JP2013218272A - 耐光性プラスチックシート及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程が簡単でコストが低く、表面積の大きくすることのできるプラスチックシートであって、光、特に青色レーザを含む波長域のレーザ光に対して高い耐性を有する耐光性プラスチックシートを提供する。
【解決手段】本発明による耐光性プラスチックシートは、少なくとも一つの面に、可視光の波長より小さなピッチａで、高さｂが５０ナノメータ以上の格子を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光、特に青色レーザを含む波長域のレーザ光に対して高い耐性を有する耐光性プラスチックシート及びその製造方法に関する。

プラスチックは安価で成形性に優れるので、光学素子をはじめ広い分野で使用されている。しかし、プラスチックは、青色乃至紫外域の光にさらされると、プラスチックを構成する高分子が破壊され、白濁や変形が生じる場合がある。特に、光学素子の場合には、収差の増大などの問題を生じる。そこで、たとえば、青色レーザ（波長は４０５ナノメータ）用の光学素子の場合には、光学素子の表面に保護膜を形成するなどの対策がとられていた（たとえば、特許文献１）。しかし、光学素子の表面に保護膜を形成するためには、製造工程が複雑となり、製造コストも上昇する。また、上記の方法は、小型の光学素子に適用することはできるが、表面積の大きなプラスチックシートに適用することはできない。

特開2012-27412号公報

したがって、製造工程が簡単でコストが低く、表面積を大きくすることのできるプラスチックシートであって、光、特に青色レーザを含む波長域のレーザ光に対して高い耐性を有する耐光性プラスチックシートに対するニーズがある。

本発明の第１の態様による耐光性プラスチックシートは、少なくとも一つの面に、可視光の波長より小さなピッチで、高さが５０ナノメータ以上の格子を設けている。

本発明の第１の態様による耐光性プラスチックシートは、光、特に青色レーザを含む波長域のレーザ光に対して高い耐性を有する。また、本発明による耐光性プラスチックシートの製造工程は簡単でコストが低く、表面積を大きくすることができる。

本発明の第１の態様の第１の実施形態による耐光性プラスチックシートは、６０ｍＷ／ｍｍ^２の照射条件で、波長４０５ナノメータのレーザ光を１０００時間照射した前後の透過率の変化が２％以下であるようなレーザ耐性を有する。

本発明の第１の態様の第２の実施形態による耐光性プラスチックシートは、前記ピッチに対する前記高さの比が０．５以下である。

反射防止用格子や偏光制御用格子などと異なり、耐光性プラスチックシートの、格子ピッチに対する格子高さの比、すなわち、アスペクト比は、０．５以下であっても、十分な耐光性が得られる。

本発明の第１の態様の第３の実施形態による耐光性プラスチックシートは、前記格子を両面に設けている。

本実施形態によれば、格子を一方の面に設けた場合よりも耐光性がさらに向上する。

本発明の第１の態様の第４の実施形態による耐光性プラスチックシートは、少なくとも一つの面に、レンズ形状を備えている。

本実施形態による耐光性プラスチックシートは、耐光性を有するレンズとして使用することができる。

本発明の第２の態様による耐光性プラスチックシートの製造方法は、少なくとも一つの面に、可視光の波長より小さなピッチで、高さが５０ナノメータ以上の格子を設けた、耐光性プラスチックシートを製造する耐光性プラスチックシートの製造方法である。本方法は、サブ波長構造パターンを製作するステップと、サブ波長構造パターンを電鋳技術により金属板の表面に転写するステップと、前記金属板をロールの表面に貼り付けるステップと、プラスチックシートを前記ロールと接触させながら移動させることによって、前記プラスチックシートの表面にサブ波長構造パターンを転写するステップと、を含む。

本態様によれば、簡単な製造工程によって表面積の大きな耐光性プラスチックシートを製造することができる。

本発明の第３の態様による光学素子は、本発明の第１の態様による耐光性プラスチックシートを少なくとも表面の一部に貼り付けた光学素子である。

本態様によれば、簡単な製造工程により耐光性の光学素子が得られる。

ＳＷＳ（サブ波長構造）を説明するための図である。 実施例１、実施例２及び比較例１のプラスチックシートのレーザ照射前後の透過率変化量を示す図である。 実施例３及び比較例２のプラスチックシートのレーザ照射前後の透過率変化量を示す図である。 実施例５及び比較例３のプラスチックシートのレーザ照射前後の透過率変化量を示す図である。 本発明の耐光性プラスチックシートの製造方法の一例を示す流れ図である。 ＳＷＳ（サブ波長構造）パターンの製作方法の一例を説明するための図である。

本発明の発明者は、プラスチックシートの表面に、格子ピッチが波長以下である、いわゆるサブ波長構造（Sub-Wavelength Structure、以下ＳＷＳとも呼称する）を付与すると、青色レーザを含む波長域のレーザ光に対する耐性が著しく向上するという新たな知見を得た。

ＳＷＳは、従来、たとえば、反射防止用や偏光制御用などに使用されていた。反射防止用のＳＷＳは、光学素子の表面に射出成形によって形成されるもの（特許4206447）や、エッチングで直接形成されるもの（特開2001-272505）であった。偏光制御用のＳＷＳは、屈折率の異なる多層の材料から形成されるもの（特開2006-330105）などであった。

しかし、ＳＷＳが、光、特に青色レーザを含む波長域のレーザ光に対する耐性を向上させるために使用されることはなかった。最初に、上記の新たな知見について説明する。

図１は、ＳＷＳを説明するための図である。格子１０１のピッチａは、可視光の波長よりも小さく、一例として、３００ナノメータ以下である。格子１０１の深さ（高さ）ｂは、一例として５０ナノメータ以上である。

ここで、格子ピッチに対する格子高さの比、すなわちアスペクト比は、後で実施例に関して説明するように、反射防止用ＳＷＳや偏光制御用ＳＷＳよりも小さくとも光に対する耐性が得られる。

厚さ２ミリメータのプラスチックシート上にＳＷＳを形成し、その面に所定の条件でレーザ光を照射し、レーザ照射前後の透過率の変化量を観測することにより、プラスチックシートのレーザ光に対する耐性を調査するための実験を実施した。

表１は、この実験の結果を示す表である。表１において、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒは、商品名であり、シクロオレフィンポリマーからなる、耐光性のプラスチック材料である。アクリペット ＶＨ００１は、商品名であり、ポリメタクリル酸メチル樹脂からなる、耐光性ではないプラスチック材料である。また、表１において、微細構造は、ＳＷＳを指す。

図２は、実施例１、実施例２及び比較例１のプラスチックシートのレーザ照射前後の透過率変化量を示す図である。実施例１、実施例２及び比較例１のプラスチックシートの材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒである。実施例１のプラスチックシートは、格子ピッチ３００ナノメータ、格子高さ１４０ナノメータのＳＷＳをレーザ照射側の面に形成し、格子ピッチ３００ナノメータ、格子高さ１１０ナノメータのＳＷＳを反対側の面に形成したものである。実施例２のプラスチックシートは、格子ピッチ２６０ナノメータ、格子高さ１８４ナノメータのＳＷＳをレーザ照射側の面にのみ形成したものである。比較例１のプラスチックシートの面には、ＳＷＳを形成しなかった。実施例１、実施例２及び比較例１のプラスチックシートに対しては、７５℃の恒温条件において波長４０５ナノメータのレーザ光を、２８７ｍＷ／ｍｍ^２のパワー密度で２００時間照射した。実施例１、実施例２及び比較例１のプラスチックシートの透過率変化量は、それぞれ０．８７％、１．７８％及び６．８９％であった。透過率変化量が小さいことは、プラスチックシートの光学特性が変化していないこと、したがって、レーザ光に対する耐性が高いことを示す。いずれの面にもＳＷＳを形成しなかった比較例１のプラスチックシートと比較して、少なくとも一面にＳＷＳを形成した実施例１及び２のプラスチックシートのレーザ光に対する耐性は著しく向上している。

なお、ここで実施例１のプラスチックシートの両面に付与した格子のアスペクト比は、０．５以下である。アスペクト比が０．５以下であっても、上述のように十分な耐光性が得られる点に留意すべきである。

図３は、実施例３及び比較例２のプラスチックシートのレーザ照射前後の透過率変化量を示す図である。実施例３及び比較例２のプラスチックシートの材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒである。実施例３のプラスチックシートは、格子ピッチ３００ナノメータ、格子高さ１４０ナノメータのＳＷＳをレーザ照射側の面に形成し、格子ピッチ３００ナノメータ、格子高さ１１０ナノメータのＳＷＳを反対側の面に形成したものである。比較例２のプラスチックシートの面には、ＳＷＳを形成しなかった。実施例３及び比較例２のプラスチックシートに対しては、７５℃の恒温条件において波長４０５ナノメータのレーザ光を、６０ｍＷ／ｍｍ^２のパワー密度で１０００時間照射した。実施例３及び比較例２のプラスチックシートの透過率変化量は、それぞれ０．８７％及び７．６８％であった。いずれの面にもＳＷＳを形成しなかった比較例２のプラスチックシートと比較して、両面にＳＷＳを形成した実施例３のプラスチックシートのレーザ光に対する耐性は著しく向上している。

なお、ここで実施例３のプラスチックシートの両面に付与した格子のアスペクト比は、０．５以下である。アスペクト比が０．５以下であっても、上述のように十分な耐光性が得られる点に留意すべきである。

なお、実施例１及び２と比較して、実施例３においては、レーザのパワー密度を２８７ｍＷ／ｍｍ^２から６０ｍＷ／ｍｍ^２に減少させた。このとき、実施例１及び２におけるレーザの積算光量は、５７４００ｍＷｈ／ｍｍ^２、実施例３におけるレーザの積算光量は、６００００ｍＷｈ／ｍｍ^２であり、ほぼ同じである。このようにレーザのパワー密度を変化させてもほぼ同様の結果が得られた。

実施例４のプラスチックシートの材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒである。実施例４のプラスチックシートは、格子ピッチ３００ナノメータ、格子高さ１４０ナノメータのＳＷＳをレーザ照射側の面に形成し、格子ピッチ３００ナノメータ、格子高さ１１０ナノメータのＳＷＳを反対側の面に形成したものである。実施例４のプラスチックシートに対しては、７５℃の恒温条件において波長４０５ナノメータのレーザ光を、２８７ｍＷ／ｍｍ^２のパワー密度で４００時間照射した。実施例４のラスチックシートの透過率変化量は、３．９５％であった。

なお、ここで実施例４のプラスチックシートの両面に付与した格子のアスペクト比は、０．５以下である。アスペクト比が０．５以下であっても、上述のように十分な耐光性が得られる点に留意すべきである。

レーザ照射後に実施例４のプラスチックシートのＳＷＳを顕微鏡で観察すると、格子形状が崩れていた。レーザ照射の際に、格子高さが大きいほど格子形状は崩れにくいと考えられる。このことから、格子高さをより大きくすることにより、たとえば、アスペクト比を１以上とすることで、レーザ光に対する耐性をさらに高めることができると推定される。

図４は、実施例５及び比較例３のプラスチックシートのレーザ照射前後の透過率変化量を示す図である。実施例５及び比較例３のプラスチックシートの材料は、アクリペット ＶＨ００１である。実施例５のプラスチックシートは、格子ピッチ３００ナノメータ、格子高さ２６７ナノメータのＳＷＳをレーザ照射側の面に形成し、格子ピッチ３００ナノメータ、格子高さ８０ナノメータのＳＷＳを反対側の面に形成したものである。比較例３のプラスチックシートの面には、ＳＷＳを形成しなかった。実施例３及び比較例２のプラスチックシートに対しては、７５℃の恒温条件において波長４０５ナノメータのレーザ光を、２８７ｍＷ／ｍｍ^２のパワー密度で２００時間照射した。実施例５及び比較例３のプラスチックシートの透過率変化量は、それぞれ２２．２％及び５６．１％であった。アクリペット ＶＨ００１は耐光性の材料ではないので、たとえば、実施例１の場合の透過率変化量と比較して実施例５の場合の透過率変化量は大きくなっている。しかし、いずれの面にもＳＷＳを形成しなかった比較例３のプラスチックシートと比較して、両面にＳＷＳを形成した実施例５のプラスチックシートのレーザ光に対する耐性は著しく向上している。このように、本発明は、耐光性ではない材料から構成されるプラスチックシートに対しても有効である。

上記の実験においては波長４０５ナノメータの青色レーザ光を使用して本発明によるプラスチックシートの耐光性を検証した。波長４０５ナノメータの青色レーザ光を使用したのは、プラスチックが一般的に青色乃至紫外域の光に対して特に耐性が低いためである。本発明による耐光性プラスチックシートは、青色レーザ光に対して高い耐性を有するので、青色乃至紫外域の光を含む広い波長範囲の光に対対しても高い耐性を有すると考えられる。したがって、本発明による耐光性プラスチックシートは、青色レーザ光のみならず、広い波長範囲の光に対して耐光性に関して有利に使用することができる。

つぎに、本発明の耐光性プラスチックシートの製造方法について説明する。

図５は、本発明の耐光性プラスチックシートの製造方法の一例を示す流れ図である。

図５のステップＳ０１０において、所定の大きさのＳＷＳパターンを製作する。

図６は、ＳＷＳパターンの製作方法の一例を説明するための図である。

図６の（ａ）において、たとえば、ニッケルなどの金属やシリコンなどの半金属、石英ガラスなどの非金属から形成される基板２０１を準備する。

図６の（ｂ）において、基板２０１上にレジスト２０３を塗布する。

図６の（ｃ）において、電子ビームによってレジスト２０３を、ＳＷＳのパターンにしたがって部分的に露光する。

図６の（ｄ）において、ＳＷＳのパターンにしたがって露光したレジストを現像する。

図６の（ｅ）において、エッチングを行うことにより、基板２０１にＳＷＳパターンを形成する。

図５のステップＳ０２０において、基板のＳＷＳパターンを電鋳技術によって薄い金属板上に転写する。ここで、金属板の厚さは、一例として、０．２乃至０．３ミリメータである。

図５のステップＳ０３０において、薄い金属板を成形用ロール表面に貼り付ける。たとえば、ロールの直径を４０ミリメータ、幅を３０ミリメータとすると、ロールの幅全体を成形に使用する場合には、１２６ｍｍ×３０ｍｍの金属板が必要となる。この大きさの金属板を製作するのが困難な場合には、より小さな金属板をロール面に隙間なく貼り付けてもよい。また、ロールの幅の一部のみに金属板を貼り付けてもよい。

図５のステップＳ０４０において、プラスチックシートをロールと接触させながら移動させることによって、プラスチックシートの表面にＳＷＳのパターンを転写することができる。この場合にプラスチックシートは予め加熱しておく。さらに、転写率を上げるために、ロール自体を加熱してもよい。ロールによって、プラスチックシートに連続的にＳＷＳパターンを転写することにより、プラスチックシートの広い面にＳＷＳを形成することができる。ＳＷＳパターンを備えた金属板を貼り付けた２個のロールの間にプラスチックシートを通すことによって、プラスチックシートの両面にＳＷＳパターンを形成することができる。さらにこのようにして製作したプラスチックシートを張り合わせることにより、より広い面積のプラスチックシートが得られる。

上記において、ロール成形によってＳＷＳを備えた広い面積のプラスチックシートを製造する方法を説明した。本発明によるＳＷＳを備えたプラスチックシートは、金型を使用した射出成形やプレス成形によっても製造することができる。

本発明によるＳＷＳを備えたプラスチックシートの厚さは、具体的に、０．２乃至１ミリメータである。ただし、本発明のプラスチックシートは、この厚さの範囲に限定されることなく、０．２ミリメートル以下のフィルム状、または１ミリメートル以上のプレート状であっても同様の耐光性が得られる。

本発明によるＳＷＳを備えたプラスチックシートは、プラスチックからなる光学素子を光から保護するために光学素子の面に溶着などで貼り付けて使用することができる。またはインサート成形を用いてもよい。

また、本発明によるＳＷＳを備えたプラスチックシートは、プレート状の独立した光学素子としても使用することができる。

さらに、本発明によるＳＷＳを備えたプラスチックシートは、より一般的に、紫外光や青色レーザに対する耐性を要求される広い用途に使用することができる。たとえば、ビニールハウス用シート、ショーウィンドウ用のアクリル板、屋外紫外光に暴露される製品カバー、太陽光発電パネル用保護シート、青色光学素子用保護シートなどに使用することができる。

本発明をビニールハウスなど屋外で使うシート品に適用することで製品の長寿命化が期待できる。また本発明による耐光性プラスチックシートをアクリル板に溶着することで長時間屋外使用が可能で、より強度の高いショーウィンドウが製造可能である。また、本発明による耐光性プラスチックシートを使用することにより、屋外で使用され、意匠性や機能面から透明性が必要な製品カバーの耐光性を高めることができる。青色光学素子は長時間の光照射により透過率が下がってしまうが、本発明による耐光性プラスチックシートと一体化することでより長時間の使用が可能となる。

１０１…格子、２０１…基板、２０３…レジスト

Claims (7)

1. 少なくとも一つの面に、可視光の波長より小さなピッチで、高さが５０ナノメータ以上の格子を設けた、耐光性プラスチックシート。
2. ６０ｍＷ／ｍｍ^２の照射条件で、波長４０５ナノメータのレーザ光を１０００時間照射した前後の透過率の変化が２％以下であるようなレーザ耐性を有する請求項１に記載の耐光性プラスチックシート。
3. 前記ピッチに対する前記高さの比が０．５以下である請求項１または２に記載の耐光性プラスチックシート。
4. 前記格子を両面に設けた請求項１から３のいずれかに記載の耐光性プラスチックシート。
5. 少なくとも一つの面に、レンズ形状を備えた請求項１から４のいずれかに記載の耐光性プラスチックシート。
6. 少なくとも一つの面に、可視光の波長より小さなピッチで、高さが５０ナノメータ以上の格子を設けた、耐光性プラスチックシートを製造する耐光性プラスチックシートの製造方法であって、
   サブ波長構造パターンを製作するステップと、
   サブ波長構造パターンを電鋳技術により金属板の表面に転写するステップと、
   前記金属板をロールの表面に貼り付けるステップと、
   プラスチックシートを前記ロールと接触させながら移動させることによって、前記プラスチックシートの表面にサブ波長構造パターンを転写するステップと、
   を含む耐光性プラスチックシートの製造方法。
7. 請求項１から５のいずれかに記載の耐光性プラスチックシートを少なくとも表面の一部に貼り付けた光学素子。

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