(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体であって、
前記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、
前記領域は、タングステンおよび炭素を含む層を有している、放射体。
【請求項２】
タングステンおよび炭素を含む前記層は、炭素と結合したタングステンを含有している請求項１に記載の放射体。
【請求項３】
前記複数のマイクロキャビティは、前記少なくとも一部の領域において、アレイを形成している請求項１に記載の放射体。
【請求項４】
前記複数のマイクロキャビティの各々は、内径が１μｍ以下、深さが内径よりも大きい凹部から形成されている請求項１に記載の放射体。
【請求項５】
前記複数のマイクロキャビティは、２μｍ以下のピッチで周期的に配列されている請求項１に記載の放射体。
【請求項６】
前記複数のマイクロキャビティは、配列された複数の柱状部材の隙間から構成されている請求項１に記載の放射体。
【請求項７】
前記放射体は、主としてタングステンから形成された本体を有している請求項１に記載の放射体。
【請求項８】
前記放射体は、主としてタングステンカーバイドから形成されている請求項１に記載の放射体。
【請求項９】
前記放射体の動作温度は２０００Ｋ以上である請求項１から８のいずれかに記載の放射体。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の放射体と、
前記放射体を大気から遮断する容器と、
前記放射体にエネルギーを供給し、前記放射体から電磁波を放射させるエネルギー供給手段と、
を備えた装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれかに記載の放射体と、
前記放射体を大気から遮断する容器と、
前記放射体から放射される電磁波を受け取り、電気エネルギーに変化する変換器と、
を備え、
前記放射体にエネルギーを供給し、前記放射体から電磁波を放射させる熱電変換装置。
【請求項１２】
熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体の製造方法であって、
タングステン部材を用意する工程と、
前記タングステン部材の表面の少なくとも一部の領域に複数のマイクロキャビティを形成する工程と、
前記タングステン部材の前記表面における前記領域の少なくとも一部を炭化する工程と、
を含む放射体の製造方法。
【請求項１３】
熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体の製造方法であって、
タングステンおよび炭素を含む層を表面の少なくとも一部に有する部材を用意する工程と、
前記部材の表面における少なくとも一部の領域に複数のマイクロキャビティを形成する工程と、
を含む放射体の製造方法。
【請求項１４】
タングステンおよび炭素を含む前記層は、炭素と結合したタングステンを含有している請求項１３に記載の放射体の製造方法。
【請求項１５】
前記複数のマイクロキャビティを形成する工程は、レーザ照射またはサンドブラストによって行なう請求項１２または１３に記載の製造方法。
【請求項１６】
熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体の製造方法であって、
タングステンおよび炭素を含む層を表面の少なくとも一部に有する複数の線材を用意する工程と、
前記複数の線材を束ねることによって、前記複数の線材の隙間に複数のマイクロキャビティを形成する工程と、
を含む放射体の製造方法。
【請求項１７】
タングステンおよび炭素を含む前記層は、炭素と結合したタングステンを含有している請求項１６に記載の放射体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定波長域の放射効率を向上させるマイクロキャビティ構造を有する放射体に関している。
【背景技術】
【０００２】
照明光源として広く普及している白熱電球は、熱放射体(thermal radiator)として機能するフィラメントを有している、熱放射体は、熱放射(thermal radiation)によって電磁波を放出する放射源であり、熱放射は、物体の原子または分子に熱を加えることによって生じる放射（電磁波の輻射）である。熱放射エネルギーは、物体の温度で決まり、連続したスペクトル分布を持つ。以下、簡単のため、熱放射体を「放射体」と呼ぶことにする。
【０００３】
白熱電球は、演色性に優れ、簡単な使用器具によって点灯されるが、フィラメントの発熱による放射を利用するため、可視波長域の放射が全体の１０％程度と少ない（動作温度が例えば２６００Ｋの場合）。より具体的には、放射の全エネルギー密度に対する赤外放射のエネルギー密度の比率が７０％程度を占め、支配的である。また、白熱電球内の封入ガスによる熱伝導や対流による熱損失が２０％程度もある。このため、白熱電球の可視放射効率は１５ｌｍ／Ｗ程度と低い。そこで、放射体から放射される電磁波全体の約７０％を占めている赤外放射を抑制することにより、可視光放射の効率向上をことが検討されている。
【０００４】
特許文献１は、表面に微細な導波管（以下、「キャビティ」と称する）のアレイを形成した放射体を開示している。この放射体は、キャビティの形状およびサイズによって規定される所定の波長よりも短い波長の電磁線のみを伝播し、赤外放射を抑制することができる。この特許文献１の記載によれば、キャビティは、その内径の倍以上の波長を有する電磁線を伝播しない、このため、キャビティの内径が３５０ｎｍ、キャビティ間に存在する壁部分の厚さが１５０ｎｍの場合、７００ｎｍよりも長い波長のフォトンは、壁部分からのみ放射されうるが、キャビティアレイからは、波長７００ｎｍ以上の赤外域電磁線は伝播されないことになる。
【０００５】
上記の設計寸法による場合、キャビティのアレイが占める総面積は、キャビティが形成されない場合における表面積の５０％になる。特許文献１によると、７００ｎｍより長い波長の全放射光束は、同一温度におけるタングステンに比べて約１０分の一に抑制され、２１００Ｋの動作温度では、可視放射効率が従来の約６倍に向上する。
【特許文献１】米国特許第５,０７９,４７３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱平衡状態における熱放射のスペクトルは、プランクの放射則に従い、温度に依存する。図１は、黒体放射の温度依存性を示すグラフである。グラフの縦軸は、黒体の分光放射輝度ＢλΔλ［単位：Ｗ・ｃｍ−２・ｓｔｒ−１］（Δλ＝１０ｎｍ）であり、横軸は放射の波長［単位：μｍ］である。白熱電球の動作温度が例えば１６００Ｋの場合、そのフィラメントから放射される光の分光輝度分布は、グラフ中の「１６００Ｋ」が付された曲線で示される。この曲線によれば、ピークは波長２μｍ程度にあり、赤外の放射比率が高いことがわかる。
【０００７】
図１から明らかなように、放射体の温度が１２００Ｋから２０００Ｋに上昇すると、可視域での放射が３桁以上向上するが、赤外域での放射はあまり変化しない。このことからわかるように、効率良く可視放射を得るためには、動作温度を２０００Ｋ以上に設定することが好ましい。特に放射体を照明光源として利用する場合は、動作温度が２０００Ｋより低いと赤みが強くなり、好ましくない。このため、放射体は、２０００Ｋ以上の高温動作に耐えられるタングステンなどの高融点材料から形成されている。
【０００８】
本発明者らが、キャビティアレイをタングステンの表面に形成し、種々の実験を行ったところ、個々のサイズが１μｍ以下となる微細なキャビティのアレイが形成されたタングステンでは、１２００Ｋ程度の温度で短時間にキャビティアレイが破壊するという興味深い現象が観察された。前述のように白熱電球のフィラメントは２０００Ｋ以上の高温で動作する必要があり、また、白熱電球の寿命は長期であることが要求される。赤外域の放射を抑制するために、キャビティアレイの構造をサブミクロンのサイズに微細化した場合に、表面構造が消失するのでは、そのような放射体を白熱電球その他の高温で動作する装置に応用することはできない。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、表面に配列したキャビティが１μｍ以下の微細構造を有する場合において、高温で安定に動作する放射体を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、上記の放射体を備え、可視光を効率的に放射する白熱電球を提供することにある。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、上記の放射体を有する照明装置以外の装置や、放射体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の放射体は、熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体であって、前記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、前記領域は、タングステンおよび炭素を含む層を有している。
【００１３】
好ましい実施形態において、タングステンおよび炭素を含む前記層は、炭素と結合したタングステンを含有している。
【００１４】
好ましい実施形態において、前記複数のマイクロキャビティは、前記少なくとも一部の領域において、アレイを形成している。
【００１５】
好ましい実施形態において、前記複数のマイクロキャビティの各々は、内径が１μｍ以下、深さが内径よりも大きい凹部から形成されている。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記複数のマイクロキャビティは、２μｍ以下のピッチで周期的に配列されている。
【００１７】
好ましい実施形態において、前記複数のマイクロキャビティは、配列された複数の柱状部材の隙間から構成されている。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記放射体は、主としてタングステンから形成された本体を有している。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記放射体は、主としてタングステンカーバイドから形成されている。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記放射体の動作温度は２０００Ｋ以上である。
【００２１】
本発明の装置は、上記いずれかの放射体と、前記放射体を大気から遮断する容器と、前記放射体にエネルギーを供給し、前記放射体から電磁波を放射させるエネルギー供給手段とを備えている。
【００２２】
本発明の熱電変換装置は、上記いずれかの放射体と、前記放射体を大気から遮断する容器と、前記放射体から放射される電磁波を受け取り、電気エネルギーに変化する変換器とを備え、前記放射体にエネルギーを供給し、前記放射体から電磁波を放射させる。
【００２３】
本発明による放射体の製造方法は、熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体の製造方法であって、タングステン部材を用意する工程と、前記タングステン部材の表面の少なくとも一部の領域に複数のマイクロキャビティを形成する工程と、前記タングステン部材の前記表面における前記領域の少なくとも一部を炭化する工程とを含む。
【００２４】
本発明による放射体の製造方法は、熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体の製造方法であって、タングステンおよび炭素を含む層を表面の少なくとも一部に有する部材を用意する工程と、前記部材の表面における少なくとも一部の領域に複数のマイクロキャビティを形成する工程とを含む。
【００２５】
好ましい実施形態において、タングステンおよび炭素を含む前記層は、炭素と結合したタングステンを含有している。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記複数のマイクロキャビティを形成する工程は、レーザ照射またはサンドブラストによって行なう。
【００２７】
本発明による放射体の製造方法は、熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体の製造方法であって、タングステンおよび炭素を含む層を表面の少なくとも一部に有する複数の線材を用意する工程と、前記複数の線材を束ねることによって、前記複数の線材の隙間に複数のマイクロキャビティを形成する工程とを含む。
【００２８】
好ましい実施形態において、タングステンおよび炭素を含む前記層は、炭素と結合したタングステンを含有している。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、タングステンの表面領域に炭素を導入することによりマイクロキャビティ構造の熱的安定性を高めることができるため、表面の微細構造が高温でも壊れず保持され、所定波長以上の波長を有する放射を抑えた高放射効率の放射体を実現することができる。また、このような放射体を備えた本発明の白熱電球によれば、熱エネルギーを効率よく可視光に変化して放射する照明器具が実現する。
【００３０】
また、本発明によれば、特定の波長域における放射効率を高めることができるため、照明光源以外の装置に適用しても優れた効果を発揮し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら、本発明の放射体の好ましい実施形態を説明する。
【００３２】
（実施形態１）
まず、図２を参照する。図２は、本実施形態における放射体１の表面を構成的に示す平面図である。図２において点線で囲まれた矩形部分は、放射体１の一部表面を拡大した模式図である。
【００３３】
本実施形態の放射体１は、全体として幅０．１ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのリボン形状を有しており、主にタングステンから形成されている。放射体１の表面には、直径０．７μｍ、深さ１．２μｍの円柱形状を有するキャビティ２のアレイが形成されている。これらのキャビティ２は、それぞれ、放射面に平行な面内において１μｍ以下の寸法を有しているため、本明細書では「マイクロキャビティ」と称することとする。
【００３４】
本実施形態では、このようなマイクロキャビティ２が放射体１の表面において略周期的に配列されており、その配列のピッチ（隣接する２つのキャビティの中心軸間の距離）は１．４μｍに設定されている。
【００３５】
このようなマイクロキャビティ２は、種々の微細加工技術を用いて形成可能であるが、本実施形態では、パルスレーザの照射によって作製している。このようにパルスレーザを用いて被処理物の表面に微細な凹部を形成する方法は、例えば特開２００１−３１４９８９号公報などに記載されている。本実施形態では、例えば０．１ｍＪのパルスエネルギーを有するパルス幅１００フェムト秒のレーザ光を照射して微細加工を行う。このようなレーザパルスの照射は、一つのマイクロキャビティ２を形成するために数十から数千回繰り返して実行される。
【００３６】
レーザ加工されるべき放射体１はＸ−Ｙステージ上に搭載される。このＸ−Ｙステージの動作と同期してレーザの照射を行なうことにより、図２に示すようなマイクロキャビティのアレイを形成することができる。Ｘ−Ｙステージの動作を高い精度で制御することにより、アレイの配列パターンを任意に設定することが可能になる。本実施形態では、マイクロキャビティ２を略一定のピッチで周期的に配列しているが、マイクロキャビティ２の密度に粗密を設け、放射体１の位置に応じて異なる放射特性を付与しても良い。マイクロキャビティ２の内径および深さは、レーザパルスの照射エネルギー密度、ビームスポット径、照射回数などを調節することにより任意の大きさを付与できる。
【００３７】
なお、多数のマイクロキャビティを同時に形成するためには、半導体製造分野やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で広く利用されているフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いてもよい。
【００３８】
本実施形態の放射体１において最も特徴的な点は、放射体１の放射面において表面から深さ約２μｍまでの領域（表面領域）が、タングステンと炭素とを含む層から形成されている点にある。後に詳しく説明するように、このタングステンと炭素とを含む層では、タングステンの少なくとも一部が他の元素（炭素など）と化学的に結合しているため、本明細書においては、この層を「タングステン化合物層」と称することとする。
【００３９】
本実施形態では、上記のタングステン化合物層を形成するために、タングステンの表面に対して浸炭処理を行なっている。浸炭処理は、金属などの表面を炭化する処理であり、種々の方法が開発されている。例えば、プラズマ浸炭は、炉体・断熱材を陽極、被処理物を陰極とし、アルゴン・水素を含むメタンやプロパンなどの炭化水素系ガスを含む希ガス雰囲気中で、両極間に高圧の直流電圧を印加し、グロー放電を発生させる。グロー放電で生じたプラズマ中での種種の電気化学的作用により、炭化水素系ガス等のイオンが被処理物表面に作用し、浸炭が行われる。他の浸炭技術と比べて、被処理物表面の活性化やクリーニング・還元といった効果がある。好ましい実施形態において、浸炭処理温度は、５００〜２０００℃（例えば１１００℃）、浸炭処理時間は４〜４８時間（例えば８時間）に設定される。浸炭処理の条件を調節することにより、形成されるタングステン化合物層の厚さを制御することができる。熱的な安定性を高めるには、おそらく数ｎｍ程度以上の厚さを有するタングステン化合物層があれば充分であると考えられる。
【００４０】
上記のタングステン化合物層を形成する方法は、浸炭処理に限定されず、炭素のイオン注入や固相拡散によってタングステン中に炭素などの化合物構成元素を導入することによって行なっても良い。
【００４１】
本実施形態では、タングステンの表面にマイクロキャビティ２のアレイを形成した後に浸炭処理を行っているため、被処理体の表面積が大きく、タングステンを効率的に炭化できる。ただし、タングステンに浸炭処理を行なってからマイクロキャビティ２のアレイを形成しても良い。その場合、形成するマイクロキャビティ２の深さよりも小さな厚さを有する化合物層を形成してもよい。表面部分に薄く化合物層が形成されるだけでも、マイクロキャビティ２のアレイ構造は熱的に安定化されるからである。
【００４２】
図３（ａ）から（ｅ）は、マイクロキャビティ２とタングステン化合物層２２との種々の関係を模式的に示す断面図である。図３（ａ）は、マイクロキャビティの深さに比べて厚さが小さいタングステン化合物層２２がタングステン２１の表面に形成されている。図３（ｂ）の例では、図３（ａ）に示す場合よりも更に薄いタングステン化合物層２２が形成されている。図３（ｃ）は、タンクグステン２２の表面にタングステン化合物層２２を形成した後に、マイクロキャビティを形成した場合に相当する構成を示している。マイクロキャビティ２の底面や側面には、タングステン化合物層２２が存在していないが、このような場合でもマイクロキャビティの構造は熱的に安定化される。タングステンの表面に形成したマイクロキャビティ構造が比較的低い温度で崩壊する原因は、通電加熱時におけるタングステン原子のマイグレーションが活発なことに起因している可能性がある。このような原子のマイグレーションを抑制するには、マイクロキャビティ構造の全表面にマイグレーションの生じにくい化合物層を形成することが好ましいが、最も構造の安定性が損なわれやすいエッジ部のみにタングステン化合物層を形成しても良い。
【００４３】
図３（ｄ）は、マイクロキャビティ２の側面部のみにタングステン化合物層２２が形成されている構造を示している。このような構造は、例えば図３（ｂ）の構造の表面に対して物理的なエッチングを行い、主面に平行な面を薄く除去することによって得られる。このタングステン化合物層２２は、マイクロキャビティのエッジ部２３にも存在しているため、全体として化合物層の形成面積が少ないにもかかわらず、マイクロキャビティの構造安定には充分に寄与する可能性がある。
【００４４】
なお、図３（ｅ）は、マイクロキャビティを含む広い領域の全体がタングステン化合物２２から構成されている例を示している。このような構造は、浸炭処理をタングステンの表面に対して長時間行なう代わりに、焼結などによって作製されたタングステンカーバイドなどのタングステン化合物をそのまま放射体１の材料として用いても得られる。この場合、適切な大きさおよび形状に加工されたタングステンカーバイド部材を用意した後、その表面にマイクロキャビティのアレイを形成することになる。
【００４５】
図４は、前述した浸炭処理後におけるタングステン表面近傍における断面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図４では、断面の層構成が明確になるように、試料表面にＰｔ−Ｐｄ層を介して炭素層（Ｃデポ）を堆積している。
【００４６】
図４から明らかなように、浸炭処理によって形成された層は、タングステンのように多結晶構造を明確に示しておらず、非晶質相または微結晶相から構成されていると考えられる。図４の試料では、浸炭処理によって形成された層の厚さは１．８μｍ程度である。
【００４７】
図５は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）による測定の結果を示すグラフである。グラフの縦軸は真空中に試料にＸ線を照射することによって試料表面から放出された光電子（タングステンの４ｆ電子）の強度（カウント数）であり、横軸は結合エネルギー（Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ）を示している。測定には、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製の分析装置（ＥＳＣＡ５４００ＨＣ）を用いた。Ｘ線のアノードとしては、Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｅｄ−Ａ１Ｋα（１４Ｋｅｖ：２００Ｗ）を使用し、分析領域は直径０．６ｍｍの円であった。
【００４８】
上記の測定結果からわかるように、浸炭処理によって形成された層（浸炭処理層）におけるタングステンの４ｆ電子結合エネルギーは、タングステン単体の結晶中における値に比べて化学シフトを示している。また、他の測定結果から、浸炭処理層中の炭素がタングステン内部における炭素よりも高い濃度を有していることが確認できている。以上のことから、浸炭処理層中のタングステンの少なくとも一部は、他の元素（炭素）と化学的に結合して化合物を形成していると考えられる。
【００４９】
以上の測定結果に基づき、本明細書では、浸炭処理によってタングステンの表面に形成される層を「タングステン化合物層」と称しているが、このことは、その層に含まれるタングステン原子の全てが炭素と結合して化合物の層を形成していることを意味するものではなく、炭素およびタングステンを含有する層の少なくとも一部が化学的に結合した状態にあることを広く意味するものとする。
【００５０】
本実施形態の放射体１と、表面に浸炭処理していない放射体（比較例）を用意し、約１０-6ｔｏｒｒの真空中、２０００Ｋで１０分加熱した。図６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、比較例の加熱前における表面ＳＥＭ写真および加熱後における表面ＳＥＭ写真である。図６（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、本実施形態に係る放射体１の加熱前における表面ＳＥＭ写真および加熱後における表面ＳＥＭ写真である。図６（ｃ）および（ｄ）において示されている放射体１の表面は、前述したタングステン化合物層から形成されている。
【００５１】
図６からわかるように、本実施形態に係る放射体１のマイクロキャビティ構造は加熱テスト後も全く変化しなかったが、比較例の放射体では、マイクロキャビティ構造が崩壊し、その痕跡が認められない状態に至った。
【００５２】
タングステンの蒸発数流速は、雰囲気ガスの圧力に依存し、真空度が高くなるほど蒸発が起こりやすくなる。実際に、本実施形態に係る放射体１を白熱電球のフィラメントとして用いる場合、フィラメントは例えば１ａｔｍの不活性ガス雰囲気中に配置される。このような場合の寿命を見積もるため、拡散方程式に基づいて計算すると、マイクロキャビティアレイが約１０-6ｔｏｒｒの真空中において、２０００Ｋで１０分間、安定に維持されるということは、１ａｔｍの不活性ガス雰囲気中に置かれた場合、２０００Ｋで約９７００時間、安定に維持されることに相当していることがわかる。従って、本実施形態の放射体１を備える白熱電球によれば、従来のタングステンフィラメントを利用した場合の寿命１０００時間に対して、その１０倍である１００００時間程度の長寿命を期待できる。
【００５３】
なお、本発明者の検討によると、比較例のようにタングステンフィラメントの表面にマイクロキャビティ構造を形成した場合は、１２００Ｋ程度の低温でもマイクロキャビティ構造が融解して消滅することがわかった。タングステンの融点は、金属データブック（改訂３版・日本金属学会編・発行：丸善（株））などに記されているように３６５３．１５Ｋである。このため、１２００Ｋ程度の温度では、タングステンのキャビティ構造が融解するとは考えがたい。
【００５４】
本発明者は、１つの可能性として、タングステンの表面に形成された微細なマイクロキャビティのアレイ構造が薄く酸化され、それによって表面層の融点が大きく低下しているのではないかと考えた。
【００５５】
図７は、タングステンの酸化反応に関わる飽和酸素濃度（分圧）の計算結果を示すグラフである。このグラフの縦軸は、圧力（分圧）であり、横軸は温度である。グラフにおいて、例えば、ＷＯ（ｓ）やＷＯ２（ｓ）は、固体状態におけるタングステン酸化物の分圧温度依存性を示している。また、ＷＯ（ｇ）やＷＯ２（ｇ）は、気体状態におけるタングステン酸化物の分圧温度依存性を示している。
【００５６】
図７からわかるように、タングステンの酸化物のうち、室温程度の低い温度では微量の酸素によってタングステンの酸化反応が進行する。従って、タングステン表面から酸素を取り除くために水素還元などの処理を行っても、再びタングステン表面を大気にさらすと、表面は容易に酸化すると考えられる。
【００５７】
従来、一般の白熱電球に利用されているタングステンフィラメントにおいても、製造段階で室温の大気に晒されたときに、その表面に薄い酸化層が形成されていたと考えられる。このような酸化層は、電球を点灯するとすぐに蒸発するが、下層のタングステンが表面に現れるため、特性に悪い影響を与えなかったと推察できる。
【００５８】
しかし、本発明のように、表面に微細なマイクロキャビティアレイ構造が設けられていると、状況は大きく異なる。すなわち、タングステン表面のマイクロキャビティアレイが室温で大気に晒されて酸化した場合は、電球の点灯時にマイクロキャビティ構造自体が消滅してしまう。
【００５９】
図８は、高融点材料の酸化反応におけるギブズの自由エネルギーを示すグラフである。図８は、各材料の耐酸化性を表している。
【００６０】
図８に示す化学反応式から明らかなように、タングステンカーバイドが酸化タングステンになるには、最初にタングステンカーバイドを酸化することによってタングステンおよびＣＯに分解し、次にタングステンを酸化するという２段階の反応が連続して生じる必要がある。また、タングステンカーバイドが酸化によってタングステンおよびＣＯに分解する反応は、図８に示すようにタングステンから酸化タングステンが生成される反応に比べて生じにくい。
【００６１】
以上のことから、モリブデンやニオブ、タングステンに比べ、タングステンカーバイドは酸化しにくいことがわかる。このような性質を持つ材料としては、タングステンカーバイド以外に炭化タンタルが考えられる。
【００６２】
このようにタングステンカーバイドがタングステンに比べて酸化されにくいことを考慮すると、本発明における浸炭処理によって形成されたタングステン化合物層もタングステンに比較して酸化されにくい性質を持ち、そのことがマイクロキャビティの構造を熱的に安定化している可能性がある。
【００６３】
ただし、本発明における化合物層がバルク状態にあるタングステンカーバイドと同一の性質を有している必要はない。前述した分析結果によると、本発明の浸炭処理によってタングステンの表面に形成された層は、タングステンが他の元素と化学的に結合していることを示しており、しかも、その層には炭素がタンクグステン中よりも高い濃度で存在している。これらのことから、タングステンと炭素とが化学的に結合していることは明らかであるが、その組成比率は確認できていないため、この化合物層を「タングステンカーバイド」であると断定することはできない。ただし、タングステンカーバイドと同様の性質を有していると考えられ、少なくとも部分的にはタングステンカーバイドが形成されている可能性が高い。このため、上記のタングステン化合物は、典型的にはタングステンカーバイドであるが、タングステンカーバイドに限定されるものではない。
【００６４】
前述したように酸化されにくい材料であるタングステンカーバイドは、しかしながら、白熱電球のフィラメントとしては用いられてこなかった。この理由の１つは、タングステンカーバイドの融点がタングステンの融点に比べ数百Ｋ程度も低い点にあり、更に他の理由は、タングステンとタングステンカーバイドの間に存在する放射率の差にある。
【００６５】
以下、図９を参照しながら、放射率の差について説明する。
【００６６】
図９は、タングステンおよびタングステンカーバイドの赤外域における放射率を測定した結果の一例を示すグラフである。図９からわかるように、タングステン（Ｗ）よりもタングステンカーバイド（ＷＣ）の方が赤外域での放射が強い。例えば波長２．５μｍにおけるタングステンの放射率は２０％であるのに対して、同一波長におけるタングステンカーバイドの放射率は７０％である。その結果、タングステンカーバイドからの放射全体に占める可視域光の比率が低くなってしまう。このため、タングステンカーバイドからフィラメントを作製すると、タングステンフィラメントよりも可視域における発光効率が著しく低下し、電球としては到底利用できなくなる。
【００６７】
白熱電球の開発史によれば、白熱電球が発明された初期の頃は、融点が低く、しかも赤外放射率の高い炭素フィラメントを使用する電球（エジソン電球）が使用されていたが、その後、炭素フィラメントはより融点の高いタングステンフィラメントに置き換えられてきた。このような歴史的経緯から、タングステンよりも融点が低く、また赤外放射率の高い材料であるタングステンカーバイドをフィラメントなどの放射体に使用するべきではないとの技術常識が生まれてきた。
【００６８】
これに対し、本発明の放射体は、可視域における放射効率が相対的に低いタングステンカーバイドを敢えて用いているが、表面に微細なマイクロキャビティ構造を具備しているため、赤外放射を充分に抑制することができ、タングステンカーバイドが本来的に示す高い赤外放射率を充分に低いレベルに抑制することが可能となる。
【００６９】
また、放射効率が高まるため、タングステンフィラメントを使用する場合に比べて動作温度を低くすることもできる。
【００７０】
なお、タングステンカーバイドの融点がタングステンの融点よりも格段に低いことを考慮すると、タンクグステンの浸炭処理によってマイクロキャビティの高温崩壊を抑制できることは当業者に予測困難な意外な現象である。
【００７１】
図１０は、融点およびマイクロキャビティが崩壊する温度を、タングステンおよびタングステンカーバイドの各々について模式的に示す図面である。この図からわかるように、タングステンの融点（約３６５０Ｋ）に比べて、タングステンカーバイド（ＷＣ）の融点は３１７５Ｋ程度と低い（金属データブック、改訂３版・日本金属学会編・発行：丸善（株））。にもかかわらず、浸炭処理を行なったマイクロキャビティ構造の崩壊する温度は、２４００Ｋ程度である。この温度は、タングステンのマイクロキャビティが崩壊する温度（１９００Ｋ程度）に比べて極めて高く、タングステンカーバイドの融点からは到底予測できない高い値である。
【００７２】
次に、図１１を参照しながら、本発明の放射体を有する照明装置の実施形態を説明する。図１１は、上記の放射体１を備える白熱電球の構成例を示す図面である。
【００７３】
この白熱電球は、放射光を発する放射体（フィラメント）１と、放射体１を大気から遮蔽する透光性のバルブ１２と、放射体１に接続された電極を支持するステム１３と、電極を介して放射体１に電気的に接続され、放射体１に商用電源からの電力を供給するための口金１４とを備えている。バルブ１２の内部には、アルゴンガスなどを封入し、フィラメントの蒸発を抑制することが好ましい。
【００７４】
図示される白熱電球によれば、放射体１が前述したように熱的に安定なマイクロキャビティ構造を有しているため、２０００Ｋの動作温度でも赤外域放射の少ない分光分布を示す放射を長期間継続することが可能である。
【００７５】
なお、従来、浸炭処理によって形成した層（浸炭層）を表面の一部に設けたタングステンの電極が知られている（例えば特開平９−１１１３８７号公報および特開平９−１１１３８８号公報）。図１２は、このような電極の構成例を模式的に示す図である。図１２に示すタングステン電極３０は、０．２〜１５ｍの丸棒状タングステンの一端を円錐状に尖らせた後、その先端部を０．２〜０．８ｍｍだけカットした形状を有している。このタングステン電極３０にはトリウムが含有されており、先端部からは電子が放射される。タングステン電極３０における円錐状の部分のうち、電子が放射される先端部を除く領域には浸炭処理が行われている。浸炭処理を行う理由は、トリウムがタングステン電極の結晶粒界を拡散して電極の外部へ消失してしまうことを抑制することにある。この場合、浸炭処理によって形成される浸炭層は、融点がタングステンよりも低いＷ2Ｃであると考えられており、したがってタングステン電極３０のうち温度の比較的低い部分（電子放出が生じる高温の先端部を除く領域）に形成されている。
【００７６】
このように、電界／熱電子放出のためのタングステン電極の一部に浸炭処理を行なうこと自体は従来から知られているが、フィラメントのように高温での使用が必要になる部材に浸炭処理を行なうことは報告されていない。
【００７７】
なお、所定波長以上の放射を抑制するために、前述した方法以外の方法で放射体表面に微細な凹凸構造を形成し、個々の微細な凹部（凹部の平均サイズ：１μｍ以下）がマイクロキャビティとして機能するようにしてもよい。例えば、サンドブラスト処理によって表面を加工することにより、マイクロキャビティとして機能する凹部を放射体の表面に形成することも可能である。そのような場合においても、本発明によれば、放射体表面の酸化による熱的安定性低下を抑制でき、高温で長時間の熱放射が可能となるため、白熱電球のフィラメントなどへ好適に適用できるようになる。
【００７８】
このように本発明によれば、表面に形成した微細構造を２０００Ｋ以上の高温でも安定に保つことができるが、このような効果は、放射体の表面に凹部を形成した場合に限られず、ＭＥＭＳなどの微細加工技術を用いて、より複雑な微細構造を形成した場合にも適用可能である。例えば、微細なグリッド状部材を配列・積層することにより、光の波長程度の間隔で格子構造を形成し、フォトニック結晶構造を放射体の放射面上に実現してもよい。本発明では、このような微細構造を構成する部材の表面または全体をタングステンカーバイドから形成する。これにより、選択された波長域の放射効率を向上させる微細構造を高温でも長時間動作させることが可能となる。
【００７９】
なお、本発明の放射体は、国際公開パンフレットＷＯ ０３／０５８６７６Ａ２に開示されている三次元的なタングステン構造にも適用化できる。すなわち、従来、タングステンという融点の極めて高い材料を用いて耐熱性の向上が図られてきた部材が今後ますます微細化されていく場合に生じえる「微細構造の崩壊」という大きな問題を、本発明は広く解決することが可能である。
【００８０】
（実施形態２）
次に、本発明による放射体を利用した照明装置以外の装置として、熱電変換装置の実施形態を説明する。
【００８１】
図１３は、このような熱電変換装置の構成を模式的に示している。図示されている装置は、太陽光（電磁波）を吸収し、特定波長の電磁波を放射する本発明の放射体４０と、この放射体４０を大気から遮断する容器（不図示）と、放射体４０から放射される電磁波を受け取り、電気エネルギーに変化する変換器（例えば光起電力電池）４４とを備えている。図１３の例では、放射体４０と変換器４４との間に不要な波長域を遮断するフィルタ４２がオプショナルに配置されている。
【００８２】
放射体４０は、主としてタングステンから形成された本体部分を有しているが、その表面には、マイクロキャビティまたはフォトニック結晶構造の微細構造が形成されている。放射体４０の表面において、上記特定波長域の放射効率を高める微細構造（マイクロキャビティなど）が形成されている部分には、実施形態１と同様にタングステンおよび炭素を含む層が形成されている。このように放射体４０は、その表面に形成された微細構造により、特定波長の電磁波が選択的に放射するが、この特定波長は変換器４４が効率よく電磁波を吸収する波長に選択されている。
【００８３】
太陽熱を集光するなどの方法によって放射体４０を照射して放射体４０にエネルギーを供給すると、高温（例えば２０００Ｋ以上）に加熱された放射体４０から特定波長域の電磁波が放射される。このような電磁波の放射を、フィルタ４２を介して受けとった変換器４４は、効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００８４】
通常の太陽光には、変換器４４による変換効率の低い波長域の電磁波が多く含まれているが、本発明の放射体４０（およびフィルタ４２）を用いることにより、変換効率の高い波長域の電磁波を変換器４４に供給できるため、光−熱−電気変換システムにおける全体の変換効率が高められる。このような熱電変換装置は、光以外のエネルギーによって放射体４０を加熱することによっても電気エネルギーを生成できるため、光−熱−電気変換システム以外の発電装置に利用できる。
【００８５】
なお、このような波長選択性を有する放射体を用いる熱起電力発電システムは、特許第３４７２８３号明細書などに開示されているが、この特許明細書にはタングステン材料を用いた放射体しか開示されておらず、微細な構造が加熱によって崩壊することについては何も言及されていない。
【００８６】
本実施形態によれば、放射体４０の表面のマイクロキャビティまたはフォトニック結晶構造の熱的安定性が、タングステンおよび炭素を含む層によって高められているため、発電システムの信頼性を長時間にわたって高く維持することができるとともに、放射体４０のより高温での動作が可能になるため、発電システムの高出力化にもフレキシブルに対応できる。この結果、本実施形態の装置は、太陽光を利用する発電システムとして地球環境保護に大いに貢献することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の放射体は、その表面に放射効率を向上させる微細加工構造物を有し、かつ、その微細加工構造物の表面が炭素およびタングステンを含有する層から形成されているため、高効率電球などの一般照明用の放射体として有用である。また、本発明による白熱電球は、高効率ランプが要求される店舗用などに好適に応用される。更に、高温で安定に動作することが求められる各種の装置のうち、特定波長域の放射を効率的に他のエネルギーに変換する装置に広く適用される。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】黒体放射の分光放射輝度を示すグラフである。
【図２】本発明による放射体の第１の実施形態を示す図面である。
【図３】（ａ）から（ｅ）は、マイクロキャビティとタングステン化合物層との種々の関係を模式的に示す断面図である。
【図４】浸炭処理後のタングステン表面を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図５】ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）による測定の結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、比較例の加熱前における表面ＳＥＭ写真および加熱後における表面ＳＥＭ写真であり、（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、本実施形態に係る放射体１の加熱前における表面ＳＥＭ写真および加熱後における表面ＳＥＭ写真である。
【図７】タングステンの酸化反応に関する飽和酸素の濃度（分圧）を示すグラフである。
【図８】高融点材料の酸化反応におけるギブズ自由エネルギーを示すグラフである。
【図９】タングステン（Ｗ）およびタングステンカーバイド（ＷＣ）の放射率を示すグラフである。
【図１０】マイクロキャビティが崩壊する温度と融点を、タングステンおよびタングステンカーバイトの各々について模式的に示す図面である。
【図１１】本発明の実施形態に係る放射体１を備える白熱電球の構成例を示す図面である。
【図１２】浸炭処理を利用した形成された電極を示す図である。
【図１３】本発明による熱電変換装置の実施形態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１  放射体
２  キャビティ構造
１２  バルブ
１３  ステム
１４  口金
２１  タングステン
２２  タングステン化合物層
３０  電極
４０  放射体
４２  フィルタ
４４  変換器（太陽電池など）
【図１】
0003825466.tif 000002
【図２】
0003825466.tif 000003
【図３】
0003825466.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003825466.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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