JP2005082472A

JP2005082472A - 透光性積層膜、光透過性基材およびそれらの透過光制御方法

Info

Publication number: JP2005082472A
Application number: JP2003320051A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Sotooka; 和彦外岡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: JP4344820B2

Abstract

【課題】赤外線の透過、反射を電気的に制御で切るようにして、暖房負荷及び冷房負荷の軽減を図る。
【解決手段】赤外線の反射は、導電性材料中のキャリア（電荷）のプラズマ振動の影響を受ける。図は電荷密度と赤外反射の臨界波長との関係を示すグラフである。ガラス基板上に、透光性半導体膜、透光性導電膜、透光性絶縁膜等を積層して、ｐｎ構造、ｐｉｎ構造、ＭＩＳ構造、ＭＩＭ構造又はショットキー接合を形成し、それらの膜中のキャリア濃度を電気的に制御して赤外線の反射をコントロールする。
【選択図】図１

Description

本発明は、透光性積層膜、光透過性基材およびそれらの透過光制御方法に関し、特に、太陽光輻射の構成要素である熱線（赤外光）の透過と反射を制御する透光性積層膜とこの透光性積層膜を積層した光透過性基材およびそれらの透過光制御方法に関するものである。

太陽光には、可視光の外に赤外線（熱線）と紫外線が含まれている。その内赤外線をそのまま透過させた場合には、特に夏期においては室内や車内が暖まりすぎてしまうため、窓ガラス等に赤外線反射膜を形成することが行われている。従来、反射膜としては、
（１）フッ素添加の酸化スズ膜（例えば特許文献１参照）、
（２）屈折率の異なる膜を積層した誘電体多層膜（例えば特許文献２参照）、
（３）金属酸化物薄膜と金属薄膜との積層膜（例えば特許文献３参照）、
などが代表的なものである。これらの膜の形成されたガラス板を用いることにより、熱暑感を緩和し冷房負荷を軽減することができる。
特開２００１−１３９３４９号公報特開昭５７−１８１５０３号公報特開平１０−１６０９２９号公報

従来の赤外線反射膜は、外部環境や室内環境の如何によらず常に赤外線を反射してしまうので、一旦設置すると、冬期の貴重な熱線を室内に導入することができず逆に暖房負荷を増大させる結果を招いていた。そして、従来の反射膜は赤外光の反射率と透過限界波長が固定であるために、有効に利用できる条件が限られていた。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、赤外光の反射率と透過限界波長を電気的に制御可能とし、冷房負荷と暖房負荷の両方を軽減できるようにして少ない経費で快適な生活空間を実現できるようにしようとするものである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、透光性半導体膜をＳ、透光性導電膜をＭ、透光性絶縁膜をＩとして、ＳｐＳｎ構造、ＳｐＩＳｎ構造、ＳｎＭ構造（但し、Ｓの後の添え字はその導電型を示す）、ＭＩＭ構造またはＭＩＳ構造の中のいずれかの構造を有し、その透過限界波長が電気的に制御されることを特徴とする透光性積層膜、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、透光性半導体膜をＳ、透光性導電膜をＭ、透光性絶縁膜をＩとして、ＳｐＳｎ構造、ＳｐＩＳｎ構造、ＳｎＭ構造、ＭＩＭ構造またはＭＩＳ構造の中のいずれかの構造を有し、透光性半導体膜、または、透光性導電膜中の電荷状態を制御することにより赤外光に対する反射率が制御されることを特徴とする透光性積層膜、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、光透過性基板上に、上記のいずれかの透光性積層膜が積層されていることを特徴とする熱線の遮断を制御することのできる光透過性基材、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、上記のいずれかの透光性積層膜の透過光制御方法であって、Ｓｐ−Ｓｎ間、Ｓ−Ｍ間またはＭ−Ｍ間に印加される電圧を制御することにより、当該透光性積層膜を透過する光の透過限界波長を制御することを特徴とする透光性積層膜の透過光制御方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、上記のいずれかの透光性積層膜の透過光制御方法であって、透光性半導体膜、または、透光性導電膜中の電荷状態を制御することにより赤外光に対する反射率を制御することを特徴とする透光性積層膜の透過光制御方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、上記の光透過性基材の透過光制御方法であって、Ｓｐ−Ｓｎ間、Ｓ−Ｍ間またはＭ−Ｍ間に印加される電圧を制御することにより、当該光透過性基材を透過する光の透過限界波長を制御することを特徴とする光透過性基材の透過光制御方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、上記の光透過性基材の透過光制御方法であって、透光性半導体膜、または、透光性導電膜中の電荷状態を制御することにより、当該光透過性基材を透過する赤外線を制御することを特徴とする光透過性基材の透過光制御方法、が提供される。

本発明の透光性積層膜は、可視光を透過させ赤外光を反射または透過させる機能を有する。赤外光の反射については、導電性材料中のキャリア（電荷）のプラズマ振動による効果を利用し、半導体-半導体接合、金属-半導体接合によるキャリア注入または静電容量や誘電分極を利用してキャリア濃度を増減させることにより、赤外光の反射率と透過限界波長を電気的に制御する。
プラズマはガス状態で現われる場合が多いが、半導体でも電気を運ぶキャリア（具体的には電子やホール）が動ける状態で存在するときにはプラズマの性質を有する。は電気を運ぶのでキャリアと呼ばれる。物質中のキャリアは外部からの電波や光によって揺り動かされて振動し、これがプラズマ振動と呼ばれる。プラズマ振動には外部から入射した電波や光を反射する性質があり、反射の程度は物質の電気特性により制御できる。半導体は赤外線（熱線）を反射するのに適当な電気的性質を有するので熱輻射の制御に利用できる。
図１に電荷密度と赤外反射の臨界波長の関係をプラズマ振動の理論から概算した結果を示す。この図から、波長2ミクロンの赤外光を反射させるには3x10²⁶m^-3の電荷密度が適当であることがわかる。このような電荷密度は半導体中のキャリア（電子または正孔）により実現できる値である。半導体中のキャリア密度は添加する不純物元素の増減や電界の印加により制御可能である。
図1の概算結果は、十分厚い層にキャリアが分布した場合について計算されたものであり、赤外反射の臨界波長はキャリアが分布する層が薄い場合にはその層の厚さに依存することが予測できる。たとえば、アルミなどの金属も薄くすればしだいに光を透過するようになることからも、プラズマ反射の臨界波長はキャリア濃度だけでなく、キャリアが分布する層の厚さに依存することが類推できる。

図２に本発明に係る透光性積層膜１０の一例として透光性ｎ型半導体膜１と透光性ｐ型半導体膜２との積層膜を示す。図２（ａ）は、ｎ型半導体膜１とｐ型半導体膜２との間にバイアス電圧が印加されていない状態を示し、このとき両半導体膜間には薄い空乏層３が形成される。そして、このとき可視光VLは透光性積層膜１０をそのまま透過できるが赤外線IRは半導体膜中のキャリアのプラズマ反射により反射される。通常、電子の方が軽いのでｎ型側で熱線を反射させる方が効率的である。図２（ｂ）に示すように、小さな逆バイアス電圧が印加されると、空乏層３が広がり半導体膜中のキャリア数が減少する。これに伴い、プラズマ反射の効果は、長波長側にシフトする。すなわち、赤外反射臨界波長を電気的に変化させることができる。図２（ｃ）に示すように、大きな逆バイアス電圧が印加されると、空乏層３が大きく広がり半導体膜中のキャリア数が一層減少する。その結果、プラズマ反射効果が減退し、赤外線ＩＲが透過できるようになる。これら図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は空乏層の広がりを利用してキャリアが分布する層の厚さを変化させることにより、赤外反射の臨界波長を制御する例である。
図２では、透光性ｐｎ接合を例にしてバイアス電圧とキャリア増減の関係を示したが、絶縁層を挿入した透光性ｐｉｎ接合や透光性半導体と透光性導電膜からなる透光性ショットキー接合の場合にも同様の関係が成り立つ。さらに、静電容量や誘電分極を利用してもキャリア濃度を増減することにより、赤外光の反射率と透過限界波長を電気的に制御できる。

図３に本発明に係る透光性積層膜１０の他の例として透光性強誘電体膜を透光性導電膜にて挟んだ積層膜を示す。図３（ａ）では、透光性強誘電体膜４を挟む透光性導電膜５には、スイッチＳＷがオフされていることにより、電圧源Eの電圧は印加されていない。このとき、強誘電体膜４は分極しておらず透光性導電膜５でのキャリア濃度は低い。そのため、プラズマ反射効果は低く赤外線ＩＲ、可視光ＶＬの双方がこの積層膜を透過することができる。図３（ｂ）に示すように、スイッチＳＷをオンにすると、透光性導電膜５、５間に電圧源Ｅの電圧が印加されることになり、強誘電体膜４に分極が起こり、両導電膜にはそれぞれ正負のキャリアが蓄積される。その結果、赤外線ＩＲはプラズマ反射により反射され、可視光ＶＬのみが積層膜を透過することになる。図３（ｃ）に示すように、スイッチＳＷをオフしても強誘電体膜４の分極状態は保持されるので、透光性導電膜５中のキャリアはそのまま保持されている。そのため、赤外線ＩＲが反射され、可視光ＶＬのみが透過する状態が保存される。
透光性積層膜中に透光性強誘電体膜が含まれているとき、透光性積層膜に電圧を印加することなく（電圧源Ｅを接続することなく）、透光性強誘電体膜の分極状態を外部から圧力や光、熱などを印加してコントロールすることにより、赤外線の透過、反射を制御するようにすることができる。

上記の動作原理に基づく透光性積層膜を例えばガラス板上に設けることにより、可視光をそのまま透過させ、赤外光に対しては反射率を可変にできる光透過性基材が実現できる。この基材を窓ガラスとして利用することにより、夏期には赤外線（熱線）反射により窓からの熱の流入を低減して冷房のエネルギーを節減し、冬期には赤外線の室内への導入により暖房のエネルギーを節減することができる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図４（ａ）〜（ｅ）に本発明に係る透光性積層膜１０の第１〜第５の実施の形態を示す。図４（ａ）に示される第１の実施の形態では、透光性ｎ型半導体膜１が透光性ｐ型半導体膜２上に積層されており、両半導体膜間には逆バイアスとなるように可変電圧源Ｅｖが接続されている。ｎ型半導体膜の材料としては、酸化スズ（SnO_２）、酸化インジウム（In_２O_３）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化チタン（TiO_２）、銅インジウム酸化物（CuInO_２）、インジウムスズ酸化物(ITO)、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または、硫化亜鉛（ZnS）を用いることができる。ｐ型半導体膜の材料としては、酸化銅（Cu_２O）、銅アルミ酸化物（CuAlO_２）、銅ガリウム酸化物（CuGaO_２）、銅インジウム酸化物（CuInO_２）、銅クロム酸化物（CuCrO_２）、銅スカンジウム酸化物（CuScO_２）、銅イットリウム酸化物（CuYO_２）、銀インジウム酸化物（AgInO_２）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu_２O_２）、酸化亜鉛（ZnO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または、硫化亜鉛（ZnS）を用いることができる。なお、ここで、例えば、SnO_２、酸化スズは化学量論的に正確にSnO_２である必要はなく、さらに例えばAl、Zn、ZnO等が添加物として添加されたものをも含むものとする。他の材料についても同様である。また、透光性導電膜の各材料についても同様である。
図４（ａ）に示される構成では、零バイアス状態で赤外線を反射、逆バイアス印加状態で赤外線を透過させることができる。

図４（ｂ）に示される第２の実施の形態では、透光性ｎ型半導体膜１と透光性ｐ型半導体膜２との間に透光性絶縁膜６が挿入されており、両半導体膜間には可変電圧源Ｅｖにより順バイアス方向の電圧が印加されている。ｎ型半導体膜とｐ型半導体膜の材料としては、上記した材料を用いることができる。透光性絶縁膜６の材料としては、ケイ酸塩系のガラス、PLZTなどの透明セラミックス、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、メタクリルスチレン、ポリメチルペンテン、ポリカーボネート等の透明プラスチックス等を用いることができる。
図４（ｂ）に示される構成では、零バイアス状態で赤外線を透過、順バイアス印加状態で赤外線を反射させることができる。

図４（ｃ）に示される第３の実施の形態では、透光性ｎ型半導体膜１が透光性導電膜５上に積層されており、両者間にショットキー接合が形成されている。そして、透光性ｎ型半導体膜１−透光性導電膜５間には可変電圧源Ｅｖにより逆バイアス方向の電圧が印加されている。ｎ型半導体膜の材料としては、上記した材料を用いることができる。透光性導電膜５としては、薄い金属膜を用いることができる。
図４（ｃ）に示される構成では、零バイアス状態で赤外線を反射、逆バイアス印加状態で赤外線を透過させることができる。

図４（ｄ）に示される第４の実施の形態では、二つの透光性導電膜５間に透光性絶縁膜６が挿入されており、両透光性間には可変電圧源Ｅｖにより表側が負となる方向のバイアス電圧が印加されている。透光性絶縁膜６の材料としては、上記した材料を用いることができる。透光性導電膜５の材料としては、酸化スズ（SnO_２）、酸化インジウム（In_２O_３）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化チタン（TiO_２）、銅アルミ酸化物（CuAlO_２）、銅ガリウム酸化物（CuGaO_２）、銅インジウム酸化物（CuInO_２）、銅クロム酸化物（CuCrO_２）、銅スカンジウム酸化物（CuScO_２）、銅イットリウム酸化物（CuYO_２）、銀インジウム酸化物（AgInO_２）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu_２O_２）、インジウムスズ酸化物(ITO)、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または、硫化亜鉛（ZnS）を用いることができる。また、裏側の透光性導電膜５を薄い金属膜とすることができる。
図４（ｄ）に示される構成では、零バイアス状態で赤外線を透過、表側の透光性導電膜５が負となるバイアス印加状態で赤外線を反射させることができる。

図４（ｅ）に示される第５の実施の形態では、透光性ｎ型半導体膜１と透光性導電膜５との間に透光性絶縁膜６が挿入されており、透光性ｎ型半導体膜１−透光性導電膜５間には、ｎ型半導体膜１側が負となるバイアス電圧が可変電圧源Ｅｖにより印加されている。ｎ型半導体膜の材料としては、上記した材料を用いることができる。透光性導電膜５としては、酸化スズ（SnO_２）、酸化インジウム（In_２O_３）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化チタン（TiO_２）、銅アルミ酸化物（CuAlO_２）、銅ガリウム酸化物（CuGaO_２）、銅インジウム酸化物（CuInO_２）、銅クロム酸化物（CuCrO_２）、銅スカンジウム酸化物（CuScO_２）、銅イットリウム酸化物（CuYO_２）、銀インジウム酸化物（AgInO_２）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu_２O_２）、それらの中の複数種の酸化物を含む材料、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、硫化亜鉛（ZnS）、または、薄い金属膜を用いることができる。
図４（ｅ）に示される構成では、零バイアス状態で赤外線を透過、ｎ型半導体膜１側が負となるバイアス電圧印加状態で赤外線を反射させることができる。
上記の説明では、図４（ａ）〜（ｅ）の透光性積層膜１０に印加される電圧を２値として、赤外線の反射／透過を制御するものであったが、可変電圧源の電圧を連続的に変化させ反射させる赤外線の波長を所望の値に制御するようにしてもよい。

図４（ａ）〜（ｅ）に示される透光性積層膜は、通常、ガラス板、透明プラスチック板などの透明基板上に形成され、熱線の遮断を制御する光透過性基材の赤外線反射制御積層膜として用いられる。すなわち、図５に示されるように、透明基板７上に、透光性ｐ型半導体膜２と透光性ｎ型半導体膜１との積層膜が形成され、熱線遮断制御光透過性基材８が構成される。そして、透光性ｎ型半導体膜１−透光性ｐ型半導体膜２間に印加される電圧を制御することにより、熱線遮断制御光透過性基材８の赤外線ＩＲの透過と反射の切り換え乃至制御を行うことができる。
図４（ｂ）〜（ｅ）に示されるいずれの透光性積層膜も透明基板と組み合わせて用いることができる。

図６は、本発明に係る光透過性基材を窓ガラスに適用した例を示す概念図である。すなわち、図６に示されるように、熱線遮断制御光透過性基材８を家屋１１の窓ガラスに用いる。図６（ａ）は夏期の状態を、図６（ｂ）は冬期の状態をそれぞれ示す。また、図６（ｃ）は図６（ａ）、（ｂ）の丸Ａの部分の拡大図である。室内に設けた温度調整装置９により透光性積層膜１０のキャリアの状態を制御して夏期には、図６（ａ）に示すように、赤外線ＩＲを反射させる。これにより冷房負荷を軽減させることができる。また、冬期には透光性積層膜１０のキャリアの状態を制御して、図６（ｂ）に示すように、赤外線ＩＲを透過させる。これにより暖房負荷を軽減させることができる。

電荷密度と赤外反射の臨界波長の関係を示すグラフ。本発明の原理を説明するための透光性積層膜の断面図。本発明の透光性積層膜の実施の形態を示す断面図。本発明の光透過性基材の一例を示す断面図。本発明の光透過性基材の一使用形態を示す概念図。本発明の光透過性基材を窓ガラスに適用した例を示す概念図。

符号の説明

１透光性ｎ型半導体膜
２透光性ｐ型半導体膜
３空乏層
４透光性強誘電体膜
５透光性導電膜
６透光性絶縁膜
７透明基板
８熱線遮断制御光透過性基材
９温度調整装置
１０透光性積層膜
１１家屋
Ｅ電圧源
Ｅｖ可変電圧源
ＩＲ赤外線
ＶＬ可視光

Claims

透光性半導体膜をＳ、透光性導電膜をＭ、透光性絶縁膜をＩとして、ＳｐＳｎ構造、ＳｐＩＳｎ構造、ＳｎＭ構造（但し、Ｓの後の添え字はその導電型を示す）、ＭＩＭ構造またはＭＩＳ構造の中のいずれかの構造を有し、その光の透過限界波長が電気的に制御されることを特徴とする透光性積層膜。
透光性半導体膜をＳ、透光性導電膜をＭ、透光性絶縁膜をＩとして、ＳｐＳｎ構造、ＳｐＩＳｎ構造、ＳｎＭ構造、ＭＩＭ構造またはＭＩＳ構造の中のいずれかの構造を有し、透光性半導体膜、または、透光性導電膜中の電荷状態を制御することにより赤外光に対する反射率が制御されることを特徴とする透光性積層膜。
透光性半導体膜が、SnO_２、TiO_２、In_２O_３、ZnO、Cu_２O、CuAlO_２、CuCrO_２、CuGaO_２、CuInO_２、CuScO_２、CuYO_２、AgInO_２、SrCu_２O_２、ITO、GaN、SiC、ZnSの中の何れかの材料により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の透光性積層膜。
透光性導電膜が、SnO_２、TiO_２、In_２O_３、ZnO、CuAlO_２、CuCrO_２、CuGaO_２、CuInO_２、CuScO_２、CuYO_２、AgInO_２、SrCu_２O_２、ITO、GaN、SiC、ZnS、金属の中の何れかの材料により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の透光性積層膜。
透光性絶縁膜が、SiO_２、Si₃N₄、ガラス、セラミックスまたはプラスチックの中の何れかの材料により形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の透光性積層膜。
透光性絶縁膜が、強誘電体材料により形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の透光性積層膜。
光透過性基板上に、請求項１から６のいずれかに記載された透光性積層膜が積層されていることを特徴とする光透過性基材。
請求項１から６のいずれかに記載された透光性積層膜の透過光制御方法であって、Ｓｐ−Ｓｎ間、Ｓ−Ｍ間またはＭ−Ｍ間に印加される電圧を制御することにより、当該透光性積層膜を透過する光の透過限界波長を制御することを特徴とする透光性積層膜の透過光制御方法。
請求項１から６のいずれかに記載された透光性積層膜の透過光制御方法であって、透光性半導体膜、または、透光性導電膜中の電荷状態を制御することにより赤外光に対する反射率を制御することを特徴とする透光性積層膜の透過光制御方法。
請求項７に記載された光透過性基材の透過光制御方法であって、Ｓｐ−Ｓｎ間、Ｓ−Ｍ間またはＭ−Ｍ間に印加される電圧を制御することにより、当該光透過性基材を透過する光の透過限界波長を制御することを特徴とする光透過性基材の透過光制御方法。
請求項７に記載された光透過性基材の透過光制御方法であって、透光性半導体膜、または、透光性導電膜中の電荷状態を制御することにより、当該光透過性基材を透過する赤外光を制御することを特徴とする光透過性基材の透過光制御方法。