラフである。 7A and 7B show a first embodiment of an emitter according to the present invention, in which FIG. 7A is an electron micrograph of a cross section, and FIG. 7B is a graph showing reflection characteristics.
図７の（Ａ）においては、エミッタ７００は、Cu加熱基材７０１上にスパッタリング法等により形成された厚さ約100nmのCrO層７０２及び厚さ約50nmのSnO2層７０３よりなる。この結果、図７の（Ｂ）に示すような反射特性が得られる。つまり、反射率R(λ)はλ=λ0=2μm付近で急変する。従って、エミッタ７００を加熱すると、図３の実線に示すごとく、赤外放射光を抑制し、可視放射光を効率よく発生できる。 In FIG. 7A, an emitter 700 is composed of a CrO layer 702 having a thickness of about 100 nm and a SnO 2 layer 703 having a thickness of about 50 nm formed on a Cu heating base material 701 by a sputtering method or the like. As a result, a reflection characteristic as shown in FIG. That is, the reflectance R (λ) changes suddenly in the vicinity of λ = λ 0 = 2 μm. Therefore, when the emitter 700 is heated, as shown by the solid line in FIG. 3, infrared radiation can be suppressed and visible radiation can be generated efficiently.
すなわち、図８に示すように、図７の（Ａ）のエミッタ７００を580K、670K、785K、870K、2800Kと加熱すると、放射光のピーク値P1、P2、P3、P4、P5はより短波長に移る。たとえば、0.3〜0.8μmの可視放射光を効率よく発生させるためには、加熱温度TSを2800Kとすればよい。 That is, as shown in FIG. 8, when the emitter 700 of FIG. 7A is heated to 580K, 670K, 785K, 870K, 2800K, the peak values P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , P 5 shifts to shorter wavelengths. For example, in order to efficiently generate visible radiation 0.3~0.8μm is the heating temperature T S may be set to 2800 K.
次に、サーメット膜を用いた本発明に係るエミッタを説明する。サーメット膜は、CuあるいはWの加熱基材上に金属もしくは半導体の微粒子と誘電体とを同時にスパッタリングする手法等によって形成される。このとき、金属としてCrもしくはAuを用いると、CrもしくはAuの融点は2000Kもしくは1400Kであるので、エミッタを3000K以上の高温度に加熱すると、熱的に破壊されることがある。このため、サーメット膜の金属としては、W（融点3700K）、Mo（融点2900K）、Re（融点3500K）が好ましく、また、サーメット膜の誘電体としては、MgO（融点3100K）が好ましい。 Next, an emitter according to the present invention using a cermet film will be described. The cermet film is formed by, for example, a technique of simultaneously sputtering metal or semiconductor fine particles and a dielectric on a Cu or W heating base material. At this time, when Cr or Au is used as a metal, since the melting point of Cr or Au is 2000K or 1400K, if the emitter is heated to a high temperature of 3000K or higher, it may be thermally destroyed. Therefore, W (melting point 3700K), Mo (melting point 2900K), and Re (melting point 3500K) are preferable as the metal of the cermet film, and MgO (melting point 3100K) is preferable as the dielectric of the cermet film.
図９は本発明に係るエミッタの第２の実施の形態を示し、(Ａ)は断面図、(Ｂ)は反射特性を示すグラフ、(Ｃ)はサーメット層の光学定数特性を示すグラフである。 9A and 9B show a second embodiment of an emitter according to the present invention, where FIG. 9A is a cross-sectional view, FIG. 9B is a graph showing reflection characteristics, and FIG. 9C is a graph showing optical constant characteristics of a cermet layer. .
図９の(Ａ)に示すように、エミッタ９００はW加熱基材９０１上にMgO及びW金属を同時にスパッタリングしてMgO+Wサーメット膜９０２を形成する。この結果、図９の(Ｂ)に示すように、反射率Rは可視領域で低く、赤外領域で高くなる。尚、図９の(Ｂ)の反射率R(λ)は、図９の（Ｃ）に示す厚さ800ÅのMgO+Wサーメット膜９０２の光学定数特性(屈折率n、消衰係数k)に基づいて演算される。つまり、光学定数特性(n、k)の波長依存性が反射率R(λ)の波長依存性となる。 As shown in FIG. 9A, the emitter 900 forms a MgO + W cermet film 902 by simultaneously sputtering MgO and W metal on a W heating substrate 901. As a result, as shown in FIG. 9B, the reflectance R is low in the visible region and high in the infrared region. Note that the reflectance R (λ) in FIG. 9B is based on the optical constant characteristics (refractive index n, extinction coefficient k) of the MgO + W cermet film 902 having a thickness of 800 mm shown in FIG. Calculated based on That is, the wavelength dependency of the optical constant characteristic (n, k) becomes the wavelength dependency of the reflectance R (λ).
図９の（Ａ）に示すサーメット膜９０２をW加熱基材９０１にコーティングしたエミッタ９００を用いて可視光源を構成すると、赤外放射光を抑制することができる。このとき、MgO、W金属の融点は3100K、3700Kと高いので、MgO+Wサーメット膜９０２は3000Kと加熱されても熱的に破損せず、従って、高輝度の可視光源に適している。 When a visible light source is configured using an emitter 900 in which a cermet film 902 shown in FIG. 9A is coated on a W heating base material 901, infrared radiation can be suppressed. At this time, since the melting points of MgO and W metals are as high as 3100K and 3700K, the MgO + W cermet film 902 is not thermally damaged even when heated to 3000K and is therefore suitable for a high-luminance visible light source.
図９の(Ａ)におけるMgOに対するWの体積比率は約5〜50%の範囲である。 In FIG. 9A, the volume ratio of W to MgO is in the range of about 5-50%.
また、図９の(Ａ)において、W加熱基材９０１とMgO+Wサーメット膜９０２との密着性を上げるために、W金属の体積比率をW加熱基材９０１から外側へ向かうにつれて低くなるように濃度傾斜を有するサーメット膜９０２を構成すればよい。 Further, in FIG. 9A, in order to increase the adhesion between the W heating substrate 901 and the MgO + W cermet film 902, the volume ratio of W metal is decreased as it goes from the W heating substrate 901 to the outside. The cermet film 902 having a concentration gradient may be formed.
図１０は、図９の(Ａ)の第１の変更例を示す。 FIG. 10 shows a first modification of FIG.
図１０に示すように、W加熱基材９０１とMgO+Wサーメット膜９０２との間に厚さ約1000ÅのMo密着層９０３を挿入する。この場合、Mo金属の融点は2900Kであるので、可視光源を2900K以下たとえば2900Kで点灯させる必要がある。尚、Mo密着層９０３は蒸着等により形成する。さらに、W金属の濃度傾斜のサーメット膜９０２及びMo密着層９０３を併用してW加熱基材９０１とMgO+Wサーメット膜９０２との密着性を上げることもできる。 As shown in FIG. 10, a Mo adhesion layer 903 having a thickness of about 1000 mm is inserted between the W heating base material 901 and the MgO + W cermet film 902. In this case, since the melting point of Mo metal is 2900K, it is necessary to light the visible light source at 2900K or less, for example, 2900K. The Mo adhesion layer 903 is formed by vapor deposition or the like. Furthermore, the adhesion between the W heating substrate 901 and the MgO + W cermet film 902 can be improved by using the cermet film 902 and the Mo adhesion layer 903 with a W metal concentration gradient.
図１１は図９の（Ａ）のエミッタの第２の変更例を示し、（Ａ）は断面図、(Ｂ)は反射特性を示すグラフである。 FIG. 11 shows a second modification of the emitter of FIG. 9A, where FIG. 11A is a cross-sectional view and FIG. 11B is a graph showing reflection characteristics.
図１１の（Ａ）に示すように、MgO+Wサーメット膜９０２上に厚さ約1000ÅのMgF2の低屈折率層９０４を形成する。たとえば、低屈折率層９０４の屈折率nは1.38であり、サーメット膜９０２の屈折率より小さい。この結果、図１１の（Ｂ）に示すように、反射率R(λ)は短波長赤外領域でさらに低くなる。尚、この反射率R(λ)は、図９の（Ｃ）に示す厚さ約800ÅのW+MgOサーメット膜９０２の光学定数特性(屈折率n、消衰係数k)及び厚さ約1000ÅのMgF2の低屈折率層９０４の光学定数(n=1.38)に基づいて演算される。やはり、光学定数特性(n、k)の波長依存性が反射率R(λ)の波長依存性となる。 As shown in FIG. 11A, an MgF 2 low refractive index layer 904 having a thickness of about 1000 mm is formed on the MgO + W cermet film 902. For example, the refractive index n of the low refractive index layer 904 is 1.38, which is smaller than the refractive index of the cermet film 902. As a result, as shown in FIG. 11B, the reflectance R (λ) is further lowered in the short wavelength infrared region. The reflectivity R (λ) is the optical constant characteristic (refractive index n, extinction coefficient k) of the W + MgO cermet film 902 having a thickness of about 800 mm shown in FIG. The calculation is based on the optical constant (n = 1.38) of the low refractive index layer 904 of MgF 2 . Again, the wavelength dependence of the optical constant characteristics (n, k) becomes the wavelength dependence of the reflectance R (λ).
図１１の（Ａ）に示すサーメット膜９０２及び低屈折率層９０４をコーティングしたエミッタを用いて可視光源を構成すると、より効率のよい可視光源を実現できる。 When a visible light source is configured using an emitter coated with the cermet film 902 and the low refractive index layer 904 shown in FIG. 11A, a more efficient visible light source can be realized.
また、図１１の（Ａ）においても、W加熱基材９０１とMgO十Wサーメット膜９０２との密着性を上げるために、W金属の体積比率をW加熱基材９０１から外側へ向かうにつれて低くなるように濃度傾斜を有するサーメット膜９０２を構成することもできる。あるいは、図１０に示すように、W加熱基材９０１とMgO+Wサーメット膜９０２との間に厚さ約1000ÅのMo密着層９０３を挿入することもできる。 Also in FIG. 11A, in order to increase the adhesion between the W heating base material 901 and the MgO + W cermet film 902, the volume ratio of the W metal decreases from the W heating base material 901 toward the outside. Thus, a cermet film 902 having a concentration gradient can be formed. Alternatively, as shown in FIG. 10, a Mo adhesion layer 903 having a thickness of about 1000 mm can be inserted between the W heating base material 901 and the MgO + W cermet film 902.
尚、第２の実施の形態では、サーメット膜９０２は、W加熱基材９０１に略密着して設けられるものである。また、加熱基材は通常エミッタ等に用いられるＷもしくはＭｏ、Ｔａ等の抵抗体により形成され、この抵抗体に電流を流すことにより、発熱するものである。 In the second embodiment, the cermet film 902 is provided in close contact with the W heating substrate 901. The heating substrate is formed of a resistor such as W, Mo, or Ta that is usually used for an emitter or the like, and generates heat when a current is passed through the resistor.
尚、上述の第１、第２の実施の形態に加えて、加熱基材上に、反射率を制御した膜として、電気めっき法等によって金属たとえばNi膜等を被覆してもよい。また、Alを陽極酸化して表面上に多孔質ナノ構造を形成し、そのときの孔径及び孔深さを調整してもよい。さらに、金属または半導体表面にフォトニック結晶構造を形成してもよい。 In addition to the first and second embodiments described above, a metal such as a Ni film may be coated on the heating base material by electroplating or the like as a film with a controlled reflectance. Alternatively, Al may be anodized to form a porous nanostructure on the surface, and the pore diameter and depth may be adjusted. Furthermore, a photonic crystal structure may be formed on a metal or semiconductor surface.
図１２は本発明に係る第３の実施の形態で加熱基材にグラファイトを用いその表面を構造部として規則的又は不規則的周期の第１の凹凸構造と該第１の凹凸構造に該第１の凹凸構造のサイズより小さいサイズの第２の凹凸構造を形成したエミッタの加工フローを示すフローチャートである。本実施形態の場合、加熱基材をグラファイトとしてその表面に第１及び第２の凹凸構造を形成したものとしたが、加熱基材をグラファイトで形成し、構造部として別のグラファイト基材の表面に上述の第１及び第２の凹凸構造を形成し、これらを一体化することも可能である。なお、グラファイト基材の融点は4000Kを超えるので、高変換効率、高輝度、長寿命の可視光源を構成できる。 FIG. 12 shows a third embodiment according to the present invention, in which graphite is used as a heating base material and the surface is used as a structure portion to form a first concavo-convex structure having a regular or irregular period and the first concavo-convex structure. It is a flowchart which shows the processing flow of the emitter which formed the 2nd uneven structure of the size smaller than the size of 1 uneven structure. In the case of the present embodiment, the heating base material is made of graphite and the first and second uneven structures are formed on the surface thereof. However, the heating base material is made of graphite and the surface of another graphite base material is used as the structure portion. It is also possible to form the first and second uneven structures described above and integrate them. Since the melting point of the graphite substrate exceeds 4000K, a visible light source with high conversion efficiency, high brightness, and long life can be constructed.
始めに、ステップ１２０１において、加熱基材となるようグラファイトにより抵抗線を形成し、この表面を有するグラファイト基材に対して、サンドブラスト等の機械的表面加工及び／またはCO ２ レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面加工により第１の凹凸構造となるサブマイクロメートルオーダのサブマイクロ凹凸加工を行う。これにより、後述のプラズマエッチング後の可視領域の波長0.3-2μmの平均反射率を低くすることができると共に、赤外領域の波長2-15μｍの平均反射率を高くすることができる。 First, in Step 1201, a resistance wire is formed by graphite so as to become a heating substrate, and mechanical surface processing such as sandblasting and / or CO 2 laser, YAG laser, excimer is applied to the graphite substrate having this surface. Sub-micro uneven processing of the order of sub-micrometer, which becomes the first uneven structure, is performed by surface processing by irradiation with a high power laser such as a laser. As a result, the average reflectance at a wavelength of 0.3-2 μm in the visible region after plasma etching described later can be lowered, and the average reflectance at a wavelength of 2-15 μm in the infrared region can be increased.
次に、ステップ１２０２において、グラファイト基材を水素ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングして第１の凹凸構造の表面にナノメートルオーダのナノ凹凸加工を行い第２の凹凸構造を形成し構造部を完成し、加熱基材及び構造部を有するグラファイトによるエミッタを得る。このプラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー:100-1000W
圧力:133-13300Pa(1-100Torr)
水素流量:5-500sccm
エッチング時間:1-100分
Next, in step 1202, the graphite base material is etched by a plasma etching method using hydrogen gas to perform nano unevenness processing on the order of nanometers on the surface of the first uneven structure, thereby forming a second uneven structure, To obtain an emitter made of graphite having a heating substrate and a structure. The plasma etching conditions are, for example, as follows.
RF power: 100-1000W
Pressure: 133-13300Pa (1-100Torr)
Hydrogen flow rate: 5-500sccm
Etching time: 1-100 minutes
尚、図１２のステップ１２０２でのプラズマエッチング法は、マイクロ波プラズマエッチング法、電子サイクロトロン共鳴(ECR)エッチング法、反応性イオンエッチング(RIE)法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、H2ガス以外のArガス、N2ガス、O2ガス、CF4ガス等のいずれでもよい。 The plasma etching method in step 1202 of FIG. 12 may be any of a microwave plasma etching method, an electron cyclotron resonance (ECR) etching method, a reactive ion etching (RIE) method, an atmospheric pressure plasma etching method, etc. The processing gas may be Ar gas other than H 2 gas, N 2 gas, O 2 gas, CF 4 gas, or the like.
従って、可視領域の波長を含む波長0.3〜2μmの平均反射率はプラズマエッチング前の20-30%からプラズマエッチング後の1.5%以下と低くなる。他方、赤外領域の波長2〜15μmの平均反射率は第１の凹凸構造を形成するサブマイクロ凹凸加工ステップ１２０１によって高くなる。 Therefore, the average reflectance at a wavelength of 0.3 to 2 μm including the wavelength in the visible region is as low as 20-30% before plasma etching to 1.5% or less after plasma etching. On the other hand, the average reflectance of wavelengths 2 to 15 μm in the infrared region is increased by the sub-micro uneven processing step 1201 for forming the first uneven structure.
図１３は図１２のグラファイト基材の加工方法の変更例を示すフローチャートである。 FIG. 13 is a flowchart showing a modification of the method for processing the graphite base material of FIG.
図１３に示すように、図１２のサブマイクロ凹凸加工ステップ１２０１の代りに、周期的マイクロ凹凸加工ステップ１２０１Ａを設け、赤外領域の波長2〜15μmの反射率を高めてある。ステップ１２０１Ａにおいて、加熱基材となるようグラファイトにより抵抗線を形成し、このグラファイト基材の表面に構造部の第１の凹凸構造となる規則的周期のマイクロオーダの凹みを多数形成する。たとえば、図１４に示すような規則的周期のマイクロオーダの凹凸構造を形成する。図１４に示す規則的周期のマイクロオーダの凹凸構造は次のごとく形成できる。つまり、レジスト層を塗布し、次いで、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト層のパターンを形成し、このレジスト層のパターンを用いてグラファイト基材をH2ガス及びO2ガスを用いたプラズマエッチングたとえばRIEを行い、その後、レジスト層のパターンを除去する。尚、ルーリングエンジン等を用いた機械的ミクロ切削方法によっても規則的周期のマイクロオーダの凹凸構造を加工できる。 As shown in FIG. 13, in place of the sub-micro unevenness processing step 1201 of FIG. 12, a periodic micro unevenness processing step 1201A is provided to increase the reflectance of wavelengths in the infrared region of 2 to 15 μm. In step 1201A, a resistance wire is formed of graphite so as to be a heating base material, and a large number of regularly ordered micro-order dents that become the first concavo-convex structure of the structure portion are formed on the surface of the graphite base material. For example, a concavo-convex structure having a regular period as shown in FIG. 14 is formed. The concavo-convex structure of the regular order shown in FIG. 14 can be formed as follows. That is, a resist layer is applied, and then a resist layer pattern is formed by photolithography using a photomask, and the graphite substrate is plasma etched using H 2 gas and O 2 gas using the resist layer pattern. For example, RIE is performed, and then the resist layer pattern is removed. Note that a micro-order uneven structure with a regular cycle can be processed by a mechanical micro-cutting method using a ruling engine or the like.
次に、ステップ１２０２にて、図１２の場合と同様の条件で、プラズマエッチング法によって前記第１の凹凸構造の表面にナノメートルオーダのナノ凹凸構造を形成する。 Next, in step 1202, under the same conditions as in FIG. 12, a nano uneven structure having a nanometer order is formed on the surface of the first uneven structure by plasma etching.
従って、図１５に示すように、可視領域の波長を含む波長0.3〜2μmの平均反射率は1%以下とさらに低くなる。他方、図１６に示すように、赤外領域の波長3μm程度で反射率Rは立上り、10μmで95%以上となる。つまり、図７の（Ｂ）の反射率R(λ)に近づく。この結果、このプラズマエッチングされたグラファイト基材をエミッタとして用いると、入力電力を可視光に効率的に変換できる。 Therefore, as shown in FIG. 15, the average reflectance at a wavelength of 0.3 to 2 μm including the wavelength in the visible region is further lowered to 1% or less. On the other hand, as shown in FIG. 16, the reflectance R rises at a wavelength of about 3 μm in the infrared region, and becomes 95% or more at 10 μm. That is, it approaches the reflectance R (λ) in FIG. As a result, when this plasma-etched graphite substrate is used as an emitter, input power can be efficiently converted into visible light.
上述の波長2μm以上で反射率が高くなり、吸収を抑制する効果は、規則的周期のマイクロオーダの凹凸構造による２次元フォトニック結晶的効果によるものである。 The effect of suppressing the absorption and increasing the reflectivity at the above-mentioned wavelength of 2 μm or more is due to the two-dimensional photonic crystal effect due to the micro periodic concavo-convex structure having a regular period.
図１３の規則的周期のマイクロ凹凸加工ステップ１２０１Ａにおいて、たとえば機械的ルーリングエンジン切削方法によって図１７に示すような規則的周期のマイクロオーダの剣山型凹凸構造を形成することもできる。この規則的周期のマイクロオーダの剣山型凹凸構造にステップ１２０２のプラズマエッチングを行うと、図１８に示すように、マイクロオーダの剣山型針(図１８の(Ａ))上にナノメートルオーダの針(図１８の(Ｂ))が多数形成される。これにより、可視領域の波長を含む波長0.3〜2μmの反射率Rを低くするとともに、赤外領域の波長2〜15μmでの反射率Rを高くすることができ、変換効率を高めることができる。 尚、剣山型凹凸構造はエッチングで逆剣山型の金型を形成し、これに液体状のグラファイト材料、例えばカーボンブラック等を流し込んでも形成できる。 In the regular periodic micro concavo-convex machining step 1201A in FIG. 13, a regular periodic micro-order sword-mount concavo-convex structure as shown in FIG. 17 may be formed by, for example, a mechanical ruling engine cutting method. When the plasma etching of step 1202 is performed on this regular-order micro-order sword mountain-type concavo-convex structure, as shown in FIG. 18, the nano-order stylus needle (FIG. 18A) has a nanometer-order needle. Many (B of FIG. 18) are formed. Thereby, while reducing the reflectance R of the wavelength 0.3-2 micrometers including the wavelength of visible region, the reflectance R in the wavelength of 2-15 micrometers of infrared region can be made high, and conversion efficiency can be improved. Incidentally, the sword mountain-type uneven structure can be formed by forming a reverse sword mountain mold by etching, and pouring a liquid graphite material such as carbon black into it.
また、図１３のフローにおいて、図１２のサブマイクロ凹凸加工ステップ１２０１の代りにステップ１２０１Ａを設けてあるが、図１３のステップ１２０２の前に図１２のサブマイクロ凹凸加工ステップ１２０１を実行してもよい。この場合、グラファイト基材の表面が、規則的周期のマイクロ凹凸加工-サブマイクロ凹凸加工-ナノ凹凸加工の順序で加工される。サブマイクロ凹凸加工の追加により赤外領域の波長2〜15μmの反射率を少し高くできる。 Further, in the flow of FIG. 13, step 1201A is provided instead of the sub-micro uneven processing step 1201 of FIG. 12. However, even if the sub-micro uneven processing step 1201 of FIG. 12 is executed before step 1202 of FIG. Good. In this case, the surface of the graphite substrate is processed in the order of micro unevenness processing-sub-micro unevenness processing-nano unevenness processing with a regular cycle. With the addition of sub-micro unevenness, the reflectance in the infrared wavelength region of 2 to 15 μm can be slightly increased.
図１９に示すように、剣山型凹凸構造つまり針の先端に金粒子層１９０１を電解めっき等で付加形成し、あるいは、図２０に示すように、剣山型針上に、直径0.5μm程度、間隔が10μm程度の金メッシュ２００１を載置すると、金は短波長赤外領域で光を吸収すると共に赤外領域で反射し、また、金の表面プラズモン効果もあるので、可視領域の波長を含む波長0.3〜2μmでの反射率を損なわず、赤外領域の波長2〜15μmの平均反射率をさらに高くすることができる。尚、図１９においては、先に、フォトリソグラフィ及びエッチング法により金粒子層１９０１のマイクロオーダのパターンをグラファイト基材上に形成し、その後、金粒子層１９０１のマイクロオーダのパターンを用いてグラファイト基材をエッチングしてもよい。また、図２０においては、金メッシュ２００１は剣山型針に完全に密着している必要はなく、単に剣山型針上に載置されて接触していればよく、また、金メッシュ２００１の間隔も剣山型針の間隔に完全に一致している必要はない。 As shown in FIG. 19, a sword-shaped concavo-convex structure, that is, a gold particle layer 1901 is additionally formed on the tip of the needle by electrolytic plating or the like, or as shown in FIG. When a gold mesh 2001 having a thickness of about 10 μm is placed, gold absorbs light in the short wavelength infrared region and reflects in the infrared region, and also has a surface plasmon effect of gold. The average reflectance at wavelengths of 2 to 15 μm in the infrared region can be further increased without impairing the reflectance at 0.3 to 2 μm. In FIG. 19, a micro-order pattern of the gold particle layer 1901 is first formed on the graphite substrate by photolithography and etching, and thereafter, the graphite base layer 1901 is formed using the micro-order pattern of the gold particle layer 1901. The material may be etched. In FIG. 20, the gold mesh 2001 does not need to be completely in close contact with the sword mountain needle, but may simply be placed on and contacted with the sword mountain needle. It does not have to be exactly the same as the distance between the Kenyama needles.
尚、図１５における波長0.3-2μmの反射率の測定はBaSO4粒子等を内面にコートした積分球を有する分光光度計によって行われ、他方、図１６における波長2-15μmの反射率の測定は遠赤外反射光をすべて集光するために金を内面にコートした積分球を有するフーリエ変換赤外(FTIR)分光器によって行われる。 The measurement of the reflectance at a wavelength of 0.3-2 μm in FIG. 15 is performed by a spectrophotometer having an integrating sphere coated on the inner surface with BaSO 4 particles or the like, while the measurement of the reflectance at a wavelength of 2-15 μm in FIG. This is done by a Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer with an integrating sphere coated with gold to collect all far-infrared reflected light.
また、上述の第３の実施の形態では、グラファイト基材を用いたが、グラファイト基材以外の炭素系基材を用いてもよい。 In the third embodiment described above, the graphite substrate is used, but a carbon-based substrate other than the graphite substrate may be used.
また、上述の第1から第3の実施の形態においては、加熱基材上に構造部を形成しエミッタを構成する手法を詳述したが、この他にも、加熱基材と構造部を別々に作製し、後に適当な手法で張り合わせエミッタとすることによっても、同様の効果を得ることが出来る。例えば、第１の実施の形態の変形として、厚さ100-200μmのCu薄板上にスパッタリング法等を用いて、厚さ約100nmのCrO層及び厚さ50nmのSnO2層を形成することによってCu金属板上に構造部を作製し、これを高温耐熱接着剤、例えば、カーボンペーストまたはセラミック接着剤等を利用して、加熱ヒーターに固定することによっても高効率な可視光源を構成することができる。 Further, in the first to third embodiments described above, the method of forming the structure portion on the heating base material and configuring the emitter has been described in detail, but in addition to this, the heating base material and the structure portion are separately provided. The same effect can be obtained by fabricating the substrate and forming a laminated emitter later by an appropriate method. For example, as a modification of the first embodiment, a CuO layer having a thickness of about 100 nm and a SnO 2 layer having a thickness of 50 nm are formed on a Cu thin plate having a thickness of 100 to 200 μm by using a sputtering method or the like. A high-efficiency visible light source can also be constructed by preparing a structure on a metal plate and fixing it to a heater using a high-temperature heat-resistant adhesive such as carbon paste or ceramic adhesive. .
図２１は図７、図９のエミッタを用いたあるいは図１２のフローチャートにより加工されたグラファイト基材をエミッタとして用いた可視光源を示す図である。図２１に示すように、エミッタ２１０１を0.3〜2μmの波長の光を通過する封止ガラス２１０２によってたとえば10-4Pa程度に真空封止し、高変換効率の可視光源を実現する。この場合、エミッタ２１０１はグラスウールあるいは炭酸マグネシア等の断熱材２１０３によって口金２１０４に固定される。すなわち、エミッタを通電加熱すると、加熱初期には、図２に示すごとく、ΔTが小さい低温度領域では、放射損失が抑制されているので、小さな入力電力でもエミッタ２１０１の加熱基材の温度が上昇する。その後、温度上昇に伴って可視領域の放射率ε(λ)が急上昇し、従って、ある温度領域からエミッタ２１０１の温度上昇が抑制される代りに、入力電力のすべてが可視放射に寄与することになる。全入力電力のうち、80％以上が0.3〜2μmの可視光を含む光に変換されていることが分かる。従って、加熱効率が従来に比べて6倍以上高まる。また、発明者による実験によると、変換効率が約120 lm/Wを超える可視光源を作成可能であることが判明した。この変換効率は蛍光灯の変換効率90 lm/Wより大きい。 FIG. 21 is a view showing a visible light source using the graphite substrate processed by the flowchart of FIG. 12 using the emitter of FIGS. 7 and 9 as an emitter. As shown in FIG. 21, the emitter 2101 is vacuum-sealed to about 10 −4 Pa, for example, with a sealing glass 2102 that transmits light having a wavelength of 0.3 to 2 μm, thereby realizing a visible light source with high conversion efficiency. In this case, the emitter 2101 is fixed to the base 2104 with a heat insulating material 2103 such as glass wool or magnesia carbonate. That is, when the emitter is energized and heated, as shown in FIG. 2, the radiation loss is suppressed in the low temperature region where ΔT is small as shown in FIG. 2, so that the temperature of the heating substrate of the emitter 2101 rises even with a small input power. To do. Thereafter, as the temperature rises, the emissivity ε (λ) in the visible region suddenly rises. Therefore, instead of suppressing the temperature rise of the emitter 2101 from a certain temperature region, all of the input power contributes to the visible radiation. Become. It can be seen that 80% or more of the total input power is converted to light including visible light of 0.3 to 2 μm. Accordingly, the heating efficiency is increased by 6 times or more compared to the conventional case. Also, according to experiments by the inventors, it has been found that a visible light source having a conversion efficiency exceeding about 120 lm / W can be produced. This conversion efficiency is greater than the conversion efficiency of fluorescent lamps of 90 lm / W.
可視光源以外に図４の本発明の原理はエミッタから単色化された放射光スペクトルを得る光源に応用することができる。たとえば、図２２に示すように、反射率Rが0.5μmの緑色領域のみ低減された膜構造を有するエミッタを構成すると、単色の緑色の0.5μm放射を得ることができる。また、反射率Rが遠赤外領域の所定波長たとえば波長が100μm程度のTHz波の波長のみ低減された膜構造を有するエミッタを構成すると、単色のTHzの放射を得ることができる。 In addition to the visible light source, the principle of the present invention shown in FIG. 4 can be applied to a light source that obtains a monochromatic radiation spectrum from an emitter. For example, as shown in FIG. 22, when an emitter having a film structure in which only the green region having a reflectance R of 0.5 μm is reduced is formed, monochromatic green 0.5 μm radiation can be obtained. Further, when an emitter having a film structure in which the reflectance R is reduced by a predetermined wavelength in the far-infrared region, for example, only the wavelength of a THz wave having a wavelength of about 100 μm, monochromatic THz radiation can be obtained.
なお、本実施形態において、マイクロオーダとは概ね1μmから900μm、サブマイクロオーダとは概ね0.1μmから0.9μm、ナノメートルオーダとは概ね1nmから90nmの範囲を示すものとしている。また、反射率Rについては、構造部の厚さや材料、形成する条件等により調整が可能である。 In the present embodiment, the micro order indicates a range of approximately 1 μm to 900 μm, the sub micro order indicates a range of approximately 0.1 μm to 0.9 μm, and the nanometer order indicates a range of approximately 1 nm to 90 nm. Further, the reflectivity R can be adjusted depending on the thickness and material of the structure portion, the conditions for forming, and the like.
７００：エミッタ
７０１：Cu加熱基材
７０２：CrO層
７０３：SnO2層
９００：エミッタ
９０１:W加熱基材
９０２:MgO+Wサーメット膜
９０３:Mo密着層
９０４ :MgF2低屈折層
１９０１: 金粒子層
２００１:金メッシュ
２１０１:エミッタ
２１０２:封止ガラス
２１０３:断熱材
２１０４:口金
700: Emitter 701: Cu heating base material 702: CrO layer 703: SnO 2 layer 900: Emitter 901: W heating base material 902: MgO + W cermet film 903: Mo adhesion layer 904: MgF 2 low refractive layer 1901: Gold particles Layer 2001: Gold mesh 2101: Emitter 2102: Sealing glass 2103: Heat insulating material 2104: Base
Claims (9)
前記エミッタは、
加熱基材と、
前記加熱基材の表面に設けられ、CrO層及びSnO 2 層を含む構造部と
を有し、
前記エミッタは、可視領域の波長の光の反射率が低く、前記可視領域の波長より長い赤外領域の波長の光の反射率が高い性質を有することを特徴とする可視光源。 In a visible light source comprising an emitter,
The emitter is
A heating substrate;
Provided on a surface of the heating base material, a structure including a CrO layer and SnO 2 layer
Have
The visible light source , wherein the emitter has a property of low reflectance of light having a wavelength in the visible region and high reflectance of light having a wavelength in an infrared region longer than the wavelength in the visible region.
前記エミッタは、
加熱基材と、
前記加熱基材の表面に設けられた構造部と
を有し、
前記エミッタは、可視領域の波長の光の反射率が低く、前記可視領域の波長より長い赤外領域の波長の光の反射率が高い性質を有し、
前記構造部は誘電体中に所定の体積比で金属又は／及び半導体を分散させた材料による誘電体薄膜であることを特徴とする可視光源。 In a visible light source comprising an emitter,
The emitter is
A heating substrate;
A structure portion provided on a surface of the heating base material
Have
The emitter has a property that the reflectance of light having a wavelength in the visible region is low and the reflectance of light having a wavelength in the infrared region longer than the wavelength in the visible region is high .
The visible light source characterized in that the structural part is a dielectric thin film made of a material in which a metal or / and a semiconductor is dispersed in a predetermined volume ratio in a dielectric.
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