JP5896889B2 - 光学選択膜 - Google Patents
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Description
本発明は、光学選択膜に関する。
太陽の光エネルギーを直接電気に変換する太陽光発電がよく知られているが、近年、太陽の光エネルギーを一度、熱に変換して、その熱を利用して発電を行う太陽熱利用システムが注目されている。この太陽熱利用システムでは、集光部で太陽光を集光し、そして集光した太陽光によって、容器又は流路内の熱媒体（オイル、溶解塩、溶融ナトリウム等）を加熱することが知られている。そして、容器又は流路の表面に被覆物、薄膜等を提供し、それによって集光した太陽光による熱媒体の加熱を促進することが検討されている。
例えば、特許文献１では、赤外領域反射層、反射層の上方へ配置される少なくとも１層の吸収層、及び吸収層の上方へ配置される反射防止層から構成される、特にパラボラコレクターの吸収チューブに用いる放射線選択的吸収コーティングであって、反射層は少なくとも２層のバリア層上へ配置され、及び少なくとも２層のバリア層のうちの第二バリア層はＳｉＯｘ化合物から成ることを特徴とする吸収コーティングが提案されている。
しかしながら、集光した太陽光による熱媒体の加熱を促進して、更に効率的に光を熱に変換する太陽熱利用システムが望まれているのが現状である。本発明は、このようなニーズを踏まえて本発明者らが鋭意検討した結果、見出されたものである。
したがって、本発明は、光を熱に効率的に変換することに寄与する光学選択膜を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための手段は、以下の第（１）項〜第（７）項である。
（１）Ａｇ含有層と、そのＡｇ含有層に隣接して配置されるＡｇ拡散防止層とを少なくとも含む光学選択膜であって、そのＡｇ拡散防止層がＦｅＳｉX（Ｘ＝１〜２）を含む、
光学選択膜。
（２）そのＦｅＳｉXがＦｅＳｉ2(Ｘ=２）である、第（１）項に記載の光学選択膜。
（３）そのＦｅＳｉ2がβ−ＦｅＳｉ2である、第（２）項に記載の光学選択膜。
（４）そのＦｅＳｉ2がα−ＦｅＳｉ2である、第（２）項に記載の光学選択膜。
（５）そのＡｇ含有層が赤外線反射膜である、第（１）項から第（４）項のいずれか１項に記載の光学選択膜。
（６）少なくとも、そのＡｇ含有層と、そのＡｇ拡散防止層とが、この順で積層されてなる、第（１）項から第（５）項のいずれか１項に記載の光学選択膜。
（７）少なくとも、そのＡｇ拡散防止層と、そのＡｇ含有層と、そのＡｇ拡散防止層とが、この順で積層されてなる、第（１）項から第（５）項のいずれか１項に記載の光学選択膜。
（１）Ａｇ含有層と、そのＡｇ含有層に隣接して配置されるＡｇ拡散防止層とを少なくとも含む光学選択膜であって、そのＡｇ拡散防止層がＦｅＳｉX（Ｘ＝１〜２）を含む、
光学選択膜。
（２）そのＦｅＳｉXがＦｅＳｉ2(Ｘ=２）である、第（１）項に記載の光学選択膜。
（３）そのＦｅＳｉ2がβ−ＦｅＳｉ2である、第（２）項に記載の光学選択膜。
（４）そのＦｅＳｉ2がα−ＦｅＳｉ2である、第（２）項に記載の光学選択膜。
（５）そのＡｇ含有層が赤外線反射膜である、第（１）項から第（４）項のいずれか１項に記載の光学選択膜。
（６）少なくとも、そのＡｇ含有層と、そのＡｇ拡散防止層とが、この順で積層されてなる、第（１）項から第（５）項のいずれか１項に記載の光学選択膜。
（７）少なくとも、そのＡｇ拡散防止層と、そのＡｇ含有層と、そのＡｇ拡散防止層とが、この順で積層されてなる、第（１）項から第（５）項のいずれか１項に記載の光学選択膜。
本発明によれば、光を熱に効率的に変換することに寄与する光学選択膜が提供される。
（１）光学選択膜
本発明による光学選択膜は、Ａｇ含有層と、Ａｇ含有層に隣接して配置されるＡｇ拡散防止層とを少なくとも含む光学選択膜であって、Ａｇ拡散防止層がＦｅＳｉX（Ｘ＝１〜２）を含むことを特徴とする光学選択膜である。本発明による光学選択膜は、光を熱に効率的に変換することに寄与することができる。すなわち、本発明による光学選択膜を構成するＡｇ拡散防止層が、本発明による光学選択膜を加熱した際に、Ａｇ含有層のＡｇ（銀）が光学選択膜を構成する他の層に拡散することを防止して安定的な光学特性を維持することに寄与する。本発明による光学選択膜が、集光した太陽光及び熱媒体によって加熱される温度は、４００℃以上でよく、６００℃以上であることが好ましく、７００℃以上であることがより好ましい。本発明による光学選択膜は、使用時に高温にさらされても安定的な光学特性を維持することができる。
本発明による光学選択膜は、Ａｇ含有層と、Ａｇ含有層に隣接して配置されるＡｇ拡散防止層とを少なくとも含む光学選択膜であって、Ａｇ拡散防止層がＦｅＳｉX（Ｘ＝１〜２）を含むことを特徴とする光学選択膜である。本発明による光学選択膜は、光を熱に効率的に変換することに寄与することができる。すなわち、本発明による光学選択膜を構成するＡｇ拡散防止層が、本発明による光学選択膜を加熱した際に、Ａｇ含有層のＡｇ（銀）が光学選択膜を構成する他の層に拡散することを防止して安定的な光学特性を維持することに寄与する。本発明による光学選択膜が、集光した太陽光及び熱媒体によって加熱される温度は、４００℃以上でよく、６００℃以上であることが好ましく、７００℃以上であることがより好ましい。本発明による光学選択膜は、使用時に高温にさらされても安定的な光学特性を維持することができる。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ含有層はＡｇ（銀）を含み、Ａｇ（銀）は、単一の銀元素から構成される純金属でもよいし、銀元素と他の金属元素とか構成される銀合金でもよいし、銀元素と非金属元素とから構成される銀の金属様でもよい。他の金属元素としては、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、Ｐｄ（パラジウム）等が挙げられる。非金属元素としては、例えば、Ｓｉ（シリコン）が挙げられる。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ含有層は、任意の割合で、Ａｇ（銀）を含有してよいが、８０ｖｏｌ％〜１００ｖｏｌ％以上の割合で含有することが好ましい。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ拡散防止層は、Ａｇ含有層に隣接して配置される。隣接して配置されるとは、Ａｇ拡散防止層の少なくとも１部と、Ａｇ含有層の少なくとも１部とが接して配置されることをいう。本発明による光学選択膜において、Ａｇ拡散防止層が、Ａｇ含有層に積層されていることが好ましい。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ拡散防止層は、任意の割合でＦｅＳｉX（Ｘ＝１〜２）を含んでよいが、８０ｖｏｌ％〜１００ｖｏｌ％以上の割合で含むことが好ましい。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ拡散防止層に含まれるＦｅＳｉXがＦｅＳｉ2(Ｘ=２）であることが好ましい。Ａｇ拡散防止層にＦｅＳｉ2(Ｘ=２）が含まれることによって、本発明による光学選択膜は、光を熱に更に効率的に変換することに寄与することができる。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ拡散防止層に含まれるＦｅＳｉ2(Ｘ=２）が、β−ＦｅＳｉ2であることが好ましい。Ａｇ拡散防止層にβ−ＦｅＳｉ2が含まれることによって、本発明による光学選択膜は、光を熱に更に効率的に変換することに寄与することができる。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ拡散防止層に含まれるＦｅＳｉ2(Ｘ=２）が、α−ＦｅＳｉ2であることが好ましい。Ａｇ拡散防止層にα−ＦｅＳｉ2が含まれることによって、本発明による光学選択膜は、光を熱に更に効率的に変換することに寄与することができる。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ含有層が、赤外線反射膜であることが好ましい。赤外反射膜の厚さは本発明の効果を奏すれば任意の厚さでよいが、少なくとも１００ｎｍの厚さであることが好ましい。また、本発明による光学選択膜を構成するＡｇ含有層が光吸収層でもよい。
本発明による光学選択膜を構成するＡｇ含有層が光吸収層である場合、サーメット層（Ｃｅｒａｍｉｃ＋Ｍｅｔａｌ＝Ｃｅｒｍｅｔ）でよい。本発明による光学選択膜を構成するサーメット層は、銀粒子又は銀ナノ粒子と酸化アルミウム（Ａｌ2Ｏ3）とのコンポジット材から構成されてもよいし、銀粒子又は銀ナノ粒子と酸化ジルコニウム(ＺｒＯ又はＺｒＯ2）とのコンポジット材から構成されてもよいし、銀粒子又は銀ナノ粒子と二酸化珪素（ＳｉＯ2）とのコンポジット材から構成されてもよい。サーメット層の厚みは、好ましくは６０〜１８０ｎｍであり、より好ましくは８０ｎｍ〜１５０ｎｍである。
本発明による光学選択膜は、反射防止層として透明誘電体層を含んでよい。本発明による光学選択膜を構成する透明誘電体層は、特に限定されることはないが、例えば、ＳｉＯ2層、Ａｌ2Ｏ3層、ＡｌＮ層等が挙げられるが、ＳｉＯ2層であることが好ましい。本発明による光学選択膜を構成する透明誘電体層の厚さは本発明の効果を奏すれば任意の厚さでよいが、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さであることが好ましい。
本発明による光学選択膜は、公知である任意の製造方法で得ることができる。例えば、本発明による光学選択膜の基板の基板温度を室温にして、物理気相堆積（ＰＶＤ）、スパッタリング等によって、本発明による光学選択膜は製造され得る。
以下、図１及び図２を参照しながら、本発明による光学選択膜について更に詳細に説明をする。なお、本発明による光学選択膜は、本発明の目的及び主旨を逸脱しない範囲内で、図１及び図２の本発明の実施の形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の光学選択膜の１つの好ましい実施態様である、光学選択膜１の断面模式図である。本発明の実施の形態に係る光学選択膜１は、Ａｇ含有層（１１）の上方にＡｇ拡散防止層（１２）が積層されてなるものである。光学選択膜１は、Ａｇ拡散防止層（１２）がＡｇ含有層（１１）の片面に積層された光学選択膜である。
図２は、本発明の光学選択膜の別の１つの好ましい実施態様である、光学選択膜２の断面模式図である。本発明の実施の形態に係る光学選択膜２は、Ａｇ拡散防止層（２１）の上方にＡｇ含有層（２２）が積層され、さらに、Ａｇ含有層（２２）の上方にＡｇ拡散防止層（２３）が積層されてなるものである。光学選択膜２は、Ａｇ拡散防止層（２１）及びＡｇ拡散防止層（２３）がＡｇ含有層（２２）の両面に積層された光学選択膜である。
以下、本発明をより具体的に説明するための実施例を提供する。なお、本発明は、その目的及び主旨を逸脱しない範囲で以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図３に示す光学選択膜３を作製した。室温下で石英基板（不図示）に、Ａｇ（銀）をターゲットとしてスパッタリングすることによってＡｇ層（３１）を積層し、続いて、ＦｅＳｉ2をターゲットとしてスパッタリングすることによってＡｇ層（３１）の上方にＦｅＳｉ2層（３２）を積層して、光学選択膜３を成膜した。
図３に示す光学選択膜３を作製した。室温下で石英基板（不図示）に、Ａｇ（銀）をターゲットとしてスパッタリングすることによってＡｇ層（３１）を積層し、続いて、ＦｅＳｉ2をターゲットとしてスパッタリングすることによってＡｇ層（３１）の上方にＦｅＳｉ2層（３２）を積層して、光学選択膜３を成膜した。
続いて、光学選択膜３を７００℃で１時間加熱した。光学選択膜３の加熱前後の断面模式図を図４に示す。図４に示すように、Ａｇ層（３１）に含まれるＡｇ（銀）粒子(３３)が加熱後に、ＦｅＳｉ2層（３２）に拡散していないことが理解できる。
次に、Ａｇ層（３１）に含まれるＡｇ（銀）粒子（３３）が加熱後に、ＦｅＳｉ2層（３２）に拡散していないことを検証するために、加熱後の光学選択膜３の光学特性の実測値を光学選択膜３の光学特性の計算値と比較して評価をした。
まず、加熱後の光学選択膜３の構成層であるＡｇ層（３１）及びＦｅＳｉ2層（３２）のそれぞれの単層膜を成膜し、分光エリプソメータ及び分光光度計で測定して、分光エリプソメータによる測定データ、並びに分光光度計で測定した反射率特性及び透過率特性から、光学選択膜３のＡｇ層（３１）の光学定数（屈折率n１、消衰係数k１）及びＦｅＳｉ2層（３２）の光学定数（屈折率n２、消衰係数k２）をそれぞれ算出した。算出されたＡｇ層（３１）の光学定数（屈折率n１、消衰係数k１）及びＦｅＳｉ2層（３２）の光学定数（屈折率n２、消衰係数k２）を基にして、多層膜近似を用いて、光学選択膜３の光反射率（％）（膜厚については、ＦｅＳｉ2層が２５ｎｍ相当であり、Ａｇ層が１００ｎｍ相当である。）を計算した。分光光度計で測定した光学選択膜３の光反射率（％）の実測値と、光反射率の計算値とを比較した結果を図５に示す。
図５に示すように、光学選択膜３の光反射率（％）の実測値と計算値とは、全波長領域でほぼ一致し、加熱後のＡｇ層（３１）の赤外線反射機能が低下していないことが確認された。したがって、上記の図４に示したように、Ａｇ層（３１）に含まれるＡｇ（銀）粒子(３３)が加熱後に、ＦｅＳｉ2層（３２）に拡散していないことが検証された。
（比較例１）
図６に示す膜４を作製した。室温下で石英基板（不図示）に、Ａｇ（銀）をターゲットとしてスパッタリングすることによってＡｇ層（３４）を積層し、続いて、ＳｉＯ2をターゲットとしてスパッタリングすることによってＡｇ層（３４）の上方にＳｉＯ2層（３５）を積層して、膜４を成膜した。
図６に示す膜４を作製した。室温下で石英基板（不図示）に、Ａｇ（銀）をターゲットとしてスパッタリングすることによってＡｇ層（３４）を積層し、続いて、ＳｉＯ2をターゲットとしてスパッタリングすることによってＡｇ層（３４）の上方にＳｉＯ2層（３５）を積層して、膜４を成膜した。
続いて、膜４を７００℃で１時間加熱した。膜４の加熱前後の断面模式図を図７に示す。図７に示すように、Ａｇ層（３４）に含まれるＡｇ（銀）粒子(３６)が加熱後に、膜４全体にわたって拡散していることが理解できる。
次に、Ａｇ層（３４）に含まれるＡｇ（銀）粒子（３６）が加熱後に、膜４全体にわたって拡散していることを検証するために、加熱後の膜４の光学特性の実測値を膜４の光学特性の計算値と比較して評価をした。
まず、加熱後の膜４の構成層であるＡｇ層（３４）及びＳｉＯ2層（３５）のそれぞれの単層膜を成膜し、分光エリプソメータ及び分光光度計で測定して、分光エリプソメータによる測定データ、並びに分光光度計で測定した反射率特性及び透過率特性から、膜４のＡｇ層（３４）の光学定数（屈折率n1、消衰係数k1）及びＳｉＯ2層（３５）の光学定数（屈折率n3、消衰係数k3）をそれぞれ算出した。算出されたＡｇ層（３４）の光学定数（屈折率n1、消衰係数k1）及びＳｉＯ2層（３５）の光学定数（屈折率n3、消衰係数k3）を基にして、多層膜近似を用いて、膜４の光反射率（％）（膜厚については、ＳｉＯ2層が１００ｎｍ相当であり、Ａｇ層が１００ｎｍ相当である。）を計算した。分光光度計で測定した膜４の光反射率（％）の実測値と、光反射率の計算値とを比較した結果を図８に示す。
図８に示すように、膜４の光反射率（％）の実測値と計算値とは大きく異なり、実測値は、約１０００ｎｍの波長から光反射率（％）が約４０％まで低下し、加熱後のＡｇ層（３４）の赤外線反射機能が低下していることが確認された。したがって、上記の図７に示したように、Ａｇ層（３４）に含まれるＡｇ（銀）粒子(３６)が加熱後に、膜４の全体にわたって拡散していることが検証された。
さらに、図９の光学顕微鏡写真が示すように、Ａｇ層（３４）に含まれるＡｇ（銀）粒子(３６)が加熱後に、膜４全体にわたって拡散して、Ａｇ(銀）粒子（３７）とＳｉＯ２粒子（３８）が、Ａｇ(銀）粒子（３７）の拡散により混在していることが確認された。
１ 光学選択膜
２ 光学選択膜
３ 実施例１で作製された光学選択膜
４ 比較例１で作製された膜
１１ Ａｇ含有層
１２ Ａｇ拡散防止層
２１ Ａｇ拡散防止層
２２ Ａｇ含有層
２３ Ａｇ拡散防止層
３１ Ａｇ層
３２ ＦｅＳｉ2層
３３ Ａｇ（銀）粒子
３４ Ａｇ層
３５ ＳｉＯ2層
３６ Ａｇ（銀）粒子
３７ Ａｇ（銀）粒子
３８ ＳｉＯ2粒子
２ 光学選択膜
３ 実施例１で作製された光学選択膜
４ 比較例１で作製された膜
１１ Ａｇ含有層
１２ Ａｇ拡散防止層
２１ Ａｇ拡散防止層
２２ Ａｇ含有層
２３ Ａｇ拡散防止層
３１ Ａｇ層
３２ ＦｅＳｉ2層
３３ Ａｇ（銀）粒子
３４ Ａｇ層
３５ ＳｉＯ2層
３６ Ａｇ（銀）粒子
３７ Ａｇ（銀）粒子
３８ ＳｉＯ2粒子
Claims (7)
- Ａｇ含有層と、該Ａｇ含有層に隣接して配置されるＡｇ拡散防止層とを少なくとも含む光学選択膜であって、
該Ａｇ拡散防止層がＦｅＳｉX（Ｘ＝１〜２）を含む、
光学選択膜。 - 前記ＦｅＳｉXがＦｅＳｉ2(Ｘ=２）である、請求項１に記載の光学選択膜。
- 前記ＦｅＳｉ2がβ−ＦｅＳｉ2である、請求項２に記載の光学選択膜。
- 前記ＦｅＳｉ2がα−ＦｅＳｉ2である、請求項２に記載の光学選択膜。
- 前記Ａｇ含有層が赤外線反射膜である、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学選択膜。
- 少なくとも、前記Ａｇ含有層と、前記Ａｇ拡散防止層とが、この順で積層されてなる、請求項１から５のいずれか１項に記載の光学選択膜。
- 少なくとも、前記Ａｇ拡散防止層と、前記Ａｇ含有層と、前記Ａｇ拡散防止層とが、この順で積層されてなる、請求項１から５のいずれか１項に記載の光学選択膜。
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