CN101681069A - 透明电极 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种透明电极，该透明电极的红外光透过率较高，且该透明电极用于利用红外线、特别是1.55μm附近的红外线的光通信用器件。本发明的透明电极的特征在于，具有透明导电膜，透明导电膜在波长1.55μm的消光系数为0.5以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种透明电极，该透明电极在红外波长区域的透过率良好，主要用于利用红外线的光通信用器件。
背景技术
近年来，作为利用红外线、特别是1.55μm附近的红外线的光通信用器件的一种，正在开发与液晶组合的可变滤波器和可变激光器。在这些器件中，使用具有ITO薄膜的透明电极，对该透明电极施加电压而使液晶的折射率变化，能够使滤波器的通带波长和激光器波长发生变化(例如，参照专利文献1)。
图1是表示可变滤波器的一例的概略图。如图1所示，可变滤波器在硅晶片等红外线透过率较高的基板1上依次形成有相对电极2、由SiO2等构成的覆盖层3、同样由SiO2等构成的衍射光栅4、由Si3Nx等构成的波导5、液晶层6、透明导电膜7、玻璃基板等透光性基板8，进而根据需要形成有反射防止膜9。从可变滤波器的上方射入的入射光Io透过各层，仅特定波长的光Ir在衍射光栅4的面被反射，在波导5内谐振后，经滤波而射向入射光一侧。其它波长的光I在衍射光栅4的面不反射，透过至透明基板1一侧。在此，当向透明导电膜7和相对电极2之间施加电压时，液晶层6的折射率发生变化，由此能够调节被滤波的反射光Ir的波长。
专利文献1：日本特表2000-514566号公报
发明内容
但是，具有上述的透明电极膜、特别是由ITO薄膜构成的透明导电膜的透明电极的导电性较高，例如能够适当地应用于FPD等液晶显示装置，但是在红外波长区域使用该透明电极时的情况下，因其导电性而使光的吸收变大。即，在红外波长区域透明电极的消光系数较大，光的损失较大，存在这样的问题。
其中，消光系数以下述方式定义。即，在物质吸收光的情况下，透过光I根据使用入射光强度I0、光的进入深度Z的
I＝I0e-αz
的关系式衰减。此时，将表示每单位长度的衰减的α称为吸收系数。另一方面，在理论上考虑光和物质的相互作用的情况下，以光的电磁场的振动一次的吸收量为基准。因此，作为定义物质对光的吸收的量，定义消光系数k。消光系数k和吸收系数α、波长λ之间，存在
k＝α×λ/4π
的关系。
本发明的目的在于提供一种透明电极，该透明电极用于利用红外线、特别是1.55μm附近的红外线的光通信用器件，该透明电极与红外线相关的消光系数较小、并且红外线透过率较高。
本发明者经过深入的研究，结果发现，作为用于透明电极的透明导电膜，使用红外波长区域的光的透过率较高的膜能够解决上述问题，于是作为本发明提出。
即，本发明的透明电极的特征在于：具有透明导电膜，透明导电膜的在波长1.55μm的消光系数为0.5以下。如上所述，在利用红外线的光通信用器件中，波长1.55μm的透过率很重要，在本发明中，由于在该波长消光系数为0.5以下，因此能够抑制透过光的损失，提供红外光透过率较高的透明电极。
优选透明导电膜在波长1.55μm的消光系数为0.01以下。
作为透明导电膜，能够列举由铟锡氧化物(Indium Tin Oxide：ITO)构成的透明导电膜。ITO导电性较高，能够提供适于应用于上述的可变滤波器、可变激光器等利用红外线的光通信用器件的透明电极。
此外，作为透明导电膜，还能够列举由铟钛氧化物(Indium TitaniumOxide：ITiO)构成的透明导电膜。
优选透明导电膜在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥3.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法形成。
优选透明导电膜在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥5.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法形成。
此外，在透明导电膜由铟锡氧化物构成的情况下，优选透明导电膜在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥4.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法形成。
此外，在透明导电膜由铟钛氧化物构成的情况下，优选该透明导电膜在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥10.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法形成。
优选透明导电膜的几何厚度为5～200nm。
优选透明导电膜的薄层(sheet)电阻为500Ω/sq.以上。通过使薄层电阻满足该范围，能够使波长1.55μm处的透过率较高。
透明导电膜能够在基板上形成。
本发明的透明电极也可以为具有反射防止膜的透明电极。透明电极在具有透明导电膜的同时具有反射防止膜的情况下，因为能够抑制入射光的反射，所以能够提高透明电极的红外光透过率。
优选反射防止膜在基板的表面和背面双方形成。
优选透明导电膜在形成于基板的表面的反射防止膜之上形成。
优选反射防止膜为低折射率层和高折射率层的叠层膜。通过使反射防止膜为这样的膜结构，能够对透明电极赋予良好的反射防止特性，进一步提高透明电极的红外光透过率。
本发明的透明电极能够用于可变滤波器、可变激光器等利用红外线的光通信用器件。
本发明的透明导电膜的制造方法的特征在于：使用溅射法，在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥3.0×10-3的条件的溅射气氛中形成透明导电膜。通过以特定的比例调整使用溅射法对透明导电膜进行成膜时的惰性气体和O2气体的流量，能够获得消光系数较小、红外线透过率较高的透明导电膜。
优选溅射气氛满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥5.0×10-3的条件。
发明的效果
在本发明的透明电极中，因为构成该透明电极的透明导电膜的消光系数较低，所以能够抑制透过光的损失，能够提供红外光透过率较高的透明电极。从而，本发明的透明电极适于应用于可变滤波器、可变激光器等利用红外线的光通信用器件。
附图说明
图1是表示可变滤波器的一例的概略截面图。
图2是实施方式的透明电极的截面图。
图3是另一实施方式的透明电极的截面图。
图4是表示透明导电膜为ITO膜的情况下的消光系数的测定结果的曲线图。
图5是表示透明导电膜为ITiO膜的情况下的消光系数的测定结果的曲线图。
符号的说明
1基板
2相对电极
3覆盖层
4衍射光栅
5波导
6液晶层
7透明导电膜
8透光性基板
9反射防止膜
10透明电极
11基板
12反射防止膜
13透明导电膜
14低折射率层
15高折射率层
16反射防止膜
17低折射率层
18高折射率层
具体实施方式
图2是实施方式的透明电极10的截面图。如图2所示，透明电极10包括：基板11、在基板11之上形成的反射防止膜12、和在反射防止膜12之上形成的透明导电膜13。
透明导电膜13在波长1.55μm的消光系数为0.5以下，优选为0.3以下，进而优选为0.1以下，进而优选为0.05以下，进而优选为0.01以下，进而优选为0.005以下。当透明导电膜13的消光系数超过0.5时，红外透过光的损失变大，存在透明电极10不适于红外线器件用途的倾向。透明导电膜13的消光系数的下限虽然没有特别限定，但在现实中为0.0001以上。此外，优选透明导电膜13的消光系数在波长1.5～1.6μm的整个范围内满足这些范围，在此情况下，透明电极10作为红外线用光通信器件被更加适合地使用。
透明导电膜13的电阻率没有特别限定，但是在透明导电膜13的电阻率过小的情况下，存在波长1.55μm处的透明导电膜13的消光系数变大的倾向。因此，优选透明导电膜13的电阻率为103μΩ·cm以上，进而优选为104μΩ·cm以上。另一方面，在透明导电膜13的电阻率过大的情况下，透明导电膜13的导电性存在变低的倾向，透明电极10存在特别不适于光通信用器件的用途的倾向，因此优选透明导电膜13的电阻率为105μΩ·cm以下。
透明导电膜13的消光系数和电阻率例如能够通过适当改变使用溅射法对透明导电膜13进行成膜时的各气体的流量的比率而调整。具体而言，如后所述，通过适当改变O2气体和惰性气体的流量比，能够调整透明导电膜13的消光系数和电阻率。
透明导电膜13的几何厚度优选为5～200nm，进而优选为10～100nm，进而优选为10～50nm，最优选为10～30nm。当透明导电膜13的几何厚度比5nm薄时，因为透明导电膜13的薄层电阻变高，所以存在透明电极10不适于光通信用器件的倾向，此外存在透明导电膜13的形成变得困难的倾向。另一方面，当透明导电膜13的几何厚度比200nm厚时，存在波长1.55μm处的透明导电膜13的透过率变低的倾向。
透明导电膜13的薄层电阻优选为500Ω/sq.以上，进而优选为1kΩ/sq.以上，进而优选为2kΩ/sq.以上，最优选为5kΩ/sq.以上。当透明导电膜13的薄层电阻低于500Ω/sq.时，存在波长1.55μm处的透明导电膜13的透过率变低的倾向。透明导电膜13的薄层电阻的上限虽然没有特别限定，但由于在透明导电膜13的薄层电阻过高的情况下，存在无法对液晶等充分施加电场，器件变得不起作用的倾向，因此优选透明导电膜13的薄层电阻为50kΩ/sq.以下。此外，存在(薄层电阻)＝(电阻率)/(膜厚)的关系。
作为透明导电膜13，能够使用ITO膜、铟钛氧化物(ITiO)膜、掺铝氧化锌(AZO)膜、掺锗氧化锌(GZO)膜、铟锌氧化物(IZO膜)、掺锑氧化锡(ATO)膜等。其中，由于导电率较高、适于应用于红外线用光通信器件，优选使用ITO膜、ITiO膜，特别优选使用ITiO膜。
基板11只要为红外波长区域的透过率较高的基板即可，没有特别限定，能够使用例如玻璃基板、塑料基板、硅基板等透光性基板。从耐环境性、耐热性、耐光性等观点出发，优选基板11为玻璃基板。
在透明电极10中，因为与透明导电膜13一起形成有反射防止膜12，所以红外光的反射得到抑制，透明电极10的红外光透过率被进一步提高。
优选反射防止膜12为高折射率层14和低折射率层15的叠层膜。作为低折射率层15的构成材料，优选在波长1.55μm处折射率为1.6以下的SiO2、MgF2等氟化物。作为高折射率层14的构成材料，优选折射率为1.6以上的Nb2O5、TiO2、Ta2O5、HfO2、ZrO2、Si等。
反射防止膜12的几何厚度虽然没有特别限定，但是一般而言，反射防止膜12的几何厚度在5～500nm的范围内适当调整。如果反射防止膜12的几何厚度不到5nm，则难以对透明电极10赋予充分的反射防止功能，反射防止膜12的成膜存在变得困难的倾向。如果反射防止膜12的几何厚度超过500nm，则反射防止膜12的表面的表面粗糙度变大，光容易散射，或容易发生反射防止膜12的剥离、翘曲的问题。
在基板11上形成透明导电膜13，并进一步在基板11的背面形成有反射防止膜的情况下，能够进一步提高红外线透过率。
透明电极10因为如上所述在波长1.55μm的消光系数较小，所以具有较高的透过率。因此，透明电极10适用于红外线用器件。透明电极10在波长1.55μm的透过率优选为92％以上，进而优选为95％以上，进而优选为98％以上。如果在波长1.55μm处透明电极10的透过率不到92％，则存在不适于应用于红外线器件用途的倾向。此外，优选透明电极10的透过率在波长1.5～1.6μm的整个范围内满足这些范围，在此情况下，作为红外线用光通信器件更适合。其中，在此透过率是指叠层体整体的透过率。
在红外线用器件中，在使透明导电膜13与液晶相接而使用透明电极10的情况下，优选在液晶和透明导电膜13之间，形成例如聚酰亚胺膜等取向膜。取向膜的厚度没有特别限定，但是一般而言，在10～50nm的范围内调整。
透明导电膜13的成膜方法没有特别限定，能够使用公知的成膜方法。其中，考虑到透明导电膜13的紧贴性、强度和平滑性良好，优选利用溅射法进行成膜。
使用溅射靶，利用溅射法进行的透明导电膜13的成膜，通常在惰性气体和O2气体的混合气体气氛中进行。在此，惰性气体流量和O2气体流量被设定为满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥3.0×10-3的条件，优选设定为满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥5.0×10-3的条件，进而优选设定为满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥10.0×10-3的条件。如果(O2气体流量)/(惰性气体流量)不到3.0×10-3，则存在透明电极膜13的电阻率变小的倾向，其结果是，波长1.55μm处的透明导电膜13的消光系数容易变大。
在透明导电膜13由铟锡氧化物构成的情况下，更优选在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥4.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法进行成膜。
在透明导电膜13由铟钛氧化物构成的情况下，更优选在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥10.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法进行成膜。
此外，(O2气体流量)/(惰性气体流量)的上限虽然没有特别限定，但因为当(O2气体流量)/(惰性气体流量)过高时透明导电膜13的电阻率值变大，透明电极10变得不适于应用于红外线用光通信器件，所以优选(O2气体流量)/(惰性气体流量)≤20×10-3。
此外，作为惰性气体，从廉价的观点出发，优选使用氩。
通过溅射法进行成膜时的基板11的温度虽然没有特别限定，但是在基板11的温度过高的情况下，透明导电膜13在波长1.55μm处的消光系数存在变大的倾向，因此优选基板11的温度为400℃以下，进而优选为300℃以下。
(另一实施方式)
图3是另一实施方式的透明电极20的截面图。如图3所示，优选在基板11的表面形成反射防止膜12，并且在基板11的背面也形成反射防止膜16。由此，能够进一步抑制红外光的反射，能够进一步提高透明电极20的红外光透过率。
优选反射防止膜16为高折射率层17和低折射率层18的叠层膜。作为低折射率层18的构成材料，优选波长1.55μm处的折射率为1.6以下的SiO2、MgF2等氟化物。作为高折射率层17的构成材料，优选折射率为1.6以上的Nb2O5、TiO2、Ta2O5、HfO2、ZrO2、Si等。
(实施例)
以下，使用实施例详细说明本发明，但本发明不限于该实施例。
如表1所示，在玻璃基板(Nippon Electric Glass Co.，Ltd.制OA-10：折射率1.47，厚度1.1mm)之上，通过溅射形成由ITO膜构成的透明导电膜。
在此，实施例1～5和比较例1的ITO膜的成膜使用DC溅射成膜装置进行。作为成膜条件，首先，在形成至5×10-4Pa的高真空状态下按照表1记载的气体流量导入溅射气体，之后，在压力0.1Pa、电力1800W、基板温度250℃下进行溅射。
在实施例1～5和比较例1形成的ITO膜的消光系数利用J.A.Woollam Co.，Inc.制分光椭圆偏振仪测定。ITO膜的薄层电阻由三菱化学株式会社制低电阻率计(ロレスタ)测定。关于电阻率，根据薄层电阻和膜厚的关系计算。此外，对于在上述玻璃基板上，按照表1记载的顺序和膜厚形成有ITO膜、聚酰亚胺取向膜、以及作为反射防止膜的SiO2膜(1.55μm处的折射率(以下相同)＝1.46)和Nb2O5膜(折射率＝2.26)的叠层体的透明电极，通过模拟求得从取向膜一侧射入波长1.55μm的光的情况下的透过率。上述结果如表1所示。
[表1]
从表1明显可知，关于实施例1～5的透明电极，因为构成该透明电极的透明导电膜在波长1.55μm处的消光系数较小，所以透明电极的透过率较高。另一方面，关于比较例的透明电极，可知，因为透明导电膜在波长1.55μm处的消光系数明显较大，所以该透明电极的透过率较低。
此外，如下述表2所示，制作使ITO膜的成膜时的氧气流量变化的实施例6和7。
进一步，作为透明导电膜，在玻璃基板(Nippon Electric GlassCo.，Ltd.制OA-10：折射率1.47，厚度1.1mm)之上形成ITiO膜，作为实施例8～17，制作下述表3所示的叠层结构的透明电极。ITiO膜的成膜使用DC溅射成膜装置进行。作为成膜条件，首先在形成至5×10-4Pa的高真空的状态下按照表1记载的气体流量导入溅射气体，之后，在压力0.1Pa、电力1800W、基板温度250℃下进行溅射。
此外，关于实施例8～17，也按照与实施例1～5相同的顺序测定ITiO膜的消光系数、薄层电阻，算出电阻率。此外，模拟透过率。
将实施例6～17的结果与实施例1～5、比较例1的结果一并表示于下述的表2、表3和图4、图5。
[表2]
[表3]
从表2和表3以及图4、图5所示的结果可知，通过不依赖于透明导电膜的种类地使(O2气体流量)/(惰性气体流量)为3×10-3以上，能够减小透明导电膜的消光系数。
从表2和图4所示的结果可知，在透明导电膜为ITO膜的情况下，通过使(O2气体流量)/(惰性气体流量)为4×10-3以上，能够进一步减小透明导电膜的消光系数。
此外，从表2和表3以及图4、图5所示的结果可知，通过不依赖于透明导电膜的种类地使(O2气体流量)/(惰性气体流量)为5×10-3以上，能够进一步减小透明导电膜的消光系数。
从表3和图5所示的结果可知，在透明导电膜为ITiO膜的情况下，通过使(O2气体流量)/(惰性气体流量)为10×10-3以上，能够特别减小透明导电膜的消光系数。
此外，从表2和表3所示的结果可知，通过使透明导电膜为ITiO膜，能够比透明导电膜为ITO膜时进一步减小消光系数。
产业上的可利用性
本发明的透明电极适于应用于可变滤波器、可变激光器等利用红外线的光通信用器件。
Claims (19)
1.一种透明电极，其具有透明导电膜，该透明电极的特征在于：
所述透明导电膜在波长1.55μm的消光系数为0.5以下。
2.如权利要求1所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥3.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法形成。
3.如权利要求1所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜在波长1.55μm的消光系数为0.01以下。
4.如权利要求3所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥5.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法形成。
5.如权利要求1～4中任一项所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜由铟锡氧化物构成。
6.如权利要求1或2所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜由铟锡氧化物构成，且在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥4.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法形成。
7.如权利要求1～4中任一项所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜由铟钛氧化物构成。
8.如权利要求7所述的透明电极，其特征在于：
所述透明电极在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥10.0×10-3的条件的气氛中通过溅射法形成。
9.如权利要求1～8中任一项所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜的几何厚度为5～200nm。
10.如权利要求1～9中任一项所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜的薄层电阻为500Ω/sq.以上。
11.如权利要求1～10中任一项所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜形成在基板上。
12.如权利要求1～11中任一项所述的透明电极，其特征在于：
具有反射防止膜。
13.如权利要求12所述的透明电极，其特征在于：
所述反射防止膜形成在所述基板的表面和背面两方上。
14.如权利要求12或13所述的透明电极，其特征在于：
所述透明导电膜在形成于所述基板的表面的所述反射防止膜之上形成。
15.如权利要求12～14中任一项所述的透明电极，其特征在于：
所述反射防止膜为低折射率层和高折射率层的叠层膜。
16.如权利要求1～15中任一项所述的透明电极，其特征在于：
能够用于利用红外线的光通信用器件中。
17.如权利要求16所述的透明电极，其特征在于：
利用红外线的光通信用器件为可变滤波器或可变激光器。
18.一种透明导电膜的制造方法，其特征在于：
使用溅射法，在满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥3.0×10-3的条件的溅射气氛中形成透明导电膜。
19.如权利要求18所述的透明导电膜的制造方法，其特征在于：
所述溅射气氛满足(O2气体流量)/(惰性气体流量)≥5.0×10-3的条件。
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