JP4858170B2 - 非晶質酸化珪素バインダを有するMgF2光学薄膜の製造方法 - Google Patents
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Description
ここでnpは微小孔を充たす物質(例えば、空気或いは水)の屈折率であり、nfとnoはそれぞれ現実の屈折率(充填密度に依存する)と堆積した固体材料の屈折率であり、Pは膜の充填率である。更に充填率は以下のように定義される。
かくして、充填密度の高低はそれぞれ屈折率の高低を意味する。
[第1実施形態]
図1に、第1実施形態のMgF2光学薄膜(MgF2−SiO2膜)が形成された光学素子を示す。この光学素子100は、基材10とその平坦な光学面に積層されたMgF2光学薄膜11とを有する。基材10は、屈折率1.4〜2.1のガラス、プラスチック等から形成され、板材またはレンズでもよい。基材10の光学面は曲面状に形成されていても良い。
アミン系触媒を少量添加したポリシラザン溶液を用いると、室温でも反応が進行してSiO2に転化させることができる。通常は50℃以上、相対湿度50%以上の高湿度において熱処理してSiO2に転化すると、比較的短時間で十分な膜強度が得られるので好ましい。
MgF2ゾル溶液はフッ化水素酸(フッ酸)と酢酸マグネシウムを原料にして以下のようにして調製した。50%フッ酸をメタノールに溶解したフッ酸メタノール溶液と、酢酸マグネシウム4水和物をメタノールに溶解した酢酸マグネシウムメタノール溶液とをそれぞれ調整した。酢酸マグネシウムメタノール溶液を攪拌しながら所定量のフッ酸メタノール溶液を滴下してMgF2ゾル溶液を調整した。以下の実施例では、MgF2ゾル溶液の調製の際、原料であるフッ酸と酢酸マグネシウムのmol比(F/Mg比)を1.90〜2.0の範囲で変化させた。また、フッ酸と酢酸マグネシウムの濃度を調節して、MgF2ゾル溶液に含まれるMgF2濃度を0.5〜2wt%の範囲で変化させた。
高温高圧処理したMgF2ゾル溶液の分散媒はほぼメタノールであり、このゾル溶液をそのまま塗布してもメタノールの蒸発速度が速すぎるため均一に成膜し難かった。そのため、ゾル溶液をロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、より蒸気圧の低い有機溶媒、例えばプロパノ−ルやブタノ−ルなどの高級アルコ−ルで希釈することにより、メタノール分散媒の一部をそのような有機溶媒で置換してMgF2ゾル置換溶液を調製した。
非晶質酸化珪素系バインダとして種々のバインダ溶液を調整した。シリコンアルコキシドを含有するバインダ溶液としては、テトラエトキシシラン(TEOS)をメタノールに溶解し、塩酸を触媒として添加し、80℃で24時間還流して使用した。また、シリコンアルコキシドを含有する別のバインダ溶液として、住友大阪セメント(株)製のスミセファインG−200B(商標、SiO2換算濃度:1.63wt%)を使用した。
一回塗布法を採用する場合には、以下のようにしてMgF2ゾル溶液にバインダ溶液を混合させて塗布液を調整する。高温高圧処理したゾル溶液に、シリコンアルコキシドを含有するバインダ溶液を最大で50wt%まで添加し、これをロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、より蒸気圧の低い有機溶媒、例えば、プロパノールやブタノールなどの高級アルコールで希釈することにより、メタノール分散媒の一部をそのような有機溶媒で置換して塗布液を調製した。この塗布液は、蒸発速度が抑えられ、均一な厚さに塗布することができた。特に、メタノール分散媒の半分以上を置換した場合、容易にむらなく均一に塗布することができた。
片面成膜した基板の反射および透過プロファイルを、それぞれ日立製作所製U−4000とVarian製CARY5を用いて測定した。これらの結果から、波長550nmにおける膜の屈折率と膜厚を計算して求めた。
膜の収縮率は、1回塗布法の場合、バインダ溶液の有無によって生じる膜厚差を測定し、2回塗布法の場合、バインダ処理の前後で生じる膜厚差をそれぞれ測定して求めた。
合成繊維拭き布であるカネボウ(株)製CKワイパーを用い、メタノールで湿らせてから成膜した基板を手拭いた。集光灯で基板を背後から照らしながら、手拭きによって膜に傷が発生するか観察し、耐手拭き性を評価した。
JIS R3255に準拠したマイクロインデンテーション試験法により、NEC三栄製薄膜物性評価装置(MH−4000)を用いて膜の基板に対する付着力(膜強度(MPa))を測定した。試料は35°傾斜させ、ルビー圧子の押込み速度を1.4nm/secにして測定した。
MgF2濃度が1%、フッ酸/酢酸マグネシウム比が1.95となるようにフッ酸メタノール溶液を酢酸マグネシウムメタノール溶液に混合してMgF2ゾル溶液を調製した。次いで、このゾル溶液を140℃で24時間高温高圧処理した。処理したMgF2ゾル溶液中のMgF2微粒子の平均粒径を電子顕微鏡観察により測定し、20nmであった。このゾル溶液をロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、1−プロパノールで希釈してメタノール溶媒の67%を置換した。MgF2ゾル溶液のMgF2濃度を2.5%とし、厚さ3mmの石英ガラス基板に2000rpmでスピンコートして多孔質MgF2膜を形成した。
MgF2濃度が1%、フッ酸/酢酸マグネシウム比が1.98、1.99および2.0となるようにフッ酸メタノール溶液を酢酸マグネシウムメタノール溶液に混合してMgF2ゾル溶液を調製した以外は、実施例1−5と同様にして2回塗布法によりMgF2−SiO2膜を形成した。得られた膜の特性を測定し、結果を表1に示す。
MgF2濃度が0.5および2%、フッ酸/酢酸マグネシウム比が1.99の条件でMgF2ゾル溶液を調製した以外は、実施例1−5と同様にして2回塗布法によりMgF2−SiO2膜を形成した。得られた膜の特性を測定し、結果を表1に示す。
MgF2濃度が1%、フッ酸/酢酸マグネシウム比が1.90、1.95および2.0の条件でMgF2ゾル溶液を調製した。このゾル溶液を用い、バインダ溶液で処理することなく、実施例1−5と同様にして多孔質MgF2膜を成膜した。得られた膜の特性を測定して、結果を表1に示す。
スミセファインG−200Bをロータリーエバポレーターで濃縮して濃度を3.73%とし、厚さ10mmのBSC7ガラス基板に2000rpmでスピンコートした。次いで、このガラス基板を160℃で熱処理してガラス基板上にSiO2膜を形成した。
この実施例ではMgF2−SiO2膜を一回塗布法で形成する。MgF2濃度が1%、フッ酸/酢酸マグネシウム比が1.99および1.95となるようにフッ酸メタノール溶液を酢酸マグネシウムメタノール溶液に混合して、MgF2ゾル溶液を調製した。次いでこのゾル溶液を140℃で24時間高温高圧処理した。処理したMgF2ゾル溶液中のMgF2微粒子の平均粒径を電子顕微鏡観察で測定し、20nmであった。
MgF2濃度が1%の条件でゾル溶液を調製し、140℃で24時間高温高圧処理した。このゾル溶液をロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、1−プロパノールで希釈してメタノール溶媒の67%を置換した。ゾル溶液のMgF2濃度は2.5%とし、厚さ3mmの石英ガラス基板に2000rpmでスピンコートして多孔質MgF2膜を形成した。
MgF2濃度が2%、フッ酸/酢酸マグネシウム比が1.99となるようにフッ酸メタノール溶液を酢酸マグネシウムメタノール溶液に混合してMgF2ゾル溶液を調製した。次いで、このゾル溶液を140℃で24時間高温高圧処理した。このゾル溶液をロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、1−プロパノールで希釈してメタノール溶媒の67%を置換した。ゾル溶液のMgF2濃度は4%とし、室温24℃、相対湿度33%の環境で、厚さ3mmの石英ガラス基板に1000rpmでスピンコートして多孔質MgF2膜を形成したところ、むらなく均一に成膜できた。屈折率は1.19で、厚さは2210Åであった。
MgF2濃度が1%、フッ酸/酢酸マグネシウム比が1.95となるようにフッ酸メタノール溶液を酢酸マグネシウムメタノール溶液に混合してMgF2ゾル溶液を調製した。次いで、このゾル溶液を140℃で24時間高温高圧処理した。このゾル溶液をロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、1−プロパノールで希釈してメタノール溶媒の67%を置換した。バインダ溶液のMgF2濃度を3.5%とし、室温24℃、相対湿度33%の環境で、厚さ3mmの石英ガラス基板にスピンコートして多孔質MgF2膜を形成した。
実施例1、15および24で得られた屈折率1.33−1.35のMgF2−SiO2膜を石英ガラス基板に代えてnd=1.80の屈折率の光学ガラス基板上に成膜した。得られた基板の分光反射率を測定すると、反射率の最低値は0.1%であった。
実施例4、5および18で得られた屈折率1.39−1.41のMgF2−SiO2膜を石英ガラス基板に代えてnd=2.02の屈折率の光学ガラス基板上に成膜した。得られた基板の分光反射率を測定すると、反射率の最低値は0.1%であった。
実施例8、10、12および21で得られた屈折率1.23のMgF2−SiO2膜を最上層に配した5層反射防止膜をDF13光学ガラス(nd=1.74)上に形成した。即ち、ドライプロセスにより形成したAl2O3,MgF2,ZrO2膜と、ウエットプロセスで形成したMgF2−SiO2膜とをDF13光学ガラス上に積層した。
第1層に実施例3および17で得られた屈折率1.38のMgF2−SiO2膜を、第2層に実施例8、10、12および21で得られた屈折率1.23のMgF2−SiO2膜を配した2層反射防止膜をBSC7光学ガラス(nd=1.52)上に形成した。2層とも湿式成膜法であるため、曲率半径の小さいレンズにも多層反射防止膜を均一に成膜できた。
図8は、第2実施形態の光学素子110構造を示す。
[実施例36]
[比較例5]
[実施例37]
Claims (14)
- MgF2光学薄膜の製造方法であって、
マグネシウム化合物とフッ素化合物とを溶媒中で混合することにより、MgF2微粒子が分散したゾル溶液を調製する工程と、
前記ゾル溶液を密閉可能な容器に入れて、加圧処理及び熱処理を同時に行う工程と、
反応により、非晶質シリカから形成される非晶質酸化珪素系バインダを形成可能な成分を含有するバインダ溶液を調製する工程と、
前記加圧処理及び熱処理後のゾル溶液と前記バインダ溶液とを混合して塗布液を調製する工程と、
前記塗布液を基材に塗布及び乾燥して成膜する工程と、
成膜後に熱処理する工程とを含み、
前記MgF2微粒子間が前記非晶質酸化珪素系バインダにより連結されるMgF2光学薄膜の製造方法。 - MgF2光学薄膜の製造方法であって、
マグネシウム化合物とフッ素化合物とを溶媒中で混合することにより、MgF2微粒子が分散したゾル溶液を調製する工程と、
前記ゾル溶液を密閉可能な容器に入れて、加圧処理及び熱処理を同時に行う工程と、
反応により、非晶質シリカから形成される非晶質酸化珪素系バインダを形成可能な成分を含有するバインダ溶液を調製する工程と、
前記加圧処理及び熱処理後のゾル溶液を基材に塗布及び乾燥して多孔質膜を成膜する工程と、
前記多孔質膜に、前記バインダ溶液を塗布及び含浸させる工程と、
含浸後に熱処理する工程とを含み、
前記MgF2微粒子間が前記非晶質酸化珪素系バインダにより連結されるMgF2光学薄膜の製造方法。 - 前記マグネシウム化合物が酢酸マグネシウムであり、前記フッ素化合物がフッ化水素酸であり、前記溶媒がメタノールである請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記溶媒中に存在する前記マグネシウム化合物のマグネシウムに対する前記フッ素化合物のフッ素のモル比が、1.9〜2.0である請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記非晶質酸化珪素系バインダを形成可能な成分は、有機珪素化合物であることを特徴とする請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記有機珪素化合物は、シリコンアルコキシド若しくはその重合体またはポリシラザンである請求項5に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記多孔質膜に塗布する前記バインダ溶液又は前記塗布液の珪素のSiO2換算濃度が、5wt%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記塗布液または前記ゾル溶液を、スピンコート法またはディップコート法により前記基材に塗布する請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記塗布液または前記ゾル溶液を、相対湿度5%〜40%の雰囲気下で、スピンコート法により前記基材に塗布する請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記塗布液または前記ゾル溶液を前記基材に供給後、3秒以内に、該基材を最高回転数500rpm〜9000rpmで回転させて、スピンコート法により塗布する請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記多孔質膜に塗布及び含浸させる前記バインダ溶液または前記塗布液の珪素のSiO2換算濃度を調整することにより、所望の屈折率の前記MgF2光学薄膜を製造する請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 前記ゾル溶液の前記マグネシウム化合物のマグネシウムに対する前記フッ素化合物のフッ素のモル比を調整することにより、所望の屈折率の前記複数のMgF2光学薄膜を製造する請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- MgF2微粒子の平均粒径が1nm〜100nmである請求項1又は2に記載のMgF2光学薄膜の製造方法。
- 請求項6記載の製造方法によりMgF2光学薄膜を製造するためのゾル溶液であって、シリコンアルコキシド又はその重合体と、平均粒径1nm〜100nmのMgF2微粒子とを含有するバインダ含有MgF2ゾル溶液。
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