WO2018180127A1 - 光学部材 - Google Patents

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WO2018180127A1
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optical member
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laminated structure
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達矢 吉弘
谷 武晴
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富士フイルム株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to an optical member.
  • heat insulating function is required more for optical members.
  • heat insulating materials having a high heat insulating function vacuum heat insulating materials (0.002 W / (m ⁇ K)), glass wool (0.03 W / (m ⁇ K)), and the like are known.
  • vacuum heat insulating materials and glass wool are both optically opaque materials, they are difficult to use as optical members.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2006-334787 discloses a transparent heat-insulating optical member having high visible light transmittance and high infrared light blocking properties, which includes a metal layer that reflects heat rays and a transparent light compensation layer on a transparent substrate.
  • the light compensation layer is a transparent conductive layer made of a conductive metal oxide, and has a wavelength of 510 nm.
  • the light transmittance T (510) is 74% or more, and the ratio T (900) / T (700) of the light transmittance T (700) at a wavelength of 700 nm and the light transmittance T (900) at a wavelength of 900 nm is 0.
  • a transparent heat insulating optical member that is 3 or less is disclosed.
  • JP 2013-256104 A discloses a heat reflecting structure having excellent heat ray reflectivity, visible light transmittance, and radio wave transmissivity, a base layer, a metal layer and a dielectric disposed on the base material. And an alternate optical member in which both outermost layers are dielectric layers, and the dielectric layer is composed of a crystalline region and an amorphous region of a metal oxide. The body is disclosed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-182192 discloses a heat-insulating glass with greatly improved moisture resistance, which is a sequential combination of at least a transparent oxide film layer, a noble metal film layer, and an Al—Zn film layer on the surface of a glass substrate.
  • a heat insulating glass is known, which is a laminated film in which an Al—Zn film layer is present so that the noble metal film layer is protected by at least the Al—Zn film layer.
  • an object of the present disclosure is to provide an optical member having transparency in a wavelength region of 400 nm to 800 nm or a wavelength region of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m and having reduced thermal conductivity.
  • Means for solving the above problems include the following aspects.
  • ⁇ 3> The optical element according to ⁇ 1> or ⁇ 2>, wherein the multilayer structure is composed of two or more metal compounds selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and metal sulfides.
  • the metal element in the two or more metal compounds is at least one element selected from the group consisting of Si, Al, Nb, Mg, Zr, Ge, and Zn. . ⁇ 5>
  • ⁇ 6> The minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is 10% or more, The optical member according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 5>, wherein a maximum reflectance in a wavelength range of 400 nm to 800 nm is 10% or less.
  • ⁇ 7> The minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is 10% or more, The optical member according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 6>, wherein the two or more layers having different materials include a combination of an Al 2 O 3 layer and an SiO 2 layer.
  • the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is 10% or more
  • the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is 10% or more
  • the optical member according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 5> and ⁇ 8>, wherein the two or more types of layers having different materials include a combination of a SiN layer and an AlN layer.
  • an optical member having transparency in a wavelength region of 400 nm to 800 nm or a wavelength region of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m and a reduced thermal conductivity is provided.
  • 2 is a reflection spectrum of the optical member of Example 1 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 2 is a transmission spectrum of the optical member of Example 1 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 6 is a reflection spectrum of the optical member of Example 2 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 6 is a transmission spectrum of the optical member of Example 2 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 6 is a reflection spectrum of the optical member of Example 3 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 7 is a transmission spectrum of the optical member of Example 3 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 6 is a reflection spectrum of the optical member of Example 4 in a wavelength region of 4 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • 6 is a transmission spectrum of the optical member of Example 4 in a wavelength region of 4 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • 3 is a reflection spectrum of the optical member of Comparative Example 1 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm. 3 is a transmission spectrum of the optical member of Comparative Example 1 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 6 is a reflection spectrum of the optical member of Comparative Example 2 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 6 is a transmission spectrum of the optical member of Comparative Example 2 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • 10 is a reflection spectrum of the optical member of Comparative Example 3 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm. 10 is a transmission spectrum of the optical member of Comparative Example 3 in a wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
  • the concept of “metal” in the present specification includes a semimetal (for example, Si, Ge, etc.).
  • Light as used herein refers to electromagnetic waves in general and is not limited to visible light.
  • layer thickness means the thickness of one layer.
  • An optical member of the present disclosure includes a base material, and a laminated structure including two or more layers that are disposed on the base material and have different materials.
  • the number of layers constituting the laminated structure is 10 or more, the maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is 8 nm or less, and the minimum transmittance is 10% in the wavelength range of 400 nm to 800 nm or the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m. That's it.
  • A which is an aspect of the optical member of the present disclosure, is an aspect in which the minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is 10% or more.
  • Aspect B which is another aspect of the optical member of the present disclosure is an aspect in which the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is 10% or more.
  • the optical member according to aspect A of the present disclosure is an optical member having transparency in a wavelength region of 400 nm to 800 nm and having reduced thermal conductivity. Further, the optical member according to aspect B of the present disclosure is an optical member having transparency in a wavelength region of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m and having reduced thermal conductivity. The reason why this effect is achieved is estimated as follows, but the optical member of the present disclosure is not limited by the following reason.
  • Each of the optical members of the aspect A and the aspect B includes a laminated structure composed of two or more layers having different materials, and the number of layers constituting the laminated structure is 10 or more. Interfacial thermal resistance exists at the interface between two different substances. In any of the optical members of the aspect A and the aspect B, since the number of layers constituting the laminated structure is 10 or more, the number of interfaces having the interface thermal resistance is 9 or more, and thus the thermal conductivity is reduced. It is thought.
  • the maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is 8 nm or less.
  • the maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure means the maximum value in the population composed of the thicknesses of all the layers constituting the laminated structure.
  • the thickness of one layer is set to 1/100 of the upper limit (800 nm) of the wavelength range. It is thought that it is effective to suppress below (that is, 8 nm or less).
  • the maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is 8 nm or less, interference of light in the wavelength range of 400 nm to 800 nm (that is, visible light) is suppressed. For this reason, in aspect A, it is considered that a decrease in transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is suppressed.
  • the thickness of one layer is set to 1 / th of the upper limit (12 ⁇ m) of the wavelength range. It is considered effective to suppress it to 100 or less (that is, 120 nm or less).
  • the maximum layer thickness of the layers constituting the stacked structure is 8 nm or less, interference of light in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m (that is, infrared light) is suppressed. . Therefore, in Mode B, it is considered that a decrease in transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is suppressed.
  • the function of having transparency in the wavelength region of 400 nm to 800 nm and the function of reducing the thermal conductivity are achieved.
  • the optical member of aspect B it is considered that the function of having transparency in the wavelength region of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m and the function of reducing the thermal conductivity are achieved.
  • each layer constituting the laminated structure in the aspect A is remarkably small with respect to the wavelength of visible light (400 to 800 nm). For this reason, visible light cannot distinguish, for example, the first layer (hereinafter also referred to as “X layer”) and the second layer (hereinafter also referred to as “Y layer”) in the stacked structure. Therefore, when viewed from the visible light, the laminated structure is regarded as a single mixed material film having an average refractive index.
  • the layer thickness (the maximum layer thickness is 8 nm or less) of each layer constituting the laminated structure in the embodiment B is remarkably small with respect to the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the laminated structure is regarded as a single layer mixed material film having an average refractive index.
  • the optical members of aspects A and B also have an advantage of easy optical design.
  • the optical member according to aspect A includes a base material and a laminated structure including two or more layers that are disposed on the base material and are made of different materials, and the number of layers constituting the laminated structure is 10 or more, The maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is 8 nm or less, and the minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is 10% or more.
  • Examples of the material of the base material in the aspect A include glass, plastic, ceramics, and the like.
  • Examples of the glass include natural quartz glass, synthetic quartz glass, soda glass, and lanthanum glass.
  • As a material of the base material in the aspect A glass is preferable. Thereby, it is easier to achieve that the minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is 10% or more.
  • the optical member according to aspect A is provided on a base material and has a laminated structure including two or more layers made of different materials.
  • the layer which comprises the laminated structure in aspect A is a layer which consists of each of 2 or more types of different materials.
  • the two or more different materials constituting the laminated structure in aspect A may be two or more organic materials, two or more inorganic materials, one or more organic materials and one or more materials. It may be a combination with an inorganic substance.
  • the laminated structure in the aspect A is preferably made of two or more metal compounds selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and metal sulfides, from the viewpoint of easy film formation. It is preferable that the layer which comprises the laminated structure in aspect A is 2 or more types of layers which consist of each of the said 2 or more types of metal compound.
  • An aspect including two or more layers composed of metal oxide hereinafter also referred to as “metal oxide layer”
  • An aspect including two or more layers made of metal nitride hereinafter also referred to as “metal nitride layer”
  • An embodiment including two or more layers composed of metal oxynitrides hereinafter also referred to as “metal oxynitride layers”
  • An embodiment including two or more layers made of metal sulfide hereinafter also referred to as “metal sulfide layer”
  • a preferred aspect of the laminated structure in aspect A is X layer (namely, first layer) and Y layer (namely, second layer) are arranged alternately like X layer / Y layer / X layer / Y layer / X layer. Or in this structure, at least one other layer other than the X layer and the Y layer is inserted between arbitrary layers of the alternately arranged structure.
  • the structure in which at least one of the other layers is inserted includes, for example, a structure of X layer / Y layer / Z layer / X layer / Y layer / W layer / X layer.
  • the Z layer is a third type layer
  • the W layer is a fourth type layer.
  • the metal element in the metal compound in the aspect A is preferably at least one element (more preferably two or more elements) selected from the group consisting of Si, Al, Nb, Mg, Zr, Ge, and Zn.
  • the metal element in the metal compound preferably includes at least one selected from the group consisting of Si, Al, and Nb (more preferably two or more), and at least one selected from the group consisting of Si and Al. More preferably, Si is included.
  • Examples of the metal oxide include Al 2 O 3 , SiO 2 , Nb 2 O 5 , MgO, GeO 2 , ZnO, ZrO 2 and the like.
  • Examples of the metal nitride include AlN and SiN.
  • Examples of the metal oxynitride include AlON and SiON.
  • Examples of the metal sulfide include ZnS.
  • the two or more kinds of layers having different materials preferably include two or more kinds of metal oxide layers from the viewpoint of further improving the minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm, and an Al 2 O 3 layer It is particularly preferable to include a combination of SiO 2 and SiO 2 layers.
  • the number of layers constituting the laminated structure in aspect A is 10 or more as described above. From the viewpoint of further reducing the thermal conductivity of the optical member, the number of layers constituting the laminated structure in aspect A is preferably 20 or more, more preferably 50 or more, and still more preferably 100 or more. There is no restriction
  • the maximum layer thickness of the layer constituting the laminated structure in the aspect A is 8 nm or less. Thereby, as described above, the thermal conductivity of the optical member is reduced. Furthermore, interference of light in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is suppressed, and as a result, a decrease in transmittance in this wavelength range is suppressed.
  • the maximum layer thickness of the layer constituting the laminated structure in the aspect A is preferably 5 nm or less, more preferably 4 nm or less. There is no restriction
  • the lower limit of the maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is preferably 1 nm, more preferably 2 nm.
  • the upper limit of the average layer thickness of the layers constituting the laminated structure in aspect A is preferably 7 nm, more preferably 4 nm, and particularly preferably 3 nm.
  • the lower limit of the average layer thickness of the layers constituting the laminated structure in aspect A is preferably 1 nm, more preferably 2 nm.
  • the CV value defined by the standard deviation of the layer thickness / the average layer thickness may be 0.05 or more from the viewpoint of further reducing the thermal conductivity.
  • the average layer thickness means an arithmetic average value of a population composed of the thicknesses of all the layers constituting the laminated structure.
  • the standard deviation of layer thickness means the standard deviation of the population which consists of each thickness of all the layers which comprise a laminated structure.
  • the CV value of the laminated structure in the aspect A is 0.05 or more, roughly speaking, there is a certain degree of variation in the layer thickness of the layered structure (specifically, variation between the layers). It means that.
  • the CV value of the laminated structure in the aspect A is 0.05 or more, the thermal conductivity is more effectively reduced. This is because the phonon Anderson localization occurs due to the existence of some variation in the layer thickness of the layers constituting the laminated structure and the above-described phonon interference, which causes the average transmission of phonons. This is probably because the rate decreases.
  • the CV value of the layer thickness of the layer constituting the laminated structure in the aspect A is more preferably 0.10 or more.
  • An upper limit is 0.60, for example.
  • the optical member according to aspect A preferably includes at least one light interference layer (hereinafter also referred to as “light interference layer A”) having a layer thickness of more than 8 nm.
  • the optical function of an optical member can be improved more.
  • the layer thickness of each layer constituting the laminated structure in the aspect A (the maximum layer thickness is 8 nm or less) is remarkably small with respect to the wavelength of visible light (400 to 800 nm). Is regarded as a single-layer mixed material film having an average refractive index. Therefore, the optical function of the optical member can be further improved by arranging the light interference layer A on the base material side and / or the side opposite to the base material as viewed from the laminated structure.
  • the laminated structure can have an antireflection effect for a specific wavelength, or can have a reflection enhancing effect for a specific wavelength.
  • the thickness of the optical interference layer A may be more than 8 nm, and is not particularly limited, but is preferably 9 nm or more, more preferably 10 nm or more.
  • the upper limit of the thickness of the optical interference layer A is preferably 1000 nm, more preferably 200 nm, and particularly preferably 100 nm, from the viewpoint of suitability for manufacturing the optical interference layer.
  • the material of the optical interference layer A is preferably at least one metal compound selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and metal fluorides.
  • the metal element in the metal compound as the material of the optical interference layer A is at least one selected from the group consisting of Si, Al, Nb, Mg, Zr, La, Ti, Y, Ca, Ba, Li, and Na. Species elements are preferred.
  • the optical member according to aspect A has a minimum transmittance of 10% or more in the wavelength range of 400 nm to 800 nm.
  • the minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm means the minimum value of the transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm.
  • the minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is preferably 30% or more, more preferably 50% or more, and particularly preferably 80% or more.
  • the upper limit of the minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is not particularly limited, but the preferable upper limit is 99% from the viewpoint of suitability for manufacturing an optical member.
  • the optical member according to aspect A preferably has a maximum reflectance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm of 10% or less, more preferably 6% or less, and more preferably 5% or less. More preferably, it is more preferably 4% or less.
  • the maximum reflectance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm means the maximum value of the reflectance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm.
  • the maximum reflectance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm may be 0% or more than 0%. Reduction of the maximum reflectance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is more easily achieved when the optical member according to aspect A includes the above-described optical interference layer A.
  • the optical member according to aspect A described above is used as an antireflection film for various optical devices (for example, an optical sensor, an optical system of an imaging device, a display device, or the like) or a decorative film for a heat insulating container. be able to.
  • the optical member according to aspect A described above is particularly preferably used as an antireflection film for an optical device used in a high temperature environment or a decorative film for a heat insulating container used in a high temperature environment.
  • the optical member according to aspect B includes a base material and a laminated structure including two or more layers that are disposed on the base material and have different materials, and the number of layers constituting the laminated structure is 10 or more, The maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is 8 nm or less, and the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is 10% or more.
  • Examples of the material of the base material in the aspect B include metals and metal compounds.
  • the material of the base material in the embodiment B is preferably Si, Ge, ZnSe, ZnS, a mixture of TlBr and TlI, or a mixture of TlBr and TlCl. Thereby, it is easier to achieve that the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is 10% or more.
  • the optical member according to aspect B includes a laminated structure that is disposed on a base material and includes two or more layers having different materials.
  • the preferable form (preferable material etc.) of the laminated structure in aspect B is the same as the preferable form (preferable material etc.) of the laminated structure in aspect A.
  • the two or more layers of different materials preferably include two or more metal nitride layers from the viewpoint of further improving the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the SiN layer and the AlN layer It is also preferred to include combinations with layers.
  • the preferred range of the number of layers constituting the laminated structure in aspect B is the same as the preferred range of the number of layers constituting the laminated structure in aspect A.
  • the maximum layer thickness of the layers constituting the stacked structure is 8 nm or less.
  • the maximum layer thickness of the layer constituting the laminated structure in the aspect B is preferably 5 nm or less, more preferably 4 nm or less.
  • the lower limit of the maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is preferably 1 nm, more preferably 2 nm.
  • the upper limit of the average layer thickness of the layers constituting the laminated structure in aspect B is preferably 7 nm, more preferably 4 nm, and particularly preferably 3 nm.
  • the lower limit of the average layer thickness of the layers constituting the laminated structure in aspect B is preferably 1 nm, more preferably 2 nm.
  • the CV value defined by the standard deviation of the layer thickness / the average layer thickness may be 0.05 or more from the viewpoint of further reducing the thermal conductivity.
  • the CV value of the layer thickness of the layer constituting the laminated structure is more preferably 0.10 or more.
  • the optical member according to aspect B preferably includes at least one light interference layer (hereinafter also referred to as “light interference layer B”) having a layer thickness of more than 8 nm.
  • the layer thickness of each layer constituting the laminated structure in the aspect B is remarkably small with respect to the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the laminated structure is regarded as a single mixed material film having an average refractive index. Therefore, the optical function of the optical member can be further improved by disposing the light interference layer B on the base material side and / or the side opposite to the base material as viewed from the laminated structure.
  • the laminated structure can have an antireflection effect for a specific wavelength, or can have a reflection enhancing effect for a specific wavelength.
  • the thickness of the optical interference layer B may be more than 8 nm, and is not particularly limited, but is preferably more than 100 nm, more preferably more than 120 nm.
  • the upper limit of the layer thickness of the optical interference layer B is that of the optical interference layer. From the viewpoint of production suitability, it is preferably 100 ⁇ m.
  • the material of the optical interference layer B is at least one metal compound selected from the group consisting of metal oxide, metal nitride, metal oxynitride, and metal fluoride, Si (single), or Ge (single) Is preferred.
  • the metal element in the metal compound as the material of the optical interference layer B is at least one selected from the group consisting of Si, Al, Nb, Mg, Zr, La, Ti, Y, Ca, Ba, Li, and Na. Species elements are preferred.
  • the optical member according to aspect B has a minimum transmittance of 10% or more in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m means the minimum value of the transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is preferably 30% or more, more preferably 50% or more.
  • the upper limit of the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is not particularly limited, but from the viewpoint of suitability for manufacturing an optical member, the preferable upper limit is 99%, more preferably the upper limit is 90%, and the further preferable upper limit is 80%.
  • the maximum reflectance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is preferably 40% or less, more preferably 30% or less, and more preferably 20% or less. More preferably it is.
  • the maximum reflectance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m means the maximum reflectance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the maximum reflectance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m may be 0% or more than 0%. Reduction of the maximum reflectance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is easier to achieve when the optical member according to aspect B includes the above-described optical interference layer B.
  • the optical member according to the aspect B described above can be used as, for example, a window material for an infrared heater, a window material for a radiation cooling device, a surface member of a solar heat collecting device, and the like.
  • Example 1 (Example of embodiment A) ⁇ Production of optical member (no optical interference layer)> An Al 2 O 3 layer as the first layer (layer X) and SiO 2 as the second layer (layer Y) are formed on the soda glass substrate as the base material by vapor phase film formation using an electron cyclotron sputtering apparatus.
  • the number of layers can be increased by forming 50 layers each.
  • a laminated structure of 100 was formed.
  • Example of Aspect A an optical member of Example 1 (Example of Aspect A) was obtained.
  • ⁇ Layer thickness measurement> A cross section of the laminated structure of the optical member was formed by FIB (Focused Ion Beam) processing, and an STEM (Scanning Transmission Electron Microscope) image with a magnification of 160,000 was obtained for the obtained cross section.
  • FIB Fluorine Beam
  • STEM Sccanning Transmission Electron Microscope
  • Titan 80-300 manufactured by FEI was used as the STEM.
  • the layer thickness of each of the 100 layers was measured.
  • the average layer thickness and the maximum layer thickness were determined using the layer thickness of each of the 100 layers obtained as a population. The results are shown in Table 4.
  • thermoreflectance signal of the laminated structure of the optical member of Example 1 In order to obtain the thermoreflectance signal of the laminated structure of the optical member of Example 1, an Al thin film having a thickness of 20 nm was formed on the surface of the uppermost layer of the laminated structure by RF (radio frequency) sputtering. After the formation of the Al thin film, a thermoreflectance signal of the laminated structure of the optical member of Example 1 was obtained by a surface heating / surface detection type thermoreflectance method using a laser beam with a period of 80 MHz. Similarly, a thermoreflectance signal was obtained for a film of Comparative Example 1 (SiO 2 single layer, layer thickness 300 nm) described later.
  • thermoreflectance signals of Example 1 and Comparative Example 1 acquired above were reproduced by a heat conduction simulation by a finite element method, and each thermoreflectance signal was derived.
  • the heat conduction simulation was performed between 2000 ps in order to simulate the time from the start of heating at a period of 80 MHz to the steady state.
  • the thermal conductivity of the laminated structure of Example 1 was calculated based on the value 200 ps before the last heating pulse.
  • the calculation conditions for the thermal conductivity were such that the thermal conductivity of the film of Comparative Example 1 and the literature value of 1.38 W / (m ⁇ K) of the thermal conductivity of SiO 2 coincided.
  • Table 4 shows the thermal conductivity (calculation result by simulation) of the laminated structure of the optical member of Example 1 when the thermal conductivity of the film of Comparative Example 1 (SiO 2 single layer, layer thickness 300 nm) is 100. Shown as a relative value.
  • spectral characteristics transmission spectrum and transmission spectrum in the wavelength region of 400 nm to 800 nm were measured using a spectrophotometer U-4000 manufactured by Hitachi, Ltd.
  • FIG. 1 is a reflection spectrum in the wavelength region of 400 nm to 800 nm of the optical member of Example 1
  • FIG. 2 is a transmission spectrum in the wavelength region of 400 nm to 800 nm of the optical member of Example 1.
  • Table 4 shows the minimum transmittance and the maximum reflectance in the wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • Example 2 (Example of embodiment A) ⁇ Formation of optical member (with optical interference layer)> On a soda glass substrate as a base material, optical interference layers 1 to 9 having the materials shown in Table 1 were formed in this order by an RF (Radio Frequency) sputtering apparatus. Next, the laminated structure (100 layers) formed in Example 1 was formed on the optical interference layer 9. On the formed laminated structure, the optical interference layers 10 and 11 shown in Table 1 were formed in this order. Thus, an optical member of Example 2 (Example of Aspect A) having the layer configuration shown in Table 1 was obtained.
  • RF Radio Frequency
  • the refractive index shown in Table 1 is a refractive index at a measurement wavelength of 540 nm measured using a spectroscopic ellipsometer MASS manufactured by Fibravo (the same applies to Tables 2 and 3 described later).
  • the thickness shown in Table 1 is a value measured by the same method as in the layer thickness measurement in Example 1 (however, the measurement magnification is appropriately selected according to the thickness of the measurement target) (Table 2 and later described) The same applies to Table 3).
  • FIG. 3 is a reflection spectrum of the optical member of Example 2 in the wavelength region of 400 nm to 800 nm
  • FIG. 4 is a transmission spectrum of the optical member of Example 2 in the wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • Example 3 (Example of embodiment A) ⁇ Formation of optical member (with optical interference layer)>
  • optical interference layers 1 to 6 having the materials shown in Table 2 were formed in this order by an RF (Radio Frequency) sputtering apparatus.
  • an Al 2 O 3 layer as the first layer (layer X) and an SiO 2 layer as the second layer (layer Y) are formed on the optical interference layer 6 by vapor deposition using an electron cyclotron sputtering apparatus.
  • Example of Aspect A On the formed laminated structure, optical interference layers 7 and 8 shown in Table 2 were formed in this order. Thus, an optical member of Example 3 (Example of Aspect A) having the layer configuration shown in Table 2 was obtained. In the laminated structure of the optical member of Example 3, the CV value defined by the standard deviation of layer thickness / average layer thickness was 0.13.
  • FIG. 5 is a reflection spectrum of the optical member of Example 3 in the wavelength region of 400 nm to 800 nm
  • FIG. 6 is a transmission spectrum of the optical member of Example 3 in the wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • Example 4 (Example of embodiment B) ⁇ Formation of optical member (with optical interference layer)> A ZnS layer as a light interference layer was formed by electron beam evaporation on a Ge (germanium) substrate as a substrate. On this optical interference layer, 50 layers of SiN layers and AlN layers were alternately formed by vapor deposition using an electron cyclotron sputtering apparatus, thereby forming a laminated structure (number of layers: 100). At this time, by making all the deposition times of the 50 SiN layers the same and making the deposition times of the 50 AlN layers all the same, the thickness of each of the 100 layers is 3 nm. did. Thus, an optical member (with an optical interference layer) of Example 4 (Example of Aspect B) having the layer configuration shown in Table 3 was obtained.
  • the spectral characteristic measurement range was changed to a wavelength range of 4 ⁇ m to 15 ⁇ m, and the minimum transmittance and the maximum reflectance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m were obtained. Measurements and evaluations similar to those in Example 1 were performed. The results are shown in Table 4.
  • FIG. 7 is a reflection spectrum of the optical member of Example 4 in the wavelength region of 4 ⁇ m to 15 ⁇ m
  • FIG. 8 is a transmission spectrum of the optical member of Example 4 in the wavelength region of 4 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • FIG. 9 is a reflection spectrum in the wavelength region of 400 nm to 800 nm of the optical member of Comparative Example 1
  • FIG. 10 is a transmission spectrum of the optical member of Comparative Example 1 in the wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • FIG. 11 is a reflection spectrum in the wavelength region of 400 nm to 800 nm of the optical member of Comparative Example 2
  • FIG. 12 is a transmission spectrum of the optical member in Comparative Example 2 in the wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • Example 3 By alternately forming Al 2 O 3 layers (layer X) and SiO 2 layers (layer Y) on a soda glass substrate as a base material by vapor phase film formation using an electron cyclotron sputtering apparatus, A laminated structure having a number of 25 (specifically, 13 Al 2 O 3 layers and 12 SiO 2 layers) was formed. At this time, by varying the film formation time for each layer, the thickness of each layer varies. About the obtained laminated structure, the same measurement and evaluation as Example 1 were implemented.
  • FIG. 13 is a reflection spectrum in the wavelength region of 400 nm to 800 nm of the optical member of Comparative Example 3
  • FIG. 14 is a transmission spectrum of the optical member of Comparative Example 3 in the wavelength region of 400 nm to 800 nm.
  • the number of layers constituting the laminated structure is 10 or more, the maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is 8 nm or less, and the minimum transmittance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm is 10%.
  • the above-described optical members of Examples 1 to 3 (specific example of aspect A) had a lower thermal conductivity than the optical members of Comparative Examples 1 to 3. Further, in the optical members of Examples 1 to 3, the maximum reflectance in the wavelength range of 400 nm to 800 nm was 10% or less, and an excellent antireflection function was provided in the wavelength range.
  • the optical members of Examples 2 and 3 having a light interference layer have a more excellent optical function (specifically, the minimum transmittance in the above wavelength range is higher, and It was confirmed that the maximum reflectance in the wavelength range was lower).
  • the number of layers constituting the laminated structure is 10 or more, the maximum layer thickness of the layers constituting the laminated structure is 10 nm or less, and the minimum transmittance in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m is 10% or more.
  • the optical member No. 4 (specific example of embodiment B) also showed low thermal conductivity.
  • the optical member of Example 4 had a maximum reflectance of 40% or less in the wavelength range of 6 ⁇ m to 12 ⁇ m, and had an excellent antireflection function in the wavelength range.
  • the disclosure of Japanese Patent Application No. 2017-069168 filed on Mar. 30, 2017 is incorporated herein by reference in its entirety. All documents, patent applications, and technical standards mentioned in this specification are to the same extent as if each individual document, patent application, and technical standard were specifically and individually described to be incorporated by reference, Incorporated herein by reference.

Abstract

基材と、前記基材上に配置され、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造と、を備え、前記積層構造を構成する層の数が10以上であり、前記積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であり、400nm~800nmの波長範囲又は6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上である光学部材。

Description

光学部材
 本開示は、光学部材に関する。
 現在、光学部材に対し、断熱機能がより求められるようになっている。
 断熱機能が高い断熱材としては、真空断熱材(0.002W/(m・K))、グラスウール(0.03W/(m・K))等が知られている。しかし、これら真空断熱材及びグラスウールは、いずれも光学的には不透明な材料であるため、光学部材としては利用しにくい。
 上述した背景の下、光学的性質又は断熱性を備えた各種の光学部材が検討されている。
 例えば、特開2006-334787号公報には、可視光透過性が高くかつ赤外光の遮断性の高い透明断熱光学部材として、透明基板上に熱線を反射する金属層と透明な光補償層を交互に複数層積層して、可視光を透過し、熱線を反射するようにした透明断熱光学部材において、該光補償層が導電性の金属酸化物からなる透明導電層であり、波長510nmでの光透過率T(510)が74%以上で、波長700nmの光透過率T(700)と波長900nmでの光透過率T(900)との比T(900)/T(700)が0.3以下である透明断熱光学部材が開示されている。
 また、特開2013-256104号公報には、優れた熱線反射性、可視光透過率および電波透過性を有する熱反射構造体として、基材と、基材上に位置し、金属層および誘電体層が交互に積層されてなり、かつ、両最外層が誘電体層である交互光学部材と、を有し、誘電体層は金属酸化物の結晶領域およびアモルファス領域から構成される、熱反射構造体が開示されている。
 また、特開平10-182192号公報には、耐湿性を大巾に向上した断熱ガラスとして、ガラス基板の表面上に、少なくとも透明酸化物膜層、貴金属膜層、Al-Zn膜層を組み合わせ順次積層した積層膜であって、貴金属膜層を少なくともAl-Zn膜層で保護するように、Al-Zn膜層を存在させた断熱ガラスが知られている。
 しかし、特開2006-334787号公報、特開2013-256104号公報、及び特開平10-182192号公報に記載の技術に対し、熱伝導率をより低減し、断熱機能をより向上させることが求められている。
 従って、本開示の課題は、400nm~800nmの波長領域又は6μm~12μmの波長領域で透過性を有し、かつ、熱伝導率が低減された光学部材を提供することである。
 上記課題を解決するための手段には、以下の態様が含まれる。
<1> 基材と、
 基材上に配置され、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造と、
を備え、
 積層構造を構成する層の数が10以上であり、積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であり、400nm~800nmの波長範囲又は6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上である光学部材。
<2> 積層構造を構成する層の数が、100以上である<1>に記載の光学部材。
<3> 積層構造が、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び金属硫化物からなる群から選択される2種以上の金属化合物からなる<1>又は<2>に記載の光学部材。
<4> 2種以上の金属化合物における金属元素が、Si、Al、Nb、Mg、Zr、Ge、及びZnからなる群から選択される少なくとも1種の元素である<3>に記載の光学部材。
<5> 層厚が8nm超である光干渉層を更に備える<1>~<4>のいずれか1つに記載の光学部材。
<6> 400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上であり、
 400nm~800nmの波長範囲における最高反射率が10%以下である<1>~<5>のいずれか1つに記載の光学部材。
<7> 400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上であり、
 材質が異なる2種以上の層は、Al層とSiO層との組み合わせを含む<1>~<6>のいずれか1つに記載の光学部材。
<8> 6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上であり、
 6μm~12μmの波長範囲における最高反射率が40%以下である<1>~<5>のいずれか1つに記載の光学部材。
<9> 6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上であり、
 材質が異なる2種以上の層は、SiN層とAlN層との組み合わせを含む<1>~<5>及び<8>のいずれか1つに記載の光学部材。
 本開示によれば、400nm~800nmの波長領域又は6μm~12μmの波長領域で透過性を有し、かつ、熱伝導率が低減された光学部材が提供される。
実施例1の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルである。 実施例1の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。 実施例2の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルである。 実施例2の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。 実施例3の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルである。 実施例3の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。 実施例4の光学部材の4μm~15μmの波長領域での反射スペクトルである。 実施例4の光学部材の4μm~15μmの波長領域での透過スペクトルである。 比較例1の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルである。 比較例1の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。 比較例2の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルである。 比較例2の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。 比較例3の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルである。 比較例3の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。
 本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
 本明細書にいう「金属」の概念には、半金属(例えば、Si、Ge等)も含まれる。
 本明細書にいう「光」は、電磁波全般を意味し、可視光には限定されない。
 本明細書にいう「層厚」とは、1層の厚みを意味する。
 本開示の光学部材は、基材と、基材上に配置され、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造と、を備え、
 積層構造を構成する層の数が10以上であり、積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であり、400nm~800nmの波長範囲又は6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上である。
 本開示の光学部材の一態様である態様Aは、400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上である態様である。
 本開示の光学部材の別の一態様である態様Bは、6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上である態様である。
 本開示の態様Aに係る光学部材は、400nm~800nmの波長領域で透過性を有し、熱伝導率が低減された光学部材である。
 また、本開示の態様Bに係る光学部材は、6μm~12μmの波長領域で透過性を有し、熱伝導率が低減された光学部材である。
 かかる効果が奏される理由は、以下のように推測されるが、本開示の光学部材は以下の理由によって限定されることはない。
 態様A及び態様Bのいずれの光学部材も、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造を備え、積層構造を構成する層の数が10以上である。
 異なる2種の物質の界面には界面熱抵抗が存在する。
 態様A及び態様Bのいずれの光学部材も、積層構造を構成する層の数が10以上であることにより、この界面熱抵抗を有する界面の数が9以上であるため、熱伝導率が低減されると考えられる。
 また、態様A及び態様Bのいずれの光学部材も、積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下である。
 本明細書において、積層構造を構成する層の最大層厚とは、積層構造を構成する全ての層の各々の厚さからなる母集団の中での最大値を意味する。
 態様A及び態様Bのいずれにおいても、
材質が異なる2種以上の層からなる積層構造において、フォノンの界面反射が生じること、及び、
積層構造を構成する層の層厚が、フォノンの平均自由行程とされている10数nmよりも小さいこと
の両方を満足することにより、フォノンの干渉が生じると考えられる。
 このフォノンの干渉により、積層構造における熱伝導率が効果的に低減されると考えられる。
 また、態様Aにおける400nm~800nmの波長範囲の光(即ち、可視光線)の干渉を抑制するためには、1層の厚さ(層厚)を、波長範囲の上限(800nm)の1/100以下(即ち、8nm以下)に抑えることが効果的と考えられる。
 この点に関し、態様Aでは、上述したとおり、積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であるため、400nm~800nmの波長範囲の光(即ち、可視光線)の干渉が抑制される。このため、態様Aでは、400nm~800nmの波長範囲における透過率の低下が抑制されると考えられる。
 また、態様Bにおける6μm~12μmの波長範囲の光(即ち、赤外光)の干渉を抑制するためには、1層の厚さ(層厚)を、波長範囲の上限(12μm)の1/100以下(即ち、120nm以下)に抑えることが効果的と考えられる。
 この点に関し、態様Bでは、上述したとおり、積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であるため、6μm~12μmの波長範囲の光(即ち、赤外光)の干渉が抑制される。このため、態様Bでは、6μm~12μmの波長範囲における透過率の低下が抑制されると考えられる。
 以上の理由により、
態様Aの光学部材では、400nm~800nmの波長領域で透過性を有するという機能と、熱伝導率が低減されるという機能と、が達成され、
態様Bの光学部材では、6μm~12μmの波長領域で透過性を有するという機能と、熱伝導率が低減されるという機能と、が達成されると考えられる。
 また、態様Aにおける積層構造を構成する各層の層厚(最大層厚でも、8nm以下)は、可視光(400~800nm)の波長に対し著しく小さい。このため、可視光は、積層構造の中の例えば1種目の層(以下、「X層」ともいう)と2種目の層(以下、「Y層」ともいう)とを区別することはできない。従って、可視光からみると、積層構造は、平均的な屈折率を持つ1層の混合材料膜として捉えられる。
 同様に、態様Bにおける積層構造を構成する各層の層厚(最大層厚でも、8nm以下)は、6μm~12μmの波長範囲に対し著しく小さい。このため、上記波長範囲の赤外光は、積層構造の中の例えばX層とY層とを区別することはできない。従って、上記赤外光からみると、積層構造は、平均的な屈折率を持つ1層の混合材料膜として捉えられる。
 これらの理由により、態様A及び態様Bの光学部材では、意図しない光の干渉が抑制される。
 従って、態様A及び態様Bの光学部材は、光学設計をし易いという利点も有する。
 以下、態様A及び態様Bについてより詳細に説明する。
〔態様A〕
 態様Aに係る光学部材は、基材と、基材上に配置され、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造と、を備え、積層構造を構成する層の数が10以上であり、積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であり、400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上である。
<基材>
 態様Aにおける基材の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、セラミックス等が挙げられる。
 ガラスとしては、例えば、天然石英ガラス、合成石英ガラス、ソーダガラス、ランタンガラスなどが挙げられる。
 態様Aにおける基材の材質としては、ガラスが好ましい。これにより、400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上であることをより達成し易い。
<積層構造>
 態様Aに係る光学部材は、基材上に配置され、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造を備える。
(材質)
 態様Aにおける積層構造を構成する層は、異なる2種以上の材質の各々からなる層であることが好ましい。
 態様Aにおける積層構造を構成する、異なる2種以上の材質は、2種以上の有機物であってもよいし、2種以上の無機物であってもよいし、1種以上の有機物と1種以上の無機物との組み合わせであってもよい。
 態様Aにおける積層構造は、成膜の容易性から、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び金属硫化物からなる群から選択される2種以上の金属化合物からなることが好ましい。
 態様Aにおける積層構造を構成する層は、上記2種以上の金属化合物の各々からなる2種以上の層であることが好ましい。
 態様Aにおける積層構造の具体的態様としては、例えば、
金属酸化物からなる層(以下、「金属酸化物層」ともいう)を2種以上含む態様、
金属窒化物からなる層(以下、「金属窒化物層」ともいう)を2種以上含む態様、
金属酸窒化物からなる層(以下、「金属酸窒化物層」ともいう)を2種以上含む態様、
金属硫化物からなる層(以下、「金属硫化物層」ともいう)を2種以上含む態様、
1種以上の金属酸化物層と1種以上の金属窒化物層とを含む態様、
1種以上の金属酸化物層と1種以上の金属酸窒化物層とを含む態様、
1種以上の金属酸化物層と1種以上の金属硫化物層とを含む態様、
1種以上の金属窒化物層と1種以上の金属酸窒化物層とを含む態様、
1種以上の金属窒化物層と1種以上の金属硫化物層とを含む態様、
1種以上の金属酸窒化物層と1種以上の金属硫化物層とを含む態様、
等が挙げられる。
 態様Aにおける積層構造の好ましい態様は、
X層(即ち、1種目の層)とY層(即ち、2種目の層)とを、X層/Y層/X層/Y層/X層・・・のように、交互に配置した構造、又は、
上記交互に配置した構造の任意の層間に、X層及びY層以外のその他の層の少なくとも1種を挿入した構造である。
 上記その他の層の少なくとも1種を挿入した構造としては、例えば、X層/Y層/Z層/X層/Y層/W層/X層・・・の構造がある。ここで、Z層は、3種目の層であり、W層は、4種目の層である。
 態様Aにおける金属化合物における金属元素は、Si、Al、Nb、Mg、Zr、Ge、及びZnからなる群から選択される少なくとも1種(より好ましくは2種以上)の元素であることが好ましい。
 金属化合物における金属元素は、Si、Al、及びNbからなる群から選択される少なくとも1種(より好ましくは2種以上)を含むことが好ましく、Si及びAlからなる群から選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、Siを含むことが特に好ましい。
 金属酸化物としては、Al、SiO、Nb、MgO、GeO、ZnO、ZrO等が挙げられる。
 金属窒化物としては、AlN、SiN等が挙げられる。
 金属酸窒化物としては、AlON、SiON等が挙げられる。
 金属硫化物としては、ZnS等が挙げられる。
 態様Aにおいて、材質が異なる2種以上の層は、400nm~800nmの波長範囲における最低透過率をより向上させる観点から、2種以上の金属酸化物層を含むことが好ましく、Al層とSiO層との組み合わせを含むことが特に好ましい。
(層の数)
 態様Aにおける積層構造を構成する層の数は、前述のとおり10以上である。
 態様Aにおける積層構造を構成する層の数は、光学部材の熱伝導率をより低減させる観点から、好ましくは20以上であり、より好ましくは50以上であり、更に好ましくは100以上である。
 態様Aにおける積層構造を構成する層の数の上限には特に制限はない。光学部材の製造適性の観点から、積層構造を構成する層の数の上限は、例えば1000万であり、好ましくは300万であり、特に好ましくは100万である。
(最大層厚、平均層厚)
 態様Aにおける積層構造を構成する層の最大層厚は、8nm以下である。これにより、前述のとおり、光学部材の熱伝導率が低減される。更に、400nm~800nmの波長範囲の光の干渉が抑制され、その結果、この波長範囲における透過率の低下が抑制される。
 態様Aにおける積層構造を構成する層の最大層厚は、好ましくは5nm以下であり、より好ましくは4nm以下である。
 態様Aにおける積層構造を構成する層の最大層厚の下限には特に制限はない。層形成(成膜)の適性の観点から、積層構造を構成する層の最大層厚の下限は、好ましくは1nm、より好ましくは2nmである。
 態様Aにおける積層構造を構成する層の平均層厚の上限は、好ましくは7nm、より好ましくは4nm、特に好ましくは3nmである。
 態様Aにおける積層構造を構成する層の平均層厚の下限は、好ましくは1nm、より好ましくは2nmである。
(CV値)
 態様Aにおける積層構造は、熱伝導率をより低減する観点から、層厚の標準偏差/平均層厚で定義されるCV値が、0.05以上であってもよい。
 本明細書において、平均層厚とは、積層構造を構成する全ての層の各々の厚さからなる母集団の算術平均値を意味する。
 また、本明細書において、層厚の標準偏差とは、積層構造を構成する全ての層の各々の厚さからなる母集団の標準偏差を意味する。
 態様Aにおける積層構造のCV値が0.05以上であることは、概略的に言えば、積層構造を構成する層の層厚に、ある程度のバラつき(詳細には層間でのバラつき)が存在することを意味している。
 態様Aにおける積層構造のCV値が0.05以上である場合には、熱伝導率がより効果的に低減される。この理由は、積層構造を構成する層の層厚にある程度のバラつきが存在すること、及び、前述したフォノンの干渉が生じることにより、フォノンのアンダーソン局在が発生し、これにより、フォノンの平均透過率が減少するためと考えられる。
 熱伝導率をより低減する観点から、態様Aにおける積層構造を構成する層の層厚のCV値は、より好ましくは0.10以上である。
 態様Aにおける積層構造を構成する層の層厚のCV値の上限には特に制限はないが、上限は、例えば0.60である。
<光干渉層A>
 態様Aに係る光学部材は、層厚が8nm超である光干渉層(以下、「光干渉層A」ともいう)を少なくとも1層備えることが好ましい。これにより、光学部材の光学的機能をより向上させることができる。
 上述したとおり、態様Aにおける積層構造を構成する各層の層厚(最大層厚でも、8nm以下)は、可視光(400~800nm)の波長に対し著しく小さいので、可視光からみると、積層構造は、平均的な屈折率を持つ1層の混合材料膜として捉えられる。
 従って、積層構造から見て、基材側及び/又は基材とは反対側に、光干渉層Aを配置することにより、光学部材の光学的機能をより向上させることができる。例えば、積層構造に、特定の波長に対する反射防止効果を持たせたり、特定の波長に対する増反射効果を持たせることができる。
 光干渉層Aの層厚は、8nm超であればよく、特に制限されないが、好ましくは9nm以上であり、より好ましくは10nm以上である。
 光干渉層Aの層厚の上限は、光干渉層の製造適性の観点から、好ましくは1000nmであり、より好ましくは200nmであり、特に好ましくは100nmである。
 光干渉層Aの材質としては、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び金属フッ化物からなる群から選択される少なくとも1種の金属化合物が好ましい。
 光干渉層Aの材質としての上記金属化合物における金属元素としては、Si、Al、Nb、Mg、Zr、La、Ti、Y、Ca、Ba、Li、及びNaからなる群から選択される少なくとも1種の元素が好ましい。
<最低透過率>
 態様Aに係る光学部材は、400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上である。
 本明細書において、400nm~800nmの波長範囲における最低透過率とは、400nm~800nmの波長範囲における透過率の最低値を意味する。
 400nm~800nmの波長範囲における最低透過率は、好ましくは30%以上、より好ましくは50%以上、特に好ましくは80%以上である。
 400nm~800nmの波長範囲における最低透過率の上限には特に制限はないが、光学部材の製造適性の観点から、好ましい上限は99%である。
<最高反射率>
 態様Aに係る光学部材は、反射防止機能の観点から、400nm~800nmの波長範囲における最高反射率が10%以下であることが好ましく、6%以下であることがより好ましく、5%以下であることが更に好ましく、4%以下であることが更に好ましい。
 本明細書において、400nm~800nmの波長範囲における最高反射率とは、400nm~800nmの波長範囲における反射率の最高値を意味する。
 400nm~800nmの波長範囲における最高反射率は、0%であってもよいし、0%超であってもよい。
 400nm~800nmの波長範囲における最高反射率の低減は、態様Aに係る光学部材が上述した光干渉層Aを備える場合に、より達成し易い。
 以上で説明した態様Aに係る光学部材は、各種の光学デバイス(例えば、光学センサー、撮像装置の光学系、表示装置、等)用の反射防止フィルム、又は、断熱容器の加飾用フィルムとして用いることができる。
 以上で説明した態様Aに係る光学部材は、特に、高温環境で用いられる光学デバイス用の反射防止フィルム、又は、高温環境で用いられる断熱容器の加飾用フィルムとして好適に用いられる。
〔態様B〕
 態様Bに係る光学部材は、基材と、基材上に配置され、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造と、を備え、積層構造を構成する層の数が10以上であり、積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であり、6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上である。
<基材>
 態様Bにおける基材の材質としては、例えば、金属、金属化合物等が挙げられる。
 態様Bにおける基材の材質としては、Si、Ge、ZnSe、ZnS、TlBrとTlIとの混合物、又は、TlBrとTlClとの混合物が好ましい。これにより、6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上であることをより達成し易い。
<積層構造>
 態様Bに係る光学部材は、基材上に配置され、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造を備える。
 態様Bにおける積層構造の好ましい形態(好ましい材質等)は、態様Aにおける積層構造の好ましい形態(好ましい材質等)と同様である。
 態様Bにおいては、材質が異なる2種以上の層は、6μm~12μmの波長範囲における最低透過率をより向上させる観点から、2種以上の金属窒化物層を含むことも好ましく、SiN層とAlN層との組み合わせを含むことも好ましい。
(層の数)
 態様Bにおける積層構造を構成する層の数の好ましい範囲は、態様Aにおける積層構造を構成する層の数の好ましい範囲と同様である。
(最大層厚、平均層厚)
 態様Bにおいて、積層構造を構成する層の最大層厚は、8nm以下である。これにより、前述のとおり、光学部材の熱伝導率が低減される。更に、6μm~12μmの波長範囲の光(赤外光)の干渉が抑制され、その結果、この波長範囲における最低透過率の低下が抑制される。
 態様Bにおける積層構造を構成する層の最大層厚は、好ましくは5nm以下であり、より好ましくは4nm以下である。
 態様Bにおける積層構造を構成する層の最大層厚の下限には特に制限はない。層形成(成膜)の適性の観点から、積層構造を構成する層の最大層厚の下限は、好ましくは1nm、より好ましくは2nmである。
 態様Bにおける積層構造を構成する層の平均層厚の上限は、好ましくは7nm、より好ましくは4nm、特に好ましくは3nmである。
 態様Bにおける積層構造を構成する層の平均層厚の下限は、好ましくは1nm、より好ましくは2nmである。
(CV値)
 態様Bにおける積層構造は、熱伝導率をより低減する観点から、層厚の標準偏差/平均層厚で定義されるCV値が、0.05以上であってもよい。
 態様Bにおいて、熱伝導率をより低減する観点から、積層構造を構成する層の層厚のCV値は、より好ましくは0.10以上である。
 態様Bにおける積層構造を構成する層の層厚のCV値の上限には特に制限はないが、上限は、例えば0.60である。
<光干渉層B>
 態様Bに係る光学部材は、層厚が8nm超である光干渉層(以下、「光干渉層B」ともいう)を少なくとも1層備えることが好ましい。これにより、光学部材の光学的機能をより向上させることができる。
 上述したとおり、態様Bにおける積層構造を構成する各層の層厚(最大層厚でも、10nm以下)は、6μm~12μmの波長範囲に対し著しく小さいので、上記波長範囲の赤外光からみると、積層構造は、平均的な屈折率を持つ1層の混合材料膜として捉えられる。
 従って、積層構造から見て、基材側及び/又は基材とは反対側に、光干渉層Bを配置することにより、光学部材の光学的機能をより向上させることができる。例えば、積層構造に、特定の波長に対する反射防止効果を持たせたり、特定の波長に対する増反射効果を持たせることができる。
 光干渉層Bの層厚は、8nm超であればよく、特に制限されないが、好ましくは100nm超であり、より好ましくは120nm超である
 光干渉層Bの層厚の上限は、光干渉層の製造適性の観点から、好ましくは100μmである。
 光干渉層Bの材質としては、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び金属フッ化物からなる群から選択される少なくとも1種の金属化合物、Si(単体)、又はGe(単体)が好ましい。
 光干渉層Bの材質としての上記金属化合物における金属元素としては、Si、Al、Nb、Mg、Zr、La、Ti、Y、Ca、Ba、Li、及びNaからなる群から選択される少なくとも1種の元素が好ましい。
<最低透過率>
 態様Bに係る光学部材は、6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上である。
 本明細書において、6μm~12μmの波長範囲における最低透過率とは、6μm~12μmの波長範囲における透過率の最低値を意味する。
 6μm~12μmの波長範囲における最低透過率は、好ましくは30%以上、より好ましくは50%以上である。
 6μm~12μmの波長範囲における最低透過率の上限には特に制限はないが、光学部材の製造適性の観点から、好ましい上限は99%であり、より好ましく上限は90%であり、更に好ましい上限は80%である。
<最高反射率>
 態様Bに係る光学部材は、反射防止機能の観点から、6μm~12μmの波長範囲における最高反射率が、40%以下であることが好ましく、30%以下であることがより好ましく、20%以下であることが更に好ましい。
 本明細書において、6μm~12μmの波長範囲における最高反射率とは、6μm~12μmの波長範囲における反射率の最高値を意味する。
 6μm~12μmの波長範囲における最高反射率は、0%であってもよいし、0%超であってもよい。
 6μm~12μmの波長範囲における最高反射率の低減は、態様Bに係る光学部材が上述した光干渉層Bを備える場合に、より達成し易い。
 以上で説明した態様Bに係る光学部材は、例えば、赤外線ヒーター用の窓材、放射冷却装置用の窓材、太陽光集熱装置の表面部材、等として用いることができる。
 以下、本開示の実施例を示すが、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。
〔実施例1〕(態様Aの実施例)
<光学部材(光干渉層無し)の作製>
 基材としてのソーダガラス基板上に、電子サイクロトロンスパッタ装置による気相成膜により、1種目の層(層X)としてのAl層と、2種目の層(層Y)としてのSiO層と、を交互に(即ち、基材/層X/層Y/層X/層Y・・・となる配置で。以下同様。)、それぞれ50層ずつ成膜することにより、層の数が100である積層構造を形成した。
 この際、50層のAl層の成膜時間を全て同一とし、かつ、50層のSiO層の成膜時間を全て同一とすることにより、100層全てのそれぞれの層厚が3.0nmとなるようにした。
 以上により、実施例1(態様Aの実施例)の光学部材を得た。
<層厚測定>
 上記光学部材における積層構造の断面を、FIB(Focused Ion Beam)加工によって形成し、得られた断面について、倍率16万倍のSTEM(Scanning Transmission Electron Microscope)像を取得した。STEMとしては、FEI社製のTitan80-300を用いた。
 取得したSTEM像に基づき、100層それぞれの層厚を測定した。
 得られた100層それぞれの層厚を母集団として、平均層厚及び最大層厚をそれぞれ求めた。
 結果を表4に示す。
<熱伝導率の評価>
 実施例1の光学部材の上記積層構造のサーモリフレクタンス信号を取得するために、上記積層構造の最上層の表面に、RF(radio frequency)スパッタリング法により、Al薄膜20nmを成膜した。このAl薄膜の成膜後、周期80MHzのレーザ光を用い、表面加熱/表面検出方式のサーモリフレクタンス法により、実施例1の光学部材の上記積層構造のサーモリフレクタンス信号を取得した。
 同様にして、後述する比較例1の膜(SiO単層、層厚300nm)のサーモリフレクタンス信号を取得した。
 上記で取得した実施例1及び比較例1のサーモリフレクタンス信号を、それぞれ、有限要素法による熱伝導シミュレーションによって再現し、各々のサーモリフレクタンス信号を導出した。ここで、熱伝導シミュレーションは、周期80MHzの加熱を開始してから定常状態になるまでの時間を模擬するために、2000psの間について行った。
 導出したサーモリフレクタンス信号において、最後に加熱するパルスに対し200ps前の値に基づき、実施例1の積層構造の熱伝導率を算出した。熱伝導率の算出条件は、比較例1の膜の熱伝導率とSiOの熱伝導率の文献値1.38W/(m・K)とが一致する条件とした。
 表4に、実施例1の光学部材の積層構造の熱伝導率(シミュレーションによる算出結果)を、比較例1の膜(SiO単層、層厚300nm)の熱伝導率を100とした場合の相対値として示す。
<分光特性(透過率及び反射率)>
 実施例1の光学部材について、日立製作所社製分光光度計U-4000を用い、400nm~800nmの波長領域での分光特性(反射スペクトル及び透過スペクトル)を測定した。
 図1は、実施例1の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルであり、図2は、実施例1の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。
 表4に、400nm~800nmの波長領域での最低透過率及び最高反射率を示す。
〔実施例2〕(態様Aの実施例)
<光学部材(光干渉層有り)の形成>
 基材としてのソーダガラス基板上に、表1に示す材質の光干渉層1~9を、RF(Radio Frequency)スパッタリング装置によってこの順に形成した。次に、光干渉層9上に、実施例1で形成した積層構造(100層)を形成した。形成された積層構造上に、表1に示す光干渉層10及び11をこの順に形成した。
 以上により、表1に示す層構成を有する実施例2(態様Aの実施例)の光学部材を得た。
 表1に示す屈折率は、ファイブラボ社製分光エリプソメータMASSを用いて測定された、測定波長540nmにおける屈折率である(後述の表2及び表3も同様である)。
 表1に示す厚さは、実施例1における層厚測定と同様の方法(但し、測定倍率は、測定対象の厚さに合わせ適宜選択した)によって測定された値である(後述の表2及び表3も同様である)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

 
 得られた光学部材(光干渉層有り)について、実施例1と同様の測定及び評価を実施した。
 結果を表4に示す。
 図3は、実施例2の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルであり、図4は、実施例2の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。
〔実施例3〕(態様Aの実施例)
<光学部材(光干渉層有り)の形成>
 基材としての合成石英基板上に、表2に示す材質の光干渉層1~6を、RF(Radio Frequency)スパッタリング装置によってこの順に形成した。次に、光干渉層6上に電子サイクロトロンスパッタ装置による気相成膜により、1種目の層(層X)としてのAl層と、2種目の層(層Y)としてのSiO層と、を交互に、それぞれ50層ずつ成膜することにより、層の数が100である積層構造を形成した。この際、1層ごとに成膜時間を変化させることにより、1層毎の層厚にバラつきが生じるようにした。形成された積層構造上に、表2に示す光干渉層7及び8をこの順に形成した。
 以上により、表2に示す層構成を有する実施例3(態様Aの実施例)の光学部材を得た。
 実施例3の光学部材の積層構造において、層厚の標準偏差/平均層厚で定義されるCV値は0.13であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

 
 得られた光学部材(光干渉層有り)について、実施例1と同様の測定及び評価を実施した。
 結果を表4に示す。
 図5は、実施例3の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルであり、図6は、実施例3の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。
〔実施例4〕(態様Bの実施例)
<光学部材(光干渉層有り)の形成>
 基材としてのGe(ゲルマニウム)基板上に、光干渉層としてZnS層を、電子ビーム蒸着によって形成した。この光干渉層上に、電子サイクロトロンスパッタ装置による気相成膜により、SiN層とAlN層とをそれぞれ50層ずつ交互に成膜することにより、積層構造を形成した(層数は100)。
 この際、50層のSiN層の成膜時間を全て同一とし、かつ、50層のAlN層の成膜時間を全て同一とすることにより、100層全てのそれぞれの層厚が3nmとなるようにした。
 以上により、表3に示す層構成を有する実施例4(態様Bの実施例)の光学部材(光干渉層有り)を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003

 
 得られた光学部材(光干渉層有り)について、分光特性の測定範囲を4μm~15μmの波長範囲に変更し、6μm~12μmの波長範囲での最低透過率及び最高反射率を求めたこと以外は実施例1と同様の測定及び評価を実施した。
 結果を表4に示す。
 図7は、実施例4の光学部材の4μm~15μmの波長領域での反射スペクトルであり、図8は、実施例4の光学部材の4μm~15μmの波長領域での透過スペクトルである。
〔比較例1〕
 基材としてのソーダガラス基板上に、電子サイクロトロンスパッタ装置による気相成膜により、1層のSiO層を形成した。
 得られたSiO層について、実施例1と同様の測定及び評価を実施した。
 結果を表4に示す。
 図9は、比較例1の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルであり、図10は、比較例1の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。
〔比較例2〕
 基材としてのソーダガラス基板上に、電子サイクロトロンスパッタ装置による気相成膜により、Al層(層X)とSiO層(層Y)とを交互に成膜することにより、層の数が7(詳細には、Al層4層及びSiO層3層)である積層構造を形成した。この際、1層ごとに成膜時間を変化させることにより、1層毎の層厚にバラつきが生じるようにした。
 得られた積層構造について、実施例1と同様の測定及び評価を実施した。
 結果を表4に示す。
 図11は、比較例2の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルであり、図12は、比較例2の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。
〔比較例3〕
 基材としてのソーダガラス基板上に、電子サイクロトロンスパッタ装置による気相成膜により、Al層(層X)とSiO層(層Y)とを交互に成膜することにより、層の数が25(詳細には、Al層13層及びSiO層12層)である積層構造を形成した。この際、1層ごとに成膜時間を変化させることにより、1層毎の層厚にバラつきが生じるようにした。
 得られた積層構造について、実施例1と同様の測定及び評価を実施した。
 図13は、比較例3の光学部材の400nm~800nmの波長領域での反射スペクトルであり、図14は、比較例3の光学部材の400nm~800nmの波長領域での透過スペクトルである。
 以上の実施例及び比較例の結果を表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004

 
 表4に示すように、積層構造を構成する層の数が10以上であり、積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であり、400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上である実施例1~3の光学部材(態様Aの具体例)は、比較例1~3の光学部材と比較して、熱伝導率が低減されていた。また、これら実施例1~3の光学部材では、400nm~800nmの波長範囲における最高反射率が10%以下であり、上記波長範囲において優れた反射防止機能を備えていた。
 実施例1~3の中でも、光干渉層を備える実施例2及び3の光学部材は、より優れた光学的機能を有すること(詳細には、上記波長範囲における最低透過率がより高く、かつ、上記波長範囲における最高反射率がより低いこと)が確認された。
 また、積層構造を構成する層の数が10以上であり、積層構造を構成する層の最大層厚が10nm以下であり、6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上である実施例4の光学部材(態様Bの具体例)も、低い熱伝導率を示した。また、実施例4の光学部材は、6μm~12μmの波長範囲における最高反射率が40%以下であり、上記波長範囲において、優れた反射防止機能を備えていた。
 2017年3月30日に出願された日本国特許出願2017-069168号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
 本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
 

Claims (9)

  1.  基材と、
     前記基材上に配置され、材質が異なる2種以上の層からなる積層構造と、
    を備え、
     前記積層構造を構成する層の数が10以上であり、前記積層構造を構成する層の最大層厚が8nm以下であり、400nm~800nmの波長範囲又は6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上である光学部材。
  2.  前記積層構造を構成する層の数が、100以上である請求項1に記載の光学部材。
  3.  前記積層構造が、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び金属硫化物からなる群から選択される2種以上の金属化合物からなる請求項1又は請求項2に記載の光学部材。
  4.  前記2種以上の金属化合物における金属元素が、Si、Al、Nb、Mg、Zr、Ge、及びZnからなる群から選択される少なくとも1種の元素である請求項3に記載の光学部材。
  5.  層厚が8nm超である光干渉層を更に備える請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の光学部材。
  6.  400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上であり、
     400nm~800nmの波長範囲における最高反射率が10%以下である請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の光学部材。
  7.  400nm~800nmの波長範囲における最低透過率が10%以上であり、
     前記材質が異なる2種以上の層は、Al層とSiO層との組み合わせを含む請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の光学部材。
  8.  6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上であり、
     6μm~12μmの波長範囲における最高反射率が40%以下である請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の光学部材。
  9.  6μm~12μmの波長範囲における最低透過率が10%以上であり、
     前記材質が異なる2種以上の層は、SiN層とAlN層との組み合わせを含む請求項1~請求項5及び請求項8のいずれか1項に記載の光学部材。
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