JP6568424B2 - 赤外線カットフィルタ及び赤外線カットフィルタの製造方法 - Google Patents
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Description
波長用フィルタは、入射光の中の特定波長だけを選択的に取り出したり、カットしたりする性能を有するフィルタであり、例えば、赤外線をカットする赤外線カットフィルタが挙げられる(例えば、特許文献1)。
赤外線カットフィルタには様々なタイプがあり、例えば、光の干渉効果を生じる誘電体多層膜を有するフィルタ、無機材料からなる薄膜を有するフィルタ、有機系赤外線吸収剤を含有するフィルタ等が挙げられる。
しかしながら、従来の赤外線カットフィルタ、特に無機材料からなる薄膜を有するフィルタは、遠赤外線のカット性能に比べて近赤外線のカット性能が不充分であることがあり、近赤外線から遠赤外線までの幅広い波長域において優れた赤外線カット性能を有する赤外線カットフィルタが望まれている。
以下、本発明を詳述する。
更に、本発明者は、ナノサイズ突起物の長さによっては充分な赤外線カット性能が得られないことがあるのに対し、ナノサイズ突起物の長さを特定範囲に調整することで、下地層及びナノサイズ突起物の素材が無機材料である場合であっても、近赤外線から遠赤外線までの幅広い波長域において優れた赤外線カット性能が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
図1は、本発明の赤外線カットフィルタの一例を模式的に示した断面図である。図1に示す赤外線カットフィルタ5は、基板6上に形成された下地層7と、下地層7に接する、下地層7と同素材からなるナノサイズ突起物8とを有する。
上記基板の厚みは特に限定されないが、上記ガラス基板等の無機基板の厚みは、20μm〜10mmが好ましく、上記プラスチックフィルムの厚みは、8〜500μmが好ましい。
上記薄膜層として、例えば、上記基板が上記プラスチックフィルムである場合に該プラスチックフィルムのガスバリア性を高めることのできる薄膜層等が挙げられる。上記薄膜層は、透明であることが好ましく、具体的には例えば、SiO2、Al2O3等の金属酸化物層、アクリル、シリコーン等からなる透明樹脂層等が挙げられる。
上記下地層の厚みは特に限定されないが、3〜500nmが好ましい。
上記ナノサイズ突起物の素材は、上記下地層と同素材である限り特に限定されないが、無機材料が好ましく、導電性を有する無機材料がより好ましい。更に、上記ナノサイズ突起物は、少なくとも、インジウム、スズ及び酸素を含有することが好ましく、更に、窒素を含有することが好ましい。上記ナノサイズ突起物の素材として、具体的には例えば、インジウムを含有する酸化スズ、アルミニウム含有する酸化スズ、亜鉛を含有する酸化スズ、ガリウムを含有する酸化スズ、窒素を含有する酸化スズ等が挙げられる。
なお、「同素材からなる」とは、構成元素が同一であることを意味する。構成元素が同一であれば、必ずしも各構成元素の組成比が同一である必要はない。
上記ナノサイズ突起物の長さが上記範囲に調整されていることで、本発明の赤外線カットフィルタは、上記下地層及び上記ナノサイズ突起物の素材が無機材料である場合であっても、近赤外線から遠赤外線までの幅広い波長域において優れた赤外線カット性能を有することができる。長さが90nm未満であると、充分な赤外線カット性能を得ることが難しくなる。また、長さが150μmを超えるナノサイズ突起物を形成することは難しい。長さの好ましい下限は120nm、好ましい上限は100μmであり、より好ましい下限は150nm、より好ましい上限は50μmであり、更に好ましい下限は500nm、更に好ましい上限は30μmであり、特に好ましい下限は800nm、特に好ましい上限は1μmである。
なお、ナノサイズ突起物の長さとは、基板から離れる方向に伸びるナノサイズ突起物の長さ(基板に対してほぼ垂直方向にナノサイズ突起物が伸びている場合はナノサイズ突起物の高さ)であり、赤外線カットフィルタの断面又は表面を観察した電子顕微鏡写真(SEM像)から求めることができる。ナノサイズ突起物の長さとは、30個以上のナノサイズ突起物の平均値を意味する。
また、上記ナノサイズ突起物は、分岐構造を有するものを含んでいてもよい。
上記ナノサイズ突起物は、1mm2以上の領域、好ましくは100mm2〜1m2もの広い領域に1mm2あたり1×105〜1×109個の密度で形成されていることが好ましい。密度が1mm2あたり1×105個未満であると、上記ナノサイズ突起物を有しないフィルタとの差異がなく、上記ナノサイズ突起物の効果が得られないことがある。密度が1mm2あたり1×109個を超えると、上記ナノサイズ突起物が多すぎて、密度が不均一になることや、可視光透過性が低下することがある。密度のより好ましい下限は1mm2あたり1×106個、より好ましい上限は1mm2あたり1×107個である。
なお、「ナノサイズ突起物が1mm2以上の領域に1mm2あたり1×105〜1×109個の密度で形成されている」とは、赤外線カットフィルタの表面を観察した電子顕微鏡写真(SEM像)を用いて、1mm2以上の領域にわたる任意の5以上の箇所について算出したナノサイズ突起物の密度の平均値が、1mm2あたり1×105〜1×109個であることを意味する。
本発明の赤外線カットフィルタは、近赤外線から遠赤外線までの幅広い波長域において優れた赤外線カット性能を有する。より具体的には、本発明の赤外線カットフィルタは、波長1400nm付近の近赤外線のカット性能が60%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。また、本発明の赤外線カットフィルタは、波長3000nm付近の遠赤外線のカット性能が80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。
一方で、本発明の赤外線カットフィルタは、充分な可視光透過性を有する。本発明の赤外線カットフィルタは、波長550nm付近の可視光透過率が60%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。
なお、近赤外線カット性能、遠赤外線カット性能、及び、可視光透過率は、例えば、紫外可視赤外分光光度計(例えば、日本分光社製のV−7200)を用いて、検出器に小型積分球を用いてISO 13468−1:1996の条件で測定することができる。
本発明の赤外線カットフィルタを製造する方法であって、スパッタリングにより基板上に下地層とナノサイズ突起物とを形成する赤外線カットフィルタの製造方法もまた、本発明の1つである。
なかでも、酸素ガスを導入しないでスパッタリングを行うことが好ましく、アルゴンガス雰囲気下でスパッタリングを行うことがより好ましい。なお、酸素ガスを導入しないでスパッタリングを行うとは、少なくとも、酸素ガスを導入しないでスパッタリングを行う工程が含まれていればよく、その工程の前に酸素ガスを導入してスパッタリングを行ってもよい。酸素ガスを導入する場合は、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガス雰囲気下でスパッタリングを行い、続いて、酸素ガスを含まないアルゴンガス雰囲気下でスパッタリングを行うことが好ましい。
なかでも、上記基板が上記ガラス基板等の無機基板である場合、成膜温度の好ましい下限は150℃、より好ましい下限は175℃である。成膜温度を175℃以上とすることにより、目的とする形状のナノサイズ突起物を形成しやすくなる。
また、上記プラスチックフィルムは一般的に薄く熱伝導性が高いため、上記基板が上記プラスチックフィルムである場合、成膜温度の好ましい下限は130℃である。このような成膜温度とすることにより、上記基板として上記プラスチックフィルムを用いることができ、フレキシブルな赤外線カットフィルタとすることができる。
この理由ははっきりとは判っていないが、基板に対してスパッタリングターゲットを傾けることで、1)ターゲット材料の基板への到達エネルギーを制御できる、2)アルゴンプラズマによる基板及び生成膜へのダメージ(逆スパッタ)を制御できるためであると推察される。1)のターゲット材料の基板への到達エネルギーはナノサイズ突起物の生成に関与すると考えられ、2)のアルゴンプラズマによるダメージは生成したナノサイズ突起物の逆スパッタによる選択的消失による膜の平坦化に寄与すると考えられる。
なお、図2において基板2は水平に図示されているが、基板2に対してスパッタリングターゲット4を傾けて対向させている限りにおいて、基板2及びスパッタリングターゲット4はいずれも水平であってもよいし、水平でなくてもよい。
図3に示すように、基板に対して、スパッタリングターゲットを傾けることなく水平に対向させた状態でスパッタリングを行う一般的なスパッタリング方法であってもナノサイズ突起物を形成することはできるが、図2に示すように、基板に対して、スパッタリングターゲットを傾けて対向させた状態でスパッタリングを行うことにより、目的とする形状のナノサイズ突起物をより広い領域に高い密度で形成することができる。
焼成時のフィルタ表面温度は特に限定されないが、好ましい下限は200℃、好ましい上限は600℃である。上記フィルタ表面温度を200℃以上とすることで、赤外線カットフィルタの波長550nm付近の可視光透過率を大幅に向上させることができる。上記フィルタ表面温度が600℃を超えると、赤外線カットフィルタの波長1400nm付近の近赤外線の透過率が増大してしまい、赤外線カットフィルタとしての性能が低下することがある。
DCマグネトロンスパッタ装置のターゲット電極にスパッタリングターゲットとしてSnO27.0重量%のITOターゲットを取り付け、アルゴンガス雰囲気下で基板(コーニングガラス#1737基板、厚み0.7mm)を加熱して該基板にスパッタリングを行い、基板上に下地層とナノサイズ突起物とを有する赤外線カットフィルタを得た。
このときの基板の鉛直軸とスパッタリングターゲットの鉛直軸とがなす角度θは25°であった。また、アルゴン圧は0.666Pa、成膜温度は300℃、投入電力は300W、成膜時間は5分であった。
スパッタ成膜条件(様式、ターゲット、投入電力、成膜時間、角度θ)、及び、加熱条件を表1に示すように変更したこと以外は実施例1と同様にして、基板上に下地層とナノサイズ突起物とを有する赤外線カットフィルタを得た。
なお、実施例2、4〜16及び比較例1〜3では、得られた赤外線カットフィルタに対してフィルタ表面温度300℃で1時間焼成を行った。
実施例、比較例で得られた赤外線カットフィルタについて、下記の評価を行った。結果を表1に示した。
赤外線カットフィルタの表面を観察した電子顕微鏡写真(SEM像)を用いて、ナノサイズ突起物の形状を求めた。また、同様の電子顕微鏡写真(SEM像)を用いて、30個以上のナノサイズ突起物の平均値として、ナノサイズ突起物の長さ及び比率H/Wを求めた。また、同様の電子顕微鏡写真(SEM像)を用いて、1mm2以上の領域にわたる任意の5以上の箇所について算出したナノサイズ突起物の密度の平均値を求めた。
なお、比較例1及び2で得られた赤外線カットフィルタはナノサイズ突起物が充分に形成されていない平坦な薄膜であり、比較例3で得られた赤外線カットフィルタでは長さが90nm以上となるナノサイズ突起物は得られなかったことがわかった。
紫外可視赤外分光光度計(日本分光社製のV−7200)を用いて、検出器に小型積分球を用いて赤外線カットフィルタ(サンプルサイズ20mm角、厚み0.7mm)の波長300〜3300nmの範囲での透過率を3回測定した。3点の平均値からそれぞれ可視光透過率(波長550nm)、近赤外線カット性能(1400nm)、遠赤外線カット性能(3000nm)を求めた。なお、近赤外線カット性能、遠赤外線カット性能は、それぞれの波長での光線透過率を100%から差し引いて求めた。
2 基板
3 ターゲット電極
4 スパッタリングターゲット
4’ スパッタ原子
5 赤外線カットフィルタ
6 基板
7 下地層
8 ナノサイズ突起物
Claims (3)
- 基板上に形成された下地層と、前記下地層に接する、前記下地層と同素材からなるナノサイズ突起物とを有し、
前記ナノサイズ突起物は、長さが90nm〜150μmであり、
前記下地層及びナノサイズ突起物は、少なくとも、インジウム、スズ及び酸素を含有する
ことを特徴とする赤外線カットフィルタ。 - ナノサイズ突起物は、1mm2以上の領域に1mm2あたり1×105〜1×109個の密度で形成されていることを特徴とする請求項1記載の赤外線カットフィルタ。
- 請求項1又は2記載の赤外線カットフィルタを製造する方法であって、スパッタリングにより基板上に下地層とナノサイズ突起物とを形成することを特徴とする赤外線カットフィルタの製造方法。
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