JP2015176768A - フィラメント、偏光放射光源装置、偏波赤外放射ヒーター、および、フィラメントの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】偏波した電磁波を放射するフィラメントを提供する。
【解決手段】金属製の基材１０と、基材１０の上に配置された誘電体層１１と、誘電体層１１の内部または表面に配置された複数の金属粒子１２とを有する。金属粒子１２の形状は、長軸方向の径が、短軸方向の径より長くなっている金属粒子１２の長軸方向は、誘電体層の面内方向について所定の方向に向けられている。金属粒子１２は、局在表面プラズモンによる吸収を生じ、所定の波長の電磁波の偏光成分の放射強度を、それに直交する偏光成分の放射強度よりも強める。これにより、フィラメントから放射される光は、金属粒子の長軸方向に沿った偏光成分の強度が、短軸方向の偏光成分の強度よりも大きくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、偏波した電磁波を放射するフィラメントに関し、さらに、このフィラメントを用いた光源装置やヒーターに関する。

電球、蛍光灯、ＬＥＤ等の光源は、電磁場の向きがランダムであることが知られている。このため、ある偏光成分のみを必要とする場合には、光源から出射された光を、光源とは別体の偏光板に導いて、これを通過させることにより所望の偏光成分のみを取り出して用いている。偏光板としては、染料等を溶解した高分子物質を一軸延伸して得た偏光板や、金属化合物ナノ粒子を分散したガラスを一軸延伸して得た偏光板等が知られている（特許文献１）。

特開２００９−９８５９８号公報

従来のように、光源から出射された電磁場の向きがランダムな光を偏光板に導き、偏光板を通過させることにより所望の偏光成分を取り出す方法は、所望の偏光成分ではない偏光成分は、偏光板により遮蔽される。偏光板によって遮蔽された電磁波のエネルギーは利用されない。このため、光源に投入された電力に対し、取り出される偏光（電磁波）エネルギーの割合は低く（約５０％）、エネルギー変換効率を大きくすることができない。

本発明の目的は、偏波した電磁波を放射する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、本発明のフィラメントは、金属製の基材と、基材の上に配置された誘電体層と、誘電体層の内部または表面に配置された複数の金属粒子とを有する。金属粒子の形状は、長軸方向の径が、短軸方向の径より長い。金属粒子の長軸方向は、誘電体層の面内方向について所定の方向に向けられている。

本発明にかかるフィラメントは、金属粒子の局在表面プラズモン共鳴の作用により、金属粒子の長軸方向に偏波した電磁波を放射することができる。

本発明の実施形態にかかるフィラメントの断面図である。 図１のフィラメントの断面図（金属ナノロッドを誇張して表示）であり、（ａ）金属ナノロッド１２が誘電体層１１の上に配置された構造、（ｂ）金属ナノロッド１２が誘電体層１１の内部に配置された構造をそれぞれ示す。 金属ナノロッドの長軸長さと偏光比との関係を示したグラフである。 図２（ａ）の構造のフィラメントであって、金属ナノロッド１２の長軸が、（ａ）フィラメントの軸方向に平行、（ｂ）フィラメントの軸方向に垂直、（ｃ）フィラメントの軸方向に斜めに交差している場合の、それぞれ上面図および断面図である。 図２（ｂ）の構造のフィラメントであって、金属ナノロッド１２の長軸が、（ａ）フィラメントの軸方向に平行、（ｂ）フィラメントの軸方向に垂直、（ｃ）フィラメントの軸方向に斜めに交差している場合の、それぞれ上面図および断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）のフィラメントの他の実施形態を示した上面図である。 図１のフィラメントを用いた光源装置の正面図である。 金属ナノロッドの長軸方向および短軸方向と、偏光との関係を示した説明図である。 実施例１のフィラメントの偏光方向ごとの反射率と放射率を示すグラフである。 実施例２のフィラメントの偏光方向ごとの反射率と放射率を示すグラフである。 実施例３のフィラメントの偏光方向ごとの反射率と放射率を示すグラフである。

＜フィラメントの構造＞
本発明のフィラメントは、図１、図２に示すように、金属製の基材１０と、基材１０の上に配置された誘電体層１１と、誘電体層１１の内部または表面に配置された複数の金属粒子１２とを有する。金属粒子１２の形状は、長軸方向の径が、短軸方向の径より長くなっている（アスペクト比（＝長軸径／短軸径）＞１）。金属粒子１２の長軸方向は、誘電体層１１の面内方向について所定の方向に向けられている。なお、基材１０が線材であり、誘電体層１１が線材の基材１０の周囲を覆っている場合、上記面内方向とは、線材の表面に沿った曲面内の方向をいう。

金属粒子は、局在表面プラズモン（Localized Surface Plasmon Resonance；LSPR）による吸収を生じ、所定の波長の電磁波の偏光成分の放射強度を、それに直交する偏光成分の放射強度よりも強める。これにより、フィラメントから放射される光は、金属粒子の長軸方向に沿った偏光成分の強度が、短軸方向の偏光成分の強度よりも大きくなる。

フィラメントは、電流供給等によりエネルギーの供給を受けると電磁波を放射する。このとき、放射される電磁波の放射率ε（λ）は、キルヒホッフの法則によって反射率Ｒ（λ）と式（１）の関係にあることが知られている。

ε（λ）＝１−Ｒ（λ） ・・・（１）

式（１）から明らかなように、特定の波長λにおけるフィラメントの反射率Ｒ（λ）を低下させることにより、その特定波長λの放射率ε（λ）を向上させることができる。

本発明では、金属粒子の長軸方向の局在表面プラズモン共鳴の作用により、所望の方向（長軸方向）の反射率Ｒを低下させることにより、その方向の電磁波の放射率ε（λ）を高め、所望の方向（長軸方向）に偏波した電磁波をフィラメントから出射することができる。この方法では、偏波方向が所望の方向と直交する方向（短軸方向）については、電磁波の放射率が向上せず、電磁波の放射率が低いままである。よって、所望の方向と直交する方向に偏波した電磁波は放射されないか、放射されたとしても低い割合である。したがってフィラメントは、所望の方向に直交する方向に偏波した電磁波を放射してエネルギーを失うことなく、所望の方向に偏波した電磁波の放射するため、エネルギー変換効率が向上する。

金属粒子の長軸方向の局在表面プラズモン共鳴の作用により、所望の方向（長軸方向）の反射率Ｒを低下させる原理は以下の通りである。フィラメント等の物体の反射率Ｒは、物体の光の吸収率が高いほど低下することが周知である。一方、金属粒子は、局在表面プラズモン共鳴により、金属の種類およびその粒径に応じた所定の波長の光を吸収することが知られている（例えばステンドグラス）。

本発明では、金属粒子の長軸方向に局在表面プラズモン共鳴を生じさせ、短軸方向については生じさせないことにより、所望の方向（長軸方向）についてのみ吸収率を高め、反射率Ｒを低下させる。これにより、所定の方向（長軸）に偏波した電磁波を放射できる。

以下、具体的に説明する。図１には、本発明の実施形態にかかるフィラメントの断面図を示す。図２（ａ）、（ｂ）に金属ナノロッド１２のサイズを誇張して示したように、図１のフィラメントには、図２（ａ）、（ｂ）のように誘電体層１１の表面または内部に金属粒子（以下、金属ナノロッドと呼ぶ）１２が備えられている。

ここで金属ナノロッド１２とは、ロッド状の金属微粒子をいうが、厳密にロッド状である必要はなく、長軸と短軸を有する形状であればどのような形状であってもよい。例えば、角柱状や、チューブ状、断面が楕円状等のものも含まれる。

金属ナノロッド１２は、局在表面プラズモン共鳴を励起することができる金属材料であって、基材１０が所望の波長の光を放射する際に加熱される温度以上の融点を有する材料で構成されている。例えばＴａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、ＡｌおよびＣｕのうちいずれかを含有する材料により構成する。

金属粒子の長軸方向の長さは、局在表面プラズモン共鳴により、所定波長の電磁波を吸収する長さに設定されている。金属ナノロッド１２の短軸方向の長さは、局在表面プラズモン共鳴による所定波長の電磁波の吸収が生じない長さであるか、または、局在表面プラズモン共鳴による所定波長の電磁波の吸収強度が長軸方向よりも弱まる長さに設定されている。

具体的には、金属粒子の長軸方向の長さは、１００ｎｍ未満であることが望ましい。その理由は、図３のグラフに示すように、金属ナノロッド１２の長軸長さが１００ｎｍ以上であると、局在表面プラズモン共鳴による電場増強効果（偏光比）を得ることができないためである。ただし、図３は、金属ナノロッド１２（材質Ｔａ、短軸方向（Ｘ方向）の長さ２ｎｍ）について、長軸方向（Ｙ方向）の長さを変化させ、偏光比（Ｙ方向偏光強度／Ｘ方向偏光強度）と長軸方向との関係をシミュレーションにより求めたものである。

また、金属ナノロッド１２の長軸方向の長さおよび材質により、吸収する電磁波の波長が変化するため、放射が増強される偏波した電磁波の波長が変化する。よって、金属ナノロッド１２の長軸方向の長さおよび材質は、放射させたい電磁波の波長に応じて、予めシミュレーションまたは実験により定めておく。

偏波した電磁波の波長は、例えば赤外光または可視光のうちの所望の波長に設定することができる。波長が赤外光に設定されている場合には、偏光した赤外光で効率よく物体を加熱する赤外ヒーターとして好適である。可視光に設定されている場合には、偏光した可視光を出射する可視光源として好適である。

金属ナノロッド１２の短軸方向の長さは、短軸方向の金属ナノロッド１２と光との相互作用が弱まり、局在表面プラズモン共鳴による光吸収が弱まる大きさであることが望ましい。具体的には、２ｎｍ未満であることが望ましい。

金属粒子の長軸方向は、基材の表面に平行に配置され、かつ、所定の方向に向けられている場合にはさらに望ましい。

なお、金属ナノロッド１２の整列方向については、特に制限はなく、例えば図４（ａ）〜（ｃ）に金属ナノロッド１２が誘電体１１の表面にある場合を、図５（ａ）〜（ｃ）に金属ナノドット１２が誘電体１１の内部にある場合を示したように、金属ナノロッド１２が向く方向を、所望の方向に設定することができる。具体的には、図４（ａ）および図５（ａ）で示すようにフィラメントの長手方向と平行に向けた例であり、図４（ｂ）および図５（ｂ）に示すように長手方向と垂直に向けた例であり、図４（ｃ）および図５（ｃ）のように長手方向と一定の角度をもつように向けた例である。また、図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）は、金属ナノロッド１２が一定の間隔で整列している場合を示したが、一定の間隔で整列していなくてもよい。例えば、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように金属ナノロッド１２は、所定の方向を向いていれば、ランダムな間隔で配置されていても構わない。

また、本発明において、金属ナノロッド１２の長軸の向きは、誘電体層の面内方向について所定の方向を向く成分を有していればよい。すなわち、金属ナノロッド１２の長軸方向が、完全に所定の方向に一致していなくてもよく、所定の方向の成分を持っていればよい。よって、金属ナノロッド１２の長軸方向は、すべて平行でなくてもよく、多少ばらけていてもよい。例えば、金属ナノロッド１２同士の長軸のなす角度が１５０〜１８０°程度の範囲内にあればよい。

本実施形態にかかるフィラメントの基材１０は、加熱により所望の波長の電磁波を放射する温度以上の融点を有する金属、例えば、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｃ、ＨｆＣ、ＴａＣ，ＺｒＣ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＢ_２、ＺｒＢ_２およびＨｆＢ_２のうち、いずれかを含有する材料により構成する。

本実施形態にかかるフィラメントの誘電体層１１は、放射させるべき所定波長の電磁波に対して透明であり、かつ、基材１０の加熱温度以上の融点を有する誘電体材料により構成される。例えばＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、Ｙｂ_２Ｏ_３およびＢＮのうちいずれかを含有する材料により構成する。

本実施形態にかかるフィラメントのうち、図２（ａ）にように表面に金属ナノロッド１２を備えたフィラメントの製造方法を説明する。まず基材１０上に誘電体をスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、ＭＯＤ法（金属有機化合物分解法）など任意の方法で成膜する。その後、金属ナノロッドを溶媒に分散した溶液（溶媒：例えば、水、アルコール類、芳香族類等）を用意し、この溶液に、せん断応力を加えながら塗布することで、金属ナノロッド１２が一方向に整列した溶液の塗膜を形成することができる。この塗布方法は、金属ナノロッドを整列させながら、分散溶液を均一に塗布できる方法であれば特に制限は無いが、せん断応力を加えやすい、例えばスライドコーター、スロットダイコーター、バーコーター等を用いることが望ましい。その後、上記溶液を乾燥させることにより、図２（ａ）の構造のフィラメントを製造することができる。この製造方法の場合、基材１０の形状は、金属ナノロッド１２の溶液を容易に塗布することができるように、板状ものを用いることが好ましい。

＜フィラメントを用いた光源およびヒーター構成＞
図７には、本実施形態にかかるフィラメントを利用した偏光放射光源装置（白熱電球）１の構造を示す。白熱電球２１は、透光性気密容器２４と、透光性気密容器２４の内部に配置したフィラメント２２と、フィラメント２２の両端に電気的に接続されるとともにフィラメント２２を支持するリード線２３とを備える。透光性気密容器２４は、例えばガラスバルブにより構成する。透光性気密容器２４の内部は１０^−１〜１０^−６Ｐａの高真空状態とする。透光性気密容器２４の封止部には口金２５を接合する。

なお、本実施形態にかかるフィラメントを利用した偏光赤外放射ヒーターについても、図７と同様の構造を採用することができる。

本発明にかかるフィラメントを用いて可視偏光放射光源装置を構成することにより、局在表面プラズモン共鳴により所定の電磁波の偏光成分を増強することができるため、偏光板等を用いることなくディスプレイや窓ガラス等に反射光が映りにくい照明を提供することができる。また、この可視光源装置を車両用のヘッドライトとして用いることにより、道路からの反射光を抑制可能なヘッドライトが得られる。具体的には、雨天時にヘッドライトが道路に照射されても反射しにくく、対向車の眩しさが低減可能なヘッドライトを提供できる。

また本発明にかかるフィラメントを偏光赤外放射ヒーター（熱源装置）に使用すると、偏光板等を用いることなく電磁波の反射成分を低減して効率よく対象物を温めることができる。

また、本発明のフィラメントは、所望の偏光を放射できるだけでなく、所望の偏光と直交する偏光の放射が抑制されるため、フィラメントに供給された電力のほとんどを所望の偏光の放射に用いることができる。これにより、電力から所望の方向に偏波した電磁波への変換効率が向上したフィラメントを提供できる。

＜実施例１＞
実施例１にかかるフィラメントを以下のように製造した。実施例１のフィラメントは、基材１０がＴａ、誘電体層１１がＨｆＯ_２、金属ナノロッド１２がＴａによってそれぞれ構成されている。まず、平板状のＴａ基材１０を用意し、基材１０上にスパッタリング法によりＨｆＯ_２の誘電体層１１を成膜した。スパッタリングによる成膜時の基材１０の温度は３００℃、成膜速度は１．０Ａ／ｓとした。次に、溶媒（トルエン）にＴａ製の金属ナノロッド１２が分散された溶液を用意した。金属ナノロッド１２のサイズは、２ｎｍ×７．５ｎｍ×２ｎｍ（アスペクト比（＝長軸／短軸）＝３．７５）である。この金属ナノロッド１２の分散溶液を、誘電体層（ＨｆＯ_２）１１を成膜したＴａ基材１０の上へ、スライドコーターを用いて塗布し、塗膜を形成した。このとき、スライドコーターの基材１０に対する相対的な移動方向は、放射させたい電磁波の偏波方向に設定した。その後、真空中１２０℃で塗膜を乾燥させ、図２のように誘電体層１１の表面に、金属ナノロッド１２が備えられたフィラメントを製造した。金属ナノロッド１２は、長軸方向がスライドコーターの相対的な移動方向に向いていた。

得られたフィラメントの表面に、図８のように金属ナノロッド１２の長軸方向に偏波面が向けられた偏光（Ｘ方向）と、短軸方向に偏波面が向けられた偏光（Ｙ方向）をそれぞれ照射して、それぞれの反射率（Ｒ）を測定した。その結果を図９に示す。図９のように、Ｙ方向のみ１．５μｍを中心とする波長に吸収が生じ、反射率（Ｒ）が低下していた。この反射率から放射率（ε）を計算により求め、その結果を図９に示す。図９のように、Ｙ方向のみ波長約１．５μｍを中心として、放射率が増強されていた。波長１．５μｍにおける偏光比（Ｙ成分／Ｘ成分）は１１であった。

図９より、実施例１のフィラメントは、波長１．５μｍを中心にＹ方向に偏波した赤外光を放射することが確認できた。このフィラメントを用いることにより、Ｙ方向に偏波した赤外光を放射する光源やヒーターを製造可能である。
＜実施例２＞

実施例２として、金属ナノロッド１２のサイズを２ｎｍ×５ｎｍ×２ｎｍ（アスペクト比２．５）に変更し、他の条件は、実施例１と同じにしてフィラメントを製造した。

得られたフィラメントについて反射率を測定したところ、図１０のように、Ｙ方向のみ波長１．１μｍ付近を中心として、放射率が増強されていた。波長１．１μｍにおける偏光比（Ｙ成分／Ｘ成分）は１１であった。

図１０より、実施例１のフィラメントは、波長１．１μｍ付近を中心にＹ方向に偏波した赤外光を放射することが確認できた。波長１．１μｍにおける偏光比（Ｙ成分／Ｘ成分）は４．２であった。

＜実施例３＞

実施例３として、金属ナノロッド１２のサイズを２ｎｍ×１０ｎｍ×２ｎｍ（アスペクト比５）に変更し、他の条件は、実施例１と同じにしてフィラメントを製造した。

得られたフィラメントについて反射率を測定したところ、図１１のように、Ｙ方向のみ波長１．８μｍ付近を中心として、放射率が増強されていた。波長１．８μｍにおける偏光比（Ｙ成分／Ｘ成分）は１４であった。

１０…基材、１１…誘電体層、１２…金属ナノロッド、２１…発光装置、２２…フィラメント、２３…リード線、２４…透光性気密容器、２５…口金

Claims (14)

1. 金属製の基材と、前記基材の上に配置された誘電体層と、前記誘電体層の内部または表面に配置された複数の金属粒子とを有し、
   前記金属粒子の形状は、長軸方向の径が、短軸方向の径より長く、
   前記金属粒子の長軸方向は、前記誘電体層の面内方向について所定の方向に向けら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、前記金属粒子の長軸方向の長さは、局在表面プラズモン共鳴により、所定波長の電磁波を吸収する長さであることを特徴とするフィラメント。
3. 請求項１または２に記載のフィラメントにおいて、前記金属粒子の長軸方向の長さは、１００ｎｍ未満である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、前記金属粒子の短軸方向の長さは、局在表面プラズモン共鳴による前記所定波長の電磁波の吸収が生じない長さであるか、または、局在表面プラズモン共鳴による前記所定波長の電磁波の吸収強度が前記長軸方向よりも弱まる長さに設定されていることを特徴とするフィラメント。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記金属粒子の短軸方向の長さは、２ｎｍ未満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５のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記金属粒子の長軸方向は、前記基材の表面に平行に配置され、かつ、前記所定の方向に向けられていることを特徴とするフィラメント。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記フィラメントから放射される光は、前記金属粒子の前記長軸方向の偏光成分の強度が、前記短軸方向の偏光成分の強度よりも大きいことを特徴とするフィラメント。
8. 請求項２または４に記載のフィラメントにおいて、前記所定波長の電磁波は、赤外光または可視光であることを特徴とするフィラメント。
9. 請求項２，４および８のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記誘電体層は、前記所定波長の電磁波に対して透明であることを特徴とするフィラメント。
10. 金属性の基材と、前記基材の上に配置された誘電体層と、前記誘電体層の内部または表面に配置された金属粒子とを有し、
    前記金属粒子は、局在表面プラズモン共鳴による吸収を生じ、所定の波長の電磁波の偏光成分の放射強度を、それに直交する偏光成分の放射強度よりも強めることを特徴とするフィラメント。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のフィラメントを用いた偏光放射光源装置。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のフィラメントを用いた偏波赤外放射ヒーター。
13. 長軸方向の径が短軸方向の径より長い金属粒子が分散された溶液に、せん断能力を加えながら基材上に塗布することにより、前記金属粒子の長軸方向が面内方向について所定の方向に向けられた層を形成する工程を含むフィラメントの製造方法。
14. 請求項１３のフィラメントの製造方法において、前記層を形成する工程の前に、前記基材の表面に誘電体層を形成し、前記層を前記誘電体層の上に形成することを特徴とするフィラメントの製造方法。

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