JP2010249937A - 偏光分離素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高分子液晶を使用した偏光性分離素子では、ポリイミド樹脂の塗布・熱硬化とバフ研磨により形成する液晶配向膜により液晶の配向を制御しているが、この配向膜の状態を一定に管理することが難しく、またバフ研磨後に洗浄工程が必須であるため、高分子液晶自体の配向を簡素な手法で制御することが重要となる。
【解決手段】
あらかじめ所定寸法に形成した格子溝中に重合性液晶を充填し、そこで重合性液晶を硬化することで、液晶配向層を使わずに、配向方位が格子長手方向と一致した一軸性高分子液晶層を形成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、分離素子およびその製造方法に関する。

従来、高分子液晶を使用した偏光性分離素子では、2枚の透明基板上にポリイミド樹脂を塗布・熱硬化したのちバフ研磨による配向処理を行って液晶配向膜としたのち、両基板間に重合性液晶材料を充填、重合性液晶が液晶状態である温度でフォトマスクを介して光露光して格子を形成した後、重合性液晶が等方状態となる温度まで昇温して未硬化の重合性液晶を架橋させることで所定形状の格子を形成した高分子液晶薄膜を作製し、光学的異方性を有する回折格子を形成していた。

しかし、この方法では形成された配向膜による重合性液晶の配向状態を安定して管理することが難しく、またバフ研磨後に洗浄工程が必須であるという問題をもっていた。

本発明の目的は、従来技術の前述のような問題を解決し、高分子液晶薄膜を使用した分離素子およびその製造方法を新規に提供することである。

本発明は、液晶配向層を介さずに、等方性媒質中に一軸性高分子液晶層を、その配向方位が格子長手方向と一致するよう格子状に形成することを特徴とする偏光分離素子を提供する。

さらに、あらかじめ所定寸法に形成した格子溝中に重合性液晶を充填し、そこで重合性液晶を硬化したのち、等方性媒質によって格子間隙部を充填することを特徴とする上記偏光分離素子の製造方法を提供する。

本発明の分離素子の構成および製造方法を採用することにより、特別な配向膜を使わずに高分子液晶を良好に安定して配向させることができ、さらに膜厚の調整も容易になるため、分離効率が高くかつ分離効率の均一性のよい偏光分離素子を安定して得ることができる。

本発明における偏光分離素子の一例を示す側面図。（ａ）表面に凹凸形状を形成した基板の溝部に高分子液晶を形成した構成を示す側面図。（ｂ）高分子液晶層を基板上に転写した構成を示す側面図。 本発明による偏光分離素子の製造工程の一例を示す側面図。（ａ）凹凸を有する基板溝部に液状重合性液晶を充填する工程を示す断面図。（ｂ）充填した重合性液晶を紫外線により重合硬化し高分子液晶とする工程を示す断面図。（ｃ）作成した偏光分離素子の構造を示す断面図。 本発明による偏光分離素子の製造工程の別の一例を示す側面図。（ａ）凹凸を有する金型溝部に液状重合性液晶を充填する工程を示す断面図。（ｂ）充填した重合性液晶を紫外線により重合硬化し高分子液晶とする工程を示す断面図。（ｃ）高分子液晶が充填された金型上に液状紫外線硬化樹脂とガラス板を積層し、紫外線により重合硬化して透明等方媒質として、高分子液晶を基板に転写する工程を示す断面図。（ｄ）基板上に透明媒質を介して転写した高分子液晶格子上に液状の紫外線硬化樹脂を塗布、紫外線により重合硬化して別の透明等方媒質を形成する工程を示す断面図。（ｅ）作成した偏光分離素子の構造を示す断面図。

このような課題に対し、本発明においては、あらかじめ所定形状に形成された溝に重合性液晶を充填し、溝壁面と液晶分子の相互作用により特別な配向処理を施すことなく自発的に溝長手方向に重合性液晶を配向させた後、その状態で重合性液晶を重合させ配向を維持した状態で高分子液晶とすることで、高分子液晶配向方位を、液晶配向層を介することなく溝長手方向に高い精度で制御するとともに、液晶層厚さもあらかじめ形成してある溝深さにより制御できることを見出した。

本発明で用いる高分子液晶薄膜を形成するための重合性液晶は、液晶性を示すモノマー、オリゴマーその他の反応性化合物などの組成物である。

重合性液晶を硬化する手段としては、可視光やＵＶ（紫外）光などの光を照射したり、加熱による方法などがあるが、光を照射する硬化方法が重合性液晶の相転移温度による制約を受けにくいために好ましい。したがって、ここでは光の照射によって重合性液晶を重合して硬化するものとして説明する。なお、本特許では便宜上この液晶が未重合の状態を重合性液晶、高分子化した状態を高分子液晶と呼んで区別することとする。

本発明による高分子液晶薄膜の構造の一例を図１に示す。

図１（ａ）は本発明の構造の一例の断面図を示すもので、図中、１は高分子液晶格子、２は基板である。この構成ではあらかじめ所定の凹凸をつけた基板の溝部に重合性液晶を充填することで、溝表面と液晶の間の分子相互作用により自発的に液晶分子が溝長手方向に沿って整列するため、基板表面に特に配向処理を施すことなく液晶を溝長手方向に配向させた構成とすることができ、この状態で重合性液晶を硬化させると光学異方性を有する分離素子を安定して作成することができる。

本構成に用いる基板は、屈折率が高分子液晶薄膜の常光屈折率（ｎ_o）又は異常光屈折率（ｎ_e）に等しいものが入射光の直線偏光方位による偏光分離性能を高める上で望ましい。

基板としては透明なガラス板やプラスチック板、ガラス基板上にアクリル系ラジカル重合モノマーを主成分とする紫外線硬化樹脂で凹凸形状を転写したいわゆる２Ｐ（Ｐｈｏｔｏ Ｐｏｌｙｍｅｒ）基板などが使用できるが、量産性や溝の成形が容易な点ではプラスチック、硬度や耐久性などに優れる点ではガラス板が好ましい。

また液晶層との屈折率マッチングが容易な点では溝を形成するＵＶ樹脂硬化物の屈折率のみ高分子液晶の屈折率とあわせればよい２Ｐ基板が好ましい。また、必要に応じて基板凹凸面には接着力強化のための処理を施すこともできる。

また、重合性液晶には液晶状態を発現するメソゲン基の末端にアクリル、エポキシ等の重合性を有する官能基を付けたものが好適であり、重合前の液晶状態でネマティック状態を持つものが最も適している。

また本構成の基板を別の透明等方媒質で被覆した構成とすることも可能である。

基板表面に形成する透明等方媒質としては紫外線硬化樹脂がもっとも好適である。特に高分子液晶を形成する重合性液晶にアクリル変性型を使う場合は、透明等方性媒質にアクリル系紫外線硬化樹脂を使うことにより高分子液晶層と紫外線硬化樹脂間に強い接着を得ることができる。

重合した高分子液晶を囲む媒質４としては、屈折率が高分子液晶薄膜の常光屈折率（ｎ_o ）又は異常光屈折率（ｎ_e ）に等しいものが入射光の直線偏光方位による偏光分離性能を高める上で望ましい。媒質としては例えば光重合型のアクリル系樹脂やエポキシ系樹脂などを使用できる。

さらに説明の都合上透明等方性媒質が２種類あるように記述したが、両方の媒質に同じものを使用することも可能である。

本発明の構成においては基板表面に偏光格子のみを形成したものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、たとえば偏光分離素子を別の透明部材で挟持した構成や、他の光学部材と積層した構成とすることも可能である。

上述した本発明の構成において、液晶分子は溝壁面との相互作用により自発的に溝に対し平行方向に配列するため、高分子液晶層の光軸が溝長手方向に平行となる。

この効果は溝の断面形状が矩形、三角形、半円形等いずれであっても発現するため用途によって適切な形状を選択することができるが、回折格子に使う場合は矩形形状、三角形が望ましい。

また、この構成では液晶層の配向が液晶分子と溝壁面との相互作用により発生するため出来上がった高分子液晶の光軸は溝の長手方向のみに限定されるが、これは偏光分離素子として使う場合にはまったく制約とならず、逆にたとえば１素子中に配向方位の異なる複数領域を設けることも容易となる利点がある。ただし決められた入射偏光に対しでは、本発明の偏光回折格子が作用しない格子方向、完全に作用する格子方向は限定される。

また本発明においては光透過型素子としての説明を行ったが、当然ながらこの技術は反射型偏光素子にも適用できる。

以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。

高分子液晶薄膜の第１の製造方法の各プロセスの側面図を図２の（ａ）（ｂ）及び（ｃ）に示した。

基板２として溝幅１０μｍ、溝ピッチ２０μｍ、深さ８μｍの溝を表面に形成した紫外線硬化樹脂層を表面に積層したガラス基板を使用した。この基板は無電解Ｎｉ−Ｐメッキ金型に機械加工により溝を形成した金型に液状紫外線硬化樹脂を塗布し、ガラス基板を積層した後、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化し溝形状を転写したのち、ガラスと紫外線硬化樹脂層を一体に剥がしとるいわゆる２Ｐ法により作成した。紫外線硬化樹脂としてはジシクロペンタジエニルヘキサアクリレート（共栄社化学製）２０重量部に、イソボルニルアクリレート（共栄社化学製）と、屈折率調整剤としてフェノキシアクリレート（共栄社化学製）をあわせて８０重量部、重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティケミカルズ製）３重量部混合し、硬化物屈折率を１．５２５としたものを使用した。

まず図２（ａ）に示すように液状の重合性液晶５としてＲＭＳ０３−００１Ｃ（メルク製）を基板凹凸面に滴下、溶剤を加熱乾燥させたのち室温まで戻したのち、基板表面をスキージ６にて均し、基板溝部よりはみ出した重合性液晶を除去して表面を平坦化させた。

この状態で次に図２（ｂ）に示すように３６５nmを主とした紫外線照射をして重合性液晶を反応硬化させ、図２（ｃ）のような偏光分離素子とした。

この高分子液晶の配向状態を偏光顕微鏡にて観察すると溝方向に高分子液晶格子の分子軸が配向していることが観察され、良好な配向状態であることが確認された。

なお、基板への滴下直後およびスキージによる溝部への充填後それぞれについて、液状の重合性液晶の状態を偏光顕微鏡で観察したところ、滴下直後では強い配向状態は見られなかったのに対し、スキージでの溝部への充填後は溝長手方向に平行に強い配向が観察された。これは液晶分子が基板壁面に平行に並ぶ性質を持つため、複数の壁面で囲まれた溝中では液晶分子が自発的に溝に対し平行方向に配列したためと考えられる。

なお重合性液晶はスキージング時に完全に溝部分のみ残留させることは難しく、ごく少量が溝と溝の間の平坦部に残留するが、この部分は溝による強い配向規制を受けないためランダム配向となり、かつ厚さも非常に薄いため、出来上がった格子の偏光状態には影響していない。

また、得られた格子に対して偏光させた赤色レーザ光を照射したところ、偏光方向を溝長手方向にあわせた場合その直交方向に対して回折光強度が大きく変化することが目視で確認でき、本発明により良好な偏光回折光が得られることを確認できた。

なお、RMS０３−００１硬化物は常光線屈折率１．５２９、異常光屈折率１．６８４であり、高分子液晶を囲む紫外線硬化樹脂はそれより屈折率を低くしているが、これは溝中の重合性液晶が硬化時体積収縮を示すためその膜厚変化を考慮したものである。

さらに本発明の別の実施例を図３に示した。

本実施例においては、まず図３（ａ）に示すように溝幅１０μｍ、溝ピッチ２０μｍ、深さ８μｍの溝を表面に形成した金型７上に重合性液晶５としてＲＭＳ０３−００１Ｃ（メルク製）を基板凹凸面に滴下、溶剤を加熱乾燥させたのち室温まで戻したのち、基板表面をスキージにて均し、基板溝部よりはみ出した重合性液晶を除去して表面を平坦化させた。なお、この金型はＮｉ−Ｐ無電解メッキ表面に機械加工により溝を形成したものである。

この状態で次に図３（ｂ）に示すように３６５nmの波長を主とした紫外線照射をして重合性液晶を反応硬化させた。

次に図３（Ｃ）に示すように高分子液晶１が充填された金型７上に液状紫外線硬化樹脂を塗布し、その上に表面をＫＢＭ−５０３（信越化学製）接着強化膜を形成した０．５ｍｍ厚ガラス基板２を積層し、波長３６５ｎｍの波長を主とした紫外線を照射をして紫外線硬化樹脂を反応硬化させた。 液状紫外線硬化樹脂としてはジシクロペンタジエニルヘキサアクリレート（共栄社化学製）２０重量部に、フェノキシアクリレート（共栄社化学製）をあわせて８０重量部、重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティケミカルズ製）３重量部混合し、硬化物屈折率を１．５３としたものを使用した。

この段階で、硬化した紫外線硬化樹脂よりなる透明等方性媒質３は高分子液晶と強固に接着するため、基板側に高分子液晶格子を転写することが可能となる。

そののち紫外線硬化樹脂を介してガラス基板と一体化した高分子液晶格子を剥がし取ったのち、次に図３（ｄ）に示すようにガラス基板の高分子液晶転写側表面に別の液状の紫外線硬化樹脂を塗布し、３６５ｎｍの波長の波長を主とした紫外線を照射して透明樹脂よりなる等方性媒質４を形成して図３（ｅ）のような偏光分離素子を作成した。この紫外線硬化樹脂には１，６ヘキシルジアクリレート（共栄社化学製）２０重量部にヒドロキシブチルメタクリレート（共栄社化学製）と、屈折率調整剤として２−ヒドロキシ−３−フェノキシプロピルアクリレート（共栄社化学製）をあわせて８０重量部、重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティケミカルズ製）３重量部混合し、硬化物屈折率を１．５３としたものを使用した。

この高分子液晶の配向状態を偏光顕微鏡にて観察すると溝方向に高分子液晶格子の分子軸が配向していることが観察され、良好な配向状態であることが確認された。

また、得られた格子に対して偏光させた赤色レーザ光を照射したところ、偏光方向を溝長手方向にあわせた場合その直交方向に対して回折光強度が大きく変化することが目視で確認でき、本発明により良好な偏光回折光が得られることを確認できた。

１：高分子液晶
２：基板
３：等方性媒質
４：別の等方性媒質
５：液状重合性液晶
６：スキージ
７： 金型

Claims (4)

1. 一軸性高分子液晶よりなるストライプ状構造を配列した偏光分離素子において、一軸性高分子液晶よりなるストライプ状構造を等方性媒質中に形成し、かつ高分子液晶の光軸がストライプ状構造の長手方向に一致することを特徴とする偏光分離素子。
2. 高分子液晶層と等方性媒質が液晶配向層を介することなく直接に接することを特徴とする前記第１項記載の偏光分離素子。
3. 所定形状の溝を形成した媒質中の溝部分に重合性液晶を充填したのち硬化させ、溝長手方向に光学異方軸を配向させた高分子液晶格子を形成することを特長とする偏光分離素子の製造方法。
4. 所定形状の溝を形成した転写用金型の溝部分に重合性液晶を充填したのち硬化させ高分子液晶とし、それを等方性媒質にて基材上に転写したのち、さらに等方性媒質にて格子間隙部を充填したことを特長とする偏光分離素子の製造方法。

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