JP2012220714A - 屈折率分布構造体とその製造方法、屈折率分布構造体を備えた画像表示装置 - Google Patents

屈折率分布構造体とその製造方法、屈折率分布構造体を備えた画像表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数の微粒子の配列による屈折率分布構造体を構成するに当たり、これらの複数の微粒子間の密度のムラを抑制し、
面内で均一な特性を得ることができ、再現性が高く安定化を図ることが可能となる屈折率分布構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】屈折率分布構造体の製造方法であって、
シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成された同じコア径のコア微粒子が、異なるシェル厚からなる前記シェル中に設けられたコアシェル微粒子を製造する工程と、
前記コアシェル微粒子を基板上に複数配列し、屈折率分布構造体を形成する工程と、を有する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、屈折率分布構造体とその製造方法、屈折率分布構造体を備えた画像表示装置に関する。特に、光拡散板などに用いられる屈折率分布構造体とその製造方法に関するものである。

背景媒質中に、背景媒質とは異なる屈折率を有する複数の構造体を配置した屈折率分布構造体は、フォトニック結晶や光散乱板など、様々な光学機能素子として用いられている。
屈折率分布構造体に光が入射した際の、透過散乱光または反射散乱光の配向特性は、次のようになる。
構造体を周期的に配置した場合、構造体で生じる回折光の干渉により、各回折次数に対応した特定の方向の散乱光強度が強い配向特性となる。
一方、完全にランダムに構造体を配置した場合、光散乱の配向が一様となる。
スクリーンに用いる場合などは、光散乱の配向特性を適度に制御する必要がある。
その場合は、構造体の形状を一定にし、構造体の配置をランダムにし、かつ各構造体の間隔の平均値と平均値からのばらつきを管理することにより、光散乱特性の配向特性を制御することが可能となる。

適度に制御されたランダムな屈折率分布構造体を作製する方法として、微小球を分散させて屈折率分布構造体を形成する方法が知られている(非特許文献1参照)。
このような、屈折率分布構造体においては、単位面積あたりに分散する微小球の個数を、最密充填に必要な個数より少ない個数にし、微小球同士の平均間隔を管理するように構成される。

Appl.Phys.Lett.vol.41,No.4,pp.377,H.W.Deckman et al."Natural Lithography"(1982/8/15)

しかしながら、上記従来例の屈折率分布構造体においては、つぎのような課題を有している。
すなわち、従来例の屈折率分布構造体は、図7(a)に示すように微小球が密に配列されている領域と、疎に配列されている領域とが形成されることにより微小球密度にムラが生じる。このときの微小球間距離の頻度分布を図7(b)に示す。
屈折率分布構造の散乱光の配向分布は、平均微小球間距離で決定される配向角を中心として、微小球間距離のばらつきに応じた広がりを持ったものとなる。
そのため、微小球間距離のばらつきが面内で変化していると、場所により光散乱特性が変化し、面内で均一に所望の光学特性が得られないこととなる。
また、作製の度に、微小球間距離のばらつき具合も変化するため、再現性も低くなる。

本発明は、上記課題に鑑み、複数の微粒子の配列による屈折率分布構造体を構成するに当たり、これらの複数の微粒子間の密度のムラを抑制し、
面内で均一な特性を得ることができ、再現性が高く安定化を図ることが可能となる屈折率分布構造体とその製造方法、屈折率分布構造体を備えた画像表示装置の提供を目的とする。

本発明の屈折率分布構造体の製造方法は、
シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成された同じコア径のコア微粒子が、異なるシェル厚からなる前記シェル中に設けられたコアシェル微粒子を製造する工程と、
前記コアシェル微粒子を基板上に複数配列し、屈折率分布構造体を形成する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の屈折率分布構造体は、シェル中にコア微粒子が設けられたコアシェル微粒子を複数配列した構造を備え、
前記複数のコアシェル微粒子は、それぞれのコア微粒子が同じコア径で、異なるシェル厚に形成され、
前記コア微粒子が、前記シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の画像表示装置は、上記した屈折率分布構造体を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の微粒子の配列による屈折率分布構造体を構成するに当たり、これらの複数の微粒子間の密度のムラを抑制し、
面内で均一な特性を得ることができ、再現性が高く安定化を図ることが可能となる屈折率分布構造体とその製造方法、屈折率分布構造体を備えた画像表示装置を実現することができる。
特に、光学素子として用いた場合に面内で均一な光散乱特性を得ることが可能となる。

本発明の実施例1における屈折率分布構造体の製造方法を説明する図。 本発明の実施例1における図1(b)に示される屈折率分布構造体の上面図。 本発明の実施例1におけるコアシェル微粒子の構成を説明する図であり、(a)はシェル厚Tによるコアシェル微粒子の個数頻度分布を示す図、(b)はコア微粒子間距離Lによるコアシェル微粒子の頻度分布を示す図。 本発明の実施例1における別の形態による屈折率分布構造体の製造方法を説明する図。 本発明の実施例2における屈折率分布構造体を備えた画像表示装置の構成例を説明する図であり、(a)は画像表示装置の側面図、(b)は屈折率分布構造体の上面図。 本発明の実施例2における屈折率分布構造体の製造方法を説明する図。 従来例における屈折率分布構造体について説明する図。

本発明は、コア微粒子の径が一定で、かつシェル厚のばらつきが管理された複数のコアシェル微粒子を密に配列した屈折率分布構造体が構成される。
これにより、屈折率分布構造体の平均コア微粒子間距離とコア微粒子間距離のばらつきが所望の値とされた、微粒子間の密度のムラが抑制され、面内で表示特性等が均一で、かつ再現性の高い安定した屈折率分布構造体を得ることができる。以下に、本発明の実施例について説明する。

実施例1として、本発明を適用した屈折率分布構造体とその製造方法の構成例を、図1、図2を用いて説明する。
図1は本実施例の屈折率分布構造体の製造方法を説明する図であり、図2は図1(b)に示される屈折率分布構造体の上面図である。
図1、図2において、100は屈折率分布構造体、101は基板、102は接着層、103はコアシェル微粒子、104はコア微粒子(以下、コアと記す。)、105はシェルである。
本実施例の屈折率分布構造体100は、複数のコアシェル微粒子を備えた構造を有している。
これらの複数のコアシェル微粒子は、シェル中に該シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成された同じコア径のコアと、異なるシェル厚からなるシェルとによって構成されている。

つぎに、このような本実施例におけるコアシェル微粒子の製造方法について説明する。
まず、図1(a)に示すように、基板101上に接着層102を成膜する。
次に、上記基板上にコアシェル微粒子を複数配列するに際し、コアシェル微粒子103を溶媒に分散した分散液を塗布し、乾燥などにより溶媒を除去し、複数のコアシェル微粒子103を、シェル同士が接するように密に一層配列する。
さらに、余分なコアシェル微粒子を除去することにより、屈折率分布構造体100を作製する(図1(b))。屈折率分布構造体100の上面図を図2に示す。

上記製造方法において用いられるコアシェル微粒子103において、コア104を形成する材料は、その屈折率がシェル105を形成する材料の屈折率よりも高いものが用いられる。
これにより、コア104の形状および面内の配置により、屈折率分布構造体100の光散乱特性を決めることができる。
複数のコアシェル微粒子103は、一定のコア径Rcを有するコア104とシェル厚Tを有するシェル105で構成される。

複数のコアシェル微粒子103のシェル厚Tの個数頻度分布を図3(a)に示す。
シェル厚Tは、平均シェル厚Taを中心に、所望のばらつきを有している。
図3(a)に示す個数頻度分布のコアシェル微粒子103を配列した屈折率分布構造体100のコア微粒子間距離(コア104間距離)Lの頻度分布を図3(b)に示す。
このとき、コア微粒子間距離Lの平均値Laは、以下に示す式1で表される値となる。

La=Rc+Ta×2…(式1)

また、コア微粒子間距離Lのばらつき量は、シェル厚Tのばらつき量の2倍に等しい。
以上、示したように、コア径が一定で、かつシェル厚が所望の個数頻度分布を有するコアシェル微粒子を密に配列する。
これにより、コア径が一定で、平均コア微粒子間距離とコア微粒子間距離のばらつきが所望の値である屈折率分布構造体を、面内で均一、かつ再現性高く作製することができる。
また、コア径が一定で、シェル厚の異なる複数のコアシェル微粒子を配列した構造は、シェル厚の違いにより、コアの高さ方向の位置が面内で異なる屈折率分布構造体とすることができ、光散乱性を強くすることができる。

つぎに、上記したコア径が一定で、シェル厚の異なるコアシェル微粒子の製造方法について説明する。
このようなコアシェル微粒子の製造方法として、複数種の元素を用いた噴霧等による熱分解法、熱プラズマ法、真空蒸着被覆法、気中懸濁被覆法、等の物理的方法を用いることができる。
これ以外の方法として、例えば、複合金属アルコキシドを加水分解重合するアルコキシド法、水溶液系或いは有機溶剤系からの相分離法、界面重合法、等を挙げることができる。
これら公知の方法を用いることにより、製造条件をコントロールし、核となるコア微粒子の径を一定にしつつ、シェル厚が所望のばらつきを持つコアシェル微粒子を製造することができる。
あるいは、公知の方法により単分散のコア粒子を作製し、次に、公知の方法によりシェルを形成する。
その後、コアシェル微粒子の外径に基づいて分球し、所望のばらつきとなるように、外径の異なるコアシェル微粒子を混合する。
コアおよびシェルの材料は、屈折率の異なる2つの材料から任意に選択可能である。例えば、SiO2やTiO2、Al23、ZnOなどの誘電体や有機高分子、金属、半導体などを用いる。
本発明において、コア径が一定とは、コア粒子が単分散と見なせる範囲で一定という意味であり、例えばコア径のばらつきが10%以内であることを示す。
作製の再現性を高くするためには、コアシェル微粒子のシェル同士が接するように、密に配列することが望ましい。
コアシェル微粒子を配列する面内方向におけるシェル部を含むコアシェル微粒子の面積充填率が0.5以上となるように配列するのがよく、より望ましくは0.7以上となるように配列するのが望ましい。

なお、図4(a)に示すように、エッチングによりシェル105を除去し、コア粒子104のみが配列した屈折率分布構造体200としてもよい。
シェルを除去することにより、コア粒子周囲媒質の選択の自由度を高めることができ、実現可能な光散乱特性の自由度を増すことができる。
さらに、図4(a)に示す構造をエッチングマスクとして、基板101をエッチングして、柱状構造による屈折率分布構造体210を形成してもよい(図4(b))。
また、基板101上に成膜した薄膜221をエッチングして屈折率分布構造体220を形成してもよい(図4(c))。
なお、シェル105を除去せずに、図2に示すコアシェル微粒子103を配列した構造をエッチングマスクとして用いてもよい。
このように、コアシェル微粒子を配列した構造をエッチングマスクとしてエッチングし、柱状構造による屈折率分布構造体を作製することで、屈折率分布構造体の屈折率の自由度を増し、実現可能な光散乱特性の自由度を増すことができる。また、屈折率分布構造体の厚さもエッチング深さにより変えることが可能なため、実現可能な光散乱特性の自由度をさらに増すことができる。
本実施例においては、コアシェル微粒子を一層配列した構成を示したが、複数層積層し、3次元の屈折率分布構造体を作製してもよい。

[実施例2]
実施例2として、本発明による屈折率分布構造体を、画像表示装置に適用した構成例について、図5を用いて説明する。
本実施例の画像表示装置300は、画像観察者側から、基板301、屈折率分布構造体302、発光層303の順で構成される(図5(a))。
屈折率分布構造体302は、低屈折率の材料による背景媒質(シェル)305中に、背景媒質を形成する材料の屈折率よりも高い屈折率の材料で形成された構造体(コア微粒子)304がランダムに配置された構造になっている(図5(b))。
屈折率分布構造体302は、画像観察者側から入射した外光を散乱反射する役割と、発光層303で発光した表示光を回折・散乱させて画像観察者側に取り出す役割を有する。

外光を散乱反射する際に、屈折率分布構造体302を構成する構造体304が周期的に配列されていると、外光の波長と屈折率分布構造体302の周期で決まる特定の方向の散乱光強度が強くなる。
散乱光強度が強くなる方向は、波長に依存するため、反射像が色割れする。これを避けるために、構造体304の配列をランダムにする必要がある。
屈折率分布構造体302の散乱反射光の配向分布は、外光の波長と構造体間距離の平均値で決定される配向角を中心として、構造体間距離のばらつきに応じた広がりを持ったものとなる。
この時、各色の反射散乱光の広がり範囲が、各色の反射散乱光強度が強い方向を含むように設定することにより、反射像の色割れを低減することができる。
つまり、構造体間距離の平均値をLa、構造体間距離の標準偏差をLsとすると、青色である波長450nmの光と赤色である波長650nmの光の反射散乱光が重なるためには、以下の式2を満たす必要がある。

なお、構造体間距離(コア微粒子間距離)のばらつき量Lsは、構造体間距離(コア微粒子間距離)の平均値Laからの差分のrms(平方和の正の平方根)である。

0.18<Ls/La…(式2)

より望ましくは、可視波長域端である波長400nmと波長700nmの光の反射散乱光が重なるために、以下の式3を満たす必要がある。

0.27<Ls/La…(式3)

一方、発光層303で発光した表示光を回折・散乱させて画像観察者側に効率良く取り出すためには、基板301の観察者側界面への入射角が臨界角以内である成分を増やす必要がある。
このため、一様な光散乱特性ではなく、基板301の観察者側界面への入射角が臨界角以内になる特定の方向の光散乱強度を高めることが望ましい。
よって、屈折率分布構造体を設けることで、表示光の取り出し効率を上げるためには、以下の式4を満たす必要がある。

Ls/La<0.8…(式4)

より望ましくは、以下の式5を満たすと良い。

Ls/La<0.6…(式5)

以上より、例えば構造体間距離Laが2.6μm、構造体間距離のばらつき量Lsが0.3の屈折率分布構造体302を用いることにより、色割れのない外光拡散反射特性と高い表示光取り出し効率を有する画像表示装置が実現できる。

つぎに、上記の屈折率分布構造体302の製造方法について説明する。
まず、コア径800nmでシェル厚の平均値が900nm、シェル厚の標準偏差が390nmの複数のコアシェル微粒子307を作製する。
コアシェル微粒子307の外径平均値は2.6μm、外径の標準偏差は0.78μmである。
図6(a)に示すように、構造体304を構成する材料の薄膜306を基板301上に成膜し、コアシェル微粒子307を密に配列する。
コアシェル微粒子307のコアを構成する材料は耐性を有するエッチャントを用いて、コアシェル微粒子307のシェル部および薄膜306をエッチングして構造体304を形成する(図6(b))。
次に、図6(c)に示すように、コアシェル微粒子307を除去し、構造体304の屈折率より低い屈折率の材料を充填し、背景媒質305を形成し、屈折率分布構造体302を形成する。
さらに、発光層303を形成して、画像表示装置300を作製する。
以上の工程により、構造体間距離Laが2.6μm、構造体間距離のばらつき量Lsが0.3の屈折率分布構造体302を形成でき、色割れのない外光拡散反射特性と高い表示光取り出し効率を有する画像表示装置が実現できる。

よって、コアシェル微粒子の外径の平均値が、式2から式5に示すLaに相当し、シェル厚の標準偏差の2倍が、式2から式5のLsに相当する。
つまり、コアシェル微粒子の外径の平均値をR、シェル厚の標準偏差をTsとすると、式6の関係を満たすコアシェル微粒子を密に配列することにより、所望の散乱特性を有する屈折率分布構造体を作製することができる。

0.09<Ts/R<0.4…(式6)

より望ましくは、式7を満たすことが望ましい。

0.135<Ts/R<0.3…(式7)

なお、実施例1に示したように、配列したコアシェル微粒子そのものやシェルを除去した構造を屈折率分布構造体としてもよい。
また、コアおよびシェルを構成する材料の屈折率より低い屈折率を有する材料で、それらの周囲を埋めた構造を屈折率分布構造体としてもよい。

100:屈折率分布構造体
101:基板
102:接着層
103:コアシェル微粒子
104:コア
105:シェル

Claims (9)

  1. 屈折率分布構造体の製造方法であって、
    シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成された同じコア径のコア微粒子が、異なるシェル厚からなる前記シェル中に設けられたコアシェル微粒子を製造する工程と、
    前記コアシェル微粒子を基板上に複数配列し、屈折率分布構造体を形成する工程と、
    を有することを特徴とする屈折率分布構造体の製造方法。
  2. 前記コアシェル微粒子を配列した後、前記シェルのみを除去する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
  3. 前記コアシェル微粒子をエッチングマスクとして用い、エッチングによって柱状構造を形成する工程を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
  4. 前記コアシェル微粒子を配列する面内方向における前記コアシェル微粒子の面積充填率を、0.5以上となるようにして製造することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
  5. 前記コアシェル微粒子の外径をR、前記コアシェル微粒子のシェル厚の標準偏差をTsとしたとき、以下の式の関係を満たすようにして製造することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の屈折率分布構造体の製造方法。

    0.09<Ts/R<0.4
  6. 屈折率分布構造体であって、
    シェル中にコア微粒子が設けられたコアシェル微粒子を複数配列した構造を備え、
    前記複数のコアシェル微粒子は、それぞれのコア微粒子が同じコア径で、異なるシェル厚に形成され、
    前記コア微粒子が、前記シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成されていることを特徴とする屈折率分布構造体。
  7. 前記コアシェル微粒子は、該コアシェル微粒子の配列された面内方向における該コアシェル微粒子の面積充填率が0.5以上であることを特徴とする請求項6に記載の屈折率分布構造体。
  8. 前記コアシェル微粒子の外径の平均値をR、前記コアシェル微粒子のシェル厚の標準偏差をTsとしたとき、以下の式の関係を満たすことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の屈折率分布構造体。

    0.09<Ts/R<0.4
  9. 請求項6から8のいずれか1項に記載の屈折率分布構造体を備えていることを特徴とする画像表示装置。
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