JP2006110807A

JP2006110807A - 電波透過性波長選択板

Info

Publication number: JP2006110807A
Application number: JP2004299250A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakajima; 弘中嶋; Atsushi Takamatsu; 敦高松; Hideo Omoto; 英雄大本
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】粒状のＡｇを透明基板に形成してなる電波透過性波長選択ガラスにおいて、近赤外線遮蔽係数（Ｅｓ）を高くするために、共振波長を６００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲にすると、可視光の波長域において、乱反射が大きくなるという不具合があった。
【解決手段】透明基板に該透明基板の誘電率より大きい誘電率を有する透明誘電体層が、光学膜厚み２０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で成膜され、該透明誘電体層のうえにＡｇ微粒子から成る層を形成する。さらに、Ａｇ微粒子から成る層の上層に光学膜厚が２０ｎｍ〜２００ｎｍの透明誘電体膜を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、建造物、自動車などの窓ガラスに到来する電波および可視光線を効
率よく透過させることができるとともに、太陽の熱線を反射して充分な断熱性を
発揮する電波透過性波長選択板の作製法に関する。

近年、日射を遮蔽することを目的として、導電性薄膜を被覆した窓ガラスや導電性薄膜を塗布したフィルムを貼り付けた窓ガラスなどが普及してきた。

このような窓ガラスを高層ビルに施工すると、ＴＶ周波数帯域の電波を反射して、ＴＶ画面にゴーストを発生させる原因となる。さらに、屋内に設けたアンテナを用いて衛星放送を受信することが、困難となる。

また、住宅用窓ガラス或いは自動車用窓ガラスとして用いられた場合には、携帯電話による通信が困難となる恐れがある。また、室内アンテナや車両の窓ガラスに設けられたガラスアンテナの利得を低下させ、受信が困難となった。
このような事情から、現状では、ガラス基板に電気抵抗の比較的高い透明な熱線反射膜を被覆して、可視光線の一部を透過させるとともに電波の反射を低減させて電波障害を防止することが行なわれている。

しかしながら、前記の電気抵抗の比較的高い透明な熱線反射膜を被覆する方法
は、電波の反射を低減して電波障害を防止することは出来るが、熱線遮蔽性能が
十分ではなく、生活の快適性において問題があった。
例えば、導電性膜付きガラスの場合には、ガラス基板に被覆させた導電性膜を、入射電波の電界方向に平行な導電性膜の長さを電波の波長の１／２０倍以下になるように分割し、電波障害を防止することが知られている（特許文献１）。

また、特許文献１には、導電性膜を分割する方法が示されている。分割する長さが太陽光の大部分を占める可視光、近赤外光の波長より非常に大きいので、これらの光は全て反射してしまい、電波障害を防止し充分な日射遮蔽性能を有する電波透過性波長選択スクリーンガラスは得られるが、可視光の透過性が確保できないという問題がある。さらに、開口部のサイズが２ｍ×３ｍのように大きな窓では、例えば、衛星放送波を透過させるためには、衛星放送の波長約２５ｍｍの１／２０、少なくとも導電膜を１.２５ｍｍ平方に、好ましくは０.５ｍｍ平方に切断しなければならない。大面積の導電性膜をこのような小さいセグメントに、例えば、イットリウム−アルミニウム−ガーネットレーザで切断するには、長時間を要し現実的でない等の問題があった。

そこで、本発明者等は、透明基板にＡｇでなる微粒子を形成した電波透過性波長選択板を発明した（特許文献２）。
前記、電波透過性波長選択板は、Ａｇ粒状層を形成することにより、分光反射率の最大となる波長（以下、共振波長と略す）が近赤外線遮蔽係数の大きい６００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲にシフトされ、可視光線透過率の高い優れた断熱性を有するものである。

なお、近赤外線遮蔽係数は、次の（１）式で定義する値である。

ここで、λ：膜面に入射する電磁波の波長
Ｒdp：波長λにおける膜面の反射率
Ｉsr：波長λにおけるエアーマス１.５における太陽の放射強度
特開平６−４０７５２号公報特開２０００−２８１３８８号公報

特許文献２に示すような、粒状のＡｇを透明基板に形成してなる電波透過性波長選択ガラスにおいて、近赤外線遮蔽係数（Ｅｓ）を高くするために、共振波長を６００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲にすると、可視光の波長域において、乱反射が大きくなるという不具合があった。

本発明の電波透過性波長選択板は、透明基板にＡｇ微粒子で成る層を設けてなる電波透過性波長選択板において、透明基板に該透明基板の誘電率より大きい誘電率を有する透明誘電体層が、光学膜厚み２０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で成膜され、該透明誘電体層のうえにＡｇ微粒子から成る層が形成されてなることを特徴とする電波透過性波長選択板である。

また、本発明の電波透過性波長選択板は、前記電波透過性波長選択板において、Ａｇ微粒子から成る層の上層に設けた透明誘電体膜の光学膜厚が２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であることを特徴とする電波透過性波長選択板である。

本発明の電波透過性波長選択板は、乱反射が少なく、従って、透視性に優れた電波透過性波長選択板を提供する。

本発明に用いる透明基板は、ガラス基板、透明セラミック基板、耐熱性透明プラスチック基板等を用いることができ、建物や、車両の開口部に、本発明の電波透過性波長選択板を用いる場合は、ガラス基板が望ましいが、使用する場所等に応じてガラス基板、透明セラミック基板、耐熱性透明プラスチック基板等を選択することが好ましい。

本発明の電波透過性波長選択板は、図１に示すように、透明基板１に透明誘電体層２を積層し、該透明誘電体層の上にＡｇ微粒子でなるＡｇ粒状層３を形成し、さらに、Ａｇ粒子層３の保護を目的として、Ａｇ粒子層の上に透明誘電体層４を成膜たものである。

透明誘電体層２には、透明基板の誘電率よりも大きい誘電率を有する誘電体を用いることが望ましい。例えば、透明基板に無色透明な酸化物ガラス、例えば、ソーダライム系、無アルカリ、硼珪酸ガラス、石英ガラスなどでなる板状ガラスを用いる場合は、透明誘電体層２には、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化タングステン等を好適に用いることができる。

本発明は、Ａｇ微粒子によって近赤外線を反射するものである。このＡｇ微粒子の粒径が増大すると乱反射も大きくなる。透明誘電体層２として、透明基板１の誘電率よりも大きい誘電率を有する誘電体を用いることにより、透明誘電体層の上に成形されたＡｇ微粒子の共振周波数は、乱反射の増大を伴わずに長波長側にシフトすることができる。従って、乱反射の生じやすい、比較的粒径の小さいＡｇ微粒子の場合においても、近赤外線遮蔽係数Ｅｓを増大させることができるという効果が得られる。

透明誘電体層２の成膜には、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング等の成膜法を用いる。特に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法は生成する層の均一性、生産性の点より好ましい。

透明誘電体層２の厚みに関しては、光学厚みが２０ｎｍ未満の場合、共振周波数の高周波数側へのシフトが生じないので、透明誘電体層２の光学厚みを２０ｎｍ以上とすることが好ましい。共振周波数の長波長側へのシフトは、透明誘電体層２を２０ｎｍ以上の光学膜厚で形成すれば生じるので、透明誘電体層２の光学膜厚は２０ｎｍ以上いくらでもよいが、生産性の観点から透明誘電体層２の光学厚みは６００ｎｍ以下とすることが望ましい。

Ａｇ粒子層３は、透明誘電体層２の上にＡｇ膜を形成して、該Ａｇ層を加熱処理することにより、粒状のＡｇ微粒子が形成されて作製できる。
Ａｇ膜は、膜厚を５ｎｍ〜１μｍの範囲とすることが好ましい。５ｎｍ未満では、Ａｇ膜が島状になり、均一に成膜されないので好ましくなく、１μｍを越えると透明基板の軟化点以下の加熱温度で、粒状に形成することが困難となり、好ましくない。

Ａｇ膜を成膜する方法については、特に限定するものではなく、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング等の成膜法を用いることができる。特に、Ａｇターゲット材を用いて行うＤＣマグネトロンスパッタリング法によるＡｇ膜の成膜は、Ａｇ膜の均一性、生産性の点より好ましい。
Ａｇ微粒子の形状は、ドーム状、半球状、数珠状（例えば、ドーム状が連なった形状）、扁平状、鱗片状、針状等であり、光学的な性能から、半球状、ドーム状、扁平状、鱗片状等の形状が好ましい。

Ａｇ微粒子の単位面積あたりの個数は、透明誘電体層２の膜厚およびＡｇ膜の膜厚によって所定の個数にすることができ、また、Ａｇ粒子層の上にＡｇ膜を成膜して加熱することにより、Ａｇ微粒子を大きくすることができる。従って、成膜するＡｇ膜の厚みと、Ａｇ膜の成膜と加熱処理を繰り返すことによって、Ａｇ微粒子の大きさと、透明基板の単位面積あたりのＡｇ微粒子の個数、Ａｇ微粒子層が透明基板を覆う面積の透明基板の面積に対する割合を所望の値にすることができる。

Ａｇ微粒子を形成する加熱方法としては、抵抗加熱、ガス燃焼加熱、レーザ照射、電子線照射、誘導加熱加熱方法を用いることができる。

耐熱性透明プラスチックを透明基板とする場合、該透明基板にほとんど吸収されないレーザービームによる加熱や、導電性物質のみを選択的に加熱できる誘導加熱は、好適な加熱方法である。

加熱処理における透明基板の温度は、１５０℃以上で、該透明基板の軟化点以下であることが望ましい。

Ａｇ膜を形成した透明基板を、例えば加熱炉などで加熱する場合、Ａｇ微粒子を数時間で成形するために、１５０℃以上にすることが望ましい。
透明基板の温度が軟化点を越えると、特に、透明基板に酸化物ガラスを用いる場合、Ａｇ原子が透明基板内に拡散し、電磁波の反射による波長選択性が著しく低下する。

なお、Ａｇ膜をレーザまたは電子線などのビームの照射、あるいは誘導加熱で行う場合、透明基板を加熱せずに、Ａｇ膜を選択的に加熱できるので、加熱温度の上限を、Ａｇの沸点２２１２℃とすることができる。

また、加熱時間は、抵抗加熱、ガス燃焼加熱の場合、数秒から数時間、レーザまたは電子線などのビームの照射、あるいは誘導加熱の場合は、マイクロ秒から数秒とすることが好ましい。なお、加熱後、自然放冷による冷却、あるいは空気を吹き付けるなどの強制放冷で冷却してもよい。

また、Ａｇには、Ａｇの消衰係数が無限小になるプラズマ周波数は、紫外線領域の可視光領域に近い波長域に存在するので、Ａｇ微粒子の厚みと透明誘電体層の膜厚を制御することにより、可視光の透過性が確保できる。

本発明の電波透過性波長選択板は、Ａｇ膜の厚みおよび加熱条件により、Ａｇ微粒子の粒径Ｌ、個数、分布等を制御し、近赤外線を選択的に反射するものである。個数は、粒径Ｌに対して、基板表面の占有面積比として把握してもよい。

近赤外線を選択的に反射するためには、近赤外線遮蔽係数（Ｅｓ）が、０．３以上であることが好ましい。近赤外線遮蔽係数Ｅｓを０．３以上とするには、電波透過性波長選択板の分光反射率の最大値が６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲にあればよい。分光反射率の最大値を示す波長は、Ａｇ微粒子の平均粒径とＡｇ微粒子層が透明基板を被覆する面積の透明基板の面積に対する割合とで調整することができる。

本発明の電波透過性波長選択板の近赤外線遮蔽係数（Ｅｓ）を０．３以上とするには、Ａｇ微粒子層の占有面積が０．２５〜０．６の範囲とすることが望ましく、また、底面積が０．０１μｍ^２以上のＡｇ微粒子について、平均粒径が１５０ｎｍ〜３３０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
まお、平均粒径とは、１個のＡｇ微粒子の底面積と等価の円の直径で該Ａｇ微粒子の粒径を表し、各Ａｇ微粒子の直径の平均値で定義される値である。
Ａｇ微粒子の占有面積比が０．２５未満になると、粒状Ａｇ間の平均距離が粒径の２倍以上となり、粒子間の相互干渉が小さくなり、有効な近赤外線遮蔽係数を有する電波透過性波長選択板が得られない。また、Ａｇ微粒子の平均粒径が１５０ｎｍ未満の場合、分光反射率の最大値が６００ｎｍ以下となってしまう。
占有面積比が０．６を越えると、ほとんどのＡｇ微粒子が連鎖上となって、電波を透過させるという波長選択の機能が失われてしまう。

Ａｇ微粒子の占有面積比は、例えば、透明基板の法線方向から電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）で観察しＳＥＭ画像を得、Ａｇ微粒子とＡｇ微粒子の存在しない透明基板の表面とを画像処理でＳＥＭ画像を２値化して、Ａｇ微粒子の総面積をＳＥＭ画像全体の面積で除して、求めることができる。

また、Ａｇ微粒子の粒径Ｌは、ＳＥＭ画像を２値化して得られる画像でＡｇ微粒子の個数を求め、該個数でＡｇ微粒子の総面積を除し、求められた面積を同面積の円として、その円の直径をＡｇ微粒子の粒径としてもよい。
従って、例えばＡｇ微粒子の形状がドーム状の場合は、平均粒径Ｌはドームの底面の直径に対応する。

本発明の電波透過性波長選択板において、Ａｇ微粒子層３の上にも透明誘電体層４を設けることが望ましい。
Ａｇ微粒子層３の上に形成される透明誘電体層４は、Ａｇ微粒子層３の変質を防止する保護膜として有効なばかりでなく、Ａｇ微粒子層３の共振周波数を長波長側にシフトする効果を有している。

この透明誘電体層４は金属の酸化物あるいは窒化部とを好適に用いることができ、Ａｇ微粒子を形成した後、該Ａｇ微粒子の上に透明誘電体層４を積層する。

なお、Ａｇ微粒子上に形成されるに透明誘電体層４は、透明基板上に成膜した透明誘電体層３との相互作用によって可視光透過率が高めることができ、Ａｌ、Ｓｉの窒化物、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｉｎの酸化物から選ばれる１種以上の誘電体を１層以上で成膜したものが望ましい。

Ａｇ微粒子層３の上に成膜する透明誘電体層４の成膜方法については、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング等の成膜法を用いる。特に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法は生成する層の均一性、生産性の点より好ましい。

Ａｇ微粒子層３の上層に設ける透明誘電体層４の光学膜厚は、光学膜厚が２０ｎｍ未満ではＡｇ微粒子層の共振周波数が長波長側にシフトすることがなく、２００ｎｍを越えると長波長へのシフトする量が変化しなくなるので、２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。

なお、本発明の電波透過性波長選択板は、透明誘電体層２によって共振周波数を長波長側へシフトさせるので、Ａｇ微粒子の粒径を大きくすることをせずに近赤外線遮蔽係数を大ききすることができ、従って、Ａｇ微粒子による乱反射を問題のないレベルにすることが可能となる。

電波透過性波長選択板において、次の（２）式で定義する乱反射比（Ｈｒ）は０.３以下とすることが好ましい。

ここで、Ｒｎは波長５５０ｎｍにおける膜面の正反射率であり、Ｒｔは波長５５０ｎｍにおける膜面の乱反射を含む反射率。

乱反射比が０．３を越えると、乱反射のため白濁したようになり、透視が困難で実用ができなくなる。

実施例１
本発明の電波透過性波長選択板は次に示す手順で製造した。透明基板としてフロートガラス板を用いた。

（１）先ず、洗浄した厚さ３ｍｍのフロートガラス板を透明基板として用い、該当明記板をＤＣマグネトロンスパッタリング装置内に入れ、槽内の真空度が２〜４×１０^−４Ｐａに達するまで排気した。なお、ターゲットとフロートガラス板との距離は９０ｍｍにした。

（２）次に、Ａｌターゲット（直径１５２ｍｍ、厚み５ｍｍ）にＤＣ２００Ｗの電力で印加して放電させ、光学膜厚２０ｎｍの窒化アルミニウム膜でなる透明誘電体層を成膜した。成膜中、Ａｒと窒素の混合ガスの圧力を１Ｐａに制御した。

（３）次に、Ａｇターゲット（直径１５２ｍｍ、厚み５ｍｍ）にＤＣ３０Ｗの電力で印加して放電させ、膜厚１２．７ｎｍのＡｇ膜を成膜した。成膜中、Ａｒガスの圧力を１Ｐａに制御した。

（４）次いで、窒化アルミニウム膜とＡｇ膜を積層した透明基板を雰囲気温度５００℃の恒温炉で５分間加熱したのち、炉外に取り出し放冷することにより、透明基板の表面に、Ａｇ微粒子層を形成して、電波透過性波長選択板を作製した。

なお、透明基板（フロートガラス）の比誘電率は２．３であり、透明誘電体層（窒化ルミニウム）膜の比誘電率は４．０である。

実施例２
窒化アルミニウムの光学膜厚を４０ｎｍとした他は全て実施例と同様にして電波透過性波長選択板を作製した。

比較例１
窒化アルミニウムの誘電体膜を形成しないことの他は全て、実施例１と同様にして電波透過性波長選択板を作製した。

比較例２
窒化アルミニウムの光学膜厚を１０ｎｍとした他は全て実施例と同様にして電波透過性波長選択板を作製した。

実施例１、２および比較例１、２の電波透過性波長選択板を、日立製作所製Ｕ−４０００型自記分光光度計を用いて波長３００〜２５００ｎｍの範囲で、分光反射率、分光透過率を測定し、表１の結果を得た。

実施例１および２では、透明誘電体層の存在により、比較例１に対して共振周波数が１００ｎｍ程長波長側にシフトした。しかし、比較例２のように、透明誘電体層が１０ｎｍでは、共振波長のシフトは生じなかった。

実施例３
透明誘電体層として形成した窒化アルミニウム膜の光学膜厚を２００ｎｍとした以外は実施例１と同様にして電波透過性波長選択板を作製した。

比較例３
誘電体相を形成せずに実施例３と同様の赤外線遮蔽係数とするため、実施例１とは誘電体相を形成しないことと、Ａｇ膜の形成とＡｇ膜の加熱処理を繰り返してＡｇ微粒子の形成した以外は、実施例１と同様にして電波透過性波長選択板を作製した。

Ａｇ微粒子の形成は次のようにして行った。

（１）Ａｇターゲット（直径１５２ｍｍ、厚み５ｍｍ）のエロージョン域にＰｄチップ（１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの直方体）４個を等間隔に載置した。このターゲットにＤＣ３０Ｗの電力で印加して放電させ、膜厚１３ｎｍのＡｇ−Ｐｄ混合膜を成膜した。成膜中、Ａｒガスの圧力を１Ｐａに制御した。

（２）次いで、Ａｇ混合膜を成膜した透明基板を雰囲気温度５００℃の恒温炉で５分間加熱したのち、炉外に取り出し放冷することにより、透明基板の表面に、粒状のＡｇ合金を形成した。

（３）次いで、Ａｇターゲット（直径１５２ｍｍ、厚み５ｍｍ）にＤＣ３０Ｗの電力で印加して放電させ、粒状のＡｇ合金に膜厚１３ｎｍのＡｇ膜を積層した。なお、成膜中の雰囲気は、圧力を１ＰａのＡｒガスとした。

（４）次いで、Ａｇ膜を積層したものを雰囲気温度４５０℃の恒温炉で５分間加熱した後、炉外に取り出し放冷することにより、基板ガラス表面にＡｇ微粒子を作製した。

（５）次いで、（３）と（４）の工程をさらに１回繰り返して、Ａｇ微粒子の粒径を増大させた。

実施例３と比較例４の近赤外遮蔽係数と乱反射係数は表２の様になり、透明誘電体層による共振周波数の長波長側へのシフトのある実施例３は、比較例３と比較し、乱反射比が小さく、実用に問題のない乱反射であった。比較例３は、乱反射がひどく、白濁として観察され、実用に問題があった。

本発明の電波透過性波長選択板の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１透明基板
２透明誘電体層
３Ａｇ微粒子層
４透明誘電体層

Claims

透明基板にＡｇ微粒子で成る層を設けてなる電波透過性波長選択板において、透明基板に該透明基板の誘電率より大きい誘電率を有する透明誘電体層が、光学膜厚み２０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で成膜され、該誘電体層のうえにＡｇ微粒子から成る層が形成されてなることを特徴とする電波透過性波長選択板。
Ａｇ微粒子から成る層の上層に設けた透明誘電体層の光学膜厚が２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の電波透過性波長選択板。