JP5011653B2 - Low refractive index thin film and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

この発明は、低屈折率薄膜及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、液晶表示装置、プラズマディスプレイパネルなどに代表されるフラットパネルディスプレイの画面の最表面、偏光板表面や携帯電話などのディスプレイの保護材、透明プラスチックレンズ、光学レンズ、各種計器のカバー、自動車、電車等の窓ガラス、太陽電池パネル、光ピックアップレンズなどの基材表面に直接形成するか、あるいは基材表面に貼り付けるためのフィルムの表面に用い、画像の視認性を向上させる光学薄膜であって、基材と空気の屈折率差から生じるフレネル反射を防止する反射防止膜などの光学機能薄膜として用いる、低屈折率薄膜およびその作製方法に関する。   The present invention relates to a low refractive index thin film and a method for manufacturing the same. More specifically, the outermost surface of a flat panel display represented by a liquid crystal display device, a plasma display panel, a display protective material for a polarizing plate surface or a mobile phone, a transparent plastic lens, an optical lens, a cover for various instruments, Optical thin film that can be directly formed on the surface of substrates such as window glass for automobiles, trains, solar battery panels, optical pickup lenses, etc. The present invention relates to a low refractive index thin film used as an optical functional thin film such as an antireflection film for preventing Fresnel reflection caused by a refractive index difference between a substrate and air, and a method for producing the same.

表示パネル、ディスプレイなどの表示部材、レンズ、眼鏡などの光学部品、太陽電池パネルなど種々の製品に高い光透過性と低反射性能を有する膜、すなわち反射防止膜が広範に使用されている。また、薄膜トランジスタや単結晶薄膜シリコン太陽電池を作製するためのレーザアニール時やフォトレジスト工程においても反射防止膜が使用される。レーザアニールや露光などの加工技術及び太陽電池やレンズなどでは反射による光の多重干渉が大きな問題になるからである。   A film having high light transmittance and low reflection performance, that is, an antireflection film, is widely used in various products such as display panels, display members such as displays, optical components such as lenses and glasses, and solar battery panels. An antireflection film is also used during laser annealing or a photoresist process for manufacturing a thin film transistor or a single crystal thin film silicon solar cell. This is because multiple interference of light due to reflection becomes a serious problem in processing techniques such as laser annealing and exposure, and solar cells and lenses.

光学部品、部材に対する反射防止処理は1930年代の真空技術の発達により、真空蒸着法で低屈折率材料の一つであるフッ化マグネシウムが軍事用望遠鏡の透過率向上に用いられたのが実用化の始まりと言われている。それまでに反射防止の基本的原理は光学の分野ですでに確立された法則として広く知られており、またさらに多層膜による反射防止の設計理論は1950年代には確立していた。反射防止に用いられる原材料は、フッ化マグネシウムなどのフッ化物、シリカなどの酸化物といった屈折率の低い物質と酸化チタンなどの屈折率の高い物質である。すなわちガラスにフッ化マグネシウムを蒸着する、あるいは酸化チタン層を蒸着後その上層にフッ化物やシリカを光学膜厚となるように、蒸着法で多層を形成するものであった。   Anti-reflective treatment for optical parts and components has been put into practical use because of the development of vacuum technology in the 1930s, magnesium fluoride, one of the low-refractive-index materials, was used to improve the transmittance of military telescopes. It is said that the beginning of. Until then, the basic principle of antireflection has been widely known as a law already established in the field of optics, and the design theory of antireflection by a multilayer film has been established in the 1950s. The raw materials used for antireflection are a substance having a low refractive index such as a fluoride such as magnesium fluoride and an oxide such as silica and a substance having a high refractive index such as titanium oxide. That is, magnesium fluoride is vapor-deposited on glass, or a titanium oxide layer is vapor-deposited, and then a multilayer is formed by vapor deposition so that fluoride or silica has an optical film thickness on the upper layer.

当初は軍事や学術などの特殊用途で用いられるレンズやプリズムなどに使用される程度であったが、膜形成技術の進歩と低コスト化もあり、カメラやめがねのレンズ等への適用が行われ、近年ではTVやパソコンあるいは携帯端末の普及が著しく、それに伴ってそれらに用いる表示装置の視認性向上が市場要求として強くなり、そうした要求にこたえるための技術開発が反射防止処理の取り組みの一つとなっている。特に近年では屋外での使用が多い携帯電話には外光の反射による画面の見えにくさを抑える要求があり、また、一方PDPに代表される大型のフラットパネルディスプレイでは室内灯や視聴者などの画面への映りこみを抑制するために反射防止処理が標準となっている。   Initially it was used only for lenses and prisms used for special purposes such as military and academic purposes, but it has been applied to cameras and lenses for glasses, etc. due to the progress of film formation technology and cost reduction. In recent years, TVs, personal computers, and mobile terminals have been widely used, and accordingly, the visibility of display devices used for them has become a strong market requirement, and technological development to meet such requirements is one of the anti-reflection treatment efforts. It has become. In particular, in recent years, mobile phones that are often used outdoors are required to reduce the difficulty of seeing the screen due to the reflection of external light. On the other hand, large flat panel displays such as PDPs are used for indoor lights and viewers. In order to suppress the reflection on the screen, an antireflection treatment is standard.

反射防止の基本的な原理は光学分野ですでに確立しているため、反射防止膜の形成は、それをつくる設備装置の問題と用いる膜材料の開発や選択に主な課題がある。   Since the basic principle of antireflection has already been established in the optical field, the formation of antireflection films has major problems in the development of and selection of film materials to be used, as well as the problems of the equipment that produces them.

現在一般的に行われている反射防止膜の製造方法は、真空蒸着やスパッタ法のようなドライプロセス、あるいはゾルゲル法やパーフルオロ樹脂や部分フッ素化モノマーの重合体を用いた塗布法のようなウエットプロセスである。近年、価格面の要求からドライプロセスに代わるウエットプロセスの反射防止処理が主流となっている。   Current methods of manufacturing an antireflection film are generally dry processes such as vacuum deposition and sputtering, or sol-gel methods and coating methods using polymers of perfluorinated resins and partially fluorinated monomers. It is a wet process. In recent years, the antireflection treatment of the wet process replacing the dry process has become the mainstream due to the demand of price.

塗布タイプの反射防止膜形成用の主材料は、樹脂材料としては、パーフルオロ樹脂であるパーフルオロアリルビニルエーテルを環化重合したものやテトラフルオロエチレンとパーフルオロジメチルジオキソールとの共重合体があり、部分フッ素化樹脂としてはメタクリル酸あるいはメタクリル酸クロライドとフルオロアルキルアルコールの反応により合成されるモノマーを重合したフルオロアルキルメタクリレート樹脂があり、これらはフッ素系溶剤を用いて基材に塗布される。これらはフッ素含有量を増やせば、屈折率が下げられ、反射率も下がることが期待できるが、塗工時にはじきによるムラやヌケが発生しやすくなるという問題がある(「反射防止膜の特性と最適設計・膜作製技術」、2002、技術情報協会)。   The main materials for forming the coating type antireflection film include resin materials such as perfluoroallyl vinyl ether perfluoropolymer and a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorodimethyldioxole. A partially fluorinated resin is a fluoroalkyl methacrylate resin obtained by polymerizing a monomer synthesized by the reaction of methacrylic acid or methacrylic acid chloride and fluoroalkyl alcohol, and these are applied to a substrate using a fluorine-based solvent. If the fluorine content is increased, the refractive index can be lowered and the reflectance can be expected to decrease. However, there is a problem that unevenness and missing due to repellency are likely to occur during coating (see “Characteristics of antireflection film”). "Optimum design and film fabrication technology", 2002, Technical Information Association).

また、最近では可視光波長未満の超微粒子が透明材料の屈折率制御の観点から注目され実用化されている。価格、安定性、毒性、環境影響性、入手の容易さ、加工性などを加味すると、高屈折率材料では、酸化チタン、酸化セリウム、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニア、酸化ニオブなどがあり、低屈折率材料ではシリカやフッ化物が代表的なものとなる。これらをバインダー樹脂と混合して、塗布する方法がある(特開平04−202366号公報、特開2001−163906号公報、特開2001−167637号公報)。   Recently, ultrafine particles having a wavelength shorter than the visible light wavelength have been attracting attention and put into practical use from the viewpoint of controlling the refractive index of transparent materials. In consideration of price, stability, toxicity, environmental impact, availability, workability, etc., high refractive index materials include titanium oxide, cerium oxide, tin oxide, indium oxide, zinc oxide, zirconia oxide, niobium oxide, etc. As a low refractive index material, silica or fluoride is typical. There are methods in which these are mixed with a binder resin and applied (Japanese Patent Laid-Open Nos. 04-202366, 2001-163906, and 2001-167737).

高屈折率材料の種類の多さに比べ、低屈折率材料はフッ化物を除けばシリカの1.46〜1.48が一番小さい材料である。そこで、さらに屈折率が小さく安定な材料として、シリカを中空化した材料が開発されている(特開2001−233611号公報)。これは、1.34〜1.40程度の屈折率を有しており母体はシリカであるが、フッ化物やフッ素樹脂並みの屈折率を有している。これをバインダーに分散して用いることによりシリカ分散系でありながらフッ素樹脂並みの屈折率の膜を得ることが可能となる(特開平07−48527号公報)。   Compared with many kinds of high refractive index materials, the low refractive index material is the smallest material of 1.46 to 1.48 of silica except for fluoride. Therefore, a material in which silica is hollowed has been developed as a stable material having a smaller refractive index (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-233611). This has a refractive index of about 1.34 to 1.40 and the base is silica, but has a refractive index comparable to that of fluoride or fluororesin. By dispersing this in a binder, it is possible to obtain a film having a refractive index comparable to that of a fluororesin while being a silica dispersion (Japanese Patent Laid-Open No. 07-48527).

一方、塗布によって形成する反射防止膜は、単層でそれを実現しようとすると、[1/4×λ/層の屈折率](nm)なる計算式で与えられる膜厚を形成する必要がある。この式でのλは反射率が最小となる波長であり、通常は反射防止能をより効果的に人の視感度の中心である550nm付近に設定するため、反射防止膜は100nm前後となる。したがってウエットプロセスにおける最大の課題は、高い精度が要求される膜厚の制御である。   On the other hand, when an antireflection film formed by coating is to be realized with a single layer, it is necessary to form a film thickness given by a calculation formula [1/4 × λ / layer refractive index] (nm). . In this equation, λ is a wavelength at which the reflectivity is minimum, and the antireflection film is usually around 100 nm in order to set the antireflection ability to around 550 nm, which is the center of human visibility more effectively. Therefore, the greatest problem in the wet process is the film thickness control that requires high accuracy.

例えば図1に示すように、5nmの狂いが最小反射率波長で25nmのずれにつながり、この波長のずれにより、反射色が大きく変化するために、色むらを発生させて実用上大きな問題となる。このような理由から、所定膜厚に対して十分誤差がなく、より均一な塗工が要求されるため、例えばプラスチックフィルムのような柔軟な基材、曲面や凹凸を有する基材、薄いフィルム基材に連続的に塗工、製造することは非常に困難である。   For example, as shown in FIG. 1, a deviation of 5 nm leads to a shift of 25 nm at the minimum reflectance wavelength, and the reflected color changes greatly due to the shift of this wavelength. . For this reason, there is no sufficient error with respect to the predetermined film thickness, and more uniform coating is required. For example, a flexible substrate such as a plastic film, a substrate having curved surfaces or irregularities, a thin film substrate, etc. It is very difficult to apply and manufacture the material continuously.

さらにフッ素樹脂、または微粒子とバインダー樹脂の混合物を用いても、屈折率を下げるには限界があり、塗布性を満足させるためには、屈折率が1.40程度にならざるを得ない。そこで、反射率を下げるためには高屈折率層を含む、多層構造とすることが一般的である。ドライプロセスでは、真空蒸着法やスパッタ法を用いて、シリカとチタニアの光学的膜厚を多層積層することで、最低反射率波長は0%に近づけることが一般的に行われているが、光学設計した波長からずれた波長での反射率の上昇、すなわち波長依存性が発生して、着色の問題が発生する(図2)。   Further, even if a fluororesin or a mixture of fine particles and a binder resin is used, there is a limit to lowering the refractive index, and the refractive index must be about 1.40 in order to satisfy the coating property. Therefore, in order to reduce the reflectivity, a multilayer structure including a high refractive index layer is generally used. In the dry process, the minimum reflectance wavelength is generally approached to 0% by laminating multiple optical film thicknesses of silica and titania using vacuum deposition or sputtering. An increase in reflectance at a wavelength deviated from the designed wavelength, that is, wavelength dependency occurs, and a coloring problem occurs (FIG. 2).

また塗布法において多層構造にすると、下地の膜厚の均一性が厳しくなり、さらに上に積層する塗液が下地の層を侵さないものに限定されるという課題があり、現実的には2層までが限界とされている。したがって現在ウエット法で作製した反射防止膜はドライプロセスに比べて特性が劣る。   In addition, when a multi-layer structure is used in the coating method, there is a problem that the uniformity of the base film thickness becomes strict, and the coating liquid laminated thereon is limited to one that does not attack the base layer. Up to is the limit. Therefore, the antireflection film currently produced by the wet method has inferior characteristics as compared with the dry process.

単層の反射防止膜は、多層構造にするよりも、波長依存性も少ない、すなわち着色が少ないという特長があるため、紫外から可視光領域でも効率よく反射を防止する。したがって、この波長領域でフッ化物以下の屈折率をもつ理想的な材料とそれを均一に形成する製造方法が求められている。   A single-layer antireflection film has a feature that it has less wavelength dependency than a multi-layer structure, that is, less coloration, and thus efficiently prevents reflection in the ultraviolet to visible light region. Therefore, an ideal material having a refractive index equal to or lower than that of fluoride in this wavelength region and a manufacturing method for uniformly forming the material are required.

単層で反射率0%を達成するためには、次式を満たす反射防止膜の屈折率(n)が求められる。(Macleod, Thin−Film Optical Filters, Elsevier, New York, 1969、または 金原ら、応用物理学選書3 薄膜、裳華房、昭和59年)。
In order to achieve a reflectance of 0% with a single layer, the refractive index (n c ) of the antireflection film satisfying the following formula is required. (Macleod, Thin-Film Optical Filters, Elsevier, New York, 1969, or Kanehara et al., Applied Physics Book 3, Thin Film, Yukabo, 1984).

(nは反射防止膜の屈折率、nは基材の屈折率、nは雰囲気の屈折率)
例えば、ディスプレイに用いられる透明基材であるガラスやプラスチック基板の可視領域での屈折率は約1.52であり、空気の屈折率1との積の平方根をとった1.22から1.25程度の値が最も理想的な値となる。
(N c is the refractive index of the antireflection film, n s is the refractive index of the substrate, n 0 is the refractive index of the atmosphere)
For example, a glass or plastic substrate, which is a transparent substrate used in a display, has a refractive index in the visible region of about 1.52, and 1.22 to 1.25 taking the square root of the product with the refractive index 1 of air. The value of the degree is the most ideal value.

そのような屈折率を持つ膜は、たとえばシリカ膜中に含まれる気孔の濃度によって屈折率を制御した多孔質膜である。しかも、透明であるためには、空隙の孔の径が光を散乱させない100nm以下であることが求められる。   A film having such a refractive index is, for example, a porous film whose refractive index is controlled by the concentration of pores contained in the silica film. Moreover, in order to be transparent, it is required that the pore diameter of the gap is 100 nm or less that does not scatter light.

例えば、ガラスをエッチングする方法、(Journal of Optical Society of America, 1976, 66, 515 及び Journal of Non−crystal Solids 1982, 48, 177)やゾルゲル法を用いた方法(Applied Optics, 1984, 23, 1418 及び Journal of Non−crystal Solids 1997, 218,113)、蒸着法(Journal of Non−crystal Solids 1997, 218,92)、相分離(Science,1999,283,520)やモスアイ構造(Nature, 244, 281−282, 1973 及び Journal of Optical Society of America A, 1996, 13, 988)などが報告されている。   For example, a method of etching glass (Journal of Optical Society of America, 1976, 66, 515 and Journal of Non-crystalline Solids 1982, 48, 177) or a method using a sol-gel method (Ap14, Op23, Apr. And Journal of Non-crystal Solids 1997, 218, 113), vapor deposition method (Journal of Non-crystal Solids 1997, 218, 92), phase separation (Science, 1999, 283, 520) and moth-eye structure (24, Nature 28). -282, 1973 and Journal of Optical Society y of America A, 1996, 13, 988) and the like have been reported.

これらの手法は、1.3以下の屈折率の低い材料を提供するのに適しており、条件によって1.25程度の屈折率が達成されるが、膜厚制御の困難さなどの課題があり、プラスチックフィルムのような柔軟な基材に大面積に連続的に均一な100nmレベルの薄膜を生産性良く形成するのには適していない。   These methods are suitable for providing a material having a low refractive index of 1.3 or less, and a refractive index of about 1.25 is achieved depending on conditions, but there are problems such as difficulty in controlling the film thickness. In addition, it is not suitable for forming a uniform thin film having a uniform 100 nm level in a large area on a flexible substrate such as a plastic film with high productivity.

一方、ナノメータースケールの薄膜を溶液から形成する方法として、交互積層法が提案されている。交互積層法は、G.Decherらによって1992年に発表された有機薄膜を形成する方法である(Thin Solid Films, 210/211, p831(1992))。この方法では、正電荷を有するポリマー電解質(ポリカチオン)と負電荷を有するポリマー電解質(ポリアニオン)の水溶液に、基材を交互に浸漬することで基板上に静電的引力によって吸着したポリカチオンとポリアニオンの組が積層して複合膜(交互積層膜)が得られるものである。   On the other hand, an alternate lamination method has been proposed as a method for forming a nanometer-scale thin film from a solution. The alternate lamination method is described in G.H. This is a method of forming an organic thin film published in 1992 by Decher et al. (Thin Solid Films, 210/211, p831 (1992)). In this method, a polycation adsorbed on a substrate by electrostatic attraction by alternately immersing the base material in an aqueous solution of a polymer electrolyte having a positive charge (polycation) and a polymer electrolyte having a negative charge (polyanion). A combination of polyanions is laminated to obtain a composite film (alternate laminated film).

交互積層法は積層する回数により、形成したい膜厚を調整することが可能である。例えば一回あたりの積層で10nm程度の膜成長が観測されれば、100nmを形成したい場合は十回の積層を繰り返せばよい。   In the alternate lamination method, the film thickness to be formed can be adjusted by the number of lamination. For example, if film growth of about 10 nm is observed in a single lamination, if it is desired to form 100 nm, the lamination may be repeated ten times.

交互積層法では、静電的な引力によって、基材上に形成された材料の電荷と、溶液中の反対電荷を有する材料が引き合うことにより膜成長するので、吸着が進行して電荷の中和が起こるとそれ以上の吸着が起こらなくなる。したがって、ある飽和点までに至れば、それ以上膜厚が増加することはない。一回あたりの吸着膜厚が薄いため、精度高い膜厚を、積層する回数によって制御することができるという優れた特長をもつので、ナノメータサイズの光学的な薄膜形成には適当な成膜方法と言える。さらに、真空設備も必要とせず、低コストで高精度な薄膜形成方法である。また、チューブ状の基材の内部や織物の繊維や発泡材の内部など、溶液が浸透する部分にはコーティングが可能という、他の方法にない特徴を持っている。   In the alternating layering method, the film is grown by attracting the charge of the material formed on the substrate and the material having the opposite charge in the solution by electrostatic attraction, so that the adsorption proceeds and the charge is neutralized. When this occurs, no further adsorption occurs. Therefore, when reaching a certain saturation point, the film thickness does not increase any more. Since the adsorption film thickness per one time is thin, it has an excellent feature that the film thickness with high accuracy can be controlled by the number of laminations. I can say that. Furthermore, it is a low-cost and highly accurate thin film forming method that does not require vacuum equipment. In addition, it has a feature not found in other methods, such as the inside of a tube-shaped substrate, the inside of a textile fiber or foam material, and the like, which can be coated on a portion where the solution penetrates.

Rubnerらによって、基板上にポリアクリル酸とポリアリルアミン塩酸塩との交互積層膜を作製した後、pHが調整された塩酸などの酸溶液に浸すことにより、静電吸着した結合部分を部分的に切断して空隙構造をつくるという報告があり(Langmuir 16、p5017−5023(2000))、これを応用した反射防止膜が提案されている(国際公開WO03/082481 A1(2003)、及びNature Materials, Vol1 p59−63(2002))。   Rubner et al. Produced an alternating laminated film of polyacrylic acid and polyallylamine hydrochloride on a substrate, and then immersed the substrate in an acid solution such as hydrochloric acid whose pH was adjusted to partially absorb the electrostatically adsorbed binding portion. There is a report that a void structure is formed by cutting (Langmuir 16, p5017-5023 (2000)), and an antireflection film using this structure has been proposed (International Publication WO 03/082481 A1 (2003), and Nature Materials, Vol1 p59-63 (2002)).

白鳥らは、このポリマー多孔質膜を型として用い、金属酸化物を化学溶液析出法によって多孔質膜中に析出させたのち、650℃で焼成してポリマー成分を除き、酸化物のみの多孔質膜を形成している(特開2003−301283号公報)。   Shiratori et al. Used this polymer porous membrane as a mold, and after depositing a metal oxide into the porous membrane by a chemical solution deposition method, the polymer component was removed by baking at 650 ° C. A film is formed (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-301283).

一方、Lvovらは交互積層法を、微粒子に応用し、シリカやチタニア、セリアの各微粒子分散液を用いて、微粒子の表面電荷と反対電荷を有するポリマー電解質を交互積層法で積層する方法を報告している(Langmuir、Vol.13、(1997)p6195−6203)。この方法を用いると、負の表面電荷を有するシリカの微粒子とその反対電荷を持つポリカチオンであるポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA)またはポリエチレンイミン(PEI)などとを交互に積層することで、シリカ微粒子とポリマー電解質が交互に積層された微粒子積層薄膜を形成することが可能である。   On the other hand, Lvov et al. Applied an alternate lamination method to fine particles, and reported a method of laminating a polymer electrolyte having a charge opposite to the surface charge of the fine particles by using each fine particle dispersion of silica, titania and ceria. (Langmuir, Vol. 13, (1997) p6195-6203). By using this method, silica fine particles having a negative surface charge and polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) or polyethyleneimine (PEI), which are polycations having the opposite charge, are alternately laminated to form silica. It is possible to form a fine particle laminated thin film in which fine particles and a polymer electrolyte are alternately laminated.

服部らはポリカチオンとして、PDDA、ポリアニオンとしてポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSS)の二種類のポリマー電解質の交互積層膜を形成し、基材のプラスの電荷密度を十分に高めた後、約110から130nmの粒子径をもち、マイナスの電荷を有するシリカまたはポリマー微粒子を基材上に並べ、微粒子と微粒子の間に隙間を設けた反射防止膜を得ている(Advanced Material. 13, 51−54 (2001))。ここでは下地となるPDDAとPSSの積層回数を増すことで、微粒子の表面被覆率が上がり、反射率が下がる傾向がみられる。対照的に、PDDAとPSSの層数が少ないと、ガラス基材表面のプラスの電荷密度が低いために、微粒子が吸着しない部分すなわち、基材がむき出しになる部分が発生するため反射率が下がらない。   Hattori et al. Formed an alternating laminated film of two types of polymer electrolytes, PDDA as a polycation and sodium polystyrene sulfonate (PSS) as a polyanion, and after sufficiently increasing the positive charge density of the substrate, about 110 to 130 nm An antireflective film having a particle size of, and negatively charged silica or polymer fine particles arranged on a substrate and having a gap between the fine particles is obtained (Advanced Material. 13, 51-54 (2001). )). Here, the surface coverage of fine particles increases and the reflectance tends to decrease by increasing the number of layers of PDDA and PSS as the base. In contrast, when the number of layers of PDDA and PSS is small, the positive charge density on the surface of the glass substrate is low, so that a portion where fine particles are not adsorbed, that is, a portion where the substrate is exposed is generated, and the reflectance is lowered. Absent.

同じく、特開2002−361767号公報では、Langmuir、Vol.13、(1997)p6195−6203において公知となっている方法を用いて微粒子を複数回積層し、40〜80%の体積密度を有する微粒子積層膜を形成する方法を提案している。これらの方法は、微粒子を高密度で充填させることに特徴を有しており、さらに高屈折の微粒子、例えばチタニアの微粒子の層を組み合わせた多層構造の反射防止膜を作製している。   Similarly, in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-361767, Langmuir, Vol. 13, (1997) p6195-6203 proposes a method of laminating fine particles a plurality of times using a method known in the art to form a fine particle laminate film having a volume density of 40 to 80%. These methods are characterized in that fine particles are filled at a high density, and an antireflection film having a multilayer structure in which layers of fine particles having high refraction, for example, titania fine particles are combined, is produced.

ここで、屈折率が1.48のシリカ微粒子を積層して空隙を作り、単層で十分な反射防止膜が得られる屈折率である1.22〜1.30の薄膜を作るために必要なシリカ微粒子の体積密度は、ドルーデの理論から、下記のように近似的に求められる(薄膜・光デバイス 著者 吉田貞史、矢嶋弘義 出版社 1994年 東京大学出版会)。
Here, it is necessary for laminating silica fine particles having a refractive index of 1.48 to form voids, and to form a thin film having a refractive index of 1.22 to 1.30, which can provide a sufficient antireflection film with a single layer. The volume density of silica fine particles is approximately calculated from Drude's theory as follows (thin film / optical device authors Sadayoshi Yoshida, Hiroyoshi Yajima Publishing Co., Ltd., University of Tokyo, 1994).

ゆえに
therefore

(nは薄膜の屈折率、nSiO2はシリカ屈折率=1.48、nは空気屈折率=1、ρはシリカ微粒子の体積密度)
( Nc is the refractive index of the thin film, n SiO2 is the silica refractive index = 1.48, n 0 is the air refractive index = 1, and ρ is the volume density of the silica fine particles)

すなわち、41%〜58%となるようなシリカ微粒子の体積密度が必要である(図3)。しかし、これまでの交互積層法による微粒子積層膜では、体積密度を低く制御する方法については示されておらず、その結果、公知の方法では必要以上にシリカ体積密度が高くなり、結果として単層で反射防止膜とする場合に理想的な1.3以下の低屈折率薄膜を得ることは困難であった。
特開平04−202366号公報 特開2001−163906号公報 特開2001−167637号公報 特開2001−233611号公報 特開平07−48527号公報 国際公開WO03/082481号パンフレット 特開2003−301283号公報 特開2002−361767号公報 「反射防止膜の特性と最適設計・膜作製技術」、2002年、技術情報協会 Macleod,「Thin−Film Optical Filters」,Elsevier, New York(1969) 金原ら、「応用物理学選書3 薄膜」、裳華房、(昭和59年)。 Journal of Optical Society of America, 1976, 66, 515 Journal of Non−crystal Solids 1982, 48, 177 Applied Optics, 1984, 23, 1418 Journal of Non−crystal Solids 1997, 218,113 Journal of Non−crystal Solids 1997, 218,92 Science,1999,283,520 Nature, 244, 281−282, 1973 Journal of Optical Society of America A, 1996, 13, 988 Thin Solid Films, 210/211, p831(1992) Langmuir 16、p5017−5023(2000) Nature Materials, Vol1 p59−63(2002) Langmuir、Vol.13、(1997)p6195−6203 Advanced Material. 13, 51−54 (2001) 吉田貞史、矢嶋弘義「薄膜・光デバイス」 東京大学出版会 1994年
That is, the volume density of silica fine particles is required to be 41% to 58% (FIG. 3). However, in the fine particle laminated film by the conventional alternate lamination method, the method for controlling the volume density low is not shown. As a result, the known method increases the silica volume density more than necessary, resulting in a single layer Thus, it was difficult to obtain a low refractive index thin film having an ideal refractive index of 1.3 or less when an antireflection film was used.
Japanese Patent Laid-Open No. 04-202366 JP 2001-163906 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-167637 JP 2001-233611 A JP 07-48527 A International Publication WO03 / 082481 Pamphlet Japanese Patent Laid-Open No. 2003-301283 JP 2002-361767 A “Characteristics and Optimal Design / Film Fabrication Technology of Anti-Reflective Coating”, 2002 Macleod, “Thin-Film Optical Filters”, Elsevier, New York (1969) Kanehara et al., "Applied physics selection book 3 thin film", Hanafusa, (Showa 59). Journal of Optical Society of America, 1976, 66, 515 Journal of Non-crystal Solids 1982, 48, 177 Applied Optics, 1984, 23, 1418 Journal of Non-crystal Solids 1997, 218, 113 Journal of Non-crystal Solids 1997, 218, 92 Science, 1999, 283, 520 Nature, 244, 281-282, 1973 Journal of Optical Society of America A, 1996, 13, 988 Thin Solid Films, 210/211, p831 (1992) Langmuir 16, p5017-5023 (2000) Nature Materials, Vol1 p59-63 (2002) Langmuir, Vol. 13, (1997) p6195-6203 Advanced Material. 13, 51-54 (2001) Sadafumi Yoshida, Hiroyoshi Yajima “Thin Films and Optical Devices” The University of Tokyo Press 1994

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、基材上にナノメートルサイズの空隙構造を有する低屈折率薄膜の作製が、常温かつ湿式プロセスで行え、膜厚制御が容易であって、かつ均一な光学機能薄膜を得ることができる製造方法を提供するとともに、当該方法により得られた低屈折率薄膜を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a low refractive index thin film having a nanometer-size void structure on a substrate can be produced by a normal temperature and wet process, and film thickness control is easy. In addition, an object of the present invention is to provide a production method capable of obtaining a uniform optical functional thin film and to provide a low refractive index thin film obtained by the method.

上記目的を達成するため、基材を微粒子分散液と、その微粒子の表面電荷と反対電荷のイオン性を有するポリマー溶液とに交互に浸漬する工程において、微粒子分散液中の微粒子の表面電位を意図的に低下させることにより、基材表面に微粒子が緻密に充填されるのを防ぐ効果によって、膜の微粒子が占める体積密度が低い、空隙率が高い微粒子積層膜及び、その微粒子積層膜を形成する製造方法に係る本発明が提供される。   In order to achieve the above object, the surface potential of the fine particles in the fine particle dispersion is intended in the step of alternately immersing the substrate in the fine particle dispersion and a polymer solution having an ionicity opposite to the surface charge of the fine particles. The effect of preventing the fine particles from being densely filled on the surface of the base material is reduced, thereby forming a fine particle laminated film having a low volume density occupied by fine particles in the film and a high porosity, and the fine particle laminated film. The present invention relating to a manufacturing method is provided.

本発明者らは、低屈折率薄膜を作製するにあたって、微粒子の表面電位が制御された分散液、好ましくは微粒子のゼータ電位の絶対値が1〜45mVの範囲に制御し、微粒子の表面電位を意図的に低下させることにより、結果として基材の表面に形成された反対電荷の表面への静電的な引力を低下させ、微粒子が緻密に充填されるのを防ぐ効果によって、膜の微粒子が占める体積密度が低い、言い換えれば空隙率が高い微粒子積層膜が形成されることを見出した。表面電位を下げすぎると液中の微粒子の分散性が低下して凝集を起こし、沈殿してしまう。   In producing a low refractive index thin film, the inventors of the present invention controlled a dispersion in which the surface potential of the fine particles was controlled, preferably the absolute value of the zeta potential of the fine particles was in the range of 1 to 45 mV, and the surface potential of the fine particles was controlled. By deliberately decreasing, the electrostatic attraction to the surface of the opposite charge formed on the surface of the substrate as a result is reduced, and the fine particles of the film are prevented from being densely packed. It has been found that a fine particle laminated film having a low volume density, in other words, a high porosity can be formed. If the surface potential is lowered too much, the dispersibility of the fine particles in the liquid is reduced, causing aggregation and precipitation.

すでに背景技術として説明したように、従来の交互積層法では、分散液中の微粒子の凝集を抑制するため、pHを9.5〜11または2〜3の範囲に調整して、微粒子の表面電位であるゼータ電位の絶対値を意図的に高く保とうとしていた。粒子は、その粒径が細かくなるほど凝集しやすくなるのは当業界で周知のことであり、その点で従来の方法は、微粒子の分散液を扱う上では極めて自然な手法であるといえるが、本発明が完全な微粒子分散を求めない点で従来技術とは異なる。   As already described as the background art, in the conventional alternating lamination method, in order to suppress aggregation of the fine particles in the dispersion, the pH is adjusted to a range of 9.5 to 11 or 2 to 3, and the surface potential of the fine particles is adjusted. I was trying to keep the absolute value of the zeta potential high intentionally. It is well known in the art that particles are more likely to agglomerate as the particle size becomes smaller, and in that respect, the conventional method is a very natural method for handling fine particle dispersions, The present invention differs from the prior art in that it does not require complete fine particle dispersion.

本発明では、微粒子分散液中の微粒子の表面電位を示すゼータ電位の絶対値は1〜45mVの範囲内にすることが好ましい。微粒子の表面電位の絶対値が45mVよりも大きいと反対の電荷を持つポリマーが吸着された基材との静電的引力が強くなり、微粒子が緻密に充填された膜となってしまう。一方、絶対値が1mV未満だと基材との静電的引力が働かない上に、分散液の微粒子同士の斥力が低下することにより凝集を起し、微粒子の凝集体が沈殿して微粒子が基材上に積層されないようになる。その微粒子の表面電荷と反対電荷のイオン性を有するポリマー溶液に、交互に浸漬されることにより、基材上に微粒子とポリマーが交互に積層された微粒子積層膜が形成される。   In the present invention, the absolute value of the zeta potential indicating the surface potential of the fine particles in the fine particle dispersion is preferably in the range of 1 to 45 mV. When the absolute value of the surface potential of the fine particles is larger than 45 mV, the electrostatic attractive force with the substrate on which the polymer having the opposite charge is adsorbed becomes strong, resulting in a film in which the fine particles are densely packed. On the other hand, if the absolute value is less than 1 mV, the electrostatic attraction with the substrate does not work, and the repulsive force between the fine particles of the dispersion is reduced to cause aggregation. It will not be laminated on the substrate. By alternately dipping in a polymer solution having an ionicity opposite to the surface charge of the fine particles, a fine particle laminated film in which the fine particles and the polymer are alternately laminated on the substrate is formed.

本発明により形成される薄膜は、低屈折率の薄膜であって、屈折率が1.22から1.30の低屈折率薄膜である。背景技術として説明したように、ガラスやプラスチック基板の可視領域での屈折率は約1.48〜1.52であり、空気の屈折率1との積の平行根をとった値により近い、1.22〜1.25がより好ましい。   The thin film formed according to the present invention is a low refractive index thin film having a refractive index of 1.22 to 1.30. As described in the background art, the refractive index in the visible region of the glass or plastic substrate is about 1.48 to 1.52, which is closer to the value obtained by taking the parallel root of the product with the refractive index 1 of air. .22 to 1.25 is more preferable.

また、微粒子積層膜中における微粒子の体積密度は41から58%の低屈折率薄膜であることが好ましい。これにより、従来のウエットプロセスでは実現できない低屈折率膜ができ、より性能の高い反射防止膜としての機能を果たすことができる。   Further, the volume density of the fine particles in the fine particle laminated film is preferably a low refractive index thin film of 41 to 58%. Thereby, a low refractive index film that cannot be realized by a conventional wet process can be formed, and a function as an antireflection film having higher performance can be achieved.

微粒子分散液に含まれる微粒子の平均一次粒径は10nm以上、100nm以下であることが好ましい。透明性を得るためには光が散乱しない100nm以下の範囲の微粒子径が好ましい。交互積層で膜厚を精度良く制御するためにはより細かい微粒子を選択することができ、また工程数、すなわち積層回数を減らすためには大きい粒子径の微粒子を用いることができる。一方、10nm未満であると、積層するための時間がかかり、また緻密な膜となるために好ましくない。   The average primary particle size of the fine particles contained in the fine particle dispersion is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. In order to obtain transparency, a fine particle diameter of 100 nm or less in which light is not scattered is preferable. Finer fine particles can be selected in order to accurately control the film thickness by alternate lamination, and fine particles having a large particle diameter can be used to reduce the number of steps, that is, the number of laminations. On the other hand, when the thickness is less than 10 nm, it takes a long time to laminate, and a dense film is not preferable.

請求項1から4のいずれかに記載の低屈折率薄膜における微粒子分散液に含まれる微粒子がコロイダルシリカ、ポリマー微粒子、多孔質微粒子又は中空微粒子であることが好ましい。微粒子の分散性を制御するために、微粒子分散液中に界面活性剤が添加されているものも含まれる。また、微粒子分散液に含まれる微粒子がポリマー微粒子であれば、出発物質のモノマーの選択肢が多く、低屈折率やイオン性、光もしくは熱硬化性などの機能を付与することが容易である。さらに、微粒子分散液に含まれる微粒子が多孔質微粒子または中空微粒子であれば、より屈折率を低下させることができる。シリカやポリマー微粒子の屈折率は約1.48〜1.50と、比較的低いものであるが、多孔質や中空の微粒子だと空気との屈折率との平均化効果によりより低屈折率の微粒子となるからである。これらの微粒子の積層膜とすることにより、屈折率が1.22〜1.30の低屈折率薄膜が得られる。   The fine particles contained in the fine particle dispersion in the low refractive index thin film according to any one of claims 1 to 4 are preferably colloidal silica, polymer fine particles, porous fine particles, or hollow fine particles. In order to control the dispersibility of the fine particles, those in which a surfactant is added to the fine particle dispersion are also included. Further, if the fine particles contained in the fine particle dispersion are polymer fine particles, there are many choices of monomers as starting materials, and it is easy to impart functions such as low refractive index, ionicity, light or thermosetting. Furthermore, if the fine particles contained in the fine particle dispersion are porous fine particles or hollow fine particles, the refractive index can be further reduced. The refractive index of silica and polymer fine particles is about 1.48 to 1.50, which is relatively low. However, porous and hollow fine particles have a lower refractive index due to the averaging effect with the refractive index of air. This is because it becomes fine particles. By using a laminated film of these fine particles, a low refractive index thin film having a refractive index of 1.22 to 1.30 can be obtained.

本発明において、請求項1から5のいずれかに記載の低屈折率薄膜において微粒子分散液に含まれる微粒子が、数珠状に連なった形状であるとより好ましい。図4に示すように、数珠状になっていると立体的な障害により、他の数珠状微粒子や反対電荷を有するポリマーが空間を密に占めることができず、その結果、より空隙率の高い低屈折率膜が容易に形成できるからである。   In the present invention, it is more preferable that the fine particles contained in the fine particle dispersion in the low refractive index thin film according to any one of claims 1 to 5 have a continuous shape in a bead shape. As shown in FIG. 4, when the beads are beaded, other beaded fine particles or a polymer having an opposite charge cannot occupy the space densely due to a steric hindrance, resulting in a higher porosity. This is because a low refractive index film can be easily formed.

また、請求項1から6のいずれかに記載の低屈折率薄膜における微粒子分散液に含まれる微粒子は、微粒子の表面にイオン性官能基または熱硬化性官能基もしくは光硬化性官能基を表面に有すると、微粒子積層膜を形成した後に、熱や光エネルギーを加えることで、膜の機械的強度を増すことができる。反射防止膜用途として用いる場合は、使用する環境に直接曝されるために、傷がつきにくい特性が要求されるためである。   The fine particles contained in the fine particle dispersion in the low refractive index thin film according to any one of claims 1 to 6 have an ionic functional group, a thermosetting functional group, or a photocurable functional group on the surface of the fine particle. If it has, the mechanical strength of the film can be increased by applying heat or light energy after the fine particle laminated film is formed. This is because, when used as an antireflection film, since it is directly exposed to the environment in which it is used, it is required to have a characteristic that is not easily damaged.

同様な理由により、請求項1から7のいずれかに記載の低屈折率薄膜において、微粒子積層膜の上に20nm以下の膜厚の透明なオーバーコート膜が積層されることが好ましい。それ以上の膜厚であると光学的に反射防止機能を低下させてしまう傾向がある。   For the same reason, in the low refractive index thin film according to any one of claims 1 to 7, it is preferable that a transparent overcoat film having a thickness of 20 nm or less is laminated on the fine particle laminated film. If the film thickness is larger than that, the antireflection function tends to be optically lowered.

本発明の、基材上に微粒子とポリマーとを交互に積層することを特徴とする低屈折率薄膜の製造方法においては、微粒子のゼータ電位の絶対値が1〜45mVの範囲内に制御された微粒子分散液に浸漬する工程と、その微粒子の表面電荷と反対電荷のイオン性を有するポリマー溶液に浸漬する工程とを交互に繰り返すことを特徴とする低屈折率薄膜の製造方法が提供される。これにより、微粒子の表面電位を下げ、微粒子の緻密な積層を意図的に阻害して従来の交互積層法による微粒子積層膜よりも、低い屈折率の薄膜を形成することができる。   In the method for producing a low refractive index thin film according to the present invention, in which fine particles and a polymer are alternately laminated on a substrate, the absolute value of the zeta potential of the fine particles is controlled within a range of 1 to 45 mV. There is provided a method for producing a low refractive index thin film characterized by alternately repeating a step of immersing in a fine particle dispersion and a step of immersing in a polymer solution having an ionicity opposite to the surface charge of the fine particles. As a result, the surface potential of the fine particles can be lowered, and the fine lamination of fine particles can be intentionally inhibited to form a thin film having a refractive index lower than that of the fine particle laminated film by the conventional alternating lamination method.

また、低屈折率薄膜の製造方法に用いる微粒子分散液は、微粒子分散液のpHが3から9の範囲に制御されていることにより、微粒子の表面電位を下げ、緻密な微粒子の積層を意図的に阻害して、従来の交互積層法による微粒子積層膜よりも、低い屈折率を示す微粒子積層膜を形成することができる。   In addition, the fine particle dispersion used in the method for producing a low refractive index thin film is intended to reduce the surface potential of the fine particles by controlling the pH of the fine particle dispersion in the range of 3 to 9, and to stack fine fine particles. Therefore, it is possible to form a fine particle laminate film having a lower refractive index than that of the conventional fine particle laminate film by the alternating lamination method.

同様な理由により、上記微粒子分散液が、電解質が0.01〜0.25モル/リットルの濃度で含まれていることにより、従来の交互積層法による微粒子積層膜よりも、低い屈折率の微粒子積層膜を形成することができる。塩濃度を増すことによっても微粒子の表面電位を制御することができるからである。電解質を加えることによって微粒子の表面電位をより下げることができるのは、加えられたイオンが微粒子の周りに配位することによって、電気的に中和されるからと推察される。なお、電解質を添加することにより、分散液中で微粒子が2個以上に凝集するために、1回の浸漬により得られる膜厚を増加させることができるという効果も認められる。したがって、浸漬回数が減りプロセスが短縮できる。   For the same reason, since the fine particle dispersion contains the electrolyte at a concentration of 0.01 to 0.25 mol / liter, fine particles having a lower refractive index than the conventional fine particle laminated film by the alternating lamination method. A laminated film can be formed. This is because the surface potential of the fine particles can also be controlled by increasing the salt concentration. The reason why the surface potential of the fine particles can be further lowered by adding the electrolyte is presumed to be that the added ions are coordinated around the fine particles and are electrically neutralized. In addition, since the fine particles are aggregated into two or more in the dispersion by adding the electrolyte, it is also recognized that the film thickness obtained by one immersion can be increased. Therefore, the number of immersions is reduced and the process can be shortened.

上記微粒子分散液は、微粒子が水又は水と有機溶媒の混合溶媒に分散されていることが好ましい。誘電率の低い分散媒ではゼータ電位を制御することが困難であるからである。   In the fine particle dispersion, the fine particles are preferably dispersed in water or a mixed solvent of water and an organic solvent. This is because it is difficult to control the zeta potential with a dispersion medium having a low dielectric constant.

請求項9記載の低屈折率薄膜の製造方法においては、常温常圧で、ナノメートルレベルの膜厚制御が可能であり、低コストで高性能な反射防止膜を製造できる。微粒子分散液に含まれる微粒子の平均一次粒径は10nm以上、100nm以下であることが好ましく、また、微粒子がコロイダルシリカ、ポリマー微粒子、多孔質微粒子又は中空微粒子であることがより好ましい。さらには、微粒子分散液に含まれる微粒子が、数珠状に連なった形状であることが好ましく、微粒子の表面にイオン性官能基または熱硬化性官能基もしくは光硬化性官能基を有することが前述の理由により、より好ましい。   In the method for producing a low refractive index thin film according to claim 9, the film thickness can be controlled at a nanometer level at normal temperature and pressure, and a high-performance antireflection film can be produced at low cost. The average primary particle size of the fine particles contained in the fine particle dispersion is preferably 10 nm or more and 100 nm or less, and the fine particles are more preferably colloidal silica, polymer fine particles, porous fine particles, or hollow fine particles. Furthermore, the fine particles contained in the fine particle dispersion preferably have a bead-like shape, and the surface of the fine particles has an ionic functional group, a thermosetting functional group, or a photocurable functional group as described above. More preferred for reasons.

本発明の低屈折率薄膜は、単層の微粒子積層膜で低屈折率の薄膜を提供するものであり、基材に反射防止機能を付与するのに優れる。また、本発明の低屈折率薄膜の製造方法は、常温常圧で、ナノメートルレベルの膜厚制御が可能であり、低コストで高性能な反射防止膜を製造するのに優れる。   The low refractive index thin film of the present invention provides a low refractive index thin film with a single-layer fine particle laminated film, and is excellent in imparting an antireflection function to a substrate. The method for producing a low refractive index thin film of the present invention is capable of controlling the film thickness at the nanometer level at room temperature and normal pressure, and is excellent in producing a high-performance antireflection film at low cost.

本発明者らは、固体基材を微粒子分散液と反対電荷を有するポリマー電解質溶液に、交互に浸漬することによって基材上に静電的引力によって形成される微粒子とポリマー電解質の交互積層膜において、微粒子の分散性を決めるパラメータである表面電位を制御することに着目し、その表面電位を下げることで、基材への微粒子の積層密度を制御して、空隙率の高い、その結果、光学機能性膜として重要な低屈折率薄膜を形成する発明に至った。以下、本発明の表面電位の制御方法、使用する材料について順次説明する。   In the alternating laminated film of fine particles and polymer electrolyte formed by electrostatic attraction on a substrate by alternately immersing a solid substrate in a polymer electrolyte solution having a charge opposite to that of the fine particle dispersion. Focusing on controlling the surface potential, which is a parameter that determines the dispersibility of fine particles, and by lowering the surface potential, the lamination density of fine particles on the base material is controlled, resulting in high porosity. It came to the invention which forms the low refractive index thin film important as a functional film. Hereinafter, the method for controlling the surface potential of the present invention and the materials used will be sequentially described.

(1)電気二重層
液体中に分散している粒子の多くは、プラスまたはマイナスに帯電している。電気的に中性を保とうとして粒子表面の液体中には、粒子とは逆の符号を持つイオンが集まってくる。そのようなイオン群が、粒子表面を取り巻いて球殻状に集まり、荷電を持った層を、反対荷電を持った層が取り巻くことになる。このような状態は、「電気二重層」と表現される。
(1) Electric double layer Most of the particles dispersed in the liquid are positively or negatively charged. In order to maintain neutrality electrically, ions having a sign opposite to that of the particles gather in the liquid on the particle surface. Such an ion group surrounds the particle surface and gathers in a spherical shell shape, and a layer having a charge is surrounded by a layer having an opposite charge. Such a state is expressed as “electric double layer”.

液体中のイオン層のイオン分布は熱運動のために攪乱されている。そのため、表面近傍では反対荷電の濃度が高く、遠ざかるにつれて次第に低下する。粒子と同荷電のイオンは、逆の分布を示し、粒子から充分に離れた領域では、プラスのイオンの荷電とマイナスのイオンの荷電が相殺して、電気的中性が保たれる。上記のコンデンサー型の二重層に対して、液体中において現実に見られるものは、「拡散電気二重層」と呼ばれ、反対荷電のイオン分布が、表面から離れるにつれて、次第にぼやけてゆくような電気二重層である。   The ion distribution of the ion layer in the liquid is disturbed due to thermal motion. Therefore, the concentration of the opposite charge is high near the surface, and gradually decreases as the distance increases. The ion having the same charge as the particle exhibits an opposite distribution, and in a region sufficiently away from the particle, the charge of the positive ion and the charge of the negative ion cancel each other, and the electrical neutrality is maintained. In contrast to the capacitor-type double layer, what is actually seen in the liquid is called a “diffusion electric double layer”, in which the oppositely charged ion distribution gradually becomes blurred as it moves away from the surface. It is a double layer.

内側の粒子表面のイオン分布は、「拡散層」と呼ばれる。また微粒子表面から直ちに、拡散層が始まっているとは限らず、一部のイオンが強く表面に引き寄せられて、固定されている場合が多く、この層を「固定層」と呼ぶ。   The ion distribution on the inner particle surface is called the “diffusion layer”. In addition, the diffusion layer does not always start immediately from the surface of the fine particles, and some ions are strongly attracted to the surface and are often fixed, and this layer is called a “fixed layer”.

液体中に分散された粒子は、多くの場合に荷電を持ち、そして、粒子の分散状態の安定性は、しばしば荷電状態によって、左右される。粒子は、「固定層」そして「拡散層」の内側の一部を伴って移動すると推定でき、この移動が起こる面を「滑り面」と呼んでいる。   Particles dispersed in a liquid often have a charge, and the stability of the dispersed state of the particle often depends on the charged state. It can be assumed that the particles move with a “fixed layer” and a part inside the “diffusion layer”, and the surface where this movement occurs is called the “sliding surface”.

粒子から充分に離れて電気的に中性である領域の電位をゼロと定義すると、「ゼータ電位」は、このゼロ点を基準として測った場合の、「滑り面」の電位と定義されている。微粒子の場合、ゼータ電位の絶対値が増加すれば、粒子間の反発力が強くなり粒子の安定性は高くなる。逆に、ゼータ電位がゼロに近くなると、粒子は凝集しやすくなる。そこで、ゼータ電位は分散された粒子の分散安定性の指標として用いられる(北原文雄、古澤邦夫、尾崎正孝、大島広行、「Zeta Potentialゼータ電位:微粒子界面の物理化学」、サイエンティスト社、1995)。   When the potential of a region that is sufficiently far away from the particle and is electrically neutral is defined as zero, the “zeta potential” is defined as the potential of the “sliding surface” when measured based on this zero point. . In the case of fine particles, if the absolute value of the zeta potential increases, the repulsive force between the particles becomes stronger and the stability of the particles becomes higher. Conversely, when the zeta potential is close to zero, the particles tend to aggregate. Therefore, the zeta potential is used as an index of dispersion stability of dispersed particles (Fumio Kitahara, Kunio Furusawa, Masataka Ozaki, Hiroyuki Oshima, “Zeta Potential Zeta Potential: Physical Chemistry of Fine Particle Interface”, Scientist, 1995).

(2)ゼータ電位の測定方法
帯電した粒子が分散している系に、外部から電場をかけると、粒子は電極に向かって泳動するが、その速度は粒子の荷電に比例するため、その粒子の泳動速度を測定することによりゼータ電位が求められる。
(2) Zeta potential measurement method When an external electric field is applied to a system in which charged particles are dispersed, the particles migrate toward the electrode, but the velocity is proportional to the charge of the particles. The zeta potential is determined by measuring the migration speed.

例えば、電気泳動光散乱測定法は別名レーザードップラー法と呼ばれ、「光や音波が動いている物体に当たり反射または散乱すると、光や音波の周波数が物体の速度に比例して変化する」というドップラー効果を利用して粒子の泳動速度を求めている。電気泳動している粒子にレーザー光を照射すると粒子からの散乱光は、ドップラー効果により周波数がシフトする。シフト量は粒子の泳動速度に比例することから、このシフト量を測定することにより粒子の泳動速度がわかる。   For example, the electrophoretic light scattering measurement method is also known as the laser Doppler method, and it is a Doppler that "the frequency of light or sound waves changes in proportion to the speed of the object when light or sound waves are reflected or scattered by moving objects." The migration speed of particles is obtained using the effect. When laser light is irradiated onto the electrophoretic particles, the frequency of the scattered light from the particles shifts due to the Doppler effect. Since the shift amount is proportional to the migration speed of the particles, the migration speed of the particles can be determined by measuring the shift amount.

実際に、屈折率(n)の媒体(液)に分散した試料に、波長(λ)のレーザー光を照射し、散乱角(θ)で検出する場合の、泳動速度(V)とドップラーシフト量(Δν)の関係は次式で表される。
Actually, when a sample dispersed in a medium (liquid) having a refractive index (n) is irradiated with laser light having a wavelength (λ) and detected by a scattering angle (θ), the migration speed (V) and the Doppler shift amount The relationship (Δν) is expressed by the following equation.

[n:媒体(液)の屈折率、θ:検出角度]
ここで得られた泳動速度(V)と電場(E)から電気移動度(U)が求められる。
[N: refractive index of medium (liquid), θ: detection angle]
The electric mobility (U) is obtained from the migration speed (V) and the electric field (E) obtained here.

電気移動度(U)からゼータ電位(ζ)へは、次式のSmoluchowskiの式を用いて求められる。
The electric mobility (U) to the zeta potential (ζ) can be obtained by using the following Smoluchowski equation.

[η:媒体(液)の粘度、ε:媒体(液)の誘電率]
このようにして、泳動している粒子からの散乱光を観測することによって、ゼータ電位が求められる。このようにして求められるゼータ電位は微粒子の表面電位を反映するものであるため、ゼータ電位を大きくすると、微粒子間の静電的な斥力により分散性が良くなる一方、交互積層法で用いる場合は、それと反対電荷を有する基材が存在すると、表面との引力が大きくなるため空隙率の高い膜が形成されにくくなり、すなわち充填の状態が緻密な膜となってしまうために、本発明の目的には好ましくない。したがって、ゼータ電位の絶対値を低く制御することで基材表面に微粒子が緻密に充填されて積層されるのを防ぐことができ、より具体的には、1〜45mVの範囲内に抑えることが好ましい。さらに低く、1mVより低くすると媒体(液)の微粒子分散性が悪くなり、沈殿が起こり、さらに電荷が0に近づくために基材との引力が発生せず、吸着も起こらないため好ましくない。
[Η: viscosity of medium (liquid), ε: dielectric constant of medium (liquid)]
In this way, the zeta potential is determined by observing scattered light from the migrating particles. Since the zeta potential obtained in this way reflects the surface potential of the fine particles, increasing the zeta potential improves the dispersibility due to electrostatic repulsion between the fine particles. In the presence of a substrate having a charge opposite to that, the attractive force with the surface increases, so that it is difficult to form a film with a high porosity, that is, the state of filling becomes a dense film. Is not preferred. Therefore, by controlling the absolute value of the zeta potential to be low, it is possible to prevent fine particles from being densely packed and stacked on the surface of the base material, and more specifically, to suppress within a range of 1 to 45 mV. preferable. Further, if it is lower than 1 mV, the fine particle dispersibility of the medium (liquid) is deteriorated, precipitation occurs, and since the electric charge approaches 0, no attractive force is generated with the base material and adsorption is not preferable.

(3)表面電位の制御方法
表面電位を制御する方法は、ゼータ電位を制御することと等価と考えると、ゼータ電位に与える因子を考える必要がある。微粒子表面の拡散電気二重層の厚さを1/κで表すと、この厚さは表面電荷と対イオン(電解質イオン)の間の引力が、それをかき乱そうとする熱運動とつりあう距離である。ここで、κはDebye−Huckelのパラメータと呼ばれ、イオン価zの電解質の場合、
(3) Method for controlling surface potential If the method for controlling the surface potential is considered equivalent to controlling the zeta potential, it is necessary to consider the factors given to the zeta potential. When the thickness of the diffusion electric double layer on the surface of the fine particle is expressed by 1 / κ, this thickness is the distance that the attractive force between the surface charge and the counter ion (electrolyte ion) balances with the thermal motion trying to disturb it. is there. Here, κ is called a Debye-Huckel parameter, and in the case of an electrolyte with an ionic value z,

で表される。ここで(k)=Boltzmann定数、(ε)=真空の誘電率、(ε)=媒体(液)の比誘電率、(T)=絶対温度、(e)単位電荷である。(n)は電解質の数密度で単位は(m−3)である。(n)をアボガドロ数(N)で表すと、n=1000N×濃度(C)となる。この式から、分母に注目すると、電解質濃度、あるいは価数zを上げると拡散電気二重層の厚みが薄くなり、さらにこの式の分子に注目すると、温度Tを上げれば熱運動が活発になって拡散電気二重層は厚くなることを意味する。つまり電解質を加えることによって電気二重層の厚みが薄くなることを意味する。 It is represented by Here, (k) = Boltzmann constant, (ε 0 ) = dielectric constant of vacuum, (ε r ) = dielectric constant of medium (liquid), (T) = absolute temperature, and (e) unit charge. (N) is the number density of the electrolyte, and the unit is (m −3 ). When (n) is expressed by the Avogadro number (N A ), n = 1000 N A × concentration (C). From this equation, focusing on the denominator, increasing the electrolyte concentration or valence z decreases the thickness of the diffusion electric double layer, and further focusing on the numerator of this equation, the thermal motion becomes active as the temperature T is increased. It means that the diffusion electric double layer becomes thicker. That is, it means that the thickness of the electric double layer is reduced by adding the electrolyte.

表面電位と電気二重層との関係は、次のような関係式で関連付けられる。つまり、表面電荷密度σによって、媒体(液)中では電場σ/εεが生じる、したがって、電気二重層の厚み(1/κ)の距離を隔てると、電場×距離=(σ/εε)×(1/κ)=(σ/εεκ)の電位差ができる。このことから表面電位(φ)は次式で表される。
The relationship between the surface potential and the electric double layer is related by the following relational expression. That is, the electric field σ / ε r ε 0 is generated in the medium (liquid) by the surface charge density σ. Therefore, when the distance of the electric double layer thickness (1 / κ) is separated, the electric field × distance = (σ / ε A potential difference of r ε 0 ) × (1 / κ) = (σ / ε r ε 0 κ) is generated. From this, the surface potential (φ 0 ) is expressed by the following equation.

この式から、微粒子の表面電位とゼータ電位を下げるためには、分母のDebye−Huckelのパラメータ1/κを下げる(κを大きくする)、すなわち電気二重層を薄くする、さらに言い換えれば電解質濃度を上げることと、溶液の誘電率(ε)を上げ、分子の電荷密度を下げればよいことが分かる。 From this equation, in order to lower the surface potential and the zeta potential of the fine particles, the Debye-Huckel parameter 1 / κ of the denominator is lowered (κ is increased), that is, the electric double layer is made thinner, in other words, the electrolyte concentration is reduced. It can be seen that it is sufficient to increase the dielectric constant (ε r ) of the solution and decrease the charge density of the molecule.

水の誘電率(ε)より高い媒体(液)は一般的ではないため分散液の誘電率を上げることは困難である。したがって、表面電位を下げる方法としては、電解質を加える(電解質濃度を上げる)のが好ましい。電解質としては、水または水、アルコール混合溶媒などに溶解するものであれば限定されるものではないが、アルカリ金属およびアルカリ土類金属、四級アンモニウムイオンなどとハロゲン元素との塩、LiCl、KCl、NaCl、MgCl、CaClなどが用いられる。本発明では、電解質の濃度は0.01〜0.25M(=mol/リットル、以下同じ)程度とすることが好ましい。電解質を0.25Mより多く加えると、表面電位が下がりすぎて分散性が悪くなり、凝集などにより微粒子の沈殿が起こる。 Since a medium (liquid) higher than the dielectric constant (ε r ) of water is not common, it is difficult to increase the dielectric constant of the dispersion. Therefore, as a method for lowering the surface potential, it is preferable to add an electrolyte (increase the electrolyte concentration). The electrolyte is not limited as long as it dissolves in water or water, a mixed solvent of alcohol, etc., but salts of alkali metals and alkaline earth metals, quaternary ammonium ions and the like and halogen elements, LiCl, KCl , NaCl, MgCl 2 , CaCl 2 or the like is used. In the present invention, the concentration of the electrolyte is preferably about 0.01 to 0.25 M (= mol / liter, the same applies hereinafter). If the electrolyte is added more than 0.25M, the surface potential is too low and the dispersibility is deteriorated, so that fine particles are precipitated due to aggregation or the like.

また、表面電位は、pHによっても制御できる。なぜなら、粒子表面にある解離基の解離(イオン化)度はpHによって影響を受けるからである。例えば微粒子表面にカルボキシル基(−COOH)や表面水酸基(−OH)がある場合は、pHを上げるとイオン化してカルボキシレート陰イオン(−COO)または水酸化物イオン(−O)となるため、電荷密度σは上がる。一方、アミノ基(−NH)がある場合はpHを下げるとアンモニウムイオン(−NH )となり電荷密度が上がる。すなわち、高いpH領域、及び低いpH領域で電荷密度の上昇がある。したがって、本発明では微粒子分散液のpHを3〜9の範囲内にすることで、アニオン、カチオンいずれについても、電荷密度σの上昇が抑制され、結果として表面電位、さらにはゼータ電位を低く制御することができ、基材表面に微粒子が緻密に充填されて積層されるのを防ぐことができる。 The surface potential can also be controlled by pH. This is because the degree of dissociation (ionization) of the dissociating group on the particle surface is affected by pH. For example, when there are carboxyl groups (—COOH) or surface hydroxyl groups (—OH) on the surface of the fine particles, ionization occurs as carboxylate anions (—COO ) or hydroxide ions (—O ) when the pH is raised. Therefore, the charge density σ increases. On the other hand, when there is an amino group (—NH 2 ), when the pH is lowered, ammonium ions (—NH 3 + ) are formed and the charge density is increased. That is, there is an increase in charge density in the high pH region and the low pH region. Therefore, in the present invention, by setting the pH of the fine particle dispersion within the range of 3 to 9, the increase of the charge density σ is suppressed for both anions and cations, and as a result, the surface potential and further the zeta potential are controlled to be low. It is possible to prevent fine particles from being densely packed on the surface of the base material and stacking.

(4)微粒子材料
本発明に用いる微粒子分散水溶液に分散されている微粒子は、光学的に透明な微粒子であって、微粒子の粒子径が10nm以上、100nm以下であることが好ましい。10nm以下であると膜成長に時間がかかりすぎるし、100nm以上であると、膜厚の制御がしにくく、また光を散乱しやすくなる。また、粒子径のばらつきが10nm以下であることが好ましい。吸着した粒子の大きさのばらつきが、膜厚のばらつきに影響し、光学的なムラとなる可能性があるからである。
(4) Fine particle material The fine particles dispersed in the fine particle dispersed aqueous solution used in the present invention are optically transparent fine particles, and the particle diameter of the fine particles is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. If it is 10 nm or less, it takes too much time to grow the film, and if it is 100 nm or more, it is difficult to control the film thickness and it becomes easy to scatter light. Moreover, it is preferable that the dispersion | variation in a particle diameter is 10 nm or less. This is because the variation in the size of the adsorbed particles may affect the variation in the film thickness, resulting in optical unevenness.

無機の微粒子としては、例えば、フッ化マグネシウム(MgF)、フッ化アルミニウム(AlF)、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、シリカ(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニア(ZrO)、酸化チタン(TiO)、酸化ニオブ(Nb)、インジウムスズ酸化物(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)、セリア(CeO)、酸化イットリウム(Y)、酸化ビスマス(Bi)、等が挙げられ、これらは単独で又は二種類以上を混合して使用することができる。上記の無機微粒子の中でも屈折率を下げられる点でシリカ(SiO)が好ましく、粒子径を10nmから100nmのように制御した水分散コロイダルシリカ(SiO)が最も好ましい。このような無機微粒子の市販品としては、例えば、スノーテックス、スノーテックスUP(日産化学工業社製)等が挙げられる。 Examples of the inorganic fine particles include magnesium fluoride (MgF 2 ), aluminum fluoride (AlF 3 ), lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), silica (SiO 2 ), and aluminum oxide (Al 2 O). 3 ), zirconia oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), ceria (CeO) 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), and the like. These may be used alone or in admixture of two or more. Among the above inorganic fine particles, silica (SiO 2 ) is preferable in that the refractive index can be lowered, and water-dispersed colloidal silica (SiO 2 ) whose particle diameter is controlled to be 10 nm to 100 nm is most preferable. Examples of such commercially available inorganic fine particles include Snowtex and Snowtex UP (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.).

また、粒子径10nmから100nmの条件を満たすポリマー微粒子も用いることができ、このようなものとしては例えば、ポリエチレン、アクリル系ポリマー、ポリスチレン、シリコンポリマー、フェノール樹脂、ポリアミド、天然高分子を挙げることができ、これらは単独で又は二種類以上を混合して使用することができる。それらは液相から溶液噴霧法、脱溶媒法、水溶液反応法、エマルション法、懸濁重合法、分散重合法、アルコキシド加水分解法(ゾル−ゲル法)、水熱反応法、化学還元法、液中パルスレーザーアブレーション法などの製造方法で合成される。ポリマー微粒子の市販品としては、例えば、ミストパール(荒川化学工業社製)等が挙げられる。   In addition, polymer fine particles satisfying a particle diameter of 10 nm to 100 nm can be used, and examples thereof include polyethylene, acrylic polymer, polystyrene, silicon polymer, phenol resin, polyamide, and natural polymer. These can be used alone or in admixture of two or more. From liquid phase to solution spray method, solvent removal method, aqueous solution reaction method, emulsion method, suspension polymerization method, dispersion polymerization method, alkoxide hydrolysis method (sol-gel method), hydrothermal reaction method, chemical reduction method, liquid It is synthesized by a manufacturing method such as medium pulse laser ablation. Examples of commercially available polymer fine particles include Mist Pearl (manufactured by Arakawa Chemical Industries).

また、微粒子間に結合を与える目的で、これらの微粒子の表面にイオン性、または反応性の官能基を付加しても良い。代表的なものとしては、アミノ基、カルボキシル基、カルボニル基、エポキシ基、フェノール基、メルカプト基、メタクリル基、ポリエーテル基等を挙げることができる。これらの官能基の付加は、例えば、官能基を有するシランカップリング剤を微粒子の表面水酸基などと縮合反応させることにより達成することができる。   Further, for the purpose of providing a bond between the fine particles, an ionic or reactive functional group may be added to the surface of these fine particles. Typical examples include amino groups, carboxyl groups, carbonyl groups, epoxy groups, phenol groups, mercapto groups, methacryl groups, polyether groups, and the like. The addition of these functional groups can be achieved, for example, by subjecting a silane coupling agent having a functional group to a condensation reaction with the surface hydroxyl groups of the fine particles.

より高い空隙率を得るためには、基本となる微粒子が、多孔質となっている微粒子や、図4に示されるように数珠状に連なった粒子形状を含有するものがより好ましい。市販されているものとしては、スノーテックスPSないしスノーテックスUPシリーズ(日産化学工業社製)や、ファインカタロイドF120(触媒化成工業社製)で、パールネックレス状シリカゾルがある。   In order to obtain a higher porosity, it is more preferable that the basic fine particles include porous fine particles or particles having a bead-like shape as shown in FIG. Examples of commercially available products include Snowtex PS or Snowtex UP series (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) and Fine Cataloid F120 (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd.), and pearl necklace-like silica sol.

(5)微粒子分散液
本発明で用いる微粒子分散液は、上述の微粒子が、水または、水と水溶性の有機溶媒のような混合溶媒である媒体(液)に分散されたものである。水溶性の有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリルなどがあげられる。この微粒子分散液中の微粒子の表面電位を示すゼータ電位はその絶対値が1〜45mVの範囲に制御されているものであり、ゼータ電位の制御は、前述のように微粒子分散液のpHの調整や微粒子分散液に電解質を添加することなどによって達成できる。
(5) Fine particle dispersion The fine particle dispersion used in the present invention is obtained by dispersing the above-mentioned fine particles in a medium (liquid) which is water or a mixed solvent such as water and a water-soluble organic solvent. Examples of the water-soluble organic solvent include methanol, ethanol, propanol, acetone, dimethylformamide, acetonitrile and the like. The zeta potential indicating the surface potential of the fine particles in the fine particle dispersion is controlled to have an absolute value in the range of 1 to 45 mV, and the zeta potential is controlled by adjusting the pH of the fine particle dispersion as described above. Or by adding an electrolyte to the fine particle dispersion.

また、微粒子分散液を調製する際に、分散性を改善するために、いわゆる分散剤を用いることができる。このような分散剤としては、界面活性剤やイオン性ポリマーあるいは非イオン性ポリマーなどを用いることができる。これらの分散剤の使用量は、用いる分散剤の種類によって異なるものであるが、一般に0.1%(重量)以下程度であることが好ましく、多すぎるとゲル化・分離を起こしたり、分散液中で微粒子が電気的に中性となり、積層膜が得られなくなる。   Further, when preparing the fine particle dispersion, a so-called dispersant can be used in order to improve dispersibility. As such a dispersant, a surfactant, an ionic polymer, a nonionic polymer, or the like can be used. The amount of these dispersants to be used varies depending on the type of the dispersant to be used, but generally it is preferably about 0.1% (weight) or less. Among them, the fine particles become electrically neutral, and a laminated film cannot be obtained.

また、微粒子分散液においては、微粒子分散液のpHは、3〜9程度であることが好ましい。pHの調整は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ性水溶液または塩酸、硫酸などの酸性水溶液で、行うことができ、また、分散剤によってもpHを調整することができ、さらに、加える電解質(例えば、強酸と弱塩基や弱酸と強塩基の組み合わせの塩など)によってもpHを調整することができる。微粒子分散液のpHが9よりも大きいか、あるいは3未満であると、反対の電荷を持つポリマーが吸着された基材との静電的引力が強くなり、微粒子が緻密に充填された膜となるか、あるいは基材との静電的引力が働かない上に、分散液の微粒子同士の斥力が低下することにより凝集を起し、微粒子の凝集体が沈殿して微粒子が基材上に積層されないようになる傾向がある。   In the fine particle dispersion, the pH of the fine particle dispersion is preferably about 3 to 9. The pH can be adjusted with an alkaline aqueous solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, or an acidic aqueous solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid. The pH can also be adjusted with a dispersing agent. For example, the pH can also be adjusted by a salt of a strong acid and a weak base or a combination of a weak acid and a strong base. When the pH of the fine particle dispersion is greater than 9 or less than 3, electrostatic attraction with the base material on which the polymer having the opposite charge is adsorbed becomes strong, and the film in which fine particles are densely packed In addition, electrostatic attraction with the substrate does not work, and the repulsive force between the fine particles of the dispersion decreases, causing agglomeration, and the fine particle agglomerates precipitate and the fine particles are laminated on the substrate. There is a tendency not to be.

また、微粒子分散液中に占める微粒子の割合は、通常0.01〜10%(重量)程度が好ましく、微粒子の分散は公知の方法によって行うことができる。   The proportion of fine particles in the fine particle dispersion is usually preferably about 0.01 to 10% (weight), and the fine particles can be dispersed by a known method.

(6)イオン性ポリマー溶液
この発明で使用するイオン性ポリマー溶液は、微粒子の表面電荷と反対または同種の電荷のイオン性ポリマーを、水または水と水溶性の有機溶媒の混合溶媒に溶解したものである。使用できる水溶性の有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリルなどがあげられる。このイオン性ポリマー溶液は微粒子積層膜の形成や下地層の形成などに用いられる。
(6) Ionic polymer solution The ionic polymer solution used in the present invention is obtained by dissolving an ionic polymer having a charge opposite to or similar to the surface charge of fine particles in water or a mixed solvent of water and a water-soluble organic solvent. It is. Examples of water-soluble organic solvents that can be used include methanol, ethanol, propanol, acetone, dimethylformamide, acetonitrile, and the like. This ionic polymer solution is used for forming a fine particle laminated film, forming an underlayer, and the like.

イオン性ポリマーとしては、荷電を有する官能基を主鎖または側鎖に持つ高分子を用いることができる。この場合、ポリアニオンとしては、一般的に、スルホン酸、硫酸、カルボン酸など負電荷を帯びることのできる官能基を有するものであり、たとえば、ポリスチレンスルホン酸(PSS)、ポリビニル硫酸(PVS)、デキストラン硫酸、コンドロイチン硫酸、ポリアクリル酸(PAA)、ポリメタクリル酸(PMA)、ポリマレイン酸、ポリフマル酸などが用いられる。また、ポリカチオンとしては、一般に、4級アンモニウム基、アミノ基などの正荷電を帯びることのできる官能基を有するもの、たとえば、ポリエチレンイミン(PEI)、ポリアリルアミン塩酸塩(PAH)、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド(PDDA)、ポリビニルピリジン(PVP)、ポリリジン、ポリアクリルアミドおよびそれらを少なくとも1種以上を含む共重合体などを用いることができる。これらのイオン性ポリマーは、いずれも水溶性あるいは水と有機溶媒との混合液に可溶なものであり、イオン性ポリマーの分子量としては、用いるイオン性ポリマーの種類により一概には定めることができないが、一般に、20,000〜200,000程度のものが好ましい。なお、溶液中のイオン性ポリマーの濃度は、一般に、0.01〜10%(重量)程度が好ましい。また、イオン性ポリマー溶液のpHは、特に限定されない。   As the ionic polymer, a polymer having a charged functional group in the main chain or side chain can be used. In this case, the polyanion generally has a negatively charged functional group such as sulfonic acid, sulfuric acid, and carboxylic acid. For example, polystyrene sulfonic acid (PSS), polyvinyl sulfate (PVS), dextran, and the like. Sulfuric acid, chondroitin sulfate, polyacrylic acid (PAA), polymethacrylic acid (PMA), polymaleic acid, polyfumaric acid and the like are used. The polycation generally has a positively charged functional group such as a quaternary ammonium group or amino group, such as polyethyleneimine (PEI), polyallylamine hydrochloride (PAH), polydiallyldimethyl. Ammonium chloride (PDDA), polyvinyl pyridine (PVP), polylysine, polyacrylamide, and a copolymer containing at least one of them can be used. All of these ionic polymers are water-soluble or soluble in a mixture of water and an organic solvent, and the molecular weight of the ionic polymer cannot be generally determined depending on the type of ionic polymer used. However, generally about 20,000-200,000 is preferable. In general, the concentration of the ionic polymer in the solution is preferably about 0.01 to 10% (weight). Further, the pH of the ionic polymer solution is not particularly limited.

(7)基材
基材としては樹脂、シリコンなどの半導体、金属、無機酸化物等、極端に疎水性、撥水性のものまたは表面にそのような膜がコートしてあるもの以外であれば全ての固体基材に適応できる。形状はフィルム、シート、板、曲面を有する形状、筒状、糸状、繊維、発泡材など浸漬して水が入り込むことができるものであれば限定されない。この低屈折率膜を反射防止膜として機能させるためには透明基材が望ましい。LCDディスプレイに用いる偏光板に反射防止機能を付与することもできる。
(7) Substrate Any substrate other than those that are extremely hydrophobic or water-repellent, such as resins, semiconductors such as silicon, metals, inorganic oxides, or those whose surfaces are coated with such a film It can be applied to any solid substrate. The shape is not limited as long as it can be immersed in water, such as a film, a sheet, a plate, a curved surface, a cylinder, a thread, a fiber, or a foamed material. In order for this low refractive index film to function as an antireflection film, a transparent substrate is desirable. An antireflection function can also be imparted to the polarizing plate used in the LCD display.

上記透明基材としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、トリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、アセテートブチレートセルロース、ポリエーテルサルフォン、ポリアミド、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアセタール、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリウレタンなどの熱可塑性樹脂や、ガラス基板などが用いられる。基材の表面に透明な樹脂膜や無機膜がコートされているものも含まれる。   Examples of the transparent substrate include polyethylene terephthalate, triacetyl cellulose, diacetyl cellulose, acetate butyrate cellulose, polyether sulfone, polyamide, polyimide, polypropylene, polymethylpentene, polyvinyl chloride, polyvinyl acetal, and polymethyl methacrylate. A thermoplastic resin such as polycarbonate or polyurethane, a glass substrate, or the like is used. Also included are those in which the surface of the substrate is coated with a transparent resin film or inorganic film.

本発明の微粒子積層膜はこのような基材上に形成されるものであるが、このような透明基材に形成された反射防止膜(微粒子積層膜)の反対側の基材面に粘着剤層が形成されており、被着体としてのディスプレイ表面のガラス基板などに貼り付けて、反射防止膜が空気と面するよう用いることもできる。また、仮支持体に低屈折率膜を形成しておき、さらにその上に転写するための粘着層または接着層を形成して、被着体と粘着層または接着層が面するように貼り合わせ、仮支持体を剥がすことによって反射防止膜を被着体に形成することもできる。   The fine particle laminated film of the present invention is formed on such a substrate, and the pressure-sensitive adhesive is formed on the substrate surface opposite to the antireflection film (fine particle laminated film) formed on such a transparent substrate. A layer is formed, and it can be attached to a glass substrate or the like on the surface of a display as an adherend so that the antireflection film faces the air. In addition, a low refractive index film is formed on the temporary support, and an adhesive layer or adhesive layer for transfer is further formed on the temporary support so that the adherend and the adhesive layer or adhesive layer face each other. The antireflection film can be formed on the adherend by peeling off the temporary support.

(8)微粒子積層膜の作製方法
まず、前述のような基材をそのまま用いるか、またはそれらの表面にコロナ放電処理、グロー放電処理、プラズマ処理、紫外線照射、オゾン処理、アルカリや酸などによる化学的エッチング処理、シランカップリング処理などによって極性を有する官能基を導入して基材の表面電荷をマイナスもしくはプラスにする。
(8) Method for producing fine particle laminated film First, the base materials as described above are used as they are, or the surfaces thereof are subjected to corona discharge treatment, glow discharge treatment, plasma treatment, ultraviolet irradiation, ozone treatment, chemistry with alkali or acid, etc. The surface charge of the base material is made negative or positive by introducing a functional group having a polarity by a chemical etching process, a silane coupling process or the like.

また、基材表面へ電荷を効率よく導入する方法としては、強電解質ポリマーであるポリカチオン系のPDDAやPEIとポリアニオン系のPSSの交互積層膜を形成することによっても可能である(Advanced Material.13,51−54(2001))。すなわち、このような表面に荷電を有する固体基板を2種類のポリマーイオン溶液(ポリカチオンとポリアニオン)に交互に浸し、ポリマーイオンの薄膜を固体基板上に作製する。表面電荷がマイナスであれば、はじめにカチオン性の溶液に浸漬し、次いで、アニオン性の溶液に浸漬し、必要に応じこれを交互に続けて交互積層膜を形成する。用いるポリマーイオン溶液の濃度、pHの条件および浸漬時間、繰り返し数などの製造条件は、積層したい膜厚によって前記(6)と同様にして適時調整する。また、反対電荷を有する溶液に浸漬する前に溶媒のみのリンスによって余剰の溶液を洗い流すことが好ましい。このような基材に微粒子積層膜を形成するための下地層となるポリマーイオンの交互積層膜としては、1〜5nm程度の膜厚であり、積層回数(カチオンとアニオンの組み合わせを1回とする)は、2〜5回程度であることが好ましく、これにより、その後に積層する微粒子積層膜の均一性の向上が図られる。   In addition, as a method for efficiently introducing a charge onto the substrate surface, it is possible to form an alternating laminated film of polycation PDDA or PEI which is a strong electrolyte polymer and polyanion PSS (Advanced Material. 13, 51-54 (2001)). That is, a solid substrate having a charge on such a surface is alternately immersed in two types of polymer ion solutions (polycation and polyanion) to produce a thin film of polymer ions on the solid substrate. If the surface charge is negative, it is first immersed in a cationic solution, then immersed in an anionic solution, and this is continued alternately to form an alternate laminated film. The concentration of the polymer ion solution to be used, pH conditions, and the manufacturing conditions such as the immersion time and the number of repetitions are adjusted in a timely manner in the same manner as in the above (6) depending on the film thickness to be laminated. Moreover, it is preferable to wash away the excess solution by rinsing with only the solvent before immersing in the solution having the opposite charge. The alternating film of polymer ions serving as an underlayer for forming the fine particle laminated film on such a substrate has a film thickness of about 1 to 5 nm, and the number of times of lamination (the combination of cation and anion is one time) ) Is preferably about 2 to 5 times, and this improves the uniformity of the fine particle laminated film laminated thereafter.

次いで、このような表面に荷電を有する固体基板を、微粒子分散液と微粒子の表面電荷と反対の電荷を有するポリマーイオン溶液(ポリカチオンあるいはポリアニオン)に交互に浸し、微粒子積層膜の薄膜を固体基板上に作製する。基材の表面電荷が、微粒子の表面電荷と反対の電荷であるときは、微粒子分散液への浸漬から始め、微粒子の表面電荷と同種の時は、イオン性ポリマー溶液への浸漬から始め、必要とする膜厚を得るまで微粒子分散液とイオン性ポリマー溶液への浸漬を繰り返す。最後の浸漬は通常、イオン性ポリマー溶液への浸漬とし、微粒子の吸着を確実なものとする。浸漬時間は用いる微粒子やイオン性ポリマーの種類、積層したい膜厚によって適宜調整する。   Next, such a solid substrate having a charge on the surface is alternately immersed in a fine particle dispersion and a polymer ion solution (polycation or polyanion) having a charge opposite to the surface charge of the fine particles, and the thin film of the fine particle laminated film is solid substrate. Prepare on. If the surface charge of the substrate is opposite to the surface charge of the fine particles, start with immersion in the fine particle dispersion, and if the same as the surface charge of the fine particles, start with immersion in the ionic polymer solution. The immersion in the fine particle dispersion and the ionic polymer solution is repeated until the film thickness is obtained. The final immersion is usually immersed in an ionic polymer solution to ensure the adsorption of the fine particles. The immersion time is appropriately adjusted according to the type of fine particles and ionic polymer used and the film thickness to be laminated.

微粒子分散液あるいはイオン性ポリマー溶液に浸漬後、反対電荷を有する微粒子分散液あるいはイオン性ポリマー溶液に浸漬する前に媒体(液)あるいは溶媒のみのリンスによって余剰の媒体(液)や溶液を洗い流すことが好ましい。このようなリンスに用いるものとしては、水、アルコール、アセトンなどがあるが、通常、過剰なイオンの除去の点から、比抵抗値が18MΩ・cm以上のイオン交換水(いわゆる超純水)が用いられる。静電的に吸着しているために、このリンスの工程で剥離することはない。また、反対電荷の媒体(液)または溶液に、吸着していないポリマーイオンまたは微粒子を持ち込むことを防ぐためにリンスを行ってもよい。これをしない場合は、持ち込みによって媒体(液)や溶液内でカチオン、アニオンが混ざり、微粒子の凝集や沈殿を起こすことがある。また、各溶液に浸漬する前に乾燥を行っても良い。乾燥方法は熱風、ドライエアや窒素などをエアナイフを用いて吹き付ける方法や電熱炉、赤外線炉を通すなど、公知の方法を用いることができる。   After immersing in the fine particle dispersion or ionic polymer solution, wash away excess medium (liquid) or solution by rinsing with the medium (liquid) or solvent only before immersing in the fine particle dispersion or ionic polymer solution having the opposite charge. Is preferred. Examples of such rinsing include water, alcohol, and acetone. Usually, ion-exchanged water (so-called ultrapure water) having a specific resistance of 18 MΩ · cm or more is used from the viewpoint of removing excess ions. Used. Since it is electrostatically adsorbed, it does not peel off in this rinsing step. Further, rinsing may be performed in order to prevent polymer ions or fine particles that are not adsorbed from being brought into the oppositely charged medium (liquid) or solution. If this is not done, cations and anions may be mixed in the medium (liquid) or solution by bringing it in, which may cause aggregation or precipitation of fine particles. Moreover, you may dry before immersing in each solution. As a drying method, a known method such as a method of blowing hot air, dry air, nitrogen or the like using an air knife, an electric heating furnace, or an infrared furnace can be used.

微粒子分散液またはイオン性ポリマー溶液に浸漬することにより、形成される膜厚は、例えば、積層膜を水晶振動子の上に形成し、その周波数の変化をモニターすることや、得られた積層膜をSEM(走査型電子顕微鏡)、TEM(透過型電子顕微鏡)やAFM(原子間力顕微鏡)などで観察することにより求めることができる。   The film thickness formed by immersing in the fine particle dispersion or the ionic polymer solution is, for example, that a laminated film is formed on a quartz resonator and the change in the frequency is monitored or the obtained laminated film is obtained. Can be determined by observing with an SEM (scanning electron microscope), TEM (transmission electron microscope), AFM (atomic force microscope), or the like.

図5は、微粒子分散液として、スノーテックスPS−Sの水分散液(STps−s)と、ポリマー溶液としてポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA)とを用いて、水晶振動子上に微粒子積層膜を形成した時の、トータルの浸漬時間と周波数の変化量を示したグラフであり、上側の曲線は、電解質としてNaClを加えて塩化ナトリウム濃度を0.25モル/リットルとした場合であり、下側の曲線は電解質を添加しない場合(塩化ナトリウムイオンのような電解質濃度は0.01モル/リットル未満)の結果を示している。このグラフから、いずれの場合も微粒子分散液(STps−s)に浸漬した時に、大きな周波数の変化があり、その後飽和していること、またこれに続くポリマー溶液(PDDA)への浸漬では、大きな周波数の変化はないことがわかる。なお、SEM(走査型電子顕微鏡)などの結果から、周波数の変化は、1000Hzが膜厚20〜25nmに相当するものである。すなわち、図5においては、1回の微粒子分散液とイオン性ポリマー溶液との浸漬により、電解質を添加した場合には、30〜36nm程度、また電解質を添加しない場合には、15〜18nm程度の膜厚が得られ、電解質を添加すると形成される膜厚が、電解質を添加しない場合の約2倍程度大きくなることがわかる。すなわち、1回の微粒子分散液とイオン性ポリマー溶液との浸漬により得られる膜厚は、電解質の有無の他、用いる微粒子の大きさや分散液中における微粒子濃度などによって異なるものとなるが、一般に、10〜40nm程度の膜厚が得られることから、微粒子積層膜の膜厚は、浸漬時間と繰り返し数とで制御できることがわかる。なお、電解質を添加すると1回に形成される膜厚が増加することから、その分繰り返し数を減らすことができ、プロセスを簡略化できることはいうまでもないことである。   FIG. 5 shows a case where a fine particle laminated film is formed on a crystal resonator using a water dispersion (STps-s) of Snowtex PS-S as a fine particle dispersion and polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) as a polymer solution. When formed, it is a graph showing the total immersion time and the amount of change in frequency. The upper curve is the case where NaCl is added as the electrolyte to adjust the sodium chloride concentration to 0.25 mol / liter. This curve shows the result when no electrolyte is added (concentration of electrolyte such as sodium chloride ion is less than 0.01 mol / liter). From this graph, in any case, when immersed in the fine particle dispersion (STps-s), there is a large change in frequency and then saturation, and in the subsequent immersion in the polymer solution (PDDA), there is a large amount. It can be seen that there is no change in frequency. From the results of SEM (scanning electron microscope) and the like, the change in frequency is such that 1000 Hz corresponds to a film thickness of 20 to 25 nm. That is, in FIG. 5, about 30 to 36 nm is obtained when the electrolyte is added by one immersion of the fine particle dispersion and the ionic polymer solution, and about 15 to 18 nm when the electrolyte is not added. It can be seen that the film thickness is obtained, and that the film thickness formed when the electrolyte is added is about twice as large as when the electrolyte is not added. That is, the film thickness obtained by immersing the fine particle dispersion once with the ionic polymer solution differs depending on the size of the fine particles used, the fine particle concentration in the dispersion, etc. in addition to the presence or absence of the electrolyte. Since a film thickness of about 10 to 40 nm is obtained, it can be seen that the film thickness of the fine particle laminated film can be controlled by the immersion time and the number of repetitions. In addition, since the film thickness formed at once will increase when electrolyte is added, it cannot be overemphasized that the number of repetitions can be reduced and the process can be simplified.

製造装置としてはディッパーと呼ばれる交互積層装置を用いても良い。上下左右に動作するロボットアームに基材を取り付け、プログラムされた時間に、基材をカチオン性溶液に漬け、続いてリンス液に漬け、続いてアニオン性溶液に漬け、またリンス液に漬ける。この工程を1サイクルとして、積層したい回数分を連続的に自動的に行うことができる。そのプログラムは2種類以上のカチオン性物質、アニオン性物質を用いた組み合わせをしてもよい。例えば、最初の2層分はポリジメチルジアリルアンモニウム塩化物とポリスチレンスルホン酸ナトリウムの組み合わせ、続く10層はポリジメチルジアリルアンモニウム塩化物とアニオン性シリカゾルの組み合わせを用いることができる。   As a manufacturing apparatus, an alternate stacking apparatus called a dipper may be used. A substrate is attached to a robot arm that moves vertically and horizontally, and at a programmed time, the substrate is immersed in a cationic solution, subsequently immersed in a rinse solution, subsequently immersed in an anionic solution, and then immersed in a rinse solution. This process is one cycle, and the number of times of lamination can be continuously and automatically performed. The program may be a combination of two or more kinds of cationic substances and anionic substances. For example, the first two layers can use a combination of polydimethyldiallylammonium chloride and sodium polystyrene sulfonate, and the next 10 layers can use a combination of polydimethyldiallylammonium chloride and anionic silica sol.

ロール状に巻き取ったフィルムを巻き出し部から取り出し、途中にカチオン性溶液水槽、リンス水槽、アニオン性水槽、リンス水槽を並べて配置し、この配置を積層したい回数分並べて最後に乾燥する工程などを配置して、巻取り部を設けたフィルム状基材への連続膜形成プロセスも用いることができる。   Take out the film wound up in roll form from the unwinding part, arrange the cationic solution water tank, rinse water tank, anionic water tank, rinse water tank in the middle, arrange the number of times you want to stack this arrangement and finally dry the process etc. It is also possible to use a continuous film forming process on a film-like substrate which is arranged and provided with a winding part.

(9)微粒子積層膜
このようにして微粒子積層膜を製造すると、屈折率1.30以下の低屈折率の薄膜を得ることができる。上記の方法であると1.22〜1.30のものが作りやすい。屈折率としては、ガラスやプラスチック基材上の反射防止機能付与の観点で1.22〜1.28が好ましく、1.22〜1.27がより好ましく、1.22〜1.26がさらに好ましい。
(9) Fine Particle Laminated Film When the fine particle laminated film is produced in this manner, a thin film having a low refractive index of 1.30 or less can be obtained. If it is said method, it is easy to make the thing of 1.22-1.30. The refractive index is preferably 1.22-1.28, more preferably 1.22-1.27, and even more preferably 1.22-1.26 from the viewpoint of imparting an antireflection function on glass or plastic substrates. .

また、このようにして製造した微粒子積層膜は、体積密度が41〜58%の低屈折率薄膜とすることができる。体積密度としては、ガラスやプラスチック基材上の反射防止機能付与の観点では41〜55%がより好ましく、41〜50%がさらに好ましい。   Moreover, the fine particle laminated film manufactured in this way can be a low refractive index thin film having a volume density of 41 to 58%. The volume density is preferably 41 to 55%, more preferably 41 to 50%, from the viewpoint of imparting an antireflection function on glass or a plastic substrate.

このような微粒子積層膜は、微粒子積層膜中に微粒子が密着することなく一定の空隙をおいて積層していることから、ここでいう体積密度とは、微粒子積層膜中の空隙部の体積と微粒子自体が占める体積の合計に対する微粒子自体が占める体積をいい、微粒子自体が占める体積であるから、例えば、微粒子が多孔質の場合や中空の場合には、微粒子内の空隙部は、微粒子積層膜中の空隙部の体積に算入される。図3は、シリカの場合の体積密度と屈折率との関係を示すグラフである。すなわち、本発明の微粒子積層膜では、微粒子分散液のpHなどで、分散微粒子のゼータ電位を調整することにより、微粒子の吸着量や吸着密度を制御し、微粒子の体積密度を所定の範囲にすることで、所望の屈折率を得ることができる。なお、好ましい体積密度は、用いる微粒子自体の屈折率により変化するものではあるが、微粒子としてシリカを用いる場合については、41〜58%の体積密度の範囲が好ましいことは上述したとおりである。   Since such a fine particle laminated film is laminated with a certain gap without fine particles adhering to the fine particle laminated film, the volume density here is the volume of the void in the fine particle laminated film. The volume occupied by the fine particles themselves relative to the total volume occupied by the fine particles themselves is the volume occupied by the fine particles themselves. For example, in the case where the fine particles are porous or hollow, the voids in the fine particles are the fine particle laminated film. It is included in the volume of the void inside. FIG. 3 is a graph showing the relationship between volume density and refractive index in the case of silica. That is, in the fine particle laminated film of the present invention, the amount of fine particles adsorbed and the density of adsorption are controlled by adjusting the zeta potential of the fine dispersed particles with the pH of the fine particle dispersion, and the volume density of the fine particles is within a predetermined range. Thus, a desired refractive index can be obtained. Although the preferred volume density varies depending on the refractive index of the fine particles used, as described above, when silica is used as the fine particles, a volume density range of 41 to 58% is preferred.

微粒子積層膜中の体積密度は、例えば、水晶振動子を用いて、振動数の変化に基づく積層された微粒子の重量と、電子顕微鏡などにより測定される積層された膜厚との関係から計算によって大まかに求めることができる。また、微粒子積層膜の膜厚が1μm程度のものであれば、通常の多孔質物質の細孔率や細孔分布を求めるようなガス吸着による方法によっても求めることができる。   The volume density in the fine particle laminated film is calculated from the relationship between the weight of the laminated fine particles based on the change in the frequency and the laminated film thickness measured by an electron microscope, for example, using a crystal resonator. Can be roughly determined. Further, if the film thickness of the fine particle laminated film is about 1 μm, it can also be obtained by a gas adsorption method for obtaining the porosity and pore distribution of a normal porous material.

しかしながら、本発明においては、微粒子積層膜の厚さが全体として80〜120nm、単層での反射率を考慮すると、好ましくは90〜110nm程度のものであり、しかもイオン性ポリマーの積層により得られる膜厚が、1nm以下程度であって、微粒子の積層によって得られる膜厚(通常、10〜40nm)に比べて極めて薄いことから、このイオン性ポリマーを考慮することなく、微粒子積層膜の測定された屈折率と、微粒子を構成する物質自体(すなわち、バルク)の屈折率および空気の屈折率とから、ドルーデの理論の式(数2)により算出した値ρを体積密度として用いることにした。微粒子がシリカの場合については、図3に示してあるとおりであるが、シリカ以外の微粒子を用いる場合も同様にして求めることができる。   However, in the present invention, the thickness of the fine particle laminated film is 80 to 120 nm as a whole, and considering the reflectance in a single layer, it is preferably about 90 to 110 nm, and can be obtained by laminating ionic polymers. Since the film thickness is about 1 nm or less and is extremely thin compared to the film thickness obtained by laminating fine particles (usually 10 to 40 nm), the measurement of the fine particle laminated film can be performed without considering this ionic polymer. The value ρ calculated by Drude's theoretical formula (Equation 2) from the refractive index, the refractive index of the substance itself (that is, the bulk) and the refractive index of air was used as the volume density. The case where the fine particles are silica is as shown in FIG. 3, but the same can be obtained when fine particles other than silica are used.

また、この微粒子積層膜は、可視光が散乱しない空隙構造を有しているものである。可視光が散乱しない空隙構造とは、面内にわたり、均一で可視光が散乱しないものであり、構造的にいえば、散乱の原因となる100nmを超える大きさの空隙部分や100nmを超える大きさの微粒子が存在していないことをいい、特性的にいえば、例えば、入射光の透過光と散乱光の割合を示すヘイズ値が、1%以下であることを示す。具体的には、JIS K7105もしくはJIS K7136のいずれかに準拠したヘイズ値が1%以下の透明基材上に製膜した微粒子積層膜付きの基材のヘイズ値が2%以下であることを意味するものである。   Moreover, this fine particle laminated film has a void structure in which visible light is not scattered. A void structure that does not scatter visible light is one that is uniform and does not scatter visible light over the surface. Speaking structurally, a void portion having a size exceeding 100 nm or a size exceeding 100 nm causes scattering. In terms of characteristics, for example, the haze value indicating the ratio of transmitted light to scattered light and scattered light is 1% or less. Specifically, it means that the haze value of a substrate with a fine particle laminated film formed on a transparent substrate having a haze value of 1% or less conforming to either JIS K7105 or JIS K7136 is 2% or less. To do.

さらに、この微粒子積層膜の特徴は、反射率の波長依存性が少なく、100nm〜120nmの膜厚をガラス基板上に形成すると、可視光領域といわれる400nm〜800nmの全範囲で4%以下の表面反射率が得られる。粒子の集まり方は、粒子同士がほぼ点接触するように空隙を有しながら3次元的に積み重なっている。色は膜厚によって変化するが、100nm〜120nmの膜厚を平滑な透明ガラス基板上に形成すると、反射色は暗い紫色を示す。ヘイズ値は1.0%以下のものが得られる。   Furthermore, the feature of this fine particle laminated film is that the reflectance has little wavelength dependency, and when a film thickness of 100 nm to 120 nm is formed on a glass substrate, the surface is 4% or less in the entire range of 400 nm to 800 nm, which is called the visible light region. Reflectance is obtained. The method of collecting particles is three-dimensionally stacked with voids so that the particles are almost in point contact. Although the color varies depending on the film thickness, when a film thickness of 100 nm to 120 nm is formed on a smooth transparent glass substrate, the reflected color shows dark purple. A haze value of 1.0% or less is obtained.

図6は、上記のようにしてガラス基板上に作製した微粒子積層膜の低屈折率性を利用した反射防止膜(AR膜付きガラスと表示)と基板となるガラス自体(ガラスと表示)との反射防止性能を比較したものであるが、反射防止機能に関して、両者には大きな差があることがわかる。   FIG. 6 shows an antireflection film (displayed as glass with an AR film) using the low refractive index property of the fine particle laminated film prepared on the glass substrate as described above and the glass itself (displayed as glass) as the substrate. Although the antireflection performance is compared, it can be seen that there is a large difference between the two regarding the antireflection function.

(10)オーバーコート膜
微粒子積層膜は空隙を有しているために機械的な強度に対し弱く、外部に直接触れない部分に用いる場合は良いが、ディスプレイなどの表面に用いる場合には反射防止機能に与える影響を最小限にする膜厚のオーバーコートを形成して用いることが好ましい。その膜厚は20nm以下であることが望ましい。
(10) Overcoat film Since the fine particle laminate film has voids, it is weak against mechanical strength and may be used in areas that do not directly touch the outside. It is preferable to form and use an overcoat having a thickness that minimizes the influence on the function. The film thickness is desirably 20 nm or less.

そのような膜材料は、例えば電離放射線硬化樹脂、熱硬化型樹脂、熱可塑性樹脂、反応性シリコーンオイルなどの樹脂組成物があげられる。また、金属アルコキシド溶液に浸漬したのち、乾燥して金属酸化物の硬化膜を得る方法やポリシラザンの溶液にディップして、シリカに転化することによりシリカ膜をコートする方法や、蒸着法やスパッタ法などのドライ法を用いて、無機酸化物膜を20nm以下に形成して用いても良い。オーバーコート膜の屈折率はなるべく低いほうが良く、MgFなどのフッ化物やシリカ(SiO)などが好ましい。また樹脂組成物をバインダーとして、これら無機材料の微粒子などを混合することで強度や屈折率を調整することもできる。 Examples of such film materials include resin compositions such as ionizing radiation curable resins, thermosetting resins, thermoplastic resins, and reactive silicone oils. In addition, after dipping in a metal alkoxide solution, drying to obtain a cured film of metal oxide, dipping into a solution of polysilazane and converting to silica, coating a silica film, vapor deposition or sputtering The inorganic oxide film may be formed to a thickness of 20 nm or less using a dry method such as the above. The refractive index of the overcoat film should be as low as possible, and fluorides such as MgF 2 and silica (SiO 2 ) are preferable. Further, the strength and refractive index can be adjusted by mixing fine particles of these inorganic materials with the resin composition as a binder.

さらに、傷をつきにくくし、また水や油脂成分などの汚れを防止するためのコーティングを施してもよい。コーティングの膜厚は、光学的に影響を与えないために20nm以下にする必要がある。代表的には、アルコキシ基を持ったパーフルオロシラン類フッ素化合物などの表面コーティング剤がある。シラン化合物はゾルゲル反応と同じく、加水分解により脱水や脱アルコールによる重縮合が起きてネットワーク化する。微粒子にシリカを用いた場合は表面にシラノール基が存在するので、直接コートしても分子間結合をする。これらは最初にアルコキシ基が表面のシラノール基と反応して脱アルコールして固定化され、さらにその後空気中の水分などによって加水分解が進み、縮合によって三次元的に結合したシロキサン結合ができて強固さが増し、表面の摩擦や磨耗等の機械的な耐久性に優れた特性を持つ。また、表面にフッ素を主成分とする疎水基が存在するため高い撥水性を示すため好ましい。   Furthermore, a coating may be applied to make it difficult to scratch and to prevent dirt such as water and oil and fat components. The film thickness of the coating needs to be 20 nm or less so as not to affect optically. Typically, there are surface coating agents such as perfluorosilanes fluorine compounds having an alkoxy group. As in the sol-gel reaction, the silane compound is networked by hydrolysis and polycondensation due to dehydration and dealcoholization. When silica is used for the fine particles, silanol groups are present on the surface, and therefore intermolecular bonding occurs even when directly coated. First, the alkoxy group reacts with the silanol group on the surface and is dealcoholized to be immobilized, and then the hydrolysis proceeds due to moisture in the air, resulting in the formation of a three-dimensionally bonded siloxane bond by condensation. And has excellent mechanical durability such as surface friction and wear. Moreover, since the hydrophobic group which has a fluorine as a main component exists on the surface, it shows high water repellency, and is preferable.

ポリマー微粒子やシラノール基を持たない微粒子を積層した場合には、シリカ膜を形成した後コーティングを行うことが好ましい。代表的なものとして、オプツールDSX(ダイキン社製)、デュラサーフDS5000(ハーベス社製)、ノベックEGC−1720(住友スリーエム社製)などがある。   When polymer fine particles or fine particles not having a silanol group are laminated, it is preferable to perform coating after forming a silica film. Representative examples include OPTOOL DSX (manufactured by Daikin), Durasurf DS5000 (manufactured by Harves), Novec EGC-1720 (manufactured by Sumitomo 3M), and the like.

オーバーコート膜の形成方法は、ロールコートやスピンコート、ディップコートなどのウエットプロセスや、蒸着法、スパッタ法などのドライプロセス、またそれらを組み合わせて用いることができる。   The overcoat film can be formed by a wet process such as roll coating, spin coating, or dip coating, a dry process such as vapor deposition or sputtering, or a combination thereof.

以下、本発明の低屈折率膜の実施例によりさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the low refractive index film of the present invention will be described in more detail.

実施例1
材料として、ポリカチオンである、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA、平均分子量100000、アルドリッチ社製)とポリアニオンであるポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSS、平均分子量70000、アルドリッチ社製)、微粒子分散液として、シリカ微粒子水分散液(ST20、日産化学工業社製、コロイダルシリカ、スノーテックス20、平均粒子径20nm)を用いた。
Example 1
As materials, polycation, polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA, average molecular weight 100,000, manufactured by Aldrich) and polyanion, sodium polystyrene sulfonate (PSS, average molecular weight 70000, manufactured by Aldrich), silica as fine particle dispersion A fine particle aqueous dispersion (ST20, manufactured by Nissan Chemical Industries, colloidal silica, Snowtex 20, average particle size 20 nm) was used.

ST20は、分散性を保持するために、pHが10に調整されている。そこで、本実施例では、重量%を調整した後に、1モル/リットルの塩化水素水溶液を滴下して、pHを9に調整して用いる。   In ST20, the pH is adjusted to 10 in order to maintain dispersibility. Therefore, in this embodiment, after adjusting the weight%, a 1 mol / liter aqueous solution of hydrogen chloride is dropped to adjust the pH to 9.

まず、基材に電荷を効率よく付与するための下地層としてPDDAとPSSの交互積層膜を形成する。溶液としては0.3重量%のPDDA水溶液と0.3重量%のPSS水溶液を調製する。次に、BK−5ガラス基板(マツナミ社製、25mm×75mm×0.7mm厚)を(ア)PDDA水溶液に5分間浸漬した後、リンス用の超純水(比抵抗18MΩ・cm)に3分間浸漬し、(イ)PSS水溶液に5分間浸漬し、リンス用の超純水に3分間浸漬した。(ア)と(イ)の工程を順番に行う工程を1サイクルとして、このサイクルを2回繰り返し、ガラス基板上にPDDAとPSSの交互積層膜を2層積層した。この工程によって、基板表面の電荷密度を均一にすることができ、ムラなく微粒子が吸着する効果がある。   First, an alternating layer film of PDDA and PSS is formed as a base layer for efficiently applying a charge to the substrate. As a solution, a 0.3 wt% PDDA aqueous solution and a 0.3 wt% PSS aqueous solution are prepared. Next, a BK-5 glass substrate (manufactured by Matsunami Co., Ltd., 25 mm × 75 mm × 0.7 mm thickness) was immersed in (a) PDDA aqueous solution for 5 minutes, and then rinsed with ultrapure water (specific resistance 18 MΩ · cm) for rinsing. Immersion for 5 minutes, (i) Immersion in an aqueous solution of PSS for 5 minutes, and immersion in ultrapure water for rinsing for 3 minutes. The step of sequentially performing the steps (a) and (b) was taken as one cycle, and this cycle was repeated twice to laminate two layers of alternating layers of PDDA and PSS on the glass substrate. By this step, the charge density on the substrate surface can be made uniform, and there is an effect that fine particles are adsorbed without unevenness.

続いて、微粒子積層膜の成膜工程を説明する。溶液としては0.3重量%のPDDA水溶液と1重量%、pH=9のST20水分散液を調製する。微粒子水分散液のゼータ電位を測定したところ、−45mVであった。これらの液に交互に浸漬してPDDAとシリカ微粒子が交互に積層された微粒子積層膜を得る。その手順は、前述の下地層の最表面がPSSであるため、まず反対電荷のカチオンである(ウ)PDDA水溶液に1分間浸漬し、リンス用の超純水に3分間浸漬し、(エ)1重量%のシリカ微粒子水分散液ST20に1分間浸漬した後、リンス用の超純水に3分間浸漬する。(ウ)と(エ)の工程を順番に行う工程を1サイクルとして、このサイクルを10回繰返した。   Subsequently, a film forming process of the fine particle laminated film will be described. As a solution, a 0.3 wt% PDDA aqueous solution and a 1 wt% ST20 aqueous dispersion with pH = 9 are prepared. The zeta potential of the fine particle aqueous dispersion was measured and found to be -45 mV. By alternately dipping in these solutions, a fine particle laminated film in which PDDA and silica fine particles are alternately laminated is obtained. Since the outermost surface of the above-mentioned underlayer is PSS, the procedure is as follows: First, immerse in an aqueous solution of PDDA, which is a cation of the opposite charge, for 1 minute, and immerse in ultrapure water for rinsing for 3 minutes After immersing in 1 wt% silica fine particle aqueous dispersion ST20 for 1 minute, it is immersed in rinsing ultrapure water for 3 minutes. The cycle of repeating steps (c) and (d) in this order was taken as one cycle, and this cycle was repeated 10 times.

このガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約99%となり、また、裏面からの反射を無視できるように裏面に黒いテープを貼り付けし、5°入射により可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて反射スペクトルを測定したところ、反射率(表面反射率)は0.4%であった。但し、標準ミラーとしてはシリコンを用い、その反射率は文献値(D.E.Aspnes and J.B.Theeten, J.Electrochem.Soc. Vol.127, p1359 (1980))を用いた。サンプルの標準ミラーに対する相対反射率からサンプルの絶対反射率を計算している。使用した基材のガラス基板の透過率は91%であり、表面反射率は4%であることから、ガラス基板上に優れた特性の反射防止膜が形成されたことになる。なお、上記のゼータ電位の測定は、DELSA 440SX(ベックマン・コールター社製)を用い、定電流値0.7〜1.0mAで行った。   When the transmission spectrum of this glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 99%, and the black tape on the back surface so that the reflection from the back surface could be ignored. When a reflection spectrum was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.) at 5 ° incidence, the reflectance (surface reflectance) was 0.4%. However, silicon was used as the standard mirror, and literature values (DE Aspes and JB Theeten, J. Electrochem. Soc. Vol. 127, p1359 (1980)) were used. The absolute reflectance of the sample is calculated from the relative reflectance of the sample with respect to the standard mirror. Since the transmittance of the base glass substrate used was 91% and the surface reflectance was 4%, an antireflection film having excellent characteristics was formed on the glass substrate. The zeta potential was measured using DELSA 440SX (manufactured by Beckman Coulter, Inc.) at a constant current value of 0.7 to 1.0 mA.

同様の工程で、ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(DVA−36LA、溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.29、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は56%となった。なお、上記エリプソメータによる屈折率と膜厚は、反射光のP偏光成分とS偏光成分の振幅比とその位相差から、DVA−36LA装置付属のプログラムによるシュミレーションにより求めた。   In the same process, a silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained fine particle laminated film were measured with an ellipsometer (DVA-36LA, manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). As a result, the refractive index was 1.29 and the film thickness was 110 nm. The volume density obtained from the refractive index was 56%. The refractive index and film thickness obtained by the ellipsometer were obtained from the amplitude ratio of the P-polarized component and the S-polarized component of the reflected light and the phase difference thereof by simulation using a program attached to the DVA-36LA apparatus.

実施例2
実施例1と同様のプロセスで、材料として、微粒子分散液を日産化学工業社製の数珠状の微粒子を含む、スノーテックスPS−S(STps−s、パールネックレス状シリカゾル)、1重量%水分散液に変えたもの(塩化水素を用いて、pH=9に調整)を用いて、微粒子積層膜を作製した。積層サイクルの回数は8回とした。微粒子分散液のゼータ電位を測定したところ、−36mVであった。得られたガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約99%となり、表面反射率は0.2%であった。
Example 2
Snowtex PS-S (STps-s, pearl necklace-like silica sol) containing 1% by weight of water dispersion containing a bead-like fine particle manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. as a material in the same process as in Example 1. A fine particle laminated film was prepared by using a liquid (adjusted to pH = 9 using hydrogen chloride). The number of lamination cycles was 8 times. The zeta potential of the fine particle dispersion was measured and found to be -36 mV. When the transmission spectrum of the obtained glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 99%, and the surface reflectance was 0.2%.

ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.26〜1.27、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は49〜51%となった。   A silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained fine particle laminated film were measured by an ellipsometer (manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). As a result, the refractive index was 1.26 to 1.27, and the film thickness was 110 nm. The volume density determined from the refractive index was 49 to 51%.

実施例3
実施例1と同様のプロセスで、材料として、微粒子分散液を日産化学工業社製の数珠状の微粒子を含む、スノーテックスPS−S(STps−s、パールネックレス状シリカゾル)、1重量%水分散液に変えたもの(塩化水素を用いて、pH=8に調整)を用いて、微粒子積層膜を作製した。積層サイクルの回数は8回とした。微粒子分散液のゼータ電位を測定したところ、−32mVであった。得られたガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約99%となり、表面反射率は0.2%であった。
Example 3
Snowtex PS-S (STps-s, pearl necklace-like silica sol) containing 1% by weight of water dispersion containing a bead-like fine particle manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. as a material in the same process as in Example 1. A fine particle laminated film was prepared using a liquid (adjusted to pH = 8 using hydrogen chloride). The number of lamination cycles was 8 times. The zeta potential of the fine particle dispersion was measured and found to be -32 mV. When the transmission spectrum of the obtained glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 99%, and the surface reflectance was 0.2%.

ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.26〜1.27、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は49〜51%となった。   A silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained fine particle laminated film were measured by an ellipsometer (manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). As a result, the refractive index was 1.26 to 1.27, and the film thickness was 110 nm. The volume density determined from the refractive index was 49 to 51%.

実施例4
実施例1と同様のプロセスで、材料として、微粒子分散液を日産化学工業社製の数珠状の微粒子を含む、酸性シリカゾル溶液のスノーテックスPS−SO(STps−so、パールネックレス状シリカゾル)、1重量%水分散液に変えたもの(pH=3.5であった)を用いて、微粒子積層膜を作製した。積層サイクルの回数は3回とした。微粒子分散液のゼータ電位を測定したところ、−23mVであった。得られたガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約99%となり、表面反射率は0.1%であった。
Example 4
Snowtex PS-SO (STps-so, pearl necklace-like silica sol), an acidic silica sol solution containing bead-like fine particles manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. as a material in the same process as in Example 1. A fine particle laminated film was prepared using a water-dispersed solution (pH = 3.5). The number of lamination cycles was three. The zeta potential of the fine particle dispersion was measured and found to be -23 mV. When the transmission spectrum of the obtained glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 99%, and the surface reflectance was 0.1%.

ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.24、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は45%となった。   A silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained fine particle laminated film were measured by an ellipsometer (manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). As a result, the refractive index was 1.24 and the film thickness was 110 nm. The volume density obtained from the refractive index was 45%.

実施例5
実施例2に用いたSTps−s微粒子分散液(1重量%)に塩化ナトリウムを0.25モル/リットルとなるように加えたものを、1Mの塩化水素水を用いて、pH=9に調整して微粒子分散液として用い、実施例1と同様のプロセスで微粒子分散液に3回浸漬して、微粒子積層膜を作製した。微粒子分散液のゼータ電位を測定したところ、−23mVであった。得られたガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約99%となり、表面反射率は0.1%であった。得られた低屈折率薄膜の反射スペクトルの測定結果を図7に示した。
Example 5
What added sodium chloride so that it might become 0.25 mol / l to the STps-s fine particle dispersion liquid (1 weight%) used for Example 2 was adjusted to pH = 9 using 1M hydrogen chloride water. Then, it was used as a fine particle dispersion and immersed in the fine particle dispersion three times in the same process as in Example 1 to produce a fine particle laminated film. The zeta potential of the fine particle dispersion was measured and found to be -23 mV. When the transmission spectrum of the obtained glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 99%, and the surface reflectance was 0.1%. The measurement result of the reflection spectrum of the obtained low refractive index thin film is shown in FIG.

ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.24、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は45%となった。   A silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained fine particle laminated film were measured by an ellipsometer (manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). As a result, the refractive index was 1.24 and the film thickness was 110 nm. The volume density obtained from the refractive index was 45%.

ガラス基板上に形成された微粒子積層膜の走査型電子顕微鏡写真を図8に示した。この電子顕微鏡写真は、得られた微粒子積層膜を、垂直に切断し、その断面を斜め45°の方向から観察したときのものである。図中の矢印(←→)は、微粒子積層膜の断面の部分を示し、矢印より上方の部分は、微粒子積層膜の表面状態を示している。この電子顕微鏡写真から、微粒子積層膜は、個々の微粒子が空隙部を介して接触し、微粒子はガラス基板に沿って配列し、粒子が10〜15個積み重なっていることがわかる。   A scanning electron micrograph of the fine particle laminated film formed on the glass substrate is shown in FIG. This electron micrograph is obtained by cutting the obtained fine particle laminated film vertically and observing the cross section from an oblique direction of 45 °. An arrow (← →) in the figure indicates a cross-sectional portion of the fine particle laminated film, and a portion above the arrow indicates the surface state of the fine particle laminated film. From this electron micrograph, it can be seen that in the fine particle laminated film, the individual fine particles are in contact with each other through the voids, the fine particles are arranged along the glass substrate, and 10 to 15 particles are stacked.

実施例6
材料として、ポリカチオンである、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA、平均分子量100000、アルドリッチ社製)とポリアニオンであるポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSS、平均分子量70000、アルドリッチ社製)、微粒子分散液として、シリカ微粒子水分散液(ST20、日産化学工業社製、コロイダルシリカ、スノーテックス20、平均粒子径20nm)を用いた。
Example 6
As materials, polycation, polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA, average molecular weight 100,000, manufactured by Aldrich) and polyanion, sodium polystyrene sulfonate (PSS, average molecular weight 70000, manufactured by Aldrich), silica as fine particle dispersion A fine particle aqueous dispersion (ST20, manufactured by Nissan Chemical Industries, colloidal silica, Snowtex 20, average particle size 20 nm) was used.

ST20は、分散性を保持するために、pHが10に調整されている。そこで、本実施例では、重量%を調整した後に、塩化ナトリウムを0.25モル/リットルとなるように加えた。pHはほとんど変化なく10であった。   In ST20, the pH is adjusted to 10 in order to maintain dispersibility. Therefore, in this example, sodium chloride was added to 0.25 mol / liter after adjusting the weight%. The pH was 10 with little change.

まず、基材に電荷を効率よく付与するための下地層としてPDDAとPSSの交互積層膜を形成する。溶液としては0.3重量%のPDDA水溶液と0.3重量%のPSS水溶液を調製する。次に、BK−5ガラス基板(マツナミ社製、25mm×75mm×0.7mm厚)を(ア)PDDA水溶液に5分間浸漬した後、リンス用の超純水(比抵抗18MΩ・cm)に3分間浸漬し、(イ)PSS水溶液に5分間浸漬し、リンス用の超純水に3分間浸漬した。(ア)と(イ)の工程を順番に行う工程を1サイクルとして、このサイクルを2回繰り返し、ガラス基板上にPDDAとPSSの交互積層膜を2層積層した。この工程によって、基板表面の電荷密度を均一にすることができ、ムラなく微粒子が吸着する効果がある。   First, an alternating layer film of PDDA and PSS is formed as a base layer for efficiently applying a charge to the substrate. As a solution, a 0.3 wt% PDDA aqueous solution and a 0.3 wt% PSS aqueous solution are prepared. Next, a BK-5 glass substrate (manufactured by Matsunami Co., Ltd., 25 mm × 75 mm × 0.7 mm thickness) was immersed in (a) PDDA aqueous solution for 5 minutes, and then rinsed with ultrapure water (specific resistance 18 MΩ · cm) for rinsing. Immersion for 5 minutes, (i) Immersion in an aqueous solution of PSS for 5 minutes, and immersion in ultrapure water for rinsing for 3 minutes. The step of sequentially performing the steps (a) and (b) was taken as one cycle, and this cycle was repeated twice to laminate two layers of alternating layers of PDDA and PSS on the glass substrate. By this step, the charge density on the substrate surface can be made uniform, and there is an effect that fine particles are adsorbed without unevenness.

続いて、微粒子積層膜の成膜工程を説明する。溶液としては0.3重量%のPDDA水溶液と1重量%、pH=10、塩化ナトリウム濃度が0.25モル/リットルのST20水分散液を調製する。微粒子水分散液のゼータ電位を測定したところ、−40mVであった。これらの液に交互に浸漬してPDDAとシリカ微粒子が交互に積層された微粒子積層膜を得る。その手順は、前述の下地層の最表面がPSSであるため、まず反対電荷のカチオンである(ウ)PDDA水溶液に1分間浸漬し、リンス用の超純水に3分間浸漬し、(エ)1重量%のシリカ微粒子水分散液ST20に1分間浸漬した後、リンス用の超純水に3分間浸漬する。(ウ)と(エ)の工程を順番に行う工程を1サイクルとして、このサイクルを5回繰返した。得られたガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約99%となり、表面反射率は0.4%であった。   Subsequently, a film forming process of the fine particle laminated film will be described. As a solution, a ST20 aqueous dispersion having a 0.3 wt% PDDA aqueous solution and 1 wt%, pH = 10, and a sodium chloride concentration of 0.25 mol / liter is prepared. The zeta potential of the fine particle aqueous dispersion was measured and found to be -40 mV. By alternately dipping in these solutions, a fine particle laminated film in which PDDA and silica fine particles are alternately laminated is obtained. Since the outermost surface of the above-mentioned underlayer is PSS, the procedure is as follows: First, immerse in an aqueous solution of PDDA, which is a cation of the opposite charge, for 1 minute, and immerse in ultrapure water for rinsing for 3 minutes After immersing in 1 wt% silica fine particle aqueous dispersion ST20 for 1 minute, it is immersed in rinsing ultrapure water for 3 minutes. The cycle of repeating steps (c) and (d) in this order was taken as one cycle, and this cycle was repeated 5 times. When the transmission spectrum of the obtained glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 99%, and the surface reflectance was 0.4%.

同様の工程で、ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(溝尻光学製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定したその結果、屈折率が1.29、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は56%であった。   In the same process, a silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the resulting fine particle laminated film was measured for refractive index and film thickness by an ellipsometer (manufactured by Mizoji Optical, light source 633 nm). .29, and the film thickness was 110 nm. The volume density determined from the refractive index was 56%.

実施例7
実施例6と同様のプロセスで、材料として、微粒子分散液を日産化学工業社製の数珠状の微粒子を含む、スノーテックスPS−S(STps−s、パールネックレス状シリカゾル)、1重量%、pH=10、塩化ナトリウム濃度が0.25モル/リットル含まれる水分散液に変えたものを用いて、微粒子積層膜を作製した。積層サイクルの回数は4回とした。微粒子分散液のゼータ電位を測定したところ、−23mVであった。得られたガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約99%となり、表面反射率は0.1%であった。
Example 7
Snowtex PS-S (STps-s, pearl necklace-like silica sol) containing a bead-like fine particle manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. as a material in the same process as in Example 6, 1% by weight, pH = 10, a fine particle laminated film was prepared by using an aqueous dispersion containing a sodium chloride concentration of 0.25 mol / liter. The number of lamination cycles was four. The zeta potential of the fine particle dispersion was measured and found to be -23 mV. When the transmission spectrum of the obtained glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 99%, and the surface reflectance was 0.1%.

ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.24、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は45%となった。   A silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained fine particle laminated film were measured by an ellipsometer (manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). As a result, the refractive index was 1.24 and the film thickness was 110 nm. The volume density obtained from the refractive index was 45%.

実施例8
実施例1と同様のプロセスで、材料として、微粒子分散液を日産化学工業社製の数珠状の微粒子を含む、スノーテックスPS−S(STps−s、パールネックレス状シリカゾル)、1重量%、pH=10、のシリカゾル分散液に変えたものを用いて、微粒子積層膜を作製した。積層サイクルの回数は10回とした。微粒子分散液のゼータ電位を測定したところ、−40mVであった。得られたガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約99%となり、表面反射率は0.2%であった。
Example 8
Snowtex PS-S (STps-s, pearl necklace-like silica sol) containing a bead-like fine particle manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. as a material in the same process as in Example 1, 1% by weight, pH A fine particle laminated film was prepared using a silica sol dispersion of = 10. The number of lamination cycles was 10 times. The zeta potential of the fine particle dispersion was measured and found to be -40 mV. When the transmission spectrum of the obtained glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 99%, and the surface reflectance was 0.2%.

ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.28、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は54%となった。   A silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained fine particle laminated film were measured by an ellipsometer (manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). As a result, the refractive index was 1.28 and the film thickness was 110 nm. The volume density obtained from the refractive index was 54%.

比較例1
実施例1と同様のプロセスで、ST20の微粒子分散液のpHを10とした。この分散液のゼータ電位を測定したところ、−48mVであった。得られたガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、最大の透過率は約98%となり、表面反射率は0.5%であった。得られた低屈折率薄膜の反射スペクトルの測定結果を図9に示した。
Comparative Example 1
In the same process as in Example 1, the pH of the fine particle dispersion of ST20 was set to 10. When the zeta potential of this dispersion was measured, it was -48 mV. When the transmission spectrum of the obtained glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance was about 98%, and the surface reflectance was 0.5%. The measurement result of the reflection spectrum of the obtained low refractive index thin film is shown in FIG.

ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた微粒子積層膜をエリプソメータ(溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.31、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は60%となった。   A silicon wafer was used as the base material instead of the glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained fine particle laminated film were measured by an ellipsometer (manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). As a result, the refractive index was 1.31 and the film thickness was 110 nm. The volume density obtained from the refractive index was 60%.

以上の結果から、微粒子分散液中の微粒子のゼータ電位の絶対値を1〜45mVの範囲に調整することにより、微粒子の積層状態を制御することができ、これにより屈折率が低く、透過率の高い光学機能薄膜としての低屈折率薄膜が得られることがわかる。   From the above results, by adjusting the absolute value of the zeta potential of the fine particles in the fine particle dispersion to be in the range of 1 to 45 mV, the lamination state of the fine particles can be controlled. It turns out that the low refractive index thin film as a high optical function thin film is obtained.

図1は、シミュレーションで得られたガラス上に形成された屈折率1.30の反射防止膜の膜厚を変化させた時の、波長と反射スペクトルとの関係を示すグラフである。図中、点線は膜厚が105nm、太実線は膜厚が110nm、実線は膜厚が115nmの場合をそれぞれ示している。FIG. 1 is a graph showing the relationship between wavelength and reflection spectrum when the thickness of an antireflection film having a refractive index of 1.30 formed on glass obtained by simulation is changed. In the drawing, the dotted line indicates the case where the film thickness is 105 nm, the thick solid line indicates the film thickness of 110 nm, and the solid line indicates the case where the film thickness is 115 nm. 図2は、シミュレーションで得られたガラス上に形成された多層の反射防止膜と単層の反射防止膜における、波長と反射スペクトルとの関係を示すグラフである。図中、実線は屈折率が1.30の多孔質シリカ膜を単層で設けた反射防止膜の場合であり、破線は屈折率が2.2のチタニアと屈折率が1.48のシリカとを、チタニア/シリカ/チタニア/シリカの順にガラス上に形成した4層構造の反射防止膜の場合である。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the wavelength and the reflection spectrum in a multilayer antireflection film and a single-layer antireflection film formed on glass obtained by simulation. In the figure, the solid line is the case of an antireflection film in which a porous silica film having a refractive index of 1.30 is provided as a single layer, and the broken line is a titania having a refractive index of 2.2 and silica having a refractive index of 1.48. Is a four-layer structure antireflection film formed on glass in the order of titania / silica / titania / silica. 図3は、計算から求めた屈折率とシリカの体積密度との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the refractive index obtained from the calculation and the volume density of silica. 図4は、数珠状に連なった微粒子の状態を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of fine particles arranged in a bead shape. 図5は、水晶振動子上に微粒子分散液とイオン性ポリマー溶液とに交互に浸漬し、微粒子積層膜を形成したときの、浸漬時間に対する水晶振動子の周波数の変化、すなわち形成される膜厚の変化との関係を示すグラフである。FIG. 5 shows a change in the frequency of the crystal resonator with respect to the immersion time when the fine particle dispersion film and the ionic polymer solution are alternately immersed on the crystal resonator to form a fine particle laminated film, that is, the formed film thickness. It is a graph which shows the relationship with a change of. 図6は、本発明のガラス基板上に作製した微粒子積層膜の低屈折率性を利用した反射防止膜(図中、AR膜付きガラスと表示)と基板となるガラス自体(図中、ガラスと表示)との反射防止性能を比較して示した図である。FIG. 6 shows an antireflection film (indicated in the figure as glass with an AR film) utilizing the low refractive index property of the fine particle laminated film produced on the glass substrate of the present invention and the glass itself (in the figure, glass and It is the figure which compared and showed the antireflection performance with display. 図7は、実施例5で得られた低屈折率薄膜の反射スペクトルの測定結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the measurement result of the reflection spectrum of the low refractive index thin film obtained in Example 5. 図8は、実施例5で得られた低屈折率薄膜の断面の状態および表面の状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 8 is a scanning electron micrograph showing the cross-sectional state and surface state of the low refractive index thin film obtained in Example 5. 図9は、比較例1で得られた低屈折率薄膜の反射スペクトルの測定結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the measurement results of the reflection spectrum of the low refractive index thin film obtained in Comparative Example 1.

Claims (16)

固体基材が、(A)微粒子のゼータ電位の絶対値が1〜45mVの範囲内に制御された微粒子分散液と、(B)その微粒子の表面電荷と反対電荷のイオン性を有するポリマー溶液に、交互に浸漬されることにより、基材上に微粒子とポリマーが交互に積層された微粒子積層膜が形成された低屈折率薄膜であって、その微粒子積層膜が可視光を散乱しない空隙構造を有することを特徴とする低屈折率薄膜。 The solid substrate is (A) a fine particle dispersion in which the absolute value of the zeta potential of the fine particles is controlled within the range of 1 to 45 mV, and (B) a polymer solution having ionicity opposite to the surface charge of the fine particles. A low refractive index thin film in which a fine particle laminate film in which fine particles and a polymer are alternately laminated is formed by alternately dipping, and the fine particle laminate film has a void structure that does not scatter visible light. A low refractive index thin film characterized by comprising: 請求項1に記載の低屈折率薄膜であって、屈折率が1.22から1.30の低屈折率薄膜。   The low refractive index thin film according to claim 1, wherein the refractive index is 1.22 to 1.30. 請求項1に記載の低屈折率薄膜であって、微粒子積層膜中の微粒子の体積密度が41から58%の低屈折率薄膜。   The low refractive index thin film according to claim 1, wherein the volume density of the fine particles in the fine particle laminated film is 41 to 58%. (A)の微粒子分散液に含まれる微粒子の平均一次粒径が10nm以上、100nm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の低屈折率薄膜。   4. The low refractive index thin film according to claim 1, wherein the average primary particle size of the fine particles contained in the fine particle dispersion of (A) is 10 nm or more and 100 nm or less. (A)の微粒子分散液に含まれる微粒子がコロイダルシリカ、ポリマー微粒子、多孔質微粒子又は中空微粒子であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の低屈折率薄膜。   5. The low refractive index thin film according to claim 1, wherein the fine particles contained in the fine particle dispersion (A) are colloidal silica, polymer fine particles, porous fine particles, or hollow fine particles. (A)の微粒子分散液に含まれる微粒子が、数珠状に連なった形状であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の低屈折率薄膜。   The low refractive index thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the fine particles contained in the fine particle dispersion (A) have a bead-like shape. (A)の微粒子分散液に含まれる微粒子が、該微粒子の表面にイオン性官能基または熱もしくは光硬化性官能基を有する請求項1から請求項6のいずれかに記載の低屈折率薄膜。   The low refractive index thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein the fine particles contained in the fine particle dispersion (A) have an ionic functional group or a thermal or photocurable functional group on the surface of the fine particles. 微粒子積層膜の上に20nm以下の膜厚の透明なオーバーコート膜が積層された請求項1から請求項7のいずれかに記載の低屈折率薄膜。   The low refractive index thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein a transparent overcoat film having a thickness of 20 nm or less is laminated on the fine particle laminated film. 基材上に、微粒子とポリマーとを交互に積層することを特徴とする低屈折率薄膜の製造方法であって、該製造方法は、
(I)微粒子のゼータ電位の絶対値が1〜45mVの範囲内に制御された微粒子分散液に浸漬する工程と、
(II)その微粒子の表面電荷と反対電荷のイオン性を有するポリマー溶液に浸漬する工程とを交互に繰り返すことを特徴とする低屈折率薄膜の製造方法。
A method for producing a low refractive index thin film characterized by alternately laminating fine particles and a polymer on a substrate, the production method comprising:
(I) a step of immersing in a fine particle dispersion in which the absolute value of the zeta potential of the fine particles is controlled within a range of 1 to 45 mV;
(II) A method for producing a thin film having a low refractive index, wherein the surface charge of the fine particles and the step of immersing in an ionic polymer solution having an opposite charge are repeated alternately.
(I)の微粒子分散液が、pH3から9の範囲に制御されている請求項9に記載の低屈折率薄膜の製造方法。   The method for producing a low refractive index thin film according to claim 9, wherein the fine particle dispersion of (I) is controlled in the range of pH 3 to 9. (I)の微粒子分散液が、0.01〜0.25モル/リットルの濃度の電解質を含む請求項9に記載の低屈折率薄膜の製造方法。   The method for producing a low refractive index thin film according to claim 9, wherein the fine particle dispersion of (I) contains an electrolyte having a concentration of 0.01 to 0.25 mol / liter. (I)の微粒子分散液は、微粒子が水又は水と有機溶媒との混合溶媒に分散されていることを特徴とする請求項9に記載の低屈折率薄膜の製造方法。   10. The method for producing a low refractive index thin film according to claim 9, wherein the fine particle dispersion (I) has fine particles dispersed in water or a mixed solvent of water and an organic solvent. (I)の微粒子分散液に含まれる微粒子の平均一次粒径が10nm以上、100nm以下である請求項9に記載の低屈折率薄膜の製造方法。   The method for producing a low refractive index thin film according to claim 9, wherein the average primary particle size of the fine particles contained in the fine particle dispersion of (I) is 10 nm or more and 100 nm or less. (I)の微粒子分散液に含まれる微粒子がコロイダルシリカ、ポリマー微粒子、多孔質微粒子又は中空微粒子である請求項9に記載の低屈折率薄膜の製造方法。   The method for producing a low refractive index thin film according to claim 9, wherein the fine particles contained in the fine particle dispersion (I) are colloidal silica, polymer fine particles, porous fine particles, or hollow fine particles. (I)の微粒子分散液に含まれる微粒子が、数珠状に連なった形状である請求項9に記載の低屈折率薄膜の製造方法。   The method for producing a low refractive index thin film according to claim 9, wherein the fine particles contained in the fine particle dispersion of (I) have a bead-like shape. (I)の微粒子分散液に含まれる微粒子は、該微粒子の表面にイオン性官能基または熱もしくは光硬化性官能基を有する請求項9に記載の低屈折率薄膜の製造方法。   The method for producing a low refractive index thin film according to claim 9, wherein the fine particles contained in the fine particle dispersion of (I) have an ionic functional group or a heat or photocurable functional group on the surface of the fine particles.
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