高屈折率の酸化チタン薄膜の実用的作製法を開発：カメラの性能向上に期待

東北大学大学院工学研究科と日本電気硝子は、高屈折率材料でありながら高価な作製方法しか存在しなかったルチル型の結晶構造を持つ酸化チタン薄膜をより簡易に低コストで作製できる技術を開発した。

[竹本達哉，EE Times Japan]

東北大学大学院工学研究科と日本電気硝子

　東北大学大学院工学研究科の研究グループ^＊）は日本電気硝子との共同研究により、高屈折率で透明な酸化チタン（TiO₂）薄膜をガラス基板上に低温で作製する技術を開発し、光の反射と透過を制御する光学コーティングの作製に成功したと発表した。研究グループでは開発した技術について「液晶プロジェクターやカメラなどさまざまな光学機器の性能向上や作製工程の簡素化、低コスト化が期待される」としている。

＊）東北大学大学院工学研究科博士課程2年石井暁大氏（日本学術振興会特別研究員）、高村仁教授らの研究グループ。

開発した透明で高屈折率なTiO₂薄膜（左）とそれを用いた可視光ミラー（右） 出典：東北大学大学院工学研究科

　カメラや液晶プロジェクターなどの光学機器では、光の反射や透過を制御するために屈折率の異なる材料を層状に重ねた光学コーティングが利用されている。コーティングは材料界面での光の反射を利用するため、高屈折率層として高い屈折率を持つ材料が必要になる。屈折率が高いと光学機器の特性を高められる他、コーティングの積層数が低減でき、作製工程の簡素化、低コスト化が望める。

実用化が難しかった高屈折率の“ルチル型”TiO₂薄膜

　TiO₂は、高い屈折率を持ち、光学コーティングの高屈折率層材料として広く使用されている。そのTiO₂の中でも「ルチル型」という結晶構造になる場合に屈折率が最大になることが知られている。だが、薄膜でルチル型結晶構造を実現するには、高価な単結晶基板や700℃程度の高温成膜プロセスが必要で、ルチル型TiO₂薄膜の実用化は難しかった。

　そうした中で、研究グループはナノメートルの厚さを持つ薄膜を作製する方法の1種であるパルスレーザー堆積法を用い、TiO₂に微量のアルミニウム（Al）を添加することで、安価なガラス基板を用いつつ350℃という比較的低温な環境で光学コーティングに利用可能なルチル型TiO₂薄膜の作製することに成功した。パルスレーザー堆積法でAlを添加することでルチル型構造が誘起される理由について研究グループでは「一部のAlがTiを置換しアクセプター（＝材料中に添加されるイオンの1種）として機能することで酸素空孔が導入されるため」との見解を示している。

光学コーティングの模式図（左）とAl添加TiO₂薄膜（開発品）を用いる可視光ミラーの反射スペクトルの波長依存性（右）。「開発品は従来品よりも広い可視光領域で高い反射率を示しうる」（研究チーム）という （クリックで拡大） 出典：東北大学大学院工学研究科

　作製した透明で高い屈折率を持つルチル型TiO₂薄膜を光学コーティングに用いた場合、従来のTiO₂薄膜よりも広い可視光領域で高い反射率を示す高性能可視光ミラーが作製できる。

　研究グループでは、開発した結晶構造制御技術は、光学コーティング材料以外にも光触媒やメモリ、二次電池電極材料などの領域で応用できる可能性があることを示唆している。