KR20070075296A - 반사방지막을 갖는 광학소자 - Google Patents

반사방지막을 갖는 광학소자 Download PDF

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KR20070075296A
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가즈히로 야마다
야스히로 사카이
히로유키 나카야마
마키 야마다
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펜탁스 가부시키가이샤
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Abstract

렌즈 본체의 표면에 반사방지막을 갖고, 렌즈의 유효직경 내에서의 기판 경사각도 50° 이상의 부분의 투영 면적이, 상기 유효직경 내의 투영 면적의 10% 이상인 광학소자로서, 반사방지막은 3차원 평균 표면거칠기가 5∼100nm의 미세한 요철을 표면에 갖는 광학소자.
반사방지막, 광학소자, 표면거칠기, 광정보 기록/재생장치용 픽업 렌즈

Description

반사방지막을 갖는 광학소자{OPTICAL ELEMENT HAVING ANTI-REFLECTION COATING}
도 1은 본 발명의 광학소자의 1예를 도시하고, (a)는 종단면도이고, (b)는 평면도이다.
도 2는 도 1의 광학소자의 부분 확대 단면도이다.
도 3은 광 픽업장치의 종래의 대물렌즈의 1예를 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 3의 렌즈의 광선 입사각도와 반사율과의 관계를 도시하는 그래프이다.
본 발명은 반사방지막을 갖는 광학소자에 관한 것으로, 특히 광정보 기록/재생장치, 반도체용 노광장치, 카메라, 내시경, 광통신용 부품 등에 적합한, 높은 곡률을 갖는 광학소자에 관한 것이다.
광정보 기록/재생장치(광 픽업장치)나 반도체용 노광장치의 대물렌즈로서, 높은 곡률을 갖는 렌즈가 사용되고 있다. 높은 곡률을 갖는 렌즈의 대표예로서, 큰 개구 수(NA=Numerical Aperture)를 갖는 렌즈를 들 수 있다. 최근에는, 레이저 의 사용 파장을 405nm로 하고, NA가 0.85인 대물렌즈를 사용한 광 픽업 장치가 제안되고 있다. NA가 0.85의 렌즈는 예를 들면 도 3에 도시하는 바와 같은 형상이다. 대물렌즈로서 사용하는 경우, 레이저광은 R1면측으로부터 조사되어, R2면측으로 투과한다. 레이저광은 거의 평행광이고, 대물렌즈의 중심에 수직 입사하도록 조사된다. 이 때문에 렌즈 주변부에서는, 광선 입사각은 대단히 크다. 도 3에 도시하는 예에서는, 렌즈의 유효직경 영역(E) 내에서의 광의 최대 입사각도는 65° 이다. 대물렌즈는 조사된 광을 효율적으로 투과시키는 것이 바람직하지만, 입사각도에 비례하여 반사광량도 많아진다. 도 3에 도시하는 형상으로, 반사율 1.72의 유리로 이루어지는 렌즈의 R1면에서의 반사율을 도 4에 도시한다. 광선 입사각도 65°의 위치에서는, 조사된 광 중 15.5%는 반사되어버린다.
반사광량을 감소시켜 조사광을 효율적으로 투과시키기 위해서, 광 픽업장치나 반도체용 노광장치의 대물렌즈의 표면에는 반사방지막이 코팅되어 있다. 예를 들면 단층의 반사방지막은 반사방지막 표면에서의 반사광과, 반사방지막과 렌즈의 경계에서의 반사광과의 광로차가 파장의 1/2의 홀수배가 되어 이들 광이 간섭에 의해 서로 상쇄하는 두께가 되도록 설계된다. 단층의 반사방지막은 렌즈보다 작고, 또한 공기 등의 입사매질보다 큰 굴절율을 갖도록 설계된다. 굴절율이 1.5 정도의 유리로 이루어지는 렌즈의 반사방지막의 굴절율이 1.2∼1.25인 것이 이상적이라고 하고 있다. 그러나, 이러한 이상적인 굴절율을 갖는 물질은 없으므로, 굴절율이 1.38의 MgF2가 반사방지막 재료로서 범용되고 있다.
종래 MgF2와 같은 무기물로 이루어지는 반사방지막은 진공증착법, 스퍼터법, CVD법 등에 의해 형성되고 있다. 그러나 이들 방법에 의해 반사방지막을 형성하면, 일반적으로 렌즈의 중앙부에 비해 주변부에서는 반사방지막이 얇아진다. 일반적으로, 입사각도(θ')의 위치에서의 반사방지막의 광학 막두께(D(θ'))는 하기 식 (4):
D(θ')=D0·(cosθ')x ···(4)
(단 D0는 렌즈의 중심에서의 반사방지막의 광학 막두께를 나타내고, X는 0 이상 1 이하의 정수를 나타낸다.)에 의해 표시되는데, 진공증착법에 의해 반사방지막을 형성한 경우, X가 0.7 정도가 된다. 이 때문에 렌즈 주변부에서는 설계 막두께로부터 벗어나버리는데다, 상기한 바와 같이 광선 입사각도가 크므로, 반사방지 효과가 충분히 얻어지지 않아, 반사광량이 대단히 크다. 따라서, 이러한 광학소자에는, 중심부의 투과광량은 많지만, 소자 전체적으로는 투과광량이 충분하지 않다고 하는 문제가 있다. 또 증착법에 의해 반사방지막을 형성하기 위해서는 진공장치가 필수적이고, 코스트가 높다고 하는 문제도 있다.
일본 특개평2005-173029호는, (a)유효직경 영역 내의 렌즈면을 분할하여 이루어지는 영역마다 구한 반사광량의 총합이 최소가 되도록 설계된 반사방지막, 또는 (b)영역마다 구한 투과광량의 총합이 최대가 되도록 설계된 반사방지막을 갖는 광학소자를 제안하고 있다. 이 광학소자는 전체적으로 큰 투과율을 갖도록 설정되 어 있는데, 굴절율이 1.38로 비교적 높은 MgF2로 이루어지는 종래의 반사방지막을 사용하면, 만족스런 반사방지성이 얻어지지 않는다.
렌즈에 반사방지성을 부여하는 방법으로서, 렌즈 표면에 미세한 요철을 형성하는 방법도 알려져 있다. 구체적으로는, 화학적 처리(예를 들면 에칭 등) 및/또는 물리적 처리(예를 들면 기계적 조면가공, 광 리소그래피 등)에 의해 렌즈를 직접 가공하거나, 성형 금형의 성형면의 요철 패턴을 렌즈에 전사하거나 한다. 그러나 이들 방법은 저곡률의 렌즈밖에 적용할 수 없다.
일본 특개평6-167601호(특허문헌 1)는, 기판의 성막면을 에칭한 뒤, 성막면에 SiO2에 대한 NaF의 체적혼합비가 1 내지 3의 범위 내의 혼합 막을 증착하고, 얻어진 혼합 막을 수중에 침지하는 다공질 반사방지막의 제조방법을 기재하고 있다. SiO2 및 NaF로 이루어지는 혼합 막을 물에 담그면, NaF가 물에 용해되어 미세구멍이 되고, SiO2로 이루어지는 다공질 반사방지막이 얻어진다. 이 제조방법에 의해 얻어지는 다공질 반사방지막은 1.3 정도의 굴절율을 갖는다. 그렇지만 이 다공질 반사방지막은 큰 흡습성을 갖고 있고, 사용 중에 미세구멍에 물이 밀고 들어가서 굴절율이 변화되는 등, 경시 열화가 크다고 하는 문제가 있다.
일본 특개2001-272506호(특허문헌 2)는 CVD법을 사용하여 저온에서 알킬기를 포함하는 막을 기체에 형성한 후, 열처리에 의해 막으로부터 알킬기를 탈리시켜서 미세한 기공을 생기게 하는 반사방지막의 제조방법을 기재하고 있다. 구체적으로는 큰 분극성을 갖는 알킬아민 등과, 테트라이소시아네이트 실란 등의 알콕시실란 과의 반응에 의해 실리카 막을 형성한 후, 실리카 막을 300℃ 이상으로 가열함으로써 알킬기를 탈리시킨다. 이것에 의해 구멍 직경이 10nm 미만의 미세한 기공이 실리카 막 중에 형성되어, 1.25 정도의 굴절율을 갖는 실리카 막이 된다. 가열처리에 의해 다공질 실리카 막의 소수성은 향상되어, 경시 열화는 일어나기 어렵게 된다. 그러나 실리카 막에 충분한 소수성을 부여하기 위해서는, 400℃를 넘는 온도에서 가열할 필요가 있다. 광 픽업 장치의 대물렌즈용 유리 몰드 렌즈에는 400℃ 보다 낮은 유리전이온도를 갖는 것이 있고, 그러한 렌즈에는 특허문헌 2에 기재된 방법을 적용할 수 없다.
일본 특개2005-234447호(특허문헌 3)는, 표면에 미세한 요철을 갖는 광학부재로서, 아연 화합물을 포함하는 겔 막을 20℃ 이상의 온도의 함수액으로 처리하여 이루어지는 반사방지막이 형성된 광학부재를 제안하고 있다. 일본 특개2005-275372호(특허문헌 4)는, 표면에 미세한 요철을 갖는 광학부재로서, 알루미나를 포함하는 겔 막을 열수로 처리하여 이루어지는 반사방지막이 형성된 광학부재를 제안하고 있다. 그러나 특허문헌 3 및 4는 광학 렌즈로서는 안경 렌즈, 카메라용 파인더 렌즈, 프리즘, 플라이아이 렌즈 및 토릭 렌즈밖에 들 수 없고, 광 픽업 장치용 대물렌즈 등의 높은 곡률을 갖는 렌즈에 상기의 아연 화합물 또는 알루미나를 포함하는 반사방지막을 설치하는 것을 기재하고 있지 않다.
[특허문헌 1] 일본 특개평6-167601호 공보
[특허문헌 2] 일본 특개2001-272506호 공보
[특허문헌 3] 일본 특개2005-234447호 공보
[특허문헌 4] 일본 특개2005-275372호 공보
따라서, 본 발명의 목적은, 높은 곡률을 갖고, 넓은 파장 영역의 광에 대해 렌즈 유효직경 영역 내가 전체적으로 반사방지성이 우수한 광학소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 감안하여 예의 연구한 결과, 본 발명자들은 높은 곡률을 갖는 렌즈에 3차원 평균 표면거칠기가 5∼100nm인 미세한 요철을 표면에 갖는 반사방지막을 형성하면, 넓은 파장 영역의 광에 대해 렌즈 유효직경 영역에서 반사방지성이 우수한 광학소자가 얻어지는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.
즉, 본 발명의 광학소자는, 유효직경 영역 내에서의 표면 경사각도가 50° 이상인 부분의 투영 면적이 상기 유효직경 영역의 투영 면적의 10% 이상인 렌즈와, 상기 렌즈의 표면에 형성된 반사방지막을 갖고, 상기 반사방지막은 3차원 평균 표면거칠기가 5∼100nm의 미세한 요철을 표면에 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 반사방지막은 알루미나, 아연 산화물 및 아연 수산화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 반사방지막의 요철은 불규칙하게 분포되는 다수의 미세한 꽃잎 형상의 볼록부와 그것들 사이의 홈 형상의 오목부로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시태양에 의한 광학소자는 0∼70°의 입사각도 범위의 가시광선에 대한 분광 반사율이 18% 이하이다.
본 발명의 광학소자는 광정보 기록/재생장치용 픽업 렌즈로서 적합하다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
[1] 광학소자
본 발명의 광학소자를 첨부된 도면을 참조하여 이하에 상세하게 설명하는데, 물론 본 발명은 도시의 광학소자에 한정되는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 광학소자의 1예를 도시한다. 이 광학소자는, 볼록면(11)을 갖는 렌즈(1)와, 볼록면(11)에 성막된 반사방지막(2)으로 이루어진다. 광학소자의 이면측은 오목면(12)으로 되어 있다. 이 예에서는 렌즈(1)의 볼록면(11)에만 반사방지막(2)이 성막되어 있는데, 볼록면(11) 및 오목면(12)에 반사방지막(2)을 성막해도 된다. 또 회절을 발생하도록 볼록면(11) 및/또는 오목면(12)에 고리띠가 형성된 것도 본 발명의 범위 내이다. 또한 설명을 위해, 도면의 반사방지막(2)은 실제보다 두텁게 도시되어 있다.
도 1(b)에 도시하는 바와 같이, 렌즈(1)의 유효직경 영역(E) 내에서의 표면 경사각도(θ)가 50° 이상 부분의 투영 면적(S)은, 유효직경 영역(E)의 투영 면적(S0)의 10% 이상이다. 이러한 렌즈의 경우, 유효직경 영역(E)에서의 최대 표면 경사각도(θmax)는 통상 60°∼75°이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 렌즈(1)의 볼록면(11) 상에 임의의 점 t에서의 표면 경사각도(θ)는 볼록면(11)의 중심점(110)에 접하는 면 Fo과 점 t에 접하는 면 F가 이루는 각도로 정의한다. 60°∼75°의 최대 표면 경사각도(θmax)를 갖는 렌즈는, 광정보 기록/재생장치 등의 대 물렌즈에 적합하다. 또한 입사광이 레이저광과 같은 평행광인 경우, 광학소자의 광선 입사각도(θ')는 표면 경사각도(θ)와 동일하다.
렌즈(1)의 굴절율은 1.45∼1.85인 것이 바람직하다. 굴절율을 1.45 미만으로 하면, 고 NA화 하기 지나치게 어렵다. 굴절율이 1.85을 초과하면, 자외∼청색역의 파장의 광을 흡수하므로, 특히 파장이 405nm의 레이저광에 적합하지 않다. 굴절율이 1.45∼1.85의 물질의 예로서는, BKl7, LASF016 등의 광학유리, 파이렉스(등록상표), 석영, 청판유리, 백판유리, PMMA 수지, PC 수지, 폴리올레핀계 수지 등을 들 수 있다.
반사방지막(2)은 3차원 평균 표면거칠기(SRa)가 5∼100nm의 미세한 요철을 표면에 갖는다. 반사방지막(2)의 SRa가 5nm 미만이면, 반사방지성이 불충분하다. 한편 SRa가 100nm를 초과하면 광의 산란이 발생하여, 광학소자로서 부적합하게 된다. SRa는 10∼80nm인 것이 바람직하고, 15∼50nm인 것이 보다 바람직하다. 여기에서 SRa는 원자간력현미경(AFM)을 사용하여 JIS B0601에 의해 구해지는 중심선 평균 거칠기(Ra: 산술평균 거칠기)를 3차원으로 확장한 것으로, 하기 식 (1):
Figure 112007001714880-PAT00001
(단 XL∼XR은 측정면의 X좌표의 범위이고, YB∼YT는 측정면의 Y좌표의 범위이고, S0는 측정면이 평평하다고 가정한 경우의 면적 │XR-XL│×│YT-YB│이고, F(X,Y)는 측정점(X,Y)에서의 높이이고, Z0는 측정면 내의 평균 높이이다.)에 의해 표시된다.
한정적은 아니지만, 반사방지막(2)의 미세한 요철의 최대 고저차(P-V)는 20∼1000nm인 것이 바람직하고, 50∼500nm인 것이 보다 바람직하고, 100∼300nm인 것이 특히 바람직하다. P-V값은 AFM에 의해 구한다.
한정적이지는 않지만, 반사방지막(2)의 비표면적(SR)은 1.10 이상인 것이 바람직하고, 1.15 이상인 것이 보다 바람직하다. SR은, 하기 식 (2):
SR=S'/S0' ···(2)
(단 S0'은 측정면이 평평하다고 가정한 경우의 면적이며, S'은 표면적 측정값이다.)에 의해 구한다. S'은 다음과 같이 하여 구한다. 우선 측정하는 영역을 가장 근접한 3개의 데이터 점(A, B, C)으로 이루어지는 미소 삼각형으로 분할하고, 이어서 각 미소 삼각형의 면적 △S'을 벡터적, 즉 △S'(△ABC)=│AB×AC│/2(단 AB 및 AC는 각 변의 길이)를 사용하여 구한다. △S'의 총합을 구하고, S'으로 한다. 단 SR는 광의 산란이 발생하지 않을 정도의 크기인 것이 바람직하다.
반사방지막(2)으로서, 알루미나를 포함하는 겔 막을 열수로 처리하여 이루어지는 막, 및 아연 화합물을 포함하는 겔 막을 20℃ 이상의 온도의 함수액으로 처리하여 이루어지는 막이 바람직하다. 전자는, 알루미나를 포함하는 겔 막의 표층부분이 열수의 작용을 받았을 때에 발생한 다수의 미세한 불규칙한 형상의 볼록부와, 그것들 사이의 홈 형상의 오목부가 불규칙하게 집합된 요철을 표면에게 갖는다. 이러한 볼록부는 대단히 미세하지만, 그 형상 자체는 꽃잎을 닮아 있다. 이하 특 별한 예고가 없는 한, 이 막을 꽃잎 형상 알루미나 막이라고 부른다. 후자는, 아연 화합물을 포함하는 겔 막의 표층부분이 20℃ 이상의 온도의 함수액의 작용을 받았을 때에 발생한 석출물로 이루어지는 볼록부와, 그것들 사이의 오목부가 불규칙하게 집합한 요철을 표면에 갖는다. 이러한 볼록부의 형상은 아연 화합물의 종류에 따라 다르지만, 대단히 미세하다. 이하 특별한 예고가 없는 한, 이 막을 아연 화합물 막이라고 부른다.
꽃잎 형상 알루미나 막은 알루미나를 주성분으로 하는 것이 바람직하고, 알루미나만으로 이루어지는 것이 보다 바람직하지만, 필요에 따라서 지르코니아, 실리카, 티타니아, 아연 산화물 및 아연 수산화물로부터 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 임의성분을 포함해도 된다. 임의성분의 함유량은 알루미나를 포함하는 겔 막을 열수로 처리했을 때에 미세한 요철이 형성되고, 또한 투명성을 손상하지 않는 범위 내인 한 특별히 제한되지 않지만, 반사방지막(2) 전체를 100질량%로 하여 0.01∼50질량%가 바람직하고, 0.05∼30질량%가 보다 바람직하다.
아연 화합물 막은, 아연 산화물 및/또는 수산화물을 주성분으로 하는 것이 바람직하고, 이들 중 어느 하나만으로 이루어지는 것이 보다 바람직하지만, 필요에 따라서 알루미나, 지르코니아, 실리카, 및 티타니아로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 임의성분을 포함해도 된다. 임의성분의 함유량은 아연 화합물을 포함하는 겔 막을 20℃ 이상의 함수액으로 처리했을 때에 미세한 요철이 형성되고, 또한 투명성을 손상하지 않는 범위 내인 한 특별히 제한되지 않지만, 반사방지막(2) 전체를 100질량%로 하여 0.01∼50질량%가 바람직하고, 0.05∼30질량%가 보다 바람직하다.
반사방지막(2)의 요철형상은, 예를 들면 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 표층이나 단면을 관찰하거나, AFM에 의해 표층을 관찰하거나 함으로써(특히 사시에 의한 관찰), 조사할 수 있다.
도 1에 도시하는 예에서는 반사방지막(2)은 단층이지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 꽃잎 형상 알루미나 막 또는 아연 화합물 막 이외의 층을 갖는 것을 포함한다. 다층의 반사방지막(2)의 경우, 꽃잎 형상 알루미나 막 또는 아연 화합물 막을 최표면에 갖는 것이 바람직하다. 꽃잎 형상 알루미나 막 또는 아연 화합물 막을 최표면에 설치함으로써, 미세한 요철에 의한 양호한 반사방지 효과를 얻을 수 있다. 단 미세한 요철이 유지되는 한, 꽃잎 형상 알루미나 막 또는 아연 화합물 막의 표면에 다른 층을 가져도 된다.
반사방지막(2)의 굴절율은, 미세 요철에 의해 형성되는 공공 영역(오목부)의 면적율에 의존한다. 반사방지막(2)의 미세 볼록부는 산형이므로, 표면으로부터 깊어짐에 따라 공공 영역(오목부)의 면적율은 저감된다. 따라서 반사방지막(2)은 표면으로부터 깊어짐에 따라 굴절율이 증대하는 그래디언트 막이다. 반사방지막(2)의 바람직한 두께는 굴절율이나 사용 파장에 따라 다양하다. 광정보 기록/재생장치의 대물렌즈(픽업 렌즈)의 경우, 반사방지막(2)의 바람직한 물리층 두께는 50∼3000nm이며, 보다 바람직하게는 100∼300nm이다. 또한 이 두께는, 표면의 미세한 요철을 포함시킨 것이다.
렌즈(1)의 주변부에서의 반사방지막(2)의 물리 막두께(D)와 렌즈(1)의 중심 의 물리 막두께(D0)와의 비 D/D0는, COSθ0.7∼COS(SIN-1(SINθ/n))-1(θ는 반사방지막(2)의 표면 경사각도이고, n은 반사방지막(2)의 굴절율이다.)인 것이 바람직하다. 렌즈(1)의 주변부는 표면 경사각도(θ)가 50° 이상의 부분이다. 반사방지막(2)의 물리 막두께는 렌즈 중심으로부터 주변부에 걸쳐서 서서히 작아지고 있지만, 그 감소는 비교적 작다. 이 때문에 렌즈 중심에서 최적인 막두께가 되도록 설계해도, 렌즈 주변부에서의 반사방지막(2)의 막두께는 지나치게 작지 않고, 양호한 반사방지성을 나타낸다. 렌즈(1)의 주변부에서의 반사방지막(2)의 물리 막두께가 동일하지 않은 경우, 그 최대값, 최소값 및 평균값 중 어느 것을 물리 막두께(D)로 해도 된다.
[2] 광학소자의 제조방법
렌즈(1)의 표면에 꽃잎 형상 알루미나 막 또는 아연 화합물 막만으로 이루어지는 반사방지막(2)을 형성하는 경우를 예로 들어, 광학소자의 제조방법을 설명하지만 그것에 한정되는 것은 아니다.
(a) 꽃잎 형상 알루미나 막의 형성방법
꽃잎 형상 알루미나 막은 알루미늄 화합물을 포함하는 도포액을 렌즈(1)에 도포하여 알루미나를 포함하는 겔 막을 형성한 후, 얻어진 겔 막을 열수로 처리함으로써 얻어진다. 이 방법은 고온에서 소성하는 공정을 거치지 않고 꽃잎 형상 알루미나 막을 형성할 수 있으므로, 내열성이 불충분한 렌즈(1)에도 사용할 수 있다. 알루미늄 화합물로서는, 알루미늄 알콕시드, 질산 알루미늄, 황산 알루미늄 등을 들 수 있다. 바람직하게는 알루미늄 알콕시드이다. 알루미늄 알콕시드를 사용하여 꽃잎 형상 알루미나 막을 형성하는 방법으로서, 예를 들면 일본 특개평9-202649호, 일본 특허 제3688042호 및 일본 특개평9-202651호에 기재된 방법을 들 수 있다. 이들 방법에 따르면, 알루미늄 알콕시드와 물과 안정화제를 포함하는 도포액을 렌즈 표면에 도포하고, 졸겔법에 의해 알루미나겔 막을 형성하고, 얻어진 알루미나겔 막을 열수로 처리함으로써, 꽃잎 형상 알루미나 막이 얻어진다. 알루미늄 알콕시드를 사용하여 꽃잎 형상 알루미나 막을 형성하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.
알루미늄 알콕시드로서, 예를 들면 알루미늄 트리메톡시드, 알루미늄 트리에톡시드, 알루미늄 트리이소프로폭시드, 알루미늄 트리-n-부톡시드, 알루미늄 트리-sec-부톡시드, 알루미늄 트리-tert-부톡시드, 알루미늄 아세틸아세테이트, 이것들을 부분 가수분해 하여 얻어지는 올리고머 등을 들 수 있다.
꽃잎 형상 알루미나 막을 상기 임의성분을 포함하는 것으로 하는 경우, 지르코늄 알콕시드, 알콕시실란, 티타늄 알콕시드 및 아연 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 임의성분 원료를 도포액에 첨가한다.
지르코늄 알콕시드로서, 예를 들면 지르코늄 테트라메톡시드, 지르코늄 테트라에톡시드, 지르코늄 테트라-n-프로폭시드, 지르코늄 테트라이소프로폭시드, 지르코늄 테트라-n-부톡시드, 지르코늄 테트라-t-부톡시드 등을 들 수 있다.
알콕시실란은 하기 일반식 (3):
Si(OR1)x(R2)4-x ···(3)
에 의해 표시된다.
일반식 (3) 중의 R1으서는, 탄소수 1∼5의 알킬기 또는 탄소수 1∼4의 아실기가 바람직하고, 예를 들면 메틸기, 에틸기, n-프로필기, i-프로필기, n-부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, 아세틸기 등을 들 수 있다. R2로서는, 탄소수 1∼10의 유기기가 바람직하고, 예를 들면 메틸기, 에틸기, n-프로필기, i-프로필기, n-부틸기, tert-부틸기, n-헥실기, 시클로헥실기, n-옥틸기, tert-옥틸기, n-데실기, 페닐기, 비닐기, 알릴기 등의 무치환의 탄화수소기, 및 γ-클로로프로필기, CF3CH2-기, CF3CH2CH2-기, C2F5CH2CH2-기, C3F7CH2CH2CH2-기, CF3OCH2CH2CH2-기, C2F5OCH2CH2CH2-기, C3F7OCH2CH2CH2-기, (CF3)2CHOCH2CH2CH2-기, C4F9CH2OCH2CH2CH2-기, 3-(퍼플루오로시클로헥실옥시)프로필, H(CF2)4CH2OCH2CH2CH2-기, H(CF2)4CH2CH2CH2-기, γ-글리시독시프로필기, γ-메르캅토프로필기, 3,4-에폭시시클로헥실에틸기, γ-메타크릴로일옥시프로필기 등의 치환 탄화수소기를 들 수 있다. x는 2∼4의 정수가 바람직하다.
티타늄 알콕시드로서는, 예를 들면 테트라메톡시 티탄, 테트라에톡시 티탄, 테트라-n-프로폭시 티탄, 테트라이소프로폭시 티탄, 테트라-n-부톡시 티탄, 테트라이소프로폭시 티탄 등을 들 수 있다.
아연 화합물로서는, 예를 들면 아세트산 아연, 염화 아연, 질산 아연, 스테 아르산 아연, 올레산 아연, 살리실산 아연 등을 들 수 있다. 그중에서도 아세트산 아연 및 염화 아연이 바람직하다.
알루미늄 알콕시드 및 임의성분 원료의 합계를 100질량%로 하여, 임의성분 원료의 비율은 0.01∼50질량%인 것이 바람직하고, 0.05∼30질량%인 것이 보다 바람직하다.
도포액에는, 안정화제로서, 예를 들면 아세틸아세톤, 아세토아세트산 에틸 등의 β-디케톤류; 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에타놀아민 등의 알칸올 아민류; 금속 알콕시드 등을 첨가하는 것이 바람직하다.
도포액에는 용매를 사용해도 된다. 용매로서, 예를 들면 메틸알콜, 에틸알콜, 프로필알콜, 부틸알콜, 메틸셀로솔브, 에틸세로솔브 등을 들 수 있다.
금속 알콕시드, 용매, 안정화제 및 물의 바람직한 혼합비율은, 몰비로 (알루미늄 알콕시드+임의성분 원료):용매:안정화제:물=1:10∼100:0.5∼2:0.1∼5이다.
도포액에는, 알콕시기의 가수분해를 촉진하거나, 탈수 축합을 촉진하거나 하기 위한 촉매를 첨가할 수 있다. 촉매로서는, 예를 들면 질산, 염산, 황산, 인산, 아세트산, 암모니아 등을 들 수 있다. 촉매의 첨가량은 금속 알콕시드에 대해, 몰비로 0.0001∼1인 것이 바람직하다.
필요에 따라, 도포액에 수용성 유기 고분자를 첨가해도 된다. 수용성 유기 고분자를 포함하는 도포액을 사용하여 얻어진 알루미나겔 막을, 열수처리하면, 알루미나겔 막에 함유되는 수용성 유기 고분자가 용이하게 용출하여, 알루미나겔 막과 열수와의 반응표면적이 증대한다. 그 때문에 비교적 저온이고 또한 단시간에서 의 꽃잎 형상 알루미나 막의 생성이 가능하게 된다. 첨가하는 수용성 유기 고분자의 종류나 분자량을 선택함으로써, 형성되는 꽃잎 형상 알루미나 막의 요철 형상을 제어할 수 있다. 수용성b고분자로서, 예를 들면 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리메틸비닐에테르, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등을 들 수 있다. 수용성 고분자의 첨가량은 알루미늄 알콕시드가 모두 알루미나에 변화되는 것으로 가정하고, 알루미나의 0.1∼10질량%이면 된다.
도포법으로서는, 예를 들면 디핑법, 스핀코팅법, 노즐 플로우 코팅법, 스프레이법, 리버스 코팅법, 플렉소그래피법, 인쇄법, 플로우 코팅법 및 이것들을 병용하는 방법 등을 들 수 있다. 그중에서도 디핑법은 막의 균일성, 막두께의 제어 등이 용이하므로 바람직하다. 얻어지는 겔 막의 막두께는, 예를 들면 디핑법에서의 인상 속도나 스핀코팅법에서의 렌즈의 회전속도의 조정, 도포액의 농도의 조정 등에 의해 제어할 수 있다. 디핑법에 있어서의 인상 속도는, 예를 들면 약 0.1∼4.0mm/초 정도로 하는 것이 바람직하다.
도포막의 건조는 특별히 제한되지 않고, 렌즈의 내열성 등에 따라 적당하게 선택하면 된다. 일반적으로는, 도포 후의 렌즈(1)를 실온∼400℃의 온도에서 5분∼24시간 처리한다.
알루미나겔 막을 형성한 렌즈(1)를 열수로 처리한다. 열수의 온도는 렌즈(1)의 내열성에 따라 적당하게 선택한다. 열수 중에서 침지처리 하는 경우, 약 50℃∼ 약 100℃의 온도에서 1∼240분 정도 처리하는 것이 바람직하다. 열수로 처리한 후, 실온∼400℃의 온도에서 건조하는 것이 바람직하고, 100∼400℃의 온도에 서 소성하는 것이 보다 바람직하다. 건조(소성) 시간은 10분∼24시간으로 하는 것이 바람직하다. 이상과 같이 하여 형성되는 꽃잎 형상 알루미나 막은 통상 무색이고 투명성이 높다.
(b) 아연 화합물 막의 형성방법
아연 화합물 막은 아연 화합물을 포함하는 용액 또는 분산액을 렌즈(1)에 도포하고, 건조하여 겔 막을 형성하고, 얻어진 겔 막을 20℃ 이상의 온도의 함수액으로 처리함으로써 얻어진다. 이 방법에 의해 비교적 저온에서 아연 화합물 막을 형성할 수 있으므로, 렌즈(1)의 내열성이 불충분한 경우에도 적합하다.
아연 화합물로서는, 예를 들면 아세트산 아연, 염화 아연, 질산 아연, 스테아르산 아연, 올레산 아연, 살리실산 아연 등을 들 수 있다. 그중에서도 아세트산 아연 및 염화 아연이 바람직하다. 아연 화합물 막을 상기 임의성분을 포함하는 것으로 하는 경우, 알루미늄 알콕시드, 지르코늄 알콕시드, 알콕시실란 및 티타늄 알콕시드로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 임의성분 원료를 도포액에 첨가한다.
알루미늄 알콕시드, 지르코늄 알콕시드, 알콕시실란 및 티타늄 알콕시드는 각각 상기와 같아도 된다. 아연 화합물과 임의성분 원료의 배합비율은 아연 화합물 및 임의성분 원료의 합계를 100질량%로 하여, 임의성분 원료의 비율이 0.01∼50질량%인 것이 바람직하고, 0.5∼30질량%인 것이 보다 바람직하다.
도포액의 용매 및 도포법도 꽃잎 형상 알루미나 막을 형성하는 경우와 동일해도 된다. 도포액의 배합비율은, 몰비로, (아연 화합물+임의성분 원료):용매 =1:10∼20으로 하는 것이 바람직하다. 도포액에는, 필요에 따라, 상기의 안정화제, 촉매 및 물을 첨가해도 된다. 도포 후는 실온에서 30분 정도 건조시키면 되지만, 필요에 따라서 가열 건조해도 된다.
건조에 의해 얻어진 겔 막을 20℃ 이상의 온도의 함수액으로 처리한다. 이 처리에 의해, 겔 막의 표층이 해교작용을 받아, 구조의 재배열이 일어나고, 아연 산화물 혹은 수산화물 또는 그것들의 수화물이 겔 막의 표층에 석출하여, 성장한다. 여기에서 함수액이란 물 또는 물과 그밖의 용매와의 혼합물을 나타낸다. 그밖의 용매로서, 예를 들면 알콜을 들 수 있다. 함수액의 온도는 20∼100℃로 하는 것이 바람직하다. 함수액에 의한 처리시간은 약 5분∼약 24시간으로 하는 것이 바람직하다. 이상과 같이 하여 형성되는 아연 화합물 막은 통상 무색이고 투명성이 높다.
[3] 광학소자의 용도
본 발명의 광학소자는, 렌즈 유효직경 영역 내에서 가시역으로부터 적외역에 이르는 넓은 파장 영역의 광에 대해 높은 반사방지 특성을 갖는다. 구체적으로는, 0∼70°의 입사각도 범위의 가시광(파장 영역: 380∼780nm)에 대한 분광 반사율이 통상 18% 이하이고, 바람직하게는 12.0% 이하이다. 이러한 특성을 갖는 광학소자는, 예를 들면 광정보 기록/재생장치, 반도체용 노광장치, 카메라, 내시경, 광통신용 부품[예를 들면 레이저 다이오드(LD) 모듈, 합파기, 분파기 등] 등에 사용하는 렌즈로서 적합하다. 광정보 기록/재생용 매체[CD, DVD, Blu-ray Disk, HD-DVD 등]에는 여러 파장의 광원이 사용되지만, 본 발명의 광학소자는 어느것에 대해서도 픽 업 렌즈로서 사용할 수 있다. 본 발명의 광학소자의 형상은 용도에 따라 적당하게 선택할 수 있다. 예를 들면 광정보 기록/재생장치의 픽업 렌즈로서 사용하는 경우, 통상 도 1에 도시하는 바와 같은 형상으로 하고, 내시경이나 광통신용 부품에 사용하는 경우, 통상 볼 형상으로 한다.
(실시예 1)
본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
저습도로 조정한 분위기 하에서, 200g의 알루미늄-sec-부톡시드에, 충분하게 탈수한 700g의 이소프로필알콜을 첨가하고, 실온에서 충분하게 교반한 후, 105g의 아세토아세트산 에틸을 첨가하고 3시간 교반했다. 그것과 병행하여 동 분위기하에서 300g의 이소프로필알콜에 45g의 물을 가하고, 교반했다. 얻어진 알루미늄-sec-부톡시드 용액과 이소프로필알콜 수용액을 혼합하고, 실온에서 24시간 교반하여, 도포액을 조제했다. 얻어진 도포액을, 보로실리케이트 크라운 유리(BK7)제 렌즈(1)(도 1 참조, 렌즈의 유효직경: 3mm, S/S0×100=62%, 굴절율:1.518)의 볼록면(11)에, 스핀코팅법에 의해 도포하고, 150℃의 온도에서 2시간 가열경화 하여, 굴절율:1.38, 물리 막두께: 272nm의 투명한 알루미나겔 막이 코팅된 렌즈를 얻었다. 얻어진 알루미나겔 막 부착 렌즈를, 비등한 증류수에 10분간 침지하고, 또한 150℃의 온도에서 30분간 가열 건조하고, 꽃잎 형상 알루미나 막[3차원 평균 표면 거칠기(SRa):20.6nm, 요철의 최대 고저차(P-V): 191.5nm, 비표면적(SR): 1.25]을 갖는 반사방지 렌즈를 얻었다. 이 반사방지 렌즈에 파장이 각각 405, 650 및 780nm의 레이저광을 볼록면(11)으로부터 입사시켜, 투과율을 조사했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 2
LAK 14 유리로 이루어지는 렌즈(1)(렌즈의 유효직경: 3mm, S/S0×100: 62%, 굴절율: 1.72)를 사용한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여, 꽃잎 형상 알루미나 막[3차원 평균 표면거칠기(SRa): 22.3nm, 요철의 최대 고저차(P-V): 206.0nm, 비표면적(SR): 1.26]을 갖는 반사방지 렌즈를 얻었다. 이 반사방지 렌즈의 투과율을 실시예 1과 동일하게 하여 조사했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 1
실시예 1과 동일한 BK7 유리제로 반사방지막을 갖지 않는 렌즈(1)에 대해, 실시예 1과 동일하게 하여 투과율을 조사했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 2
전자빔식의 증착원을 갖는 장치를 사용하여, 증착법에 의해, 실시예 1과 동일한 BK7 유리제 렌즈(1)의 볼록면(11)에, 물리층 두께가 127nm의 MgF2(굴절율: 1.38)층을 형성했다. 얻어진 반사방지 렌즈에 대해, 실시예 1과 동일하게 하여 투과율을 조사했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 3
반사방지막을 갖지 않는 상태의, 실시예 2와 동일한 LAK14 유리제 렌즈(1)에 대해, 실시예 1과 동일하게 하여 투과율을 조사했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 4
전자빔식의 증착원을 갖는 장치를 사용하여, 증착법에 의해, 실시예 2와 동일한 LAK14 유리제 렌즈(1)의 볼록면(11)에 물리층 두께가 127nm의 MgF2층을 형성했다. 얻어진 반사방지 렌즈에 대해, 실시예 1과 동일하게 하여 투과율을 조사했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 5
전자빔식의 증착원을 갖는 장치를 사용하여, 증착법에 의해, 실시예 2와 동일한 LAK14 유리제 렌즈(1)의 볼록면(11)에, 표 2에 나타내는 구성으로 되도록, 반사방지막(막두께의 합계: 391nm)을 형성했다. 얻어진 반사방지 렌즈에 대해, 실시예 1과 동일하게 하여 투과율을 조사했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112007001714880-PAT00002
Figure 112007001714880-PAT00003
실시예 1 및 2의 샘플은 꽃잎 형상 알루미나 막을 기지므로, 표면에 SRa가 5∼100nm의 미세한 요철을 갖고, 그 때문에 각 파장의 레이저광에 대해 투과율이 높고, 반사방지성이 우수했다. 이에 반해, 반사방지막을 갖지 않는 비교예 1 및 3의 샘플은 실시예 1 및 2의 샘플에 비해 반사방지성이 각별히 뒤떨어졌다. 비교예 2 및 4의 샘플은 MgF2로 이루어지는 반사방지막을 갖고, 비교예 5의 샘플은 ZrO2/MgF2 다층막을 갖고 있지만, 이것들의 경우에 있어서도 실시예 1 및 2의 샘플에 비해 전체적으로의 반사방지성능이 뒤떨어졌다.
3차원 평균 표면거칠기가 5∼100nm의 미세한 요철이 표면에 형성된 반사방지막을 갖는 본 발명의 광학소자는, 높은 곡률을 가짐에도 불구하고, 가시영으로부터 적외역에 이르는 넓은 파장 영역의 광에 대해 렌즈 유효직경 영역에서 반사방지성이 우수했다. 이러한 특성을 갖는 광학소자는 광정보 기록/재생장치, 반도체용 노광 장치, 카메라, 내시경, 광통신용 부품 등에 사용하는 렌즈로서 적합하다. 본 발명의 광학소자는, 졸겔법에 의해 제작한 겔 막을 온수(예를 들면 약 50∼100℃의 열수 또는 20℃ 이상의 함수액)으로 처리함으로써 반사방지막을 형성하므로 고가인 처리장치를 필요로 하지 않고, 저렴하게 제조할 수 있다.

Claims (6)

  1. 유효직경 영역 내에서의 표면 경사각도가 50° 이상 부분의 투영 면적이 상기 유효직경 영역의 투영 면적의 10% 이상인 렌즈와, 상기 렌즈의 표면에 형성된 반사방지막을 갖는 광학소자로서, 상기 반사방지막은 3차원 평균 표면거칠기가 5∼100nm의 미세한 요철을 표면에 갖는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사방지막은 알루미나, 아연 산화물 및 아연 수산화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반사방지막의 요철은 불규칙하게 분포되는 다수의 미세한 꽃잎 형상의 볼록부와 그것들 사이의 홈 형상의 오목부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 0∼70°의 입사각도 범위의 가시광선에 대한 분광 반사율은 18% 이하인 것을 특징으로 하는 광학소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 광학소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광정보 기록/재생장치용 픽업 렌즈.
  6. 제 5 항에 기재된 픽업 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 광정보 기록/재생장치.
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