JP7064290B2 - 光学位相差部材、及び光学位相差部材の製造方法 - Google Patents
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Description
第1面及び該第1面の反対側に位置する第2面を有する基材と、
前記第1面上に形成され、第1の無機材料から構成される第1凹凸構造体と、
前記第2面上に形成され、第2の無機材料から構成される第2凹凸構造体とを備え、
前記第1凹凸構造体が、第1面に平行な第1方向に延在するとともに、前記基材の前記第1面から離れる方向に向かって幅が小さくなる、複数の凸部を備え、
前記第2凹凸構造体が、前記第1方向に延在するとともに、前記基材の前記第2面から離れる方向に向かって幅が小さくなる、複数の凸部を備える光学位相差部材が提供される。
基材の第1面上に、第1の無機材料から構成される第1凹凸構造体を形成することと、
前記基材の前記第1面の反対側に位置する第2面上に、第2の無機材料から構成される第2凹凸構造体を形成することを含む光学位相差部材の製造方法が提供される。
(1)光学位相差部材10A(第1実施形態)
図1Aに示す光学位相差部材10Aは、第1面41及び該第1面41の反対側に位置する第2面42を有する板状の基材40と、第1面41上に形成された第1凹凸構造体50と、第2面42上に形成された第2凹凸構造体52とを備える。第1凹凸構造体50及び第2凹凸構造体52はいずれも表面が露出している。すなわち、第1凹凸構造体50及び第2凹凸構造体52のいずれの上にも他の層は形成されておらず、第1凹凸構造体50及び第2凹凸構造体52が最表層である。
基材40としては特に制限されず、波長550nmにおける屈折率(以下、適宜「屈折率」という)が1.4~1.8の範囲内である、可視光を透過する公知の板状(平板状)の基材を適宜利用することができる。例えば、石英、ガラス等の透明無機材料からなる基材;任意の透明樹脂材料からなる基材などを利用することができる。光学位相差部材10Aをプロジェクタにおいて用いる場合、光学位相差部材10Aは高耐光性及び高耐熱性を有することが求められるため、基材40は耐光性及び耐熱性の高い基材であることが望ましい。この点で、無機材料からなる基材が好ましい。基材40の厚みは、1μm~20mmの範囲内であることが好ましい。
第1凹凸構造体50は複数の凸部60及び隣接する凸部の間の凹部70を有し、それにより第1凹凸構造体50の表面に凹凸パターン80が画成されている。
第2凹凸構造体52は、第1凹凸構造体50の材料として用いられ得る上述の材料から構成されてよい。また、第2凹凸構造体52は、第1凹凸構造体50と同様に複数の凸部62及び隣接する凸部の間の凹部72を有し、それにより第2凹凸構造体52の表面に凹凸パターン82が画成されている。第2凹凸構造体52の各凸部62の形状及び大きさ並びに凹凸パターン82の凹凸ピッチ等は、第1凹凸構造体50について上述した各凸部60形状及び大きさ並びに凹凸パターン80の凹凸ピッチ等と同様であってよい。第2凹凸構造体52の凹凸パターン82は、第1凹凸構造体50の凹凸パターン80と同様のパターンであってよい。その場合、第1凹凸構造体50と第2凹凸構造体52を共通の元型から作製できるため、第1凹凸構造体50と第2凹凸構造体52のそれぞれについて元型を用意する必要がなく、光学位相差部材の製造コストを抑制できる。
図1Bに示す光学位相差部材10Bは、図1Aに示す光学位相差部材10Aと同様の板状の基材40と、第1凹凸構造体50と、第2凹凸構造体52とを備え、さらに、第1凹凸構造体50の凸部60の上面60t及び側面60sに形成された高屈折率層30と、凸部60の上面60t上の高屈折率層30上に形成された中屈折率層20とを備える。基材40、第1凹凸構造体50及び第2凹凸構造体52は、上述の光学位相差部材10A(第1実施形態)と同様であるため説明を省略する。なお、光学位相差部材10Bの第1凹凸構造体50及び第2凹凸構造体52の屈折率は、1.2~1.9の範囲内であってよい。
高屈折率層30は、第1凹凸構造体50よりも高い屈折率を有する層である。高屈折率層30は、屈折率が2.3以上である材料から構成されることが好ましい。高屈折率層30を構成する材料としては、例えば、Ti、In、Zr、Ta、Nb、Zn等の金属、それら金属の酸化物、窒化物、硫化物、酸窒化物、ハロゲン化物等の無機材料を用いることができる。
図1Cに示す光学位相差部材10Cは、図1Aに示す光学位相差部材10Aと同様の板状の基材40と、第1凹凸構造体50と、第2凹凸構造体52とを備え、さらに、第1凹凸構造体50の凸部60の上面60t及び側面60sに形成された高屈折率層30と、凸部60の上面60t上の高屈折率層30上に形成された積層体25とを備える。基材40、第1凹凸構造体50及び第2凹凸構造体52は上述の光学位相差部材10A(第1実施形態)と同様であり、高屈折率層30は上述の光学位相差部材10B(第2実施形態)と同様であるため説明を省略する。なお、光学位相差部材10Cの第1凹凸構造体50及び第2凹凸構造体52の屈折率は、1.2~1.9の範囲内であってよい。
積層体25は、凸部60の上面60t上の高屈折率層30上に形成されている。積層体25は、2n+1個(nは正の整数)の層、すなわち、3以上の奇数個の層から構成されてよい。図1Cでは、積層体25は第1層22、第2層24及び第3層26の3個の層から構成される。第1層22は高屈折率層30の上に直接形成され、第2層24は第1層22上に直接形成され、第3層26は第2層24上に直接形成される。
光学位相差部材の製造方法を説明する。光学位相差部材の製造方法は、図2に示すように、主に、板状の基材の第1面上に第1凹凸構造体を形成する工程S1と、基材の第1面の反対側に位置する第2面上に第2凹凸構造体を形成する工程S2と、高屈折率層を形成する工程S3と、中屈折率層または積層体を形成する工程S4とを有する。なお、S3、S4は任意の工程である。以下、各工程について説明する。
第1凹凸構造体を形成する工程S1は、無機材料の前駆体溶液を調製する溶液調製工程、基材又は転写パターンが形成されたモールドに、調製された前駆体溶液を塗布して塗膜を形成する塗布工程、基材と転写パターンの間に塗膜を挟んで押圧する押圧工程、塗膜を仮焼成する仮焼成工程、モールドを塗膜から剥離する剥離工程、及び塗膜を硬化させる硬化工程を有する。押圧工程、仮焼成工程及び剥離工程を合わせて転写工程ともいう。
最初に無機材料の前駆体の溶液を調製する。ゾルゲル法を用いて無機材料からなる第1凹凸構造体を形成する場合、無機材料の前駆体としてSi、Ti、Sn、Al、Zn、Zr、In等のアルコキシド(金属アルコキシド)を用いてよい。例えば、WO2016/056277号に記載される無機材料の前駆体を用いることができる。前駆体溶液の溶媒としては、WO2016/056277号に記載される溶媒を用いることができる。前駆体溶液には、WO2016/056277号に記載される添加物を添加してよい。また、無機材料の前駆体としてWO2016/056277号に記載されるポリシラザンを用いてもよい。
上記のように調製した無機材料の前駆体溶液を、板状の基材の第1面上又は凹凸パターン転写用のモールドの凹凸面上に塗布して塗膜を形成する。基材上には密着性を向上させるために、表面処理や易接着層を設けるなどをしてもよい。前駆体溶液の塗布方法として、バーコート法、スピンコート法、スプレーコート法、ディップコート法、ダイコート法、インクジェット法などの任意の塗布方法を使用することができるが、比較的大面積の基材又はモールドに前駆体溶液を均一に塗布可能であること、前駆体溶液が硬化する前に素早く塗布を完了させることができることからすれば、バーコート法、ダイコート法及びスピンコート法が好ましい。
次いで、塗膜を基材と凹凸パターン転写用のモールドの間に挟み、モールドを塗膜に押圧する。押圧しながら塗膜を加熱してもよい。
塗膜にモールドを押し付けた後、塗膜を仮焼成してもよい。仮焼成することにより塗膜が硬化し、剥離の際に崩れにくくなる。仮焼成を行う場合は、大気中で室温~300℃の温度で加熱することが好ましい。なお、仮焼成は必ずしも行う必要はない。また、前駆体溶液に紫外線などの光を照射することによって酸やアルカリを発生する材料を添加した場合には、仮焼成の代わりに、エネルギー線を照射することによって塗膜を硬化してもよい。
押圧工程または仮焼成工程の後、塗膜からモールドを剥離する。それにより、モールドの表面形状(凹凸パターン)が転写された第1凹凸構造体が得られる。モールドの剥離方法として公知の剥離方法を採用することができる。モールドの凹凸パターンの凸部及び凹部は一様な方向に延在して配列されているため、離形性がよい。モールドの剥離方向は凸部及び凹部の延在方向と平行な方向にしてよい。それによりモールドの離形性をさらに向上することができる。塗膜を加熱しながらモールドを剥離してもよく、それにより塗膜から発生するガスを逃がし、塗膜内に気泡が発生することを防ぐことができる。
塗膜からモールドを剥離して第1凹凸構造体を得た後、第1凹凸構造体を本硬化してもよい。本焼成により第1凹凸構造体を本硬化させることができる。なお、硬化工程は必ずしも行う必要はない。また、前駆体溶液に紫外線などの光を照射することによって酸やアルカリを発生する材料を添加した場合には、焼成の代わりに、エネルギー線の照射によって、第1凹凸構造体を本硬化することができる。
次いで、基材の第2面(第1面の裏面)に第2凹凸構造体を形成する。第2凹凸構造体は、第1凹凸構造体と同様にして形成することができる。なお、第2凹凸構造体の形成は、第1凹凸構造体の形成の前、又は第1凹凸構造体の形成と同時に行ってもよい。
次いで、第1凹凸構造体の上に高屈折率層を形成してよい。上述のような膜厚を有する高屈折率層を第1凹凸構造体の凸部の上面及び側面に形成するためには、高屈折率層を付き回り性(カバレッジ性)の高い成膜方法で形成することが好ましく、例えば、メッキ法、原子層堆積法、化学気相成長法、スパッタ法、蒸着法等により形成することができる。
さらに、高屈折率層上に中屈折率層を形成してよい。中屈折率層は、付き回り性の低い成膜方法、例えば、スパッタ法、蒸着法等により形成することが好ましい。それにより、凸部の側面の高屈折率層上に中屈折率層が形成されないようにしながら、あるいは凸部の側面の高屈折率層上に形成される中屈折率層の膜厚を上述のような範囲内に制御しながら、凸部の上面の高屈折率層上に中屈折率層を形成することができる。
屈折率が1.5のガラス基板の表面(第1面)及び裏面(第2面)のそれぞれに屈折率が1.43である凹凸構造体を形成し、第1面上の凹凸構造体(第1凹凸構造体)上に屈折率が2.42である材料を110nmの厚みで堆積して高屈折率層を形成し、その上に第1層、第2層、第3層を順に、それぞれ32nm、23nm、109nmの厚みで堆積した場合の光学位相差部材の構造をシミュレーションにより求めた。第1層及び第3層の材料は屈折率が1.46である材料とし、第2層の材料は屈折率が2.42ある材料とした。各凹凸構造体は一方向に延在する複数の凸部及び凹部を有し、各凸部の上面の幅を15nm、下面の幅を160nm、高さを308nmとし、凹凸ピッチを180nmとした。この光学位相差部材について、波長450nmにおける透透過率及び位相差をシミュレーションにより求めた。光学位相差部材の波長450nmにおける透過率は98.5%、位相差は114nmであった。
屈折率が1.5のガラス基板の表面(第1面)に屈折率が1.43である凹凸構造体(第1凹凸構造体)を形成し、裏面(第2面)に屈折率が1.8である凹凸構造体(第2凹凸構造体)を形成し、第1凹凸構造体上に屈折率が2.42である材料を55nmの厚みで堆積して高屈折率層を形成し、その上に第1層、第2層、第3層を順に、それぞれ32nm、27nm、118nmの厚みで堆積した場合の光学位相差部材の構造をシミュレーションにより求めた。第1層及び第3層の材料は屈折率が1.46である材料とし、第2層の材料は屈折率が2.42である材料とした。第1及び第2凹凸構造体の凹凸パターン(凹凸構造)は、実施例1と同様とした。この光学位相差部材について、波長450nmにおける透透過率及び位相差をシミュレーションにより求めた。透過率は98.9%、位相差は119nmであった。
ガラス基板の第1面のみに、凸部高さが385nmである以外は実施例1と同様の凹凸構造体を形成し、第1面上の凹凸構造体上に実施例1と同様の屈折率の高屈折率層を145nmの厚みで堆積し、その上に実施例1の屈折率の第1層、第2層、第3層を順に、それぞれ32nm、40nm、100nmの厚みで堆積し、ガラス基板の第2面に、屈折率がそれぞれ2.33、1.46、2.33、1.46で、厚さがそれぞれ13nm、34nm、115nm、88nmである膜を順に積層して反射防止層を形成した光学位相差部材について、波長450nmにおける透透過率及び位相差をシミュレーションにより求めた。透過率は98.3%、位相差は114nmであった。
屈折率が1.5のガラス基板(日本電気硝子社製OA-10G)を用意した。このガラス基板の表面(第1面)に、シリカの前駆体溶液を塗布して塗膜を形成した。次いで、塗膜にインプリント用のモールドを押し付けながら塗膜を硬化させ、その後モールドを剥離した。それにより、ガラス基板の第1面上にシリカからなる第1凹凸構造体を形成した。同様にして、ガラス基板の裏面(第2面)上に第2凹凸構造体を形成した。なお、シリカの前駆体溶液から形成されたシリカの屈折率は1.43であった。また、第1凹凸構造体及び第2凹凸構造体は一方向に延在する複数の凸部及び凹部を有し、各凸部の上面の幅は15nm、下面の幅は160nm、高さは380nmであり、凹凸ピッチは180nmであった。
22…第1層、24…第2層、25…積層体、26…第3層
30…高屈折率層、40…基材、50…第1凹凸構造体、
52…第2凹凸構造体、60,62…凸部、70,72…凹部
90…空気層、80,82…凹凸パターン
Claims (14)
- 第1面及び該第1面の反対側に位置する第2面を有する基材と、
前記第1面上に形成され、第1の無機材料から構成され、且つ入射する光の波長よりも短い周期で配列された凹部及び凸部を有する第1凹凸構造体と、
前記第2面上に形成され、第2の無機材料から構成され、且つ入射する光の波長よりも短い周期で配列された凹部及び凸部を有する第2凹凸構造体と、
前記第1凹凸構造体の前記凸部の上面及び側面に形成され、前記第1凹凸構造体の前記凸部よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、
前記第1凹凸構造体の前記凸部の上面の前記高屈折率層上に形成され、前記高屈折率層よりも低い屈折率を有する層から構成される中屈折率層と、を備え、
前記第1凹凸構造体の凸部が、前記第1面に平行な第1方向に延在するとともに、前記基材の前記第1面から離れる方向に向かって幅が小さくなり、
前記第2凹凸構造体の凸部が、前記第1方向に延在するとともに、前記基材の前記第2面から離れる方向に向かって幅が小さくなり、
前記第1凹凸構造体の隣り合う前記凸部の対向する前記側面に形成された前記高屈折率層の間に空気層が存在し、
前記中屈折率層が、前記第1凹凸構造体の前記凸部の上面及び側面の前記高屈折率層上に形成されている光学位相差部材。 - 前記第1凹凸構造体及び前記第2凹凸構造体の各凸部のアスペクト比が1~5の範囲内である請求項1に記載の光学位相差部材。
- 前記第1の無機材料及び前記第2の無機材料がゾルゲル材料の硬化物である請求項1または2に記載の光学位相差部材。
- 前記基材の屈折率をn0、前記第1凹凸構造体を構成する材料の屈折率をn1、前記第2凹凸構造体を構成する材料の屈折率をn2とすると、n1-n0の値及びn2-n0の値が、-0.4~0.4の範囲内である請求項1~3のいずれか一項に記載の光学位相差部材。
- 第1面及び該第1面の反対側に位置する第2面を有する基材と、
前記第1面上に形成され、第1の無機材料から構成され、且つ入射する光の波長よりも短い周期で配列された凹部及び凸部を有する第1凹凸構造体と、
前記第2面上に形成され、第2の無機材料から構成され、且つ入射する光の波長よりも短い周期で配列された凹部及び凸部を有する第2凹凸構造体と、
前記第1凹凸構造体の前記凸部の上面及び側面に形成され、前記第1凹凸構造体の前記凸部よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、
前記第1凹凸構造体の前記凸部の上面の前記高屈折率層上に形成された、2n+1個(nは正の整数)の層の積層体から構成される積層体と、を備え、
前記第1凹凸構造体の凸部が、前記第1面に平行な第1方向に延在するとともに、前記基材の前記第1面から離れる方向に向かって幅が小さくなり、
前記第2凹凸構造体の凸部が、前記第1方向に延在するとともに、前記基材の前記第2面から離れる方向に向かって幅が小さくなり、
前記第1凹凸構造体の隣り合う前記凸部の対向する前記側面に形成された前記高屈折率層の間に空気層が存在し、
前記積層体は、前記高屈折率層上に形成された第1層と、第2k-1層(kは1~nの整数)上に形成された第2k層と、前記第2k層上に形成された第2k+1層を備え、
前記第1層の屈折率が前記高屈折率層の屈折率よりも低く、
前記第2k+1層の屈折率が前記第2k層の屈折率よりも低く、
前記積層体が、前記第1凹凸構造体の前記凸部の上面及び側面の前記高屈折率層上に形成されている光学位相差部材。 - 前記第2k-1層(kは1~nの整数)の屈折率が、前記第2k層の屈折率よりも低い請求項5に記載の光学位相差部材。
- 前記凸部の側面上に形成された前記高屈折率層の厚みは、前記入射する光の波長λに対して0.03λ~0.11λであることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の光学位相差部材。
- 前記中屈折率層の屈折率をnとすると、前記凸部の上面上の前記高屈折率層に形成されている前記中屈折率層の厚みは、前記入射する光の波長λに対して0.9λ/4n~1.3λ/4nの範囲内であることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の光学位相差部材。
- 前記凸部の側面の前記高屈折率層上に形成された前記中屈折率層の厚みは、前記入射する光の波長λに対して0.03λ以下であることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の光学位相差部材。
- 前記凸部の側面上の前記高屈折率層上に形成された前記積層体の厚みは、5~40nmの範囲内であることを特徴とする請求項5または6に記載の光学位相差部材。
- 前記第1凹凸構造体の隣り合う前記凸部の裾同士の間隔と前記第2凹凸構造体の隣り合う前記凸部の裾同士の間隔は、それぞれ、前記凹部及び前記凸部により形成された凹凸パターンのピッチの0~0.2倍の範囲内であることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の光学位相差部材。
- 請求項1~11のいずれか一項に記載の光学位相差部材を備えるプロジェクタ。
- 請求項1~11のいずれか一項に記載の光学位相差部材の製造方法であって、
基材の第1面上に、第1の無機材料から構成される第1凹凸構造体を形成することと、
前記基材の前記第1面の反対側に位置する第2面上に、第2の無機材料から構成される第2凹凸構造体を形成することを含む光学位相差部材の製造方法。 - 前記第1凹凸構造体及び前記第2凹凸構造体を、ゾルゲル法を用いて形成する請求項13に記載の光学位相差部材の製造方法。
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