JPH05502738A - マグネシウム膜反射材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般的には高い反射率の反射材に関し、かつより特定的にはマグネシ ウム反射材に関する。

光か源または入力段から検出器またはプロセンサ段−＼の多重反射を受ける多く の光学システムかある。その例としてカメラおよび文献複写機かある。これらの システムにおいて、可視スペクトルを介するできるたけ高い反射率、すなわち、 約４２５ナノメートル（ｎｍ）から６７５ｎｍを存する反射表面を提供すること か所望である。これらの光学システムの多くか消費者製品において見出されるの で、そのような反射材は安価でありかつ一般的に別画されない環境において数年 の間それらの高い反射率値を維持可能であることか好ましい。

最も一般的なミラーまたは反射材は銀またはアルミニウムの熱−蒸着膜から形成 される。それらの新たに堆積された状懸において、可視スペクトルを介するこれ らの膜の反射率は相対的に高いものである。銀反射材のための反射率値は４００ ｎｍの波長での９３９％の最小値から７００ｎｍての９８７％の範囲に及ぶ。ア ルミニウム膜反射材のために、値は４００ｒ＋ｍて９２６％てあり、６５０ｎｍ ては９０．７％にかっ７００ｎｍでは８８８％に下がる。

もしそのような反射表面か保護されないままでいると、それらの反射率または反 射率値は腐食に起因して早がれ遅かれ減少する。アルミニウムは自制酸化膜を形 成し、それはその反射率か５２０ｎｍで約８５％および８９％の間の成るレベル へ、すなわち可視スペク）・ルの中間へと下がることを引き起こす。その後、そ れは安定する。銀膜はそれらか黒くなるまで、腐食し続けるであろう。それらの 外観はまたノミだらけてかつ斑になる。反射材は透光性の誘電材料の膜を反射表 面上に堆積することによって保護され得る。

このことは、しかしなから、反射率を減少させるであろう。

第２の表面反射材として知られる一般的な家庭用ミラーはそれらかガラスノー１ 〜を介して観察されるので保護される。こうして、それらは観察されないミラー の露出された側をペイント、ラッカーまたは他の金属の厚膜て覆うことによって 保護され得る。しかしなから、そのような第２の表面反射材て使用される銀膜で あっても結局は腐食してしまうてあろう。こうして、銀のミラーはそれらかまた 特定の科学的または軍事的応用に使用されるか一般的な家庭の応用にはあまり使 用されない。アルミニウムは第２の表面ミラーにおいて今しばしば使用される。

スパッタリングにより堆積された部分的に透過する銀反射材膜もまた低い放射率 の被覆または除氷被覆として使用される。これらの膜は絶縁ガラス窓空洞または 積層風防ガラスアセンブリにおいて完全に密封され得る。こうして、腐食の可能 性か大いに減少される。

多層誘電反射材 多層誘電干渉スタック（Ｓｔａｃｋ）の堆積によって非常に高い反射率の反射材 か生産され得る。これらのスタ。

りは交互に高いかつ低い屈折率（ｎ）の材料の多数の透光性の膜を含み、ここで 各々の膜は特定の設計波長で４分の１の波長の光学的厚みを存する。レーサ共振 空洞のためのミラーはこの聾様で生産され得る。それらは可視スペクトルの赤の 端部に近い波長で９９９％の高さの反射率値を有し得る。それらの反射率値はよ り長いかつより短い波長で減少する。たとえば、ｎ＝２．３５の高い屈折率の膜 およびｎ＝１．３８の低い屈折率の膜を存し、すへての膜か５００ｎｍで４分の １の波長の光学的厚みを存する１３の膜構造のために、９９％の反射率またはそ れ以上の値はほぼ１２％ｍの波長の範囲を介してのみ維持され得る。

反射範囲は２つまたはそれ以上のスタックを組合せることによって延在され得、 そのスタックの厚みは効果的な反射領域か可視スペクトル全体に重なりかつそれ を覆うように調整される。典型的には、そのような反射材は２５またはそれ以上 の膜を必要とする。しかしながら、これらの構造は大きな領域の応用には不経済 である。

金属、特定的には非常に高い反射率を有するものの反射率はできるだけ少ない２ つの透光性の誘電膜の付加によって著しく扁められ得る。そのような構造におい て、金＠膜の隣の誘電膜は低い屈折率を有し、一方で他の誘電膜は高い屈折率を 有する。ハス（Ｈａｓｓ）の、「反射光学のための薄膜状の表面Ｊ　（Ｆｉｌｍ ｅｄ　５ｕｒｆａｃｅｓ　ｆｏｒ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　０ｐｔｉｃＳ）、４ ５　Ｊ、　Ｏｐｔ、　Ｓｏｃ、　、Ａｍ、９４５−５２．１９５−一）を参照さ れたい。たとえば、新たに堆積されたアルミニウム膜の反射率は５５０ｎｍの波 長で９１゜６から約９７％へと増加され得、それは低い屈折率の層、たとえば、 フッ化マグネシウム（ｎ＝　１．３８）および高い屈折率の層、たとえば、二酸 化チタン（ｎ＝２．　３５）または硫化亜鉛の使用によってである。第２の対の 高いおよび低い誘電層の付加は反射率値をさらに、すなわち、はぼ９９％にまで 増加させることかできる。しかしなから、この構造のコストもまた増加する。さ らに、高い反射率ゾーンの帯域幅は前に説明されたように制限される。実際、高 い反射率のゾーンの外側て、反射率はベア（ｂ　ａ　ｒ　ｅ）金属膜のものより も少ない。このことは図１に示され、それは２つ（曲線１０）および４つの（曲 線１２）誘電層を有するアルミニウム反射材のためのスペクトル応答曲線を示す 。ベアアルミニウムの反射率（曲線１４）か比較のために示される。図Ｊの増強 された構造の設計は表１に示される。

２つの誘電層 ３　アルミニウム　不透明（＞　１５０　ｎ＋ｎｆｆミ）４つの誘電層 ５　アルミニウム　不透明（＞１５０ｎｍ厚み）はとんどの表面増強反射材か１ つの誘電層対によって増強されたアルミニウムを含むということか信しられる。

より高い質のミラーもまた２つの誘電層対によって増強されたアルミニウム膜を 含んで作られる。１つの誘電層対の増強ミラーは一般的には４２５ｎｍおよび５ ７５ｎｍの間で約９４％の反射率を存する。２つの誘電層対の増強ミラーは同し 波長の範囲で９７％よりも大きな反射率を有する。

もし銀がｔ＼−ス膜として使用されると所与の増強に対するより高い反射率値が 得られ得る。しかしながら、そのコストおよび腐食の問題に起因して、銀ヘース の増強反射材は一般的に不所望である。

これらの装置およびそれらの設計技法のさらに詳細な説明か薄膜光学フィルタ（ Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｌｔｅｒｓ）、マンフレオド（Ｍａ ｃＬｅｏｄ）、第２版、第４章、ｐｐ、ｌ３８−４６　；第５章、　ｌａ９．１ ６４〜７９　（１９８６）に与えられる。

マグネシウムのための反射率値 マグネシウムを含むバルク金属の光学定数は３９　Ａｎｎ。

Ｐｈｙｓｉｋ、　４８１　（１８９０）においてドルード（Ｄｒｕｄｅ）によっ て報告された。測定は１つの波長、５８９ｎｍ、のみてのナトリウムｒＤＪ線で ある。マグネシウムのために、それらはその波長で９３１％の反射率を示す。

可視スペクトル範囲において蒸着されたマグネシウム膜のだめの反射率値はまず 最初に２６　Ｊ、　Ｏｐｔ、　Ｓａｃ、　Ａｍ。

１２２　（１９３６）ｆ：おいてオブライ”７’ン（Ｑ’　Ｂｒｙａｎ　）　ｊ ：よッテ府　報告された。これらの値は４０５ｎｍの波長での６８％がヒ　ら５ ７８ｎｍの波長での８８％に及ぶ。また金属のための１　光学定数の源として光 学薄膜技術において多くの当業者に９　よって使用される、アメリカ物理学研究 所（ｒＡＩＰ」）ハンドブック第３版、第６章、ｐｐ、１２４−５５　（１９８ ２）を参照されたい。これらの値は、蒸着されたマグネシウムが高い反射率の反 射材に不適当であるということを示す。特定的には、高い反射率の反射材は可視 スペクトルを介して少な（とも約９０％よりも多くの反射率値を有すべきである 。

この発明の一般的な目的はアルミニウム反射材よりも大きな反射率および透光性 を存する反射材を提供することである。

この発明のさらに特定的な目的は少なくとも１つのマグネシウムの百および少な くとも約９２％の可視スペクトルを介する反射率を仔する反射材を提供すること である。

発明の概要 この発明は少なくとも約９０％のマグネシウムを含む材料の少なくとも１つの層 を含む反射材に向けられる。反射材は可視スペクトルを介して少なくとも約９２ ％の反射率を存する。材料の層は光反射表面を規定する。

この発明はまた透光性金属層−誘電層フィルタを含む透光性の、赤外線反射複合 膜に向けられる。金属層は少なくとも約９０％のマグネシウムてありかつ可視ス ペクトルを介して少なくとも９２％の反射率値を有する。

マグネシウム金属層は純粋アルゴンガスのような不活性ガス雰囲気においてＤＣ マグネトロンスパッタリングによって堆積され得る。可視スペクトルを介するマ グネシウム層の反射率はアルミニウムのものよりも著しく大きい。マグネシウム 層はこうしてその可視反射特性において銀に対してのみ２番目になる。

図面の簡単な説明 図１は２つおよび４つの誘電層を存する増強アルミニウム反射材のためのスペク トル応答曲線を示すグラフである。

図２はこの発明に従うヘアＮＢＳ標準アルミニウムおよび新たにスパッタリング されたベアマグネシウム膜のスペクトル応答を示すグラフである。

図３は１つおよび２つの誘電層対によって増強されたこの発明のマグネシウム膜 のための反射率値を示すグラフである。

図４は９０ｎｒｎの厚みのマグネシウム膜の透過値および反射率を示す。

図５はマグネシウムおよび二酸化チタンを使用する低いＥシステムのための反射 および透過応答曲線を示す。

図６はマグネシウムおよび二酸化チタンを使用する５層の低いＥシステムのため の透過および反射応答曲線を示す。

好ましい実施例の詳細な説明 純粋マグネシウム金属の膜は純粋アルゴンガスの不活性雰囲気においてスパッタ リングされた。これらの膜の反射率は新しい標準量（ＮＢＳ）標準アルミニウム 膜に対して測定され、かつそのマグネシウム膜の反射率が可視スペクトルの大部 分を介するアルミニウム膜よりもがなり高いということか見出された。これらの 測定の結果は図２のスペクトル応答曲線によって示される。曲線１８はベアＮＢ Ｓ標準アルミニウム膜の反射率を示し、かつ曲線２ｏは新たにスパッタリングさ れたヘアマグネシウム膜を示す。

これらの測定から理解され得るように、マグネシウム膜の反射率は可視スペクト ルの中間で９５％に接近する。これは研磨されたマグネシウム金属のための上で 説明されたトルードによって報告された値よりも高いものである。

マグネシウム膜の光学的性質を決定するために、２つのマグネシウム膜、一方か およそ９％ｍの厚みでありかつ他方がおよそ２２０ｎｍの厚みであるものかガラ ス基板上に堆積された。これらの膜は反射すると同様に可視光に透光性のあるも のであるように十分に薄いものであった。これらの膜の光学定数は透過および反 射率値を測定することによって決定された。これらの値を使用して、不透明なマ グネシウム膜のための最大の反射率か計算された。計算された値は４００および ７００ｎｍの間の波長で０．５％の範囲内まで不透明なマグネシウム膜に対する 測定された値と一致した。このことは、測定された高い反射率か０５％の精度内 で真であることを確かにした。不透明なマグネシウム膜に対する光学定数および 反射率値がオブライアンおよびトルーＦによる前に報告された値とともに表２に おいり、Ｃマグネトロンスパッタリングされたマグネシウム膜のための結果 ４００　０、３４　３．７５　９１．４２４４０　０．２９　４．＋８　９３゜ ９４４８０　０．３１　４．６０　９４．５８５２０　０、３７　５．０２　９ ４．５３５６０　０．４３　５．４３　９４．５４６００　０．４９　５．８５ 　９□１．６２（＋４０　０．５６　６．２６　９４．６１６８０　０．６＋　 ６．６７　９４．８２蒸着されたマグネシウム膜のだめの値 ４０４．６　０．５２　２．０５　６８．１４３５．８　０，５２　２．６５　 ７７．７４９Ｌ、６　０，５３　２．９２　８０．５５４８．１　０，５７　３ ．４７　８４．３５７８．０　０．４８　３．７１．　８８．０バルクマグネシ ウムのための値 ５８９　０．３７　４．４２　９３．１非常に薄いマグネシウム膜のための光学 定数か不透明な膜のものと一致するという事実は堆積工程の間にマグネシウムの 酸化かはとんとまたは全く起こらないということを示す。

決定され得る限りにおいては、上で説明されたマグネシウムの光学的性質を開示 しまたはさらに暗示する文献において報告かなされなかった。この発明のマグネ シウム膜はアルミニウムのものよりもかなり大きな可視スペクトルを介しての反 射率を存する。それらの反射率は銀のものに接近し、それは以前に、アルミニウ ムよりも大きな可視スペクトルにおける反射率を有する唯一の金属であると信し られた。

この発明の膜はカリフォルニア州、フェアフィールド、エアコ・コーティング・ テクノロジー、「インライン」スパッタリングシステムモデルＤＩにおいて準備 され得る。

このシステムは幅１メートルで長さ２メートルにまで基板を被覆することかでき る。正常な動作状態の下てこのシステムにおいて、基板は堆積源であるＤＣマグ ネトロンスパッタリング陰極の下で絶えず動いて被覆される。マグネシウム膜は 正常な生産条件の下で準備され得る。こうして、大きな領域の膜か低いコストで 生産され得る。

スパッタリング源はマグネシウム合金Ａ２３１Ｂのタイルを陰極の銅背板上に接 着させることによって形成された。

この合金は約９４％のマグネシウムでありかつカリフォルニア州、サンレーモン 、１００４６　ナンタケット（Ｎａｎｔｕｃｋｅｔ）　ドクター、プラスマテリ アル（Ｐｌａｓｍａｔｅｒｉａｌｓ）から商業的に利用可能である。それは３％ のアルミニウム、１％の亜鉛および約０２％のマンガンまでを含み得る。この合 金の使用はスパッタリングされたマグネシウム膜の光学的性質にいずれの特定的 な影響も与えないと信じられるか、それは膜の酸化抵抗に影響を与え得る。

重要なことに、使用されるいずれかの合金のマグネシウム含量は結果として生し るマグネシウム層または膜か少なくとも約９０％の純粋マグネシウムであるよっ てなければならない。

被覆システムにおける底面圧は５ＸＩＯ−”トルてあった。

陰極の前後のスパッタリング圧力は１．０３ＸｌＯ−’トルてあった。スパッタ リングガスはアルゴンでありかつガス流量ガスは１分につき９０標準立方センチ メートル（ＳＣｃｍ）であった。陰極に与えられる電力は一５８３Ｖの電圧て２ ３ＫＷてあった。被覆されている基板は所望の厚みを生しるために適当な線速度 で陰極を通過して移動された。

完全な反射材を発生するために十分な厚みの６００ｎｍの厚みの膜か上の状態で かつ１分につき２５インチの線速度で堆積された。９％ｍの厚みの膜は電力を５ ＫＷに減少させかつ線速度を１分につき２００インチに増加させることによって 生産された。

また、ＲＦスパッタリングのようなりＣマグネトロンスパッタリング以外の技法 によってマグネシウムをスパッタリング堆積することによって類似の結果が得ら れ得るということか信しられる。さらに、そのような結果は膜を極度に低い圧力 、すなわち、ｌＸｌ０−”トルよりも少ない圧力で蒸着させることによって得ら れ得る。このことはマグネシウムか堆積工程の間酸素を形成することを妨げ、そ れによって低い反射率値を妨ぐ。

マグネシウム膜は反射膜構造においてアルミニウムまたは銀のための基板として 使用され得る。マグネシウム膜もまた可視透光性の、ＩＲ−反射構造、において 使用され得、それは一般的に低い放射率（低いＥ）または太陽別画被覆と呼ばれ る。

図２によって示されるように、第１の表面反射材において、保護されないマグネ シウム膜の反射率はＮＢＳ標準アルミニウム膜よりも高い。５００ｎｍの波長て 、反射率はおよそ９２％でのアルミニウムと比較しておよそ９４．５％である。

第２の表面反射材のために、上で説明されたスパッタリング技法に従って堆積さ れたマグネシウム膜のための空気表面へのガラスからの反射率値か約９２２％で あろうということか期待される。これはアルミニウムの容認された光学的性質を 使用して計算されるように約８８６％の反射率を有すべきであるアルミニウムよ りも大きい。マグネシウム膜の反射率もまた９７１５％よりも上の第２の表面反 射率を存するであろう銀と比較して優るものである。

これらの値はすへて５００ｎｍの波長である。

誘電増強反射材の性能はまたマグネシウム膜の使用によって改良され得る。図３ はｊつ（曲線２２）および２つ（曲線２４）の誘電層対によって増強されたマグ ネシウム膜のための値を示す。このデータを図１のデータと比較することによっ て理解され得るように、２誘電層増強マグネシウム反射材の反射率は４誘電層増 強アルミニウム反射材とほぼ同しである。

図３の構造のための設計か表３に示される。屈折率値の選択は幾分任意である。

たとえ異なる厚みおよび僅かに異なる結果であっても増強を達成するために他の 値か膜の１つまたはそれ以上の代わりに用いられ得る。同様に、誘電膜の厚みは 波長に応答する異なる反射率を発生するために修正され得る。

表３ マグネシウム増強反射材 （層は空気境界から番号付される） １対 ２　１．３８　０．２２３　λ ３　マグネシウム　不透明（＞１５０ｎｍ厚み）２対 ３　２．３５　０．２４８　λ ４　１．３８　０．２２８　λ ５　マグネシウム　不透明（＞　１５０　ｎｍ厚み）スパッタリングされたマグ ネシウム膜の低い吸収率に関連するこの発明にはさらに重要な含みかある。マグ ネシウム膜の反射率かアルミニウムよりもかなり高いものであるという１つの理 由はマグネシウム膜の吸収率かアルミニウムよりもかなり少ないということであ る。こうして、可視スペクトルにおける反射率か重要である応用のためにマグネ シウム膜か高度に反射するのみてなく、薄膜の形状で、それらはまた同しスペク トル領域において透光性を有する。

このことは実験的に確かめられ、かつ９０％ｍの厚みのマグネシウム膜の反射（ 曲線２６）および透過（曲線２８）応答か図４に示される。

可視スペクトルにおけるこの高い透光性の性質は建築上の応用のだめのいわゆる 低いＥシステムに特に有用である。

これらは薄い、部分的に透過性の金属膜、通常は銀かその片側上で誘電層と境を 接し、膜からの可視反射率を減少させかつ透光性を増加させるようなシステムで ある。金属膜は高度に導電性でありかつ赤外線波長で高い反射率を存するために 十分に厚くなければならず、それによってたとえば低いＥ被覆か官に堆積される ような建物へと熱を反射しもとすてあろう。この型の装置のための設計原理は！ ！困章、ｐｐ、２９５−３０８　（１９８６）においてマツフレオドによって説 明される。

マグネシウム膜のために測定された光学的性質を使用して、１つのマグネシウム 膜を有する低い５層構造の性能か図５に表わされるように計算された。曲線３０ は反射応答曲線でありかつ曲線３２は透過応答曲線である。図６は２つのマグネ シウム膜を存する構造の計算された性能を示す。

反射および透過応答曲線３４および３６の双方かそれぞれに示される。

図５および図６の構造の設計は表４に示される。誘電材料としての二酸化チタン （ＴｉＯ２）の選択は幾分任意であり、かつ異なる屈折率値を有する他の誘電材 料か単独にまたはそのような構造と組合わされて使用され得るということか認識 される。同様に、誘電および金属膜の厚みか波長での異なる反射および透過応答 を発生するように修正され得るということか理解される。

表４ マグネシウムおよび二酸化チタンの低いＥシステム（層は空気の境界から番号付 される） ２　Ｍｇ　６ ３　Ｔｉ　０，７２ 上記から理解され得るように、マグネシウム金属の膜は可視スペクトル領域にお けるアルミニウムよりもより反射性かありかつより透光性かある。この発明のマ グネシウム膜は多数の反射および透過光学装置およびフィルタに組入れられ得る 。

この発明は多数の実施例に関して説明されてきた。この発明は、しかしながら、 記載されかつ説明された実施例に制限されない。むしろ、この発明の範囲は添付 の請求の範囲によって規定される。

要約 この発明は反射材および低い放射率の被覆におけるマグネシウム膜（２２，２４ ）の使用に向けられる。

国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．反射材であって、少なくとも約９０％のマグネシウムおよび少なくとも約９ ２％の可視スペクトルを実質的に介する反射率値を有する材料の少なくとも１つ の層を含み、前記層か光反射表面を規定する反射材。
2. ２．反射材であって、少なくとも約９０％のマグネシウムを含みかつ少なくとも 約９２％の可視スペクトルを介する反射率値を有する材料の少なくとも１つのス パッタリング堆積された層を含み、前記層か光反射表面を規定する反射材。
3. ３．前記反射材が第１の表面反射材である、請求項１または２に記載の反射材。
4. ４．前記反射材が第２の表面反射材である、請求項１または２に記載の反射材。
5. ５．前記反射材が誘電増強反射材である、請求項１または２に記載の反射材。
6. ６．マグネシウムの前記層が不活性ガス雰囲気においてスパッタリング堆積され る、請求項２に記載の反射材。
7. ７．前記不活性ガスがアルゴンである、請求項６に記載の反射材。
8. ８．透光性の赤外線反射複合膜であって、透光性の金属層−誘電層フィルタを含 み、前記金属層が少なくとも約９０％のマグネシウムでありかつ少なくとも約９ ２％の可視スペクトルを実質的に介する反射率値を有する膜。
9. ９．前記マグネシウム層が不活性ガス雰囲気においてスパッタリング堆積される 、請求項８に記載の膜。
10. １０．前記マグネシウム層が透光性の基板上でスパッタリング堆積される、請求 項９に記載の膜。