JP2011515714A - 誘電体層及び金属層の対を使用する強固な光学フィルター - Google Patents

Abstract

相対的に厚い亜鉛ベースのフィルム（３０、３２及び３４）が、続いて形成される銀ベースのフィルム（１８、２０及び２２）のためのシード層としての機能を果たすと、光学フィルターの「腐食」性能が高められる。誘電体層及び金属層の少なくとも２つの対（１２、１４及び１６）が光学フィルター内に含まれ、ここで亜鉛ベースのフィルムが誘電体層の第２のフィルムであり、銀ベースのフィルムが金属層である。亜鉛ベースのフィルムは、少なくとも８０パーセントの亜鉛含有量を有し、少なくとも１５ｎｍの厚さを有する。腐食性能をさらに向上するために、銀ベースのフィルムに金を含有することができる。

Description

本発明は、概して光学配置を提供することに関し、より詳細には、目標光学特性及び高い耐劣化性を有する費用効果が高い光学フィルターを提供することに関する。

窓の反射及び透過の程度を光の様々な周波数範囲で制御するためにフィルムを使用することは、当分野で良く知られている。車両の窓並びに建築物及び住宅の多くの窓では、波長の可視光範囲（４００ｎｍから７００ｎｍ）内における透過率及び反射率を制御することにより、まぶしさが低減されている。同様の窓の用途では、部分的に太陽のスペクトルの可視部分又は近赤外部分（７００ｎｍから１２００ｎｍ）の一方又は両方での太陽光の透過を遮断することにより、熱負荷を低下させることができる。

太陽光制御をもたらすために知られているフィルム配列の１つが、本発明の譲受人に譲渡されている、Ｗｏｏｄａｒｄらに付与された特許文献１に記載されている。太陽光制御の配列は、柔軟なポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基材上のファブリー・ペロー干渉フィルター及び灰色の金属層を含み、これを続いて接着剤を使用して窓に取り付けることができる。ファブリー・ペロー干渉フィルターは、特定の波長の光を選択的に通過させ、他の波長の光は反射することにより、太陽による熱負荷の低減をもたらす。

米国特許第６，０３４，８１３号明細書

窓を通る太陽光の制御を提供することに関する光学的な検討に加え、構造的な検討がなされるべきである。構造的安定性に関し、製作、設置又は長期使用の間に光学配列に亀裂が生じる脆弱性を低下させることは、重要な目標である。他の「腐食」の形態を低減することも、少なくとも重要である。上記の特許文献１に記載されているように、保護をもたらすためにハードコート層がしばしば加えられる。しかし、ハードコート層は、製作過程の間に生じる腐食に対しては保護を与えず、光学配列の縁から引き起こされる腐食に対しては限られた有効性しか有さない。

光学フィルターの高い「腐食性能」は、相対的に厚い亜鉛ベースのフィルムを、続いて形成される銀ベースのフィルムのためのシードフィルムとして与えることにより達成される。この際、亜鉛ベースのフィルムは、２フィルム誘電体層の第２フィルムであり、銀ベースのフィルムは金属層である。得られた光学フィルターは、誘電体層及び金属層のこれらの対を少なくとも２つ含む。相対的に厚い亜鉛ベースのフィルムは、少なくとも８０パーセントの亜鉛含有量を有し、少なくとも１５ｎｍの厚さを有する。好ましい実施形態は、さらなる耐腐食性をもたらすように、銀ベースのフィルムが金を含有するものである。

１つの実施形態では、異なる対において亜鉛ベースのフィルムの厚さが不均一である。この不均一性に関する好ましい実施形態は、光学フィルターが形成される基材に隣接する対に、より薄い亜鉛ベースのフィルムを形成することである。例えば、３対の誘電体層及び金属層を有する光学フィルターでは、第１の亜鉛ベースのフィルムは、厚さ１５ｎｍにすることができ、続いて形成される亜鉛ベースのフィルムは、それぞれ厚さ３０ｎｍにすることができる（最大４０ｎｍ）。亜鉛ベースのフィルムの機能は、銀ベースのフィルムの形成を促進することである。亜鉛ベースのフィルムが十分に高い亜鉛含有量を有していれば、そのフィルムは、後で形成される金属層のためのシード層として機能する。しかし、この機能は、基材に最も近い層対で重要である一方で、より遠い誘電体層及び金属層の対でさらに重要であることが分かっている。亜鉛ベースのフィルムは、少なくとも５０パーセントの亜鉛含有量を有し、好ましくは８０パーセント以上である。最も好ましい実施形態では、亜鉛含有量は約９０パーセントである。同様に、亜鉛ベースの層の最小厚さは１５ｎｍと定められるが、最小値は、好ましくは２０ｎｍであり、最も好ましい実施形態では、２５ｎｍである。

亜鉛ベースのフィルムは、亜鉛スズ（ＺｎＳｎ）の酸化物とすることができるが、他の材料を選択してもよい。亜鉛スズの代替物は、亜鉛アルミニウムである。亜鉛ベースのフィルムは、スパッタリング蒸着できるが、フィルムが誘電体であるように酸化できるべきである。一部の実施形態では、少なくとも１つの亜鉛ベースのフィルムの厚みを通して、材料は一致しない。例えば、スパッタリング蒸着された亜鉛ベースのフィルムは、初めはＺｎＳｎで、ＺｎＡＩへと移り、ＺｎＳｎに戻ってもよい。亜鉛含有量（例えば、９０パーセント）を、この遷移の間で一定に維持することができる。フィルムの厚みに沿ったこの材料変化又は別の材料変化により、更なる腐食性能の効果が得られることが分かる。

上述の通り、金属層は、耐食性を高めるために好ましくは金を含有する銀ベースのフィルムである。亜鉛ベースのフィルムが、異なる層対において異なる厚さを有することができるように、異なる層対では、金の割合が異なってもよい。光学フィルターの劣化（腐食）が、基材表面に平行な大きな表面から最も生じるような用途では、より高い割合の金を最後の銀ベースのフィルムに含有させる。他方で、より重要な問題が縁からの侵食であり、最も影響を受けやすい層対が基材に最も近い対である窓用途もある。このような用途では、より高い割合の金が、基材に最も近い銀ベースのフィルムに含有されることが有利である。

好ましい実施形態では、透明な誘電体フィルムは、酸化インジウム（ＩｎＯ_x）などのインジウムベースである。この誘電体層の最初のフィルムは、特に下にある層が銀ベースのフィルムの層の１つである場合に、先に形成された層のための保護を提供する。水素含有量の高いフローを用いてインジウムベースのフィルムを形成することにより、下にある銀ベースのフィルムが酸化から保護されて、工程はより安定である。フィルムは、１．１から２．５の範囲内の屈折率を有するが、好ましくは、屈折率は１．３から２．１の範囲内である。好ましい材料は、Ｉｎ₂Ｏ₃であるが、透明な誘電体フィルムは、スズ、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ又はハフニウムなどの別の酸化金属をベースとしてもよい。

さらなる好ましい実施形態では、光学フィルターを車両、住宅又は建築物の窓などの窓用途で使用するために設計する。層対が連続して形成されて、誘電体層及び金属層の交互パターンを備えたファブリー・ペローフィルターをもたらす。

本発明の好ましい実施形態である基材上の積層の側面図である。 本発明が組み込まれたフィルター配列の側面図である。 図１の光学フィルターを形成するための工程の手順である。

図１に関し、柔軟なポリマー基材１０上に層の交互パターンを形成する。ポリマー基材は、２５から１００ミクロンの厚さを有するＰＥＴとすることができる。図１には示されていないが、積層と逆の基材面は、接着剤層及び剥離片を含むことができる。剥離片は、接着剤から容易に剥がすことができ、接着剤層により基材をフィルタリングが望まれる部材に結合することができる。例えば、フィルター配列を窓に接着することができる。別の実施形態では、積層は、フィルタリングが望まれる部材上に直接形成される。このような使用では、層を形成する材料を蒸着させるために、窓板をスパッター室に通すことが必要なときもある。

図１は、誘電体層及び金属層の交互パターン内に３つの層対１２、１４及び１６が存在する、好ましい実施形態を示している。各金属層１８、２０及び２２は、銀又は銀合金の単一フィルムである。これらの金属層は、初めに銀ベースのフィルムをスパッタリング蒸着し、次いで薄いチタンのキャップ層をスパッタリング蒸着し、続いてキャップ層が焼き鈍しされ、そして酸化されることにより形成されることができる。金属を焼き鈍しすることにより、層のシート抵抗を０．８Ω／スクエアに低下させることができることが分かっている。許容できる銀合金には、ＡｇＡｕ及びＡｇＰｄが含まれる。しかし、金の含有は、様々な種類の腐食を抑制する機能を有するので、好ましい材料はＡｇＡｕである。層内での銀含有量は、少なくとも５０パーセントであるべきであり、好ましくは少なくとも８５パーセントである。好ましい実施形態では、金属層は、約８５パーセントが銀であり、約１５パーセントが金である。

各誘電体層は、透明な誘電体フィルム２４、２６及び２８と、亜鉛ベースのフィルム３０、３２及び３４とを含む２フィルム層である。透明な誘電体フィルムは、酸化インジウムから形成することができる。図１では、第４の透明な誘電体フィルム３６及び第４の亜鉛ベースのフィルム３８により形成された第４の誘電体層が、示されている。この実施形態では、交互パターンを備えた３つの層対は、第１誘電体層ではなく、第１の金属層（銀ベースのフィルム３０）から始まると考えることもできる。

各誘電体層の第１フィルム２４、２６及び２８は、好ましくはＩｎＯ_xであり、最も好ましくは、Ｉｎ₂Ｏ₃である。インジウムベースのフィルムを高い水素含有量のフローでスパッタリング蒸着することにより、下にある材料は酸化から保護される。このことは、下にある銀ベースのフィルム１８、２０及び２２が酸化に対して保護されるので、上方の誘電体層に関して特に有用である。さらに、インジウムベースのフィルムの形成は、スパッタリング蒸着の際に安定である。しかしながら、誘電体層のこの第１フィルムが、スズベース、チタンベース、ジルコニウムベース、タンタルベース、ニオブベース又はハフニウムベースに代えられても、やはり利点があることが分かっている。

誘電体層の亜鉛ベースのフィルム３０、３２及び３４は、銀ベースのフィルム１８、２０及び２２の形成を促進するために使用される。各亜鉛ベースのフィルムの厚さは、少なくとも１５ｎｍである。相対的に厚い亜鉛ベースの「シード」フィルムは、最終的な光学フィルターの「腐食」性能を向上させる。このフィルムは主に亜鉛であり、好ましくは少なくとも８０パーセントが亜鉛であるが、フィルムが誘電体であることを確保するために酸化されなくてはならない。図１は、このフィルムが９０パーセントの亜鉛及び１０パーセントのスズを含む最も好ましい実施形態を示している。しかし、上述の通り、１つ又は複数の亜鉛ベースのフィルムを、その厚さに沿った材料変化を含むようにスパッタリング蒸着することもできる（例えば、ＺｎＳｎからＺｎＡＩへ、そしてＺｎＳｎに戻る）。異なるフィルムを得るためにスパッタリング技術を使用する場合（好ましい実施形態として）、割合はスパッタリングターゲットの含有量を指しており、「割合」についての言及は、酸化に関係しない。

銀と、高い割合の亜鉛を有する酸化亜鉛との間には、望ましい格子整合が存在する。したがって、亜鉛ベースのフィルム３０、３２及び３４は、銀ベースのフィルム１８、２０及び２２での核形成及びエピタキシャル成長を促進する。スパッタリング蒸着された酸化亜鉛の厚さが増すにつれて、結晶粒径も大きくなる。これにより、非晶質薄膜から著しく結晶化したフィルムまでその厚さに応じて変化する、亜鉛ベースの酸化物フィルムが生じ得る。上述の通り、各亜鉛ベースのフィルム３０、３２及び３４の厚さは少なくとも１５ｎｍであり（好ましくは少なくとも２０ｎｍであり、最も好ましくは２５ｎｍである）、誘電体層の厚さ全体よりも薄い（誘電体層は、透明な誘電体フィルム２４、２６及び２８も含むため）。１５ｎｍの最低厚さは、界面が「より強固」で、分離及び腐食に対してより抵抗性を有するため、より結晶質のフィルムを生じさせ、続いてスパッタリング蒸着される銀ベースのフィルムのためにより良好なシード層をもたらす。好ましくは、亜鉛ベースのフィルムの厚さは、４０ｎｍ以下である。最も好ましい実施形態では、厚さは、２５ｎｍより厚いが４０ｎｍ以下である。

本発明の一部の実施形態では、亜鉛ベースのフィルム３０、３２及び３４の厚さは、不均一である。基材１０に隣接する亜鉛ベースのフィルム３０の厚さは、基材からより遠いフィルム３２及び３４の厚さよりも、その役割の重要性が低いことが分かっている。このことは、第４の亜鉛ベースのフィルム３８にも当てはまる。第１の亜鉛ベースのフィルム３０の厚さは、２５ｎｍとすることができ、一方で残りのフィルムは、３０ｎｍの厚さを有する。

また、銀ベースの層１８、２０及び２２内の金含有量を不均一にすることもできる。金含有量は、様々な考慮に基づいて、主として費用及び耐腐食性に基づいて調整され得る。ほとんどの用途では、光学フィルターの結合は、図１の配列で見られる上方から侵される。このような用途では、最も上の銀ベースのフィルム２２の金含有量が、下のフィルム１８及び２０の金含有量よりも高い。これは、そのような用途のために金含有量の調整を含んだ好ましい実施形態である。しかし、最大の腐食原因が、光学フィルターの製作の間にある用途もある。そのような場合には、形成される第１の銀ベースのフィルム１８がより高い金含有量を有するのが有利であり得る。この代わりの実施形態はまた、最大の腐食原因が光学フィルターの縁からの「侵食」である用途に関して望ましいことがある。

図２は、本発明が利用されるより複雑なアセンブリを示している。積層４０は、図１の基材１０の上にスパッタリング蒸着された層を表す。取り付け用接着剤４２を使用して、このアセンブリを光学的フィルタリングが望まれる窓に接着する。アセンブリを窓に取り付ける用意ができるまで、剥離片４４は、取り付け用接着剤に付いた状態にされる。貼合せ用接着剤４６は、ハードコート層５０を有する第２のＰＥＴ基材４８を、アセンブリの他の構成要素に固定する。

図３は、図１及び図２の光学フィルターを形成する工程の手順を示す。初めに、ステップ５２で基材を用意する。基材は、ＰＥＴなどの透明で柔軟な材料のウェブとすることができる。あるいは、基材を窓として、窓に直接様々な層を形成するようにしてもよい。

ステップ５４で、誘電体層の第１のフィルムを形成する。好ましい実施形態では、スパッタリング技術を使用して、酸化インジウム層を形成する。第１のフィルムを蒸着させた後に、ステップ５６で亜鉛ベースのフィルムを形成する。このフィルムは、少なくとも１５ｎｍの厚さを有し、第１のフィルムと組み合わされて、誘電体層を形成する。亜鉛ベースのフィルムは、少なくとも８０パーセントの亜鉛含有量を有する。好ましい実施形態では、約９０パーセントの亜鉛及び約１０パーセントのスズを含むように組み合わせたスパッタリングターゲットを使用して、フィルムを蒸着させる。あるいは、亜鉛アルミニウムを形成し、その後に酸化させることができる。

亜鉛ベースのフィルムは、ステップ５８で形成される銀ベースのフィルムのためのシード層を提供する。この銀ベースのフィルムは、ファブリー・ペローフィルターを作る際の金属層を構成する。このフィルムは、少なくとも５０パーセントが銀であり、好ましくは、少なくとも８５パーセントが銀である。金を金属層に混ぜると、耐食性が高まる。

決定ステップ６０で、追加の誘電体層及び金属層の対を含むことが必要かどうかを決定する。本発明による光学フィルターは、少なくとも２つの層対を含むので、返答は肯定である。よって、工程はステップ６４に続き、ここでフィルムの調整が第２の層対のために行われるべきであるかどうかを決定する。即ち、第２の層対の３つのフィルムが、第１の対と同じであるべきか又は異なるべきであるかを決定する。上述の通り、第１の層対の亜鉛ベースのフィルムは、続く層対での相当するフィルムよりも薄くてよい。また、銀ベースのフィルム内の金含有量を調整することが可能であることも述べた通りである。ステップ６０及びステップ６４での決定により、３つのフィルムの手順が、ステップ５４、５６及び５８で繰り返される。

ステップ５４、５６及び５８で２回目のフィルム形成の実行が完了すると、２度目の決定ステップ６０に直面する。２つの誘電体層及び金属層の対で十分な場合には、ステップ６２で工程を終了する。しかし、好ましい実施形態は３つの層対を含むものであるので、再び決定ステップ６４及び選択ステップ６６に至り、３つの追加のフィルムを形成する。第３の層対の形成後に、工程をステップ６２で終了させることができる。しかし、図１のフィルム３６及び３８を任意で含めるために、ステップ６６でのパラメーターの選択は、ステップ５４に戻った際の銀ベースの層の削除を含めることができる。

図３のステップの工程フローには図示されていないが、その後に光学フィルターを窓に取り付けることができる。しかし、図２のハードコート５０などの他の部材を含むことが多くの場合に一般的である。

１２，１４，１６ 誘電体層及び金属層の対
１８，２０，２２ 銀ベースのフィルム
３０，３２，３４ 亜鉛ベースのフィルム

Claims (17)

1. 光学フィルターの作成方法であって、
   誘電体層及び金属層の複数の対を含む積層を基材上に形成するステップを含み、該ステップは、
   少なくとも１．１の屈折率を有する透明な誘電体フィルムを、前記誘電体層の第１のフィルムとして形成するステップと、
   少なくとも８０パーセントの亜鉛含有量を有しかつ少なくとも１５ｎｍの厚さを有する亜鉛ベースのフィルムを、前記誘電体層の第２フィルムとして形成するステップと、
   前記亜鉛ベースのフィルムと接して、銀ベースのフィルムを前記金属層として形成するステップと、
   によって前記対のそれぞれを形成することを含む光学フィルターの作成方法。
2. 前記複数の対を含む積層の形成が、前記基材に隣接する前記対の前記亜鉛ベースのフィルムを、それより前記基材から遠い前記対のそれぞれの前記亜鉛ベースのフィルムよりも薄く形成することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記銀ベースのフィルムの形成が、銀及び金の合金を蒸着させることを包み、前記金は、前記積層の腐食を抑制するために含まれる、請求項１に記載の方法。
4. 前記合金の蒸着が、前記銀ベースのフィルムごとに、前記基材からの距離に基づいて、異なる金の含有割合を意図的に含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記基材から最も遠い前記銀ベースのフィルムが、前記基材に最も近い前記銀ベースのフィルムよりも高い金の割合を有するようにして形成される、請求項４に記載の方法。
6. 前記銀ベースのフィルムの形成を促進することに基づき、前記亜鉛ベースのフィルムの厚さを選択するステップと、前記亜鉛含有量の割合を選択するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記誘電体層及び金属層の複数の対の中の前記透明な誘電体フィルムの形成が、スパッタリング技術を用いてインジウムベースのフィルムを蒸着させることを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記亜鉛ベースのフィルムの形成が、１５ｎｍから４０ｎｍの範囲でフィルムの厚さを与える、請求項１に記載の方法。
9. 窓に前記積層を取り付けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 透明な基材と、
    前記基材上の積層と、
    を含み、前記積層は誘電体層及び金属層の対を含み、前記対はそれぞれ、
    少なくとも１．１の屈折率を有する前記誘電体層の第１のフィルムとしての透明な誘電体フィルムと、
    少なくとも８０パーセントの亜鉛含有量を有しかつ１５ｎｍから４０ｎｍの範囲の厚さを有する前記誘電体層の第２フィルムとしての亜鉛ベースのフィルムと、
    前記亜鉛ベースのフィルムと接する前記金属層としての銀金フィルムと、
    によって形成されるフィルター。
11. 前記基材に隣接する前記誘電体層及び金属層の対の中の前記亜鉛ベースのフィルムが、他の前記対のそれぞれの前記亜鉛ベースのフィルムよりも薄い、請求項１０に記載のフィルター。
12. 前記亜鉛ベースのフィルムのそれぞれが、亜鉛スズ又は亜鉛アルミニウムであり、亜鉛含有量が約９０パーセントである、請求項１１に記載のフィルター。
13. 前記透明な誘電体層のそれぞれが、酸化インジウムである、請求項１０に記載のフィルター。
14. 前記基材から最も遠い前記誘電体層及び金属層の対の中の前記銀金フィルムが、他の前記対のそれぞれの前記銀金フィルムよりも高い金含有量を有する、請求項１０に記載のフィルター。
15. 前記基材が窓に取り付けられる、請求項１０に記載のフィルター。
16. ３つの前記誘電体層及び金属層の対を含む、請求項１０に記載のフィルター。
17. 前記透明な誘電体フィルムのそれぞれがＩｎ₂Ｏ₃である、請求項１０に記載のフィルター。

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