JP5062525B2 - 構造性複屈折波長板 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の好ましい実施形態による構造性複屈折波長板の概略斜視図である。この構造性複屈折波長板100は、基板10と複屈折部20とを有する。複屈折部20は、壁部21と溝部22とが周期的に繰り返して構成される凹凸周期構造を有する。また、複屈折部20は、ポリシランとシリコーン化合物とポリゲルマンとを含む組成物(以下、複屈折部用材料とも称する。詳細は後述のB項で説明する)から形成されている。
δ=(nTE−nTM)×(H/λ)
nTE={f×n1 2+(1−f)×n2 2}1/2
nTM={f/n1 2+(1−f)/n2 2}−1/2
nTEは周期を持つ方向(壁部に平行な方向)に平行な偏光を有する光の有効屈折率であり、nTMは周期を持たない方向(壁部に垂直な方向)の光の有効屈折率である。ここで、上記の通り、Hは壁部21の高さであり、Pは壁部21のピッチであり、fは壁部21の充填率(L/P)であり、Lは壁部21の幅である。さらに、λは光の波長であり、n1は空気の屈折率(=1)であり、n2は複屈折部の屈折率である。このようなメカニズムから明らかなように、本発明によれば、複屈折部の屈折率を非常に高くすることができるので、壁部の高さHをそれほど高くしなくても(すなわち、アスペクト比が小さくても)、所望の位相差を得ることができる。このような複屈折部を実際に形成したことが本発明の大きな成果の1つである。
上記のように、本発明に用いられる複屈折部用材料は、ポリシランとシリコーン化合物とポリゲルマンとを含む。
本明細書において「ポリシラン」とは、主鎖がケイ素原子のみからなる高分子をいう。本発明で使用するポリシランは、直鎖型であってもよく分岐型であってもよい。分岐型が好ましい。溶媒に対する溶解性ならびにポリゲルマンおよびシリコーン化合物との相溶性に優れかつ成膜性に優れるからである。分岐型と直鎖型は、ポリシラン中に含まれるSi原子の結合状態によって区別される。分岐型ポリシランとは、隣接するSi原子と結合している数(結合数)が3または4であるSi原子を含むポリシランである。これに対して、直鎖型のポリシランでは、Si原子の、隣接するSi原子との結合数は2である。通常、Si原子の原子価は4であるので、ポリシラン中に存在するSi原子の中で結合数が3以下のものは、Si原子以外に、水素原子、炭化水素基、アルコキシ基等の有機置換基と結合している。好ましい炭化水素基の具体例としては、ハロゲンで置換されていてもよい炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基、炭素数6〜14の芳香族炭化水素基が挙げられる。脂肪族炭化水素基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基およびノナフルオロヘキシル基などの鎖状炭化水素基、および、シクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基のような脂環式炭化水素基などが挙げられる。芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、p−トリル基、ビフェニル基およびアントラシル基などが挙げられる。アルコキシ基としては、炭素数1〜8のものが挙げられる。具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基などが挙げられる。合成の容易さを考慮すると、これらの中でもメチル基およびフェニル基が特に好ましい。例えば、ポリメチルフェニルシラン、ポリジメチルシラン、ポリジフェニルシランやそれらの共重合体が好適に用いられ得る。例えば、ポリシランの構造を変化させることにより、複屈折部の屈折率を調整することができる。例えば、ジフェニル基を共重合にて多く導入することにより、より高屈折率の複屈折部を得ることができる。
上記シリコーン化合物としては、ポリシラン、ポリゲルマンおよび有機溶媒と相溶し、透明な膜を形成し得る任意の適切なシリコーン化合物が採用され得る。1つの実施形態においては、シリコーン化合物は、以下の一般式で表される化合物である。
本明細書において「ポリゲルマン」とは、主鎖がゲルマニウム原子のみからなる高分子をいう。本発明で使用するポリゲルマンは、直鎖型であってもよく分岐型であってもよい。分岐型が好ましい。溶媒に対する溶解性ならびにポリシランおよびシリコーン化合物との相溶性に優れかつ成膜性に優れるからである。分岐型と直鎖型は、ポリゲルマン中に含まれるGe原子の結合状態によって区別される。分岐型ポリゲルマンとは、隣接するGe原子と結合している数(結合数)が3または4であるGe原子を含むポリゲルマンである。これに対して、直鎖型のポリゲルマンでは、Ge原子の、隣接するGe原子との結合数は2である。通常、Ge原子の原子価は4であるので、ポリゲルマン中に存在するGe原子の中で結合数が3以下のものは、Ge原子以外に、水素原子、炭化水素基、アルコキシ基等の有機置換基と結合している。好ましい炭化水素基の具体例としては、ハロゲンで置換されていてもよい炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基、炭素数6〜14の芳香族炭化水素基が挙げられる。脂肪族炭化水素基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基およびノナフルオロヘキシル基などの鎖状炭化水素基、および、シクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基のような脂環式炭化水素基などが挙げられる。芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、p−トリル基、ビフェニル基およびアントラシル基などが挙げられる。アルコキシ基としては、炭素数1〜8のものが挙げられる。具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基などが挙げられる。合成の容易さを考慮すると、これらの中でもメチル基およびフェニル基が特に好ましい。例えば、ポリメチルフェニルゲルマン、ポリジメチルゲルマン、ポリジフェニルゲルマンやそれらの共重合体が好適に用いられ得る。例えば、ポリゲルマンの構造を変化させることにより、複屈折部の屈折率を調整することができる。
上記複屈折部用材料は、一般的には溶媒を含む。溶媒は、好ましくは有機溶媒である。好ましい有機溶媒としては、炭素数5〜12の炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒が挙げられる。炭化水素系溶媒の具体例としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、n−デカン、n−ドデカン等の脂肪族系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン、メトキシベンゼン等の芳香族系溶媒などが挙げられる。ハロゲン化炭化水素系溶媒の具体例としては、四塩化炭素、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロベンゼンなどが挙げられる。エーテル系溶媒の具体例としては、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラハイドロフランなどが挙げられる。溶媒の使用量は、組成物中のポリシラン、シリコーン化合物およびポリゲルマンの合計濃度が10重量%〜50重量%となるような範囲が好ましい。
上記複屈折部用材料は、目的に応じて任意の適切な添加剤をさらに含み得る。添加剤の代表例としては、増感剤、表面調整剤、硬度を調整するための金属酸化物粒子等が挙げられる。上記増感剤の代表例としては、有機過酸化物が挙げられる。有機過酸化物としては、ポリシランのSi−Si結合間およびポリゲルマンのGe−Ge結合間に効率良く酸素を挿入できる化合物であれば任意の適切な化合物が採用され得る。例えば、パーオキシエステル系過酸化物、ベンゾフェノン骨格を有する有機過酸化物が挙げられる。より具体的には、3,3',4,4'−テトラ(t−ブチルパーオキシカルボニル)ベンゾフェノン(以下、「BTTB」という)が好ましく用いられる。また、有機過酸化物は、二重結合含有シリコーン化合物の二重結合に作用して、二重結合間同士の付加重合反応を促進する効果を有する。
以下、複屈折部20の形成方法を説明する。図2(a)〜(e)は、本発明の好ましい実施形態による複屈折部の形成方法の手順を説明する模式図である。
1.ポリシランの合成
攪拌機を備えた1000mlフラスコにトルエン400mlおよびナトリウム13.3gを充填した。このフラスコの内容物を紫外線から遮断したイエロールーム中で111℃に昇温し、高速攪拌することによりナトリウムをトルエン中に微細に分散させた。ここにフェニルメチルジクロロシラン42.1g、テトラクロロシラン4.1gを添加し、3時間攪拌することにより重合を行った。その後、得られた反応混合物にエタノールを添加することにより、過剰のナトリウムを失活させた。水洗後、分離した有機層をエタノール中に投入することにより、ポリシランを沈澱させた。得られた粗製のポリシランをエタノールから3回再沈殿させることにより、重量平均分子量11600で、オリゴマーを10%含有した、分岐型ポリメチルフェニルシランを得た。
攪拌機を備えた100mlフラスコにトルエン40mlおよびナトリウム3.14gを充填した。このフラスコの内容物を紫外線から遮断したイエロールーム中で111℃に昇温し、高速攪拌することによりナトリウムをトルエン中に微細に分散させた。ここにフェニルメチルジクロロゲルマン9.3g、フェニルトリクロロゲルマン2.6gを添加し、2時間攪拌することにより重合を行った。その後、得られた反応混合物に2-プロパノール30mlを添加することにより、過剰のナトリウムを失活させた。さらに反応物を200mlの2-プロパノール中に攪拌しながら投入することにより、ポリゲルマンを沈澱させた。得られた粗製のポリゲルマンをエタノールから3回再沈殿させることにより、重量平均分子量10000で、オリゴマーを10%含有した、20%分岐型ポリメチルフェニル/フェニルゲルマンを得た。
上記のようにして得られたポリメチルフェニルシラン(PMPS)66.6重量部、ビニル基含有フェニルメチルシリコーンレジン(商品名「KR−2020」、Mw=2900、ヨウ素価=61)33.4重量部、及び有機過酸化物BTTB(日本油脂製、固形分20重量%)5重量部を、メトキシベンゼン(商品名「アニソール−S」、協和発酵ケミカル社製)に固形分77重量%となるように溶解した。一方、上記のようにして得られたメチルフェニルゲルマン/フェニルゲルマン共重合体(共重合比:8/2、分岐型)を準備した。上記溶液と共重合体とを固形分比(重量比)が50/50となるように混合し、複屈折部用材料を調製した。
上記のようにして得られた複屈折部用材料を石英基板表面に2500rpmで40秒間スピンコートすることにより、厚み約2μmの塗布膜を得た。壁部と溝部とが周期的に繰り返して構成される凹凸周期構造(壁部の高さH:1130nm、ピッチP:500nm、幅L:250nm)のパターンが形成されたSi製モールドを、圧力2MPaで当該塗布膜に押し当てた。次いで、UV照射、O2プラズマ処理、熱処理により複屈折部用材料を完全にガラス化させて、複屈折部を形成した。このようにして、構造性複屈折波長板を作製した。構造性複屈折波長板の複屈折部は、モールドのパターンが欠落したり変形したりすることなく、きわめて良好に転写されていた。また、同様の作製手順で多数の構造性複屈折波長板を作製したところ、歩留まりもきわめて高かった。二軸型の反射分光法を採用した測定機(SCI社製フィルムテック4000)を用いて、複屈折部の波長632nmにおける屈折率を求めたところ、屈折率は1.695であった。さらに、得られた構造性複屈折波長板は、波長700nmの光に対して、約170nmの位相差を示し、1/4波長板として非常に良好に機能することを確認した。
(1)耐熱性
硬化後の複屈折部用材料を加熱処理し、加熱による収縮率を調べた。250℃、5分間の加熱処理では収縮率はゼロであり、350℃、5分間の加熱処理では収縮率が5%であった。このように、本実施例で用いた複屈折部用材料は、硬化後に優れた耐熱性を示した。
(2)機械的特性
マイクロビッカーズ硬度を測定して評価した。硬化後の複屈折部用材料のビッカーズ硬度は310HVであり、PMMAの約3倍の硬度であった。このように、本実施例で用いた複屈折部用材料は、硬化後に優れた機械的特性(硬度)を示した。
(3)光透過性
通常の方法で透過率を測定した。その結果、硬化後の複屈折部用材料の可視光透過率は約90%以上であり、かつ、波長300nmの深紫外光の透過率が70%以上であった。このように、本実施例で用いた複屈折部用材料は、硬化後に可視領域のみならず深紫外領域でも優れた透過性を有していた。
(4)耐薬品性
硬化後の複屈折部用材料をアセトン中で5分間超音波洗浄した。本実施例で用いた組成物は、超音波洗浄後も、その形状を実質的に完全に維持していた。
また、硬化後の複屈折部用材料を、10%のHCl水溶液、10%のNaOH水溶液、および5%のHF水溶液にそれぞれ30分間浸漬した。その結果、本実施例で用いた複屈折部用材料は、いずれの溶液処理においても、その形状を実質的に完全に維持していた。このように、本実施例で用いた複屈折部用材料は、硬化後に非常に優れた耐薬品性を有していた。
壁部の高さHを900nmとしたこと以外は実施例1と同様にして、構造性複屈折波長板を作製した。得られた構造性複屈折波長板は、波長700nmの光に対して、約140nmの位相差を示した。
メチルフェニルゲルマン/フェニルゲルマン共重合体を用いずに複屈折部用材料を調製したこと以外は実施例1と同様にして、構造性複屈折波長板を作製した。得られた構造性複屈折波長板は、波長700nmの光に対して、約80nmの位相差しか示さず、1/4波長板としては実用レベルではなかった。
PMMAを用いて、実施例1と同様の凹凸周期構造を有する構造性複屈折波長板を作製した。得られた構造性複屈折波長板は、波長700nmの光に対して、約50nmの位相差しか示さず、1/4波長板としては実用レベルではなかった。さらに、この波長板は、硬度、耐熱性および耐薬品性のいずれもが不十分であった。
10 基板
20 複屈折部
21 壁部
22 溝部
Claims (7)
- 基板と
ポリシランとシリコーン化合物とポリゲルマンとを含む組成物から形成され、壁部と溝部とが周期的に繰り返して構成される凹凸周期構造を有する複屈折部であって、前記組成物は、前記ポリシラン/前記シリコーン化合物の重量比が80:20〜5:95の割合のものを含有するとともに、前記ポリシランおよび前記シリコーン化合物の合計100重量部に対して10〜150重量部の割合で前記ポリゲルマンを含有しているものである、複屈折部と
を有する、構造性複屈折波長板。 - 前記複屈折部が、前記組成物をモールドでインプリントすることにより形成されている、請求項1に記載の構造性複屈折波長板。
- 前記複屈折部の屈折率、ならびに前記壁部のピッチ、高さおよび充填率を最適化することにより、所定の波長を有する光に対して所定の位相差を発現する、請求項1または2に記載の構造性複屈折波長板。
- 基板と
ポリシランとシリコーン化合物とポリゲルマンとを含む組成物から形成され、壁部と溝部とが周期的に繰り返して構成される凹凸周期構造を有する複屈折部であって、前記組成物は、前記ポリシラン/前記シリコーン化合物の重量比が80:20〜5:95の割合のものを含有するとともに、前記ポリシランおよび前記シリコーン化合物の合計100重量部に対して10〜150重量部の割合で前記ポリゲルマンを含有しているものである、複屈折部と
を備えており、
配置される雰囲気媒体の示す屈折率である媒体屈折率n 1 と、前記複屈折部の前記組成物の屈折率である複屈折部屈折率n 2 と、前記壁部の繰り返し方向の配置のピッチPと、前記壁部の高さHと、前記壁部が前記壁部および前記溝部の範囲に対して占める割合である充填率fとが、波長λを有する光に対して目的の位相差δが発現するように最適化されている
構造性複屈折波長板。 - 前記位相差δが、
δ=(n TE −n TM )×(H/λ)
ただし、
n TE ={f×n 1 2 +(1−f)×n 2 2 } 1/2
n TM ={f/n 1 2 +(1−f)/n 2 2 } −1/2
により決定される
請求項4に記載の構造性複屈折波長板。 - 前記位相差δが1/4となるようにされている
請求項4または5に記載の構造性複屈折波長板。 - 前記位相差δが1/2となるようにされている
請求項4または5に記載の構造性複屈折波長板。
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