成果報告書詳細
管理番号20140000000507
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 挑戦研究(事前研究一体型) メゾスコピック材料を用いた電力光無損失変換技術の研究開発
公開日2014/8/20
報告書年度2011 - 2013
委託先名スタンレー電気株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 従来の白熱電球のフィラメント表面にナノ構造光学薄膜並びに金属微粒子からなるメゾスコピック材料を成膜し,その材料が示す放射制御効果を用いることによって,電力を可視光に95%以上の効率で変換することが可能な,超高効率照明用電球を,2050年の時点において実現することを目標として研究開発を遂行した。本挑戦研究ではその第一歩を示すために,2500 K以上の高温で動作するメゾスコピック放射選択材料を開発し,事業終了時までに現状の白熱電球の4倍の効率を有する,効率60 lm/Wの白熱電球を実現することを目標とした。上記目標実現に向けて,(i) 高温耐熱性光学薄膜単層膜並びに多層膜の開発,(ii) 高温耐熱性白色散乱体放射制御構造の開発,(iii) 高温放射率特性定量的評価技術の開発,(iv) 光源の最適構造設計・試作評価,をおこなった。以下にその成果の概要を示す。
 (i) 高温耐熱性光学薄膜単層膜並びに多層膜の開発
スタンレー電気(株)にて長年独自開発をおこなってきたアーク放電イオンプレーティング成膜法を本事業において更に発展させ,世界最高レベルのプラズマ密度(事業開始前:5×10^11 cm^-3,開始後:5×10^12 cm^-3)を実現することに成功した。本成膜法により作製した放射制御膜は,耐熱温度2800 K以上,厚さ精度±3 nm以下,膜中不純物量0.1%以下,を実現し所期の目標を達成した。また,酸化物系材料より成る超格子光学多層膜構造を作製し,人工的に制御された熱放射(実温度1500 Kの加熱で5000 K以上の色温度)を実現することに世界で初めて成功した。
 (ii) 高温耐熱性白色散乱体放射制御構造の開発
希土類金属添加白色散乱体フィラメントを作製し,従来の広帯域白熱放射スペクトルとは全く異なる,狭帯域単一熱放射スペクトルを実現することに成功した。2000 Kの高温領域で単一熱放射スペクトルを実現した例は世界的にも存在せず,電力光無損失変換技術の確立に向けて大きく前進した。
 (iii) 高温放射率特性定量的評価技術の開発
グラフェンナノ構造(GN)を作製することによって,カーボンナノチューブ(CNT)よりも加熱特性に優れた(GN:2500 K,CNT:1600 K),可視から赤外領域(0.4-10 micrometer)に至る広い波長範囲で反射率が1%以下の黒体材料を開発することに成功した。本成果が世界的な評価を受け,権威ある論文誌への掲載に至った。開発に成功した本材料は,新たな黒体標準材料並びに新規な放熱材料として種々の産業分野から注目を集めている。
 (iv) 光源の最適構造設計・試作評価
放射制御膜を搭載したフィラメントを作製し,これを封入して電球として評価する作業をおこなった。現時点において,W材料と比較して約60%の効率向上(7->11 lm/W)を実現した。また,基板材料としてW材料以外の超高温材料についても検討を行った。この結果,炭化物系金属材料が3500K以上の高温領域まで安定な材料であることが判明した。本材料をフィラメントにして電球の効率評価を行ったところ,45 lm/W以上の光束効率を有する結果を得た。本材料を用いることにより,従来のW材料と比較して,界面原子拡散を抑制でき,延いては放射制御材料の高温劣化を抑制できるため,引き続き平成26年度よりの継続研究にて開発をおこない,効率60 lm/Wを有する放射制御白熱電球の実現に邁進する。
英文要約 The purpose of this project is to obtain a heat resistant selective emitter beyond 2500 K in order to realize high luminous efficiencies more than 60 lm/W by FY 2013 and to show the way toward the highly efficient incandescent lamps with luminous efficiencies exceeding 400 lm/W by FY 2050. Here, we briefly summarize the results obtained in this project.
(i) Theoretical design:
Selective emissivity characteristics exceeding 60 lm/W were theoretically designed based on heat resistant materials. Our analyses show that a single-layer thin film structure has luminous efficiencies exceeding 60 lm/W and that a multi-layer structure has luminous efficiencies exceeding 120 lm/W. Different types of novel structures were also theoretically designed and shown to have luminous efficiencies exceeding 400 lm/W.
(ii) Fabrication of heat-resistant thin film layers:
A dc arc discharge ion plating method was developed for the fabrication of high quality thin-film selective emitters. High plasma density on the order of 10^13 cm^3 was achieved, which is suitable for the fabrication of heat-resistant selective emitters. We succeeded in the preparation of thin-film selective emitters with heat resistance above 2800 K under 10^6 Pa inert gas atmosphere. We also succeeded in the deposition of multilayer thin film structure onto a metal filament and obtained extremely high color temperature greater than 5000 K at a filament temperature of 1500 K.
(iii) Fabrication of heat-resistant light scattering materials:
By using highly scattered random materials doped with rare earth elements, we obtained a narrow spectrum thermal emission at a temperature above 2000 K. We consider that this narrow spectrum thermal emission characteristic is promising for the realization of luminous efficiencies exceeding 400 lm/W.
(iv) Establishment of quantitative emissivity evaluation technique:
We succeeded in the fabrication of a novel type of blackbody material based on a graphene nanostructure. This nanostructure, which has an emissivity higher than 0.99 over a wide range of wavelengths, behaves as a standard blackbody material at temperatures greater than 2500 K.
(v) Fabrication of incandescent lamps with heat resistant selective emitters and evaluation of lamp characteristics:
We succeeded in improving the luminous efficiency more than 60 % by fabricating the selective emitter onto a W filament (W: 7 lm/W, W+SE: 11 lm/W, @2500 K). We also developed alternate filament base materials such as carbide metals instead of using W filaments in order to avoid the interface damage between selective emitter layer and substrate. The luminous efficiency of 45 lm/W was obtained by using the carbide filament. The fabrication of the selective emitter onto this compound metal is currently in progress in order to obtain both heat resistance more than 2500 K and luminous efficiencies higher than 60 lm/W.
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