CN1952700B - 线栅偏振片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的线栅偏振片，主要由具有格子状凸部(1a)的树脂基体(1)、设置成覆盖着所述树脂基体(1)的凸部(1a)及其侧面(1b)的至少一部分的电介质层(2)、以及设置在覆盖树脂基体的格子状凸部的峰部的电介质层的凸部上的金属线(3)构成，其中，格子状凸部的间距小于等于150nm、高度为间距的0.5-2倍，电介质层覆盖树脂基体的格子状凸部形成的凹凸格子的凸部的峰部与凹部的谷部的高度差为100nm～300nm，且电介质层由与树脂以及金属之间的粘合性强的材料构成。采用这种线栅偏振片，则具备具有格子状凸部的微细凹凸格子的结构，在结构上不受制约，而且能够在可见光区域的宽带域兼具优异的偏振度和透射率。

Description

线栅偏振片及其制造方法
技术领域
本发明涉及线栅偏振片及其制造方法以及使用它的液晶显示装置。
背景技术
由于近年来的光刻技术的发展，已经能够形成具有光波长水平的间距的微细结构的图案。这样具有非常小的间距的图案的构件和产品，不仅在半导体领域，而且在光学领域也使用范围广泛，非常有用。
例如，以金属等构成的导线以特定的间距排列为格子状形成的线栅，只要该间距与入射光(例如可见光的波长400nm～800nm)相比是相当小的间距(例如1/2以下)，则几乎全部反射与导线平行振动的电场矢量分量的光线，而使垂直于导线的电场矢量分量的光线几乎全部透过，因此能够作为形成单一偏振的偏振片使用。线栅偏振片能够反射不透过的光线将其再度加以利用，因此从光线的有效利用的观点考虑也是理想的。但是已有的光刻技术中，难以在100cm2以上的大面积上实现120nm水平或120nm以下的间距的微细凹凸格子。
近年，具有小间距的微细凹凸格子的线栅偏振元件得到了开发(日本特表2003-502708号公报)。该线栅偏转元件如图10所示，具有在玻璃基板101的格子状凸部101a上隔着电介质膜102形成导电元件103的结构。该线栅偏转元件将格子状凸部101a与电介质膜102合在一起的厚度的区域Y的折射率设定得比玻璃基板101的基台部X的折射率低。利用这样的结构，使发生光的透射、反射特性急剧变化的谐振现象的谐振点向短波长一侧移动，能够提高透射与反射的效率。
但是，上述线栅偏振元件存在着这样的问题，即必须考虑作为衍射光栅使用的情况下可见光光谱内的谐振，在可见光的低波长区域不能够得到足够的偏振度。
发明内容
本发明的目的是，提供一种在树脂基体、电介质层以及金属线之间有足够大的粘合力，在可见光区域的宽带域上兼具优异的偏振度和透射率的线栅偏振片及其制造方法，以及使用这种线栅偏振片的液晶显示装置。
本发明的线栅偏振片，其特征在于，具备：具有格子状凸部的树脂基体、设置成覆盖所述树脂基体的格子状凸部及其侧面的至少一部分的电介质层、以及设置在覆盖树脂基体的格子状凸部的峰部的电介质层的凸部上的金属线，其中，格子状凸部的间距小于等于150nm、高度为间距的0.5-2倍，电介质层覆盖树脂基体的格子状凸部形成的凹凸格子的凸部的峰部与凹部的谷部的高度差为100nm～300nm，且电介质层由与树脂以及金属之间的粘合性强的材料构成。
本发明的线栅偏振片，最好是电介质层覆盖所述具有格子状凸部的树脂基体的全部表面。
本发明的线栅偏振片，最好是电介质层在树脂基体的格子状凸部的覆盖厚度为2nm至200nm。
在本发明的线栅偏振片中，最好是包含位于所述格子状凸部的顶部上方的电介质层的区域的折射率比所述树脂基体的折射率高。
在本发明的线栅偏振片中，最好是所述电介质层的折射率比所述树脂基体的折射率高。
在本发明的线栅偏振片中，最好是所述树脂基体的格子状凸部的间距小于或等于120nm。
在本发明的线栅偏振片中，最好是所述电介质层由二氧化硅、氮化硅或它们的复合物构成。
在本发明的线栅偏振片中，最好是所述金属线由铝或其包含其合金的金属构成。
在本发明的线栅偏振片中，最好是所述金属线偏向所述电介质层的一个侧面设置。
在本发明的线栅偏振片中，最好是作为无结合线部分的面积的单位尺寸为100cm2以上。
本发明的液晶显示装置，其特征在于，具备：液晶面板、对所述液晶面板照射光线的照明手段、以及配置于所述液晶面板与所述照明手段之间的上述线栅偏振片。
在本发明的液晶显示装置中，最好是所述液晶面板是透射型液晶面板。
本发明的液晶显示装置，其特征在于，具备：光源、使来自所述光源的光线偏振分离的上述线栅偏振片、使由所述偏振片起偏振的光线透射或反射的液晶显示元件、以及使被所述液晶显示元件透过或反射的光线投射于屏幕上的投射光学系统。
本发明的线栅偏振片的制造方法，其特征在于，所述方法由以下工序构成：
获得具有格子状凸部的树脂基体的工序，其中，所述格子状凸部的间距小于等于150nm，高度为间距的0.5-2倍；
接着，在包含所述树脂基体的格子状凸部的区域上形成电介质层的工序，其中，电介质层覆盖树脂基体的格子状凸部形成的凹凸格子的凸部的峰部与凹部的谷部的高度差为100nm～300nm，且电介质层由与树脂以及金属之间的粘合性强的材料构成；
然后，在所述电介质层上形成金属线的工序，所述金属线设置在覆盖树脂基体的格子状凸部的峰部的电介质层的凸部上。
在本发明的线栅偏振片的制造方法中，最好是所述表面具有格子状凸部的树脂基体，通过将表面上具有100nm到100μm间距的凹凸格子的被延伸构件，以所述凹凸格子的长度方向的大致垂直方向上的所述被延伸构件的宽度为任意宽度的状态，在与所述长度方向大致平行的方向上单轴延伸加以制作。
在本发明的线栅偏振片的制造方法中，最好是所述树脂状基体的格子状凸部的形状，是使表面上具有100nm到100μm间距的凹凸格子的被延伸构件，以所述凹凸格子的长度方向的大致垂直方向上的所述被延伸构件的宽度为任意宽度的状态，在与所述长度方向大致平行的方向上单轴延伸，利用由此得到的构件制作得到模具，利用所制作的这种具有微细凹凸格子形状的模具，在树脂基体上通过转印对微细凹凸格子形状进行赋形。
在本发明的线栅偏振片的制造方法，最好是在所述金属线的形成工序中，在与所述格子状凸部的格子的长度方向垂直相交的平面内，从树脂基体面的法线与蒸镀源构成的角度为30°以下的方向开始将金属迭层，形成金属线。
附图说明
表示本发明的特征的许多新的特点在本说明书附属的权利要求书中已经详细指出。为了能够充分理解本发明、其工作上的好处、通过实施能够实现的目的，应该参考例示说明本发明的优选实施方式的附图以及记述。
图1是表示本发明实施方式的线栅偏振片的一部分的概略剖面图。
图2(a)～(c)是说明与本发明实施方式的线栅偏振片的制造方法相关的，用来获得具有凹凸格子的被延伸构件的方法的剖面图。
图3(a)、(b)是表示与本发明实施方式的线栅偏振片的制造方法相关的，自由端单轴延伸前后的被延伸构件的俯视图。
图4(a)～(g)是说明本发明实施方式的线栅偏振片的制造方法的剖面图。
图5是表示使用本发明实施方式的线栅偏振片的液晶显示装置的图。
图6(a)是本发明实施方式的转印格子状凸部的转印薄膜的断面的代表性SEM像。
图6(b)是本发明实施方式的电介质迭层转印格子状凸部的转印薄膜的断面的代表性SEM像。
图6(c)是本发明实施方式的线栅偏振片的断面的代表性SEM像。
图7是比较例2的线栅偏振片的断面的代表性SEM像。
图8是表示本发明实施方式的线栅偏振片以及比较例的线栅偏振片的偏振特性的特性图。
图9是表示本发明实施方式的线栅偏振片以及比较例的线栅偏振片的光线透射率特性的特性图。
图10是表示线栅偏振元件的概略剖面图。
具体实施方式
下面就本发明的实施方式，参照附图依照(1)本发明的线栅偏振片、(2)获得本发明的具有格子状凸部的树脂基体的方法、(3)本发明的线栅偏振片的制造方法的顺序进行详细说明。
(1)本发明的线栅偏振片
图1是示出本发明实施方式的线栅偏振片的一部分的概略剖面图。图1所示的线栅偏振片主要由具有格子状凸部的树脂基体1(以下也称为树脂基体1)、设置成覆盖着所述树脂基体的格子状凸部1a(以下也称为凸部1a)及其侧面1b的至少一部分的电介质层2、以及设置于所述电介质层2上的金属线3构成。
树脂基体1使用的树脂只要是在可见光区域实质上透明的树脂即可。例如可以是甲基丙烯酸甲酯树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、环烯烃树脂(COP)、交联聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚烯丙基树脂(日文：ポリアリレ一ト树脂；英文：polyallylateresin)、聚亚苯基醚(ポリフエニレンエ一テル)树脂、改性聚亚苯基醚树脂、聚醚酰亚胺(ポリエ一テルイミド)树脂、聚醚砜(ポリエ一テルサルフオン)树脂、聚砜(ポリサルフオン)树脂、聚醚酮树脂等非晶性热可塑性树脂，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、聚萘二甲酸乙二醇酯(ポリエチレンナフタレ一ト)树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、芳香族聚酯树脂、聚羧醛树脂、聚酰胺树脂等结晶性热可塑性树脂，以及丙烯酸系树脂、环氧系树脂、氨基甲酸酯系树脂等紫外线固化树脂和热固化树脂。又，作为基体，可以采用作为树脂基体1的紫外线固化性树脂或热固化树脂与玻璃等无机物基板、上述热可塑性树脂、三乙酸酯树脂组合的结构。
考虑在可见光区域宽带域的偏振特性，本发明的树脂基体的格子状凸部1a的间距为120nm以下，最好是80nm～120nm。间距越小则偏振特性越好，但对于可见光来说，采用80nm～120nm的间距就能够得到足够的偏振特性。又，在不重视400nm附近的短波长光线的偏振特性的情况下，间距也可以加大到150nm左右。还有，在本发明中，树脂基体的格子状凸部1a的间距、电介质层的间距、以及金属线的间距，与本发明的线栅的间距大致相等，在图1中以p表示。
又，为了得到良好的光学特性、为了得到基体与电介质层2的高粘合强度、又为了在凸部1a上选择性地较高地覆盖电介质层，树脂基体1的凸部1a的峰部与凹部1c的谷部之间的高度差H1(以下称为凸部1a的高度)为格子状凸部1a的间距p的0.5～2.0倍，最好是1.0～2.0倍。
考虑到在格子状凸部1a的侧面上电介质层的覆盖以及隔着电介质层的金属线迭层，凸部1a的1/2高度上的凸部1a的宽度(以下称为凸部1a的宽度)最好是线栅间距的0.3倍～0.6倍。
对于格子状凸部1a和利用多个格子状凸部形成的微细凹凸格子的凹部1c的剖面形状没有限制。例如这些剖面的形状也可以是梯形、矩形、方形、棱形的形状，以及半圆形等正弦波形状。在这里，所谓正弦波形状意味着具有由凹部与凸部重复而形成的曲线部。还有，曲线部只要是弯曲的曲线即可，正弦波也包含例如凸部上有中间变细的形状。从所述树脂基体的格子状凸部及其侧面的至少一部分容易用电介质层覆盖的观点出发，所述形状的端部或顶点、谷部最好是以比较平缓的曲率弯曲。而从提高树脂基体与电介质层之间的粘合强度的观点出发，所述剖面的形状为正弦波则更加理想。
获得本发明的具有格子状凸部的树脂基体的方法没有特别限定，但是最好是采用本申请人提出的日本特愿2006-2100号申请记载的方法。详细情况将在下面叙述。
在本发明中，构成电介质层2的电介质只要是在可见光区域实质上是透明的即可。适于采用与构成树脂基体1的材料以及构成金属线3的金属之间的粘合性强的电介质材料。例如可以采用硅的氧化物、氮化物、卤化物、碳化物的单体或其复合物(在电介质单体中混合其他元素、单体或化合物的电介质)、以及铝、铬、钇、锆、钽、钛、钡、铟、锡、锌、镁、钙、铈、铜等金属的氧化物、氮化物、卤化物、碳化物的单体或它们的复合物。
在本发明中，最好是包含位于格子状凸部的顶部上方的电介质层的区域的折射率比上述树脂基体的折射率高。在这里，所谓包含位于格子状凸部的顶部上方的电介质层的区域，表示图1的B区域，是包含电介质层的区域，意味着与树脂基体面大致平行，具有某特定厚度的区域。也就是说，该B区域是包含位于树脂基体1格子状凸部1a上的电介质层的区域。树脂基体的折射率是图1的A区域、即不包含树脂基体1的格子状凸部1a的区域的折射率。又，在本发明中，最好是所述电介质层的折射率比所述树脂基体的折射率高。
作为所选择的比树脂基体折射率高的电介质，最好是例如硅或上述金属的氧化物、氮化物的单体或其复合物。这些材料中更为理想的是二氧化硅、氧化钛、氧化铈、氧化铝、氧化钇、氧化锆、氮化硅、氮化铝或它们的复合物。
在本发明中，为了在树脂基体1与金属线3之间获得足够的粘合强度，设置成电介质层2覆盖着树脂基体的格子状凸部1a及其侧面部1b的至少一部分。又，树脂基体1的格子状凸部1a最好是由电介质层2所覆盖。从提高格子状凸部1a与2之间的粘合性的观点和抑制从树脂基体产生的低分子量挥发物的观点，最好是电介质层2覆盖全部微细凹凸格子。通过提高格子状凸部1a与电介质层2之间的粘合性，能够在树脂基体与电介质层之间得到足够大的粘合强度。还有，在本发明中，在微细凹凸格子形状中，将与其凸部的侧面和凹部相比，主要在其凸部上迭层电介质与金属的情况称为选择迭层。
电介质层2在树脂基体的格子状凸部1a上覆盖的厚度(以下称为电介质层的高度)，从光学特性以及树脂基体和金属线之间的粘合强度、线栅的强度、覆盖所需要的时间、选择性地在电介质层的凸部或偏向电介质层的凸部一方的侧面迭层金属线等观点，最好是2nm～200nm。特别是树脂基体的格子状凸部1a的峰部的电介质层的高度最好是5nm～150nm。又，电介质覆盖中树脂基体的格子状凸部1a形成的凹凸格子的凸部的峰部与凹部的谷部的高度差H2(以下称为高低差H2)，考虑到作为金属线的底座的强度、光学特性等，以100nm～300nm为宜，150nm～250nm则更加理想。
以高低差H2的1/2高度上的，由电介质覆盖树脂基体的格子状凸部1a而形成的凹凸格子的凸部的宽度为电介质层的宽度w2(以下称为电介质层的宽度)。从光学特性以及线栅的结构强度的观点，最好是使电介质层w2的宽度为树脂基体的格子状凸部的间距的0.3～0.6倍，但是在金属迭层时采用下述倾斜迭层方法的情况下，电介质层的宽度w2最好是树脂基体的格子状凸部的间距的0.1倍～0.5倍。
作为使电介质覆盖于树脂基体的格子状凸部及其侧面的至少一部分上的方法，根据构成电介质层2的材料进行适当选择。适于使用例如溅射方法、真空蒸镀法等物理蒸镀方法。从粘合强度考虑，溅射方法是理想的。
在本发明中，构成金属线3的金属最好是在可见光区域光的反射率高，与构成电介质层2的材料之间的粘合性好的金属。例如由铝、银或其合金构成是理想的。从成本考虑，则用铝或铝合金构成则更加理想。
金属线3的宽度w3，从偏振度和透射率等光学特性以及线栅的结构强度考虑，最好是采用树脂基体的格子状凸部的间距的0.3～0.6倍。
覆盖树脂基体的格子状凸部1a的峰部的电介质层2的凸部上迭层的金属线3的厚度H3(以下称为金属线的高度)，考虑到光学特性和金属线3与电介质层2的凸部之间的粘合强度、线栅偏振片的结构强度、迭层需要的处理时间，以120nm～220nm为宜，140nm～200nm则更加理想。又，金属线的高度与金属线的宽度之比H3/w3(高宽比)以2～5为宜，更加理想的是2～4。
为了形成金属线而在电介质层上迭层金属的方法，只要是在构成电介质层2的材料与构成金属线3的金属之间能够得到足够的粘合性的方法即可，没有特别限定。例如可以采用真空蒸镀方法、溅射法、离子电镀法等物理蒸镀方法。其中比较理想的是能够将金属选择性地迭层于电介质层的凸部，或偏向电介质层2的凸部的一侧选择性地迭层的方法。这样的方法有例如真空蒸镀法。
还有，从光学特性的观点出发，在微细凹凸格子的凹部的底部及其附近迭层的金属的量越少越好。因此，为了避免在这些部分堆积金属，进而，考虑到在发生堆积的情况下容易进行下述蚀刻(清洗)，最好是采用倾斜迭层法进行金属的迭层。本发明中所谓倾斜迭层法，是在与微细凹凸格子的长度方向垂直相交的平面内，从与树脂基体面的法线形成的角度(入射角)θ为30°以下的方向，最好是从θ为10°到20°的方向开始迭层金属的方法。
本发明的线栅偏振片最好是单位尺寸为100cm2以上。如果采用本发明的线栅偏振片，则可以在树脂基体1上转印形成格子状凸部，在其上迭层电介质层2以及金属线3以进行制作，从而能够得到单位尺寸为100cm2以上的比较大的板状构件。因此，例如在使用于大画面显示器的情况下也能够使接合部分的数目尽可能少。在这种情况下，最好是接合部分采用接合线线宽100nm～100μm，不能够使光线透过的结构。
如上所述，本发明的线栅偏振片在树脂基体1与金属线3之间设置与它们粘合性能良好的电介质层2。因此树脂基体1能够可靠地支持电介质层2，竖立树脂电介质层2。其结果是，能够将金属线的高度做得比较高。利用在树脂基体1上形成的具有非常微细的间距的金属线栅，能够在作为被偏振化的光线区域的几乎全部可见光区域实现99.9％以上的偏振度。在这种情况下，最好是各金属线实质上具有约10cm以上的长度，在金属线的宽度方向上以6×104根/cm以上的密度等间距地在光学上呈大致平行地排列。
(2)获得本发明的具有格子状凸部的树脂基体的方法
本发明的具有格子状凸部的树脂基体的获得方法没有特别限定，但最好是采用本申请人提出的日本特愿2006-2100号申请所述的方法(在本发明中分为方法I与方法II，对其概要进行说明)。
具体地说，作为获得本发明的具有间距为120nm以下的格子状凸部的树脂基体的方法I，最好是：对在表面上具有100nm～100μm间距的凹凸格子的被延伸构件，在使与所述凹凸格子的长度方向(与格子状凸部的格子平行的方向)大致垂直方向的所述被延伸构件的宽度为自由的状态下，在所述长度方向的大致平行的方向上进行自由端单轴延伸加工加以制作。其结果是，得到所述被延伸构件的凹凸格子的凸部的间距缩小、具有间距为120nm以下的微细凹凸格子的树脂基体(延伸加工完成的构件)。凹凸格子的间距设定为100nm～100μm的范围，但是可以根据要求的微细凹凸格子的间距和延伸倍率适当变更。
在这里，所谓被延伸构件，作为本发明使用的树脂构件，有例如上述非晶性热可塑性树脂、结晶性热可塑性树脂构成的板状体、薄膜状体、片状体等透明树脂构件。对于该被延伸构件的厚度和大小等，只要是能够进行单轴延伸处理的范围，没有特别限制。
又，为了得到表面上具有100nm～100μm间距的凹凸格子的被延伸构件，只要使用以采用激光的干涉曝光法和切削方法等形成的，具有100nm～100μm间距的凹凸格子的模具，用热压等方法在被延伸构件上转印该凹凸格子的形状即可。还有，所谓干涉曝光法是利用使特定波长的激光从角度θ’的两个方向照射形成的干涉条纹的曝光方法，通过改变θ’可以得到在使用的激光波长范围内有各种间距的凹凸格子的结构。可以使用于干涉条纹的激光限定于TEM00模式的激光，作为能够产生TEM00模式的激光振荡的紫外线激光器，有例如氩激光器(波长364nm、351nm、333nm)和YAG激光器的4倍波(波长266nm)等。
本发明的单轴延伸处理，是首先在使上述被延伸构件的宽度方向(凹凸格子长度方向的垂直方向)自由的状态下，将所述被延伸构件的凹凸格子的长度方向固定于单轴延伸处理装置上；接着，加热到被延伸构件软化的适当温度，在该状态下保持适当的时间之后，在与所述长度方向大致平行的一方向上以适当的延伸速度进行延伸处理，直到实现与作为目标的微细凹凸格子的间距对应的延伸倍率为止；最后，在保持延伸状态的状态下使被延伸构件冷却到材料硬化的温度，以此得到具有间距为120nm以下的格子状凸部的树脂基体的方法。作为进行这种单轴延伸处理的装置，可以使用进行通常的单轴延伸处理的装置。又，加热条件和冷却条件根据构成被延伸构件的材料适当决定。
又，得到本发明的具有间距为120nm以下的格子状凸部的树脂基体的方法II，是使用表面具有间距为120nm以下的微细凹凸格子的模具，在本发明使用的所述树脂基体的表面上转印微细凹凸格子进行成型的方法。在这里，表面具有间距为120nm以下的微细凹凸格子的模具，可以通过对利用上述方法I得到的具有间距为120nm以下的格子状凸部的树脂基体依序实施导电化处理、电镀处理、树脂材料去除处理进行制作。
如果采用这种方法，则由于使用已经具有间距为120nm以下的格子状凸部的模具，所以可以不经过复杂的延伸工序就能够大量生产本发明使用的具有间距为120nm以下的格子状凸部的树脂基体。而且通过将方法I和方法II适当组合反复使用，也能够从具有比较大的间距的凹凸格子制作比较微细的凹凸格子。
(3)本发明的线栅偏振片的制造方法
在这里，利用附图说明使用上述方法I与方法II制作本发明的线栅偏振片的方法。图2(a)～(c)是说明得到本发明的具有所述凹凸格子的被延伸构件用的方法的说明用的剖面图，图3(a)、(b)是本发明的具有所述凹凸格子的延伸构件的，自由端单轴延伸前后的从上表面观察的俯视图。又，图4(a)～(g)是说明本发明的实施方式的线栅偏振片的制造方法的剖面图。图1是表示利用本发明的制造方法得到的线栅偏振片的一部分的概略剖面图，是图4(g)的放大图。
·获得本发明中使用的具有格子状凸部的树脂基体的工序
准备图2(a)所示的表面具有100nm～100μm间距的凹凸格子4a的模具(压模)4。该压模4利用旋转涂布方法将抗蚀剂材料涂布于玻璃基板上形成抗蚀剂层，对该抗蚀剂层使用干涉曝光方法进行曝光，对抗蚀剂层进行显影。以此得到具有100nm～100μm间距的凹凸格子的抗蚀剂层。接着在抗蚀剂层上溅射镍或铁使抗蚀剂层能够导电。而且在溅射的金属上电镀镍形成镍板。最后从玻璃板上剥离镍板，从镍板上去除抗蚀剂层，借助于此，能够制作表面上具有100nm～100μm间距的凹凸格子的压模4。还有，压模4的制造方法不限于上述方法，也可以使用其他方法。
接着，如图2(a)和图2(b)所示，利用热压等处理方法将压模4的凹凸格子4a一侧按压在被延伸构件5上，在被延伸构件5上转印凹凸格子4a的图案。还有，被延伸构件5在构成的材料为热可塑性树脂的情况下可以利用注射模塑成型或挤压成型等方法制作。于是，一旦取下压模4，如图2(c)所示，就得到具有压模4的凹凸格子4a被转印的凹凸格子5a的被延伸构件5。
接着，对该被延伸构件5实施使宽度方向自由的自由端单轴延伸处理。即如图3(a)所示，使被延伸构件5在箭头方向(与凹凸格子5a的长度方向大致平行的方向)上自由端单轴延伸。这时，进行加热直到达到构成被延伸构件5的材料的软化温度为止，在与微细凹凸格子5a的长度方向大致平行的方向上使被延伸构件5大致延伸，保持延伸状态对被延伸构件5进行冷却，冷却到所述材料固化的温度为止。还有，加热温度和冷却温度根据构成被延伸构件2的材料适当设定。
借助于这种自由端单轴延伸处理，被延伸构件5在箭头方向上长度变长，与此相应宽度方向缩小。借助于此，如图3(b)所示，能够得到具有120nm水平或以下的间距的格子状凸部5a’的被延伸构件(延伸完成的构件)5’(图4(a))。还有，延伸倍率根据准备的被延伸构件的凹凸格子的间距和需要的延伸完成的构件的微细凹凸格子的间距适当设定。
接着，利用该延伸完成的构件5’得到金属模具6。具体地说，首先在图4(a)所示的延伸完成的构件5’的具有格子状凸部5a’那一侧的表面上，利用例如蒸镀法、溅射法、非电解镀层的方法等形成金属膜，使其具有导电能力。接着在该已经能够导电的表面上利用电镀方法等形成金属层，如图4(b)所示，在延伸完成的构件5’上形成金属模具6。金属层的厚度没有特别限制，可以根据金属模具6的用途适当设定。
最后，通过从模具6上去除延伸完成的构件5’，如图4(c)所示，可以得到具有间距为120nm水平或以下的格子状凸部6a的金属模具6。作为从金属模具6上去除延伸完成的构件5’的方法，可以采用从延伸完成的构件5’上用物理方法剥离金属模具6的方法、以及采用只能溶解构成延伸完成的构件5’的材料的溶剂进行化学剥离的方法等。
用这样的方法得到的模具6具有间距为120nm水平或以下的格子状凸部6a，因此将其作为所述方法II的模具(主模具)，如图4(d)所示，通过将该金属模具6(主模具)按压在例如树脂基体上转印格子状凸部，可以得到本发明中使用的、具有间距为120nm水平或以下的格子状凸部1a的树脂基体1。考虑在树脂基体的表面上形成具有格子状凸部的结构的容易程度，最好是在将紫外线固化树脂涂布于主模具上之后，对其进行紫外线照射使其固化以进行脱模，或在将热固化树脂涂布于主模具上之后对其进行加热固化然后进行脱模，以此转印格子状凸部。
·在具有格子状凸部的树脂基体上形成电介质层的工序
接着如图4(e)所示，以电介质覆盖树脂基体1的格子状凸部1a及其侧面的至少一部分，形成电介质层2。例如利用溅射方法将二氧化硅以2nm～200nm的厚度覆盖于树脂基体1的格子状凸部1a及其侧面的至少一部分上即可。这时，与格子状凸部的侧面和格子状凸部之间的凹部相比，电介质层在格子状凸部1a的凸部上形成得比较厚。在电介质层的形成中，最好是修正为格子状凸部上部的宽度比下部大的切去下部的形状。这样可以高效率地在电介质层2上形成金属线。作为这样的形状修正方法，可以使用逆溅射法等。
·在电介质层上迭层金属线的工序
接着如图4(f)所示，在覆盖于具有格子状凸部的树脂基体1上的电介质层2上迭层金属。例如利用真空蒸镀方法将Al9迭层形成平均厚度为120nm～220nm的Al层即可。这时，与被电介质覆盖的格子状凸部的侧面和格子状凸部之间的凹部相比，Al9选择性地主要在格子状凸部的上面迭层。又，可以利用倾斜迭层法，使金属不堆积于电介质覆盖的格子状凸部1a之间的凹部、凸部的一侧侧面区域(如图中的虚线箭头)。在这种倾斜迭层法中，特别考虑格子状凸部1a之间的区域的深度，减少附着于该部分的Al量，如果考虑到使蚀刻更容易进行，则最好是在与所述格子状凸部的格子的长度方向垂直相交的平面内，从与树脂基体面的法线形成的角度θ为30°以下(例如10°～20°)的方向开始迭层金属从而形成金属线。
·去除附着于微细凹凸格子上的不需要的金属的工序
接着，根据需要用例如酸或碱蚀刻剂进行湿式蚀刻。可以去除上述格子状凸部之间的凹部区域的Al9等附着物，或消除金属线的凸部之间的接触，或将金属线的剖面形状修正为上述合适范围。
借助于这样的工序，能够得到如图4(g)或图1所示的，具有迄今为止未能实现的间距为120nm水平或以下的线栅偏振片。
如果采用本发明的线栅偏振片的制造方法，则与使用光刻法进行制作的方法相比，由于能够用在树脂基体上转印格子状凸部、在其上覆盖电介质层并且迭层金属线的，比较简单的工序制作，因此能够得到其单位尺寸为100cm2的比较大的线栅偏振片。
下面对本发明的线栅偏振片用于液晶装置的情况进行说明。图5表示使用了本发明实施方式的线栅偏振片的液晶显示装置中的一种。
图5所示的液晶显示装置主要由发光的背光照明装置11、配置于该照明装置11上的线栅偏振片12、配置于该线栅偏振片12上的液晶面板132、以及偏振片133构成。也就是说，本发明的线栅偏振片12配置于液晶面板132与照明装置11之间。
液晶面板132是透射式液晶面板，在玻璃或透明树脂基板之间夹着液晶材料等构成。还有，对于在图5的液晶显示装置中通常使用的偏振片保护膜、相位差膜、漫射板、取向膜、透明电极、滤色镜等各种光学元件的说明省略。
在这样的结构的液晶显示装置中，从照明装置11射出的光线从线栅偏振片12的树脂基体1的基部一侧入射，从金属线侧通过液晶面板132向外界射出(图中的箭头方向)。在这种情况下，线栅偏振片12在可见光区域发挥优异的偏振度，因此能够得到高对比度显示。又，在要求更高的对比度的情况下，为了防止从偏振片133的外侧、即与照明装置11相反的方向入射的(外)光透过液晶面板132，受到线栅偏振片12反射，再度返回液晶面板132外侧这样的情况发生，最好是在线栅偏振片12与液晶面板132之间将使用碘等二色性色素的吸收型偏振片131与线栅偏振片12偏振轴一致地插入。在这种情况下，吸收型的偏振片最好是透射率高的偏振片，也可以是偏振度低的偏振片。
本发明的线栅偏振片也可以用作投射式液晶显示装置的偏振片。投射式液晶显示装置主要由光源、对来自该光源的光线进行偏振分离的线栅偏振片、使由该偏振片产生偏振的光线透射或反射的液晶显示元件、以及使透过该液晶显示元件或被其反射的光线投射到屏幕上的投射光学系统构成。也就是说，本发明的线栅偏振片配置于光源与液晶显示元件之间。
下面对为了明确本发明的效果而进行的实施例进行说明。
具有格子状凸部的树脂基体的制作
·转印凹凸格子形状的COP板的制作
准备表面具有间距为230nm、凹凸格子的高度为230nm的凹凸格子的镍压模。该凹凸格子是通过使用了激光干涉曝光方法的图案形成而制作的，其剖面形状为正弦波形状，从上面观察的形状为条纹状格子形状。又，其平面尺寸为纵横都是500mm。使用该镍压模利用热压方法在厚0.5mm、纵横分别为520mm的环烯烃树脂(以下简称为COP)板的表面上转印凹凸格子形状，制作转印了凹凸格子形状的COP板。该COP的玻璃化温度(Tg)为105℃。
具体地说，热压如下所述进行。首先将加压机系统内抽真空，将镍压模以及COP板加热到190℃。在该镍压模以及COP板达到190℃后，以2MPa的压力、加压时间4分钟的条件将镍压模的凹凸格子转印在COP板上。而且保持2MPa的压力不变将镍压模和COP板冷却到40℃，然后消除真空，接着释放压力。在释放压力时很容易地使镍模和COP板脱模。用场致发射型扫描电子显微镜(以下简称FE-SEM)观察转印了凹凸格子形状的COP板的表面形状，可以确认镍压模的凹凸格子形状被忠实地转印。
·借助于延伸缩小间距
接着，将该转印了凹凸格子形状的COP板切出520mm×460mm的长方形，将其作为被延伸构件、即延伸用COP板。切出时使得520mm×460mm的长度方向(520mm)与凹凸格子的长度方向大致相互平行。
接着在该延伸用COP板的表面上利用喷雾方法涂布硅油，在约80℃的循环式空气烤箱中放置30分钟。接着，用延伸机的扣件固定延伸用COP板的长度方向的两端10mm，在该状态下在温度调节为113±1℃的循环式空气烤箱中将延伸用COP板放置10分钟。其后以250mm/分的速度进行拉伸，至扣件之间的间距延伸5倍时停止拉伸，在20秒钟后将延伸后的COP板(延伸完成的COP板)取出置于室温环境中，维持扣件之间的间距不变进行冷却。该延伸两端COP板的中央部分的约40％发生基本均匀的中间变细，宽度缩小最多的地方变成200mm。同法，仅仅改变扣件之间的间距，使其延伸为3.5倍、2.5倍时，延伸后的COP板中央部的最小宽度分别为240mm、280mm。
利用FE-SEM观察所述三种延伸后的COP板的表面与断面，可以看出微细凹凸格子的间距与高度分别为100nm/95nm(间距/高度)、120nm/113nm、140nm/133nm，其断面形状为正弦波状，从上面观察的形状为条纹状格子的形状，实质上与延伸前的凹凸格子形状相似但有缩小。
·对镍压模的制作
在得到的100nm间距、120nm间距、以及140nm间距的延伸后的COP板表面，分别通过溅射覆盖30nm的铁作为导电化处理，其后分别电镀镍，制成厚度0.3mm、格子的长度方向(以下称为纵向)为300mm、与格子长度方向相垂直的方向(以下称为横向)为180mm的镍压模。
·使用了紫外线固化树脂的格子状凸部转印薄膜的制成
在厚度0.1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂薄膜(以下称为PET薄膜)上涂布约0.03mm的紫外线固化树脂(スリ一ボンド株式会社制造的TB3078D、折射率1.41)，使涂布面向下，为了不让空气进入镍压模与薄膜之间，分别从端部放置在具有上述100nm间距、120nm间距、以及140nm间距的微细凹凸格子的镍压模上，从PET薄膜一侧用中心波长为365nm的紫外灯以1000mJ/cm2照射紫外线，转印镍压模的微细凹凸格子。接着，从镍压模上剥离PET薄膜后，在氮的环境下对PET薄膜以500mJ/cm2照射紫外线，使PET薄膜上的紫外线固化树脂的未固化成份固化，制成转印了纵向300mm、横向180mm的微细格子的薄膜(以下称为格子状凸部转印薄膜)。用FE-SEM观察格子状凸部转印薄膜的剖面，求出格子状凸部转印薄膜的凸部高度H1。将其结果示于表1。图6(a)是格子状凸部转印薄膜的断面的代表性SEM图像。
将利用上述方法得到的格子状凸部转印薄膜用作本发明的具有格子状凸部的树脂基体。
线栅偏振片的制作：实施例1～6
·用溅射方法形成电介质层
用溅射方法在利用上述方法制造的具有3种间距的格子状凸部转印薄膜上形成电介质层。在本实施例中，对使用氮化硅或氧化硅作为电介质的情况进行说明。以0.67Pa的氩气压力、4W/cm2的溅射功率、0.22nm/s的覆盖速度覆盖电介质。作为层厚比较用的样品，将表面平滑的玻璃基板与格子状凸部转印薄膜同时插入装置中进行成膜，使平滑玻璃基板上的电介质迭层厚度为20nm。用FE-SEM对覆盖电介质的格子状凸部转印薄膜的剖面进行观察，求出高低差H2。用分光椭圆偏振计求出电介质以及B领域的折射率。其结果一起记于表1。图6(b)是电介质层形成后的格子状凸部转印薄膜(以下称为迭层电介质的格子状凸部转印薄膜)的剖面的代表性SEM像。
用真空蒸镀法蒸镀金属
在具有三种间距的格子状凸部转印薄膜上形成电介质层后，用电子束真空蒸镀法(EB蒸镀法)形成金属线。在本实施例中，对采用铝作为金属的情况进行说明。在真空度为2.5×10-3Pa的条件下以4nm/s的蒸镀速度在常温下进Al的蒸镀。作为层厚比较用的样品，将表面平滑的玻璃基板与迭层电介质的格子状凸部转印薄膜同时插入装置进行蒸镀，在平滑基板上蒸镀Al层的厚度为200nm。在实施例1～5中，在与格子的长度方向垂直相交的平面内基体面的法线与蒸镀源构成的角度θ采用10°，仅在实施例6中采用20°。
·利用蚀刻方法去除不需要的金属
在将电介质以及Al迭层于具有三种间距的格子状凸部转印薄膜上之后，在室温下的0.1重量％的氢氧化钠水溶液中，，在30秒～90秒的处理时间内每经过10秒钟，改变处理时间，对薄膜进行清洗(蚀刻)，然后立即水洗使蚀刻停止。在使薄膜干燥之后测定对于550nm波长的光线的偏振度和光线透射率，选择偏振度为99.95％以上、显示出最大透射率的薄膜(但是对于实施例2选择偏振度99.99％以上、显示出最大透射率的薄膜)作为本发明的线栅偏振片。线栅偏振片的大小为纵向300mm、横向180mm。用FE-SEM对三种线栅偏振片的剖面进行观察，测定格子状凸部的间距、迭层的铝的高度、以及宽度。其结果一起记录于表1。图6(c)是得到的线栅偏振片的剖面的代表性SEM像。从图6(c)可知，在树脂基体(紫外线固化树脂)1上形成了电介质层2，在电介质层2上形成了金属线(Al)3。对成的线栅偏振片进行偏振性能评价。其结果示于表1、图8、图9。
作为比较例1在格子状凸部转印薄膜上不迭层电介质，除此以外，与上述实施例一样，进行铝的蒸镀，在0.1重量％的氢氧化钠水溶液中进行60秒钟的清洗。在这种情况下，虽然存在发挥偏振性能所需要的Al线，但是Al线有部分从基体的格子状凸部剥离，不能够制造出可以评价的线栅偏振片。
作为比较例2，使用市售的将玻璃基板作为基材的线栅偏振片(MOXTEK Inc.生产的ProFlux Polarizer PPL03C(通用))。
作为比较例3，与比较例2同样，使用市售的将玻璃基板作为基材的线栅偏振片，将其在0.1重量％的氢氧化钠水溶液中蚀刻20秒钟，然后立即水洗使蚀刻停止，使其干燥。
用FE-SEM对这些线栅偏振片的剖面进行观察，测定格子状凸部的间距、金属线的高度、以及宽度。其结果一起记录于表1。比较例2的线栅偏振片剖面的SEM图像示于图7。从图7可知，玻璃基板上形成了金属线(Al)。对于这些线栅偏振片，与实施例一样进行偏振性能评价。其结果一起记录于表1、图8、图9。
(利用分光光度计进行偏振性能评价)
对于得到的实施例和比较例的线栅偏振片，用分光光度计测定偏振度和光线透射率。在这里，测定对于线偏振的平行尼科尔、正交尼科尔状态的透射光强度，利用下述公式计算偏振度、光线透射率。又，测定波长区域作为可视光采用400nm～800nm。图8表示从400nm～800nm的偏振度的变化，图9表示从400nm～800nm的光线透射率变化。
偏振度＝[(Imax-Imin)/(Imax+Imin)]×100％
光线透射率＝[(Imax+Imin)/2]×100％
在这里，Imax是平行尼科尔时的透射光强，Imin是正交尼科尔时的透射光强。
从图8可知，本发明的线栅偏振片(实施例1、2、3、5)在可见光的几乎全部区域表示出优异的偏振度。又，从图9可知，本发明的线栅偏振片在可见光的几乎全部区域表现出优异的光线透射率。另一方面，如图8所示，比较例的线栅偏振片在可见光区域的短波长侧偏振度低。由此，可知本发明的线栅偏振片具有微细凹凸格子，结构上没有限制，而且在可见光区域的宽带域兼具优异的偏振度和透射率。
表1
  电介质层的材质*1  区域B的平均折射率   P[nm]   H1[nm]   H2[nm]   H3[nm]   W3[nm]   偏振度[％]*2   透射率[％]*2
 实施例1   氮化硅  1.59   140   128   165   153   67   99.96   42
 实施例2   氮化硅  1.59   140   128   165   180   69   99.99   38
 实施例3   氮化硅  1.56   120   110   141   151   54   99.97   43
 实施例4   氮化硅  1.24   120   110   155   153   54   99.97   41
 实施例5   氮化硅  1.56*3   100   92   128   145   45   99.99   43
 实施例6   氮化硅   120   110   144   152   54   99.97   41
 比较例1   无   120   110   -   无法制作   无法制作   -   -
 比较例2   -   144   -   -   180   70   99.89   44
 比较例3   144   -   -   150   68   99.40   47
*1氧化硅的折射率：1.49、氮化硅的折射率：2.05
*2偏光度、光线透过率是对于550nm的波长的值
由于在凸部侧蒸镀了铝，所以这里是蒸镀铝前的B区域的折射率。
如果采用本发明，由于具备具有格子状凸部的树脂基体、设置成覆盖着上述树脂基体的格子状凸部及其侧面的至少一部分的电介质层、以及设置于所示电介质层上的金属线，因此在树脂基体、电介质层以及金属线之间有足够大的粘合力，能够得到在可见光区域的宽带域兼具优异的偏振度和透射率的线栅偏振片。又，能够得到间距在120nm以下的线栅偏振片，而且能够实现优异的偏振度和透射率。又，能够容易地制造出100cm2以上的大面积的线栅偏振片。
本发明不限于上述实施方式，而可以有各种变化。例如上述实施方式中的尺寸、材料等只是例示，可以适当变化实施。又，对于上述实施方式中的偏振片，不一定是板状的构件，根据需要也可以是片状、薄膜状。虽然在上述实施方式中，对将线栅偏振片用于液晶显示装置的情况进行了说明，但是本发明同样可以用于需要偏振的液晶显示装置以外的装置等。此外，只要不脱离本发明的范围可以适当地变更实施。
本申请是以2005年10月17日申请的日本特愿2005-301883号、2005年10月17日申请的特愿2005-301884号、2006年8月30日申请的特愿2006-232967号、、以及2006年8月30日申请的特愿2006-232968号申请为基础的申请。上述这些申请的内容全部包含于此。

Claims (21)

1.一种具有微细凹凸格子的线栅偏振片，其特征在于，具备：
具有格子状凸部的树脂基体、设置成覆盖着所述树脂基体的格子状凸部及其侧面的至少一部分的电介质层、以及设置在覆盖树脂基体的格子状凸部的峰部的电介质层的凸部上的金属线，其中，格子状凸部的间距小于等于150nm、高度为间距的0.5-2倍，电介质层覆盖树脂基体的格子状凸部形成的凹凸格子的凸部的峰部与凹部的谷部的高度差为100nm～300nm，且电介质层由与树脂以及金属之间的粘合性强的材料构成。
2.根据权利要求1所述的线栅偏振片，其特征在于，所述金属线偏向所述电介质层的凸部的一个侧面迭层。
3.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，所述电介质层覆盖所述具有格子状凸部的树脂基体的全部表面。
4.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，上述电介质层在树脂基体的格子状凸部的覆盖厚度为2nm至200nm。
5.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，包含位于所述格子状凸部的顶部上方的电介质层的区域的折射率比所述树脂基体的折射率高。
6.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，所述电介质层的折射率比所述树脂基体的折射率高。
7.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，所述树脂基体的格子状凸部的间距小于等于120nm。
8.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，所述电介质层由硅的氧化物、氮化物、卤化物、碳化物的单体或其复合物以及铝、铬、钇、锆、钽、钛、钡、铟、锡、锌、镁、钙、铈、铜的氧化物、氮化物、卤化物、碳化物的单体或它们的复合物构成。
9.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，所述金属线由包含铝或其合金的金属构成。
10.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，所述金属线偏向所述电介质层的一个侧面设置。
11.根据权利要求1或2所述的线栅偏振片，其特征在于，作为无结合线部分的面积的单位尺寸为100cm2以上。
12.一种液晶显示装置，其特征在于，具备：
液晶面板、对所述液晶面板照射光线的照明装置、以及配置于所述液晶面板与所述照明装置之间的，根据权利要求1或2所述的线栅偏振片。
13.根据权利要求12所述的液晶显示装置，其特征在于，所述液晶面板是透射型液晶面板。
14.一种投射型液晶显示装置，其特征在于，具备：
光源、使来自所述光源的光线偏振分离的权利要求1或2所述的线栅偏振片、使由所述偏振片起偏振的光线透射或反射的液晶显示元件、以及使被所述液晶显示元件透过或反射的光线投射于屏幕上的投射光学系统。
15.一种具有微细凹凸格子的线栅偏振片的制造方法，其特征在于，所述方法由以下工序构成：
获得具有格子状凸部的树脂基体的工序，其中，所述格子状凸部的间距小于等于150nm，高度为间距的0.5-2倍；
接着，在包含所述树脂基体的格子状凸部的区域上形成电介质层的工序，其中，电介质层覆盖树脂基体的格子状凸部形成的凹凸格子的凸部的峰部与凹部的谷部的高度差为100nm～300nm，且电介质层由与树脂以及金属之间的粘合性强的材料构成；
然后，形成金属线的工序，所述金属线设置在覆盖树脂基体的格子状凸部的峰部的电介质层的凸部上。
16.根据权利要求15所述的线栅偏振片的制造方法，其特征在于，所述电介质层通过溅射法形成，且所述金属线通过真空蒸镀法形成。
17.根据权利要求15或16所述的线栅偏振片的制造方法，其特征在于，所述树脂基体的格子状凸部的形状，是通过在使与所述凹凸格子的长度方向大致垂直方向上的所述被延伸构件的宽度为任意宽度的状态下，将在表面上具有100nm到100μm间距的凹凸格子的被延伸构件在与所述长度方向大致平行的方向上进行单轴延伸加工加以制作。
18.根据权利要求15所述的线栅偏振片的制造方法，其特征在于，所述树脂基体的格子状凸部的形状，是通过在使与所述凹凸格子的长度方向大致垂直方向上的所述被延伸构件的宽度为任意宽度的状态下，对在表面上具有100nm到100μm间距的凹凸格子的被延伸构件，在与所述长度方向大致平行的方向上进行单轴延伸加工，以此制作得到具有微细凹凸格子形状的模具，并利用所制作的这种具有微细凹凸格子形状的模具，在树脂基体上通过转印对微细凹凸格子形状进行赋形。
19.根据权利要求16所述的线栅偏振片的制造方法，其特征在于，所述树脂状基体的格子状凸部的形状，是通过在使与所述凹凸格子的长度方向大致垂直方向上的所述被延伸构件的宽度为任意宽度的状态下，对在表面上具有100nm到100μm间距的凹凸格子的被延伸构件，在与所述长度方向大致平行的方向上进行单轴延伸加工，以此制作得到具有微细凹凸格子形状的模具，并利用所制作的这种具有微细凹凸格子形状的模具，在树脂基体上通过转印对微细凹凸格子形状进行赋形。
20.根据权利要求15或16所述的线栅偏振片的制造方法，其特征在于，在所述金属线的形成工序中，在与所述格子状凸部的格子的长度方向垂直相交的平面内，从由树脂基体面的法线与蒸镀源构成的角度为30°以下的方向开始将金属迭层，形成金属线。
21.根据权利要求18或19所述的线栅偏振片的制造方法，其特征在于，在所述金属线的形成工序中，在与所述格子状凸部的格子的长度方向垂直相交的平面内，从由树脂基体面的法线与蒸镀源构成的角度为30°以下的方向开始将金属迭层，形成金属线。
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