JP7340840B2

JP7340840B2 - 微小光学構造体の製造方法

Info

Publication number: JP7340840B2
Application number: JP2019093886A
Authority: JP
Inventors: 惟人宮下; 英彦山岡; 晃基永田
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2039-05-17
Also published as: JP2020187332A

Description

本発明は、微小光学構造体の製造方法に関する。

現在利用されている一般的なフレキシブル材料によるマイクロレンズは、単一材料による成形品である。そのため、光学設計が制限され、集光効率や焦点深度といったパラメータが限定されている。

これらの課題を解決するため、複数の材料からなるマイクロレンズも存在している。このようなマイクロレンズの製造方法として、ミクロン球をフレキシブル樹脂シートに埋め込む手法や、基板上に設けられた凹部に樹脂材料の液滴を充填するといった手法がとられている。

例えば、特許文献１では、成形型（例えば、金属製の成形型）にキャビティ凹部を設け、キャビティ凹部に液状のレンズ用樹脂材料（例えば、シリコーン樹脂組成物）を表面張力により凸面をなす液滴となるように充填し、レンズ用樹脂材料の液滴を加熱して硬化させることによってレンズを製造する方法が開示されている。

特開２００４－２７６３８３号公報

しかしながら、特許文献１のようなレンズの製造方法では、キャビティ凹部に液状のレンズ用樹脂材料を、インクジェットやディスペンサロボット等の装置で充填しているため、アライメントを行うための高精度の装置が必要となり、製造方法が複雑である上に、一括製造（大量生産）に不向きであるという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の材料からなるマイクロレンズ等の微小光学構造体を簡便に製造可能な方法を提供することを目的とする。

本発明に係る微小光学構造体の製造方法は、第１光学材料からなる基板と、第１光学材料とは異なる第２光学材料からなる光学素子と、を有する微小光学構造体の製造方法であって、一面に凸部を有するモールドを用いて第１光学材料に転写することで、表面に凹部を有する基板を作製するステップと、基板の表面に第２光学材料をコーティングするステップと、第２光学材料の表面張力の効果によって、基板の凹部に、最表面が凸曲面又は平坦面の光学素子を形成するステップと、を有する。

本発明によれば、第１光学材料からなる基板の表面に第２光学材料をコーティングし、第２光学材料の表面張力の効果によって、基板の凹部に、最表面が凸曲面又は平坦面の光学素子を形成することで、微小光学構造体を簡便に製造することが可能となる。

モールドを用いて第１光学材料からなる基板を作製するステップを表す模式図である。モールドの各パターンの配置を示す模式図である。モールドの各パターンの平面図である。基板の表面に第２光学材料をコーティングするステップを表す模式図である。第２光学材料の表面張力のスケール効果によってレンズを形成するステップを表す模式図である。第２光学材料の残渣を除去するステップを表す模式図である。本実施形態の製造方法によって得られたマイクロレンズ構造体の断面図である。本実施形態の製造方法によって得られたマイクロレンズ構造体の走査型電子顕微鏡の画像を示す図である。レンズの表面が平坦なマイクロレンズ構造体の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図面において、同一又は同様の構成要素には同一の符号を付している。図面は模式的なものであり、平面寸法と厚さとの関係、及び各部材の厚さの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本実施形態に係る製造方法は、第１光学材料からなる基板と、第１光学材料とは異なる第２光学材料からなる光学素子と、を有する微小光学構造体を製造する方法である。以下の本実施形態に係る微小光学構造体の製造方法は、本発明の単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。

まず、ナノインプリント装置により、一面に半球形状の凸部１１及び第１平坦部１２を有するモールド１（図１）を用いて第１光学材料に転写することで、表面に半球形状の凹部３１及び第２平坦部３２を有するフレキシブル基板３を作製する（ステップＳ１）。

モールド１は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）からなるナノインプリント用の金型である。モールド１は、図２のように、４つのパターン１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄが２×２のマトリクス状に配列された構造を有する。パターン１Ａ～１Ｄの各々は、例えば、一辺がＬ＝４ｍｍの正方形状であり、隣接するパターン間の距離Ｐ１は２ｍｍである。

パターン１Ａ～１Ｄの各々は、図３に示すように、同一構造の複数の凸部１１がマトリクス状に配列されており、隣接する凸部１１の間に第１平坦部１２が存在する。パターン１Ａ～１Ｄは、凸部１１の直径Ｒと、隣接する凸部１１間のピッチ間隔Ｐが互いに異なる。パターン１Ａの凸部１１の直径Ｒとピッチ間隔Ｐは、それぞれ、３μｍ、２０μｍである。パターン１Ｂの凸部１１の直径Ｒとピッチ間隔Ｐは、それぞれ、５μｍ、２０μｍである。パターン１Ｃの凸部１１の直径Ｒとピッチ間隔Ｐは、それぞれ、１０μｍ、３０μｍである。パターン１Ｄの凸部１１の直径Ｒとピッチ間隔Ｐは、それぞれ、１５μｍ、３５μｍである。パターン１Ａ～１Ｄの各々において、凸部１１の第１平坦部１２からの高さＨは、直径Ｒの１／２である。なお、図３では、１つのパターンに、７×７個の凸部１１が配列されている例を模式的に示しているが、１つのパターンを構成する凸部１１の数は限定されない。

パターン１Ａ～１Ｄからなるモールド１を用いることで、直径が３μｍ、５μｍ、１０μｍ、及び１５μｍの凹部３１を有するフレキシブル基板３が作製される。

本実施形態では、フレキシブル基板３を構成する第１光学材料として、紫外線硬化タイプのシリコーンゴム（Polydimethylsiloxane：ＰＤＭＳ）を採用する。このようなＰＤＭＳとしては、例えば、ＫＥＲ－４６９０－Ａ／Ｂ（信越シリコーン社製；ＡとＢの混合比は１：１）がある。ＰＤＭＳに対して撹拌脱泡器にて撹拌脱泡を５分行うことにより（公転２，０００ｒｐｍ；自転８００ｒｐｍ）、ＰＤＭＳを調製する。

次に、モールド１の一面（凸部１１及び第１平坦部１２を有する面）に、調製したＰＤＭＳを滴下し、紫外線露光装置にて紫外線を照射することで（２３ｍＷ／ｃｍ^２；８０秒）、ＰＤＭＳを硬化させる。

ＰＤＭＳに紫外線を照射して２４時間静置した後、モールド１からＰＤＭＳを剥離する。このようにして、モールド１の凸部１１及び第１平坦部１２に対応して、表面に凹部３１及び第２平坦部３２をそれぞれ有するフレキシブル基板３が作製される。すなわち、同一構造の複数の凹部３１がマトリクス状に配列され、隣接する凹部３１の間に第２平坦部３２を有するフレキシブル基板３が作製される。

次に、図４に示すように、フレキシブル基板３の表面（凹部３１及び第２平坦部３２を有する面）に第２光学材料をコーティングして薄層５を形成する（ステップＳ２）。薄層５は、フレキシブル基板３の凹部３１に対応する凸部５１と、フレキシブル基板３の第２平坦部３２に対応する第３平坦部５２とを有する。

本実施形態では、第２光学材料として液状の樹脂、例えば、アクリル樹脂（Polymethyl methacrylate：ＰＭＭＡ）を採用する。第２光学材料としてのＰＭＭＡと、第１光学材料としてのＰＤＭＳとは、屈折率が異なる。

ステップＳ２では、まず、ＰＭＭＡ粉末をアニソールに混合し、加熱スターラー（約９０℃）にて１２０分～１８０分撹拌することで、ＰＭＭＡ溶液を調製する。ここで、アニソールは、予め非線形光学分子（2-Aminofluorene,5-Nitrouracil等）を溶解させたアニソールでもよい。なお、本実施形態においてＰＭＭＡ溶液は、分子量が約８０万で、濃度が５．０、７．５、１０．０、及び１２．５ｗｔ％のものをそれぞれ準備した。

次に、ガラス基板（図示略）上にフレキシブル基板３の裏面を貼り付け、フレキシブル基板３の表面にＰＭＭＡ溶液を滴下して、スピンコータによるスピンコート（例えば、５，０００ｒｐｍ）を行う。スピンコートの代わりに、ヘラ（例えば、シリコーン製）を用いてバーコーティングを行ってもよい。

第２光学材料のコーティングにより薄層５が形成されると、図５に示すように、第２光学材料の表面張力の効果によって、フレキシブル基板３の凹部３１に、最表面が半球形状でフレキシブル基板３の表面から突出した凸曲面のレンズ５５（光学素子）が形成される（ステップＳ３）。

具体的には、薄層５がコーティングされたフレキシブル基板３をホットプレートにてベークして（例えば、１１０℃で６０秒）、薄層５を構成するＰＭＭＡ溶液を硬化させる。このとき、図４に示すように、薄層５において、凸部５１の膜厚は、第３平坦部５２の膜厚よりも大きいため、凸部５１は第３平坦部５２よりもＰＭＭＡ溶液の揮発速度が遅くなり、表面張力のスケール効果によって、凸曲面が形成される。

レンズ５５が形成されると、図５に示すように、フレキシブル基板３上に第２光学材料の残渣５６が残留している。このため、図６に示すように、レンズ５５の形成後にフレキシブル基板３上に残留した残渣５６をエアブロー７０（例えば、０．２～０．４ＭＰａ程度）にて除去する（ステップＳ４）。これにより、図７に示すように、フレキシブル基板３とレンズ５５とを有する微小光学構造体としてのマイクロレンズ構造体１００が作製される。

実験では、ＰＭＭＡ溶液の濃度が７．５及び１０．０ｗｔ％において、最表面が凸曲面のレンズ５５が形成された。図８に、本実施形態の製造方法によって作製されたマイクロレンズ構造体１００の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像の一例を示す。

図７及び図８では、最表面が凸曲面のレンズ５５が形成された場合を示したが、実験条件によっては、最表面が平坦面のレンズが形成されることもある。例えば、ＰＭＭＡ溶液の濃度を１２．５ｗｔ％として、バーコーティングのプロセスを経ることで、図９に示すように、フレキシブル基板３の凹部３１に平坦にＰＭＭＡが埋め込まれたレンズ６０（光学素子）が形成され、フレキシブル基板３とレンズ６０とを有する微小光学構造体としてのマイクロレンズ構造体２００が作製される。図９に示すように、レンズ６０の平坦な最表面は、フレキシブル基板３の表面と、ほぼ同一面にある。このように、ＰＭＭＡ溶液の濃度が相対的に大きいとき、最表面が平坦面のレンズが形成され得る。

以上のように、本実施形態の製造方法によれば、フレキシブル基板３の表面に第２光学材料をコーティングし、第２光学材料の表面張力の効果によって、フレキシブル基板３の凹部３１に、最表面が凸曲面のレンズ５５又は最表面が平坦面のレンズ６０を形成するようにした。これにより、従来のようなアライメントを行うための高精度の装置が不要となり、微小光学構造体としてのマイクロレンズ構造体を簡便に一括で製造することができる。また、マイクロレンズ構造体の大面積化や量産も可能となる。

また、本実施形態の製造方法によって得られたマイクロレンズ構造体は、互いに屈折率が異なる第１光学材料と第２光学材料とからなっており、単一材料からなるマイクロレンズ構造体よりも、長い焦点深度（例えば、３～４μｍ）を得ることができる。これにより、本実施形態のマイクロレンズ構造体は、微細な立体構造観察用のデバイスに応用することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形が可能である。

例えば、フレキシブル基板３を構成する第１光学材料として、ＰＤＭＳの代わりに、ポリエチレンフィルム又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを採用してもよい。また、レンズ５５又はレンズ６０を構成する第２光学材料として、ＰＭＭＡの代わりに、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、又はAcrylonitrile Butadiene Styrene（ＡＢＳ）樹脂を採用してもよい。

また、本実施形態では、ステップＳ２において、ＰＭＭＡ粉末を、予め非線形光学分子（2-Aminofluorene,5-Nitrouracil等）を溶解させたアニソールに混合する例を挙げたが、第１光学材料又は第２光学材料を構成する高分子ポリマーに、他の材料（機能性ナノ粒子、導電性ナノ粒子、又は有機光学色素分子等）を混合又は分散させることも考えられる。このような材料としては、例えば、二酸化バナジウム、酸化タングステン等の相転移材料、二酸化チタン等の光触媒、ＩＴＯ、銀ナノ粒子等の導電性金属、Alexa Fluor系、Pacific Blue系、Super Brigh系、Cy系等の蛍光色素が挙げられる。

１モールド
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄパターン
３フレキシブル基板
５薄層
１１凸部
１２第１平坦部
３１凹部
３２第２平坦部
５１凸部
５２第３平坦部
５５、６０レンズ
５６残渣
７０エアブロー
１００、２００マイクロレンズ構造体

Claims

第１光学材料からなる基板と、前記第１光学材料とは異なる第２光学材料からなる光学素子と、を有する微小光学構造体の製造方法であって、
一面に凸部と第１平坦部とを有するモールドを用いて前記第１光学材料に転写することで、表面に凹部と第２平坦部とを有する前記基板を作製するステップと、
前記基板の前記表面に前記第２光学材料をコーティングして、前記基板の前記凹部に対応する凸部と前記基板の前記第２平坦部に対応する第３平坦部とを有する薄層を形成するステップと、
前記薄層の前記第２光学材料の表面張力の効果によって、前記基板の前記凹部に、最表面が凸曲面の前記光学素子を形成するステップと、
を有する、微小光学構造体の製造方法。
前記モールドは、各々が前記凸部と同一構造を有する複数の凸部が、前記一面にマトリクス状に配列された構造を有し、
前記基板を作製するステップは、前記モールドを用いて、各々が前記凹部と同一構造を有する複数の凹部が、前記表面にマトリクス状に配列された前記基板を作製する、請求項１に記載の微小光学構造体の製造方法。
前記モールドは、前記複数の凸部のうち隣接する凸部の間に前記第１平坦部を有し、
前記基板を作製するステップは、前記モールドを用いて、前記複数の凹部のうち隣接する凹部の間に前記第２平坦部を有する前記基板を作製する、請求項２に記載の微小光学構造体の製造方法。
前記第１光学材料と前記第２光学材料は屈折率が異なる、請求項１～３の何れか１項に記載の微小光学構造体の製造方法。
前記基板を作製するステップは、前記基板としてフレキシブル基板を作製する、請求項１～４の何れか１項に記載の微小光学構造体の製造方法。
前記第２光学材料をコーティングするステップは、前記第２光学材料として液状の樹脂をコーティングし、
前記光学素子を形成するステップは、前記液状の樹脂を硬化させ、表面張力の効果によって、前記第２光学材料の濃度に応じて最表面が凸曲面の前記光学素子を形成する、請求項１～５の何れか１項に記載の微小光学構造体の製造方法。
前記光学素子を形成した後、前記基板に残留した前記第２光学材料の残渣を除去するステップを更に有する、請求項１～６の何れか１項に記載の微小光学構造体の製造方法。