KR20150067299A

KR20150067299A - 광학 소자 제작용 금형 및 그 제조 방법, 광학 소자

Info

Publication number: KR20150067299A
Application number: KR1020157011779A
Authority: KR
Inventors: 코타로 다이; 케이 시노츠카; 요시히사 핫타
Original assignee: 오지 홀딩스 가부시키가이샤
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-17
Also published as: JP6070720B2; TWI604932B; JPWO2014092132A1; US20150301230A1; CN104781059A; CN104781059B; EP2944446A4; EP2944446B1; US9915758B2; WO2014092132A1; EP2944446A1; TW201431660A

Abstract

이 광학 소자 제작용 금형은 모재와, 모재의 표면에 형성된 요철층을 구비하고, 요철층의 요철 구조는 인접하는 7개의 볼록부의 중심점이 정육각형의 6개의 정점과 대각선의 교점이 되는 위치 관계로 연속하여 정렬되어 있는 구역을 복수 구비하고, 당해 복수의 구역의 면적, 형상 및 결정 방위가 랜덤이다.

Description

광학 소자 제작용 금형 및 그 제조 방법, 광학 소자{MOLD FOR MANUFACTURING OPTICAL ELEMENT AND PRODUCTION METHOD FOR SAME, AND OPTICAL ELEMENT}

본 발명은 반사 방지체 등의 광학 소자를 제작할 때에 사용되는 금형 및 그 금형의 제조 방법 및 광학 소자에 관한 것이다.

본원은 2012년 12월 13일에 일본에 출원된 특허출원 2012-272227호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

유기 일렉트로루미네선스(유기 EL)나 발광 다이오드 등의 발광 디바이스에 있어서는 광의 취출 효율을 향상시키기 위해, 미세한 요철을 갖는 반사 방지체 등의 광학 소자를 광 취출면에 장착하는 경우가 있다.

광학 소자를 제작하는 방법으로는, 금형을 사용하여 수지를 성형하는 방법이 널리 채용되고 있다. 광학 소자 제작용 금형으로는, 모재의 표면에 미세한 요철을 갖는 요철층이 형성된 것이 사용되고 있다(특허문헌 1∼4).

일본 공개특허공보 평3-252936호 일본 공개특허공보 2001-121582호 일본 공개특허공보 2004-268331호 일본 공개특허공보 2009-292703호

그러나, 특허문헌 1∼4에 기재된 금형을 사용하여 얻은 광학 소자는 모두 회절광의 지향성이 높아지는 경향이 있었다. 예를 들면, 반사 방지체에 있어서, 회절광의 지향성이 높으면 보는 각도에 따라서는 컬러 시프트가 생겨, 투과하는 광이 백색인 경우에는 반사 방지체를 통과한 광이 유색으로 보이고, 투과하는 광이 유색인 경우에는 반사 방지체를 통과한 광이 본래의 색과는 상이한 색으로 보이는 경우가 있었다. 또한, 예를 들면, 유기 EL 등에 사용할 목적으로, 반사 방지체의 요철 구조를 격자 구조로 하는 경우는 격자 구조에 의해 생기는 회절광이 XY면 내측 방향에 관해서 이방성을 갖게 되기 때문에, 발광 디바이스로서 균일한 광학 효과를 얻는 것이 곤란하였다.

회절광의 지향성을 저하시키기 위해서는 미세한 격자 구조의 요철을 랜덤인 배치의 요철로 하면 된다. 하지만, 랜덤인 요철에서는 요철의 피치를 조정할 수 없어, 목적으로 하는 광학적 기능을 얻는 것이 곤란하다.

본 발명은 회절광의 지향성을 저감시킬 수 있는 광학 소자를 용이하게 제작할 수 있고, 또한 요철의 피치를 조정 가능한 광학 소자 제작용 금형 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 회절광의 지향성을 저감시킬 수 있는 광학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 이하의 양태를 갖는다.

[1] 모재와, 상기 모재의 표면에 형성된 요철층을 구비하고, 상기 요철층의 요철 구조는 인접하는 7개의 볼록부의 중심점이 정육각형의 6개의 정점과 대각선의 교점이 되는 위치 관계로 연속하여 정렬되어 있는 구역을 복수 구비하고, 당해 복수의 구역의 면적, 형상 및 결정 방위가 랜덤인 광학 소자 제작용 금형.

즉, 모재와, 상기 모재의 표면 상에 형성되고, 요철 구조를 갖는 요철층을 구비하고, 상기 요철 구조는 인접하는 7개의 볼록부의 중심점이 정육각형의 6개의 정점과 대각선의 교점이 되는 위치 관계로 연속하여 정렬되어 있는 구역을 복수 구비하고, 상기 복수의 구역의 면적, 형상 및 결정 방위가 랜덤인 광학 소자 제작용 금형.

[2] 상기 요철층이 하기 (A1) 및 (B)∼(D)의 적어도 1종을 포함하는 재료에 의해 형성되어 있는 [1]에 기재된 광학 소자 제작용 금형:

(A1) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ti, 또는 이들 원소를 2종 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속, (B) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 산화물, (C) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 질화물 및 (D) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 탄화물.

또는, 상기 요철층이 하기 (A)∼(D)의 적어도 1종을 포함하는 재료에 의해 형성되어 있는 [1]에 기재된 광학 소자 제작용 금형.

(A) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti, 또는 Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti를 2종 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속, (B) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 산화물, (C) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 질화물, (D) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 탄화물.

[3] 상기 모재의 상기 표면은 평판상인 [1] 또는 [2]에 기재된 광학 소자 제작용 금형.

[4] 상기 모재의 상기 표면은 요곡면 또는 철곡면을 갖는 [1] 또는 [2]에 기재된 광학 소자 제작용 금형.

[5] 모재의 표면에 무기막을 제막하는 제막 공정과, 상기 무기막의 표면에 복수의 입자를 단일층으로 배열시키는 입자 배열 공정과, 상기 복수의 입자를 에칭 마스크로서 상기 무기막을 드라이 에칭하는 에칭 공정을 갖는 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법.

[6] 입자 배열 공정은 물의 액면 상에 단입자막을 형성하는 단입자막 형성 공정과, 상기 단입자막을 상기 무기막의 표면에 이행시키는 이행 공정을 갖는 [5]에 기재된 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법.

[7] 상기 무기막을 하기 (A1) 및 (B)∼(D)의 적어도 1종을 포함하는 재료에 의해 형성되어 있는 [4] 또는 [5]에 기재된 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법:

(A1) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ti, 또는 Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti를 2종 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속, (B) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 산화물, (C) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 질화물, (D) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 탄화물.

또는, 상기 무기막을 하기 (A)∼(D)의 적어도 1종을 포함하는 재료에 의해 형성하는 [5] 또는 [6]에 기재된 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법.

(A) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti, 또는 이들 원소를 2종 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속, (B) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 산화물, (C) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 질화물, (D) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 탄화물.

[8] [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 광학 소자 제작용 금형을 사용한 나노 임프린트 또는 사출 성형에 의해 제작된 광학 소자.

본 발명의 광학 소자 제작용 금형 및 그 제조 방법에 의하면, 회절광이 생기는 미세한 피치의 요철을 형성함에도 불구하고, 회절광의 지향성을 저감시킬 수 있는 광학 소자를 용이하게 제작할 수 있고, 또한 요철의 피치의 조정도 가능하다.

본 발명의 광학 소자에 의하면, 회절광의 지향성을 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 광학 소자 제작용 금형의 제1 실시형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 광학 소자 제작용 금형을 구성하는 요철층을 나타내는 확대 단면도이다.
도 3은 도 1의 광학 소자 제작용 금형을 구성하는 요철층을 나타내는 확대 평면도이다.
도 4는 단입자막 형성 공정에서 배열된 입자를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 5a는 LB법을 이용한 입자 배열 공정에 있어서의 이행 공정 개시 전 상태를 나타내는 설명도이다.
도 5b는 LB법을 이용한 입자 배열 공정에 있어서의 이행 공정 중 상태를 나타내는 설명도이다.
도 6a는 도 1의 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법의 설명도로서, 입자 배열 공정 후 상태를 나타내는 도면이다.
도 6b는 도 1의 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법의 설명도로서, 에칭 공정의 도중 상태를 나타내는 도면이다.
도 6c는 도 1의 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법의 설명도로서, 에칭 공정 후 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예의 광학 소자에 있어서, 광학 소자로부터 출사한 레이저광의 회절광을 투영시킨 회절상이다.
도 8은 비교예의 광학 소자에 있어서, 광학 소자로부터 출사한 레이저광의 회절광을 투영시킨 회절상이다.
도 9는 본 발명의 광학 소자 제작용 금형의 제2 실시형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 광학 소자 제작용 금형의 제2 실시형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11a는 도 9의 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법의 설명도로서, 입자 배열 공정 후 상태를 나타내는 도면이다.
도 11b는 도 9의 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법의 설명도로서, 에칭 공정의 도중 상태를 나타내는 도면이다.
도 11c는 도 9의 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법의 설명도로서, 에칭 공정 후 상태를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 광학 소자 제작용 금형의 제2 실시형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 광학 소자 제작용 금형의 제2 실시형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

[제1 실시형태]

＜광학 소자 제작용 금형＞

본 발명의 광학 소자 제작용 금형(이하, 「금형」으로 약칭한다)의 일 실시형태를 나타낸다.

도 1에 본 실시형태의 금형을 나타낸다. 본 실시형태의 금형(10)은 표면(11a)이 평면의 판상체로 이루어지는 모재(11)와, 모재(11)의 표면(11a)에 형성된 요철층(12)을 구비한다.

금형의 크기는 당해 금형에 의해 제작하는 광학 소자에 따라 적절히 선택된다. 예를 들면, 광학 소자가 유기 EL이나 박막 디바이스에 사용하는 회절 격자인 경우, 모재(11)의 표면(11a)의 면적이 30㎜×30㎜∼1100㎜×1300㎜, 바람직하게는 200㎜×200㎜∼400㎜×500㎜이다.

(모재)

모재(11)의 재질로는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 철, 스테인리스, 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 몰리브덴, 코발트, 텅스텐, 티탄, 텅스텐 카바이드, 서멧 등을 사용할 수 있다. 모재(11)의 표면(11a)의 면적은 당해 금형에 의해 제작하는 광학 소자의 면적에 따라 적절히 선택된다. 모재(11)의 두께는 금형(10)으로서의 강도를 유지할 수 있으면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 0.1㎜∼100㎜이면 되고, 바람직하게는 0.3㎜∼10㎜이다.

모재(11)의 형상은 평판상체이다. 표면(11a)의 표면 조도(Ra)는 0.1㎚∼50㎚ 이고, 바람직하게는 0.1㎚∼10㎚이다. 표면(11a) 상에는 요철층(12)이 형성된다.

(요철층)

요철층(12)은 광학 소자의 재료와 접하는 면이 요철면(12a)으로 된 층이다.본 실시형태에서는 다수의 원추형의 볼록부(E_n)(n은 1 이상의 정수)를 갖고 있다.

요철층(12)은 경도가 높고, 제막성이 우수한 점에서, 하기 (A)∼(D)의 적어도 1종을 포함하는 재료에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.

(A) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti, 또는 이들 원소를 2종 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속. 합금의 경우, 예를 들면, Cr-Mo, Cr-W, Ni-Mo, Ni-W, Ni-Ti, Ni-Cr, Ni-Cr-Mo, Ti-Ta, Ti-W, W-Mo 등을 들 수 있다.

(B) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 산화물. 상기 금속 산화물로는, SiO₂, Cr₂O₃, MoO₃, WO₃, Ta₂O₅, NiO, TiO₂ 등을 들 수 있다.

(C) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 질화물. 당해 금속 질화물로는, 예를 들면, SiN, TiN, CrN, TaN(Ti, Cr) N, WN 등을 들 수 있다.

(D) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 탄화물. 당해 금속 탄화물로는, 예를 들면, SiC, WC, TiC, Cr₃C₂ 등을 들 수 있다.

이들 중에서도, 보다 제막하기 쉬운 점에서, Cr, Mo, W, Ti, Ta, SiO₂, TiO₂, SiN, TiN, SiC, WC가 바람직하다.

요철층(12)은 하기 (A1) 및 (B)∼(D)의 적어도 1종을 포함하는 재료에 의해 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.

(A1) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ti, 또는 Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti를 2종 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속. 합금의 경우, 예를 들면, Cr-Mo, Cr-W, Ni-Mo, Ni-W, Ni-Ti, Ni-Cr, Ni-Cr-Mo, Ti-Ta, Ti-W, W-Mo 등을 들 수 있다.

이들 중에서도, 보다 제막하기 쉬운 점에서, Cr, Mo, W, Ti, Ta, SiO₂, TiO₂, SiN, TiN, SiC, WC가 바람직하다. 또한, 후술하는 에칭 공정에 사용되는 에칭 가스에 대한 에칭 속도의 관점에서, Cr, W, SiN, TiN, SiC인 것이 더욱 바람직하다.

모재(11)의 재료와 요철층(12)의 재료의 조합은 모재(11) 상에 요철층(12)을 제막할 때의 밀착성이나, 강도 등을 고려하여 결정할 수 있다. 예를 들면, 모재(11)로서 스테인리스를 사용했을 경우는 요철층(12)은 Ti, Cr, W, Ni를 포함하는 것이 바람직하다.

광학 소자의 용도에 따라 미세한 요철의 최빈 피치와 최빈 높이 및 형상은 결정된다. 예를 들면, 당해 금형에 의해 반사 방지체를 제조하는 경우, 미세한 요철의 최빈 피치는 사용하는 광의 파장에 맞춰 조정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 파장이 400㎚∼750㎚ 정도인 가시광을 사용하기 때문에, 50㎚ 이상 300㎚ 이하의 피치의 요철이 바람직하다. 또한, 미세한 요철의 피치가 50㎚ 이상 150㎚ 이하이면, 가시광 영역에서의 회절광을 감소시킬 수 있다. 파장 750㎚ 정도∼10000㎚ 이하의 적외 영역을 사용하는 경우, 500㎚ 이상 5000㎚ 이하의 최빈 피치의 요철이 바람직하다.

요철면에 있어서의 볼록부(E_n)의 최빈 피치 P는 구체적으로는 다음과 같이 하여 구해진다.

우선, 요철면(12a)에 있어서의 무작위로 선택된 영역에서, 한 변이 최빈 피치 P의 30∼40배의 정방형의 영역에 대해, AFM 이미지를 얻는다. 예를 들면, 최빈 피치가 300㎚ 정도인 경우, 9㎛×9㎛∼12㎛×12㎛의 영역의 이미지를 얻는다. 그리고, 이 이미지를 푸리에 변환에 의해 파형 분리하여, FFT상(고속 푸리에 변환상)을 얻는다. 이어서, FFT상의 프로파일에 있어서의 0차 피크로부터 1차 피크까지의 거리를 구한다. 이렇게 하여 구해진 거리의 역수가 이 영역에 있어서의 최빈 피치 P이다. 이러한 처리를 무작위로 선택된 합계 25지점 이상의 동일 면적의 영역에 대해 동일하게 행하여, 각 영역에 있어서의 최빈 피치를 구한다. 이렇게 하여 얻어진 25지점 이상의 영역에 있어서의 최빈 피치 P₁∼P₂₅의 평균값이 최빈 피치 P이다. 또한, 이 때, 각 영역끼리는 적어도 1㎜ 떨어져 선택되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5㎜∼1㎝ 떨어져 선택된다.

광학 소자의 용도에 따라 미세한 요철의 최적 어스펙트비는 결정된다. 예를 들면, 당해 금형에 의해 유기 EL이나 박막 디바이스에 사용하는 회절 격자를 제조하는 경우, 요철에 있어서의 볼록부(E_n)의 어스펙트비는 0.1∼1.0이 바람직하다. 예를 들면, 당해 금형에 의해 반사 방지체를 제조하는 경우, 요철에 있어서의 볼록부(E_n)의 어스펙트비는 0.5∼4.0인 것이 보다 바람직하고, 한층 더 바람직하게는 1.0∼3.0인 것이 바람직하다.

여기서, 어스펙트비는 최빈 높이 H/최빈 피치 P로 구해지는 값이다.

최빈 높이 H는 구체적으로는 다음과 같이 하여 구해진다.

우선, AFM 이미지로부터, 임의의 방향과 위치에 있어서의 길이 1㎜의 선을 따른 볼록부(E_n)의 정점을 지나, 기판에 수직인 단면, 즉 도 2와 같은 단면을 얻는다. 이 단면의 볼록부(E_n)가 30개 이상 포함되는 임의의 부분을 추출하고, 그 중에 포함되는 각 볼록부(E_n)에 대해, 그 정점의 높이와, 당해 볼록부(E_n)에 인접하는 볼록부(E_n) 사이의 평탄부에 있어서의 가장 낮은 위치의 높이의 차를 구하여 얻어진 값을 유효 자리수 2자리로 반올림하여 각 볼록부(E_n)의 높이로 하고, 그 최빈값을 최빈 높이 H로 한다.

당해 금형에 의해 유기 EL이나 박막 디바이스에 사용하는 회절 격자를 제조하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 10㎚∼500㎚ 사이인 것이 바람직하고, 15㎚∼150㎚인 것이 더욱 바람직하다. 최빈 높이 H가 바람직한 범위 내이면, 유기 EL이나 박막 디바이스의 광 취출 효율이 향상된다는 효과가 얻어진다. 또한, 당해 금형에 의해 가시광을 대상으로 하는 반사 방지체를 제조하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 25㎚∼1200㎚ 사이인 것이 바람직하고, 120㎚∼500㎚인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 당해 금형에 의해 적외광을 대상으로 하는 반사 방지체를 제조하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 250㎚∼10000㎚ 사이인 것이 바람직하고, 750㎚∼10000㎚인 것이 더욱 바람직하다. 최빈 높이 H가 바람직한 범위 내이면, 반사 방지 성능이 향상된다는 효과가 얻어진다.

요철층(12)의 요철면(12a)은 도 3에 나타내는 바와 같이 복수의 구역(C₁∼C_n)을 갖는다. 각 구역(C₁∼C_n)은 인접하는 7개의 볼록부의 중심점이 정육각형의 6개의 정점과 대각선의 교점이 되는 위치 관계로 연속하여 정렬되어 있는 영역이다. 또한, 도 3에서는 각 볼록부의 중심점의 위치를 편의상 그 중심점을 중심으로 하는 원(u)으로 나타내고 있다.

인접하는 7개의 볼록부의 중심점이 정육각형의 6개의 정점과 대각선의 교점이 되는 위치 관계란, 구체적으로는, 이하의 조건을 만족시키는 관계를 말한다.

우선, 1개의 중심점(t1)(도 2 참조)으로부터, 인접하는 중심점(t2)의 방향으로 길이가 최빈 피치 P와 동일한 길이의 선분(L1)을 긋는다. 이어서 중심점(t1)으로부터, 선분(L1)에 대해, 60˚, 120˚, 180˚, 240˚, 300˚의 각 방향으로, 최빈 피치 P와 동일한 길이의 선분(L2∼L6)을 긋는다. 중심점(t1)에 인접하는 6개의 중심점이 중심점(t1)과 반대측에 있어서의 각 선분(L1∼L6)의 종점으로부터, 각각 최빈 피치 P의 15％ 이내의 범위에 있으면, 이들 7개의 중심점은 정육각형의 6개의 정점과 대각선의 교점이 되는 위치 관계에 있다.

각 구역(C₁∼C_n)의 최빈 면적 Q(각 구역 면적의 최빈값)는 이하의 범위인 것이 바람직하다.

최빈 피치 P가 500㎚ 미만일 때, 10㎜×10㎜의 AFM 이미지 측정 범위 내에 있어서의 최빈 면적 Q는 0.026㎛²∼6.5㎜²인 것이 바람직하다.

최빈 피치 P가 500㎚ 이상 1㎛ 미만일 때, 10㎜×10㎜의 AFM 이미지 측정 범위 내에 있어서의 최빈 면적 Q는 0.65㎛²∼26㎜²인 것이 바람직하다.

최빈 피치 P가 1㎛ 이상일 때, 50㎜×50㎜의 AFM 이미지 측정 범위 내에 있어서의 최빈 면적 Q는 2.6㎛²∼650㎜²인 것이 바람직하다.

최빈 면적 Q가 바람직한 범위 내이면, 광의 컬러 시프트를 보다 억제하기 쉽다.

또한, 각 구역(C₁∼C_n)은 도 3에 나타내는 바와 같이, 면적, 형상 및 결정 방위(입자 배열이 만드는 육방 격자의 방위)가 랜덤이다. 여기서 말하는 구역(C₁∼C_n)의 격자 방위란, 기판의 상면에서 보았을 경우, 동일 구역 내에서 근접하는 볼록부의 정점을 이어 얻어지는 기본 병진 벡터(삼각 격자의 경우는 2개 존재한다)의 방향이라고도 할 수 있다. 각 구역(C₁∼C_n)의 면적, 형상 및 결정 방위가 랜덤임으로써, 회절광을 평균화하여 지향성을 저감시킬 수 있어, 당해 금형으로부터 얻는 것이 반사 방지체인 경우에는 컬러 시프트를 억제할 수 있고, 당해 금형으로부터 얻는 것이 유기 EL 등에 사용하는 격자 구조체인 경우에는 격자 효과의 이방성을 저감시킬 수 있다.

면적의 랜덤성의 정도는 구체적으로는, 이하의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.

우선, 하나의 구역의 경계선이 외접하는 최대 면적의 타원을 그리고, 그 타원을 하기 식(α)으로 나타낸다.

X²/a²＋Y²/b²＝1······(α)

최빈 피치 P가 500㎚ 미만일 때, 10㎜×10㎜의 AFM 이미지 측정 범위 내에 있어서의 πab의 표준 편차는 0.08㎛² 이상인 것이 바람직하다.

최빈 피치 P가 500㎚ 이상 1000㎚ 미만일 때, 10㎜×10㎜의 AFM 이미지 측정 범위 내에 있어서의 πab의 표준 편차는 1.95㎛² 이상인 것이 바람직하다.

최빈 피치 P가 1000㎚ 이상일 때, 50㎜×50㎜의 AFM 이미지 측정 범위 내에 있어서의 πab의 표준 편차는 8.58㎛² 이상인 것이 바람직하다.

πab의 표준 편차가 바람직한 범위 내이면, 회절광의 평균화의 효과가 우수하다.

또한, 각 구역(C₁∼C_n)의 형상의 랜덤성의 정도는 구체적으로는 상기 식(α)에 있어서의 a와 b의 비, a/b의 표준 편차가 0.1 이상인 것이 바람직하다.

또한, 각 구역(C₁∼C_n)의 결정 방위의 랜덤성은 구체적으로는 이하의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

우선, 임의의 구역(I)에 있어서의 임의의 인접하는 2개의 볼록부의 중심점을 잇는 직선(K0)을 긋는다. 다음으로, 당해 구역(I)에 인접하는 1개의 구역(II)를 선택하고, 그 구역(II)에 있어서의 임의의 볼록부와, 그 볼록부에 인접하는 6개의 볼록부의 중심점을 잇는 6개의 직선(K1∼K6)을 긋는다. 직선(K1∼K6)이 직선(K0)에 대해, 모두 3도 이상 상이한 각도인 경우, 구역(I)과 구역(II)의 결정 방위가 상이한 것으로 정의한다.

구역(I)에 인접하는 구역 중, 결정 방위가 구역(I)의 결정 방위와 상이한 구역이 2 이상 존재하는 것이 바람직하고, 3 이상 존재하는 것이 바람직하며, 5 이상 존재하는 것이 더욱 바람직하다.

(작용 효과)

상기 광학 소자 제작용 금형(10)을 구성하는 요철층(12)의 요철은 적당히 랜덤으로 되어 있다. 이 때문에, 회절광이 생기는 미세한 피치의 요철을 형성함에도 불구하고, 회절광의 지향성을 저하시킬 수 있고, 컬러 시프트를 억제할 수 있다.

또한, 요철층(12)의 요철은 완전한 랜덤인 것이 아니고, 각 구역(C₁∼C_n)의 범위 내에서는 일정한 질서를 갖고 있다. 이 때문에, 요철의 피치를 용이하게 조정할 수 있어, 목적으로 하는 광학적 기능을 용이하게 얻을 수 있다.

＜금형의 제조 방법＞

상기 금형(10)의 제조 방법의 일 실시형태에 대해 설명한다.

본 실시형태의 제조 방법은 제막 공정과 입자 배열 공정과 에칭 공정을 갖는다.

(제막 공정)

제막 공정은 모재(11)의 표면(11a)에 후에 요철층(12)이 되는 무기막을 제막하는 공정이다.

제막 공정에 있어서의 무기막의 제막 방법으로는, 스퍼터링이나 진공 증착 등의 물리 기상 증착법(PVD법), 화학 기상 증착법(CVD법), 도금법(전해, 무전해) 중 어느 것이어도 되지만, 제막성의 면에서, 스퍼터링이 바람직하다. 구조적인 특징으로서 스퍼터링으로 성막한 무기막은 CVD법이나 도금법으로 성막했을 경우와 비교하여 모재와의 밀착 강도가 강한 특징이 있다. CVD법으로 성막한 무기막은 스퍼터링이나 도금법으로 성막했을 경우와 비교하여 성막의 결정성이 양호한 특징이 있다. 도금법으로 성막한 무기막은 스퍼터링이나 CVD법으로 성막했을 경우와 비교하여 치밀한 층 형성이 가능하다는 특징이 있다.

스퍼터링에 의한 무기막의 제막 방법으로는, 당해 제조 방법에 따라 형성하는 요철층(12)과 동일한 성분의 타겟에, 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 충돌시켜, 이로써 타겟으로부터 날아온 원자를 표면(11a)에 퇴적시키는 방법을 적용할 수 있다.

요철층(12)을 상기 (B)의 산화물 또는 상기 (C)의 질화물에 의해 형성하는 경우에는 스퍼터링의 방법으로서 산소 및 질소 중 적어도 일방을 포함하는 분위기중, Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함한 타겟에 불활성 가스를 충돌시키고, 이로써 타겟으로부터 날아온 상기 원소와 분위기 중의 산소 및 질소 원자 중 적어도 일방을 표면(11a)에 퇴적시킬 수 있다.

또한, 요철층(12)을 상기 (B1)의 산화물 또는 상기 (C1)의 질화물에 의해 형성하는 경우에는 스퍼터링의 방법으로서 산소 및 질소 중 적어도 일방을 포함하는 분위기 중, Si, Cr, Mo, W, Ta, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함하는 타겟에 불활성 가스를 충돌시키고, 이로써 타겟으로부터 날아온 상기 원소와 분위기 중의 산소 및 질소 원자 중 적어도 일방을 표면(11a)에 퇴적시킬 수 있다.

이 경우, 분위기 중의 산소의 농도에 따라, 무기막 중의 산소 원자 함유량을 조정할 수 있다. 또한, 분위기 중의 질소의 농도에 따라, 무기막 중의 질소 원자 함유량을 조정할 수 있다.

스퍼터링으로는 공지된 것을 특별히 제한 없이 이용할 수 있지만, 제막성이 우수한 점에서, 마그네트론 스퍼터링이 바람직하다.

스퍼터링 조건으로는 특별히 제한되지 않지만, 통상은 온도를 25.0℃∼250℃로 하고, 절대 압력을 0.1Pa∼3.0Pa로 한다.

또한, 스퍼터링에 있어서는, 무기막의 두께가 0.1㎛∼10.0㎛가 되도록 스퍼터링 시간을 조정한다.

(입자 배열 공정)

입자 배열 공정은 제막 공정으로 얻은 무기막의 표면에 복수의 입자를 단일층으로 배열시키는 공정이다.

본 실시형태에 있어서의 입자 배열 공정은 이른바 랭뮤어 블로젯법(LB법)의 원리를 이용한 방법에 의해 행한다. 구체적으로, 본 실시형태에 있어서의 입자 배열 공정은 적하 공정과, 단입자막 형성 공정과, 이행 공정과, 필요에 따라 고정 공정을 갖고, 단입자막을 마스크로서 무기막 상에 배치한다.

적하 공정은 수조 내의 물의 액면에 물보다 비중이 작은 용제 중에 입자가 분산된 분산액을 적하하는 공정이다.

단입자막 형성 공정은 용제를 휘발시킴으로써 상기 입자로 이루어지는 단입자막을 물의 액면 상에 형성하는 공정이다.

이행 공정은 상기 단입자막을 무기막에 이행시키는 공정이다.

고정 공정은 이행한 단입자막을 무기막에 고정하는 공정이다.

이하, 각 공정을 구체적으로 설명한다.

[적하 공정 및 단입자막 형성 공정]

우선, 물보다 비중이 작은 용제 중에, 입자(M)를 첨가하여 분산액을 조제한다. 한편, 수조(트러프)를 준비하고, 이것에, 그 액면 상에서 입자(M)를 전개시키기 위한 물(이하, 하층수라고 하는 경우도 있다)을 넣는다.

입자(M)는 표면이 소수성인 것이 바람직하다. 또한, 용제로서도 소수성인 것을 선택하는 것이 바람직하다. 소수성의 입자(M) 및 용제와 하층수를 조합함으로써, 후술하는 바와 같이, 입자(M)의 자기 조직화가 진행되어, 2차원적으로 최밀 충전된 단입자막이 형성된다.

입자(M)의 재료는 유기 입자, 유기 무기 복합 입자, 무기 입자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류 이상의 입자이다. 유기 입자를 형성하는 재료는 예를 들면, 폴리스티렌, PMMA 등의 열가소성 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지 등의 열경화성 수지, 다이아몬드, 그라파이트, 풀러렌류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류이다. 유기 무기 복합 입자를 형성하는 재료는 예를 들면, SiC, 탄화붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1 종류이다.

이들 중에서, 입자(M)의 재료는 무기 입자인 것이 바람직하다. 무기 입자를 형성하는 재료는 예를 들면, 무기 산화물, 무기 질화물, 무기 붕화물, 무기 황화물, 무기 셀렌화물, 금속 화합물, 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류이다.

무기 산화물은 예를 들면, 실리카, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 산화아연, 산화주석, 이트륨알루미늄가넷(YAG)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류이다. 무기 질화물은 예를 들면, 질화규소, 질화알루미늄, 질화붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류이다. 무기 붕화물은 예를 들면, ZrB₂, CrB₂로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류이다. 무기 황화물은 예를 들면, 황화아연, 황화칼슘, 황화카드뮴, 황화스트론튬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 적어도 1종류이다. 무기 셀렌화물은 예를 들면, 셀렌화아연, 셀렌화카드뮴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류이다. 금속 입자는 Si, Ni, W, Ta, Cr, Ti, Mg, Ca, Al, Au, Ag 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 입자이다.

또한, 입자(M)를 형성하는 재료는 구성 원소의 일부가 그것과는 상이한 타원소에 의해 치환되어도 된다. 예를 들면, 입자(M)를 형성하는 재료는 실리콘과 알루미늄과 산소와 질소로 이루어지는 사이알론이어도 된다. 또한, 입자(M)는 서로 상이한 재료로 이루어지는 2종류 이상의 입자의 혼합물이어도 된다. 또한, 입자(M)는 서로 상이한 재료로 이루어지는 적층체여도 되고, 예를 들면, 무기 질화물로 이루어지는 무기 입자가 무기 산화물에 의해 피복된 입자여도 된다. 또한, 입자(M)는 무기 입자 중에 세륨이나 유로퓸 등의 부활제가 도입된 형광체 입자여도 된다. 또한, 상술한 재료 중에서도, 입자(M)의 형상이 안정되어 있는 점에서, 입자(M)를 형성하는 재료는 무기 산화물인 것이 바람직하고, 그 중에서도 실리카, 티타니아, 알루미나, 지르코니아가 더욱 바람직하다.

용제는 또한, 높은 휘발성을 갖는 것도 중요하다. 휘발성이 높고 소수성인 용제로는, 클로로포름, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 톨루엔, 헥산, 시클로헥산, 초산에틸, 초산부틸 등의 1종 이상으로 이루어지는 휘발성 유기 용제를 들 수 있다.

입자(M)가 무기 입자인 경우, 통상 그 표면은 친수성 때문에, 소수화제로 소수화하여 사용하는 것이 바람직하다. 소수화제로는, 예를 들면, 계면활성제, 금속 알콕시실란 등을 사용할 수 있다.

입자(M)의 소수화는 일본 공개특허공보 2009-162831호에 기재된 소수화제와 동일한 계면활성제, 금속 알콕시실란 등을 사용하여 동일한 방법으로 실시할 수 있다.

또한, 형성하는 단입자막의 정밀도를 보다 높이기 위해서는, 액면에 적하하기 전의 분산액을 멤브레인 필터 등으로 정밀 여과하고, 분산액 중에 존재하는 응집 입자(복수의 1차 입자로 이루어지는 2차 입자)를 제거하는 것이 바람직하다. 이와 같이 미리 정밀 여과를 행해 두면 부분적으로 2층 이상이 된 지점이나, 입자가 존재하지 않는 결함 지점이 생기기 어려워, 정밀도가 높은 단입자막이 얻어지기 쉽다. 만일 형성된 단입자막에 수㎛∼수십㎛ 정도의 크기의 결함 지점이 존재한다면, 상세하게는 후술하는 이행 공정에 있어서, 단입자막의 표면압을 계측하는 표면 압력 센서와, 단입자막을 액면 방향으로 압축하는 가동 배리어를 구비한 LB 트러프 장치를 사용하더라도, 이러한 결함 지점은 표면압의 차로서 검지되지 않고, 고정밀의 단입자막을 얻는 것은 어려워진다.

이상 설명된 분산액을 하층수의 액면에 적하한다(적하 공정). 그러면, 분산매인 용제가 휘발됨과 함께, 입자(M)가 하층수의 액면 상에 단층으로 전개되고, 2차원적으로 최밀 충전된 단입자막을 형성할 수 있다(단입자막 형성 공정).

하층수에 적하하는 분산액의 입자 농도는 분산액 전체에 대해 1질량％∼10질량％로 하는 것이 바람직하다. 또한, 적하 속도를 0.001㎖/초∼0.01㎖/초로 하는 것이 바람직하다. 분산액 중의 입자(M)의 농도나 적하량이 이러한 범위이면, 입자가 부분적으로 클러스터 형상으로 응집되어 2층 이상이 되거나, 입자가 존재하지 않는 결함 지점이 생기거나 입자 간의 피치가 넓어지는 등의 경향이 억제되고, 각 입자가 고정밀도로 2차원으로 최밀 충전된 단입자막이 보다 얻기 쉽다.

단입자막 형성 공정에서는 입자(M)의 자기 조직화에 의해 단입자막이 형성된다. 그 원리는 입자가 집결되면, 그 입자 간에 존재하는 분산매에서 기인하여 표면 장력이 작용하고, 그 결과, 입자(M)끼리는 랜덤으로 존재하는 것이 아니라, 2차원적 최밀 충전 구조를 자동적으로 형성한다는 것이다. 이러한 표면 장력에 의한 최밀 충전은 다른 표현으로 하면 횡방향의 모세관력에 의한 배열화라고도 할 수 있다.

특히, 예를 들면, 콜로이달 실리카와 같이, 구형이며 입경의 균일성도 높은 입자(M)가 수면 상에 뜬 상태로 3개 모여 접촉하면, 입자군의 흡수선의 합계 길이를 최소로 하도록 표면 장력이 작용하고, 도 4에 나타내는 바와 같이, 3개의 입자(M)는 도중 T로 나타내는 정삼각형을 기본으로 하는 배치로 안정화된다.

단입자막 형성 공정은 초음파 조사 조건하에서 실시하는 것이 바람직하다. 하층수로부터 수면을 향하여 초음파를 조사하면서 분산액의 용제를 휘발시키면, 입자(M)의 최밀 충전이 촉진되어, 각 입자(M)가 보다 고정밀도로 2차원으로 최밀 충전된 단입자막이 얻어진다. 이 때, 초음파의 출력은 1W∼1200W가 바람직하고, 50W∼600W가 보다 바람직하다.

또한, 초음파의 주파수에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면, 28kHz∼5MHz가 바람직하고, 보다 바람직하게는 700kHz∼2MHz이다. 진동수가 지나치게 높으면, 수분자의 에너지 흡수가 시작되어, 수면으로부터 수증기 또는 물방울이 솟아오르는 현상이 일어나기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 진동수가 지나치게 낮으면, 하층 수 중의 캐비테이션 반경이 커져, 수중에 거품이 발생하여 수면을 향해 부상한다. 이러한 거품이 단입자막 아래에 집적되면, 수면의 평탄성을 잃기 때문에 곤란하다.

초음파 조사에 의해 수면에 정상파가 발생한다. 어느 주파수에서도 출력이 지나치게 높거나, 초음파 진동자와 발신기의 튜닝 조건에 의해 수면의 파고가 지나치게 높아지면, 단입자막이 수면파에 의해 파괴되기 때문에 주의가 필요하다.

이상의 점에 유의하여 초음파의 주파수 및 출력을 적절히 설정하면, 형성되고 있는 단입자막을 파괴하지 않고, 효과적으로 입자의 최밀 충전을 촉진할 수 있다. 효과적인 초음파 조사를 행하기 위해서는 입자의 입경으로부터 계산되는 고유 진동수를 기준으로 하는 것이 좋다. 하지만, 입경이 예를 들면, 100㎚ 이하 등 작은 입자가 되면 고유 진동수는 매우 높아지기 때문에, 계산 결과와 같은 초음파 진동을 부여하는 것은 곤란해진다. 이러한 경우는 입자 2량체 내지 20량체 정도까지의 질량에 대응하는 고유 진동을 부여하는 것으로 가정하고 계산을 행하면, 필요한 진동수를 현실적인 범위까지 저감시킬 수 있다. 입자의 회합체의 고유 진동수에 대응하는 초음파 진동을 부여했을 경우에도, 입자의 충전율 향상 효과는 발현된다. 초음파의 조사 시간은 입자의 재배열이 완료되는데 충분하면 되고, 입경, 초음파의 주파수, 수온 등에 따라 소요 시간이 변화한다. 하지만, 통상의 제작 조건에서는 10초간∼60분간으로 행하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3분간∼30분간이다.

초음파 조사에 의해 얻어지는 이점은 입자의 최밀 충전화(랜덤 배열을 6방최밀화한다) 외에, 나노 입자의 분산액 조제시에 발생하기 쉬운 입자의 연응집체를 파괴하는 효과, 한 번 발생한 점결함, 선결함, 또는 결정 전위(입자 배열의 혼란으로부터 생기는 단위 격자의 국소적인 변형) 등도 어느 정도 수복하는 효과가 있다.

단입자막 형성 공정에서는 하기 식(1)로 정의되는 배열 편차 D(％)가 15％ 이하가 되도록, 무기막에 복수의 입자(M)를 단일층으로 배열시키는 것이 바람직하다.

D[％]＝｜B-A｜×100/A···(1)

단, 식(1) 중, A는 입자(M)의 평균 입경, B는 입자(M) 간의 최빈 피치이다.

또한, ｜B-A｜는 A와 B의 차의 절대값을 나타낸다.

편차 D는 10％ 이하인 것이 보다 바람직하고, 1.0％∼3.0％인 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 입자(M)의 평균 입경 A란, 단입자막을 구성하고 있는 입자(M)의 평균 1차 입경으로서, 입자 동적 광산란법에 의해 구한 입도 분포를 가우스 곡선에 피팅시켜 얻어지는 피크로부터 통상의 방법에 의해 구할 수 있다.

한편, 입자(M) 간의 피치란, 서로 이웃하는 2개의 입자(M)의 정점과 정점의 거리이고, 최빈 피치 B란 이들의 최빈값이다. 또한, 입자(M)가 구형으로 간극 없이 접하고 있으면, 서로 이웃하는 입자(M)의 정점과 정점의 거리는 서로 이웃하는 입자(M)의 중심과 중심의 거리와 동일하다.

입자(M) 간의 최빈 피치 B는 구체적으로는 다음과 같이 하여 구해진다.

우선, 단입자막에 있어서의 무작위로 선택된 영역에서, 한 변이 입자(M) 간의 최빈 피치 B의 30∼40배의 정방형의 영역에 대해, 원자간력 현미경 이미지를 얻는다. 예를 들면, 입경 300㎚의 입자(M)를 사용한 단입자막의 경우, 9㎛×9㎛∼12㎛×12㎛의 영역의 이미지를 얻는다. 그리고, 이 이미지를 푸리에 변환에 의해 파형 분리하여, FFT상(고속 푸리에 변환상)을 얻는다. 이어서, FFT상의 프로파일에 있어서의 0차 피크로부터 1차 피크까지의 거리를 구한다. 이렇게 하여 구해진 거리의 역수가 이 영역에 있어서의 최빈 피치 B₁이다. 이러한 처리를 무작위로 선택된 합계 25지점 이상의 동일 면적의 영역에 대해 동일하게 행하여, 각 영역에 있어서의 최빈 피치 B₁∼B₂₅를 구한다. 이렇게 하여 얻어진 25지점 이상의 영역에 있어서의 최빈 피치 B₁∼B₂₅의 평균값이 식(1)에 있어서의 최빈 피치 B이다. 또한, 이 때, 각 영역끼리는 적어도 1㎜ 떨어져 선택되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5㎜∼1㎝ 떨어져 선택된다.

또한, 이 때, FFT상의 프로파일에 있어서의 1차 피크의 면적으로부터, 각 이미지에 대해, 그 중의 입자(M) 간의 피치의 편차를 평가할 수도 있다.

이 배열 편차 D는 입자(M)의 최밀 충전의 정도를 나타내는 지표이다. 즉, 입자의 배열 편차 D가 작은 것은 최밀 충전의 정도가 높고, 입자의 간격이 제어되어 있어, 그 배열의 정밀도가 높은 것을 의미한다.

배열 편차 D(％)를 15％ 이하로 하기 위해, 입자(M)의 입경의 변동 계수(표준 편차를 평균값으로 나눈 값)는 0.1％∼20％인 것이 바람직하고, 0.1％∼10％인 것이 보다 바람직하며, 0.1∼5.0％인 것이 더욱 바람직하다.

입자(M) 간의 최빈 피치는 요철층의 요철의 최빈 피치와 동등해진다. 입자(M)의 배열은 세밀 충전의 정도가 높기 때문에, 입자(M)의 평균 입경 A를 적절히 선택함으로써, 입자 간의 최빈 피치를 조정할 수 있고, 요철의 최빈 피치를 조정할 수 있다.

[이행 공정]

단입자막 형성 공정에 의해 액면 상에 형성된 단입자막을, 이어서, 단층 상태인 그대로 무기막에 옮겨 취한다(이행 공정).

단입자막을 무기막에 옮겨 취하는 구체적인 방법에는 특별히 제한은 없고, 예를 들면, 모재에 형성한 무기막의 표면을 단입자막에 대해 대략 수직인 상태로 유지하면서, 상방으로부터 강하시켜 단입자막에 접촉시키고, 모두 소수성인 단입자막과 무기막의 친화력에 의해, 단입자막을 무기막에 이행시켜, 옮겨 취하는 방법;단입자막을 형성하기 전에 미리 수조의 하층수 내에, 모재에 형성한 무기막을 대략 수직 방향으로 배치해 두고, 단입자막을 액면 상에 형성한 후에 액면을 서서히 강하시킴으로써, 무기막에 단입자막을 옮겨 취하는 방법 등이 있다.

상기 각 방법에 의해, 특별한 장치를 사용하지 않고 단입자막을 무기막에 옮겨 취할 수 있지만, 보다 대면적의 단입자막이어도, 그 2차적인 최밀 충전 상태를 유지한 채로 무기막에 옮겨 취하기 쉬운 점에서, 이후 공정에 있어서는, 이른바 LB 트러프법을 채용하는 것이 바람직하다(Journal of Materials and Chemistry, Vol.11, 3333 (2001), Journal of Materials and Chemistry, Vol.12, 3268 (2002) 등 참조)

도 5a 및 도 5b는 LB 트러프법의 개략을 모식적으로 나타내는 것이다. 또한, 도 5a 및 도 5b에서는 설명의 편의상, 입자(M)를 극단적으로 확대하고 있다.

이 방법에서는 수조(V) 내의 하층수(W)에 모재(11)에 무기막(12b)을 형성한 피가공체(S)를 무기막(12b)의 표면이 대략 연직 방향이 되도록 미리 침지해 두고, 그 상태로 상기 서술한 적하 공정과 단입자막 형성 공정을 행하여, 단입자막(F)을 형성한다(도 5a). 그리고, 단입자막 형성 공정 후에, 피가공체(S)를 무기막(12b)의 표면이 연직 방향인 채로 상방으로 끌어 올림으로써, 단입자막(F)을 무기막(12b)의 표면에 옮겨 취할 수 있다(도 5b).

또한, 이 도면에서는 피가공체(S)의 양단면에 단입자막(F)을 옮겨 취하는 상태를 나타내고 있지만, 요철 구조는 피가공체(S)의 일방의 단면(X)에만 형성하면 된다. 피가공체(S)의 일방의 단면(X)과 반대측의 면(이면)을 두꺼운 판으로 차폐함으로써, 단면(X)측으로부터 이면에 대한 입자(M)의 유입을 방지한 상태로 단면(X)에만 단입자막(F)을 옮겨 취하면, 보다 정밀하게 단입자막(F)을 옮겨 취할 수 있으므로 바람직하다. 하지만, 양면에 옮겨 취해도 전혀 지장없다.

여기서 단입자막(F)은 단입자막 형성 공정에 의해 액면 상에서 이미 단층 상태로 형성되어 있기 때문에, 이행 공정의 온도 조건(하층수의 온도)이나 피가공체의 끌어 올리는 속도 등이 다소 변동되어도 이행 공정에 있어서 단입자막(F)이 붕괴되어 다층화되는 등의 우려는 없다. 또한, 하층수의 온도는 통상, 계절이나 날씨에 따라 변동하는 환경 온도에 의존하고, 거의 10℃∼30℃ 정도이다.

또한, 이 때, 수조(V)로서 단입자막(F)의 표면압을 계측하는 도시를 생략한 윌헬미 플레이트 등을 원리로 하는 표면 압력 센서와, 단입자막(F)을 액면을 따른 방향으로 압축하는 도시를 생략한 가동 배리어를 구비하는 LB 트러프 장치를 사용하면, 보다 대면적의 단입자막(F)을 보다 안정적으로 무기막(12b)에 옮겨 취할 수 있다. 이러한 장치에 의하면, 단입자막(F)의 표면압을 계측하면서, 단입자막(F)을 바람직한 확산압(밀도)으로 압축할 수 있고, 또한, 무기막(12b) 쪽을 향하여 일정한 속도로 이동시킬 수 있다. 이 때문에, 단입자막(F)의 액면으로부터 무기막(12b)에 대한 이행이 원활히 진행되어, 소면적의 단입자막(F) 밖에 무기막(12b)으로 이행할 수 없는 등의 트러블이 생기기 어렵다. 바람직한 확산압은 5mNm^-1∼80mNm^-1이며, 보다 바람직하게는 10mNm^-1∼40mNm^-1이다. 이러한 확산압이면, 각 입자가 보다 고정밀도로 2차원으로 최밀 충전된 단입자막(F)이 얻어지기 쉽다. 또한, 피가공체(S)를 끌어 올리는 속도는 0.5mm/분∼20㎜/분이 바람직하다. 하층수(W)의 온도는 상술한 바와 같이 통상 10℃∼30℃이다. 또한, LB 트러프 장치는 시판품으로서 입수할 수 있다.

이와 같이, 각 입자가 가능한 한 고정밀도로 2차원으로 최밀 충전된 단입자막(F) 상태로 무기막(12b)에 옮겨 취하는 것이 바람직하지만, 아무리 신중하게 작업을 행해도 100％ 완전한 최밀 충전은 이루어지지 않고, 무기막(12b)에 옮겨 취해진 입자는 다결정 상태가 된다. 여기서 다결정 상태란, 입자(M)의 격자 방위가 각 구역(C₁₁∼C_1n) 내에서는 구비되어 있지만, 거시적으로는 구비되어 있지 않은 상태를 의미한다. 이로써, 후술하는 각 공정을 거쳐, 최종적으로는, 인접하는 7개의 볼록부의 중심점이 정육각형의 6개의 정점과 대각선의 교점이 되는 위치 관계로 연속하여 정렬되어 있는 구역을 복수 구비하는 요철 구조를 무기막(12b) 상에 형성하는 것이 가능해진다.

(고정 공정)

이행 공정에 의해, 무기막(12b)에 입자(M)의 단입자막(F)을 이행시킬 수 있지만, 이행 공정 후에는 이행한 단입자막(F)을 무기막(12b)에 고정하기 위한 고정 공정을 행해도 된다. 이행 공정만으로는, 에칭 공정 중에 입자(M)가 무기막(12b) 상을 이동할 가능성이 있다. 단입자막을 무기막(12b)에 고정하는 고정 공정을 행함으로써, 입자(M)가 무기막(12b) 상을 이동할 가능성이 억제되어, 보다 안정적이며 또한 고정밀도로 에칭할 수 있다.

고정 공정의 방법으로는, 바인더를 사용하는 방법이나 소결법이 있다.

바인더를 사용하는 방법에서는 단입자막이 형성된 무기막(12b)에 바인더 용액을 공급하여 단입자막을 구성하는 입자(M)와 무기막(12b) 사이에 이것을 침투시킨다.

바인더의 사용량은 단입자막의 질량의 0.001∼0.02배가 바람직하다. 이러한 범위이면, 바인더가 지나치게 많아 입자(M) 간에 바인더가 가득 차, 단입자막의 정밀도에 악영향을 준다는 문제를 발생시키지 않고, 충분히 입자를 고정시킬 수 있다. 바인더 용액을 많이 공급한 경우에는 바인더 용액이 침투한 후에, 스핀 코터를 사용하거나 피가공체를 기울여, 바인더 용액의 잉여분을 제거하면 된다.

바인더로는, 먼저 소수화제로서 예시한 금속 알콕시실란이나 일반 유기 바인더, 무기 바인더 등을 사용할 수 있고, 바인더 용액이 침투한 후에는 바인더의 종류에 따라, 적절히 가열 처리를 행하면 된다. 금속 알콕시실란을 바인더로서 사용하는 경우에는 40℃∼80℃에서 3분간∼60분간의 조건으로 가열 처리하는 것이 바람직하다.

소결법을 채용하는 경우에는 단입자막이 형성된 무기막을 가열하여, 단입자막을 구성하고 있는 각 입자(M)를 무기막에 융착시키면 된다. 가열 온도는 입자(M)의 재질과 무기막의 재질에 따라 결정하면 되지만, 입경이 1000㎚ 이하인 입자(M)는 그 물질 본래의 융점보다 낮은 온도에서 계면 반응을 개시하기 때문에, 비교적 저온측에서 소결은 완료된다. 가열 온도가 지나치게 높으면, 입자의 융착 면적이 커지고, 그 결과, 단입자막의 형상이 변화하는 등, 정밀도에 영향을 줄 가능성이 있다.

또한, 가열을 공기 중에서 행하면, 무기막이나 각 입자(M)가 산화할 가능성이 있기 때문에, 소결법을 채용하는 경우는 이러한 산화의 가능성을 고려하여, 조건을 설정하는 것이 바람직하다.

[에칭 공정]

에칭 공정은 복수의 입자(M)를 에칭 마스크로서 무기막을 드라이 에칭하는 공정이다.

에칭 공정에서는 우선, 도 6a에 나타내는 바와 같이, 단입자막(F)을 구성하고 있는 각 입자(M)의 간극을 에칭 가스가 빠져 나가 무기막(12b)의 표면에 도달하고, 그 부분에 홈이 형성되고, 각 입자(M)에 대응하는 위치에 각각 원기둥(12c)이 나타난다. 계속하여 에칭을 행하면, 각 원기둥(12c) 상의 입자(M)도 서서히 에칭 되어 작아지고, 동시에, 무기막(12b)의 홈도 더욱 깊어진다(도 6b). 그리고, 최종적으로는 각 입자(M)는 에칭에 의해 소실되고, 무기막(12b)의 한쪽 면에 다수의 원추형의 볼록부(E_n)가 형성된다(도 6c).

드라이 에칭에 사용하는 에칭 가스로는, 예를 들면, Ar, SF₆, F₂, CF₄, C₄F₈, C₅F₈, C₂F₆, C₃F₆, C₄F₆, CHF₃, CH₂F₂, CH₃F, C₃F₈, Cl₂, CCl₄, SiCl₄, BCl₂, BCl₃, BC₂, Br₂, Br₃, HBr, CBrF₃, HCl, CH₄, NH₃, O₂, H₂, N₂, CO, CO₂ 등을 들 수 있고, 단입자막 마스크를 구성하는 입자나 무기막의 재질 등에 따라, 이들 중 1종 이상을 사용할 수 있다.

드라이 에칭을 행하는 에칭 장치로는, 반응성 이온 에칭 장치, 이온 빔 에칭 장치 등의 이방성 에칭이 가능한 것이 사용된다. 에칭 장치는 최소로 20W 정도의 바이어스 전장을 발생시킬 수 있으면, 플라스마 발생의 방식, 전극의 구조, 챔버의 구조, 고주파 전원의 주파수 등의 사양에는 특별히 제한은 없다.

에칭 조건은 얻고자 하는 요철의 어스펙트비에 따라 적절히 선택하면 된다.에칭 조건으로는, 바이어스 파워, 안테나 파워, 가스의 유량과 압력, 에칭 시간 등을 들 수 있다.

이렇게 하여 얻어진 미세한 요철에 대해, 상기 서술한 단입자막 에칭 마스크에 있어서의 입자간의 평균 피치 B를 구하는 방법과 동일하게 하여, 그 요철의 배열의 평균 피치 C를 구하면, 이 평균 피치 C는 사용한 단입자막 에칭 마스크의 평균 피치 B와 거의 동일한 값이 된다. 또한, 배열의 평균 피치 C는 요철의 바닥면의 직경 d의 평균값에 상당한다. 또한, 이 미세한 요철에 대해, 하기 식(2)로 정의되는 배열 편차 D'(％)를 구하면, 그 값도 10％ 이하가 된다.

D'[％]＝｜C-A｜×100/A···(2)

단, 식(2) 중, A는 사용한 단입자막 에칭 마스크를 구성하는 입자의 평균 입경이다.

(작용 효과)

상기 제막 공정과, 입자 배열 공정과, 에칭 공정을 갖는 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법에 의하면, 복수의 구역의 면적, 형상 및 결정 방위가 랜덤인 요철이 형성된 금형을 제조할 수 있다.

또한, 상기 제조 방법은 전기 주조에 의해 요철을 전사시키는 방법이 아니고, 모재의 표면에 형성한 무기막에 요철을 직접 형성하는 방법이기 때문에, 금형의 제조를 간략화할 수 있다. 또한, 상기 제조 방법에 의하면, 사출 성형의 금형 표면에도 미세한 요철을 형성할 수 있고, 양면에 요철이 형성된 판 형상의 광학 소자를 제조하는 것도 가능하다.

＜광학 소자의 제조 방법＞

상기 금형을 사용한 광학 소자의 제조 방법으로는, 나노 임프린트법, 프레스 성형법, 사출 성형법, 전기 주조법 등을 적용할 수 있다. 이들 방법을 적용하면, 고정밀도로 주기 격자 구조가 형성되어 시야각 제한 기능의 발현에 바람직한 형상 전사체(복제품)를 양호한 재현성으로 대량으로 생산할 수 있다.

상기 광학 소자의 제조 방법 중에서도, 미세한 요철의 전사에 특별히 적합한 점에서, 나노 임프린트법, 사출 성형법이 바람직하다.

상기 실시형태의 금형을 사용한 나노 임프린트법에 의해 광학 소자를 제작하는 구체적인 방법으로는, 예를 들면, 하기 (a)∼(c)의 방법을 들 수 있다.

(a) 금형(10)의 요철면(12a)에 미경화 활성 에너지선 경화성 수지를 도포하는 공정과, 활성 에너지선을 조사하여 상기 경화성 수지를 경화시킨 후, 경화한 도막을 금형(10)으로부터 박리하는 공정을 갖는 방법(광 임프린트법). 여기서, 활성 에너지선이란, 통상, 자외선 또는 전자선이지만, 본 명세서에 있어서는, 가시광선, X선, 이온선 등도 포함하는 것으로 한다.

(b) 금형(10)의 요철면(12a)에 미경화 액상 열경화성 수지, 또는 미경화 액상 무기 재료를 도포하는 공정과, 가열하여 상기 액상 열경화성 수지 또는 액상 무기 재료를 경화시킨 후, 경화한 도막을 금형(10)으로부터 박리하는 공정을 갖는 방법.

(c) 금형(10)의 요철면(12a)에, 시트상의 열가소성 수지를 접촉시키는 공정과, 당해 시트상의 열가소성 수지를 요철면(12a)에 가압하면서 가열하여 연화시킨 후, 냉각하는 공정과, 그 냉각한 시트상의 열가소성 수지를 금형(10)으로부터 박리 하는 공정을 갖는 방법(열 임프린트법).

(a)의 광 임프린트법에서는 예를 들면, 금형을 광 경화성 수지에 가압하기 위한 프레스 수단과, 광 경화성 수지에 활성 에너지선을 조사하는 조사 수단을 구비하는 광 임프린트 장치를 사용할 수 있다.

(a) 방법의 구체예에 대해 설명한다. 우선 시트상의 금형(10)의 요철면(12a)에 미경화 액상 활성 에너지선 경화성 수지를 두께 0.5㎛∼20㎛, 바람직하게는 1.0㎛∼10㎛ 도포한다.

이어서, 당해 경화성 수지를 도포한 금형(10)을 한 쌍의 롤 사이에 통과시킴으로써 가압하여, 상기 경화성 수지를 금형(10)의 요철 내부에 충전한다. 그 후, 활성 에너지선 조사 장치에 의해 활성 에너지선을 10mJ∼5000mJ, 바람직하게는 100mJ∼2000mJ 조사하여, 경화성 수지를 가교 및/또는 경화시킨다. 그리고, 경화 후의 활성 에너지선 경화성 수지를 금형(10)으로부터 박리시킴으로써, 광학 소자를 제조할 수 있다.

(a) 방법에 있어서, 금형(10)의 요철면(12a)에는 이형성을 부여할 목적으로 미경화 활성 에너지선 경화성 수지 도포 전에, 실리콘 수지, 불소 수지 등으로 이루어지는 층을 1㎚∼10㎚ 정도의 두께로 형성해도 된다.

미경화 활성 에너지선 경화성 수지로는, 에폭시아크릴레이트, 에폭시화유 아크릴레이트, 우레탄아크릴레이트, 불포화 폴리에스테르, 폴리에스테르아크릴레이트, 폴리에테르아크릴레이트, 비닐/아크릴레이트, 폴리엔/아크릴레이트, 실리콘 아크릴레이트, 폴리부타디엔, 폴리스티릴메틸메타크릴레이트 등의 프레폴리머, 지방족 아크릴레이트, 지환식 아크릴레이트, 방향족 아크릴레이트, 수산기 함유 아크릴레이트, 알릴기 함유 아크릴레이트, 글리시딜기 함유 아크릴레이트, 카르복시기 함유 아크릴레이트, 할로겐 함유 아크릴레이트 등의 모노머 중에서 선택되는 1종류 이상의 성분을 함유하는 것을 들 수 있다. 미경화 활성 에너지선 경화성 수지는 초산에틸이나 메틸에틸케톤, 톨루엔 등의 용매 등으로 적절히 희석하여 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 미경화 활성 에너지선 경화성 수지에는 불소 수지, 실리콘 수지 등을 첨가해도 된다.

미경화 활성 에너지선 경화성 수지를 자외선에 의해 경화하는 경우에는 미경화 활성 에너지선 경화성 수지에 아세토페논류, 벤조페논류 등의 광중합 개시제를 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, 미경화 활성 에너지선 경화성 수지에는 경화 후의 경도를 상승시킬 목적으로, 다관능 (메타)아크릴레이트 모노머 및 올리고머의 적어도 일방을 사용해도 된다. 또한, 반응성 무기 산화물 입자 및/또는 반응성 유기 입자를 함유해도 된다.

미경화 액상 활성 에너지선 경화성 수지를 도포한 후에는 수지, 유리 등으로 이루어지는 첩합 기재를 첩합시키고 나서 활성 에너지선을 조사해도 된다. 활성 에너지선의 조사는 첩합 기재, 금형(10)의 활성 에너지선 투과성을 갖는 어느 일방으로부터 행하면 된다.

경화 후의 활성 에너지선 경화성 수지의 시트의 두께는 0.1㎛∼100㎛로 하는 것이 바람직하다. 경화 후의 활성 에너지선 경화성 수지의 시트의 두께가 0.1㎛ 이상이면, 충분한 강도를 확보할 수 있고, 100㎛ 이상이면, 충분한 가요성을 확보할 수 있다.

(b) 방법에 있어서, 액상 열경화성 수지로는, 예를 들면, 미경화의 멜라민 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 액상 열경화성 수지의 특성에 따라 가열 조건을 적절히 정할 수 있고, 그 중에서도 에폭시 수지를 사용했을 경우, 가열 온도가 150℃∼200℃, 가열 시간이 3분∼10분인 것이 바람직하다. 또한, 액상 무기 재료로는, 예를 들면, 미경화의 산화 규소계 졸겔 재료, 폴리디메틸실록산, 폴리실세스퀴옥산 등을 들 수 있다. 액상 무기 재료의 특성에 따라 가열 조건을 적절히 정할 수 있고, 산화 규소계 졸겔 재료를 사용했을 경우, 가열 온도가 100℃∼500℃, 가열 시간이 20분∼60분인 것이 바람직하다. 또한, 폴리디메틸실록산을 사용했을 경우, 가열 온도가 100℃∼200℃, 가열 시간이 10분∼60분인 것이 바람직하다.

(c)의 열 임프린트법에서는, 예를 들면, 금형을 열가소성 수지에 가압하기 위한 프레스 수단과, 열가소성 수지의 온도를 제어하는 온도 제어 수단을 구비하는 열 임프린트 장치를 사용할 수 있다.

(c) 방법에 있어서, 열가소성 수지로는, 예를 들면, 아크릴 수지, 폴리올레핀, 폴리에스테르 등을 들 수 있다.

시트상의 열가소성 수지를 2차 공정용 성형물에 가압할 때의 압력은 1MPa∼100MPa인 것이 바람직하다. 가압시의 압력이 1MPa 이상이면, 요철을 높은 정밀도로 전사시킬 수 있고, 100MPa 이하이면, 과잉인 가압을 방지할 수 있다.

열가소성 수지의 특성에 따라 가열 조건을 적절히 정할 수 있고, 가열 온도가 120℃∼200℃, 가압 시간이 1분∼5분인 것이 바람직하다.

가열 후의 냉각 온도로는, 요철을 높은 정밀도로 전사시킬 수 있는 점에서, 열가소성 수지의 유리 전이 온도 미만인 것이 바람직하다.

(a)∼(c) 방법 중에서도, 가열을 생략할 수 있고, 간편한 점에서, 활성 에너지선 경화성 수지를 사용하는 (a) 방법이 바람직하다.

사출 성형법에 의해 광학 소자를 제작할 때, 캐비티를 형성하는 사출 성형용 금형의 일부에 상기 실시형태의 금형을 사용한다. 즉, 캐비티의 내면에 상기 금형을 배치한다.

구체적으로, 사출 성형법에 의한 광학 소자의 제작 방법에서는 우선, 사출 성형용 금형을 장착한 사출 성형기를 이용하여 열가소성 수지를 용융시킨다. 이어서, 그 용융시킨 열가소성 수지를 사출 성형용 금형의 캐비티 내에 고압으로 사출 유입시킨 후, 사출 성형용 금형을 냉각한다. 그리고, 사출 성형용 금형을 열고, 얻어진 광학 소자를 꺼낸다.

사출 성형법으로 성형하는 열가소성 수지로는, 상기 열 임프린트법에서 사용하는 열가소성 수지와 동일한 것을 사용할 수 있다.

상기 금형을 사용하여 제조할 수 있는 광학 소자로서 구체적으로는 광학 소자가 유기 EL이나 박막 디바이스에 사용하는 회절 격자나, 반사 방지체 등을 들 수 있다.

상기 서술한 방법으로 형성된 광학 소자가 회절 격자인 경우, 적어도 광이 외부로 사출하는 면에 금형(10)에 대응하는 요철을 갖는 광 사출면을 갖는다. 용도 로는 광학 소자가 회절 격자인 경우, 유기 EL 조명 등의 기판으로서 사용된다. 또한, 광학 소자가 반사 방지체인 경우, 광학 기기에 사용되는 렌즈나 화상 표시 장치의 전면판으로서 사용된다.

즉, 상기 서술한 방법으로 형성된 광학 소자의 광 사출면의 미세한 요철의 최빈 피치와 최빈 높이 및 형상은 광학 소자의 용도에 따라 결정된다. 광학 소자가 반사 방지체인 경우, 미세한 요철의 최빈 피치는 반사 방지체에 입사하는 광의 파장에 맞추어 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 파장이 400㎚∼750㎚ 정도인 가시광을 사용하는 경우, 50㎚ 이상 300㎚ 이하의 피치의 요철이 바람직하다. 또한, 미세한 요철의 피치가 50㎚ 이상 150㎚ 이하이면, 가시광 영역에서의 회절광을 감소시킬 수 있다. 파장 750㎚ 정도∼10000㎚ 이하의 적외 영역을 사용하는 경우, 500㎚ 이상 5000㎚ 이하의 최빈 피치의 요철이 바람직하다.

광학 소자의 용도에 따라 미세한 요철의 최적 어스펙트비는 결정된다. 예를 들면, 당해 금형에 의해 제조한 광학 소자를 유기 EL이나 박막 디바이스에 사용하는 회절 격자로서 사용하는 경우, 요철에 있어서의 볼록부(E_n)의 어스펙트비는 0.1∼1.0이 바람직하다. 예를 들면, 당해 금형에 의해 제조한 광학 소자를 반사 방지체로서 사용하는 경우, 요철에 있어서의 볼록부(E_n)의 어스펙트비는 0.5∼4.0 이상인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1.0∼3.0인 것이 바람직하다.

당해 금형에 의해 제조한 광학 소자를 유기 EL이나 박막 디바이스에 사용하는 회절 격자로서 사용하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 10㎚∼500㎚ 사이인 것이 바람직하고, 15㎚∼150㎚인 것이 더욱 바람직하다. 최빈 높이 H가 바람직한 범위 내이면, 유기 EL이나 박막 디바이스의 광 취출 효율이 향상된다는 효과가 얻어진다. 또한, 당해 금형에 의해 제조한 광학 소자를 가시광을 대상으로 하는 반사 방지체에 사용하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 25㎚∼1200㎚ 사이인 것이 바람직하고, 120㎚∼500㎚인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 당해 금형에 의해 제조한 광학 소자를 적외광을 대상으로 하는 반사 방지체에 사용하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 250㎚∼10000㎚ 사이인 것이 바람직하고, 750㎚∼10000㎚인 것이 더욱 바람직하다. 최빈 높이 H가 바람직한 범위 내이면, 반사 방지 성능이 향상된다는 효과가 얻어진다.

(작용 효과)

상기 광학 소자의 요철은 적당히 랜덤으로 되어 있다. 이 때문에, 회절광이 생기는 미세한 피치의 요철을 형성함에도 불구하고, 회절광의 지향성을 저하시킬 수 있어, 컬러 시프트를 억제할 수 있다.

또한, 광학 소자의 요철은 완전한 랜덤인 것이 아니고, 금형(10)의 각 구역(C₁∼C_n)에 대응하는 범위 내에서는 일정한 질서를 갖고 있다. 이 때문에, 광학 소자의 요철의 피치를 용이하게 조정할 수 있고, 목적으로 하는 광학적 기능을 용이하게 얻을 수 있다.

[제2 실시형태]

제1 실시형태에서는 모재(11)의 형상은 평면의 판상체였다. 본 실시형태에 있어서의 금형(20A)은 철곡면을 갖는 모재(21A)를 포함한다. 본 실시형태에 있어서의 금형(20B)은 요곡면을 갖는 모재(21B)를 포함한다. 이하, 도 9∼도 13을 참조하여, 본 실시형태를 상세하게 설명한다.

＜광학 소자 제작용 금형＞

본 실시형태의 금형(20A)은 도 9에 나타내는 바와 같이 표면(23A)이 철곡면을 갖는 모재(21A)와, 모재(21A)의 표면(23A)에 형성된 요철층(22A)을 구비한다.

본 실시형태의 금형(20B)은 도 10에 나타내는 바와 같이 표면(23B)이 요곡면을 갖는 모재(21B)와, 모재(21B)의 표면(23A)에 형성된 요철층(22B)을 구비한다.

(모재)

모재(21A 및 21B)의 재질로는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 제1 실시형태에 기재된 재료를 사용할 수 있다.

표면(23A)은 철곡면을 갖고 있다. 철곡면은 포물면이어도 되고, 구면이어도 된다. 표면(24A)에 수직인 방향에서 보았을 경우의 철곡면의 형상은 반드시 원일 필요는 없고, 원이 1축 또는 복수의 축을 따라 신장된 형상이어도 된다. 철곡면의 장축의 길이는 길이는 30㎜∼1300㎜이면 되고, 바람직하게는 200㎜∼500㎜이다. 장축을 따른 단면에 있어서의 곡률 반경은 30㎜∼3000㎜이면 되고, 바람직하게는 50㎜∼1000㎜이다.

표면(23A)의 형상은 예를 들면, 모재(21A)의 표면을 프레스법, 절삭 및 연마법 등의 방법에 의해 가공함으로써 얻을 수 있다.

표면(23A)과 반대에 위치하는 표면(24A)은 평탄면이어도 된다.

표면(23B)는 요곡면을 갖고 있다. 요곡면은 포물면이어도 되고, 구면이어도 된다. 표면(24B)에 수직인 방향에서 보았을 경우의 요곡면의 형상은 반드시 원일 필요는 없고, 원을 1축 또는 복수의 축을 따라 신장된 형상이어도 된다. 요곡면의 장축의 길이는 30㎜∼1300㎜이면 되고, 바람직하게는 200㎜∼500㎜이다. 장축을 따른 단면에 있어서의 곡률 반경은 30㎜∼3000㎜이면 되고, 바람직하게는 50㎜∼1000㎜이다.

표면(23B)과 반대로 위치하는 표면(24B)은 평탄면이어도 된다.

표면(23B)의 형상은 표면(23A)과 동일하게 프레스법, 절삭 및 연마법 등의 방법에 의해 모재(21B)의 표면을 가공함으로써 얻어진다.

(요철층)

요철층(22A)은 광학 소자의 재료와 접하는 면이 요철면(25A)으로 된 층이다. 요철층(22B)은 광학 소자의 재료와 접하는 면이 요철면(25B)으로 된 층이다. 요철층(22A 및 22B)은 철곡면 또는 요곡면을 갖는 표면(23A 또는 23B)에 형성되어 있다는 점을 제외하고는 제1 실시형태에 기재된 요철층(12)과 동일하다.

도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 철곡면 또는 요곡면을 갖는 표면(23A 또는 23B)의 곡률이 면적에 비해 상대적으로 큰 경우, 표면에 형성되는 요철면(25A 또는 25B)의 오목부 및 볼록부의 축방향은 표면(23A 또는 23B)의 법선 방향에 가까워진다.

반대로, 도 12 및 도 13에 나타내는 바와 같이, 철곡면 또는 요곡면을 갖는 표면(23A 또는 23B)의 곡률이 면적에 대해 상대적으로 작은 경우, 표면에 형성되는 요철면(25A 또는 25B)의 오목부 및 볼록부의 축방향은 표면(24A) 또는 표면(24B)(요철층(22A 또는 22B)이 표면(24A 또는 24B)와 접하는 면)에 수직인 방향에 가까워진다.

(작용 효과)

본 실시형태의 광학 소자 제작용 금형(20A 및 20B)은 후술하는 요철층(22A 및 22B)의 제작 방법에 의해 형성함으로써, 모재(21A 및 21B)와 같이 표면에 요철을 갖는 경우에 있어서도 요철의 피치를 용이하게 조정할 수 있어, 목적으로 하는 광학적 기능을 용이하게 얻을 수 있다. 이 때문에, 회절광이 생기는 미세한 피치의 요철을 형성함에도 불구하고, 회절광의 지향성을 저하시킬 수 있어, 컬러 시프트를 억제할 수 있다.

＜금형의 제조 방법＞

상기 금형(20A 및 20B)의 제조 방법의 일 실시형태에 대해 설명한다.

본 실시형태의 제조 방법은 제1 실시형태와 동일하게 제막 공정과, 입자 배열 공정과, 에칭 공정을 갖는다. 제1 실시형태와 동일한 공정에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 일례로서 금형(20A)을 제작하는 방법에 대해 설명한다.

(제막 공정)

제막 공정은 모재(21A)의 표면(23A)에 후에 요철층(22A)이 되는 무기막을 제막하는 공정이다.

제막 공정에 있어서의 무기막의 제막 방법으로는, 스퍼터링이나 진공 증착 등의 물리 기상 증착법(PVD법), 화학 기상 증착법(CVD법), 도금법(전해, 무전해) 중 어느 것이어도 되지만, 볼록면을 갖는 표면(23A)에 대한 제막성의 면에서 스퍼터링이 바람직하다.

성막 공정에 있어서의 그 밖의 조건에 대해서는 제1 실시형태와 동일하다.

(입자 배열 공정, 고정 공정)

입자 배열 공정 및 고정 공정에 대해서도, 제1 실시형태와 동일하다.

[에칭 공정]

에칭 공정은 복수의 입자(M)를 에칭 마스크로서 무기막을 드라이 에칭하는 공정이다. 에칭 공정의 구체적인 방법은 제1 실시형태와 동일하다.

에칭 공정에서는 우선, 도 11a에 나타내는 바와 같이, 단입자막(F)을 구성하고 있는 각 입자(M)의 간극을 에칭 가스가 빠져 나가 무기막(12b)의 표면에 도달하고, 그 부분에 홈이 형성되고, 각 입자(M)에 대응하는 위치에 각각 원기둥(12c)이 나타난다. 계속하여 에칭을 행하면, 각 원기둥(12c) 상의 입자(M)도 서서히 에칭 되어 작아지고, 동시에, 무기막(12b)의 홈도 더욱 깊어진다(도 11b). 그리고, 최종적으로는 각 입자(M)는 에칭에 의해 소실되고, 무기막(12b)의 한쪽 면에 다수의 원추형의 볼록부(E_n)가 형성된다(도 11c).

드라이 에칭에 사용하는 에칭 가스로는, 제1 실시형태와 동일한 것을 사용할 수 있다. 드라이 에칭을 행하는 에칭 장치 및 에칭 조건에 대해서도 제1 실시형태와 동일하다.

(작용 효과)

또한, 상기 제조 방법에서는 입자(M)를 에칭 마스크로서 사용하기 때문에, 모재(21A 및 21B)와 같이 표면에 요철을 갖는 경우에 있어서도, 에칭 마스크의 두께를 거의 일정하게 할 수 있다. 따라서, 요철층에 있어서의 요철의 피치를 목적으로 하는 값으로 조정할 수 있다.

＜광학 소자의 제작 방법＞

상기 금형을 사용한 광학 소자의 제조 방법으로는, 나노 임프린트법, 프레스 성형법, 사출 성형법, 전기 주조법 등을 적용할 수 있다. 이들 방법을 적용하면, 고정밀도로 주기 격자 구조가 형성되어 시야각 제한 기능의 발현에 바람직한 형상 전사체(복제품)를 양호한 재현성으로, 대량으로 생산할 수 있다.

상기 광학 소자의 제조 방법 중에서도, 미세한 요철의 전사에 특별히 적합한 면에서, 나노 임프린트법, 사출 성형법이 바람직하다.

상기 실시형태의 금형을 사용한 나노 임프린트법에 의해 광학 소자를 제작하는 구체적인 방법으로는, 제1 실시형태에 기재된 방법을 들 수 있다.

본 실시형태의 금형을 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈의 표면에 미세한 요철을 형성한 광학 소자를 제작하는 것이 가능하다.

즉, 상기 서술한 방법으로 형성된 광학 소자의 광 사출면의 미세한 요철의 최빈 피치와 최빈 높이 및 형상은 광학 소자의 용도에 따라 결정된다. 광학 소자가 반사 방지체인 경우, 미세한 요철의 최빈 피치는 사용하는 광의 파장에 맞추어 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 파장이 400㎚∼750㎚ 정도인 가시광을 사용하는 경우, 50㎚ 이상 300㎚ 이하의 피치의 요철이 바람직하다. 또한, 미세한 요철의 피치가 50㎚ 이상 150㎚ 이하이면, 가시광 영역에서의 회절광을 감소시킬 수 있다. 파장 750㎚ 정도∼10000㎚ 이하의 적외 영역을 사용하는 경우, 500㎚ 이상 5000㎚ 이하의 최빈 피치의 요철이 바람직하다.

광학 소자의 용도에 따라 미세한 요철의 최적 어스펙트비는 결정된다. 예를 들면, 당해 금형에 의해 유기 EL이나 박막 디바이스에 사용하는 회절 격자를 제조하는 경우, 요철에 있어서의 볼록부(E_n)의 어스펙트비는 0.1∼1.0이 바람직하다. 예를 들면, 당해 금형에 의해 반사 방지체를 제조하는 경우, 요철에 있어서의 볼록부(E_n)의 어스펙트비는 0.5∼4.0인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1.0∼3.0인 것이 바람직하다.

당해 금형에 의해 유기 EL이나 박막 디바이스에 사용하는 회절 격자를 제조하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 10㎚∼500㎚ 사이인 것이 바람직하고, 15㎚∼150㎚인 것이 더욱 바람직하다. 최빈 높이 H가 바람직한 범위 내이면, 유기 EL이나 박막 디바이스의 광 취출 효율이 향상된다는 효과가 얻어진다. 또한, 당해 금형에 의해 가시광을 대상으로 하는 반사 방지체를 제조하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 25㎚∼1200㎚ 사이인 것이 바람직하고, 120㎚∼500㎚인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 당해 금형에 의해 적외광을 대상으로 하는 반사 방지체를 제조하는 경우, 볼록부의 최빈 높이 H는 250㎚∼10000㎚ 사이인 것이 바람직하고, 750㎚∼10000㎚인 것이 더욱 바람직하다. 최빈 높이 H가 바람직한 범위 내이면, 반사 방지 성능이 향상된다는 효과를 얻을 수 있다.

(작용 효과)

또한, 광학 소자의 요철은 완전한 랜덤인 것이 아니고, 금형(20A 및 20B)의 각 구역(C₁∼C_n)에 대응하는 범위 내에서는 일정한 질서를 갖고 있다. 이 때문에, 광학 소자의 요철의 피치를 용이하게 조정할 수 있어, 목적으로 하는 광학적 기능을 용이하게 얻을 수 있다.

또한, 본 실시형태의 금형을 사용함으로써, 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈의 표면에 미세한 요철을 형성한 광학 소자를 제작하는 것이 가능하다.

＜다른 실시형태＞

또한, 본 발명의 금형은 상기 제 1 및 제2 실시형태에 한정되지 않는다.

예를 들면, 모재의 형상은 특별히 제한되지 않고, 원주체여도 된다. 또한, 제2 실시형태에서는 모재(21A)의 일방의 표면(23A)만이 철곡면을 갖는 예에 대해 설명했지만, 양쪽의 표면이 철곡면을 갖고 있어도 된다. 제2 실시형태에서는 모재(21B)의 일방의 표면(23B)만이 요곡면을 갖는 예에 대해 설명했지만, 양쪽 표면이 요곡면을 갖고 있어도 된다.

또한, 제2 실시형태에서는 모재(21A)가 하나의 철곡면을 갖는 예에 대해 설명했지만, 모재(21A)가 2 이상의 철곡면을 갖고 있어도 된다. 동일하게 제2 실시형태에서는 모재(21B)가 하나의 요곡면을 갖는 예에 대해 설명했지만, 모재(21B)가 2 이상의 요곡면을 갖고 있어도 된다.

또한, 제2 실시형태에 있어서의 미세한 요철을 갖는 금형 자체를 반사 방지체나 회절 격자 등의 광학 소자로서 사용하는 것도 가능하다. 제2 실시형태에서는 모재(21A)의 일방의 표면(23A)에만 철곡면을 갖는 예에 대해 설명했지만, 금형 자체를 반사 방지체나 회절 격자 등의 광학 소자로서 사용하는 경우는 양쪽 표면이 철곡면을 갖고 있어도 된다. 동일하게, 제2 실시형태에서는 모재(21B)의 양쪽 표면이 요곡면을 갖고 있어도 된다.

이상의 본 발명에 있어서, 본 발명의 금형을 사용하여 광학 소자의 제조를 행했을 때에, 미세한 요철면이 경시적으로 열화된다.

본 발명의 금형은 모재 상에 형성된 요철층을 갖는 구조이기 때문에, 드라이 에칭에 의해 경시 열화된 요철층을 제거하고, 새롭게 요철층을 각 실시형태와 동일 조건으로 가공하여 제작함으로써, 모재를 재이용하여 동일한 금형을 재제작하는 것이 가능하다.

이와 같이 모재를 재이용하는 경우는 모재와 요철층의 에칭 레이트의 비율이 100∼10000, 바람직하게는 1000∼10000인 것이 바람직하다.

실시예

[실시예 1]

평균 입경이 400.7㎚이고, 입경의 변동 계수가 3.3％인 구형 콜로이달 실리카의 13.4질량％ 수분산액(분산액)을 준비하였다. 또한, 평균 입경 및 입경의 변동 계수는 Malvern Instruments Ltd사 제조 Zetasizer Nano-ZS에 의한 입자 동적 광산란법으로 구한 입도 분포를 가우스 곡선에 피팅시켜 얻어지는 피크로부터 구하였다.

이어서, 이 분산액을 구멍 직경 1.2㎛의 멤브레인 필터로 여과한 후, 멤브레인 필터를 통과한 분산액에 농도 0.8질량％의 헥실트리메톡시실란의 가수분해물 수용액을 첨가하고, 약 40℃에서 4시간 30분 반응시켰다. 이 때, 페닐트리에톡시실란의 질량이 콜로이달 실리카 입자의 질량의 0.02배가 되도록 분산액과 가수분해 수용액을 혼합하였다.

이어서, 반응 종료 후의 분산액에, 이 분산액의 체적의 4배 체적의 메틸이소부틸케톤을 첨가하고 충분히 교반하여, 소수화된 콜로이달 실리카를 유상 추출하였다.

모재로서 스테인리스 판(양면 경면 연마)을 준비하고, 모재 표면에 W를 스퍼터링하고, 무기막을 제막하여, 피가공체를 얻었다.

유층 추출한 소수화 콜로이달 실리카 분산액을 단입자막의 표면압을 계측하는 표면 압력 센서와, 단입자막을 액면을 따른 방향으로 압축하는 가동 배리어를 구비한 수조(LB 트러프 장치) 중의 액면(하층수로서 물을 사용, 수온 25℃)에 적하 속도 0.01㎖/초로 적하하였다. 또한, 수조의 하층수에는 미리 피가공체를 대략 연직 방향으로 침지해 두었다.

그 후, 초음파(출력 50W, 주파수 1500kHz)를 하층수 중에서 수면을 향하여 10분간 조사하고 입자가 2차원적으로 최밀 충전하는 것을 촉진하면서, 분산액의 용제인 메틸이소부틸케톤을 휘발시켜, 수면에 단입자막을 형성시켰다.

이어서, 이 단입자막을 가동 배리어에 의해 확산압이 30mNm^-1이 될 때까지 압축하고, 침지해 둔 피가공체를 5㎜/분의 속도로 끌어 올려, 피가공체의 무기막면 상에 단입자막을 옮겨 취하였다.

이어서, 단입자막이 형성된 피가공체에 바인더로서 1질량％ 모노메틸트리메톡시실란의 가수분해액을 침투시키고, 그 후, 가수분해액의 잉여분을 스핀 코터(3000rpm)로 1분간 처리하여 제거하였다. 그 후, 이것을 100℃에서 10분간 가열하여 바인더를 반응시키고, 콜로이달 실리카로 이루어지는 단입자막 에칭 마스크 첨부의 피가공체를 얻었다.

상기 단입자막 에칭 마스크에 대해, 10㎛×10㎛의 영역을 무작위로 1지점 선택하고, 그 부분의 원자간력 현미경 이미지를 얻고, 이어서, 이 이미지를 푸리에 변환에 의해 파형 분리하여, FFT상을 얻었다. 이어서, FFT상의 프로파일에 있어서의 0차 피크로부터 1차 피크까지의 거리를 구하고, 다시 그 역수를 구하였다. 이 역수가 이 영역에 있어서의 입자 간의 최빈 피치 B₁이다.

이러한 처리를 합계 25지점의 10㎛×10㎛의 영역에 대해 동일하게 행하고, 각 영역에 있어서의 최빈 피치 B₁∼B₂₅를 구하여 이들 평균값을 산출하고, 식(1)에 있어서의 최빈 피치 B로 하였다. 또한, 이 때, 서로 이웃하는 각 영역끼리가 5㎜ 정도 떨어지도록 각 영역을 설정하였다. 산출된 최빈 피치 B는 412.3㎚였다.

여기서, 입자의 평균 입경 A＝400.7㎚와, 최빈 피치 B＝412.3㎚를 식(1)에 대입한 결과, 이 예의 단입자막 에칭 마스크에 있어서의 입자의 배열 편차 D는 2.9％였다.

이어서, 단입자막 에칭 마스크 첨부의 피가공체에 대해, SF₆:BCl₃＝25:75∼75:25의 혼합 가스에 의해 기상 에칭을 행하여 미세한 요철을 형성하였다. 에칭 조건은 안테나 파워 1500W, 바이어스 파워 1500∼2000W, 가스 유량 30∼50sccm으로 하였다.

에칭 후, 원자간력 현미경 이미지로부터 실측한 미세한 요철의 평균 높이 h는 887.4㎚이고, 단입자막 에칭 마스크에 대해 실시한 방법과 동일한 방법으로 구한 미세한 요철의 배열의 평균 피치 C(원형 바닥면의 평균 직경 d)는 410.8㎚이며, 이들로부터 산출되는 어스펙트비는 2.16이었다. 이 미세한 요철에 대해, 식(2)에 의한 미세한 요철의 배열 편차 D'를 구한 결과, 2.46％였다.

이와 같이 하여 제작된 미세한 요철이 형성된 금형을 미세한 요철면이 노출되도록 30㎜×30㎜의 스테인리스 판(양면 경면 연마)의 중앙에 첩부하였다. 스테인리스 판에 첩부한 금형을 픽업용 필름(테토론 필름, 두께 50㎛, 테이진 제조)에 도포한 자외선 경화 수지(PAK-01CL, 도요 합성 공업 제조)에 대해 2.4MPa의 압력으로 가압하면서 2.0J의 자외선으로 노광하여 자외선 경화 수지를 경화시켰다. 다음으로, 경화 한 수지를 완만하게 몰드로부터, 이어서 픽업용 필름으로부터 박리하고, 두께 약 1.0㎜의 나노 임프린트품의 광학 소자를 취출하였다. 이 광학 소자의 요철 구조면과 반대측의 면은 평탄하였다.

회절광의 면내 이방성을 확인하기 위해, 제작한 광학 소자의 요철 형상을 갖는 면에 대해 수직으로 점광원으로부터의 레이저광을 입사시키고, 구조면으로부터 출사하는 회절광을 스크린 상에 투영시켰다. 광학 소자에 입사한 광은 회절 격자의 결정축 방향(결정 내에서 설정되는 좌표축. 삼각 격자이기 때문에, a축과 b축이 형성하는 각도가 60°이다)에 의존하여 회절한다. 본 실시예에서는 삼각 격자를 포함한 구역의 결정축 방향이 랜덤으로 배열하는 구조를 갖기 때문에, 스크린 상에는 도 7에 나타내는 바와 같이, 레이저광의 회절각(Z축 방향)은 일정하지만, X, Y방향은 등방적으로 결정 배향되어 있는 것을 나타내는 링형상의 명선이 투영되었다. 이로써, 본 실시예에 의한 방법에서는 회절광의 지향성이 거의 없는 것이 확인되었다.

[실시예 2]

평균 입경이 120.2㎚이고, 입경의 변동 계수가 6.5％인 구형 콜로이달 실리카의 7.2질량％ 수분산액(분산액)을 준비하였다. 또한, 평균 입경 및 입경의 변동 계수는 Malvern Instruments Ltd사 제조 Zetasizer Nano-ZS에 의한 입자 동적 광산란법으로 구한 입도 분포를 가우스 곡선에 피팅시켜 얻어지는 피크로부터 구하였다.

이어서, 이 분산액을 구멍 직경 0.45㎛의 멤브레인 필터로 여과한 후, 멤브레인 필터를 통과한 분산액에 농도 0.8질량％의 헥실트리메톡시실란의 가수분해물 수용액을 첨가하고, 약 40℃에서 2시간 반응시켰다. 이 때, 페닐트리에톡시실란의 질량이 콜로이달 실리카 입자의 질량의 0.02배가 되도록 분산액과 가수분해 수용액을 혼합하였다.

이어서, 반응 종료 후의 분산액에 이 분산액의 체적의 4배 체적의 메틸이소부틸케톤을 첨가하고 충분히 교반하여, 소수화된 콜로이달 실리카를 유상 추출하였다.

모재로서 곡률 반경 45㎜, 직경 30㎜의 오목면 구가공된 스테인리스 판(양면 경면 연마)을 준비하고, 모재 표면에 Cr을 1.0㎛ 두께로 스퍼터링하고 무기막으로 하여, 피가공체를 얻었다.

그 후, 초음파(출력 50W, 주파수 1500kHz)를 하층수 중에서 수면을 향하여 10분간 조사하여 입자가 2차원적으로 최밀 충전하는 것을 촉진하면서, 분산액의 용제인 메틸이소부틸케톤을 휘발시켜, 수면에 단입자막을 형성시켰다.

이어서, 이 단입자막을 가동 배리어에 의해 확산압이 30mNm^-1 이 될 때까지 압축하고, 침지해 둔 피가공체를 5㎜/분의 속도로 끌어 올려 피가공체의 무기막면상에 단입자막을 옮겨 취하였다.

이어서, 단입자막이 형성된 피가공체에 바인더로서 1질량％ 모노메틸트리메톡시실란의 가수분해액을 침투시키고, 그 후, 가수분해액의 잉여분을 스핀 코터(3000rpm)로 1분간 처리하여 제거하였다. 그 후, 이것을 100℃에서 10분간 가열하고 바인더를 반응시켜, 콜로이달 실리카로 이루어지는 단입자막 에칭 마스크 첨부의 피가공체를 얻었다.

상기 단입자막 에칭 마스크에 대해, 10㎛×10㎛의 영역을 무작위로 1지점 선택하고, 그 부분의 원자간력 현미경 이미지를 얻고, 이어서, 이 이미지를 푸리에 변환에 의해 파형 분리하여, FFT상을 얻었다. 이어서, FFT상의 프로파일에 있어서의 0차 피크로부터 1차 피크까지의 거리를 구하고 다시 그 역수를 구하였다. 이 역수가 이 영역에 있어서의 입자간의 최빈 피치 B₁이다.

이러한 처리를 합계 25지점의 10㎛×10㎛의 영역에 대해 동일하게 행하여, 각 영역에 있어서의 최빈 피치 B₁∼B₂₅를 구하고, 이들 평균값을 산출하고, 식(1)에 있어서의 최빈 피치 B로 하였다. 또한, 이 때, 서로 이웃하는 각 영역끼리가 5㎜ 정도 떨어지도록 각 영역을 설정하였다. 산출된 최빈 피치 B는 121.8㎚였다.

여기서, 입자의 평균 입경 A＝120.2㎚와, 최빈 피치 B＝121.8㎚를 식(1)에 대입한 결과, 이 예의 단입자막 에칭 마스크에 있어서의 입자의 배열 편차 D는 1.3％였다.

이어서, 단입자막 에칭 마스크가 형성된 피가공체에 대해, Cl₂:O₂:CHF₃＝15:5:1∼25:15:10의 혼합 가스에 의해 기상 에칭을 행하여 미세한 요철을 형성하였다. 에칭 조건은 안테나 파워 1500W, 바이어스 파워 200∼800W, 가스 유량 30∼50sccm로 하였다.

에칭 후, 원자간력 현미경 이미지로부터 실측한 미세한 요철의 평균 높이 h는 330.4㎚이고, 단입자막 에칭 마스크에 대해 실시한 방법과 동일한 방법으로 구한 미세한 요철의 배열의 평균 피치 C(원형 바닥면의 평균 직경 d)는 118.8㎚이며, 이들로부터 산출되는 어스펙트비는 2.78이었다. 이 미세한 요철에 대해, 식(2)에 의한 미세한 요철의 배열 편차 D'를 구한 결과, 1.16％였다.

이와 같이 하여 제작된 미세한 요철이 형성된 오목부가 형성된 금형을 렌즈 본체부용 금형을 조합하고, 렌즈의 몰드를 갖는 공극을 형성한다. 그리고, 이 금형을 사출 성형기에 장착하고, 이 공극 내에 고온에서 유동성을 갖는 아크릴 수지(PMMA)를 주입하고, 그 후 냉각한다. 이어서, 성형품인 미세 구조체가 형성된 렌즈를 취출하였다. 이 미세 구조체가 형성된 렌즈의 요철 구조면과 반대측의 면은 평탄하였다.

광학 소자의 반사 방지 성능을 확인하기 위해, 수직 입사 반사율을 Ocean Optics사 제조 USB2000로 측정한 결과, 가시광 표면 반사율은 0.3％ 정도로 파장 의존성도 없는 것이 확인되었다.

[비교예 1]

간섭 노광법에 의해 실리콘판(두께 0.3㎜, 사이즈 30×30㎜)에 피치 460㎚, 높이 200㎚, 삼각 격자 배열의 미세한 요철을 형성하여 금형을 얻었다. 이어서, 스테인리스 판에 첩부한 금형을 픽업용 필름(테토론 필름, 두께 50㎛, 테이진 제조)에 도포한 자외선 경화 수지(PAK-01CL, 도요 합성 공업 제조)에 대해 2.4MPa의 압력으로 가압하면서 2.0J의 자외선으로 노광하여 자외선 경화 수지를 경화시켰다. 다음으로, 경화한 수지를 완만하게 몰드로부터, 이어서 픽업용 필름으로부터 박리 하여, 두께 약 1.0㎜의 나노 임프린트품의 광학 소자를 취출하였다.

실시예 1과 동일하게 점광원으로부터의 레이저광을, 요철 형상을 갖는 면에 대해서 수직으로 입사시키고, 회절광이 어떻게 스크린에 나타나는지 조사하였다. 간섭 노광법으로 단결정성의 미세한 요철을 형성한 비교예에서는 광학 소자에 입사 한 광은 회절하여, 스크린 상에 도 8에 나타내는 바와 같은 삼각 격자에 의존한 정육각형의 정점에 대응하는 명점이 나타났다. 이로써, 간섭 노광법으로 제작한 미세한 요철은 회절광의 지향성이 높은 것이 확인되었다.

[비교예 2]

모재로서 곡률 반경 45㎜, 직경 30㎜의 오목면 구가공된 스테인리스 판(양면 경면 연마)을 준비하고, 에칭층을 형성하지 않는 것 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 입자 마스크법에 의한 미세 가공을 행하여, 미세한 요철의 평균 높이 h는 18.6㎚이고, 미세한 요철의 배열의 평균 피치 C(원형 바닥면의 평균 직경 d)는 115.7㎚이며, 이들로부터 산출되는 어스펙트비가 0.16인 미세 구조체가 형성된 렌즈를 얻었다. 광학 소자의 반사 방지 성능을 확인한 결과, 가시광 표면 반사율은 5.2％정도였다.

10: 금형
11: 모재
12: 요철층
12a: 요철면
12b: 무기막
12c: 원기둥
M: 입자
S: 피가공체
V: 수조
W: 하층수
X: 단면

Claims

모재와, 상기 모재의 표면 상에 형성되고, 요철 구조를 갖는 요철층을 구비하고,
상기 요철 구조는 인접하는 7개의 볼록부의 중심점이 정육각형의 6개의 정점과 대각선의 교점이 되는 위치 관계로 연속하여 정렬되어 있는 구역을 복수 구비하고, 상기 복수의 구역의 면적, 형상 및 결정 방위가 랜덤인 광학 소자 제작용 금형.
제 1 항에 있어서,
상기 요철층이 하기 (A1) 및 (B)∼(D)의 적어도 1종을 포함하는 재료에 의해 형성되어 있는 광학 소자 제작용 금형:
(A1) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ti, 또는 Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti를 2종 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속, (B) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 산화물, (C) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 질화물, (D) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 탄화물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 모재의 상기 표면은 평판상인 광학 소자 제작용 금형.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 모재의 상기 표면은 요곡면 또는 철곡면을 갖는 광학 소자 제작용 금형.
모재의 표면에 무기막을 제막하는 제막 공정과, 상기 무기막의 표면에 복수의 입자를 단일층으로 배열시키는 입자 배열 공정과, 상기 복수의 입자를 에칭 마스크로서 상기 무기막을 드라이 에칭하는 에칭 공정을 갖는 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 입자 배열 공정은 물의 액면 상에 단입자막을 형성하는 단입자막 형성 공정과, 상기 단입자막을 상기 무기막의 표면에 이행시키는 이행 공정을 갖는 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 무기막을 하기 (A1) 및 (B)∼(D)의 적어도 1종을 포함하는 재료에 의해 형성하는 광학 소자 제작용 금형의 제조 방법:
(A1) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ti, 또는 Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti를 2종 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속, (B) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 산화물, (C) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 질화물, (D) Si, Cr, Mo, W, Ta, Ni, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 금속 탄화물.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 광학 소자 제작용 금형을 사용한 나노 임프린트 또는 사출 성형에 의해 제작된 광학 소자.