基本的な照明材料の概要
現代照明の発展は、照明材料の進化と革新と切り離せない関係にあります。初期の伝統的な材料から今日広く使用されている新材料に至るまで、照明材料の科学的応用は照明器具の性能と寿命を飛躍的に向上させてきました。これらの材料は、様々な温度や動作条件下で優れた特性を示し、照明技術の進歩を牽引する重要な原動力となっています。
▣ 材料分類
▣ 充填材およびシーリング材
従来の低温領域（140℃未満）では、藍樹脂、ネオプレンゴム、EPDMフォームゴム、射出成形ポリウレタンフォームなどの伝統的な材料が広く使用されています。しかし、高温領域（200℃以上）では、シリコーン樹脂の押出成形、成形、または切断成形が求められます。近年、射出成形反応法が最新の技術革新となり、シームレスで高品質なシールを実現しています。従来の充填材と新しい充填材を異なる温度領域で使い分けることで、機械的な接続とシールを実現しています。
ランプの寿命を通して、ランプキャップパテは、様々な熱膨張係数と異なるランプ材料間の信頼性の高い機械的接合を提供する必要があります。金属製のランプキャップをガラス電球に取り付けるために使用される材料は、通常、約90%の大理石粉末フィラーとフェノール樹脂、天然樹脂、およびシリコーン樹脂の混合物です。セラミック製のランプキャップを溶融シリカガラス製のランプ本体に取り付けるには、より高融点のはんだペーストが必要です。その主成分はシリカとケイ酸ナトリウムなどの無機バインダーの混合物です。
▣ ガス ランプに使用される主要なガスは、空気の成分として、通常は分留によって得られます。これらのガスは、様々な物理的および化学的プロセスを制御するだけでなく、光を生成するためにも使用されます。ランプの動作中は、高温環境によって多くのランプ材料の化学反応性が著しく高まり、ランプの構造材料に深刻な損傷を与える可能性があります。これを防ぐには、酸化と腐食を制御してランプ構造を保護する必要があります。一般的な方法としては、不活性ガスまたは非反応性ガスを使用してランプ内の動作環境を維持することが挙げられます。
蒸発やスパッタリングなどの物理的プロセスは、フィラメントや電極などの重要な部品の寿命を縮めます。しかし、ランプに不活性ガスが充填され、ガス密度が十分に高ければ、これらのプロセスによる有害性は大幅に低減されます。一部の白熱ランプでは、熱伝導を低減し、タングステンフィラメントの蒸発を抑制してランプ寿命を延ばすために、高密度クリプトンが使用されていますが、実用的にはアルゴンが充填ガスとして一般的に使用されています。
窒素分子は、ランプ内の異なる電位にある部品間での破壊的なアーク放電の発生を防ぐ能力があるため、ランプの封入ガスは通常、窒素、または窒素と不活性ガスであるアルゴンおよびクリプトンとの混合物です。ガス放電ランプでは、アルゴン、ネオン、キセノンなどの単分子ガスが放電開始のための補助ガスとして使用されます。さらに、メタルハライドガスもガス放電光源において独特の役割を果たします。
ランプの動作温度は非常に高いため、ランプ内の一部の重要部品は、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、水蒸気などの微量の酸化性ガスや炭素ドープガスに対して非常に敏感です。ほとんどのランプでは、これらの有害な不純物ガスの含有量は通常厳密に管理されており、封入ガス全体のわずか数ppm以下に抑えられています。
▣ ゲッター材料
電球の点灯中、フィラメントや電極などの部品は非常に高温になります。これらの部品は周囲のガスに非常に敏感で、残留酸素、水蒸気、水素、炭化水素と容易に反応し、電球の性能に影響を与えます。そのため、これらの残留ガスを除去または低減するための対策が必要です。ゲッター材は、金属または非金属材料を用いて電球から残留ガスを除去し、電球の性能を維持します。
ゲッターは、バルブシェルまたはチューブの封止後に不純物を除去するために特別に設計された材料です。ゲッター材料は、一般的に気化型ゲッター材料と体積型ゲッター材料の2種類に分類されます。気化型ゲッター材料は、真空デバイスの封止後に使用されます。活性金属を急速加熱または瞬間的に蒸発させることで、特定の部品に薄い堆積物または膜として形成され、ガスを除去します。一方、体積型ゲッター材料は、金属線、構造部品、または半遊離堆積物の形でバルブ内に配置されることがよくあります。温度が上昇するとガスを吸収し、バルブの寿命全体にわたって効果を発揮します。
一般的に使用されるゲッター金属には、バリウム、タンタル、チタン、ニオブ、ジルコニウム、およびこれらの合金があります。さらに、非金属のガス除去剤であるリンは、バルブ内の不活性ガスから微量の酸素と水蒸気を効果的に除去するため、長年にわたって広く使用されてきました。
▣ ガラスと石英ガラス
市販のガラスは、主に3つのカテゴリーに分類されます。ケイ酸ナトリウムカルシウムガラス、ケイ酸鉛アルカリガラス、ホウケイ酸ガラスです。照明業界では、ケイ酸ナトリウムカルシウムガラスが最も一般的に使用されています。ガラスの種類は、温度要件、気密性の維持、電気性能に応じて選択されます。
鉛アルカリケイ酸塩ガラスは、主に一般電球や蛍光灯の内部部品の製造に使用されます。従来のスポットライトや高出力放電ランプなど、動作温度が高い用途には、ホウケイ酸ガラスが用いられます。石英ガラスは透明性が高く、耐熱衝撃性に優れ、高温環境にも耐えることができ、動作温度は900℃まで耐えられます。
気密性は、ランプ用ガラス材料を選択する上で重要な指標です。ガラスは、電球の気密性と長期安定性を確保するために、金属と応力なく密着する特性を備えていなければなりません。さらに、ガラスの抵抗率、誘電率、誘電損失は、電気性能要件を満たすための良好な基準を満たしていなければなりません。
▣ セラミック材料
高温高圧環境下では、シリカ含有ガラスはアルカリ金属蒸気によって容易に腐食されるため、化学腐食に耐える材料が求められます。セラミックスは、高い機械的強度と熱安定性を備え、高温・耐腐食性に使用されます。
多結晶半透明アルミナ（PCA）管は、高圧ナトリウムランプ（HPS）の製造において重要な部品です。わずか1mmの肉厚にもかかわらず、90%を超える可視光線透過率を達成しています。一般的なセラミックは、優れた機械的強度、耐熱衝撃性、そして動作温度範囲全体にわたる優れた電気絶縁性を備えているため、ランプホルダーやランプベースによく使用されます。
▣ 光制御用材料
反射板は光制御における重要な構成要素であり、正反射と鏡面反射の2種類に分けられます。拡散反射も重要な反射方法です。調光材料の選定にあたっては、材料の光学特性、強度、靭性、耐熱性、耐紫外線性など、様々な要素を総合的に考慮する必要があります。
赤外線反射フィルムは、赤外線エネルギーをフィラメントに反射させることで白熱電球の効率を大幅に向上させる重要な調光材料です。多層酸化物オーバーレイ技術は、赤外線反射フィルムの製造にも広く利用されており、ハロゲンフィラメントランプのハウジング表面に化学蒸着法で塗布されます。同時に、多層干渉フィルターフィルム技術は光の色を変えるためにも用いられています。反射材料の選択により、光学的特性、機械的特性、熱的特性のバランスが取れ、ランプ効率が向上します。