(57)【要約】      （修正有）【課題】赤外線透過用のレンズや窓材に使用できるナノコンポジット材料を提供する。【解決手段】赤外線透過性の無機粒子と有機ポリマー樹脂とを複合化させたナノコンポジットからなる赤外線透過用のレンズおよび窓材において、前記無機粒子の平均粒子径は０．３μｍ以上１．０μｍ以下であり、前記粒子の体積をＶ，前記粒子の表面積をＡとしたとき、Ａ／Ｖの値が、４μｍ−１以上２０μｍ−１以下である、赤外線透過用のレンズおよび窓材。【選択図】図１
2011116833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線透過性の無機粒子と有機ポリマー樹脂と複合化材料からなる赤外線透過用のレンズおよび窓材において、前記無機粒子の平均粒子径は、
０．３μｍ以上１．０μｍ以下であり、
前記粒子の体積をＶ，前記粒子の表面積をＡとしたとき、Ａ／Ｖの値が、
４μｍ−１以上２０μｍ−１以下である、
赤外線透過用のレンズおよび窓材。
【請求項２】
前記無機粒子は、フッ化バリウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウムのいずれか、もしくは複数の粒子からなる、請求項１に記載の赤外線透過用のレンズおよび窓材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機材料中に無機化合物粒子を含有する複合化材料を用いた、赤外線透過用のレンズおよび窓材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノテクノロジー技術の進展により、樹脂等の有機材料（母材）中にナノメートルサイズもしくはサブミクロンサイズに微粒子化した無機粒子を混合して複合化することで、粗粒子や固体結晶では得られなかった特異な物性を得る微粒子複合化材料、いわゆるナノコンポジット材料の技術が注目を集めている。とりわけ光学材料の分野では、無機粒子の粒子径を光の波長よりも小さくすることにより、通常では光を透過できなかった物質が、光を透過できるようになり、レンズや窓材としての利用が期待できる。これらのナノコンポジット材料は、ガラス材料等の従来の光学材料に比べて成型加工がし易く、一般的に安価である。
【０００３】
中でも赤外線用のレンズにおいては、ナノコンポジット材料を用いることによる製造コストの引き下げ効果が著しく大きい。赤外線用レンズには、従来からゲルマニウムやカルコゲン化合物等が用いられているが、これらのレンズは、材料コスト、成形加工コスト共に、可視光線用のガラスレンズやプラスチックレンズより高価であり、赤外線を撮像するカメラが高価であることの最大の原因となっている。
【０００４】
ナノコンポジット材料を用いた光学レンズの一例として、特許文献１には、粒子径１〜１００ｎｍの光透過性の無機微粒子と、ポリマー樹脂とを混合した複合化材料を製造し、前記複合化材料を加工して光学レンズおよび窓材を製造する方法が記載されている。
【０００５】
一方、赤外線透過レンズとして使用する場合には、赤外線の吸収要因となる水や有機物の混入を防止する必要がある。
【０００６】
実用新案文献１には、赤外線透過用の窓材の水分混入を防止する方法として、塩化ナトリウム結晶の表面にポリエチレン等の樹脂薄膜を密着させたものが記載されている。ポリエチレン薄膜が外気からの空気中水分を遮断することにより、塩化ナトリウム結晶の水分吸収を防止し、窓材の赤外線透過性能を維持するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０７７５０８号公報
【特許文献２】実開平５−２５３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
赤外線透過用のナノコンポジット材料においては、きわめて多数の無機粒子を含有することから、粒子表面に吸着した僅かな量の不純物でも、赤外線の透過性能に影響を与える。ナノコンポジット材料は、不純物の中でも特に水の影響を受け易い。これは、水は、大気中に水蒸気として存在し、かつ、水蒸気の状態では、ポリマー樹脂中も僅かながら透過するので、ナノコンポジット中の無機粒子表面に容易に吸着するためである。したがって、ナノコンポジット材料を赤外線透過用のレンズや窓材に使用するには、無機粒子表面への水の吸着を防止することが必要である。
【０００９】
本発明は、無機粒子とポリマー樹脂とを複合化させたナノコンポジットからなる赤外線透過用のレンズおよび窓材において、無機粒子への水分吸着を防止し、長時間にわたって、高い赤外線透過性能を維持する赤外線透過用のレンズと窓材を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の赤外線透過用のレンズおよび窓材は、樹脂材料中に無機材料からなる粒子を分散させた、有機無機ナノコンポジット材料であって、前記粒子の平均粒子径は、０．３μｍ以上１．０μｍ以下であり、前記粒子の体積をＶ、前記粒子の表面積をＡとしたとき、粒子の単位体積あたりの比表面積である、Ａ／Ｖの値が、４μｍ−１以上２０μｍ−１以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記無機材料は、フッ化バリウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウムのいずれか、もしくは複数の粒子からなることが好ましい。
【００１２】
本構成により、無機粒子による赤外線の散乱を抑えることができ、かつ、粒子の表面積を小さくすることで不純物の付着が抑えることができるので、長時間にわたって、レンズの赤外線透過性能を維持できる。
【発明の効果】
【００１３】
無機粒子と樹脂材料を複合化したナノコンポジット材料からなる赤外線透過用のレンズおよび窓材を用いることにより、長期間にわたって高い赤外線透過性能を維持し、かつ安価な赤外線透過用のレンズや窓材を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係る赤外線透過用レンズの概略図
【図２】実施の形態１に係る赤外線透過用レンズにおける、赤外線波長と赤外線透過率の関係を示す図
【図３】実施の形態１に係る赤外線透過用レンズにおける無機粒子の比表面積と赤外線透過率の関係を示す図
【図４】実施の形態１に係る赤外線透過用レンズにおける乾燥後と恒温恒湿槽静置後の赤外線透過率の変化を示す図
【図５】実施の形態２に係る赤外線透過レンズの概略図
【図６】実施の形態２に係る赤外線透過用レンズにおける、赤外線波長と赤外線透過率の関係を示す図
【図７】実施の形態２に係る赤外線透過用レンズにおける乾燥後と恒温恒湿槽静置後の赤外線透過率の変化を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明にかかる赤外線透過用のレンズおよび窓材の実施形態について、以下に説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
実施の形態１について、図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は、実施の形態１に係る赤外線透過用レンズの概略図を示す。
【００１８】
赤外線透過用レンズ１は、球形状のフッ化バリウム粒子２と、ポリマー樹脂３からなる。
【００１９】
フッ化バリウム粒子２は、無機粒子の一例である。また、ポリマー樹脂は、有機ポリマー樹脂の一例である。
【００２０】
フッ化バリウム粒子２は、平均粒子径をｄ、体積をＶ、表面積をＡとすると、ｄ、Ｖ、Ａは、（１）式および（２）式の関係で表される。
０．３μｍ≦ｄ≦１．０μｍ    ・・・  （１）    
４μｍ−１≦Ａ／Ｖ≦２０μｍ−１  ・・・  （２）
ここで、Ａ／Ｖの値（以下、粒子の比表面積という）は、粒子２の単位体積あたりの粒子表面積を示し、この値が小さいほど、レンズ１の内部における、全ての粒子を足し合わせたときの粒子の表面積が小さくなる。これら数式（１）、（２）の関係式で表される範囲のフッ化バリウム粒子を用いることにより、粒子表面上での赤外線の散乱が抑えられるので、散乱による赤外線透過率低下が防止され、かつ、粒子の比表面積を小さくすることで、赤外線吸収要因となる不純物の付着を抑えることができる。したがって、長期間にわたって、高い赤外線透過性能を維持する赤外線透過用レンズが実現できる。
【００２１】
次に、実施の形態１係る赤外線透過用レンズ１の製造方法について、工程順に説明する。
【００２２】
平均粒子径１５μｍのフッ化バリウム粒子３０ｇをエタノール２７０ｇと混合し、フッ化バリウムが１０重量％の粒子分散液３００ｇを作製する。
【００２３】
次に、直径５ｍｍのジルコニアボール１．４ｋｇを入れた、容量５００ｍｌのボールミルへ前記粒子分散液３００ｇを投入し、回転数２００ｒｐｍで３時間ボールミルを運転して、フッ化バリウム粒子を粉砕する。
【００２４】
このようにして粉砕処理を行った前記粒子分散液中のフッ化バリウム粒子は、平均粒子径０．６μｍの球形状の粒子となる。これを粒子の比表面積で表すと１０μｍ−１となる。
【００２５】
次に、軟化点１１５℃、比重０．９６のポリマー樹脂７０ｇを２００℃の温度で溶融し、溶融ポリマー樹脂を作製する。前記溶融ポリマー樹脂に対し、粉砕処理後の前記粒子分散液３００ｇを滴下して、ポリマー樹脂とフッ化バリウム粒子とを混合し、２００℃の温度下でポリマー樹脂とフッ化バリウム粒子の混合物を３０分間攪拌する。この過程において、エタノールは完全に蒸発するので、フッ化バリウム粒子とポリマー樹脂のみが混合したポリマー樹脂の溶融混合物となる。
【００２６】
このようにして、平均粒子径０．６μｍのフッ化バリウム粒子２が、ポリマー樹脂３の内部に均一に分布したナノコンポジット材料（フッ化バリウム充填濃度３０重量％）が作製できる。
【００２７】
次に、前記ナノコンポジット材料を成形プレス機に入れ、前記ナノコンポジット材料を１６０℃に加熱して軟化させ、その後、加圧成形することにより、所定の形状のレンズに加工する。
【００２８】
このようにして、図１に示した、平均粒子径０．６μｍ、比表面積１０μｍ−１のフッ化バリウム粒子２とポリマー樹脂３とのナノコンポジット材料からなる第一の実施形態の赤外線透過用レンズ１を作製できる。
【００２９】
次に、実施の形態１に係る赤外線透過用レンズ１の赤外線透過性能について説明する。
【００３０】
図２は、赤外線波長と赤外線透過率の関係を示す図である。具体的には、図２は、厚さ１ｍｍの赤外線透過用レンズにおいて、波長２．５μｍから２０μｍの赤外線を透過した場合の透過率を示したものである。
【００３１】
図中のＡは、本実施形態の赤外線透過用レンズの透過率特性を示している（以下、赤外線透過用レンズＡと称する。）。図中のＢは、平均粒子径１．６μｍ、比表面積３．７μｍ−１のフッ化バリウム粒子を用いたナノコンポジット材料（フッ化バリウム充填濃度３０重量％）を赤外線透過用レンズの透過率特性を示している（以下、赤外線透過用レンズＢと称する。）。図中のＣは、平均粒子径０．２μｍ、比表面積３０μｍ−１のフッ化バリウム粒子を用いたナノコンポジット材料（フッ化バリウム充填濃度３０重量％）を赤外線透過用レンズの透過率特性を示している（以下、赤外線透過用レンズＣと称する。）。
【００３２】
図２からわかるように、本実施形態の赤外線透過用レンズＡは、他の赤外線透過用レンズＢ、Ｃに比べて、２．５μｍから２０μｍの全ての波長範囲において、透過率が高くなっている。
【００３３】
図３は、実施の形態１に係る赤外線透過用レンズ１における無機粒子の比表面積と赤外線透過率の関係を示す図である。具体的には、図３は、厚さ１ｍｍの赤外線透過用レンズ１において、フッ化バリウム粒子２の比表面積に対する、波長１０μｍの赤外線を透過した場合の透過率を示したものである。
【００３４】
図３より、比表面積が４μｍ−１から２０μｍ−１の範囲のとき、赤外線の透過率が向上することがわかる。
【００３５】
一方、平均粒子径が１．０μｍを超えると、粒子表面での赤外線の散乱が発生して透過率が低下する。また、平均粒子径が０．３μｍを下回ると、体積に対して最も表面積が小さくなる真球の粒子を得たとしても、比表面積が２０μｍ−１を上回ってしまう。
【００３６】
したがって、無機粒子の平均粒子径は、０．３μｍ以上１．０μｍ以下が好ましく、粒子の比表面積は、４μｍ−１以上２０μｍ−１以下が好ましい。
【００３７】
図４は、実施の形態１に係る赤外線透過用レンズ１における乾燥後と恒温恒湿槽静置後の赤外線透過率の変化を示す図である。具体的には、図４は、厚さ１ｍｍの赤外線透過用レンズ１を乾燥器に入れて、温度８５℃で６５時間乾燥し、その後、恒温恒湿器に入れて、温度２５℃、湿度５０％で２４時間静置した試験において、前記レンズに対し波長１０μｍの赤外線を透過した場合の透過率を示したものである。
【００３８】
本実施形態の赤外線透過用レンズＡは、温度８５℃で乾燥後と温度２５℃、湿度５０％で静置後では、共に同程度の透過率を示しており、不純物となる水分の影響による透過率変化はほとんど無い。赤外線透過用レンズＢは、レンズＡと同様、透過率の変化はほとんど無いが、レンズＡよりもフッ化バリウム粒子２の粒子径が大きいために、赤外線の散乱が発生するので、透過率が低くなる。赤外線透過用レンズＣは、レンズＡよりもフッ化バリウム粒子２の比表面積が大きいために、乾燥前および恒湿槽静置後に粒子表面への水分の吸着量が多くなるので、乾燥前後、および恒温恒湿静置前後で、透過率の変化が大きくなる。
【００３９】
このように、大気中において、長時間にわたって高い赤外線透過率を維持するためには、フッ化バリウム粒子２の粒子径と比表面積を一定の範囲に制御する必要があり、その範囲は、平均粒子径が０．３μｍ以上１．０μｍ以下、比表面積が４μｍ−１以上２０μｍ−１以下となる。前記粒子径と前記比表面積に粒子を制御することで、高い赤外線透過性能を長期間にわたって維持する赤外線透過用のレンズおよび窓材を安価に実現することができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、赤外線透過性の無機粒子として、フッ化バリウムを用いたが、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウムを用いても、同様に高い赤外線透過性能を有するレンズおよび窓材を実現することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
実施の形態２について、図面を用いて説明する。
【００４２】
図５は、実施の形態２に係る赤外線透過用レンズ４の概略図である。
【００４３】
実施の形態２に係る赤外線透過用レンズ４は、立方体状の塩化ナトリウム粒子５と、ポリマー樹脂６からなる。立方体状の塩化ナトリウム粒子５は、無機粒子の一例である。
【００４４】
塩化ナトリウム粒子５は、一辺の長さをＬ、体積をＶ、表面積をＡとすると、Ｌ、Ｖ、Ａは、（３）式および（４）式の関係で表される。
０．３μｍ≦Ｌ≦０．５８μｍ    ・・・  （３）    
４μｍ−１≦Ａ／Ｖ≦２０μｍ−１  ・・・  （４）
なお、実施の形態２では、塩化ナトリウム粒子５が立方体形状の粒子なので、粒子径ｄの代わりに、一辺の長さＬで記載しているが、これを球形粒子相当として粒子径ｄを算出すると、粒子径ｄは立方体の角の対角線の長さとなるので、
ｄ＝√３×Ｌ
となり、立方体形状の粒子においては、（３）式は、（５）式として表すこともできる。
【００４５】
０．５２μｍ≦ｄ≦１．０μｍ  ・・・  （５）
これら数式（３）、（４）の関係式で表される範囲の塩化ナトリウム粒子５を用いることにより、粒子表面上での赤外線の散乱が抑えられるので、散乱による赤外線透過率低下が防止され、かつ、粒子の比表面積を小さくすることで、赤外線吸収要因となる不純物の付着を抑えることができる。したがって、長期間にわたって、高い赤外線透過性能を維持する赤外線透過用レンズが実現できる。
【００４６】
次に、実施の形態２に係る赤外線透過用レンズ４の製造方法について、工程順に説明する。
【００４７】
平均粒子径７０μｍの塩化ナトリウム粒子３０ｇをトルエン２７０ｇと混合し、塩化ナトリウムが１０重量％の粒子分散液３００ｇを作製する。
【００４８】
次に、直径５ｍｍのジルコニアボール１．４ｋｇを入れた、容量５００ｍｌのボールミルへ前記粒子分散液３００ｇを投入し、回転数２００ｒｐｍで５時間ボールミルを運転して、塩化ナトリウム粒子を粉砕する。
【００４９】
このようにして粉砕処理を行った前記粒子分散液中の塩化ナトリウム粒子は、一辺の長さが０．５μｍの立方体形状の粒子となる。これを粒子の比表面積で表すと１５μｍ−１となる。
【００５０】
次に、軟化点１００℃、比重０．９２のポリマー樹脂７０ｇを１８０℃の温度で溶融し、溶融ポリマー樹脂を作製する。前記溶融ポリマー樹脂に対し、粉砕処理後の前記粒子分散液３００ｇを滴下して、ポリマー樹脂６と塩化ナトリウム粒子４とを混合し、１８０℃の温度下でポリマー樹脂６と塩化ナトリウム粒子５の混合物を３０分間攪拌する。この過程において、トルエンは完全に蒸発するので、塩化ナトリウム粒子５とポリマー樹脂６のみが混合した溶融混合物となる。
【００５１】
このようにして、一辺の長さが０．５μｍの塩化ナトリウム粒子５が、ポリマー樹脂６の内部に均一に分布したナノコンポジット材料（塩化ナトリウム充填濃度３０重量％）が作製できる。
【００５２】
次に、前記ナノコンポジット材料を成形プレス機に入れ、前記ナノコンポジット材料を１４０℃に加熱して軟化させ、その後、加圧成形することにより、所定の形状のレンズに加工する。
【００５３】
このようにして、図５に示した、一辺の長さが０．５μｍ、比表面積１５μｍ−１の塩化ナトリウム粒子５とポリマー樹脂６とのナノコンポジット材料からなる赤外線透過用レンズ４を作製できる。
【００５４】
次に、実施の形態２に係る赤外線透過用レンズ４の赤外線透過性能について説明する。
【００５５】
図６は、実施の形態２に係る赤外線透過用レンズにおける、赤外線波長と赤外線透過率の関係を示す図である。具体的には、図６は、厚さ１ｍｍの赤外線透過用レンズ４において、波長２．５μｍから２０μｍの赤外線を透過した場合の透過率を示したものである。
【００５６】
図中のＤは、実施の形態２に係る赤外線透過用レンズの透過率特性を示している（以下、赤外線透過用レンズＤと称する）。図中のＥは、一辺の長さが０．１５μｍ、比表面積４０μｍ−１の塩化ナトリウム粒子を用いたナノコンポジット材料（塩化ナトリウム充填濃度３０重量％）を赤外線透過用レンズの透過率特性を示している。
【００５７】
図６からわかるように、実施の形態に係る赤外線透過用レンズＤは、赤外線透過用レンズＥに比べて、２．５μｍから２０μｍの全ての波長範囲において、透過率が高くなっている。
【００５８】
また、塩化ナトリウム粒子５の一辺の長さが０．６μｍを超えると、粒子表面での赤外線の散乱が発生して透過率が低下する。また、一辺の長さが０．３μｍを下回ると、比表面積が２０μｍ−１を上回ってしまうので、透過率が低下する。
【００５９】
図７は、実施の形態２に係る赤外線透過用レンズ４における乾燥後と恒温恒湿槽静置後の赤外線透過率の変化を示す図である。具体的には、図７は、厚さ１ｍｍの赤外線透過用レンズ４を乾燥器に入れて、温度８５℃で６５時間乾燥し、その後、恒温恒湿器に入れて、温度２５℃、湿度５０％で２４時間静置した試験において、前記レンズに対し波長１０μｍの赤外線を透過した場合の透過率を示したものである。
【００６０】
実施の形態２に係る赤外線透過用レンズＤは、温度８５℃で乾燥後と温度２５℃、湿度５０％で静置後では、共に同程度の透過率を示しており、不純物となる水分の影響による透過率変化はほとんど無い。一方、赤外線透過用レンズＥは、赤外線透過用レンズＤよりも塩化ナトリウム粒子５の比表面積が大きいために、乾燥前および恒湿槽静置後に粒子表面への水分の吸着量が多くなるので、乾燥前後、および恒温恒湿静置前後で、透過率の変化が大きくなる。
【００６１】
このように、大気中において、長時間にわたって高い赤外線透過率を維持するためには、塩化ナトリウム粒子５の粒子径と比表面積を一定の範囲に制御する必要があり、その範囲は、一辺の長さが０．３μｍ以上０．５８μｍ以下、比表面積が４μｍ−１以上２０μｍ−１以下となる。前記粒子径と前記比表面積に粒子を制御することで、高い赤外線透過性能を長期間にわたって維持する赤外線透過用のレンズおよび窓材を安価に実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、赤外線を透過させる光学材料として、特に赤外線カメラ、赤外線光ピックアップ装置等のレンズや窓材として利用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１、４  赤外線透過用レンズ
２  フッ化バリウム粒子
３、６  ポリマー樹脂
５  塩化ナトリウム粒子
【図１】
2011116833.tif 000003
【図２】
2011116833.tif 000004
【図３】
2011116833.tif 000005
【図４】
2011116833.tif 000006
【図５】
2011116833.tif 000007
【図６】
2011116833.tif 000008
【図７】
2011116833.tif 000009