JPH065263A

JPH065263A - 微細穴を有する金属体の製造方法およびランプ用発光体の製造方法

Info

Publication number: JPH065263A
Application number: JP16091392A
Authority: JP
Inventors: Toru Fujioka; 透藤岡; Shigekazu Kusanagi; 繁量草薙; Takahiro Inoue; 孝啓井上; Yoshifumi Watabe; 祥文渡部
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-06-19
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 1994-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】各種金属体の表面に、超微細かつ垂直で均一
な微細穴を正確かつ効率的に作製することができ、ラン
プ用発光体に代表される各種製品の製造に適した、微細
穴を有する金属体の製造方法を提供する。【構成】母材となる金属１０の表面に陽極酸化皮膜２
０を形成し、この陽極酸化皮膜２０内に生じる微細穴２
２の内部を埋めるようにレプリカとなる金属層３０を形
成した後、前記母材金属１０およびその陽極酸化皮膜２
０を除去することにより、レプリカ金属層３０の表面に
陽極酸化皮膜２０の微細穴２２に対応する凹凸形状を転
写し、ついで、このレプリカ金属層３０の表面に目的の
金属体４０を形成した後、レプリカ金属層３０を除去す
ることにより、目的の金属４０表面に前記微細穴２２の
形状を転写する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、微細穴を有する金属
体の製造方法およびランプ用発熱体の製造方法に関し、
詳しくは、従来の加工方法では形成不可能な超微細な穴
を表面に有する金属体の作製方法と、このような金属体
を用いて製造される、白熱電球用フィラメントなどのラ
ンプ用発光体の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、白熱電灯は、光色、演色性や取り
扱いの容易さにより、最良の光源のひとつとされてい
る。しかしながら、その欠点である、効率の低さ、寿命
の短さ、表面温度の高さは、長年あまり改善がみられな
かった。現在、主として用いられているタングステンフ
ィラメントの白熱電灯においても、人間の目に感じる可
視領域の光は１０％程度であり、大部分は赤外光となっ
て放出されており、非常に効率の悪いシステムになって
いる。

【０００３】また、発光効率を少しでも向上させるた
め、フィラメントの温度を最大限上げなければならず、
そのために、フィラメントの寿命は効率と反比例に短く
なっている。ハロゲンランプ等によって、多少は効率の
改善が図られたが、決定的な改善とはなっておらず、ま
た、色温度が高くできないといった、その他の欠点につ
いては、ほとんど改善されていない。

【０００４】最近の研究において、空洞量子電気力学理
論を応用して、ランプフィラメントの高効率化を図るよ
うな報告がなされている。例えば、特開平３−１０２７
０１号公報では、底面が３５０nmの正方形で深さ７００
０nm程度の角柱状の微細な穴もしくは空洞を多数設ける
ことによって、波長７００nm以上の領域の放射が極端に
減少して、可視光のみを良好に放出することができ、そ
の結果、光束効率を大幅に改善できる、とされている。
すなわち、フィラメントへの入力パワーが赤外領域の放
射すなわち熱に変換されることが少なくなり、入力され
たエネルギはほとんど可視光として使われ、非常に効率
の良い発光体となり得るのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べたように、
ランプ用フィラメントの表面に微細穴を多数設けておけ
ば、効率の良いランプ用発光体を製造することは可能で
あるが、このような微細穴をタングステンのようなフィ
ラメント材料の表面に形成するのは非常に困難で、加工
精度や経済性の点で、実用的に利用できる方法が見いだ
されていなかった。

【０００６】すなわち、微細穴の断面形状や深さ、隣接
する微細穴を区切る隔壁の厚みなどの寸法条件が、フィ
ラメントから放射される光の波長に直接関係し、発光効
率を大きく左右する。しかし、例えば、前記のような３
５０nm角の微細穴を、７μｍもの深さで垂直に精度良く
かつ効率的に加工でき、しかも工業的規模の生産にも適
用できる作製方法は見当たらないのである。

【０００７】通常、このような微細加工を行う場合、従
来よく利用されているフォトリソグラフィ技術を応用し
た加工法が考えられる。しかし、最先端のマスク技術、
露光技術を用いても、前記のような超微細な穴の加工は
非常に困難であり、現実的に加工が可能になるには、今
後まだまだ加工技術の改良や技術開発が必要で、時間が
かかるものと予想される。また、加工が可能になったと
しても、コストが高くついたり、加工時間が長くかか
る、あるいは、面積的に非常に小さなものしか対応でき
ないようでは、実用的なものではない。

【０００８】なお、前記微細穴の加工に関する問題は、
発光効率の高いランプ用フィラメントを得ようとする場
合だけでなく、光や電磁波その他の放射線を放射させる
各種装置部品において、その波長分布を制御することが
要求される各種用途あるいは製品の製造においても、同
様の問題が生じている。そこで、この発明の課題は、各
種金属体の表面に、前記のような穴を正確にかつ効率良
く作製することができ、ランプ用発光体に代表される各
種製品の製造に適した、微細穴を有する金属体の製造方
法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明にかかる微細穴を有する金属体の製造方法は、母
材となる金属の表面に陽極酸化皮膜を形成し、この陽極
酸化皮膜内に生じる微細穴の内部を埋めるようにレプリ
カとなる金属層を形成した後、前記母材金属およびその
陽極酸化皮膜を除去することにより、レプリカ金属層の
表面に陽極酸化皮膜の微細穴に対応する凹凸形状を転写
し、ついで、このレプリカ金属層の表面に目的の金属体
を形成した後、レプリカ金属層を除去することにより、
目的の金属表面に前記微細穴の形状を転写する。

【００１０】母材金属は、その表面に陽極酸化法により
酸化皮膜が形成でき、この皮膜の中に目的とするサイズ
の微細穴が生じるような金属材料であれば、任意の金属
が母材として利用できる。具体的には、アルミニウムや
チタン、亜鉛などが好ましい材料となる。これらの金属
は、酸性溶液中に浸漬し、アノード分極を行うと、金属
表面に垂直な円筒状の細穴を有した酸化皮膜が形成され
る。陽極酸化皮膜は、陽極酸化時の印加電位や酸化溶液
の種類、処理時間等に依存して、微細穴のポアサイズや
深さが異なってくる。したがって、目的とする金属体の
用途や要求性能に合わせて、陽極酸化工程の処理条件を
決定することが望ましい。具体的に、通常の作製条件に
おいて、微細穴の断面直径が１００〜５００nm程度、深
さが１〜７μｍ程度のものを形成しておく。また、隣接
する微細穴を分け隔てる隔壁の厚みは、２０〜２００nm
程度のものを形成しておく。

【００１１】このようにして、微細穴を備えた陽極酸化
皮膜が形成された母材金属に対し、この微細穴内に金属
を埋め込み、レプリカとなる金属層を形成する。レプリ
カ金属層の材料としては、陽極酸化皮膜の微細穴の内部
にまで確実に埋め込まれる金属であれば、任意の材料で
よく、埋め込みの方法としても、無電解めっき、電解め
っき、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法やその他の膜形成手段が適用
できる。例えば、無電解めっきでレプリカを形成する場
合は、ニッケルや銅、鉄等の材料が挙げられる。レプリ
カ金属層の厚みは、前記微細穴の底から表面までの形状
を確実に転写でき、かつ、後続の工程に耐える程度の強
度が確保されていれば十分である。

【００１２】レプリカ金属層が形成された後、母材金属
および陽極酸化皮膜を除去する。この除去手段として
は、母材金属および陽極酸化皮膜は溶解するが、レプリ
カ金属層は溶解しないような溶液に試料を浸漬すればよ
い。例えば、母材金属がアルミニウムで、レプリカ金属
としてニッケルを用いた場合、アルカリ溶液を用いれ
ば、母材金属のアルミニウムおよび陽極酸化皮膜の成分
である酸化アルミニウムを選択的に溶解除去することが
できる。したがって、母材金属とレプリカ金属の材料を
選択する際には、このような母材金属とその陽極酸化皮
膜を選択的に除去できるような組み合わせを選ぶことが
好ましい。

【００１３】母材金属および陽極酸化皮膜が除去されて
残ったレプリカ金属層の表面には、陽極酸化皮膜の微細
穴に対応する凹凸形状が形成されている。具体的には、
レプリカ金属層の表面に、ポール状の突起が多数並んだ
ような形状となる。すなわち、陽極酸化皮膜中の微細穴
が、レプリカ金属層の表面に転写されるのである。つぎ
に、前記凹凸形状が形成されたレプリカ金属表面に、目
的とする金属体を形成する。金属体の材料は、ランプ用
発光体としては、タングステンやモリブデンあるいはこ
れらの金属を主体とする合金などの高融点金属が一般的
であるが、この発明では、金属体の材料としては、任意
の金属材料を用いることができる。目的の金属体をレプ
リカ表面上に形成する手段としては、ＣＶＤ、ＰＶＤあ
るいは湿式めっき法など、目的金属の材料や要求性能に
合わせて、通常の成膜手段の中から適切な方法を選択し
て適用すればよい。レプリカ金属の凹凸形状に合わせ
て、正確に内部まで入り込むような材料あるいは形成手
段を選択することが望ましい。

【００１４】レプリカ金属層の表面に目的とする金属体
が形成された後、レプリカ金属のみを除去する必要があ
る。レプリカ金属を除去する手段は、前記母材金属の除
去方法と同じく、レプリカ金属層のみを選択的に溶解し
て目的金属は溶解しないような溶液に浸漬すればよい。
具体的には、レプリカ金属がニッケルで、目的金属がタ
ングステンであれば、酸性溶液でニッケルのみを溶解除
去することができる。

【００１５】レプリカ金属層が除去されて残った目的金
属からなる金属体の表面には、レプリカ金属層の凹凸形
状、すなわち、陽極酸化皮膜の微細穴形状と全く同じ形
状の微細穴が形成されていることになる。言い換える
と、陽極酸化皮膜中に形成されていた微細穴がそのまま
目的とする金属体の表面に転写されたことになる。レプ
リカ金属を除去した金属体は、そのまま目的とする用途
に使用することができるが、この金属体を別の部品に接
合したり、金属体に別の処理加工を施したりして、最終
的な製品を製造することも勿論可能である。

【００１６】微細穴が形成された金属体の用途として
は、前記のランプ用発光体あるいはフィラメントが好ま
しいものであるが、ランプ用発光体と同様の問題を有す
る各種製品に利用することも可能である。それぞれの用
途に応じて、金属体に形成する微細穴のサイズ、形状
は、様々に設定される。特に、ランプ用発光体の場合、
微細穴の径によって、発光する光の波長分布が変わるの
で、可視光を必要とする通常の照明では、波長７００nm
を超える赤外領域の放射を無くすように、微細穴のサイ
ズを設定する。しかし、ランプの用途によっては、赤外
領域の放射が必要な場合、あるいは、可視光よりもさら
に短い波長領域が必要な場合があり、それぞれの場合に
合わせて、微細穴のサイズ、形状を設定すればよい。

【００１７】

【作用】アルミニウムのような金属の表面に陽極酸化皮
膜を形成すると、この陽極酸化皮膜の表面には、垂直な
円筒状の微細な穴が多数形成される。この微細穴の形状
は、断面直径に対する穴の深さの割合すなわちアスペク
ト比が非常に大きく、しかも、比較的サイズが揃った均
一な微細穴となる。この方法では、個々の穴を加工した
り、フォトリソグラフィ技術を用いたりすることがない
ため、目的とする微細穴が非常に簡単かつ能率的に大き
な面積の製品を作ることができる。陽極酸化皮膜の形成
条件を適切に設定すれば、従来の加工技術では到底実現
不可能な、高いアスペクト比を有し、しかも均一な微細
穴を形成することも可能になる。

【００１８】陽極酸化皮膜の表面に形成された微細穴
を、前記した工程で、レプリカとなる金属に転写し、さ
らに、レプリカ金属層から目的とする金属体に転写すれ
ば、目的とする金属体の表面には、陽極酸化皮膜中の微
細穴と同じ形状の、アスペクト比が高く均一なサイズの
微細穴が形成されることになる。陽極酸化皮膜からレプ
リカ金属層への転写工程、あるいは、レプリカ金属層か
ら目的金属への転写工程は、何れも、従来、各種の金属
製品の製造方法として採用されていた通常の転写技術あ
るいは型取り技術が適用できるので、その作業は簡単で
あり、作業効率も高いため低コスト化が見込め、また、
大面積な製品にも応用可能である。

【００１９】このようにして製造された微細穴を有する
金属体を、ランプ用発光体として用いれば、前記した赤
外領域の放射を無くし、可視光のみを効率的に放射する
ことが可能になるので、発光効率が極めて高いランプ用
発光体を、簡単に低コストで製造することができる。

【００２０】

【実施例】ついで、この発明の実施例について、図面を
参照しながら以下に説明する。図１は、この発明の実施
例となる微細穴を有する金属体の製造方法を、段階的に
模式図で表している。まず、図１(a) に示すように、母
材金属となるアルミニウム板１０を用意する。アルミニ
ウム板１０の表面は、アルカリ溶液等を用いて、表面の
洗浄を行っておく。図１(b) に示すように、アルミニウ
ム板１０の上に陽極酸化皮膜すなわち酸化アルミニウム
膜２０を形成する。酸化アルミニウム膜２０には、ほぼ
円筒の断面形状を有する微細穴２２が多数形成されてい
る。その後、必要であれば、酸化アルミニウム膜２０の
表面を研磨しておく。

【００２１】図１(c) に示すように、酸化アルミニウム
膜２０の上から、ニッケルを交流電析して、微細穴２２
の底に、ニッケルの核３４を形成する。図１(d) に示す
ように、ニッケルの核３４の上に、ニッケルの無電解め
っきおよび電解めっきで、ニッケル層３０を厚く形成す
る。このニッケル層３０がレプリカ金属層となる。ニッ
ケル層３０は、微細穴２２を完全に埋めつくし、酸化ア
ルミニウム膜２０の表面を十分な厚みで覆う。

【００２２】図１(e) に示すように、酸化アルミニウム
膜２０の裏のアルミニウム板１０をアルカリ溶液で溶解
除去する。また、図１(f) に示すように、酸化アルミニ
ウム膜２０についても、前工程と同様にアルカリ溶液で
溶解除去する。残ったニッケル層３０の表面には、酸化
アルミニウム膜２０の微細穴２２に対応する形状のポー
ル状突起３２が多数形成されている。

【００２３】図１(g) に示すように、ニッケル層３０の
上に、プラズマあるいは熱ＣＶＤ法で、目的金属である
タングステン層４０を形成する。タングステン層４０
は、ニッケル層３０の突起３２を完全に覆い、埋め込む
ことができる厚みで形成される。図１(h) に示すよう
に、酸性溶液で湿式エッチングを行って、ニッケル層３
０を溶解除去する。残ったタングステン層４０の表面に
は、酸化アルミニウム層２０の微細穴２２と同一の形状
を有した微細穴４２が形成されている。

【００２４】図２は、上記のようにして製造された微細
穴を有する金属体であるランプ用発光体の概略構造を表
している。タングステン層４０からなるランプ用発光体
の表面には、多数の円筒状をなす微細穴４２が形成され
ている。図では、全ての微細穴４２が同じ断面および深
さに描かれているが、実際には、陽極酸化皮膜に形成さ
れた微細穴の形状がそのまま転写されるので、若干の形
状バラツキや分布は生じている。しかし、実用的には、
ほぼ均一な形状の微細穴４２が形成される。

【００２５】微細穴４２の直径Ｄおよび深さＨは、陽極
酸化の処理条件によっても異なるが、通常のランプ用発
光体の場合、直径Ｄ＝３００〜４００nm、深さ５〜７μ
ｍ程度のものが用いられる。つぎに、より具体的な実施
例について説明する。 −実施例１− 図１に示す工程にしたがって、ランプ用発光体となる金
属体を製造した。

【００２６】母材金属としてアルミニウムを用いた。短
冊状のアルミニウム板をリン酸水溶液に浸漬し、対極側
の白金板に対し、１５０Ｖの電位を１２０分印加し、ア
ルミニウム表面に陽極酸化皮膜を形成した。この条件で
は、３００〜４００nmの穴径で深さが約５μｍの微細穴
が形成される。その後、この陽極酸化皮膜の上から、ニ
ッケルの電解および無電解めっきを施して、陽極酸化皮
膜の微細穴内にニッケルを析出させ、さらに微細穴を完
全に埋めて、酸化皮膜のポアを埋め込むように約２５〜
３０μｍの厚みのニッケル層を形成した。

【００２７】得られたニッケル−アルミニウムの接合体
を、２規定の水酸化ナトリウム水溶液に浸漬すると、ア
ルミニウム金属及びアルミニウムの酸化皮膜が溶解除去
され、表面に微細なポール状の突起を有するニッケルシ
ートが得られた。このニッケルをレプリカとして、その
微細ポールを有した表面にタングステンを形成した。タ
ングステンの形成は、６フッ化タングステンと水素を原
料ガスとして、熱ＣＶＤ法により行った。析出圧力０．
２Torr、析出温度３５０℃で約４時間処理を行うと、ニ
ッケルレプリカ内の微細なポールを完全に覆ってタング
ステンが形成される。

【００２８】ニッケルとタングステンの接合体を、１０
wt％の硝酸水溶液に１時間浸すと、ニッケルが選択的に
溶解され、タングステンからなる金属体を得た。図３
(a) は、このようにして得られたタングステン金属体の
表面に形成された微細穴の細孔分布を示したものであ
る。この図より、微細穴の直径は約３００〜４００nmを
中心に分布しており、比較的均一性が高いことがわか
る。また、この微細穴の深さは４〜５ nm 程度であっ
た。

【００２９】図３(b) は、上記のようにして製造された
金属体を、ランプ用発光体（フィラメント）として用
い、放射される波長と発光強度の関係を測定した結果で
ある。比較のために、従来の通常のタングステンからな
るフィラメントについても同様の測定を行った。測定の
結果をみれば、従来のフィラメントは、可視領域の放射
光（７００nm以下）の発光強度より、それ以外の波長領
域、すなわち赤外領域の発光強度のほうがはるかに強く
なっている。これに対し、この発明の実施例では、波長
が７００nm波長が長くなるほど、発光強度が高くなって
おり、可視光として有用な７００nm以下の部分は、従来
例とほぼ同じ傾向を示すが、波長が７００nmを超える
と、発光強度が急激に減少しており、波長の長い領域の
放射が抑制されていることが確認される。

【００３０】このことから、この発明の製造方法で得ら
れたランプ用発光体は、従来無駄に放射されていた赤外
領域の発光がほとんどなく、可視光のみを効率的に放射
していることが判り、発光効率が極めて良好なランプ用
発光体が得られていることが確認された。 −実施例２− 実施例１において、レプリカ材料を、ニッケルから銅に
変更し、フィラメントとなる金属材料を、タングステン
からモリブテンに変えた以外は、実施例１と同様の方法
で、ランプ用発光体を製造した。

【００３１】図４(a) は、得られたランプ用発光体につ
いて、微細穴の細孔分布を測定した結果を示し、図４
(b) は、このモリブデン発光体を発光させた場合の、放
射波長と発光強度の関係を示している。何れの測定結果
も、実施例１と同様に優れた結果を示しており、実施例
１と同じく、発光効率が極めて良好なランプ用発光体が
得られた。

【００３２】

【発明の効果】この発明にかかる微細穴を有する金属体
の製造方法によれば、母材金属に陽極酸化皮膜を形成し
た際に、陽極酸化皮膜中に形成される微細穴を利用し
て、この微細穴の形状をレプリカ金属層に転写し、さら
に、レプリカ金属層から目的の金属体に転写することに
よって、目的の金属体に、極めて微細で、アスペクト比
が高く、しかも、均一な微細穴を形成することが可能に
なった。

【００３３】この方法は、現在のフォトリソグラフィ技
術その他の加工方法では、実際的な加工が不可能な微細
穴を、比較的簡単に効率良く形成することができるの
で、このような形状の微細穴を有する金属体の製造に対
して、生産性の向上および製造コストの低減に大きく貢
献することができる。さらに、この発明の製造方法を、
ランプ用発光体の製造に適用すれば、ランプ用発光体の
表面に前記のような微細穴を簡単かつ均一に形成するこ
とができ、発光効率等が極めて優れたランプ用発光体
を、生産性良くかつ低コストで製造することが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の製造工程を段階的に表す
模式断面図

【図２】製造された微細穴を有する金属体の概略構造
図

【図３】具体的実施例において、細孔径の分布(a) お
よび波長と発光強度の関係(b) を、それぞれ表すグラフ
図

【図４】別の具体的実施例において、細孔径の分布
(a) および波長と発光強度の関係(b) を、それぞれ表す
グラフ図

【符号の説明】

１０母材金属２０陽極酸化皮膜２２微細穴３０レプリカ金属層３２ポール状突起４０目的の金属体４２微細穴

フロントページの続き (72)発明者渡部祥文大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材となる金属の表面に陽極酸化皮膜を
形成し、この陽極酸化皮膜内に生じる微細穴の内部を埋
めるようにレプリカとなる金属層を形成した後、前記母
材金属およびその陽極酸化皮膜を除去することにより、
レプリカ金属層の表面に陽極酸化皮膜の微細穴に対応す
る凹凸形状を転写し、ついで、このレプリカ金属層の表
面に目的の金属体を形成した後、レプリカ金属層を除去
することにより、目的の金属表面に前記微細穴の形状を
転写することを特徴とする微細穴を有する金属体の製造
方法。
【請求項２】請求項１の方法で、微細穴を有する金属
体からなるランプ用発光体を製造するランプ用発光体の
製造方法。