JP4670244B2

JP4670244B2 - 多層膜光学部材およびその製造方法

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Publication number: JP4670244B2
Application number: JP2004034734A
Authority: JP
Inventors: 透岩根
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Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2011-04-13
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Description

本発明は、光重合型液晶の多層膜からなる光学部材およびその製造方法に関する。

特定波長の光を反射させたり透過させる多層膜は、従来、蒸着法で製作されている。これは、光学特性の異なる２種類以上の層が交互に多数積層されたもので、レンズや光学フィルター等の光学膜として応用されている。また、同様の干渉方式を利用する多層高分子膜は、ＧＢＯ(Giant Birefringent Optics)膜と呼ばれ、貼り合わせ法で製作されている。これは、延伸された薄い高分子フィルムを多数積層したもので、高分子フィルムの光学異方性を利用して、例えば偏光特性をもつ光学部材の製作が可能となる。
最近では、非重合性の液晶と光重合性の液状高分子材料とを一定比率で混合し、干渉性のある紫外線レーザを照射して液晶層と高分子層とが交互に積層された多層膜を作製する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１３９９７９号公報（第３頁、図１，３）

上記特許文献１の技術では、液晶と液状高分子材料との混合物を使用するので、混合が不均一であったり混合比に誤差があると、所望の光学特性をもつ多層膜を得ることはできない。また、光重合性の液状高分子材料の拡散速度に対して硬化反応速度を正確に制御するために、液晶と液状高分子材料との混合物に重合遅延剤や増感色素などを配合する必要があり、これらは不純物となるので、光学上の品質を落とす原因になる。つまり、光学的に高品質な光学部材を製作するのが難しいという問題がある。

請求項１の多層膜光学部材の製造方法は、未硬化の紫外線硬化型液晶を透明導電膜および配向膜が形成された一対の透明基板の間に注入する注入工程と、平行でコヒーレントな紫外光を前記一対の透明基板の各々を介して前記紫外線硬化型液晶へ照射し、前記未硬化の紫外線硬化型液晶を、第１の配向状態の液晶分子を含む第１の硬化層と前記第１の配向状態の液晶分子を含む未硬化層とが積層された積層構造とする第１の硬化工程と、前記一対の透明導電膜の間に電界を印加すると共に、紫外光を前記透明基板を介して前記積層構造を成す紫外線硬化型液晶へ照射し、前記未硬化層を第２の配向状態の液晶分子を含む第２の硬化層とする第２の硬化工程と、を行うことを特徴とする。

請求項２の多層膜光学部材の製造方法は、未硬化の紫外線硬化型液晶を配向膜が形成された一対の透明基板の間に注入する注入工程と、平行でコヒーレントな紫外光を前記一対の透明基板の各々を介して前記紫外線硬化型液晶へ照射し、前記未硬化の紫外線硬化型液晶を、第１の配向状態の液晶分子を含む第１の硬化層と前記第１の配向状態の液晶分子を含む未硬化層とが積層された積層構造とする第１の硬化工程と、前記一対の透明基板の間に注入された紫外線硬化型液晶を磁界中に保持すると共に、紫外光を前記透明基板を介して前記積層構造を成す紫外線硬化型液晶へ照射し、前記未硬化層を第２の配向状態の液晶分子を含む第２の硬化層とする第２の硬化工程と、を行うことを特徴とする。

本発明によれば、高品質な多層膜光学部材を簡便な方法で作製することができる。

以下、本発明による多層膜光学部材とその製造方法について、図１〜８を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態による多層膜光学フィルムを模式的に示す部分断面図である。図１では、多層膜光学フィルム１０の厚さ方向をｘとする直交座標で表わす。

図１を参照すると、多層膜光学フィルム１０は、２つの光学特性の異なる層、すなわちＡ層１とＢ層２が積層ピッチｄで交互に多数積層されて成る。多層膜光学フィルム１０の厚さは、ディスプレイに用いられる液晶パネル中の液晶層に比べて、数倍から１０倍程度であり、例えば数十μｍ〜１００μｍである。Ａ層１およびＢ層２は、同一の紫外線硬化型液晶を異なる硬化条件で硬化して成り、それぞれ異なる光学特性を有している。

本実施の形態で用いられる紫外線硬化型液晶の液晶分子は、一軸光学異方性を有し、一軸の屈折率楕円体をなしている。Ａ層１の屈折率楕円体１ａは、長軸が膜面方向（ｚ方向）と平行に配向され、Ｂ層２の屈折率楕円体２ａは、長軸が膜厚方向（ｘ方向）と平行に配向されている。このため、光学特性の異なるＡ層１とＢ層２が周期的に積層された多層膜光学フィルム１０全体として光学異方性を有することになる。なお、屈折率楕円体１ａと２ａの代表符号を１０ａで表わす。

図２を参照しながら、屈折率楕円体１０ａの性質を説明する。屈折率楕円体１０ａは、一軸結晶であり、ｘ，ｙ，ｚ方向の屈折率をそれぞれｎ_ｘ，ｎ_ｙ，ｎ_ｚとすると、屈折率ｎ_ｘとｎ_ｙは等しく、屈折率楕円体１０ａの長軸方向（ｚ方向）の屈折率ｎ_ｚは、ｎ_ｘ，ｎ_ｙとは異なる。入射光Ｋ１は、ｙ方向に平行に入射し、入射光Ｋ２は、ｚ方向に平行に入射する場合を考える。Ｓ１は、屈折率楕円体１０ａの中心を通り入射光Ｋ１に垂直な平面で屈折率楕円体１０ａを切断した楕円平面である。また、Ｓ２は、屈折率楕円体１０ａの中心を通り入射光Ｋ２に垂直な平面で屈折率楕円体１０ａを切断した円平面である。屈折率楕円体１０ａは、入射光Ｋ１に対しては、偏光方向によって２つの屈折率をもつ。すなわち、入射光Ｋ１の偏光方向がｚ方向の場合は屈折率ｎ_ｚであり、偏光方向がｘ方向の場合は屈折率ｎ_ｘである。また、屈折率楕円体１０ａは、入射光Ｋ２に対しては、偏光方向によらず、屈折率ｎ_ｘである。

図１において、偏光光が多層膜光学フィルム１０へ垂直入射する場合、偏光方向がｚ方向に平行な偏光光に対しては、屈折率ｎ_ｚのＡ層１と屈折率ｎ_ｘのＢ層２が交互に積層した多層膜として作用し、偏光方向がｙ方向に平行な偏光光に対しては、屈折率ｎ_ｘの単一層として作用する。

以下、図３〜５を参照して、本実施の形態の多層膜光学フィルム１０の製造方法を説明する。液晶注入前に、一対のガラス基板１１の内側面には、透明導電膜１２、例えばＩＴＯ(Indium-Tin Oxide)膜を形成し、さらに、透明導電膜１２上に配向膜１３、例えばポリイミド系高分子膜を塗布し、配向膜１３にラビングにより配向処理を施しておく。また、一方のガラス基板１１の内側面にスペーサ１４、例えばポリスチレン系ポリマーの真球を散布して付着させた後、２枚のガラス基板１１の内側面を対向させてガラスセルを組み上げる。スペーサ１４の厚さは、紫外線硬化型液晶の硬化収縮等を無視すれば、多層膜光学フィルム１０の厚さに相当する。ガラスセルの端面を液晶注入口を残して不図示のシール材で封止する。

このガラスセル中に液晶注入口から液状の紫外線硬化型液晶を注入し、液晶セル２０を作製する。この紫外線硬化型液晶は、例えばモノアクリレートと多官能アクリレートとを所定比率で混合することにより調製される。紫外線硬化型液晶は、配向方向に倣って配向する。紫外線硬化型液晶を注入した後に液晶注入口を接着剤で封止する。

紫外線硬化型液晶が注入された液晶セル２０に対して、表裏両面から紫外光Ｌ１およびＬ２を照射する。この工程は、第１の照射工程に相当する。紫外光Ｌ１，Ｌ２は、コヒーレントな平行光である。紫外光Ｌ１，Ｌ２の波長は、３００〜４００ｎｍ程度が望ましく、光源としては、例えば波長４０７ｎｍのＫｒレーザを使用できる。

紫外光Ｌ１，Ｌ２の２つの光束が干渉することにより、ガラス基板１１の表面と垂直方向に多数の干渉縞が生じる。すなわち、ガラス基板１１の表面と平行に周期的な光強度分布が生じる。液晶セル２０中で光強度の大きい空間にある紫外線硬化型液晶は、配向したまま硬化する。液晶セル２０中で光強度の小さい空間にある紫外線硬化型液晶は、重合反応が起こらず硬化しない。この段階では、液晶セル２０中の紫外線硬化型液晶は、硬化層（Ａ層１に対応）と液状の未硬化層（Ｂ層２に対応）の２層が周期的に積層した構造となっている。

図４の干渉光学系を参照して、第１の照射工程の一例を説明する。レーザ光源２１から放射した紫外光は、ハーフミラー２２で２つの光束に分岐される。ハーフミラー２２で反射した紫外光Ｌ１は、ミラー２３を経て入射角θで液晶セル２０の一方の面に入射し、透過した紫外光Ｌ２は、ミラー２４を経て同じ入射角θで液晶セル２０の他方の面に入射する。紫外光Ｌ１，Ｌ２の分岐位置から液晶セル２０までの紫外光Ｌ１とＬ２の光路差は、波長の整数倍に調整する。

第１の照射工程により紫外線硬化型液晶のＡ層１の硬化が終了した後、第２の照射工程に入る。第２の照射工程は、未硬化のＢ層２を硬化する工程である。
図５は、液晶セル２０に対し、一対の透明導電膜１２の間に電圧を印加し、紫外光Ｌ３を照射している状態を示す。電源装置２５により、透明導電膜１２間に電圧を印加すると、未硬化のＢ層２は、電界方向、すなわちｘ方向に再配向する。この状態で、強度分布が一様な紫外光Ｌ３を液晶セル２０に照射すると、Ｂ層２の液晶分子が再配向した配向方向を保ったまま硬化する。

Ｂ層２が硬化した後で、シール材を除去し、ガラスセルを分解し、多層膜光学フィルム１０をガラス基板１１から剥離する。その結果、配向方向が異なるＡ層１とＢ層２が繰り返し積層した多層膜光学フィルム１０が得られる。なお、紫外光Ｌ３は、ガラス基板１１の照射面で一様な強度をもつように、干渉し合わない非コヒーレント光を用いることが好ましい。紫外光Ｌ３は、液晶セル２０の片側から照射してもよいし、両側から照射してもよい。また、透明導電膜１２間に印加する電圧は、直流でもよいし、例えば１００Ｈｚ程度の低周波の交流でもよい。

本実施の形態では、紫外光Ｌ１，Ｌ２の液晶セル２０への入射角θを変えることにより、Ａ層１とＢ層２の層厚を変えることができる。先ず、図６を参照しながら定性的に説明する。図６（ａ）は、波面ｐ１、入射角θ１の平面波Ｌ１と、波面ｐ２、入射角θ１の平面波Ｌ２が液晶セル２０の両面から入射する場合を示す。図６（ｂ）は、波面ｐ３、入射角θ２の平面波Ｌ１と、波面ｐ４、入射角θ２の平面波Ｌ２が液晶セル２０の両面から入射する場合を示し、θ１＜θ２である。図６（ａ）では、平面波Ｌ１とＬ２が干渉して波面ｐ１とｐ２の交点で最大強度をもつとすると、これらの交点をｙｚ面上で結ぶ面がｘ方向に周期的に多数生成する。これが上述した干渉縞である。同様に、図６（ｂ）では、波面ｐ３とｐ４の交点をｙｚ面上で結ぶ面がｘ方向に周期的に多数生成する。干渉縞の縞間隔は、sinθに比例するので、図６（ａ）の縞間隔は、図６（ｂ）の縞間隔よりも狭くなる。

次に、平行光束を有する紫外光Ｌ１，Ｌ２について式を用いて説明する。紫外光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ式１，式２で表わされる。
ｒ_１（ｘ，ｙ）＝ｒ・exp（２πｉξｘ）（１）
ｒ_２（ｘ，ｙ）＝ｒ・exp（２πｉξ´ｘ）（２）
ここで、ｘは、ガラス基板１１の厚さ方向、ｙは、ガラス基板１１の表面と平行な方向、φは、ガラス基板１１と光の伝搬方向のベクトル（方向ベクトル）とのなす角度であり、φ＝９０°−θで表わすこともできる。λは、紫外光Ｌ１，Ｌ２の波長である。また、式１，式２において、ξ＝cosφ／λ、ξ´＝cos（π−φ）／λである。

紫外光Ｌ１，Ｌ２が干渉した光の強度Ｉは、式３で表わされる。
Ｉ＝（ｒ_１＋ｒ_２）^２＝２ｒ^２＋２ｒ^２exp（２πｉ（ξ−ξ´））（３）
式３の右辺において、第１項は定常的なバックグラウンドであり、第２項は干渉縞の光強度に関わる項である。式３の第２項の実数部を計算すると、干渉縞の光強度Ｉ_ｓは、式４となる。
Ｉ_ｓ＝２ｒ^２cos（２π・２cosφ／λ・ｘ）（４）

式４から、紫外光Ｌ１，Ｌ２が垂直入射（φ＝９０°）のときにもっとも光強度が大きく、φ＝４５°ならば、光強度は垂直入射時の１／√２となる。
干渉縞の縞間隔は、垂直入射では波長λの１／２であり、４５°入射では波長λの１／√２である。例えば、λ＝３５０ｎｍの場合、縞間隔は、垂直入射では１７５ｎｍ、４５°入射では２４７ｎｍである。このように、入射角θを変えることにより、ｘ方向の光強度の周期分布が変わる。干渉縞の縞間隔は、Ａ層１とＢ層２から成る積層ピッチｄに等しいので、干渉縞の縞間隔を変えることにより、Ａ層１とＢ層２の積層ピッチｄを変えることができる。また、紫外光Ｌ１，Ｌ２の波長λを変えることによっても、Ａ層１とＢ層２の積層ピッチｄを変えることができる。波長λが短くなると、各々の層厚は薄くなり、積層ピッチｄは小さくなる。

なお、Ａ層１の層厚は、紫外光Ｌ１，Ｌ２の照度と照射時間の少なくとも一方を可変としてコントロールすることができる。紫外光Ｌ１，Ｌ２の入射角θと波長λを一定として、照度を高くしたり、照射時間を長くすれば、厚いＡ層１が得られる。反対に、照度を低くしたり、照射時間を短くすれば、薄いＡ層１が得られる。従って、Ａ層１とＢ層２の層厚比率を変えることが可能である。

以上説明したように、紫外光Ｌ１，Ｌ２の入射角θや波長λを変えたり、照度や照射時間を変えることにより、多様な光学特性をもつ多層膜光学フィルム１０を製造することができる。また、多層膜光学フィルム１０は、一つの紫外線硬化型液晶から製作されるので、製造上の誤差や不純物の影響などがなく、光学的に高品質である。

〈第２の実施の形態〉
図７は、本発明の第２の実施の形態による多層膜光学フィルムを模式的に示す部分断面図である。図７では、多層膜光学フィルム１０の厚さ方向をｘとする直交座標で表わす。

図７に示されるように、本実施の形態の多層膜光学フィルム３０は、第１の実施の形態の多層膜光学フィルム１０と同じように、２層が積層ピッチｄで周期的に積層した構造を有する。多層膜光学フィルム３０が多層膜光学フィルム１０と異なる点は、多層膜光学フィルム１０のＢ層２の代わりにＣ層３となっている点である。屈折率楕円体３０ａの中で、Ａ層１の屈折率楕円体１ａは、長軸が膜面方向（ｚ方向）と平行に配向され、Ｃ層３の屈折率楕円体３ａは、長軸が膜厚方向（ｘ方向）に対して斜め方向に配向されている。このため、Ａ層１とＣ層３では、光学特性が異なり、多層膜光学フィルム３０全体として光学異方性を有することになる。

図７において、偏光光が多層膜光学フィルム１０へ垂直入射する場合、偏光方向がｚ方向に平行な偏光光に対しては、屈折率ｎ_ｚのＡ層１と屈折率ｎ_ｘ１のＣ層３が交互に積層した多層膜として作用し、偏光方向がｙ方向に平行な偏光光に対しては、屈折率ｎ_ｘのＡ層１と屈折率ｎ_ｘ２のＣ層３が交互に積層した多層膜として作用する。Ｃ層３の屈折率楕円体３ａの長軸がｘ方向に対して斜めに配向されているために、屈折率ｎ_ｘ，ｎ_ｘ１，ｎ_ｘ２は、それぞれ異なっている。

次に、本実施の形態の多層膜光学フィルム３０の製造工程について、第１の実施の形態と異なる点のみを説明する。本実施の形態の製造工程では、第１の照射工程までは第１の実施の形態と同じである。この段階で、紫外線硬化型液晶のＡ層１の硬化が終了している。上述したＣ層３を硬化させるには、第１の実施の形態の第２の照射工程に代えて、以下に説明する磁界中での照射工程を行う。

図８は、第１の照射工程を終了した液晶セル４０を磁界Ｍ中に保持し、液晶セル４０に対して強度が一様な紫外光Ｌ４を照射している状態を示す。液晶セル４０を磁界の向き（Ａ方向）に対して角度αだけ傾斜させると、液晶セル４０中の未硬化のＣ層３は、傾斜角αに応じて、液晶セル４０の厚さ方向（ｘ方向）に対して斜め方向に再配向する。この状態で、強度が一様な紫外光Ｌ４を液晶セル４０に照射すると、Ｃ層３の液晶分子が再配向した配向方向を保ったまま硬化する。なお、紫外光Ｌ４は、液晶セル４０のガラス基板の照射面で一様な強度をもつように、干渉し合わない非コヒーレント光を用いることが好ましい。紫外光Ｌ４は、液晶セル４０の片側から照射してもよいし、両側から照射してもよい。また、磁界発生源は、永久磁石を用いても電磁石を用いてもよい。

Ｃ層３が硬化した後で、シール材を除去し、ガラスセルを分解し、多層膜光学フィルム３０をガラス基板から剥離する。その結果、配向方向が異なるＡ層１とＣ層３が繰り返し積層した多層膜光学フィルム３０が得られる。

本実施の形態の多層膜光学フィルム３０も、第１の実施の形態の多層膜光学フィルム１０と同じ作用効果を奏する。また、本実施の形態では、電界を印加しないので、透明導電膜１２を形成する必要はない。但し、Ａ層１の配向を制御するために配向処理は必要である。さらに、本実施の形態では、Ｃ層３を硬化させる際に傾斜角αを変えることにより、Ｃ層３の液晶分子の配向方向を任意にコントロールでき、多様な光学特性を有する多層膜光学フィルム３０を得ることができる。なお、液晶セル４０を磁界中に保持する際、傾斜角αを０°〜９０°の範囲で選び、液晶セル４０をその法線周りに任意の角度回転させれば、さらに多様な光学特性を有する多層膜光学フィルム３０を得ることができる。

第１および第２の実施の形態では、多層膜光学フィルム１０，３０は、紫外線硬化型液晶の硬化後にガラス基板１１から剥離する。多層膜光学フィルム１０，３０は、単独で使用することもできるし、レンズやフィルタに貼り付けて使用することもできる。後者の場合、ガラス基板１１の代わりにレンズやフィルタの基材を使用すれば、そのまま光学部材として使用することができる。本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。

上述したように、多層膜光学フィルム１０，３０は、異なる光学異方性を有する２層が一体で繰り返し積層した多層構造であり、垂直入射で利用できる偏光ビームスプリッタ、垂直入射でほぼ１００％の反射率をもつ偏光反射ミラー等に応用できる。多層膜光学フィルム１０を偏光ビームスプリッタに用いる場合は、ブリュースター角を自在に利用して、ｐ偏光とｓ偏光を完全に分離することが可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る多層膜光学フィルムを模式的に示す部分断面図である。屈折率楕円体の概念図である。本発明の第１の実施の形態に係る多層膜光学フィルムの製造工程の１つである第１の照射工程を説明するための液晶セルの部分断面図である。第１の照射工程を行うための干渉光学系の概略構成図である。第１の照射工程における照射角度を説明するための模式図である。本発明の第１の実施の形態に係る多層膜光学フィルムの製造工程の１つである第２の照射工程を説明するための模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る多層膜光学フィルムを模式的に示す部分断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る多層膜光学フィルムの製造工程の１つである磁界中の照射工程を説明するための概略図である。

符号の説明

１：Ａ層
２：Ｂ層
３：Ｃ層
１ａ，２ａ，３ａ：１０ａ，３０ａ：屈折率楕円体
１０，３０：多層膜光学フィルム
１１：ガラス基板
１２：透明導電膜
１３：配向膜
２０，４０：液晶セル
２５：電源装置
Ｌ１，Ｌ２：紫外光（第１の照射工程で使用）
Ｌ３：紫外光（第２の照射工程で使用）
Ｌ４：紫外光（磁界中の照射工程で使用）
Ｍ：磁界

Claims

未硬化の紫外線硬化型液晶を透明導電膜および配向膜が形成された一対の透明基板の間に注入する注入工程と、
平行でコヒーレントな紫外光を前記一対の透明基板の各々を介して前記紫外線硬化型液晶へ照射し、前記未硬化の紫外線硬化型液晶を、第１の配向状態の液晶分子を含む第１の硬化層と前記第１の配向状態の液晶分子を含む未硬化層とが積層された積層構造とする第１の硬化工程と、
前記一対の透明導電膜の間に電界を印加すると共に、紫外光を前記透明基板を介して前記積層構造を成す紫外線硬化型液晶へ照射し、前記未硬化層を第２の配向状態の液晶分子を含む第２の硬化層とする第２の硬化工程と、を行うことを特徴とする多層膜光学部材の製造方法。
未硬化の紫外線硬化型液晶を配向膜が形成された一対の透明基板の間に注入する注入工程と、
平行でコヒーレントな紫外光を前記一対の透明基板の各々を介して前記紫外線硬化型液晶へ照射し、前記未硬化の紫外線硬化型液晶を、第１の配向状態の液晶分子を含む第１の硬化層と前記第１の配向状態の液晶分子を含む未硬化層とが積層された積層構造とする第１の硬化工程と、
前記一対の透明基板の間に注入された紫外線硬化型液晶を磁界中に保持すると共に、紫外光を前記透明基板を介して前記積層構造を成す紫外線硬化型液晶へ照射し、前記未硬化層を第２の配向状態の液晶分子を含む第２の硬化層とする第２の硬化工程と、を行うことを特徴とする多層膜光学部材の製造方法。
請求項２に記載の多層膜光学部材の製造方法において、
前記第２の硬化工程は、前記一対の透明基板の表面に対する前記磁界の向きを任意に選んで前記紫外光を照射することを特徴とする多層膜光学部材の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の多層膜光学部材の製造方法において、
前記第１の硬化工程は、前記紫外線硬化型液晶の一方の側からの紫外光の入射角と他方の側からの紫外光の入射角とを等しくすることを特徴とする多層膜光学部材の製造方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の多層膜光学部材の製造方法において、
前記第１の硬化工程は、前記紫外線硬化型液晶の一方の側からの紫外光の照射強度及び照射時間と、他方の側からの紫外光の照射強度及び照射時間とをそれぞれ等しくすることを特徴とする多層膜光学部材の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の多層膜光学部材の製造方法において、
前記第２の硬化工程における紫外光は、非コヒーレント光であることを特徴とする多層膜光学部材の製造方法。
請求項１〜６のいずれかに記載の多層膜光学部材の製造方法において、
前記第２の硬化工程終了後に、前記多層膜光学部材を前記透明基板から分離する分離工程を行うことを特徴とする多層膜光学部材の製造方法。
請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法により製造された多層膜光学部材。