JP2010134043A - マイクロレンズアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤのハイパワー化及びＬＥＤの青色の短波長に対しても、優れた耐熱性及び耐光性を有するマイクロレンズアレイ、ならびに該マイクロレンズアレイを搭載した光学電子機器及びＬＥＤアレイを提供すること。
【解決手段】式(I)：

(式中、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３は、それぞれ独立して、アルキル基又はアルコキシ基、Ｘはメタクリロキシ基、グリシドキシ基、アミノ基、ビニル基、又はメルカプト基を示し、但し、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３のうち、少なくとも２つはアルコキシ基である)
で表わされるシランカップリング剤を、ポリアルミノシロキサンに反応させて得られる変性ポリアルミノシロキサンを成形してなるマイクロレンズアレイ。
【選択図】なし

Description

本発明は、マイクロレンズアレイに関する。より詳しくは、光学電子機器に用いられるマイクロレンズアレイ、ならびに該マイクロレンズアレイを搭載した光学電子機器及びＬＥＤアレイに関する。

マイクロレンズアレイは、液晶プロジェクター、ビデオカメラ、ビューファインダー、携帯用テレビ等の光学電子機器に用いられている。例えば、マイクロレンズアレイはＬＥＤアレイの集光効果、輝度向上効果を得るために使用されている(特許文献１)。また、マイクロレンズアレイを構成する樹脂としては、アクリル樹脂が知られている(特許文献２)。
特開２００５−２７６８４９号公報 特開２００１−２７２５０７号公報

近年の光学電子機器の高輝度化に対しては、ＬＥＤのハイパワー化によって発光量を増加させる方法が考えられるが、発光量を増加させるとＬＥＤからの発熱量が上昇するため、また、アクリル樹脂を用いても耐熱性が不十分な場合があるため、優れた耐熱性を有するマイクロレンズアレイが望まれる。さらにＬＥＤの青色の短波長に対しても優れた耐光性を有するマイクロレンズアレイも望まれる。

本発明の課題は、ＬＥＤのハイパワー化及びＬＥＤの青色の短波長に対しても、優れた耐熱性及び耐光性を有するマイクロレンズアレイ、ならびに該マイクロレンズアレイを搭載した光学電子機器及びＬＥＤアレイを提供することにある。

本発明は、
〔１〕 式(I)：

(式中、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３は、それぞれ独立して、アルキル基又はアルコキシ基、Ｘはメタクリロキシ基、グリシドキシ基、アミノ基、ビニル基、又はメルカプト基を示し、但し、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３のうち、少なくとも２つはアルコキシ基である)
で表わされるシランカップリング剤を、ポリアルミノシロキサンに反応させて得られる変性ポリアルミノシロキサンを成形してなるマイクロレンズアレイ
〔２〕 前記〔１〕記載のマイクロレンズアレイを搭載してなる光学電子機器、ならびに
〔３〕 前記〔１〕記載のマイクロレンズアレイを搭載してなるＬＥＤアレイ
に関する。

本発明のマイクロレンズアレイは、ＬＥＤのハイパワー化及びＬＥＤの青色の短波長に対しても、優れた耐熱性及び耐光性を有するという効果を奏する。

本発明のマイクロレンズアレイは、シランカップリング剤で変性させたポリアルミノシロキサンを成形したものであり、該シランカップリング剤が特定のものであることに大きな特徴を有する。ポリアルミノシロキサンは、ポリシロキサンとアルミニウム化合物とを反応させて得られるポリマーであり、耐熱性が良好であるが、本発明においては、反応性が異なる２種類の官能基を有するシランカップリング剤を用いることにより、前記ポリマーの架橋を二段階に分けて行なうことが可能となり、マイクロレンズアレイの調製段階に応じて前記架橋反応を行なうことができる。即ち、一般的なマイクロレンズアレイは、例えば、マイクロレンズアレイを構成する樹脂溶液を一度に反応させて成形するが、本発明では、架橋反応のうち、一段階目の架橋反応により得られた反応物を樹脂溶液として用いて、二段階目の架橋反応をマイクロレンズアレイの硬化時に行なうことができる。また、成形に用いる樹脂溶液は、一段階目の架橋反応が行われているために、シート状に形成することができ、取り扱い性が良好となる。なお、本明細書において、ポリアルミノシロキサンの変性とは、シランカップリング剤による架橋のことを意味し、その架橋反応のうち、反応温度が低温側の反応(一段階目の架橋反応ともいう)を一次架橋、高温側の反応(二段階目の架橋反応ともいう)を二次架橋という。

本発明において、シランカップリング剤は、式(I)：

(式中、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３は、それぞれ独立して、アルキル基又はアルコキシ基、Ｘはメタクリロキシ基、グリシドキシ基、アミノ基、ビニル基、又はメルカプト基を示し、但し、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３のうち、少なくとも２つはアルコキシ基である)
で表わされ、Ｒ^１、Ｒ^２及び／又はＲ^３基を介して一次架橋を行い、さらにＸ基を介して二次架橋を行うことが望ましい。

式(I)において、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３は、それぞれ独立して、アルキル基又はアルコキシ基であり、但し、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３のうち、少なくとも２つはアルコキシ基である。アルキル基及びアルコキシ基の炭素数は、好ましくは１〜１２、より好ましくは１〜６、さらに好ましくは１〜３である。具体的には、アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基等が例示される。アルコキシ基は、メトキシ基、エトキシ基等が例示される。なかでも、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３は、それぞれ独立してメチル基もしくはメトキシ基であり、かつ、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３のうち、少なくとも２つはメトキシ基であることが好ましく、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３は、いずれもメトキシ基であることがより好ましい。

式(I)において、Ｘはメタクリロキシ基、グリシドキシ基、アミノ基、ビニル基、又はメルカプト基を表わす。中でも、二次架橋における反応性の観点から、Ｘはメタクリロキシ基又はグリシドキシ基であることが好ましい。

また、本発明において、式(I)で表わされるシランカップリング剤は、入手性、経済性の観点から、式(II)：

又は、式(III)：

で表わされる化合物が好ましく、また、式(II)のメトキシ基の一部がメチル基である化合物であってもよい。これらは、単独で又は複数を組み合わせて用いることができる。

上記シランカップリング剤は、公知の方法に従って調製することもできるが、市販品を使用してもよく、例えば、式(II)で表わされる化合物としては、メタクリル型シランカップリング剤(信越化学工業社製、KBM-503)が、式(III)で表わされる化合物としては、エポキシ型シランカップリング剤(信越化学工業社製、KBM-403)が好適に使用される。

変性ポリアルミノシロキサンの合成反応に供されるシランカップリング剤の量は、耐熱性、透明性、及びシート成形性の観点から、反応用混合物中に好ましくは1〜50重量％、より好ましくは1〜30重量％、さらに好ましくは2〜15重量％である。なお、本発明において、シート成形性とは、シート成形が効率的であることをいう。

本発明において、ポリアルミノシロキサンは、式(IV)：

(式中、ｍは5〜500の整数を示す)
及び／又は式(V)：

(式中、ｎは5〜500の整数を示す)
で表わされる構造単位を有し、末端部分が−ＯＨであることが好ましい。

式(IV)におけるｍ、又は式(V)におけるｎは、耐熱性、シート成形性の観点から、好ましくは5〜500、より好ましくは10〜500、さらに好ましくは40〜155である。

また、ポリアルミノシロキサンは、式(IV)又は式(V)で表わされる構造単位を単独で又は組み合わせて構成されるポリアルミノシロキサンであってもよい。

本発明に用いられるポリアルミノシロキサンは、以下に示されるケイ素化合物とアルミニウム化合物を反応させて合成されることが望ましい。

ケイ素化合物としては、反応性の観点から、両末端シラノール型ポリジメチルシロキサン、両末端シラノール型ポリジフェニルシロキサン、両末端シラノール型ポリメチルフェニルシロキサン等の両末端シラノール型シリコーンオイルが挙げられ、これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、両末端シラノール型ポリジメチルシロキサンを用いることが好ましい。

アルミニウム化合物としては、アルミニウムメトキシド、アルミニウムエトキシド、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムブトキシド等が挙げられ、これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、アルミニウムイソプロポキシドを用いることが好ましい。

ポリアルミノシロキサンの合成反応に供されるケイ素化合物とアルミニウム化合物の重量比(ケイ素化合物／アルミニウム化合物)は、99/1〜30/70であることが好ましい。

ケイ素化合物とアルミニウム化合物との反応は、例えば、0〜100℃の温度、１〜48時間で、かつ、溶媒非存在下で攪拌しながら行うことができる。その後、遠心分離で不溶物を除去し、好ましくは20〜100℃、好ましくは0.5〜６時間、減圧下で濃縮して、ポリアルミノシロキサンを得ることができる。

ポリアルミノシロキサンの平均分子量は、100〜1,000,000が好ましく、1000〜100,000がより好ましい。本明細書において、ポリアルミノシロキサンの平均分子量とは重量平均分子量のことを意味し、例えば、ゲルろ過クロマトグラフィー(GPC)により測定される。

シランカップリング剤との反応に供されるポリアルミノシロキサンの量は、耐熱性、透明性、及びシート成形性の観点から、反応用混合物中に好ましくは50〜99重量％、より好ましくは70〜99重量％、さらに好ましくは85〜98重量％である。

また、シランカップリング剤とポリアルミノシロキサンの反応に供される反応用混合物には、二次架橋を進行させるために、光重合開始剤をさらに添加してもよい。光重合開始剤としては、ラジカル系光重合開始剤等、例えば、アルキルフェノン系光重合開始剤、アシルフォスフィンオキサイド系光重合開始剤、チタノセン光重合開始剤等が挙げられ、中でもアルキルフェノン系光重合開始剤である２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−プロパン−１−オン(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製、ダロキュア１１７３)を用いることが好ましい。

光重合開始剤の量は、耐熱性と透明性の観点から、反応用混合物中に好ましくは0.001〜2重量％、より好ましくは0.01〜1重量％、さらに好ましくは0.10〜1重量％である。

また、シランカップリング剤とポリアルミノシロキサンの反応は、有機溶剤の非存在下もしくは存在下で行うことができることから、反応用混合物に有機溶媒を添加してもよい。好ましい有機溶剤としては、酢酸ブチル、酢酸エチル等のエステル類；ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、ジオキサン等のエーテル系溶剤；アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶剤の他、ヘキサン、オクタン、トルエン、キシレン等が挙げられる。

上記のポリアルミノシロキサンとシランカップリング剤との反応、即ち、１次架橋反応は、減圧下で行い、好ましくは20〜150℃、より好ましくは50〜100℃、好ましくは0.1〜10時間、より好ましくは0.1〜３時間攪拌して行われる。

なお、シランカップリング剤とポリアルミノシロキサンとの１次架橋反応終了後、反応混合物を減圧下で加熱して副生成物や有機溶剤を除去することができる。

かくして得られた１次架橋反応終了後の反応混合物は、シート成形性の観点から、25℃における粘度が好ましくは100〜20000mPa・s、より好ましくは1000〜10000mPa・sである。

次に、上記で得られた１次架橋反応終了後の反応混合物を用いて、マイクロレンズアレイを製造する。

マイクロレンズアレイの製造方法としては、特に限定はなく、例えば、予め上記反応混合物を半硬化状態のフィルムとしてから製造することができる。この場合、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ガラス板等の上に上記で得られた１次架橋反応終了後の反応混合物を塗布して、好ましくは80〜250℃、より好ましくは100〜200℃で、好ましくは１分〜２時間、より好ましくは５分〜１時間加熱して乾燥させた後、ポリアルミノシロキサンからなる半硬化状態のフィルムとしてもよく、上記乾燥は任意に複数回行ってもよい。かかるフィルムの厚さは、好ましくは50〜5000μm、より好ましくは100〜4000μmである。

本発明の好ましい態様において、マイクロレンズアレイの製造方法は、好ましくは
工程(ａ)：マイクロレンズアレイと同一の形状を有する基材を作製する工程、
工程(ｂ)：該基材を用いてマイクロレンズアレイと対向する形状を有する成形用金型を作製する工程、及び
工程(ｃ)：該成形用金型を用いてマイクロレンズアレイ形状を樹脂に転写して成形する工程
を含む。

工程(ａ)において、基材はＳｉ、石英ガラス、Ｃｕ合金、Ｆｅ合金、Ｎｉ合金、樹脂板もしくはフィルム(ポリイミド、ポリメチルメタクリレート等)等であることが好ましい。また、切削加工、エッチング、放射光等によって所望のマイクロレンズアレイと同一の形状を加工して基材を作製することが好ましい。ここで、マイクロレンズは、半球のような形状、直径0.7〜50μm、高さ0.35〜25μmを有することが好ましい。マイクロレンズアレイは、上記マイクロレンズを定ピッチ及び／又は最密充てんで配列されたものであることが好ましい。

工程(ｂ)において、マイクロレンズアレイ形状と対向する形状を有する成形用金型は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ等を用いた電鋳によって、工程(ａ)で得られた基材の表面に金属を電解メッキによって厚みが好ましくは0.15〜0.5mmとなるようにメッキした後、基材からメッキ金属を離型して作製することができる。

工程(ｃ)において、工程(ｂ)で得られた成形用金型を用いてマイクロレンズアレイ形状を樹脂に転写して成形することが好ましい。具体的には、石英板に樹脂からなる半硬化状態のフィルムを積層した後、成形用金型をフィルム上に配置して真空ラミネータで0.1〜1.0MPa、100〜180℃、0.5〜５分間プレスを行って、マイクロレンズアレイ形状を樹脂に転写することができる。

また、工程(ｃ)は基材に樹脂を塗布する工程、マイクロレンズアレイと逆の形状が形成された成形用金型の面に樹脂を押し付ける工程、並びに樹脂を硬化させる工程を含んでいてもよい。

樹脂を硬化させる工程では、ポリアルミノシロキサンにシランカップリング剤による二段階目の架橋反応を行うことができる。硬化させる温度は、80〜180℃が好ましく、120〜150℃がより好ましい。

本発明のマイクロレンズアレイは、例えば、液晶プロジェクター、ビデオカメラ、ビューファインダー、携帯用テレビ等の光学電子機器に好適に使用し得る。従って、本発明は、上記マイクロレンズアレイを搭載してなる光学電子機器又はＬＥＤアレイを提供する。かかる光学電子機器又はＬＥＤアレイは、適宜対応するように作製されたマイクロレンズアレイを光学電子機器に用いるかあるいはＬＥＤアレイ上に配置することにより得ることができる。

(ポリアルミノシロキサンａの合成)
両末端シラノール型シリコーンオイル(信越化学工業社製、KF-9701、平均分子量3000)600g(0.200mol)にアルミニウムイソプロポキシド8.22g(40.2mmol)を加え、室温で24時間攪拌した。得られた混合物から遠心分離にて不溶物を除去し、50℃で２時間減圧下で濃縮すると、ポリアルミノシロキサンａが無色透明オイルとして得られた［式(ＩＶ)で表わされる化合物(ｍ＝40)と式(Ｖ)で表わされる化合物(ｎ＝40)の混合物］。

(ポリアルミノシロキサンｂの合成)
両末端シラノール型シリコーンオイル(信越化学工業社製、X-21-5841、平均分子量11500)200g(0.200mol)にアルミニウムイソプロポキシド2.75g(13.5mmol)を加え、室温で24時間攪拌した。得られた混合物から遠心分離にて不溶物を除去し、50℃で２時間減圧下で濃縮すると、ポリアルミノシロキサンｂが無色透明オイルとして得られた［式(ＩＶ)で表わされる化合物(ｍ＝155)と式(Ｖ)で表わされる化合物(ｎ＝155)の混合物］。

実施例１(メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＡ)
ポリアルミノシロキサンａ30.0gにメタクリル型シランカップリング剤〔信越化学工業社製、KBM-503、式(I)におけるＲ^１、Ｒ^２及びＲ^３がいずれもメトキシ基、Ｘがメタクリロキシ基〕3.00g(12.1mmol)を加え、減圧下(4kPa)、80℃で10分間攪拌した(25℃における粘度4500mPa・s)。得られた混合物に光重合開始剤(成分名：２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−プロパン−１−オン、チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製、商品名：ダロキュア1173)0.15gを加え、よく攪拌して均一にし、アプリケーターを用いてラインスピード0.3m/分でテフロン(登録商標)シート上に塗工した(100mm×100mm、厚さ100μm)。これを100℃で10分間加熱後、短冊状(50mm×50mm、厚さ100μm)に切断し、再度、130℃で10分間加熱を行い、メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＡを含むシートが得られた。

次に、基材(材質：ポリイミド)に対してレーザーアブレーションを用いてマイクロレンズアレイと同一の形状(マイクロレンズの形状：半球、直径10μm、高さ5μm、マイクロレンズの配列１行×７列)となるように加工して、次にNi電鋳を行ってマイクロレンズアレイと逆の形状を有するニッケル電鋳成形用金型(サイズ1cm×2cm、厚み0.2mm)を作製した。また、上記で得られたフィルムを1cm×2cmのサイズに切断し、厚さ0.5mmの石英板に積層した後、該ニッケル電鋳成形用金型をフィルム上に配置して真空ラミネータ(ニチゴーモートン製、真空ラミネータＶ１３０)で0.5MPa、150℃５分間プレスを行い、フィルムにマイクロレンズアレイ形状(マイクロレンズの形状：半球、直径：10μm、高さ：5μm、マイクロレンズの配列１行×７列)を転写して成形したマイクロレンズアレイＡを得た。

実施例２(メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＢ)
メタクリル型シランカップリング剤(信越化学工業社製、KBM-503)を0.600g(2.42mmol)使用した以外は実施例１と同様の操作を行い、メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＢを含むマイクロレンズアレイＢを得た。なお、テフロン(登録商標)シート上に塗工する前の樹脂溶液の25℃における粘度は5200mPa・sであった。

実施例３(メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＣ)
ポリアルミノシロキサンａの代わりにポリアルミノシロキサンｂを使用した以外は実施例１と同様の操作を行い、メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＣを含むマイクロレンズアレイＣを得た。なお、テフロン(登録商標)シート上に塗工する前の樹脂溶液の25℃における粘度は5000mPa・sであった。

実施例４(メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＤ)
ポリアルミノシロキサンａ30.0gにメタクリル型シランカップリング剤〔信越化学工業社製、KBM-503、式(I)におけるＲ^１、Ｒ^２及びＲ^３がいずれもメトキシ基、Ｘがメタクリロキシ基〕3.58g(14.4mmol)及びメタクリル型シランカップリング剤〔信越化学工業社製、KBM-502、式(I)におけるＲ^１、Ｒ^２及びＲ^３のうち２つがメトキシ基、残りがメチル基(Ｒ^１がメチル基、Ｒ^２及びＲ^３がメトキシ基)、Ｘがメタクリロキシ基〕1.27g(5.47mmol)を加え、減圧下(4kPa)、80℃で２時間攪拌した(25℃における粘度4900mPa・s)。得られた混合物に光重合開始剤(成分名：２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−プロパン−１−オン、チバ・スペシャルティ・ケミカルズ製、商品名：ダロキュア1173)0.15gを加え、よく攪拌して均一にし、アプリケーターを用いてテフロン(登録商標)シート上に塗工した。これを100℃で30分間加熱すると、メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＤを含むマイクロレンズアレイＤを得た。

実施例５(エポキシ変性ポリアルミノシロキサンＧ)
ポリアルミノシロキサンＡ10.0gにエポキシ型シランカップリング剤〔信越化学工業社製、KBM-403、式(I)におけるＲ^１、Ｒ^２及びＲ^３がいずれもメトキシ基、Ｘがエポキシ基〕1.00g(4.23mmol)を加え、減圧下(4kPa)、80℃で７分間攪拌した。得られた混合物をアプリケーターを用いてテフロン(登録商標)シート上に塗工し、100℃で５分間加熱すると、エポキシ変性ポリアルミノシロキサンＥを含むマイクロレンズアレイＥを得た。

比較例１(エポキシ樹脂)
メタクリル変性ポリアルミノシロキサンＡの代わりに半導体用透明エポキシ樹脂(日東電工社製、NT-8050)を使用した以外は実施例１と同様の操作を行い、マイクロレンズアレイＦを得た。

試験例１
実施例１〜５及び比較例１で得られたマイクロレンズアレイを、ＬＥＤを１行×７列に配置したＬＥＤアレイ〔1.5W ハイパワーＬＥＤ、セミレッツ社製、SL-V-B40AC(青)、順電流500mA、順電圧3.4V〕の上面に配置して、連続耐久性試験を行って、耐熱性、耐光性を評価した。

具体的には、各実施例及び比較例のマイクロレンズアレイの輝度を、試験開始直後と1000時間経過後について、MCPD(瞬間マルチ測光システムMCPD-3000、大塚電子社製)により測定し、下記の式に従って輝度保持率を算出した。
輝度保持率(％)＝(1000時間経過後の輝度／試験開始直後の輝度)×100

その結果、実施例１〜５のマイクロレンズアレイの輝度保持率はいずれも100％であったが、比較例１のマイクロレンズアレイの輝度保持率は40％であり、実施例１〜５は耐熱性、耐光性に優れることが分かる。

本発明のマイクロレンズアレイは、例えば、液晶プロジェクター、ビデオカメラ、ビューファインダー、携帯用テレビ等の光学電子機器に好適に使用し得る。

Claims (6)

1. 式(I)：
   

   

   (式中、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３は、それぞれ独立して、アルキル基又はアルコキシ基、Ｘはメタクリロキシ基、グリシドキシ基、アミノ基、ビニル基、又はメルカプト基を示し、但し、Ｒ^１、Ｒ^２及びＲ^３のうち、少なくとも２つはアルコキシ基である)
   で表わされるシランカップリング剤を、ポリアルミノシロキサンに反応させて得られる変性ポリアルミノシロキサンを成形してなるマイクロレンズアレイ。
2. 式(I)のＸがメタクリロキシ基又はグリシドキシ基である、請求項１記載のマイクロレンズアレイ。
3. シランカップリング剤が式(II)：
   

   

   又は、式(III)：
   

   

   で表わされる化合物である、請求項１又は２記載のマイクロレンズアレイ。
4. ポリアルミノシロキサンが、式(IV)：
   

   

   (式中、ｍは40〜155の整数を示す)
   及び／又は、式(V)：
   

   

   (式中、ｎは40〜155の整数を示す)
   で表わされる構造単位を有し、末端部分が−ＯＨである、請求項１〜３いずれか記載のマイクロレンズアレイ。
5. 請求項１〜４いずれか記載のマイクロレンズアレイを搭載してなる光学電子機器。
6. 請求項１〜４いずれか記載のマイクロレンズアレイを搭載してなるＬＥＤアレイ。