JP2009149012A - 透明部材 - Google Patents

Abstract

【課題】耐衝撃性、耐侯性、耐擦傷性等の諸特性が良好で、且つ特に耐酸性に優れた、ＰＣ（ポリカーボネート）を基材とする透明部材を提供することにある。
【解決手段】透明部材１を、ポリカーボネートからなる透明基材２上に順次Ｉｎ_２Ｏ_３からなる紫外線吸収層３及びＳｉＯ_Ｘからなるハードコート層４を積層した３層構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明部材に関するものであり、詳しくは、特にポリカーボネートを基材とする耐候性、耐酸性、耐擦傷性等の諸特性に優れた透明部材に関する。

近年、車両用灯具を構成するレンズ（特にアウターレンズ）は、灯具の大型化に対応するための軽量化や灯具の異形化に対応するための成形の容易さが認識されてガラスに替わって透明樹脂が主流になっており、一般的にはポリカーボネート（以下、ＰＣと略称する）が用いられている。ＰＣは極めて耐衝撃性に優れており、走行時に強い振動や衝撃に晒される灯具を形成するには好適な特性を有している。

但し、ＰＣは耐侯性に劣るという欠点も有しており、太陽光の紫外線（２５０ｎｍ〜３６０ｎｍ付近の波長領域）を受けると経時劣化により黄変し、透過率が低下すると共に透過光の色調が変化する。その結果、灯具からの照射光量が低下すると共に照射光が黄色化した色調に変化する。

更に、耐擦傷性に劣るという欠点も有しており、障害物への接触により表面が傷ついたり、砂、小石等の飛来物の衝突により損傷を受ける懸念がある。

そこで、ＰＣの上記利点を生かし、且つ欠点を補完する手法として、図７に示すような４層構造からなる透明部材５０が考えられる。

透明部材５０の４層構造は、ＰＣからなる透明基材５１上に順次酸化ケイ素（以下、ＳｉＯ_Ｘと呼称する）からなるバッファ層５２、酸化亜鉛（以下、ＺｎＯと呼称する）からなる紫外線吸収層５３、及びＳｉＯ_Ｘからなるハードコート層５４で構成されている。

ＰＣからなる透明基材５１上に形成されるバッファ層５２はＳｉＯ_Ｘ膜からなり、ＳｉＯ_Ｘ膜は紫外線が照射されても黄変や光透過率の低下を生じにくい特性を有していると共に、ＰＣ及びＺｎＯのいずれに対しても良好な密着性を示す。

バッファ層５２上にはＺｎＯ膜からなる紫外線吸収層５３が形成されている。ＺｎＯは室温で約３．３ｅＶのバンドギャップを有する半導体材料であり、バンドギャップに相当する３８０ｎｍ付近以下の波長領域で非常に急峻な紫外線吸収特性を示す。そのため、透明基材５１を形成するＰＣを黄変させる２５０ｎｍ〜３６０ｎｍの波長領域の紫外線を吸収する。（例えば、特許文献１参照。）。

ＺｎＯ膜の成膜はイオンプレーティングやスパッタ等の真空成膜法又は塗布により行われ、数千Åの膜厚で紫外線の透過が阻止され、紫外線によるＰＣの黄変を防止することができる。

ＰＣからなる透明基材５１上に直接ＺｎＯ膜からなる紫外線吸収層５３を形成するとＰＣとＺｎＯの密着性が良くないために界面で剥離が生じるが、上述のようにＳｉＯ_Ｘ膜からなるバッファ層５２を間に挟むことによりバッファ層５２を介して透明基材５１と紫外線吸収層５３の密着性を高めることができる。

更に、紫外線吸収層５３上にＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層５４が形成されている。ハードコート層５４は透明部材５０の最上層を形成し、ガラスと同等の硬度を有するＳｉＯ_Ｘ膜が下側に位置する紫外線吸収層５３、バッファ層５２、及び透明基材５１を傷や損傷から保護する機能を有している。

ＳｉＯ_Ｘ膜の成膜はＣＶＤやスパッタ等の真空成膜法又は塗布により行われる。

図８は、上記４層構造の透明部材５０をレンズ５５に使用した車両用灯具（具体的にはヘッドランプ）５６を示している。

灯具５６はレンズ５５とハウジング５７により灯室５８が形成され、灯室５８内に光源５９と該光源５９の周囲に配設されたリフレクタ６０及びエクステンション６１が収容されている。レンズ５５を構成する透明部材５０は透明基材５１、バッファ層５２、紫外線吸収層５３、及びハードコート層５４からなる４層構造を呈しており、バッファ層５２、紫外線吸収層５３、及びハードコート層５４は透明基材５１上の、灯具５６の外側に位置するように配置されている。

レンズ５５を透過する光には、灯具５６外から灯具５６に向かって照射される外光（特に太陽光）、レンズ５５を透して灯室５８内に入射した光の、リフレクタ６０及び／又はエクステンション６１による反射光、及び光源５９からの出射光がある。このうち、灯室５８内に入射する外光はレンズ５５によってＰＣを黄変させる波長領域がカットされており、光源５９から出射する光も同様にＰＣを黄変させる波長領域がカットされている。

従って、透明部材５０を車両用灯具のレンズ５５に用いる場合、レンズ５５の灯室５８内側に紫外線遮蔽手段を設ける必要はなく、レンズ５５の外側にのみ設ければよい。
特公平４−４４７２１号公報

ところで、車両用灯具は太陽光による紫外線と共に降雨による雨滴にも曝される。その場合、雨滴は酸性雨であることも考えられ、車両用灯具のレンズには耐酸性の性能も求められる。

そこで、上述の４層構造の透明部材５０を耐酸性の観点から検証すると、紫外線吸収層５３を形成するＺｎＯ膜は酸に対して非常に弱い性質を有しているが、上部をＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層５４で覆われているためＺｎＯ膜が直接酸性環境に曝されることはない。

但し、ＳｉＯ_Ｘ膜には若干の水浸透性があり、酸の一部がＳｉＯ_Ｘ膜を透してＺｎＯ膜まで達する可能性がある。すると、その部分のＺｎＯ膜が溶解消失して下側に位置するＰＣに対する黄変防止能力を失うことになる。

よって、上述の４層構造の透明部材では、ＰＣに対する紫外線の影響を完全に阻止することは困難である。

本発明は、上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、耐衝撃性、耐侯性、耐擦傷性等の諸特性が良好で、且つ特に耐酸性に優れた、特にＰＣ（ポリカーボネート）を基材とする透明部材を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、透明基材上にＩｎ_２Ｏ_３からなる紫外線吸収層が設けられ、前記紫外線吸収層上にハードコート層が設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記ハードコート層は膜厚が２μｍ以上のＳｉＯ_Ｘ膜であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は２のいずれか１項において、前記透明基材はポリカーボネートであることを特徴とするものである。

本発明は透明部材を、透明基材上に順次Ｉｎ_２Ｏ_３からなる紫外線吸収層３及びハードコート層を積層した３層構造とした。

その結果、耐衝撃性、耐侯性、耐擦傷性等の諸特性が良好で、且つ特に耐酸性に優れた透明部材を実現することができた。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図６を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１（断面図）に本発明の透明部材１の積層構造を示す。透明部材１はＰＣ（ポリカーボネート）からなる透明基材２上に順次酸化インジウム（以下、Ｉｎ_２Ｏ_３と呼称する）からなる紫外線吸収層３及びＳｉＯ_Ｘからなるハードコート層４が形成された３層構造を有している。

透明基材２上に形成された、紫外線吸収層３となるＩｎ_２Ｏ_３は室温で約３．５ｅＶのバンドギャップを有する半導体材料であり、概ねＺｎＯと同様な紫外線吸収特性を示す。

また、Ｉｎ_２Ｏ_３はＺｎＯと比較してＰＣに対する密着性が優れている。そのため、透明基材と紫外線吸収層の間に密着性を高めるためのバッファ層を設ける必要がなく、透明基材２上に直接紫外線吸収層３を設けている。

紫外線吸収層３上にはＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層４が形成されている。ハードコート層４は透明部材１の最上層を形成し、ガラスと同等の硬度を有するＳｉＯ_Ｘ膜が下側に位置するＩｎ_２Ｏ_３膜、及び透明基材２を傷や損傷から保護する機能を有している。

図２に、本発明の、Ｉｎ_２Ｏ_３膜を紫外線吸収層とする３層構造の透明部材の実測透過率（実施例：実線で表す）と、ＺｎＯ膜を紫外線吸収層とする従来の４層構造の透明基材の実測透過率（比較例：点線で表す）を示している。

図２において、ＺｎＯ膜を紫外線吸収層とする比較例は波長３６０ｎｍの光に対して透過率はほとんど０％に近い値を示している。一方、Ｉｎ_２Ｏ_３膜を紫外線吸収層とする実施例は波長３６０ｎｍの光に対して約１０％の透過率を有していることがわかる。

つまり、実施例は比較例と比較してＰＣ黄変波長領域に対する透過率が大きく、ＰＣに対する黄変防止性能が劣る。しかしながら、実施例を促進紫外線照射試験（波長２９５ｎｍ〜４５０ｎｍ、強度１００ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線を７２ｈ照射）に曝した結果、ＰＣの黄変化については問題がないことを確認した。

また、ＰＣ上にＺｎＯ膜を２０００Åの膜厚に形成した被試験片と、Ｉｎ_２Ｏ_３膜を２０００Åの膜厚に形成した被試験片の夫々に対して碁盤目試験 を行った。その結果、ＺｎＯ膜は碁盤目残存率が０〜６９％で評価が１であったのに対し、Ｉｎ_２Ｏ_３膜は碁盤目残存率が９０〜９９％で評価が４であった。つまり、Ｉｎ_２Ｏ_３膜はＺｎＯ膜と比較してＰＣとの密着性が非常に優れていることがわかる。

下記表１は耐酸性試験の試験結果を示している。被試験サンプルはＰＣ上に形成されたＩｎ_２Ｏ_３膜からなる紫外線吸収層上にＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層を設けたもの、及び同様にＰＣ上に形成されたＺｎＯ膜からなる紫外線吸収層上にＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層を設けたもの、の夫々についてハ−ドコート層の膜厚を０μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、２．５μｍとした。

試験条件は、ハードコート層上に０．１ＮのＨ_２ＳＯ_４水溶液を０．２ｍｌ滴下し、２４時間放置後に水洗いを行い、更に１時間放置した。その後目視によって被試験サンプルを観察し、評価を行った。

表１より、ＺｎＯ膜上にハードコート層を設けた被試験サンプルは、ハードコート層の膜厚に関係なくＨ_２ＳＯ_４水溶液の滴下範囲全面に亘ってＺｎＯ膜が消失し、評価は不良の×となった。

一方、Ｉｎ_２Ｏ_３膜上にハードコート層を設けた被試験サンプルは、ハードコート層の膜厚が０μｍ〜１．５μｍのものはＨ_２ＳＯ_４水溶液の滴下範囲内の一部にＩｎ_２Ｏ_３膜の消失が見られて評価が不良の×となったが、ハードコート層の膜厚が２．０μｍ及び２．５μｍのものはＩｎ_２Ｏ_３膜の消失が全く見られず評価が良好の○となった。

つまり、ＺｎＯ層からなる紫外線吸収層は、上面にＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層を設けたとしてもＳｉＯ_Ｘ膜を透ったＨ_２ＳＯ_４水溶液に溶解される。それに対しＩｎ_２Ｏ_３膜からなる紫外線吸収層は、上面にＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層を１．５μｍ以下の膜厚で設けた場合はＳｉＯ_Ｘ膜を透ったＨ_２ＳＯ_４水溶液に若干溶解されるが、ハードコート層の膜厚が２．０μｍ以上になると溶解されない。

よってこの試験結果から、Ｉｎ_２Ｏ_３膜を紫外線吸収層とする透明部材に優れた耐酸性を持たせるためには、紫外線吸収層上に設けるＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層が２．０μｍ以上の膜厚であることが好ましいと言える。

そこで、上記促進紫外線照射試験、碁盤目試験、及び耐酸性試験の試験結果を総合的に評価すると、紫外線吸収層として作用するＩｎ_２Ｏ_３膜は、同じく紫外線吸収層として作用するＺｎＯ膜と同様の紫外線吸収性能を有すると共に、ＺｎＯ膜と比較して耐酸性及びＰＣに対する密着性が非常に強いことが明らかとなる。

そこで、紫外線吸収層としてＺｎＯ膜の替わりにＩｎ_２Ｏ_３膜を用いることにより、ＺｎＯ膜を用いたときに該ＺｎＯ膜からなる紫外線吸収層とＰＣからなる透明基材の密着性を高めるために紫外線吸収層と透明基材の間に設けられたＳｉＯ_Ｘ膜からなるバッファ層が不要となり、透明基材上に直接Ｉｎ_２Ｏ_３膜からなる紫外線吸収層を設けることが可能となる。

その結果、ＰＣを透明基材とし、Ｉｎ_２Ｏ_３からなる紫外線吸収層、及びＳｉＯ_Ｘからなるハードコート層の３層構造であって、耐衝撃性、耐侯性、耐擦傷性等の諸特性が良好で、且つ特に耐酸性に優れた透明部材が実現できた。

また、従来の４層構造の透明部材に対してバッファ層が不要となるために成膜工数が低減され、その分材料費及び加工費等の製造コストの低減を図ることができる。

次に、ＰＣ上に形成するＩｎ_２Ｏ_３膜及びＩｎ_２Ｏ_３膜上に形成するＳｉＯ_Ｘ膜の成膜装置及び成膜方法について説明する。

成膜装置は図３に示すアーク放電型真空成膜装置を使用し、Ｉｎ_２Ｏ_３膜の成膜及びＳｉＯ_Ｘ膜の成膜において供用する。アーク放電型真空成膜装置１０はプラズマガン１１と成膜チャンバ１２の２つの部分で構成されている。

プラズマガン１１は、いずれも図示しないが、陰極、少なくとも１個の中間電極、及びプラズマガン１１を介して成膜チャンバ１２の成膜室１３にＡｒ、Ｈｅ等のキャリアガス（放電ガス）を導入するためのキャリアガス導入口１４が設けられている。

成膜チャンバ１２は、真空容器１５がプラズマガン１１に並設され、互いに連通している。真空容器１５には該真空容器１５内の成膜室１３に材料ガス（シロキ酸）を導入するための材料ガス導入口１６、及び成膜室１３の空気とプラズマガン１１内の空気を排気して所望の圧力まで減圧するための排気口１７が設けられ、排気口１７が外部に配置された真空ポンプ（図示せず）に接続されている。

成膜室１３には、永久磁石１８を内設した坩堝を兼ねた第一の陽極１９及び第二の陽極２０が配置されており、プラズマガン１１の外周の成膜チャンバ１２側に第一の空芯コイル２１が配置設され、真空容器１５の外側の第二の陽極２０近傍に第二の空芯コイル２２が配置されている。

陰極と第一の陽極１９は第一のスイッチ２３を介して直流電源Ｅに接続され、同様に陰極と第二の陽極２０は第二のスイッチ２４を介して直流電源Ｅに接続されている。中間電極は電源電圧（第一の陽極１９の電位及び第二の陽極２０の電位）と同電位か、あるいは電源電圧よりも低電位になるように回路設定されている。

次に、上記構成のアーク放電型真空成膜装置を用いた成膜方法を図４及び図５に基づいて説明する。図４はＩｎ_２Ｏ_３膜の成膜時におけるアーク放電型真空成膜装置の状態を示し、図５はＳｉＯ_Ｘ膜の成膜時におけるアーク放電型真空成膜装置の状態を示している。

まず図４を参照して、成膜チャンバ１２の真空容器１５の成膜室１３に配置された坩堝を兼ねた第一の陽極１９に蒸発源（Ｉｎ_２Ｏ_３）２５を配置し、その上方に薄膜を形成する透明基材（ポリカーボネート）２を配置する。そして、真空容器１５に設けられた排気口１７を介して外部に配置された真空ポンプによって成膜室１３及びプラズマガン１１内に存在する空気を排気し、成膜室１３及びプラズマガン１１内を所望する圧力に減圧する。その後、プラズマガン１１に設けられたキャリアガス導入口１４からＡｒ、Ｈｅなどのキャリアガスをプラズマガン１１内及び成膜室１３に導入する。

そして、第一のスイッチ２３を閉状態（第二のスイッチ２４は開状態）とし、第一のスイッチ２３を介して陰極に直流電源Ｅの（−）側電位を、第一の陽極１９に（＋）側電位を印加する。

すると、陰極と第一の陽極１９との間の電位差によってキャリアガス（放電ガス）の雰囲気中でアーク放電が生成されてプラズマ２６状態が維持される。このときプラズマ２６は中間電極によって電位勾配が与えられ、陰極から第一の陽極１９に至るプラズマ２６の円滑な流れが形成される。

そこで、第一の空芯コイル２１の磁力を強くすると、プラズマガン１１の陰極と第一の陽極１９との間の電位差により放電ガス雰囲気中でアーク放電によって生成されていたプラズマ２６が円柱状に収束されて成膜チャンバ１２の真空容器１５の成膜室１３に設けられた第一の陽極１９の真上まで導かれ、第一の陽極１９に内設した強力な永久磁石１８によって９０°進路を曲げられて坩堝を兼ねた第一の陽極１９に向かい、坩堝に配置された蒸発源２５に集中照射される。

アーク放電によって生成されたプラズマ２６は坩堝を兼ねた第一の陽極１９に配置された蒸発源２５に多くの熱量を与えて蒸発を促進させ、透明基材２の表面にＩｎ_２Ｏ_３の蒸発粒子を堆積させて薄膜を形成する。

次に図５を参照して、透明基材２にＩｎ_２Ｏ_３膜２７が所定の厚みに成膜されると、第一のスイッチ２３を開状態、第二のスイッチ２４を閉状態とし、第二のスイッチ２４を介して陰極に直流電源Ｅの（−）側電位を、第二の陽極２０に（＋）側電位を印加する。

すると、陰極と第二の陽極２０との間の電位差によってキャリアガス（放電ガス）の雰囲気中でアーク放電が生成されてプラズマ２６状態が維持される。このときプラズマ２６は中間電極によって電位勾配が与えられ、陰極から第二の陽極２０に至るプラズマの円滑な流れが形成される。

そこで、第一の空芯コイル２１及び第二の空芯コイル２２の磁力を強くすると、プラズマガン１１の陰極と第二の陽極２０との間の電位差により放電ガス雰囲気中でアーク放電によって生成されていたプラズマ２６が第一の空芯コイル２１及び第二の空芯コイル２２の夫々で円柱状に収束されて成膜チャンバ１２の真空容器１５の成膜室１３に設けられた第二の陽極２０に集中照射される。

このとき、成膜チャンバ１２の真空容器１５に設けられた材料ガス導入口１６を介して材料（シロキ酸）ガスを成膜室１３に導入し、プラズマ２６を介在させたプラズマ重合反応によって、透明基材２上に成膜されたＩｎ_２Ｏ_３膜２７上に更にＳｉＯ_Ｘ粒子を堆積させて薄膜を形成する。

上述したＩｎ_２Ｏ_３膜の成膜工程及びＳｉＯ_Ｘ膜の成膜工程は連続して行われ、両薄膜の成膜後、成膜チャンバ１２の真空容器１５の成膜室１３の気圧を大気圧に戻して成膜室１３から取り出すと、ＰＣからなる透明基材を含めたＩｎ_２Ｏ_３膜からなる紫外線吸収層及びＳｉＯ_Ｘ膜からなるハードコート層の３層構造を呈する透明部材（図１参照）の製造工程が完了する。

なお、Ｉｎ_２Ｏ_３膜及びＳｉＯ_Ｘ膜の成膜は上記方法に限られるものではなく、いずれの成膜もスパッタ等の真空成膜法又は塗布により行うことができる。

このようにして作成された３層構造の透明部材は、図６に示すような車両用灯具３０のレンズ３１の他、車両や建造物の窓材、眼鏡のレンズ等、様々な分野で利用できる。

本発明の透明部材の構造図である。 本発明と従来例の光透過率を表すグラフである。 本発明の透明部材に係る成膜装置の概略構成図である。 本発明の透明部材に係る成膜装置のＩｎ_２Ｏ_３膜成膜時の概略説明図である。 本発明の透明部材に係る成膜装置のＳｉＯ_Ｘ膜成膜時の概略説明図である。 本発明の透明部材を用いた車両用灯具の概略図である。 従来の透明部材の構造図である。 従来の透明部材を用いた車両用灯具の概略図である。

符号の説明

１ 透明部材
２ 透明基材
３ 紫外線吸収層
４ ハードコート層
１０ アーク放電型真空成膜装置
１１ プラズマガン
１２ 成膜チャンバ
１３ 成膜室
１４ キャリアガス導入口
１５ 真空容器
１６ 材料ガス導入口
１７ 排気口
１８ 永久磁石
１９ 第一の陽極
２０ 第二の陽極
２１ 第一の空芯コイル
２２ 第二の空芯コイル
２３ 第一のスイッチ
２４ 第二のスイッチ
２５ 蒸発源
２６ プラズマ
２７ Ｉｎ_２Ｏ_３膜
３０ 車両用灯具
３１ レンズ

Claims (3)

1. 透明基材上にＩｎ_２Ｏ_３からなる紫外線吸収層が設けられ、前記紫外線吸収層上にハードコート層が設けられていることを特徴とする透明部材。
2. 前記ハードコート層は膜厚が２μｍ以上のＳｉＯ_Ｘ膜であることを特徴とする請求項１に記載の透明部材。
3. 前記透明基材はポリカーボネートであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の透明部材。

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