JP2007173692A - スイッチング可能な電磁遮蔽材 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチングできる電磁遮蔽材を提供する。
【解決手段】水素を含む雰囲気と、酸素を含む雰囲気に晒すことにより、電磁波の遮蔽状態をスイッチングすることのできる多層薄膜材料であって、（１）上記薄膜が、希土類金属、希土類金属とマグネシウムの合金、マグネシウムと遷移金属の合金、マグネシウムの中から選ばれるいずれかの金属薄膜から成るスイッチング層を有する、（２）上記薄膜の表面に触媒層が形成されている、（３）任意の構成として、上記触媒層の上に保護層が形成されている、ことを特徴とする薄膜材料、及び電磁遮蔽材。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波の遮蔽状態をスイッチングすることのできる多層薄膜材料、及びスイッチング可能な電磁遮蔽材に関するものであり、更に詳しくは、電磁波を透過する状態と遮断する状態が任意にスイッチングできる多層薄膜材料、及び該薄膜材料を用いた電磁遮蔽材に関するものである。本発明は、電磁遮蔽材において、必要に応じて、電波が透過する状態、あるいは電波が遮断される状態に任意に切り替えることで電磁波の遮蔽状態をコントロールすることのできる新規な電磁遮蔽材料に関する新技術・新製品を提供するものである。

近年、電波を利用した通信情報技術・機器は、その利便性のゆえに急速に発展・普及しているが、それらに伴って、電波環境の悪化が懸念されている。従って、これらの電波を必要に応じて遮蔽する技術も重要性を増しており、様々な電波吸収体が開発されている。従来の電磁遮蔽材料は、電波を吸収する状態でシールドを行うもので、その状態は、変わらないものであった。この種の電磁遮蔽材料は、場合によっては、ある空間の中を、電磁遮蔽の状態にしたり、電波が透過する状態にしたり任意に切り替えたい場合があるが、従来、そのようなことができる材料は存在しなかった。

一方、本発明者等は、「調光ミラー」と呼ばれる、透明な状態と鏡の状態をスイッチングすることのできる材料の研究を行って来た。これは、ガラスなどの透明基材に金属の薄膜を蒸着したもので、例えば、水素を含んだ雰囲気に接すると透明化し、酸素を含んだ雰囲気に接すると金属状態になる。このような材料は、１９９６年に、オランダのグループにより、イットリウムやランタンなどの希土類の水素化物が、水素により鏡の状態と透明な状態に変化することが発見されて開発されたものであり、このような材料が「調光ミラー」と命名された（非特許文献１）。

その後、希土類金属とマグネシウムの合金薄膜の水素化物（非特許文献２）や、マグネシウム・ニッケル合金の水素化物（非特許文献３）も、調光ミラー特性を持つことが発見された。また、本発明者等のグループでは、マグネシウム・ニッケル合金の中でも、マグネシウム成分の多い、ＭｇＮｉｘ（０．１＜ｘ＜０．３）が、優れた光学特性を示すことを見出した（非特許文献４）。

調光ミラーは、透明な状態と鏡の状態（金属状態）もしくはその中間状態に、スイッチングすることのできる材料であり、先行技術として、例えば、透明な基材の上に、イットリウムやランタン等の希土類薄膜（特許文献１参照）、希土類金属とマグネシウム合金薄膜（特許文献２参照）、マグネシウムと遷移金属の合金薄膜（特許文献３参照）、あるいはマグネシウム薄膜（特許文献４参照）を蒸着したものが提案されている。これらの材料の中でも、材料コストの安さや、優れた光学特性などから、ＭｇＮｉｘ（０．０１＜ｘ＜０．３）が調光ミラーに適した材料である。これらの調光ミラー薄膜材料は、いずれも、水素を含む雰囲気に晒すと、水素化によって透明化し、可視光から赤外光にわたる領域の光に対する反射をスイッチングすることができる。

特表平１０―５０３８５８号公報 特表平１１―５１４７５９号公報 米国特許２００２／００４４７１７ Ａ１ 特開２００３−２６１３５６号公報 Ｊ．Ｎ．Ｈｕｉｂｅｒｔｓ，Ｒ．Ｇｒｉｅｓｓｅｎ，Ｊ．Ｈ．Ｒｅｃｔｏｒ，Ｒ．Ｊ．Ｗｉｊｎｇａａｒｄｅｎ，Ｊ．Ｐ．Ｄｅｋｋｅｒ，Ｄ．Ｇ．ｄｅ Ｇｒｏｏｔ，Ｎ．Ｊ．Ｋｏｅｍａｎ，Ｎａｔｕｒｅ ３８０（１９９６）２３１ Ｎａｇｅｎｇａｓｔ Ｄ．Ｇ， ｖａｎ Ｇｏｇｈ Ａ．Ｔ． Ｍ， Ｋｏｏｉｊ Ｅ．Ｓ，Ｄａｍ Ｂ，Ｇｒｉｅｓｓｅｎ Ｒ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７５（１９９９）２０５０） Ｔ．Ｊ．Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ，Ｊ．Ｌ．Ｓｌａｃｋ，Ｒ．Ｄ．Ａｒｍｉｔａｇｅ，Ｒ．Ｋｏｓｔｅｃｋｉ，Ｂ．Ｆａｒａｎｇｉｓ，ａｎｄ Ｍ．Ｄ．Ｒｕｂｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８（２００１）３０４７ Ｋ．Ｙｏｓｈｉｍｕｒａ，Ｙ．Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｍ．Ｏｋａｄａ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（２００２）４７０９

このような状況の中で、本発明者等は、上記従来技術に鑑みて、この調光ミラーは、光よりもずっと波長の長い電磁波である電波に対する反射も制御できる可能性があることに着目して鋭意研究を行った結果、電磁遮蔽のスイッチングができる新規材料を見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。

本発明は、調光ミラー薄膜材料を応用して新たに構築した多層薄膜材料から成る、電磁波を透過する状態と遮蔽する状態のスイッチングができる新規な材料、該材料を用いたスイッチング部材、及びスイッチング可能な電磁遮蔽材を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）水素を含む雰囲気と、酸素を含む雰囲気に晒すことにより、電磁波の遮蔽状態をスイッチングすることのできる多層薄膜材料であって、１）上記薄膜が、希土類金属、希土類金属とマグネシウムの合金、マグネシウムと遷移金属の合金、及びマグネシウムの中から選ばれるいずれかの金属薄膜から成るスイッチング層を有する、２）上記薄膜の表面に触媒層が形成されている、３）任意の構成として、上記触媒層の上に保護層が形成されている、ことを特徴とする薄膜材料。
（２）上記スイッチング層が、マグネシウム・ニッケル合金から成る、前記（１）に記載の材料。
（３）上記マグネシウム・ニッケルの合金の組成が、ＭｇＮｉｘ（０．０１＜ｘ＜０．３）である、前記（２）に記載の材料。
（４）上記触媒層が、上記薄膜の表面に１ｎｍ−５０ｎｍのパラジウムもしくは白金をコートしたものである、前記（１）に記載の材料。
（５）上記保護層が、水素透過性であり、かつ水非透過性の材料から成る、前記（１）に記載の材料。
（６）前記（１）から（５）のいずれかに記載の薄膜材料を、電波を透過する絶縁材料表面に形成したことを特徴とするスイッチング部材。
（７）前記（６）に記載のスイッチング部材を、コーティング面が内側になるように、もう一枚の絶縁材料と張り合わせ、その内部の空間に、水素もしくは酸素を含むガスを導入するようにしたことを特徴とする電磁遮蔽材。
（８）上記絶縁材料の内部の空間に、水素を含むガス又は空気もしくは酸素を含むガスを導入する雰囲気制御器を有する、前記（７）に記載の電磁遮蔽材。
（９）前記（１）から（５）のいずれかに記載の薄膜材料を用いて電磁遮蔽状態の可変機能を付与したことを特徴とする電磁波シールド製品。
（１０）前記（７）又は（８）に記載の電磁遮蔽材の電磁シールドに、水素を含むガスを導入して電磁波を透過する状態にし、空気もしくは酸素を含むガスを導入して電磁波を遮断する状態に変えることを特徴とする電磁遮蔽材のスイッチング方法。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、水素を含む雰囲気と、酸素を含む雰囲気に晒すことにより、電磁波の遮蔽状態をスイッチングすることのできる多層薄膜材料であって、（１）上記薄膜が、希土類金属、希土類金属とマグネシウムの合金、マグネシウムと遷移金属の合金、及びマグネシウムの中から選ばれるいずれかの金属薄膜から成るスイッチング層を有する、（２）上記薄膜の表面に触媒層が形成されている、（３）任意の構成として、上記触媒層の上に保護層が形成されている、ことを特徴とするものである。

本発明において、上記スイッチング層は、マグネシウム・ニッケル合金から成ること、上記マグネシウム・ニッケル合金の組成は、ＭｇＮｉｘ（０．０１＜ｘ＜０．３）であること、が好適である。また、本発明において、上記触媒層は、上記薄膜の表面に１ｎｍ−５０ｎｍのパラジウムもしくは白金をコートしたものであること、上記保護層は、水素透過性であり、かつ水非透過性の材料から成ること、が好適である。

また、本発明では、上記薄膜材料を、電波を透過する絶縁材料表面に形成することでスイッチング部材を構築することができる。また、上記スイッチング部材を、コーティング面が内側になるように、もう一枚の絶縁材料と張り合わせ、その内部の空間に、水素もしくは酸素を含むガスを導入するようにすることで電磁遮蔽材を構築することができる。この場合、上記絶縁材料の内部の空間に、水素を含むガス又は空気もしくは酸素を含むガスを導入する雰囲気制御器を設置することができる。

また、本発明では、上記薄膜材料を用いて電磁遮蔽状態の可変機能を付与した電磁波シールド製品を構築し、提供することができる。更に、本発明では、上記電磁遮蔽材の電磁シールドに、水素を含むガスを導入して電磁波を透過する状態にし、空気もしくは酸素を含むガスを導入して電磁波を遮断する状態に変えることで電磁遮蔽材のスイッチングを行う方法が提供することができる。

上述のように、本発明では、調光ミラー（Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ）を応用することで、電磁遮蔽のスイッチングが行える材料を構築できることを見出した点に特徴を有するものである。本発明の電磁遮蔽材では、スイッチング層として、この調光ミラー薄膜材料が用いられる。これらのスイッチング層は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、めっき法等により作製することができる。しかし、これらの方法に制限されるものではなく、適宜の方法及び手段で作成することができる。調光薄膜層の厚さは、好適には、例えば、１０ｎｍから３００ｎｍであり、任意に設計することができる。

このスイッチング層は、水素を含んだ雰囲気に晒すことで水素化が起こり、金属状態から半導体もしくは絶縁物状態に変化する。また、水素を含まず、酸素を含む雰囲気に晒すことで脱水素化が起こり、半導体・絶縁物状態から金属状態に変化する。この変化に伴い、電磁遮蔽の状態も変化する。大きな電磁遮蔽状態の変化を得るためには、金属状態から、できるだけ絶縁性の高い状態に変わる方が良いが、その意味で、スイッチング層の材料は、調光ミラーの場合と同様に、マグネシウム・ニッケル合金ＭｇＮｉｘ（０．０１＜ｘ＜０．３）が適した材料である。しかし、これに制限されるものではなく、適宜の材料を使用することができる。

スイッチング層の上に触媒層が形成される。上記触媒層として、好適には、パラジウムもしくは白金が用いられる。しかし、これらに限定されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。この触媒層は、好適には、例えば、上記マグネシウム薄膜の表面に、０．５ｎｍ−１０ｎｍのパラジウムもしくは白金をコートして形成される。しかし、触媒層の形成方法及びその形態は特に制限されない。上記触媒層は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、めっき法等により作製することができる。しかし、これらの方法及び手段に制限されるものではない。

上記スイッチング層及び触媒層を、電波を透過する絶縁材料上に形成することにより、電磁遮蔽の程度を可変できるスイッチング部材が得られる。この場合、基板としては、特に制限されるものではないが、好適には、例えば、アクリル、プラスチック、ガラス等の基板や、ポリエチレン、ナイロン等の樹脂シートが例示される。調光ミラーとして用いる場合には、基材は、透明である必要があるが、本発明の場合には、基材は透明である必要がなく、これらと同効のものであれば様々な材料を同様に使用することができる。

本発明では、スイッチング部材の触媒層の上に、任意の構成として、必要に応じて、保護層、例えば、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、酢酸セルロース、エチルセルロース等の水素は透過し、水を透過しない材料から成る保護膜を形成することができる。触媒層の上に保護層を形成することで、触媒層の劣化を大幅に抑え、スイッチングに対する繰り返し寿命を延ばすことが可能となる。これらの保護膜の形成は、好適には、例えば、スピンコーティング法やディップコーティング法を用いて行うことができるが、特に保護膜を形成する手法は制約されない。

調光ミラーでスイッチングを行う場合は、水素を含むガスを用いる場合と、電気的にスイッチングを行う場合の２種類の手法がある。電気的なスイッチングを行うためには、スイッチング層に電気を流すための導電性薄膜が必要であるが、これがあると、常に電磁遮蔽状態になってしまうため、電磁遮蔽のスイッチングは行えない。従って、本発明の材料を用いて電磁遮蔽のスイッチングを行う場合は、ガスが用いられる。

スイッチング部材を、水素を含んだ雰囲気に晒すことで、水素化して電磁波を通す状態になり、酸素を含んだ雰囲気に晒すことで、電磁波を遮蔽する状態になる。スイッチング部材を実際に用いるためには、図１のように、スイッチング部材をコーティング面が内側になるように、もう一枚の絶縁材料と張り合わせ、その内部の空間に、水素もしくは酸素を含むガスを導入するようにすることが例示される。

電磁遮蔽の制御を行うのに用いるガスは、水素及び酸素を含むガスであり、これは、水を電気分解することで簡単に得ることができる。図１に示したように、２枚の絶縁材料の間の空間の雰囲気ガスを制御するための雰囲気制御器を取り付けて、この雰囲気制御器により雰囲気のコントロールを行う。この雰囲気制御器により、空間内の水素濃度及び酸素濃度をコントロールすることで、電磁遮蔽材の電磁遮蔽の度合いを自由にコントロールすることができる。

本発明により、次のような効果が奏される。
（１）電磁波の遮蔽状態をスイッチングすることのできる新規多層薄膜材料及び電磁遮蔽材を提供することができる。
（２）特定のガスを用いてスイッチングすることのできる電磁遮蔽部材を構築し、提供することができる。
（３）調光ミラー薄膜材料を用いて電磁遮蔽のスイッチングが行える電磁遮蔽材を提供することができる。
（４）本発明の材料は、電磁遮蔽のスイッチングが必要とされる部材の電磁遮蔽材として利用することができる。

次に、本発明を実施例に基づいて具休的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

まず、ガラス基板上に、マグネシウム・ニッケル合金薄膜とパラジウム薄膜をつけた試料を作製した。これらの成膜は、ターゲットとして、それぞれ、金属マグネシウム、金属ニッケル、それに金属パラジウムをセットした三連のマグネトロンスパッタ装置で行った。図２に、スパッタ装置の概略図を示す。基板としては、大きさ５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス板を用い、これを洗浄した後、真空装置の中にセットして真空排気を行った。

成膜に際しては、まず、マグネシウム・ニッケルをスパッタしてマグネシウム薄膜を作製した。スパッタ中のアルゴンガス圧は、０．８Ｐａであり、直流スパッタ法によりマグネシウムに３０Ｗ、ニッケルに１１Ｗのパワーを加えてスパッタを行い、ほぼＭｇ_６Ｎｉに近い組成を持つ合金薄膜を作製した。その後、同じ真空条件で、６Ｗのパワーを加えてパラジウム薄膜の蒸着を行った。Ｍｇ_６Ｎｉ層の膜厚は約４０ｎｍ、パラジウム層の厚さは約４ｎｍであった。

この蒸着したガラスを、もう一枚のガラスとシリコンゴムのスペーサーをはさんで張り合わせ、測定用の試料とした。この試料の写真を図３に示す。ガラス内部の空間にその間の空間にアルゴンで４％に希釈した水素ガスを注入すると、金属の鏡状態から透明な状態に変化した。また、ガラス内部に空気を注入すると、金属状態に戻った。

実施例１で作製した試料について、マイクロ波に対する電磁遮蔽の度合いの測定を行った。マイクロ波発生源とレシーバの間に試料を置き、マイクロ波の透過の度合いを測定した。図４に、周波数５６ＧＨｚから６４ＧＨｚのマイクロ波に対する透過率について、試料が金属状態のときと透明状態のときを比較したものを示す。通常、透過が−２０ｄＢ以下であれば電磁遮蔽状態とみなせるが、試料が金属状態のときは、電磁遮蔽状態になっていることがわかる。一方、試料が透明状態のときには、マイクロ波に対する透過率は−２０ｄＢを上回り、電波を透過する状態に変化していることを示している。

以上詳述したように、本発明は、スイッチング可能な電磁遮蔽材に係るものであり、本発明により、調光ミラー薄膜材料を利用した電磁遮蔽材料を提供することができる。また、本発明により、水素を含む雰囲気と、酸素を含む雰囲気に晒すことにより、電磁波の遮蔽状態をスイッチングすることのできる新規な多層薄膜材料、該材料を用いた電磁遮蔽材を提供することができる。本発明は、調光ミラー薄膜材料を用いた電磁遮蔽材料に関する新技術・新製品を提供するものとして有用である。

図１は、電磁遮蔽材の構造を示す。 図２は、スパッタ装置の概略図を示す。 図３は、測定用試料の写真を示す。 図４は、金属状態と透明状態におけるマイクロ波の透過率を示す。

Claims (10)

1. 水素を含む雰囲気と、酸素を含む雰囲気に晒すことにより、電磁波の遮蔽状態をスイッチングすることのできる多層薄膜材料であって、（１）上記薄膜が、希土類金属、希土類金属とマグネシウムの合金、マグネシウムと遷移金属の合金、及びマグネシウムの中から選ばれるいずれかの金属薄膜から成るスイッチング層を有する、（２）上記薄膜の表面に触媒層が形成されている、（３）任意の構成として、上記触媒層の上に保護層が形成されている、ことを特徴とする薄膜材料。
2. 上記スイッチング層が、マグネシウム・ニッケル合金から成る、請求項１に記載の材料。
3. 上記マグネシウム・ニッケルの合金の組成が、ＭｇＮｉｘ（０．０１＜ｘ＜０．３）である、請求項２に記載の材料。
4. 上記触媒層が、上記薄膜の表面に１ｎｍ−５０ｎｍのパラジウムもしくは白金をコートしたものである、請求項１に記載の材料。
5. 上記保護層が、水素透過性であり、かつ水非透過性の材料から成る、請求項１に記載の材料。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の薄膜材料を、電波を透過する絶縁材料表面に形成したことを特徴とするスイッチング部材。
7. 請求項６に記載のスイッチング部材を、コーティング面が内側になるように、もう一枚の絶縁材料と張り合わせ、その内部の空間に、水素もしくは酸素を含むガスを導入するようにしたことを特徴とする電磁遮蔽材。
8. 上記絶縁材料の内部の空間に、水素を含むガス又は空気もしくは酸素を含むガスを導入する雰囲気制御器を有する、請求項７に記載の電磁遮蔽材。
9. 請求項１から５のいずれかに記載の薄膜材料を用いて電磁遮蔽状態の可変機能を付与したことを特徴とする電磁波シールド製品。
10. 請求項７又は８に記載の電磁遮蔽材の電磁シールドに、水素を含むガスを導入して電磁波を透過する状態にし、空気もしくは酸素を含むガスを導入して電磁波を遮断する状態に変えることを特徴とする電磁遮蔽材のスイッチング方法。