JP2005321611A

JP2005321611A - 位相差素子

Info

Publication number: JP2005321611A
Application number: JP2004139536A
Authority: JP
Inventors: Kenji Iida; 健二飯田; Shiro Shichijo; 司朗七条
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【目的】液晶ディスプレイや有機ELディスプレイの高精細化、及び光通信デバイスの小型化や低コスト化を実現し、且つこれらの長期信頼性を確保するため、所望の波長の極決まったバンド幅において自在に位相を変化できる位相差素子であって、さらには高い耐熱性を有した位相差フィルムを提供する。
【構成】フッ素化ポリイミドフィルム表面に、転写成形法や印刷法により光の波長程度の周期の周期凹凸構造を形成し、これを位相差素子として用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、所望の波長の光の位相差を変化でき、且つ波長に依存してその位相差の変化度合いを変化できる位相差素子である。

近年、高精細且つ大画面の液晶ディスプレイの薄型化や低コスト化が進んでいる。これは各事業所や飲食店、さらには各家庭においても従来のブラウン管テレビに代わって、薄型で省スペースでありながら、高精細で大画面の液晶ディスプレイへの需要が高まっているためである。このような薄型化と低コスト化を実現する液晶ディスプレイには、多種多様な技術が使われている。その中の中核の一つが、偏光フィルムや位相差フィルム、λ/4波長板などの位相差機能を有する高機能フィルムである。現在、偏光フィルムや位相差フィルムにはポリビニルアルコールやポリカーボネートなどのポリマー延伸フィルムが主に用いられている。λ/4波長板にも同様にポリマー延伸フィルムが用いられることもあるが、PETフィルム上に無機多層膜がスパッタされたフィルムが主に使われる。このように薄くて軽く、さらにはロールツーロールで生産が可能な位相差機能を有した高機能フィルムによって、液晶ディスプレイの薄型化及び低コスト化が進んだと言える。

しかしながらポリマー延伸タイプの位相差フィルムでは、延伸するポリマー材によって複屈折値が決まってしまい、つまりは位相変化できる値は波長に依存して決まってしまう。これは一般的に、位相差Re=(Nx−Ny)×d=ΔN×d（Nx：ポリマー延伸方向に平行な方向の屈折率、Ny：ポリマー延伸方向に面内垂直な方向の屈折率、d：光路長）と記述されるため、光路長を一定とすれば位相差Reは材料の複屈折ΔNに依存してしまうためである（例えば、非特許文献１：技術情報協会出版「光学用透明樹脂」参考）。液晶ディスプレイを製造するときには、使用する液晶材料やディスプレイの輝度ムラ、色ムラなどに合わせて位相差を設計しなければならないが、そのつどに所望のポリマー材料を開発しなくてはならなく手間もかかり開発コストもかさむ。またポリマー延伸タイプの位相差フィルムでは原理的に長波長になると位相差が減少し、短波長になると位相差が増加することが知られている（負の波長依存性）。これを改善するために、逆に長波長になると位相差が増加し、短波長になると位相差が減少するポリマー材の開発もされている（正の波長依存性）（例えば特許文献１）。しかしながら結局これらの事実は、ある特定波長の位相差を特異的に変化させることが難しいことを示している。つまりは、例えば液晶ディスプレイにおいて所望の波長の色彩度を狭い波長域でコントロールすることができないことを示す。

今後の液晶ディスプレイや場合によっては有機ELディスプレイなどにおいて、所望の波長の位相差をコントロールすることで、色コントラストを最適化することが必要であると考えられるが、ポリマー延伸タイプの位相差フィルムでは技術的に困難である。また、液晶ディスプレイを自動車用途や室外環境下で使用する場合、高温下での寸法安定性や位相差安定性が必要であったりするが、ポリビニルアルコールやポリカーボネイトといった材料では耐熱性が悪く、長期信頼性といった観点からは好ましくない。これを改善するために特許文献２や特許文献３、特許文献４、特許文献５などでは、フィルム作製時に膨潤処理や熱処理をしたり、または化合物を添加することで寸法安定性や位相差安定性、透過度、偏光度などを向上させている。しかしながらこれらの技術を用いても温度40〜90℃の耐熱試験によって、寸法変化率で1〜5%、位相差変化率で〜1%、透過度や偏光度においても〜1%程度の変化が認められており、厳密な意味で長期信頼性が得られているとは言い難い。

一方で、近年の情報通信量の増大と通信コストの低減化に伴って、光通信デバイスの多様化、低コスト化が進んでいる。高密度波長多重伝送（DWDM）システムにおいてはAWG（Arrayed Waveguide Grating）や光アイソレータ、サーキュレータなどの高機能デバイスが使われ、これらを低コストに提供する方法が盛んに研究されている。これらのデバイスには波長フィルターや偏波補正、戻り光のカットなどのために、ファイバーブラッググレーティング（FBG）や偏光板、位相差板などの機能性光学部品が使われている。FBGは一般的に、ガラス製の光ファイバーにレリーフ型、または屈折率分布型の回折格子が形成された形をしており、現在では消光比＝−30dBにも到達する高機能なFBGが実現されている。しかしながら、高い消光比を達成するには原理的に長周期の回折格子が均一に形成されることが必要であり、技術的なハードルが高いことやデバイスの大きさが大きくなってしまうといった問題がある。また、カットしたい波長幅（バンド幅）を広くしようとすると、一般的に周期分散した回折格子（チャープ回折格子）を均一に形成することが必要となり、同様に技術面とデバイスサイズでの問題が発生する。また、回折格子の形成には精密な位置制御と光制御技術が必要であり、作製コストもかかり低コスト化に向かない。一方で、光アイソレータやサーキュレータ、光導波路などには戻り光カットや偏波補正のために偏光板や位相差板などが使用されている。しかしながらこれらの偏光板や位相差板には、一般的に高価な非線形光学結晶が使われている。一部では液晶ディスプレイと同様に、ポリマーの偏光フィルムや位相差フィルムが適用されているが（特開平7-92326）、先の液晶ディスプレイの場合と同様に、ポリマー材料によって位相差や波長範囲などが限定されてしまうため、所望の波長範囲で所望の位相差を得るような偏光フィルムや位相差フィルムなどを作製するには適していない。
特開2003−292639 特開平6−194519 特開平6−313808 特開平7−92320 特開平10-268132 特開平7-92326 技術情報協会出版「光学用透明樹脂」2001年発行 129頁

液晶ディスプレイや有機ELディスプレイのような次世代ディスプレイの高精度・高精細化を実現するには、所望の波長で所望の位相差が得られるような位相差素子の開発が必須であるが、しかしながら現状のポリマー材料の改良のみでは原理的に実現が難しいといった問題や、材料開発に大幅なコストがかかるといった問題があった。また現在、偏光フィルムや位相差フィルムに主に使用されているポリビニルアルコール系やポリカーボネイト系の材料では耐熱性が低く、長期信頼性といった点で不安があった。また、光通信デバイス用に使われる波長フィルターや偏光板、位相差板などでは、高額なガラス微細加工品や非線形光学結晶などが使われるため、光通信デバイスの低コスト化が難しいといった問題があった。

本発明の目的は、次世代の液晶ディスプレイや低コストな光通信デバイス用として、所望の波長の光の位相を変化でき、且つ波長に依存してその変化度合いを変えられる位相差板であり、さらには高耐熱性を有し、低コスト化・量産化も可能とする位相差素子を提供することである。

本発明は、光の波長範囲の周期をもつ周期構造が形成され、周期構造に垂直方向に透過する光に対して前記周期と同じ波長で最大の位相差を付与する位相差素子である。
これにより透過する光の波長が、前記周期構造の周期程度のときに位相変化が最大となる。本発明に従えば、透明であれば素子材料に依存せずに所望の波長で所望の光の位相差を付与することが可能となる。複屈折が小さいかゼロである光学的にほぼ等方性の材料を用いることもできる。また高耐熱性の材料を用いることもできる。この周期構造は素子表面に周期凹凸として形成することが、製造しやすく好ましい。また素子の形状はフィルム状であることが取り扱いやすく好ましい。素子材料としてフッ素化ポリイミドを用いることは高い耐熱性を有した高透明な位相差フィルムを作製することができるため好ましい。

本発明に従えば、選択的に狭い波長範囲で位相差を変えることができ、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの高精細化ができる。また、光通信デバイスに使用されるFBGなどのような波長フィルターとしても使うことができ、フィルムの場合その厚み方向に使用するためデバイスサイズの小型化も可能となる。選択波長は素子に形成された周期構造の周期で決まるので、任意の波長に対応して各周期の素子を揃えることができる。これらの位相差素子を選択してディスプレイの前面に設けると、好みに応じて色合いを変えることができる。

材料にフッ素化ポリイミドを用いることにより自動車内や室外環境下における寸法安定性や位相差安定性が確保でき、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ、光通信デバイスなどの長期信頼性を確保することが可能となる。

さらに本発明の位相差素子を用いれば、所望の波長の位相差を付与したり、狭い波長範囲でその位相変化を極大化することが可能となる上に、材料の選択幅が広がるので耐熱性を有した位相差素子を低コストに作製することが可能となる。従って、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイにおいては新たなポリマー材料を開発しなくても色彩度を自由にコントロールできるようになり、高精細化と開発コストの低減が望める。また、光通信デバイスにおいては所望の波長範囲で所望の位相差が得られるような位相差素子が実現できたり、所望の波長の極狭いバンド幅でフィルタリングができるFBGのような波長フィルターを、フィルム厚み方向で実現できるので、光通信デバイスの低コスト化と小型化が可能となる。また、耐熱性が高い透明材料を用いることにより自動車内や室外環境下での長期信頼性も確保でき、転写成形技術や印刷技術で作製するので低コスト化や量産化も容易となる。

本発明によれば、所望の波長の光の位相を変化でき、波長に依存して変化度合いを変えられる位相差素子が提供される。これにより素子材料の選択幅が広がり高耐熱性の材料を用いることにより高温での使用も可能となる。

本発明者らは、転写成形技術を用いてフッ素化ポリイミドフィルム表面に周期500nmのレリーフ型の周期凹凸構造を作製し、面に垂直方向から光を入射してそのフィルムの偏光透過率測定を行ったところ、周期凹凸構造の溝が形成された方向に面内垂直な成分と面内平行な成分で透過率が変化することを見出し、さらにはその変化率がちょうど周期凹凸構造の周期程度で最大となることを発見した。凹凸の深さは特に限定されないが0.1μｍ〜10μｍが適当である。

周期凹凸構造を有したフッ素化ポリイミドフィルムの作製方法は、金型を用いた転写成形技術、例えば射出成形法やホットエンボス法、ナノインプリント法、ローラーインプリント法、光インプリント法、剥離層法、石英転写法、シリコン転写法などを用いて大量且つ低コストに作製することができる。また、インクジェット法やスクリーン印刷、オフセット印刷、凸版印刷、グラビア印刷などの印刷法を用いてフッ素化ポリイミドフィルム表面に周期凸凹形状を形成することで作製することもできる。これらの製法により低コストに提供することができ、高精細な液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ、さらには光通信デバイスの低コスト化が可能となる。

耐熱性を要しない場合には、フィルム材料は特にフッ素化ポリイミドのみに限定するものではなく、透明なエポキシ樹脂やPET樹脂、PMMA、ポリカーボネイト、環状オレフィンコポリマーなども使用可能である。

本発明において、転写成形法や印刷法によって所定の周期の回折格子を有したフィルムを作製することにより、所望の波長での位相差を付与することができ、これによって液晶ディスプレイや有機ELディスプレイの色彩度を狭い波長範囲に制御することが可能となり、つまりはディスプレイの高精細化が低コストな手段で可能となる。

またこの位相差フィルムは波長フィルタとしても機能する。したがって光通信デバイスにおいては、波長フィルターのために使われているFBGや、位相差素子として使われている非線形光学結晶に代わって使用することもできるので、低コスト化と省スペース化が可能となる。またフッ素化ポリイミドといった高透明で耐熱性が高いポリマー材を用いることで、長期信頼性も確保できる。

本発明の実施例として、フッ素化ポリイミドフィルム表面に周期500nmで凹凸深さ0.2μmのレリーフ型周期凹凸構造を形成した例を示す。図１に転写型の作製方法を示す。まず、表面に70nm程度の熱酸化によるシリコン酸化膜１が形成されたシリコン基板２表面にレジスト３をスピンコートし（図１(a)）、２光束干渉法によって周期500nmの周期凹凸構造のレジストパターンを形成する（図１(b)）。次に、フッ酸水溶液で熱酸化膜をエッチングし、レジストパターンと同様の形状を形成する（図１(c)）。レジストをアセトン溶媒などで剥離した後(図１(d))、シリコン表面に形成されたシリコン酸化膜１をマスクとして、シリコンをKOH溶液などでエッチング加工する（図１(e)）。その後、マスクである酸化シリコン膜をフッ酸水溶液で剥離した後に（図１(f)）、加工したシリコン基板を1000℃・30分焼成することで表面にシリコン熱酸化膜４を形成したものをシリコン転写型5とした（図１(g)）。このシリコン転写型5の表面にアミド酸の状態のフッ素化ポリイミド溶液をスピンコートし、これを300℃以上の高温で乾燥することでイミド化した（図２(a)）。次にシリコン転写型ごと70℃の温水7に10分浸漬することで、シリコン転写型5よりフッ素化ポリイミドフィルム6を離型した（図２(b)）。このようにして表面に周期500nmのレリーフ型周期凹凸構造が形成されたフッ素化ポリイミドフィルム6が得られた（図２(c)）。図３に実際に成形した周期凹凸構造を有したフッ素化ポリイミドフィルムの表面段差形状の測定結果を示す。

作製したフッ素化ポリイミドフィルムのクロスニコル偏光顕微鏡観察結果を図４に示す。観察方法は図５に示すように、周期凹凸構造の溝方向が上部の偏光子の偏光方向に平行な場合を角度θ＝0°、垂直な場合を角度θ＝90°とした。その結果、図４のように角度θが0°と90°の場合には光は透過されず暗く見えるが、45°の場合には光が透過されて明るく見えることが分かった。表面が平坦な周期凹凸のないフッ素化ポリイミドフィルムをクロスニコル偏光観察した場合では、角度θ＝0°〜90°の範囲で全て暗く見えることから、フィルム表面に周期凹凸構造が形成されたことで複屈折が生じたことを示す。さらにクロスニコル偏光観察下での光の透過度の波長依存性を図６に示す。角度θ＝0°、90°のときは平坦なフッ素化ポリイミドフィルムの透過度変化とほとんど変らないが、角度θ＝45°のときは波長がちょうど周期凹凸構造の周期程度で極大値をとることがわかった。このことは所望の波長で且つ一定のバンド幅で、位相差を制御することができることを示す。さらに図７のように、周期凹凸構造に対してTE偏光、TM偏光光を入射しその透過率の波長依存性を評価したところ、図7に示すように偏光方向に伴い透過率は大幅に変化し、特に周期程度でその変化率が極大となることがわかった。このことはこのような周期凹凸構造フィルムが偏光フィルムや位相差フィルムとして取り扱えることを示している。また、作製したフィルムを300℃で1時間アニールした後、常温に戻して形状観察を行ったが、特に形状変化などは認められず、高い耐熱性を有していることが分かった。

このような周期凹凸構造フィルムによって、所望の波長の位相差を制御することができるため、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの色彩度を最適化することができ、表示の高精細化が可能となる。また、所望の波長の極狭いバンド幅において位相差を付与できるため、光通信デバイスに用いられる位相差素子や波長フィルターとして使用することが可能となる。またこれらのフィルムは転写成形や印刷法によって作製できるため、このような位相差フィルムを用いた高精細なディスプレイや光通信デバイスを低コストに提供することができる。さらに、フィルム材料としてフッ素化ポリイミドを用いることで、透明性を保ちながら高い耐熱性が得られるため、自動車内や室外環境下での長期信頼性も確保することができる。

シリコン転写型の製造方法シリコン転写によるフッ素化ポリイミド表面への周期凹凸構造作製方法成形した周期凹凸構造フィルムの表面段差形状クロス二コル偏光顕微鏡観察結果クロス二コル偏光観察の方法クロスニコル偏光での透過度測定結果透過率の偏光依存性測定結果

符号の説明

１シリコン酸化膜
２シリコン基板
３レジスト
４シリコン熱酸化膜
５シリコン転写型
６フッ素化ポリイミドフィルム
７温水

Claims

光の波長範囲の周期をもつ周期構造が形成され、周期構造に垂直方向に透過する光に対して前記周期と同じ波長で最大の位相差を付与することを特徴とする位相差素子。
周期構造が素子の表面に形成された周期凹凸形状である請求項１に記載の位相差素子。
素子がフィルム状であることを特徴とする請求項１または２に記載の位相差素子。
素子の材料がフッ素化ポリイミドである請求項１から３のいずれかに記載の位相差素子。