JP2008506624A - 耐久親水特性を有するオキシ炭化ケイ素コーティング - Google Patents

Abstract

オキシ炭化ケイ素コーティングは、（ｉ）前記コーティングの屈折率が１．７０あるいはそれ以上であるのみならず、（ｉｉ）前記コーティングの厚さが３５０Åあるいはそれ以上であるときに、約数ヶ月間というかなりの長期間親水性を維持する。

Description

本発明は、親水性コーティング、特に長期間親水性を保持するオキシ炭化ケイ素コーティングに関する。

親水性コーティングは、水がその物品の表面に広がって、その物品と汚染物質の間に浸透する能力を高めることにより物品から汚染物質（例えば「ほこり」）の除去を容易にすることができ、それにより汚染物質がその物品から分離される。

親水特性は、特に酸化チタンといった様々な金属酸化物に基づく半導体材料のコーティングにしばしば関連する。そのようなコーティングは、通常紫外線（「ＵＶ」）照射による「活性化」を必要とする。ＵＶによる活性化は、金属酸化物コーティングが、そのコーティングに汚染物質を結びつける化学結合を破壊する能力を高める。

ＵＶによる活性化は、金属酸化物の親水特性をも高める。例えばガラスなどの無機物との水の接触角は、一般的に２０度から４０度である。樹脂などの典型的な有機物質との水の接触角は、７０度から９０度である。ケイ素樹脂やフルオロカーボンポリマーなどの疎水性樹脂との水の接触角は、９０度以上である。対照的に、ＵＶによって活性化された金属酸化物コーティングの接触角は２０度未満、かつしばしば１０度未満であり、活性化された金属酸化物コーティングの上に広がろうとする水の傾向を示している。金属酸化物コーティングのＵＶ照射は、水接触角をゼロに近づけることができる。

親水特性は、酸化ケイ素コーティング、オキシ炭化ケイ素コーティング及び酸窒化ケイ素コーティングにも見られる。これらのコーティングは、ゾルゲル法の利用及び化学気相蒸着やスパッタリングを含む蒸着法によって堆積されている。

特許文献１は、高度な親水特性を備えたオキシ炭化ケイ素コーティングを開示している。特許文献１は、１．６８の屈折率及び５０ナノメートルの厚さを有し、気温３０℃、相対湿度９５％の実験室環境に１４日間もの間曝されるＳｉＯＣコーティング上では、水滴が観察されないことを開示している。

親水性コーティングは、時間の経過とともにその親水特性を失う。屋外暴露により、従来のオキシ炭化ケイ素コーティングは、通常約１、２週間しか親水性を保てない。
国際公開公報第０１／３２５７８号明細書

親水性を回復するためには、コーティングは様々な方法で処理されなければならない。金属酸化物コーティングは、その高度な親水特性を回復するためにＵＶ照射によって「再活性化」されなければならない。ケイ素ベースのコーティングは、親水性を復元するために化学的に洗浄されなければならない。太陽光は、多くの場合再活性化のための十分なＵＶ照射を提供することができる。しかしながら、太陽光への暴露は多くの用途において実用的でない。親水性回復のための化学洗浄は、費用がかかりかつ時間を浪費することが多い。

親水性コーティングの先行研究は、小さい水接触角でのコーティングを調査しているが、小さい水接触角の親水性コーティングが親水性を保てる期間を延ばすことには焦点を当ててこなかった。

高度な親水耐久性を示しかつ親水特性維持のためのメンテナンスが少なくて済む親水性コーティングが必要である。

本発明は、およそ数ヶ月もの間、天候を構成する要素（すなわち風、雨、雪、太陽など）に持続的な屋外暴露後でさえ親水性を保つオキシ炭化ケイ素コーティングを提供する。本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、（１）１．７０以上の屈折率、及び（２）３５０Å以上の厚さの両方を備えている。該オキシ炭化ケイ素コーティングは、親水性のためにＵＶ放射にさらす必要がない。該オキシ炭化ケイ素コーティングがその親水性を失った場合は、例えば石けんと水ないし酢と水などのガラスクリーナーでコーティングを洗い流すことによりその親水性を容易に回復させることができる。

本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、屋外のような汚染物質を含む環境に曝されるときに耐久性のある親水特性を発揮する。該コーティングの親水性表面は、雨などの降水に曝され、かつ洗浄される場合に、標準の被覆表面よりも清掃がずっと容易でありかつずっと長く清潔に保たれる。

図１は、コーティングされた物品１０が、オキシ炭化ケイ素コーティング２でコーティングされた基材１を含む本発明の実施形態を示す。オキシ炭化ケイ素コーティング２は、２つの対向面２ａ及び２ｂを有する。面２ａは、基材１と接触している。面２ｂは、大気圧で、かつ水の沸点である１００℃未満の温度で、外気に接触しかつ曝される。オキシ炭化ケイ素コーティング２が固体層や基材１の間に挟まれないため、オキシ炭化ケイ素コーティング２の面２ｂは、固形層と接触しない。

図２は、コーティングされた物品２０が基材１とオキシ炭化ケイ素コーティング２の間に挟まれた光学積層体３を含んでいる実施形態を示す。光学積層体３は、１つ以上の層を含むことができる。光学積層体３は、例えば、赤外線反射性金属（例えばＡｇ）の１つ以上の層を含む低放射率積層体になり得る。

基材として適当なものには、建築用途および輸送用途に利用される材料を含む。そのような材料は、ガラス、金属、ガラスセラミック、セラミック、セメント、れんが、木材、ポリマー等を含む。好ましくは、該基材はガラスから成ることである。より好ましくは、該基材は可視光を通すガラスであることである。

本発明の耐久性のある親水性コーティングは、オキシ炭化ケイ素を含む。適切なオキシ炭化ケイ素は、０＜ｘ＜１．８かつ０＜ｙ＜１．５であるＳｉＯ_xＣ_yを含む。オキシ炭化ケイ素の一例はＳｉＯＣである。実施形態では、オキシ炭化ケイ素は、原子百分率で０％＜Ｓｉ≦２５％のＳｉ、０％＜Ｏ≦４５％のＯ、０％＜Ｃ≦４０％のＣを含有している。他の実施形態においては、オキシ炭化ケイ素は、原子百分率で０％＜Ｓｉ≦３５％のＳｉ、０％＜Ｏ≦５５％のＯ、０％＜Ｃ≦３０％のＣを含有している。実施形態では、オキシ炭化ケイ素コーティングにおけるＳｉ/（Ｃ＋Ｏ）の割合は、０．２０から０．４５の範囲であり、より好ましくは０．２５から０．４０の範囲である。他の実施形態では、オキシ炭化ケイ素コーティングにおけるＳｉ/（Ｃ＋Ｏ）の割合は、０．３０から０．５５の範囲であり、より好ましくは０．３５から０．５０の範囲である。

オキシ炭化ケイ素コーティングの親水性は、屈折率が増加するに伴って減少する（すなわち、水の接触角が拡大する）傾向にある。対照的に、オキシ炭化ケイ素コーティングの親水性の耐久性は、屈折率の増加とともに増している。

本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、１．７５以上、ないし１．８０以上といった、１．７０以上の屈折率（「ｎ」）を有する。オキシ炭化ケイ素コーティングの屈折率は、コーティングに含まれるＳｉ、Ｏ及びＣの相対量およびそれらの間の化学結合の複雑な関数である。もし屈折率が１．７０未満の場合、オキシ炭化ケイ素の親水特性の耐久性は減少する。光学ガラスに親水性コーティングを施すには、２．０以下の屈折率が好ましく、被覆光学ガラスが望ましい表面的特性を有することを確実にするためには、１．９０以下がより好ましい。光学ガラスへの応用については、もしオキシ炭化ケイ素コーティングの屈折率が１．９０を越える場合、コーティングは、光を反射し過ぎる傾向があって、コーティングされた光学ガラスにおいて好ましくない見た目の変化につながる。

本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、３５０Å以上、好ましくは３８０Å以上、より好ましくは４００Å以上の厚みを有する。もし該コーティングの厚みが３５０Å未満の場合、オキシ炭化ケイ素の親水特性の耐久性は低下する。

光学ガラスに親水性コーティングを施すためには、そのコーティングも８００Å以下の厚さが好ましく、６００Å以下の厚さがより好ましい。もし該コーティングの厚さが８００Åを越えると、該コーティングは過剰に光を反射する傾向を呈する。

オキシ炭化ケイ素は、結晶質であっても非晶質であってもよいが、非晶質であることが好ましい。オキシ炭化ケイ素コーティングは、均一な組成であることが好ましい。

本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、例えばスパッタリングや化学気相蒸着などの蒸着法を含むこの分野で周知の様々な方法で形成が可能である。

例えば、本発明のコーティングは、固体基材上に化学気相蒸着法を行うことによりオキシ炭化ケイ素を蒸着させて形成することができる。化学気相蒸着法は、この分野で周知であり、ここでは詳しく説明しない。オキシ炭化ケイ素は、シランの気相混合物、有機化合物、不活性なキャリアガス及び他の添加ガスを用いる化学気相蒸着により形成できる。適切なシランは、モノシラン（ＳｉＨ_４）_、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）及びジクロロシアン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）のようなハロゲン化シランを含む。好ましくは、この有機化合物は室温で気相である。そのような有機化合物は、２から５の炭素原子を含有するオレフィン化合物及びアセチレン化合物を含む。５を越える炭素原子を含む有機化合物は、シランを使用する分解温度以下でそれらが気相であれば利用することができる。適切な有機化合物の例として、エチレン、ブタジエン、ペンテン及びジフルオロエチレンのようなハロゲン化オレフィン等のオレフィン、アセチレン等のアセチレン系炭化水素、及びベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素が挙げられる。不活性ガス（キャリアガス）は、希ガスないし窒素（Ｎ_２）等であってよい。他の添加ガスには、アンモニア（ＮＨ_３及び水素（Ｈ_２））がある。

実施形態においては、オキシ炭化ケイ素コーティングは、シラン、エチレン、二酸化炭素及び窒素の混合物を用いた化学気相蒸着により形成される。反応性気体中における各ガスのモル濃度は、５％＜シラン＜２０％、５％＜エチレン＜２０％、２０％＜二酸化炭素＜８０％及び５％＜窒素＜２０％の範囲でよい。各ガスの最高及び最低量は、目標となる屈折率の範囲により決められる。

オキシ炭化ケイ素コーティングは、約４００℃から８００℃の温度で蒸着されるのが好ましく、約５５０℃から７００℃の範囲がより好ましい。蒸着率は、２００Å／秒から６００Å／秒の範囲が好ましい。

実施形態では、オキシ炭化ケイ素コーティングは、溶融スズ槽上に形成されたフロートガラスの上に蒸着することができる。

本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、親水性である。本願で使用される「親水性」という用語は、コーティングと水の接触角が２０度未満であることを意味する。該オキシ炭化ケイ素コーティングは、その水接触角が１０度未満、より好ましくは５度未満の「超親水性」であることが好ましい。

一般的に、新たに蒸着されたオキシ炭化ケイ素コーティングは、該コーティングが親水性反応を発揮するのを阻止する（炭素、油脂性のほこり等の）表面汚染物で覆われる。該表面汚染物は、該コーティングと基材がコーティング蒸着の後に冷却されると、該コーティング上に集まる。

新たに蒸着されたオキシ炭化ケイ素コーティングは、コーティングから表面汚染物を除去することにより親水性が保たれる。これは、ガラスクリーナーでコーティングをすすぎ洗いすることや表面汚染物を洗い流すことにより達成される。一般的にガラスクリーナーとは、石けんと水ないし酢と水を含む。

コーティングされていないガラスでも、酢で洗うと親水性になり得る。しかしながら、コーティングされていないガラスは、耐久性のある親水特性を有する本発明のオキシ炭化ケイ素とは対照的に、１日か２日でその親水特性を失う。

本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、ｎ＜１．７０かつ厚さ＜３５０Åである従来のオキシ炭化ケイ素コーティングよりも大幅に長い期間親水特性を発揮する。本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、同じ環境下でｎ＜１．７０かつ厚さ＜３５０Åであるオキシ炭化ケイ素層よりも少なくとも２倍の期間、好ましくは少なくとも５倍の期間、より好ましくは少なくとも１０倍の期間親水性を保つ。従来のオキシ炭化ケイ素コーティングの親水特性を１〜２週間以内で失わせる暴露条件下で、本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、数ヶ月間親水性を保つことができる。

図３は、フレーム４がコーティングされた物品１０の周囲に接触できるように、オキシ炭化ケイ素コーティング２でコーティングされた基材１を含むコーティングされた物品１０がフレーム４に設けられている本発明の実施形態を示す。好ましくは、フレーム４が、コーティングされた物品１０の全周囲と接触することである。フレーム４は、コーティングされた物品１０及びオキシ炭化ケイ素コーティング２に機械的支持を提供し、またコーティングされた物品１０が他の対象物に対して配置されることを可能にする。例えば、実施形態において、フレーム４は自動車や建物にコーティングガラス窓１０を配置するための窓枠としての役割を果たす。

使用時には、本発明のコーティングされた物品は、比較的汚染物質がない内側の領域と汚染物質を含有する外側の領域の間に設置することができる。コーティングされた物品は、オキシ炭化ケイ素コーティングが汚染物質を含有する外側の領域に面するよう配置されるのが好ましい。例えば、コーティングされた物品は、車両ないし建物の内部を屋外から分離させるように、屋外の汚染環境に面してオキシ炭化ケイ素コーティングを配置することができる。オキシ炭化ケイ素コーティングの親水特性は、該物品のコーティング表面上に堆積するいかなる汚染物質も水で洗い流すことによってその除去を容易にする。

本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、従来の親水性コーティングよりも十分に長くその親水特性を保持するが、該コーティングの親水特性は最終的に劣化し始める。この状況が起こるときに、石けんと水、ないし酢と水のようなガラスクリーナーで再びオキシ炭化ケイ素コーティングを洗い流すことによって親水特性は回復される。

一般的に説明を行なってきた本発明において、特別の定めがない限り限定するものではなく、例示のみのために提供される下記実施例について述べる。

［実施例１〜３］
ｎ＞１．７０かつ厚さ＞３５０Åであるオキシ炭化ケイ素コーティングは、非酸化条件下でフロートガラス法により製造された熱いソーダ石灰ガラスのリボン上に化学気相蒸着によって蒸着された。該コーティングは、約８．８重量％のシラン、９．８重量％のエチレン、７３．９重量％の二酸化炭素及び７．４重量％の窒素を含む反応性ガス混合物を、６８０℃の温度かつフロートバス圧力をやや上回る圧力でガラスリボンに吹きつけることで蒸着された。
ｎ＜１．７０かつ厚さ＜３５０Åの比較コーティングも同一の基材上に同じ条件下で蒸着された。
該コーティングは、水と酢のガラスクリーナーを利用して洗い流された。
各コーティングの組成は、Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ）により測定された。該コーティングのそれぞれの屈折率及び厚さは、分光光度法により測定された。
該コーティングは、水平状態で並べて屋外に曝された。
親水特性は、各コーティング表面上に吹付けられた水が、透明フロートガラスの標準的な断片に広がる水と比較してどのようにシート状に広がるかを観測することにより測定した。

表１は、オキシ炭化ケイ素コーティングの親水特性を示している。

暴露初日には、実施例１、２及び３は、透明フロートガラスの標準的な断片とは異なり、水をシート状に薄く広げるという同じ挙動を示した。しかしながら、２日から１０日後、実施例３は、もはや水をシート状には広がらず、代わりに透明フロートガラスの標準的な断片のような反応を示した。１０日から２０日後には、実施例２がもはや水をシート状に広げず、代わりに透明フロートガラスの標準的な断片のような反応を示した。実施例１は、２００日後も引き続き水がシート状に広がった。

実施例２及び３における親水特性の継続期間は、屋外暴露の条件（例えば雨、日光、温度など）に応じて表１で示される範囲内で変化した。

表１は、オキシ炭化ケイ素コーティングが１．７０以上の屈折率及び３５０Å以上の厚さを有するときに、該コーティングはかなり長期間親水特性を発揮することを示している。

［実施例４］
図４は、屈折率１．７０及び厚さ５５０Åを有するオキシ炭化ケイ素コーティングであり、そのコーティングが屋外に３日間、１２日間、及び２００日間曝された後のそのコーティング上の水滴を図式的に表している。図４は、その比較コーティングが同じ条件下で、屋外に３日間、１２日間、２００日間曝された後の、屈折率１．５８及び厚さ２５０Åを有する比較オキシ炭化ケイ素コーティング上の水滴をも図式的に表している。

図４は、３日後では、両方のオキシ炭化ケイ素コーティングが親水性であることを示している。しかしながら、１２日後には、屈折率１．７０及び厚さ５５０Åであるオキシ炭化ケイ素コーティングは親水性を保持しているが、比較オキシ炭化ケイ素コーティングは、その親水特性を失っている。２００日後においても、本発明のオキシ炭化ケイ素コーティングは、親水特性を発揮し続けている。

本発明におけるある値の数値範囲に関する開示は、その範囲に含まれるあらゆる数値の開示である。

本発明は特定の実施形態に関して記載されているが、説明された特定の詳細に限定されることはなく、当業者が提案してもよい様々な変更及び修正、記載の請求項に定義されるような本発明の範囲内に収まる全てを含んでいる。

基材及びオキシ炭化ケイ素コーティングを含むコーティングされた物品の断面図である。 基材、オキシ炭化ケイ素コーティング及び該基材と該オキシ炭化ケイ素コーティングの間に挟まれた光学積層体を含むコーティングされた物品の断面図である。 フレームで支えられているコーティングされた物品の断面図である。 屈折率１．７０及び５５０Åの厚みを有するオキシ炭化ケイ素コーティングの水接触角と屈折率１．５８及び２５０Å（２５ナノメートル）の厚みを有するオキシ炭化ケイ素コーティングの水接触角とを、それぞれ３日間、１２日間、２００日間の屋外暴露後を図式で比較している。

符号の説明

１ 基材
２ オキシ炭化ケイ素コーティング
３ 光学積層体
４ フレーム
１０、２０ コーティングされた物品

Claims (20)

1. 向かい合う第１面及び第２面を有するコーティングであって、前記第１面が固体基材と接触し、前記第２面が大気圧で及び１００℃未満の温度で基本的に空気とのみ接触しており、
   前記コーティングが、
   オキシ炭化ケイ素を含む均一な組成と、
   １．７０以上の屈折率と、
   ３５０Å以上の厚さと、を備え、
   前記コーティングの前記第２面が、２０度以下の対水接触角を有する親水性であるコーティング。
2. 前記オキシ炭化ケイ素が、
   ３５原子百分率以下であるが０原子百分率を越えるＳｉと、
   ５５原子百分率以下であるが０原子百分率を越えるＯと、
   ３０原子百分率以下であるが０原子百分率を越えるＣと
   を備える請求項１に記載のコーティング。
3. 前記オキシ炭化ケイ素が、ＳｉＯＣを備える請求項１に記載のコーティング。
4. 前記屈折率が、１．７０から２．０の範囲である請求項１に記載のコーティング。
5. 前記厚さが、３５０Åから８００Åの範囲である請求項１に記載のコーティング。
6. 前記コーティングが、化学気相蒸着法により生成される請求項１に記載のコーティング。
7. 前記化学気相蒸着法が、４００℃から８００℃の範囲の温度で、前記固体基材をシラン、エチレン、二酸化炭素及び窒素を含有する気体中に曝すことを備える請求項６に記載のコーティング。
8. 前記コーティングの前記第１面が、ガラスを有する固体基材と接触している請求項１に記載のコーティング。
9. 前記コーティングの前記第１面が、前記コーティングと前記ガラスの間にある光学積層体と接触している請求項８に記載のコーティング。
10. 前記コーティングの前記第２面が、１０度未満の対水接触角を有する親水性である請求項１に記載のコーティング。
11. 前記コーティングの前記第２面が、５度未満の対水接触角を有する親水性である請求項１に記載のコーティング。
12. 化学気相蒸着法により固体基材上にオキシ炭化ケイ素組成物を蒸着することと、
    請求項１に記載のコーティングを生成すること
    を備えるコーティングの製造方法。
13. 前記化学気相蒸着法が、４００℃から８００℃の範囲の温度で、前記固体基材をシラン、エチレン、二酸化炭素及び窒素を含有する気体中に曝すことを備える請求項１２に記載の方法。
14. 窓枠に請求項１に記載のコーティングを支持することを含むコーティングの使用方法。
15. 内側の領域と、汚染物質を含む外側の領域の間に請求項１に記載のコーティングを配置することを含むコーティングの使用方法。
16. 基材を汚染物質のない状態にしておくためのコーティングの使用方法であり、
    請求項１のコーティングを屋外に曝すことと、
    ガラスクリーナーで前記コーティングの前記第２面を洗い流すこと
    を備える方法。
17. 前記ガラスクリーナーが、水と、石けん及び酢から成るグループの少なくとも１つの成分とを備える請求項１６に記載の方法。
18. 前記洗浄後、前記コーティングの前記第２面が、同一環境下で１．７０未満の屈折率及び３５０Å未満の厚さを有するオキシ炭化ケイ素層よりも長期間、２０度未満の対水接触角を有する親水性を維持する請求項１６に記載の方法。
19. 前記洗浄後、前記コーティングの前記第２面が、同一環境下で１．７０未満の屈折率及び３５０Å未満の厚さを有するオキシ炭化ケイ素層よりも少なくとも２倍長く、２０度未満の対水接触角を有する親水性を維持する請求項１８に記載の方法。
20. 前記洗浄後、前記コーティングの前記第２面が、同一環境下で１．７０未満の屈折率及び３５０Å未満の厚さを有するオキシ炭化ケイ素層よりも少なくとも５倍長く、２０度未満の対水接触角を有する親水性を維持する請求項１８に記載の方法。

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